JP2013539606A - 高比容量およびエネルギー密度のスーパーキャパシタおよび前記スーパーキャパシタの構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、多孔性ケージにより分離されたマイクロ/メソ多孔性カーボン電極ペアの電気的に並列に接続された、半巻パッケージから柱状の電気二重層キャパシタを製造することに関する。この方法によれば、予め製造したカーボンフィルムを真空蒸着方法を使って、アルミフォイル層でコーティングし、よって電気化学系の集電電極を形成する。その後、カーボン複合電極から電極のペアを形成し、これら電極のペアを平らなパッケージに巻くか、またははじき入れ、折り畳んだパッケージから突出する集電電極の端部を並列に接合し、これに対応しその後、集電電極の端部を電気二重層キャパシタの正および負の電流ターミナルに接続する。
【選択図】図1
Description
ハウジングの柱状外側部分(図5参照)を製造するために、例えば、アルミの四角形チューブを使用できる。必要な強度を与える必要な厚みとなるよう軽量化のために、すべての外側表面をフライス削りしてよい。
キャパシタの底部キャップ(図6参照)は、キャパシタのマイナスターミナルも形成し、横断面が四角形をしたアルミ形材からフライス加工で削り出される。この底部キャップは、薄いエッジを有し、外側部分の中心から突出する円筒形−円錐形部分を有する低いボックスから形成される。この円筒形−円錐形部分は、その端部で円筒形部分となっており、この円筒形部分は、外部回路に接続するための雌ネジを有する。
P≧S3であり、他方
P=(2a+2b)nであり、ここで
aは、溶接スポットの長さであり、
bは、溶接スポットの幅であり、
nは、溶接スポットの量である。
横断面が四角形をしたアルミ形材からキャパシタのエンドキャップ(図7参照)がフライス削りされる。このエンドキャップを通してキャパシタのハウジングから絶縁されたプラスターミナルが突出する。プラスターミナルを外部へガイドするための開口部と共に中心に円筒形突出部分を有する、薄いエッジを備えた低いボックスからエンドキャップが形成され、プラスターミナルが、ハウジングの他の部分から電気的に絶縁され、密封される。
横断面が四角形をしたアルミ形材から電解質充填孔(図8参照)を備えた電流ターミナルが製造される。この電流ターミナルは、プレートから形成され、最上部分から突出する雄ネジおよび雌ネジを備えた円筒形部分を有する。プレートのより低い中心部分は、導電率を改善し、プレートの厚みまで円錐状に細くなっている突起を有する。ターミナルの内側開口部は、3つの表面から形成されている。外部回路および電解質の充填孔のプラグを締結するのにネジ切りされた内側部分が必要である。中心の円錐形部分は、充填プラグのO-リングシールを設置し、充填孔を密封するためのものである。
P=(2a+2b)nであり、ここで
aは、溶接スポットの長さであり、
bは、溶接スポットの幅であり、
nは、溶接スポットの量である。
4(c×d)であり、ここで
cは、円錐体の高さh2,cylindrical coneの50パーセントを越えない溝の深さであり、
dは、溝の幅であり、他方
必要な強度を提供するために、ジュラルミンから充填孔用プラグを製造した。プラグの外側表面はねじ切りされており(電流ターミナルのねじ切りされた開口部へプラグをはめ込む必要がある)、気密性を提供するために必要なゴム製O-リングシールを圧縮するよう、プラグの内側端部が円錐形表面となるように細くなっている。プラグは、円錐形表面から、(O-リングシールを設置するのに必要な)円筒形部分となっている。プラグの外側端部にはネジ用ドライバーのための溝がカットされている。
アルミ製の丸棒から電流ターミナルナットを製造した。このナットは、電流ターミナルの円筒形部分に置かれた、O-リングシールを圧縮し、気密性を与えるのに必要である。このナットには逆電荷を有するハウジングにレンチが接触するのを防止するためのフランジが設けられている。このナットのネジは、電流ターミナルの雄ネジに対応している。
絶縁材料からナットの絶縁ワッシャを製造した。この絶縁ワッシャの目的は、逆極性のナットとハウジングキャップとが接触するのを防止することにある。
電流ターミナルを絶縁する部品を誘電材料から製造した。この部品の目的は、キャパシタのエンドキャップの開口部に対して電流ターミナルをセンタリングし、電流ターミナルをエンドキャップから絶縁することにある。
1)厚み:すなわち、アノード90μm、カソード95μm、セパレータ25μm、集電電極18μmであり、これら値に基づき、固定された寸法を有する電気化学系に属す材料、すなわちセパレータ、電極および集電電極の寸法だけでなく電解質の量も計算した。
2・・・底部キャップ
3・・・エンドキャップ
4・・・電流ターミナル
5・・・プラグ
6・・・電流ターミナルナット
7・・・絶縁ワッシャ
8・・・絶縁部品
9・・・充填孔のゴムシール
10・・・電流ターミナルのゴムシール
11・・・絶縁体
15・・・電気化学系
151・・・集電電極
152・・・アルミ接触部
153、154、156・・・カーボン複合電極
155・・・パッケージ
Claims (13)
- 多孔性ケージにより分離されたマイクロ/メソ多孔性カーボン電極ペアの電気的に並列に接続された、半巻パッケージを製造することを含む、高比容量およびエネルギー密度のスーパーキャパシタの電気化学系を製造する方法であって、
a)予め製造されたカーボンフィルムを150°Cまでの温度で真空内で乾燥し、電極の寸法にカットするステップと、
b)コーティング中カーボンフィルムの温度をコーティングされる金属の温度とほぼ同じ温度に維持しながら、真空蒸着方法により、前記カーボンフィルムにアルミ層をデポジットし、集電電極を形成するステップと、
c)
i)まず追加的脱気および軽量のカーボン粒子の除去を行なうよう最大基準電圧にて温度を150°Cまで上昇させ、
ii)前記カーボンフィルムの最上部粒子の孔、溝およびギャップをアルミで満たし、
iii)前記コーティングプロセスを終了させるよう基準電圧を低下させながら、
50〜20Vのレンジ内の基準電圧によりアルミコーティング接触の制御を実行するステップと、
を備える、スーパーキャパシタの電気化学系を製造する方法。 - 集電電極の両側に結合された正帯電カーボン複合電極(154)と前記集電電極の両側に結合された負帯電カーボン複合電極(156)とが整合し、正帯電カーボン複合電極(154)と負帯電カーボン複合電極(156)とがイオン伝導性を有する多孔性中間層(155)により互いに分離された状態で、前記集電電極に結合されたカーボン複合電極から電極(151、154、155、156)のペアを形成することを特徴とする請求項1記載の方法。
- 折り畳まれたパッケージから突出する集電電極の端部を並列に接合し、それに対応してその後集電電極の端部が電気二重層キャパシタの正の電流ターミナルおよび負の電流ターミナルに接続されるよう互いに重ねられた電極のペアを、平らなパッケージに巻くか、はじき入れることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- キャパシタ(1)の柱状外側部分を含み、前記キャパシタの1つの端部には前記キャパシタの底部キャップ(2)が、取り付けられており、前記キャパシタの他端部にはエンドキャップ(3)が、取り付けられており、前記エンドキャップには電流ターミナルナット(6)により、電流ターミナル(4)が取り付けられており、前記電流ターミナルは、電解質充填孔およびこの充填孔のキャップ(5)およびガスケット(9)を有し、前記ナット(6)と前記エンドキャップ(3)との間には絶縁ワッシャ(7)が置かれており、前記電流ターミナルと前記エンドキャップ(3)との間には絶縁部品(8)が位置し、他方前記電流ターミナル(4)と前記エンドキャップ(3)と前記ナット(6)との間には電流ターミナルガスケット(10)が置かれており、前記電流ターミナル(4)の外側エッジと前記エンドキャップ(3)と前記キャパシタ(1)の柱状外側部分との間には電流ターミナル(11)の外側エッジの絶縁体が置かれている、請求項1〜3に記載の方法に従って製造された高比容量およびエネルギー密度のスーパーキャパシタ。
- 前記底部キャップ(2)の中心から生じた円筒形−円錐形部分を含み、この円筒形−円筒形部分は、キャパシタを外部回路に接続するための雌ネジを含む、フェースプレートから生じた円筒形部分を有し、他方円筒形−円錐形部分の導通部分の横断面の面積S2は、円筒形部分の導通部分の横断面の面積S1および前記底部キャップの平らな中間部分の導通部分の横断面の面積S3に等しいことを特徴とする、請求項4記載のスーパーキャパシタ。
- 前記電流ターミナル(4)は、円筒形部分を有し、この円筒形部分は、前記底部キャップ(2)を貫通するように置かれており、更にこの部分は、前記電流ターミナルナット(6)のための雄ネジを有し、他方前記電流ターミナルの前記円筒形部分の横断面の面積は、導電体の前記底部キャップの平らな導通中間部分の横断面の面積に等しいことを特徴とする請求項4記載のスーパーキャパシタ。
- 前記キャパシタの前記エンドキャップ、前記底部キャップおよび前記電流ターミナルの変化する横断面の面積が等しく、S1=S2=S3=S4なる条件を満たす場合に、前記キャパシタの最大比出力Pmaxは、最大実装密度において前記ハウジングの長さと横断面との比に応じて決まることを特徴とする、請求項4記載のスーパーキャパシタ。
- フェノール樹脂、ナッツの殻、砂糖、富カーボン有機ファイバー、金属製または非金属製カーバイドを使用することにより、製造された大比表面積の活性炭からマイクロ/メソ多孔性カーボン電極を製造することを特徴とする請求項4記載のスーパーキャパシタ。
- 前記カーボンの孔のサイズがイオンのサイズに対応し、これによって前記電気二重層キャパシタの低内部抵抗および高エネルギー密度が保証されるように、カーボン電極を製造するのに使用されるカーボンの孔のサイズに従って正帯電カーボン電極と負帯電カーボン電極の全体の容量のバランスを取ることを特徴とする請求項4記載のスーパーキャパシタ。
- 前記キャパシタの正電極の平均孔サイズと負電極の平均孔サイズとは異なり、この平均孔サイズの違いは、前記キャパシタに使用されている電極液のアニオンとカチオンのサイズの差が大きくになるにつれ、増加することを特徴とする請求項7記載のスーパーキャパシタ。
- 請求項4〜10のうちいずれか1項に記載の電気二重層キャパシタを含む、スーパーキャパシタの製造方法であって、前記キャパシタの組み立ての次に、前記キャパシタのハウジング内に設置された電気化学系を、第4アンモニウム塩また第4ホスホニウム塩またはその混合物から、イミダゾリウム誘導体に基づくイオン流体から選択された、イオンペア内に液相で存在する任意の無水有機塩または塩水を含む電解質で満たし、他方前記電解質の塩のカチオンは、R1R2R3R4N+またはR1R2R3R4P+(ここで、R1、R2、R3、R4は、−CH3から−C5H11のアルキル基または環状フェニルラジカル−C6H5である)であり、アニオンは、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、BPh4 -、SF3SO3 -を含むことができる、スーパーキャパシタの製造方法。
- 電解質溶剤は、ニトリル、環状カーボネート、プロピレンカーボネート,ラクトン、スルホラン、エステル、エーテル、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ピリジン誘導体から選択したものであることを特徴とする、請求項11記載の電気二重層キャパシタを製造する方法。
- 前記電解質は、エチルカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC),ジエチルカーボネート(DEC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)の混合物(ここで、好ましい混合物は、質量比が19.2:7.4:12.0:1.0:6.8となっているEC+PC+DMC+DEC+EMCである)から調整されたものであることを特徴とする請求項12記載の電気二重層キャパシタを製造する方法。
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