JP3675683B2

JP3675683B2 - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP3675683B2
Application number: JP28844899A
Authority: JP
Inventors: 浩史片山; 真直小林; 好克木村; 秀夫飛知和
Original assignee: Elna Co Ltd
Current assignee: Elna Co Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: JP2001110679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の代替として使用可能な円筒型（巻回型）の電気二重層コンデンサに関し、さらに詳しく言えば、そのセパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量が大きなパワー用の電気二重層コンデンサは、一般に円筒型もしくは巻回型と呼ばれ、メモリーなどのバックアップ電源として用いられるコイン型と区別されている。
【０００３】
円筒型電気二重層コンデンサの基本的な形態は、箔巻回型アルミニウム電解コンデンサとほとんど同じである。すなわち、アルミニウムなどの金属箔もしくはパンチングメタルを集電体とし、少なくともその片面に分極性電極層を形成してなる一対の電極板を備えている。
【０００４】
各電極板は、その所定部位に引出リードが取り付けられたうえで、それらの間にセパレータを挟んだ状態で渦巻き状に巻回された後、巻き解れないようにその最外周が例えば粘着テープにより固定される。そして、有底円筒状の金属ケース内に電解液とともに収納され、その金属ケースの開口部がゴム封口体などにより封口される。なお、引出リードはゴム封口体を貫通して外部に引き出される。
【０００５】
セパレータは２枚用いられ、例えば各集電体の片面のみに分極性電極層が形成されている場合、一方のセパレータは分極性電極層間に配置され、他方のセパレータは集電体の分極性電極層形成面とは反対側の面、すなわち反分極性電極層形成面側に配置され、２枚の電極板とともに渦巻き状に巻回される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータには、通常、合成繊維系やパルプ原料である天然繊維系のものが用いられているが、分極性電極層間に配置される一方のセパレータと、集電体の反分極性電極層形成面側に配置される他方のセパレータとでは、重視される機能が異なっているにも拘わらず、従来では、一方のセパレータと他方のセパレータには同一のセパレータが用いられている。
【０００７】
すなわち、分極性電極層間に配置される一方のセパレータは、電極の表面積を有効に活用するために電解液の保持性とイオンの透過性が特に重視され、これに対して、集電体の反分極性電極層形成面側に配置される他方のセパレータには、もっぱら電気的絶縁性が重視されているが、従来においては、生産性およびコスト的な面から、２枚のセパレータには同一のものが用いられている。
【０００８】
したがって、パワー用として期待されている電気二重層コンデンサの特性を十分に引き出すためにセパレータを最適化することが困難であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、２枚のセパレータの各々に異なる性質を持つものを用いることにより、内部抵抗の低抵抗化，高出力化および寿命特性などを大幅に改善し得るようにした電気二重層コンデンサを提供することにある。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、集電体の片面に分極性電極層を形成してなる一対の電極板を含み、上記各電極板の各分極性電極層を第１セパレータを介して対向させるとともに、上記一方の電極板の反分極性電極層形成面側に第２セパレータを配置して、上記一対の電極板を渦巻き状に巻回したコンデンサ素子を有する電気二重層コンデンサにおいて、上記第１セパレータの密度が、上記第２セパレータの密度よりも低密度であることを特徴としている。
【００１１】
このように、分極性電極層間に挟まれる第１セパレータに低密度セパレータを用い、集電体の金属面間に挟まれる第２セパレータに高密度セパレータを用いることにより、低抵抗でしかも高信頼性の電気二重層コンデンサが得られる。
【００１２】
本発明において、第１セパレータ（低密度セパレータ）の密度は、０．１〜０．５ｇ／ｃｍ^３、特には０．３５〜０．４５ｇ／ｃｍ^３の範囲内で、第２セパレータ（高密度セパレータ）の密度は、第１セパレータの密度よりも常に高密度であることを条件として、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３、特には０．５０〜０．８０ｇ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。
【００１３】
厚さについて言えば、低密度セパレータは電解液を多く保持してコンデンサの寿命特性を向上させるために、高密度セパレータよりも厚いことが好ましい。具体的な数値を示すと、低密度セパレータは２０〜６０μｍ、高密度セパレータは２０〜４０μｍの範囲内から選択されるとよく、これによれば、電極の収納能力が最大限に引き出される。
【００１４】
材質面では、低密度セパレータには、叩解された再生セルロース繊維が少なくとも１０重量％以上含まれていることが好ましい。また、低密度セパレータは、溶剤紡糸レーヨンの単体もしくは溶剤紡糸レーヨンと他の繊維の混合物を原料とする抄造紙であってもよい。
【００１５】
また、高密度セパレータには、マニラ麻、クラフト紙などの天然繊維系もしくはポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成繊維系の単体または混抄紙が好ましく用いられるが、これらに匹敵する電気絶縁性と電解液保持性を有するものであれば、溶剤紡糸レーヨンと他の繊維の混合物を原料とする抄造紙など、いずれも使用可能である。
【００１６】
本発明において、低密度セパレータと高密度セパレータは必ずしも異種の材料である必要はなく、密度が異なっていれば、低密度セパレータと高密度セパレータは同一材料であってもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図１および図２により、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１は一部分が断面とされた本発明による電気二重層コンデンサの斜視図であり、図２はコンデンサ素子の構成要素を分かりやすく図解した模式図である。
【００１８】
この電気二重層コンデンサ１は、内部にコンデンサ素子３が収納された金属ケース２を備えている。金属ケース２は、アルミニウム電解コンデンサのものと同じく、例えばアルミニウム製の有底円筒体からなり、その開口部は封口ゴム２１により封口されている。
【００１９】
図２にその一部分が示されているように、コンデンサ素子３は一対の電極板３１，３２を備えている。各電極板３１，３２は、ともに集電体３１１，３２１を有し、その各々の片面には分極性電極層３１２，３２２が対向するように形成されている。
【００２０】
集電体３１１，３２１は、アルミニウム、ステンレススチールもしくはニッケルなどの高耐腐食性金属の箔やパンチングメタルもしくはエキスパンドメタルなどからなり、巻き取る関係上、所定幅のテープ状とされている。なお、分極性電極層３１２，３２２からの集電効率を高めるため、集電体３１１，３２１はその表面が粗面化処理されていることが好ましい。具体的には、電気化学的にエッチングされた５〜３００μｍ厚程度のアルミニウム箔が好ましく採用される。
【００２１】
分極性電極層３１２，３２２は、例えば活性炭およびカーボンブラックに、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）を加え、有機溶剤例えばＮメチルピロリドン（ＮＭＰ）とともに混練し、スラリー状としたペーストを用いて形成することが好ましい。さらには、導電性を高めるために、金属体、炭素および／またはカーボン材などを添加してもよい。
【００２２】
そして、このスラリーを塗工装置（コーター）にて集電体３１１，３２１の片面に付着させた後、５０〜３００℃程度で乾燥させることにより、分極性電極層３１２，３２２を得ることができる。
【００２３】
なお、主成分である活性炭の代わりとして、大表面積を有する金属酸化物（例えば酸化ルテニウム）、黒鉛、ポリアセン、ポリアセチレンそれにポリピロールなどの各種導電性ポリマーを用いてもよい。
【００２４】
各電極板３１，３２の集電体３１１，３２１には、引出リード４１，４２が接続されている。引出リード４１，４２は、アルミニウム電解コンデンサに用いられるリード端子と同じく、羽子板状のタブ端子にＣＰ線（銅被覆鋼線）を溶接したものてあってよく、各引出リード４１，４２は、封口ゴム２１を貫通して金属ケース２の外側に引き出されている。
【００２５】
コンデンサ素子３を得るにあたって、電極板３１，３２は、それらの各分極性電極層３１２，３２２が対向するように配置され、その分極性電極層３１２，３２２間に、密度が比較的低い第１セパレータ５１が挟み込まれる。
【００２６】
また、その反対側の集電体３１１，３２１間にも、密度が比較的高い第２セパレータ５２が挟み込まれ、これらを渦巻き状に巻回することにより、コンデンサ素子３が作製される。なお巻回後において、コンデンサ素子３の外周は、巻き崩れ防止のため図示しない粘着テープで固定される。
【００２７】
コンデンサ素子３は５０℃以上の温度で乾燥された後、４級オニウム塩またはリチウム塩、ナトリウム塩などのアルカリ金属塩を溶解したプロピレンカーボネイト、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネイト、ブチレンカーボネイト、スルホランまたはその誘導体との混合体、あるいはアセトニトリルなどからなる電解液が含浸される。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明に係る巻回型の電気二重層コンデンサの具体的な実施例１〜１０とその比較例１〜６について説明する。各例ともに、集電体の一方の面に分極性電極層を形成した陰極用電極板と、陰極用電極板と同一構造の陽極用電極板とを分極性電極層側を対向させ、その分極性電極層間に第１セパレータを配置するとともに、巻回した際に対向する集電体間（反分極性電極層形成面間）に第２セパレータを配置して巻回しコンデンサ素子とした。なお、陰極用電極板および陽極用電極板には、それぞれ反分極性電極層側に引出リードを取り付けた。
上記コンデンサ素子を電解液とともに有底円筒状の金属ケースに収納し、そのケース開口部を封口ゴムにて封口するとともに、同封口ゴムから引出リードを引き出して、定格電圧２．５Ｖで製品寸法が直径８．０ｍｍ，高さ２２．０ｍｍの巻回型電気二重層コンデンサを各１０個作製した。
各例に用いた陰極用電極板および陽極用電極板は、厚さ３０μｍ，幅１５ｍｍ，長さ１００ｍｍの両面を粗面化したアルミニウム箔製集電体の片面に、活性炭粉末７０ｗｔ％，カーボンブラック２５ｗｔ％，ＰＶＤＦ５ｗｔ％に有機溶剤であるＮメチルピロリドンを加えて混練してなるスラリーを塗布し、１５０℃にて乾燥させて１平方ｍあたり３０ｇの分極性電極層を形成したものである。
また各例ともに、電解液にはテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレイトを１．０モル／リットルのプロピレンカーボネイトに溶解させたものを用い、この電解液を２００μリットル注入した。
そして、各例を評価するため、初期の静電容量（Ｆ）および初期の内部抵抗（ｍΩ）を測定するとともに、寿命試験として７０℃中に１０００時間放置し、その試験後の静電容量を測定して静電容量変化率（％）を算出した。各例ともに、各１０個あたりの平均値を記している。
【００２９】
《実施例１》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．６ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２３０ｍΩ，静電容量変化率−８％
【００３０】
《実施例２》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；マニラ麻厚さ４０μｍ，密度０．６ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２３０ｍΩ，静電容量変化率−９％
【００３１】
《実施例３》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ４０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２３０ｍΩ，静電容量変化率−７％
【００３２】
《実施例４》
第１セパレータ；ポリプロピレン厚さ４０μｍ，密度０．３ｇ／ｃｍ^３
第２セパレータ；ポリプロピレン厚さ４０μｍ，密度０．４ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２４０ｍΩ，静電容量変化率−９％
【００３３】
《実施例５》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．２ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；ポリエチレン厚さ４０μｍ，密度０．３ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２３０ｍΩ，静電容量変化率−８％
【００３４】
《実施例６》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ２０μｍ，密度０．４ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；マニラ麻厚さ３０μｍ，密度０．６ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．３Ｆ，内部抵抗１５０ｍΩ，静電容量変化率−４％
【００３５】
《実施例７》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ３０μｍ，密度０．４ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ３０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．２Ｆ，内部抵抗１８０ｍΩ，静電容量変化率−４％
【００３６】
《実施例８》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ３０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．２Ｆ，内部抵抗２３０ｍΩ，静電容量変化率−７％
【００３７】
《実施例９》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ２０μｍ，密度０．１ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ２０μｍ，密度０．２ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．２Ｆ，内部抵抗１８０ｍΩ，静電容量変化率−９％
【００３８】
《実施例１０》
第１セパレータ；レーヨン系厚さ６０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ４０μｍ，密度１．０ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．０Ｆ，内部抵抗２５０ｍΩ，静電容量変化率−９％
【００３９】
〈比較例１〉
第１セパレータ；マニラ麻厚さ５０μｍ，密度０．６ｇ／ｃｍ^３
第２セパレータ；マニラ麻厚さ５０μｍ，密度０．６ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．０Ｆ，内部抵抗３２０ｍΩ，静電容量変化率−１６％
【００４０】
〈比較例２〉
第１セパレータ；クラフト紙厚さ５０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
第２セパレータ；クラフト紙厚さ５０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．０Ｆ，内部抵抗３７０ｍΩ，静電容量変化率−１５％
【００４１】
〈比較例３〉
第１セパレータ；レーヨン系厚さ５０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；レーヨン系厚さ５０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
〔評価〕静電容量１．０Ｆ，内部抵抗３００ｍΩ，静電容量変化率−１７％
【００４２】
〈比較例４〉
第１セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；レーヨン系厚さ４０μｍ，密度０．５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
〔評価〕静電容量１．１Ｆ，内部抵抗２８０ｍΩ，静電容量変化率−１６％
【００４３】
〈比較例５〉
第１セパレータ；レーヨン系厚さ１５μｍ，密度０．０７ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ１５μｍ，密度０．１ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量１．３Ｆ，内部抵抗１８０ｍΩ，静電容量変化率−１３％
【００４４】
〈比較例６〉
第１セパレータ；レーヨン系厚さ７０μｍ，密度０．７５ｇ／ｃｍ^３
（再生セルロース２０％含有）
第２セパレータ；クラフト紙厚さ５０μｍ，密度１．１ｇ／ｃｍ^３
〔評価〕静電容量０．９Ｆ，内部抵抗４５０ｍΩ，静電容量変化率−１４％
【００４５】
上記実施例１〜１０および比較例１〜６の対比を容易にするため、表１に各例の構成と測定結果を示す。
【表１】

【００４６】
この結果から分かるように、本発明によれば、分極性電極層間に配置される第１セパレータを低密度で好ましくは同セパレータを厚くし、集電体の金属間に配置される第２セパレータを高密度で同セパレータの厚さを好ましくは第１セパレータよりも薄くすることにより、内部抵抗および静電容量変化率を小さくすることができるとともに、収納効率が向上して静電容量の増大を図ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、円筒型（巻回型）の電気二重層コンデンサにおいて、集電体の片面に分極性電極層を形成してなる一対の電極板の各分極性電極層を第１セパレータを介して対向させるとともに、一方の電極板の反分極性電極層形成面側に第２セパレータを配置して、これらを渦巻き状に巻回するにあたって、分極性電極層間に配置される第１セパレータを低密度とし、集電体の金属間に配置される第２セパレータを高密度とすることにより、内部抵抗が低く、寿命特性の点でも良好で、かつ収納効率が向上して高出力な電気二重層コンデンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気二重層コンデンサの実施例をその一部分を断面として示した斜視図。
【図２】上記実施例のコンデンサ素子の構成要素を示した模式図。
【符号の説明】
１電気二重層コンデンサ
２金属ケース
２１封口ゴム
３コンデンサ素子
３１，３２電極板
３１１，３２１集電体
３１２，３２２分極性電極層
４１，４２引出リード
５１第１（低密度）セパレータ
５２第２（高密度）セパレータ

Claims

集電体の片面に分極性電極層を形成してなる一対の電極板を含み、上記各電極板の各分極性電極層を第１セパレータを介して対向させるとともに、上記一方の電極板の反分極性電極層形成面側に第２セパレータを配置して、上記一対の電極板を渦巻き状に巻回したコンデンサ素子を有する電気二重層コンデンサにおいて、
上記第１セパレータの密度が、上記第２セパレータの密度よりも低密度であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
上記第１セパレータの密度が、０．１〜０．５ｇ／ｃｍ^３の範囲内であり、上記第２セパレータの密度が、上記第１セパレータの密度よりも常に高密度であることを条件として、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３の範囲内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。
上記第１セパレータの厚さは、上記第２セパレータの厚さよりも厚くされていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気二重層コンデンサ。
上記第１セパレータには、叩解された再生セルロース繊維が少なくとも１０重量％以上含まれていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の電気二重層コンデンサ。
上記第１セパレータが、溶剤紡糸レーヨンの単体もしくは溶剤紡糸レーヨンと他の繊維の混合物を原料とする抄造紙であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の電気二重層コンデンサ。
上記第１セパレータが、溶剤紡糸レーヨンの単体もしくは溶剤紡糸レーヨンと他の繊維の混合物を原料とする抄造紙からなり、上記第２セパレータには、マニラ麻、クラフト紙などの天然繊維系もしくはポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成繊維系の単体または混抄紙、あるいは溶剤紡糸レーヨンの単体もしくは溶剤紡糸レーヨンと他の繊維の混合物を原料とする抄造紙が用いられる請求項１，２または３に記載の電気二重層コンデンサ。
上記第１セパレータは、その厚さが２０〜６０μｍ、密度が０．３５〜０．４５ｇ／ｃｍ^３であり、上記第２セパレータは、その厚さが２０〜４０μｍ、密度が０．５０〜０．８０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項６に記載の電気二重層コンデンサ。