JP2011159960A - 電気二重層キャパシター及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力密度及び低抵抗の電気二重層キャパシター及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電気二重層キャパシターは、互いに対向配置される第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂと、第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂの間に配置されるイオン透過性分離膜と、を含み、第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂのうち少なくとも１つの電極は、内部に空隙を有するように圧着された金属繊維１１ａ、１１ｂと、空隙に充填された電極物質１２ａ、１２ｂと、を含む。他の電気二重層キャパシターは、等価直列抵抗が低く、出力密度が高い。また、電極の厚さを薄く形成することができ、小型化を達成することが可能となる。
【選択図】図１ａ
【解決手段】電気二重層キャパシターは、互いに対向配置される第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂと、第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂの間に配置されるイオン透過性分離膜と、を含み、第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂのうち少なくとも１つの電極は、内部に空隙を有するように圧着された金属繊維１１ａ、１１ｂと、空隙に充填された電極物質１２ａ、１２ｂと、を含む。他の電気二重層キャパシターは、等価直列抵抗が低く、出力密度が高い。また、電極の厚さを薄く形成することができ、小型化を達成することが可能となる。
【選択図】図１ａ
Description
本発明は、電気二重層キャパシター及びその製造方法に関し、より具体的には、高出力密度及び低抵抗を有する電気二重層キャパシター及びその製造方法に関する。
情報通信機器のような各種電子製品において、安定したエネルギーの供給は重要な要素となっている。一般的にこのような機能はキャパシター（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）により行われる。即ち、キャパシターは、情報通信機器及び各種電子製品の回路で電気を貯めて放出する機能をし、回路内の電気の流れを安定化させる役割をする。しかし、一般的なキャパシターは、充放電時間が非常に短くて寿命が長く、出力密度は高いがエネルギー密度が小さいため、保存装置として使用するには限界がある。
このような限界を克服するために、最近では、充放電時間が短い上に出力密度の高い電気二重層キャパシターのような新しい範疇のキャパシターが開発されており、二次電池と共に次世代エネルギー装置として脚光を浴びている。
電気二重層キャパシター（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、極性が互いに異なる一対の電極を用いるエネルギー貯蔵装置であって、継続的な充放電ができ、一般的な他のキャパシターに比べてエネルギー効率と出力とが高く、かつ耐久性及び安全性に優れているという長所がある。これにより、近年、大電流で充放電できる電気二重層キャパシターが携帯電話用補助電源、電気自動車用補助電源、太陽電池用補助電源等の充放電頻度の高い蓄電装置として有望視されている。
電気二重層キャパシターの基本的な構造は、多孔性電極のように表面積が相対的に大きい電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）、集電体（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）及び分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）からなり、単位セル電極の両端に数ボルトの電圧を加え、電解液内のイオンが電場に沿って移動し、電極表面に吸着して発生する電気化学的メカニズムを作動原理とする。
本発明の目的は、高出力密度及び低抵抗を有する電気二重層キャパシター及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態は、互いに対向配置される第１及び第２の電極と、上記第１及び第２の電極の間に配置されるイオン透過性分離膜とを含み、上記第１及び第２の電極のうち少なくとも１つの電極は、内部に空隙を有するように圧着された金属繊維と上記空隙に充填された電極物質とを含む電気二重層キャパシターを提供する。
上記金属繊維は、上記電極物質が充填されない端子引出部を有することができる。
上記電極物質は、活性炭及びカーボンエアロゲルから選択される１つ以上であることができる。
上記空隙には、導電材がさらに充填されることができる。
本発明の他の実施形態は、内部に空隙を有するように金属繊維を圧着するステップと、上記空隙に電極物質を充填して第１電極を形成するステップと、上記第１電極にイオン透過性分離膜及び第２電極を順に積層するステップとを含む電気二重層キャパシターの製造方法を提供する。
上記金属繊維は、電極物質が充填されない端子引出部を有するように圧着されることができる。
上記第２電極は、内部に空隙を有するように金属繊維を圧着するステップと、上記空隙に電極物質を充填するステップとを含んで形成することができ、上記金属繊維は、電極物質が充填されない端子引出部を有するように圧着されることができる。
前記電気二重層キャパシターの製造方法は、上記空隙に導電材を充填するステップをさらに含むことができる。
本実施形態によると、電極物質が金属繊維により直接支持され、金属繊維との接触面積が大きくなり、電子の移動距離が短くなる。これによって、電気二重層キャパシターの等価直列抵抗（ＥＳＲ，Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が低くなり、出力密度が高くなる。
また、金属繊維が電極物質の導電経路として作用するため、集電性に優れており、別の集電体を必要としない。これにより、電極の厚さを薄く形成することができ、電気二重層キャパシターの小型化を達成することが可能となる。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
しかし、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態のみに限定されるわけではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における構成要素の形状及びサイズなどは、より明確な説明のために誇張することもあり、図面上において同一の符号で示される構成要素は同一の構成要素である。
図１ａは、本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシターを示す概略的な斜視図であり、図１ｂは、図１ａのＩ−Ｉ’線に沿う電気二重層キャパシターを示す概略的な断面図である。
図１ａ及び図１ｂを参照すると、本実施形態に係る電気二重層キャパシターは、互いに対向配置される第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂと、その間に配置されたイオン透過性分離膜２０とを含む。
１つの第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂと１つの分離膜２０は、電気二重層キャパシターの単位セルを構成し、複数の単位セルが積層されると、さらに高い電気容量を得ることができる。
また、図示してはいないが、電気二重層キャパシターは、複数の単位セルが積層されて使用されてもよい。
上記第１及び第２の電極のうち少なくとも１つの電極は、内部に空隙を有するように圧着された金属繊維と、上記空隙に充填された電極物質とからなってもよい。
また、図示したように、第１及び第２の電極１０Ａ、１０Ｂの両方とも内部に空隙を有するように圧着された金属繊維１１ａ、１１ｂと、上記空隙に充填された電極物質１２ａ、１２ｂとからなってもよい。
上記金属繊維１１ａ、１１ｂは１つの金属繊維からなってもよく、複数の金属繊維からなってもよい。金属繊維は内部に空隙を有するように圧着され、電極の外形を形成するようになる。上記空隙の直径は、これに限定されるものではないが、例えば、数十〜数千μｍであればよい。
複数の金属繊維からなる場合には、各金属繊維が他の繊維と連結されるように充分に圧着することが好ましい。
上記金属繊維は１種または２種の金属材料からなってもよく、上記金属材料は、これに限定されるものではないが、例えば、チタン、鉄、銅、アルミニウム、亜鉛、銀、コバルト、ニッケルまたはクロム等が挙げられる。
また、金属材料としては、導電性及び強度等に優れており、電極材料との反応性が弱いものを使用することが好ましい。
上記金属繊維の長さは、これに制限されるものではないが、例えば１０μｍ以下であればよい。
上記金属繊維１１ａ、１１ｂは、内部に空隙を有するように圧着され、上記空隙には電極物質が充填される。即ち、この電極物質は金属繊維により支持され、金属繊維と接触している。
上記金属繊維１１ａ、１１ｂは集電体の役割を果たし、上記金属繊維１１ａ、１１ｂによって電極物質に誘導された電子が移動する。
金属繊維１１ａ、１１ｂは、電極物質１２ａ、１２ｂの間において導電経路の機能をし、電極物質１２ａ、１２ｂ間の十分な導電経路が得られるため、優れた集電性を有する。
上記電極物質１２ａ、１２ｂは、特に限定されないが、当業界で通常使用されるものであればよい。例えば、活性炭（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ）またはカーボンエアロゲル（Ｃａｒｂｏｎ Ａｅｒｏｇｅｌ）等が挙げられ、これらは１種以上を混合して使用してもよい。
上記活性炭は、特に限定されないが、植物系（木質、椰子殻）、石炭／石油ピッチ（ｐｉｔｃｈ）系、高分子系、またはバイオマス（ｂｉｏ−ｍａｓｓ）等のような多様な原料により製造されたものを使用してもよい。
上記カーボンエアロゲルは、一般的に、活性炭より低い比表面積を有するが、気孔のサイズを調節することができるため、優れた電気伝導度を有する。カーボンエアロゲルは、特に限定されないが、当業界で通常使用されるものであればよい。
金属繊維が形成する空隙内には、上記電極以外に導電材１３ａ、１３ｂが含まれてもよい。上記導電材は、特に限定されないが、当業界で通常使用されるものであればよく、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラックまたは黒鉛等が挙げられる。
また、上記金属繊維が形成する空隙内には、上記電極物質及び導電材の結合力をさらに向上させるために、バインダーが含まれてもよい。
上記バインダーは、特に限定されないが、当業界で通常使用されるものであればよく、例えば、カルボキシメチルセルロース（Ｃａｒｂｏｘｙｌｍｅｔｙｌ Ｃｅｌｌｕｏｓｅ）、スチレンブタジエンゴム（Ｓｔｙｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）またはポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）等が挙げられる。
また、上記金属繊維１１ａ、１１ｂは、電極物質が充填されない第１及び第２の端子引出部１４ａ、１４ｂを有してもよい。
上記端子引出部１４ａ、１４ｂは、外部電界と連結されるものであり、その形状は適当に変更できる。
金属繊維１１ａ、１１ｂは、その特性上、形状を自在に変形できる。これにより電極物質が充填されない端子引出部１４ａ、１４ｂを容易に形成することができ、端子引出部１４ａ、１４ｂの形状も自在に変形できる。
上記分離膜２０は、イオンが透過できるように多孔性物質からなるものでもよい。この場合、多孔性物質として、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス繊維等が挙げられる。
上記分離膜２０には電解液が含浸され、電解液内のイオンは上記分離膜を通過して電極の表面に吸着する。
一般的に、電気二重層キャパシターは箔（ｆｏｉｌ）状の金属からなる集電体と、上記集電体上に形成された電極とを含む。電解液内のイオンは電極表面に吸着し、電極表面に電子が誘導される。誘導された電子は集電体に移動するが、電子が集電体に至るまでにかかる時間は電気二重層キャパシターのパワー密度に大きな影響を与える。
箔状の集電体を使用する場合、電極表面から集電体までの移動距離が長くなり、電気二重層キャパシターのパワー密度が低くなるおそれがある。
また、電極物質として使用される活性炭と活性炭との間の接触面により電子の移動が困難となり、電極物質を結合するためのバインダーの存在も電子の移動を邪魔するようになる。
しかし、本実施形態においては電極物質が金属繊維により直接支持され、金属繊維との接触面積が大きくなり、電子の移動距離が短くなる。これによって、電気二重層キャパシターの等価直列抵抗が低くなり、パワー密度が高くなる。
また、金属繊維が電極物質を支持する役割及び集電体の役割をするため、別の集電体を必要としない。これにより電極の厚さを薄く形成することができ、電気二重層キャパシターの小型化を達成することが可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシターの製造方法について説明する。
図２ａから図２ｃは、本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシターの製造方法を説明するための工程別断面図である。
まず、図２ａに示したように、内部に空隙を有するように金属繊維１１ａを圧着する。上記金属繊維１１ａは電極の外形を形成するもので、その形状は自在に形成できる。また、上記金属繊維１１ａは、電極物質が充填されない端子引出部１４ａを有するように圧着されることができる。
次に、図２ｂに示したように、上記金属繊維１１ａが形成する空隙内に、電極物質１２ａを充填して第１電極１０Ａを形成する。上記電極物質１２ａは、上述したように、活性炭またはカーボンエアロゲルであってもよい。また、上記空隙内に導電材１３ａがさらに充填されてもよい。
上記第１電極は、上記電極物質と導電材とが含まれた電極物質スラリーを製造し、この電極物質スラリーを金属繊維が形成する空隙内に充填して、形成することができる。
次に、図２ｃに示したように、上記第１電極１０Ａにイオン透過性分離膜２０と第２電極１０Ｂとを順に積層する。上記第２電極１０Ｂは、上記第１電極１０Ａのように、内部に空隙を有するように金属繊維１１ｂを圧着し、上記空隙内に電極物質１２ｂを充填して形成することができる。また、上記金属繊維１１ｂは、電極物質が充填されない端子引出部１４ｂを有するように圧着することができる。
また、上記空隙内には、導電材１３ｂをさらに充填することができる。
本発明は上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲により限定される。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で、多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有する者にとって自明であり、これも特許請求の範囲に記載された技術的事項に属する。
１０Ａ、１０Ｂ 第１及び第２の電極
１１ａ、１１ｂ 金属繊維
１２ａ、１２ｂ 電極物質
１３ａ、１３ｂ 導電材
１４ａ、１４ｂ 第１及び第２の端子引出部
１１ａ、１１ｂ 金属繊維
１２ａ、１２ｂ 電極物質
１３ａ、１３ｂ 導電材
１４ａ、１４ｂ 第１及び第２の端子引出部
Claims (9)
- 互いに対向配置される第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極の間に配置されるイオン透過性分離膜と、
を含み、
前記第１及び第２の電極のうち少なくとも１つの電極は、内部に空隙を有するように圧着された金属繊維と前記空隙に充填された電極物質とを含む電気二重層キャパシター。 - 前記金属繊維は、前記電極物質が充填されない端子引出部を有することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシター。
- 前記電極物質は、活性炭及びカーボンエアロゲルから選択される１つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシター。
- 前記空隙には、導電材がさらに充填されたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシター。
- 内部に空隙を有するように金属繊維を圧着するステップと、
前記空隙に電極物質を充填して第１電極を形成するステップと、
前記第１電極にイオン透過性分離膜及び第２電極を順に積層するステップと、
を含む電気二重層キャパシターの製造方法。 - 前記金属繊維は、電極物質が充填されない端子引出部を有するように圧着されることを特徴とする請求項５に記載の電気二重層キャパシターの製造方法。
- 前記第２電極は、内部に空隙を有するように金属繊維を圧着するステップと、前記空隙に電極物質を充填するステップとを含んで形成されることを特徴とする請求項５に記載の電気二重層キャパシターの製造方法。
- 前記金属繊維は、電極物質が充填されない端子引出部を有するように圧着されることを特徴とする請求項７に記載の電気二重層キャパシターの製造方法。
- 前記第１電極を形成するステップには、前記空隙に導電材を充填するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５または７に記載の電気二重層キャパシターの製造方法。
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