JP2016146483A - 電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 アルミニウムシートの表面積の損失を防いでアルミニウムシートと活物質シートとの間の接触面積を増大させることにより、低抵抗電極が実現される電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法を提供すること。【解決手段】 貫通型アルミニウムシートと、貫通型アルミニウムシートの一方の側に突出するように形成される多数の第1の中空状突出部材と、貫通型アルミニウムシートの他方の側に突出するように形成される多数の第2の中空状突出部材と、貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ塗布される導電性接着剤層と、導電性接着剤層により貫通型アルミニウムシートの一方の面に貼着される第1の活物質シートと、導電性接着剤層により貫通型アルミニウムシートの他方の面に貼着される第2の活物質シートと、を備える電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法。【選択図】 図1
Description
本発明は、電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法に係り、特に、電気二重層コンデンサの電極に用いられるアルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するに当たって、アルミニウムシートの表面積の損失を防いでアルミニウムシートと活物質シートとの間の接触面積を増大させることにより、低抵抗電極が実現される電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法に関する。
電気二重層コンデンサ(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)は、可逆性のある物理吸着現象により電気エネルギーを貯蔵することから、充放電を繰り返し行っても寿命に及ぼす影響が少なく、スマートフォン、ハイブリッド自動車、電気自動車や太陽光発電に適用されるエネルギー貯蔵装置の分野に適用されている。この種の電気二重層コンデンサは、パワー密度は良好であるとはいえ、エネルギー密度が低いため、これを改善するための電極材料の開発が求められる。
フォトリソグラフィを用いた立体パターン構造を有するアルミニウム集電体の製造方法が提案されている(例えば、下記の特許文献1参照)。特許文献1に開示されているアルミニウム集電体の製造方法は、まず、アルミニウム箔集電体を洗浄した後に窒素雰囲気下で乾燥させる。乾燥が終わると、乾燥されたアルミニウム箔集電体表面の上に感光液を塗布した後に乾燥させ、感光液が選択的に露光されるように硬化させる。
硬化が終わると、現像液を露光されたアルミニウム集電体に振り撒いて露光されていない感光液を選択的に除去した後に、残留した感光液を完全に硬化させてアルミニウム集電体の上にパターンを形成する。パターンが形成され終わると、2枚の炭素板をそれぞれの対向電極とし、パターンが形成されたアルミニウム箔集電体を2枚の炭素板の間に配設して交流電源を印加し、電解液においてアルミニウム集電体を1次的にエッチングする。
1次エッチングが終わると、エッチングされたアルミニウム集電体を乾燥させる。アルミニウム集電体の乾燥が終わると、2枚の炭素板を対向電極とし、1次エッチング後に乾燥されたアルミニウム集電体を両対向電極の間に配設して2次エッチングを行う。2次エッチングが終わると、2次エッチング済みアルミニウム箔を洗浄した後に乾燥させる。
特許文献1に示すように、従来の電気二重層コンデンサの電極は、フォトリソグラフィ工程を用いてアルミニウム集電体にパターン、すなわち、多数の貫通孔を形成してアルミニウム集電体と活物質との間の接触面積を増大させることにより、エネルギー密度を改善している。
特許文献1に示すように、従来の電気二重層コンデンサの電極に用いられるアルミニウム集電体に多数の貫通孔を形成する場合、アルミニウム集電体の全体の面積のうち貫通孔が占める面積に見合う分だけアルミニウム集電体の表面積の損失が生じるという問題がある。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、電気二重層コンデンサの電極に用いられるアルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するに当たって、アルミニウムシートの表面積の損失を防いでアルミニウムシートと活物質シートとの間の接触面積を増大させることにより、低抵抗電極が実現される電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電気二重層コンデンサの低抵抗電極は、互いに離隔するように多数の貫通ホールが形成される貫通型アルミニウムシートと、前記貫通ホールと連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて貫通型アルミニウムシートの一方の側に突出するように形成される多数の第1の中空状突出部材と、前記貫通型アルミニウムシートの一方の側及び他方の側にそれぞれ塗布される導電性接着剤層と、前記導電性接着剤層により前記多数の第1の中空状突出部材とそれぞれ離隔するように形成され、前記貫通ホールと連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて貫通型アルミニウムシートの他方の側に突出するように形成される多数の第2の中空状突出部材と、前記導電性接着剤層により前記多数の第1の中空状突出部材が埋め込まれるように貫通型アルミニウムシートの一方の面に貼着される第1の活物質シートと、前記多数の第2の中空状突出部材が埋め込まれ、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して第1の活物質シートとつながるように貫通型アルミニウムシートの他方の面に貼着される第2の活物質シートと、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法は、一方の面及び他方の面にそれぞれ多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材が形成された貫通型アルミニウムシートを第1のローラーに巻き取って準備するステップと、第1の活物質シートを第2のローラーに巻き取って準備するステップと、第2の活物質シートを第3のローラーに巻き取って準備するステップと、前記貫通型アルミニウムシートの一方の面の上側に前記第1の活物質シートが位置するようにし、他方の面の下側に前記第2の活物質シートが位置するようにして貫通型アルミニウムシートと、第1の活物質シート及び第2の活物質シートをそれぞれプレス部に搬送するステップと、前記プレス部に搬送される貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ導電性接着剤を振り撒いて導電性接着剤層を形成するステップと、第1の活物質シート及び第2の活物質シートをそれぞれ導電性接着剤層により貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ貼着し、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して互いにつながるように第1の活物質シート及び第2の活物質シートを同時にプレス部を用いて押し付けるステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の一態様による電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法は、電気二重層コンデンサの電極に用いられるアルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するに当たって、アルミニウムシートの表面積の損失を防いでアルミニウムシートと活物質シートとの間の接触面積を増大させることにより、低抵抗電極が実現されるというメリットがある。
以下、添付図面に基づき、本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法の実施形態について説明する。
図1及び図2に示すように、本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極は、貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を備える。
貫通型アルミニウムシート10には、互いに離隔するように多数の貫通ホール11a,12aが形成され、多数の第1の中空状突出部材11と、多数の第2の中空状突出部材12及び導電性接着剤層13が配設される。多数の第1の中空状突出部材11は、それぞれ多数の貫通ホール11aと連通されるように貫通型アルミニウムシート10から延びて貫通型アルミニウムシート10の一方の側に突出するように形成され、多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれ多数の第1の中空状突出部材11とそれぞれ離隔するように形成され、貫通ホール12aと連通されるように貫通型アルミニウムシート10から延びて貫通型アルミニウムシート10の他方の側に突出するように形成される。導電性接着剤層13は、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ塗布される貫通型アルミニウムシート10に第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の接着力を改善して等価直列抵抗特性を改善する。第1の活物質シート20は、導電性接着剤層13により多数の第1の中空状突出部材11が埋め込まれるように貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aに貼着され、第2の活物質シート30は、導電性接着剤層13により多数の第2の中空状突出部材12が埋め込まれ、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12を介して第1の活物質シート20とつながるように貫通型アルミニウムシート10の他方の面10bに貼着される。
このような構成を有する本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の構成について詳細に説明すると、下記の通りである。
貫通型アルミニウムシート10には、図1、図2及び図4に示すように、互いに離隔するように多数の貫通ホール11a,12aが形成され、それぞれ貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bが貫通されるように形成される。これらの多数の貫通ホール11a,12aの直径D1,D3は、50〜100μmである。多数の貫通ホール11a,12aが形成される貫通型アルミニウムシート10の厚さT1は10〜50μmであり、純度が99.20〜99.99%のものを用いて電気二重層コンデンサに適用される電極の低抵抗を実現する。ここで、図1は、図9に示す「Aa」部分を拡大して示す断面図であり、図2は、貫通型アルミニウムシート10を図4に示す「A−A」線に沿って切り取って示す断面図である。
多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれ図2及び図4に示すように、針や錐などの先端の尖った円筒柱部材(図示せず)と、楕円柱部材(図示せず)及び四角柱部材(図示せず)のうちのいずれか一つを用いて貫通型アルミニウムシート10を一方の面10aや他方の面10bから押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシート10に多数の貫通ホール11a,12aを形成するとともに、多数の貫通ホール11a,12aとそれぞれ連通されるように貫通型アルミニウムシート10から延びて突出するように形成される。多数の貫通ホール11a,12aは、それぞれ図6に示すように、円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つにより円筒状と、楕円状及び四角形のうちのいずれか一つの形状に形成される。ここで、図6は、第1の中空状突出部材11の様々な実施形態を示す表であり、第2の中空状突出部材12は、図6に示す第1の中空状突出部材11と同様に適用されるため、第2の中空状突出部材12の様々な実施形態の図示及び説明を省略した。
例えば、多数の第1の中空状突出部材11は、先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つを貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aに向かって押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシート10に多数の貫通ホール11aを形成するとともに、貫通型アルミニウムシート10の軟性により貫通ホール11aから延びてアルミニウムシート10の一方の側に突出するように形成される。ここで、多数の貫通ホール11aは、円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材に応じて、図6に示すように、円筒状と、楕円状及び四角形のうちのいずれか一つの形状に形成される。
多数の貫通ホール11aは、円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材に応じて、図6に示すように、円筒状と、楕円状及び四角形のうちのいずれか一つの形状に形成される。例えば、円筒柱部材を用いる場合、多数の貫通ホール11aは、Y1行の各図に示すように、円筒状に形成され、楕円柱部材を用いる場合、多数の貫通ホール11aは、Y3行の各図に示すように、楕円状に形成される。四角柱部材を用いて形成する場合、多数の貫通ホール11aは、Y2行の各図に示すように、四角形に形成される。なお、図6において、X3列にそれぞれ記載の図面は、X2列にそれぞれ記載の図面の斜視図を示す。
多数の第2の中空状突出部材12は、先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つを用いて貫通型アルミニウムシート10の他方の面10bに向かって押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシート10に多数の貫通ホール12aを形成するとともに、貫通型アルミニウムシート10の軟性により貫通ホール11aから延びて貫通型アルミニウムシート10の他方の側に突出するように形成される。ここで、多数の貫通ホール12aは、図6に示す貫通ホール11aと同様に、円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材に応じて、図6に示すように、円筒状と、楕円状及び四角形のうちのいずれか一つの形状に形成される。
これらの多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれ先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つにより一つ以上の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dとして形成される。例えば、第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12は、それぞれ図4に示すように、一つの突出バリ部材11b,12bとして形成されるか、或いは、2以上の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dとして形成される。すなわち、1枚の貫通型アルミニウムシート10は、一つの突出バリ部材11b,12bとして形成されるか、或いは、2以上の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dとして形成される第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12が混在されて形成される。第1の中空状突出部材11は、図6に示す第1の中空状突出部材11と同様に、貫通ホール11aが、Y2行及びY3行の各図に示すように、四角形や楕円状に形成される場合、4つの突出バリ部材11b,11c,11d,11eとして形成され、第2の中空状突出部材12もまた、第1の中空状突出部材11と同様に適用される。ここで、図6に示す表において、X1列は、第1の中空状突出部材11に2つの突出バリ部材11b,11cが形成された実施形態を示し、X2列は、第1の中空状突出部材11に3つや4つの突出バリ部材11b,11c,11d,11eが形成された実施形態を示し、X3列は、X1列に示す第1の中空状突出部材11の斜視図を示す。なお、図1は、図6のX1列とY1列に示す2つの突出バリ部材11b,11c,12b,12cを有する第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12が形成された本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の断面図を示す。
一つ以上の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dは、それぞれ貫通ホール11a,12aから延びるように貫通型アルミニウムシート10に互いに離隔して一体に形成され、それぞれの高さT2,T3は、2〜70μmになるように形成される。例えば、図2及び図6に示すように、突出バリ部材11b,12bの高さT2,T3は、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aや他方の面10bを基準として最大の高さであり、多数の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dは、それぞれ貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aや他方の面10bを基準として互いに分離された状態で高さが2μm以上になるように形成されることを示す。このように多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、一つ以上の突出バリ部材11b,11c,11d,12b,12c,12dを有するように形成されることにより、貫通型アルミニウムシート10の表面積をなお一層増大させる。例えば、第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12は、円筒状柱部材を用いて形成するとき、直径D1,D3が互いに均一な円筒状貫通ホール11a,12aを形成するとともに、第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12の一方の側や他方の側の内径D2,D4が直径D1,D3に等しいかそれよりも小さくなるように形成される突出バリ部材11b,12bとして形成されることにより、貫通型アルミニウムシート10の表面積をなお一層増大させる。
貫通型アルミニウムシート10に第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12が形成されると、貫通型アルミニウムシート10と、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれの表面に、図3に示すように、導電性接着剤層13が埋め込まれる凹凸面10cが形成される。凹凸面10cは、貫通型アルミニウムシート10の表面積をなお一層増大させ、導電性接着剤層13を貫通型アルミニウムシート10だけではなく、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の表面に均一に分散させて貼着し易くする。ここで、表面は、貫通型アルミニウムシート10の一方の側及び他方の面10a,10bであり、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の内周面及び外周面を備えることを示す。
導電性接着剤層13としては、公知の導電性接着剤材質が用いられ、図5に示すように、導電性接着剤13aが貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aに振り撒かれた状態で塗布され、貫通型アルミニウムシート10の他方の面10bもまた、図5に示す貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aと同様に、導電性接着剤13aが振り撒かれた状態で塗布される。貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ振り撒かれた状態で塗布されると、導電性接着剤(図5における13a)は、貫通型アルミニウムシート10に第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を貼着するために押し付けられる力により貫通型アルミニウムシート10の表面に均一に展延されて導電性接着剤層13に形成される。導電性接着剤層13は、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに均一に展延されるように形成されて貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の接着面積を改善することにより、等価直列抵抗特性を低めて電気二重層コンデンサに適用される電極の低抵抗を実現する。
第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、それぞれ図1及び図2に示すように、ロールプレス法を2回以上繰り返し行って多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12を介して互いにつながるように貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに同時に押し付けられて導電性接着剤層13を介して貼着され、ロールプレス法を2回以上繰り返し行うとき、最後に行われるロールプレス法により押し付けられた第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT4,T5は、最初に行われるロールプレス法により押し付けられた厚さ(図9におけるT6,T7)よりも2〜30%薄くなるように形成される。
第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、それぞれロールプレス法を2回以上繰り返し行って貫通型アルミニウムシート10に同時に押し付けられて貼着されることにより、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を貼着するための押付力により多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の外形が変形されたり、これにより貫通ホール11a,12aが閉塞されたりするなどの損傷を防ぐとともに、等価直列抵抗特性が低下することを防いで、低抵抗を有する電極が実現される。
例えば、本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極は、図9に示すプレス部140を用いてロールプレス法を2回繰り返し行って形成する。
最初に行われるロールプレス法は、最後に行われるロールプレス法よりも低い圧力で押し付けて貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を貼着する。すなわち、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、それぞれ低い圧力で貫通型アルミニウムシート10に貼着されることにより、圧力により多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の外形が変形されることが防がれる。このように、最初に行われるロールプレス法は、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30をそれぞれ第1の中空状突出部材11や第2の中空状突出部材12に部分的に充填し、これにより、最初に行われるロールプレス法に用いられる圧力よりも高い圧力が加えられることにより生じる第1の中空状突出部材11や第2の中空状突出部材12の外形の変形が防がれる。
第二番目、すなわち、第二番目が最後である場合、最後に行われるロールプレス法は、最初に行われるロールプレス法よりも高い圧力で押し付けて貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を貼着する。最後に行われるロールプレス法は、最初に行われるロールプレス法よりも高い圧力で押し付けても、既にある程度第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30がそれぞれ第1の中空状突出部材11や第2の中空状突出部材12に部分的に充填されることにより、第1の中空状突出部材11や第2の中空状突出部材12の外形が変形されることが防がれる。最後に行われるロールプレス法においては、最初に行われるロールプレス法よりも高い圧力で第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を同時に押し付けることにより、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12に充填された状態で多数の貫通ホール11a,12aに充填されて互いにつながる。
最後に行われるロールプレス法により、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12に充填されてそれぞれの内周面や外周面に貼着された状態で多数の貫通ホール11a,12aに充填されることにより、貫通型アルミニウムシート10と接触される面積が増大されて等価直列抵抗特性の低下を防いで低抵抗を有する電極を実現する。このような第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、それぞれ互いに同じ活物質材質からなり、厚さT4,T5が厚さT6,T7よりも約2〜30%薄くなるように押し付けて形成することにより、接触面積を増大させて低抵抗を有する電極を製造することができ、それぞれの厚さT4,T5は、100〜500μmである。ここで、活物質材質としては活性炭が用いられ、活性炭の平均粒径は1〜10μmであり、比表面積は1200〜2200m2/gである。
上述した構成を有する本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法を添付図面を参照して説明すれば、下記の通りである。
本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法は、図5及び図9に示すように、まず、一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12が形成された貫通型アルミニウムシート10を第1のローラー110に巻き取って準備する(S10)。第1のローラー110の準備とともに、第1の活物質シート20を第2のローラー120に巻き取って準備し(S20)、第2の活物質シート30を第3のローラー130に巻き取って準備する(S30)。第1のローラー110と、第2のローラー120及び第3のローラー130がそれぞれ準備されると、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aの上側に第1の活物質シート20が位置するようにし、他方の面10bの下側に第2の活物質シート30が位置するようにして貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30をそれぞれプレス部140に搬送する(S40)。プレス部140に貫通型アルミニウムシート10が搬送される前に、プレス部140に搬送される貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ導電性接着剤層13aを振り撒いて導電性接着剤層13を形成する(S50)。
導電性接着剤層13が形成された貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30をそれぞれプレス部140に搬送されると、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30をそれぞれ導電性接着剤層13により貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ貼着し、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12を介して互いにつながるように第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を同時にプレス部140を用いて押し付けた(S60)後に、公知の乾燥工程を用いて乾燥させて本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極を製造する。
前記構成のうち、貫通型アルミニウムシート10を第1のローラーに巻き取って準備するステップ(S10)において、貫通型アルミニウムシート10は、先端の尖った円筒柱部材(図示せず)と、楕円柱部材(図示せず)及び四角柱部材(図示せず)のうちのいずれか一つを用いて貫通型アルミニウムシート10を一方の面10aや他方の面10bから押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシート10に多数の貫通ホール11a,12aを形成するとともに、多数の貫通ホール11a,12aとそれぞれ連通されるように貫通型アルミニウムシート10から延びて突出するように多数の第1の中空状突出部材11や多数の第2の中空状突出部材12が一体に形成される。
貫通型アルミニウムシート10に形成される多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれ貫通型アルミニウムシート10の一方の側や他方の側、すなわち、第1の方向や第2の方向に突出するように形成され、第1の方向は、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aを向く方向であり、第2の方向は、第1の方向とは反対の方向に貫通型アルミニウムシート10の他方の面10bを向く方向である。
貫通型アルミニウムシート10に第1の中空状突出部材11及び第2の中空状突出部材12が形成されると、貫通型アルミニウムシート10と、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12は、それぞれの表面に、図3に示すように、電解エッチング液を用いた交流電解エッチング方法を用いて導電性接着剤層13が埋め込まれるように凹凸面10cを形成する。電解エッチング液には、凹凸面10cが貫通型アルミニウムシート10の表面近くに形成されるように6〜7M(モル濃度)の塩酸、濃度が7,000〜10,000質量ppmであるAlCl3.6H2O及び3〜5M(モル濃度)の硫酸が含まれる。電解エッチング液は、塩酸の濃度を6〜7M(モル濃度)に設定し、硫酸を3〜5Mに設定することにより、貫通型アルミニウムシート10において急激にエッチングされることを防ぎ、AlCl3.6H2Oの濃度を7,000〜10,000質量ppmに設定する理由は、凹凸面10cが深く形成されることを防いで凹凸面10cを貫通型アルミニウムシート10の表面近くに形成するためである。
凹凸面10cは、貫通型アルミニウムシート10の表面近くに形成されて表面積をなお一層増大させ、導電性接着剤層13を貫通型アルミニウムシート10だけではなく、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の表面に均一に分散させて貼着し易くする。ここで、表面は、貫通型アルミニウムシート10の一方の側及び他方の面10a,10bであり、多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12の内周面及び外周面を備える。このような凹凸面10cは、導電性接着剤層13が凹凸面10cに沿って均一に貼着されるときに、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を凹凸面10cに埋め込まれるように形成することにより、貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20や第2の活物質シート30とが接触するときに等価直列抵抗特性を改善し、且つ、高容量を得る。
第1の活物質シート20を第2のローラー120に巻き取って準備するステップ(S20)及び第2の活物質シート30を第3のローラー130に巻き取って準備するステップ(S30)において、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30はそれぞれ互いに同じ活物質材質からなり、活物質材質は、電極材60〜80wt%及び粘度調節物20〜40wt%からなり、粘度を5,000〜10,000cp(centipoise)にする。第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30は、それぞれ上述した粘度を維持し、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30がある程度粘度を有した状態で搬送されて貫通型アルミニウムシート10に貼着されるため、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の貼着力が改善される。ここで、電極材は、活性炭85〜95wt%と、導電剤3〜8wt%及びバインダー2〜7wt%からなり、粘度調節物は、アルコール30〜60wt%及び純水40〜70wt%からなる。ここで、活性炭は、水熱合成方法を用いて製造した炭素粒子粉末を活性化処理して製造する。活性化処理は、炭素粒子粉末と混合アルカリを重量比(wt%)が1:2〜3になるように混合して乾燥させた後に、窒素雰囲気の管状炉において600〜1000℃で熱処理して行い、混合アルカリは、NaOHとKOHを重量比(wt%)が1:9〜12になるように混合する。
活性炭の製造方法について詳細に説明すると、まず、公知の水熱合成方法を用いて製造した炭素粒子粉末を製造する。炭素粒子粉末としては、公知の原料が用いられ、原料としては、ピッチコークス、椰子殻やバイオ物質が用いられ、バイオ物質としては、ジャガイモ澱粉、チョウセンマツ(朝鮮松)の実またはトウモロコシなどが用いられる。炭素粒子粉末が製造されると、炭素粒子粉末を活性化処理する。活性化処理に際しては、まず、炭素粒子粉末を混合アルカリ溶液に30分間〜2時間真空含浸させた後、10〜15時間攪拌して炭素粒子粉末と混合アルカリを混合する。
炭素粒子粉末と混合アルカリが混合されると、公知のろ過機を用いてろ過した後に、100〜130℃で10〜15時間真空乾燥させる。乾燥が終わると、窒素雰囲気の管状炉において600〜1000℃で30分間〜1時間30分間熱処理して活性化させる。活性化が終わると、混合アルカリが混合された炭素粒子粉末を蒸留水で1〜10回繰り返し洗浄した後に乾燥させて活性炭を製造する。
活性炭の製造に際して、NaOH及びKOHからなる混合アルカリは、活性炭にNaOH及びKOHによる2種類の大きさの気孔を形成する。すなわち、Kイオン及びNaイオンは、互いに大きさが異なり、活性化動作の違いにより活性炭に互いに異なる大きさの気孔を形成する。例えば、Kイオンは、Naイオンの活性化により形成された気孔に比べて狭くて深い気孔を形成し、Naイオンは、Kイオンの活性化により形成された気孔に比べて広くて浅い気孔を形成する。
活性炭の比表面積は、図8に示すように、NaOH及びKOHの重量比(wt%)を1:9に固定した状態で炭化物及び混合アルカリの重量比を1:2,1:2.3,1:2.6及び1:3に変えながら実験するときに増大される。このような実験の実施形態でのように、混合アルカリにおけるKOHの重量比(wt%)が増加される場合、活性炭の比表面積は、図8に示すように、1200m2/gから2200m2/gに増大されるため、平均粒径1〜10μmの活性炭が使用可能になる。すなわち、活性炭は、平均粒径が小さいにも拘わらず、比表面積が増大されるので、活性炭の体積当たりの容量を増加させ、これにより、活性炭と貫通型アルミニウムシート10との間の接触面積を増大させて低い等価直列抵抗特性を有する低抵抗の第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を製造することができる。
活性炭に残存する金属不純物は、図8に示すように、NaOH及びKOHの重量比(wt%)を1:9に固定した状態で炭化物及び混合アルカリの重量比(wt%)を1:3、1:2.6、1:2.3及び1:2に変えながら実験するときに減少される。例えば、Naイオンにより形成された気孔を用いて活性炭を洗浄するとき、図8に示すように、金属不純物の除去効果が改善される。ここで、活性炭の洗浄後に残存する金属不純物としては、NiやKなどが挙げられる。
このように、活性炭は、炭化物及び混合アルカリの割合に応じて、比表面積の増加と金属不純物の減少が互いに相反する状態を示しているが、活性炭の使用目的に応じて最適な炭化物及び混合アルカリの割合を選択する場合、体積当たりの容量を増加させながらも金属不純物の残存量を減少させることができる。
導電性接着剤13aを振り撒いて導電性接着剤層13を形成するステップ(S50)においては、図9に示すように、第1のローラー110とプレス部140との間に位置され、互いに離隔するように配置され、公知の技術である一対のノズルヘッド150やスプレイ(図示せず)を用いて公知の材質の導電性接着剤13aを図5に示すように振り撒いて導電性接着剤層13を形成される。一対のノズルヘッド150は、それぞれ図5に示すように、導電性接着剤13aを振り撒くために多数のノズル(図示せず)が一列に整列され、一対のノズルヘッド150のうちのいずれか一つは貫通型アルミニウムシート10の一方の面10aの上側に配置され、残りの一つは他方の面10bの下側に配置されて貫通型アルミニウムシート10に導電性接着剤13aを振り撒いて塗布して導電性接着剤層13を形成する。
貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ導電性接着剤13aを振り撒いて導電性接着剤層13を形成すると、貫通型アルミニウムシート10はプレス部140に搬送されて一方の面10a及び他方の面10bにそれぞれ導電性接着剤層13により第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30が貼着される。ここで、振り撒かれた導電性接着剤層13は、プレス部140が第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30に加える力により貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに均一に展延されて貫通型アルミニウムシート10と、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30間の接着力を改善して等価直列抵抗特性を改善して本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極を実現する。
第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を同時にプレス部140を用いて押し付けるステップ(S60)は、図9に示すように、まず、第1の活物質シート20と、第2の活物質シート30及び貫通型アルミニウムシート10が一対の第1のプレスローラー141に搬送されると、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30がそれぞれ貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに導電性接着剤層13により貼着されるように一対の第1のプレスローラー141を用いて第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を同時に第1の圧力で1次的に押し付ける(S61)。
第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の1次押し付けが終わった貫通型アルミニウムシート10が一対の第2のプレスローラー142に搬送されると、1次的に押し付けられた第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30がそれぞれ多数の第1の中空状突出部材11及び多数の第2の中空状突出部材12を介して互いにつながるように、一対の第2のプレスローラー142を用いて第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30を同時に第1の圧力よりも高い第2の圧力で2次的に押し付ける(S62)。ここで、第2の圧力は、貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに貼着された第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT4,T5が、第1の圧力により押し付けられて貫通型アルミニウムシート10の一方の面10a及び他方の面10bに貼着された第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さ(図7におけるT6,T7)よりも2〜30%薄く形成されるように設定される。
上述した第1の圧力は、図9に示すように、一対の第1のプレスローラー141との離隔距離である間隔M1により設定され、第2の圧力は、それぞれ図9に示すように、一対の第2のプレスローラー142との離隔距離である間隔M2により設定される。すなわち、一対の第1のプレスローラー141は、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30にそれぞれ第1の圧力が加えられるように間隔M1を隔てて隔設されて第1の活物質シート20を厚さT6に形成するとともに、第2の活物質シート30を厚さT7に形成する。一対の第2のプレスローラー142は、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30にそれぞれ第2の圧力が加えられるように間隔M2を隔てて隔設されて第1の活物質シート20を厚さT4に形成するとともに、第2の活物質シート30を厚さT5に形成して、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT4,T5が厚さT6,T7よりも2〜30%薄くなるように形成する。ここで、厚さT6,T7は互いに同じ厚さを有し、厚さT4,T5もまた互いに同じ厚さを有する。
1次的に押し付けた第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT6,T7よりも2〜30%薄くなるように2次的に押し付けた第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT4,T5は、一対の第1のプレスローラー141間の間隔M1と、一対の第2のプレスローラー142間の間隔M2との間の間隔差(M3+M4)により生じる。すなわち、第1の圧力及び第2の圧力は、プレス部140に配設される一対の第1のプレスローラー141の離隔距離M1及び一対の第2のプレスローラー142の離隔距離M2により設定され、第1の圧力と第2の圧力との間の差分は、一対の第1のプレスローラー141の離隔距離M1と、一対の第2のプレスローラー142の離隔距離M2との間の差分(M3+M4)により生じる。例えば、離隔距離M1は、間隔(M2+M3+M4)に等しくなるように設定されることにより、第1の活物質シート20及び第2の活物質シート30の厚さT4,T5は、厚さT6,T7よりも2〜30%薄くなるように形成して低抵抗を有する電極が実現され易い。ここで、離隔距離M1,M2は、それぞれ一対の第1のプレスローラー141や一対の第2のプレスローラー142の配置間隔を示す。
上述したように、本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法によれば、電気二重層コンデンサの電極に用いられるアルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するに当たって、アルミニウムシートの表面積の損失を防いでアルミニウムシートと活物質シートとの間の接触面積を増大させることにより、低抵抗電極が実現される。
本発明の電気二重層コンデンサの低抵抗電極及びその製造方法は、電気二重層コンデンサの製造産業分野に適用可能である。
10…貫通型アルミニウムシート、11…第1の中空状突出部材、12…第2の中空状突出部材、13…導電性接着剤層、20…第1の活物質シート、30…第2の活物質シート、110…第1のローラ、120…第2のローラ、130…第3のローラ、140…プレス部、141…第1のプレスローラ、142…第2のプレスローラ、150…ノズルヘッド。
Claims (18)
- 互いに離隔するように多数の貫通ホールが形成される貫通型アルミニウムシートと、
前記貫通ホールと連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて貫通型アルミニウムシートの一方の側に突出するように形成される多数の第1の中空状突出部材と、
前記貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ塗布される導電性接着剤層と、
前記導電性接着剤層により前記多数の第1の中空状突出部材とそれぞれ離隔するように形成され、前記貫通ホールと連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて貫通型アルミニウムシートの他方の側に突出するように形成される多数の第2の中空状突出部材と、
前記導電性接着剤層により前記多数の第1の中空状突出部材が埋め込まれるように貫通型アルミニウムシートの一方の面に貼着される第1の活物質シートと、
前記多数の第2の中空状突出部材が埋め込まれ、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して第1の活物質シートとつながるように貫通型アルミニウムシートの他方の面に貼着される第2の活物質シートと、
を備えることを特徴とする電気二重層コンデンサの低抵抗電極。 - 前記貫通型アルミニウムシートには、互いに離隔するように多数の貫通ホールが形成され、前記多数の貫通ホールは、それぞれアルミニウムシートの一方の面及び他方の面が貫通されるように形成され、それぞれの直径は50〜100μmであることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記貫通型アルミニウムシートの厚さは、10〜50μmであり、純度が99.20〜99.99%であることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記多数の第1の中空状突出部材及び前記多数の第2の中空状突出部材は、それぞれ先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つを用いて貫通型アルミニウムシートを一方の面や他方の面から押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するとともに、多数の貫通ホールとそれぞれ連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて突出するように形成され、前記貫通ホールは、円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つにより円筒状と、楕円状及び四角形のうちのいずれか一つの形状に形成されることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記多数の第1の中空状突出部材及び前記多数の第2の中空状突出部材は、それぞれ先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つにより一つ以上の突出バリ部材として形成されることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記一つ以上の突出バリ部材は、それぞれ貫通ホールから延びるように貫通型アルミニウムシートに互いに離隔して一体に形成され、それぞれの高さは、2〜70μmであることを特徴とする請求項5に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記貫通型アルミニウムシートと、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材には、それぞれの表面に導電性接着剤層が埋め込まれる凹凸面が形成され、前記表面は、貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面であり、前記多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材の内周面及び外周面を備えることを特徴とする電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記第1の活物質シート及び前記第2の活物質シートは、それぞれロールプレス法を2回以上繰り返し行って多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して互いにつながるように貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面に同時に押し付けられて貼着され、ロールプレス法を2回以上繰り返し行う際に、最後に行われるロールプレス法により押し付けられた第1の活物質シートの厚さ及び第2の活物質シートの厚さは、それぞれ最初に行われるロールプレス法により押し付けられた厚さよりも2〜30%薄くなるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 前記第1の活物質シート及び前記第2の活物質シートは、それぞれ互いに同じ活物質材質からなり、厚さは、100〜500μmであり、前記活物質材質としては、活性炭が用いられ、前記活性炭は、平均粒径が1〜10μmであり、比表面積は、1200〜2200m2/gであることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極。
- 一方の面及び他方の面にそれぞれ多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材が形成された貫通型アルミニウムシートを第1のローラーに巻き取って準備するステップと、
第1の活物質シートを第2のローラーに巻き取って準備するステップと、
第2の活物質シートを第3のローラーに巻き取って準備するステップと、
前記貫通型アルミニウムシートの一方の面の上側に前記第1の活物質シートが位置するようにし、他方の面の下側に前記第2の活物質シートが位置するようにして貫通型アルミニウムシートと、第1の活物質シート及び第2の活物質シートをそれぞれプレス部に搬送するステップと、
前記プレス部に搬送される貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ導電性接着剤を振り撒いて導電性接着剤層を形成するステップと、
第1の活物質シート及び第2の活物質シートをそれぞれ導電性接着剤層により貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面にそれぞれ貼着し、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して互いにつながるように第1の活物質シート及び第2の活物質シートを同時にプレス部を用いて押し付けるステップと、
を含むことを特徴とする電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。 - 前記貫通型アルミニウムシートを第1のローラーに巻き取って準備するステップにおいて、貫通型アルミニウムシートは、先端の尖った円筒柱部材と、楕円柱部材及び四角柱部材のうちのいずれか一つを用いて一方の面や他方の面から押し付けて突き抜くことにより、貫通型アルミニウムシートに多数の貫通ホールを形成するとともに、多数の貫通ホールとそれぞれ連通されるように貫通型アルミニウムシートから延びて突出するように多数の第1の中空状突出部材や多数の第2の中空状突出部材が一体に形成されることを特徴とする請求項10に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記多数の第1の中空状突出部材及び前記多数の第2の中空状突出部材は、それぞれ貫通型アルミニウムシートの一方の側や他方の側に突出するように形成されることを特徴とする請求項11に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記多数の第1の中空状突出部材及び前記多数の第2の中空状突出部材がそれぞれ貫通型アルミニウムシートに形成されると、電解エッチング液を用いた交流電界エッチング方法を用いて前記貫通型アルミニウムシートと、多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材のそれぞれの表面に導電性接着剤層が埋め込まれるように凹凸面を形成し、前記電解エッチング液には、6〜7M(モル濃度)塩酸、濃度が7,000〜10,000質量ppmであるAlCl3.6H2O及び3〜5M(モル濃度)硫酸が含まれ、前記表面は、貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面であり、前記多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材の内周面及び外周面を備えることを特徴とする請求項11に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記第1の活物質シートを第2のローラーに巻き取って準備するステップ及び前記第2の活物質シートを第3のローラーに巻き取って準備するステップにおいて、前記第1の活物質シート及び前記第2の活物質シートは、それぞれ互いに同じ活物質材質からなり、前記活物質材質は、電極材60〜80wt%及び粘度調節物20〜40wt%からなり、粘度は、5,000〜10,000cp(センチポイズ)であることを特徴とする請求項10に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記電極材は、活性炭85〜95wt%と、導電剤3〜8wt%及びバインダー2〜7wt%からなり、前記活性炭は、水熱合成方法により製造された炭素粒子粉末を活性化処理して製造し、前記活性化処理は、炭素粒子粉末と混合アルカリを重量比(wt%)が1:2〜3になるように混合して乾燥させた後に、窒素雰囲気の管状炉において600〜1000℃で熱処理して行い、前記混合アルカリは、NaOH及びKOHの重量比(wt%)が1:9〜12になるように混合されることを特徴とする請求項14に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記粘度調節物は、アルコール30〜60wt%及び純水40〜70wt%からなることを特徴とする請求項14に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
- 前記第1の活物質シート及び第2の活物質シートを同時にプレス部を用いて押し付けるステップは、
第1の活物質シート及び第2の活物質シートがそれぞれ貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面に導電性接着剤により貼着されるように一対の第1のプレスローラーを用いて第1の活物質シート及び第2の活物質シートを同時に第1の圧力で1次的に押し付けるステップと、
前記1次的に押し付けられた第1の活物質シート及び第2の活物質シートがそれぞれ多数の第1の中空状突出部材及び多数の第2の中空状突出部材を介して互いにつながるように一対の第2のプレスローラーを用いて第1の活物質シート及び第2の活物質シートを同時に第1の圧力よりも高い第2の圧力で2次的に押し付けるステップと、
を含み、
前記第1の圧力は、一対の第1のプレスローラーの離隔距離により設定され、前記第2の圧力は、一対の第2のプレスローラーの離隔距離により設定されることを特徴とする請求項10に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。 - 前記2次的に押し付けるステップにおいて、第2の圧力は、貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面に貼着された第1の活物質シート及び第2の活物質シートの厚さが、第1の圧力により押し付けられて貫通型アルミニウムシートの一方の面及び他方の面に貼着された第1の活物質シート及び第2の活物質シートの厚さよりも2〜30%薄く形成されるように設定されることを特徴とする請求項17に記載の電気二重層コンデンサの低抵抗電極の製造方法。
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