JP3800390B2

JP3800390B2 - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP3800390B2
Application number: JP2000016815A
Authority: JP
Inventors: 好克木村
Original assignee: Elna Co Ltd
Current assignee: Elna Co Ltd
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001210555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次電池の代替として使用され大容量を特徴とする電気二重層コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量の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（又は、巻回型）と呼ばれ、メモリのバックアップ電源として用いられるコイン型とは区別されている。円筒型の電気二重層コンデンサの基本的な形態は、箔巻円筒型アルミニウム電解コンデンサと類似した構造である。
【０００３】
さらに詳しくは、図３及び図４に示すように、アルミニウム箔等の金属箔、パンチングメタルなどからなる集電体１の一方の面に、活性炭と結着剤と導電剤との混合物質からなる分極性電極層２を形成した１対の電極を用意し、いずれか一方を陽極電極３とし、他方を陰極電極４としている。これらの陽極電極３と陰極電極４を、それぞれの分極性電極層２が対向するように配置し、また、集電体１の他方の面である電極露出面５に、それぞれリード端子６Ａ、６Ｂを取付け、分極性電極層２間及び電極露出面５間に、それぞれ絶縁体であって、電解液の含浸後に電流通路を有する不織布からなるセパレータ７、８を配置して渦巻状に巻回する。このようにして巻回された外周には、巻き解けがないように粘着テープ９を用いて固定してコンデンサ素子１０を形成している。
このコンデンサ素子１０を、有底円筒状の金属ケース１１内に電解液とともに収納し、封口体１２にて封口し、リード端子６Ａ、６Ｂを封口体１２の貫通孔から外に引き出して電気二重層コンデンサ１３としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータ７、８は、通常、合成繊維系やパルプ原料である天然繊維系の多孔質の不織布が使用されており、分極性電極層２間のセパレータ７は、専ら電解液を保持して電解液中のイオンによる電子伝導が行われるような役割を有し、電極露出面５間のセパレータ８は、専ら電気絶縁の役割が課せられている。
しかるに、従来の電気二重層コンデンサでは、生産性の面から、分極性電極層２間のセパレータ７と電極露出面５間のセパレータ８がともに同一構成のものが用いられて、陽極電極３、陰極電極４とともに渦巻状に巻回される。
【０００５】
電気二重層コンデンサのエネルギーの出し入れがスムーズであるためには、即ち、低抵抗化にして充放電を速やかにするためには、分極性電極層２間のセパレータ７をできるだけ薄く、かつ、低密度にする必要がある。また、電極露出面５間は、セパレータ８が薄すぎたり、低密度過ぎると、集電体１のカット時のとげによってセパレータ８に破損が生じて対向する電極露出面５間の短絡等による漏れ電流によって、蓄積されたエネルギーが放電してしまう。さらには、巻き込むときに伸びて破損して巻取れなくなるなどの問題があった。
【０００６】
本発明は、エネルギーの出し入れがスムーズで、しかも、蓄積されたエネルギーの損失を可能な限り抑制するようにした電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気二重層コンデンサに求められる特性の１つである低抵抗化を成し遂げるために、陽極電極と陰極電極の分極性電極層間に挾持されるものとして薄い低密度のセパレータを用いる。また、電極露出面間に挾持されるものとして非多孔質で電解液の含浸後も電流通路のない絶縁フィルムを用いる。この絶縁フィルムは、多孔質ではないので、薄くても引っ張り強度が高く、巻取り時に分極性電極層間のセパレータへの負担が低減することから、同セパレータが破損しにくく、しかも、両方にセパレータを用いるよりも、より薄くて低密度のセパレータを用いることができ、より低抵抗の電気二重層コンデンサが得られる。しかも、セパレータと絶縁フィルムがともに薄くできるので、電気二重層コンデンサの全体の形状の小型化ができる。
さらには、絶縁フィルムは、集電体のバリによっても破損しにくく、その結果、電極露出面の短絡による漏れ電流もなくなる。
【０００８】
セパレータに使用される材質は、少なくとも１０重量％以上の叩解可能なセルロース繊維原料を使用して抄造されたものであり、溶剤紡糸レーヨンの単体又は溶剤紡糸レーヨンと天然繊維を原料として混抄された不織布がよい。
【０００９】
また、これ以外でもマニラ麻、クラフト紙等の天然繊維系や、ポリプロピレン、ポリエチレン等の合成繊維系、ガラス繊維等の鉱物繊維系等の単体又は混抄を使用することができる。以上のような物性値、材質、原料であることが望ましいが、これ以外のセパレータとして機能する素材と絶縁性を保つ素材との組み合わせであれば、本発明としての効果が期待できる。
【００１０】
また、セパレータと絶縁フィルムの厚さは、同一である必要がなく、異なる厚さのものを用いることによってより効果が現われることがある。低密度のセパレータよりも絶縁フィルムの厚さを薄くすることで、性能上重要な低密度のセパレータに多くの電解液が保持され、寿命が改善される。絶縁フィルムをより薄くすることにより、金属ケース内部の陽極電極、陰極電極等の収納効率を増大させる効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１において、３は陽極電極、４は、陰極電極である。これら陽極電極３と陰極電極４は、集電体１の片面に分極性電極層２を積層してなるものである。
さらに詳しくは、前記分極性電極層２は、大面積を持った分極性の電極となるための物質、例えば、活性炭、カーボンブラックなどに導電性を増大させるために、金属体、炭素、カーボン材を添加し、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド（以下ＰＶＤＦと略す）を有機溶剤、例えばＮメチルピロリドン（以下ＮＭＰと略す）と混練し、スラリー状にする。
【００１２】
ただし、主成分である活性炭の代わりとして、大表面積をもつ金属体、金属酸化物、酸化ルテニウム、黒鉛、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール、各種導電性ポリマーが使用可能である。
【００１３】
前記集電体１は、アルミニウム、タンタル、チタン、ニオブ、ステンレススチール、ニッケル等の高耐食性金属の箔、多数の極細孔を有するパンチングメタル、薄板、導電性ゴム、導電性プラスチック等からなる。この集電体１は、活性炭等から集電する効果を持たせるために、表面を粗面化することが望ましい。通常、アルミ電解コンデンサで用いられるような電気化学的なエッチング処理をした５〜３０μｍ厚程度のアルミニウム箔が用いられる。
この集電体１の片面に、前記分極性電極層２を構成するスラリーを、塗工装置（コーター）を用いて付着させた後、５０〜３００℃で乾燥する。
【００１４】
このようにして形成された陽極電極３と陰極電極４のそれぞれの集電体１の電極露出面５側に、引き出し用のリード端子６Ａ、６Ｂをそれぞれ電気的に接続する。このリード端子６Ａ、６Ｂをそれぞれを接続した陽極電極３と陰極電極４とを、それぞれの分極性電極層２が向かい合うように配置し、この分極性電極層２間にセパレータ７を介在する。また、分極性電極層２の反対側の集電体１が向かい合う電極露出面５間には、非多孔質で電解液を含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８を介在させる。
【００１５】
前記セパレータ７には、前述のように、低抵抗化を成し遂げるために薄くて低密度（０．０１〜０．８ｇ／ｃｍ³）のもの、例えば、使用される材質は、低密度セパレータとして、少なくとも１０重量％以上の叩解可能なセルロース繊維原料を使用して抄造されたもので、溶剤紡糸レーヨンの単体又は溶剤紡糸レーヨンと天然繊維を原料として混抄された不織布が用いられる。
【００１６】
また、これ以外でもマニラ麻、クラフト紙等の天然繊維系や、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成繊維系、ガラス繊維等の鉱物繊維系等の単体又は混抄を使用することができ、さらに、これ以外のセパレータ７として機能する素材と絶縁性を保つ素材との組み合わせであれば、本発明のセパレータ７として用いることができる。このセパレータ７の厚さは、１０〜３００μｍの範囲で選択でき、強度の面から絶縁フィルム１８と同等又は厚くすることが好ましい。
【００１７】
前記絶縁フィルム１８には、薄くても高引っ張り強度のものとして、例えば、ポリイミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニール）、フッ素樹脂、ガラス繊維、紙素材、アセテート布、ノーメックス布又は綿布の単体を用いてもよいが、ガラス繊維、紙素材、アセテート布、ノーメックス布又は綿布に、ポリイミド、ＰＰＳ、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ＰＶＣ、フッ素樹脂等の絶縁性樹脂を含浸させたものを用いてもよい。
本発明に係る絶縁フィルム１８は、電解液を吸収しないもの又は吸収しにくいものが好ましく、これによって、電解液をセパレータ７に保持させやすくなるので、電気二重層コンデンサの寿命も向上する。さらには、この絶縁フィルム１８の厚さは、１〜２５０μｍの範囲で選択することができ、収納効率からセパレータ７と同等又は薄くすることが好ましい。
【００１８】
以上のように構成された陽極電極３、セパレータ７、陰極電極４、絶縁フィルム１８を順次積層しつつ渦巻き状に巻き込み、最後に粘着テープ９で巻き解れのないように外周を固定してコンデンサ素子１０を形成する。
また、前記絶縁フィルム１８は、陽極電極３と陰極電極４との間に単に挟み込むだけでもよいが、円筒形に巻き込むときに巻き解れがないように、図１に示すように、両面に接着剤層１８Ａを塗布した粘着テープ形式のもの、陽極電極３又は陰極電極４の集電体１に熱融着、冷間圧延で予め一体化しておいたもの等を用いてもよい。
この絶縁フィルム１８は、陽極電極３、陰極電極４よりも幅をやや広くしておき、縁部がわずかはみに出す程度にすると、陽極電極３と陰極電極４との間の絶縁性が向上するという望ましい効果が得られる。
【００１９】
このようにして形成されたコンデンサ素子１０は、５０℃以上３００℃以下の温度で乾燥した後、図４と同様に、有底円筒状の金属ケース１１内に電解液とともに収納し、封口体１２にて封口し、リード端子６Ａ、６Ｂを封口体１２の貫通孔から外に引き出して電気二重層コンデンサ１３とする。
電解液は、例えば、４級オニウム塩又はリチウム塩、ナトリウム塩等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、スルホラン又はその誘導体との混合体、アセトニトリル等からなる。
【００２０】
図２は、図３に示す従来型のものと、図１に示す本発明によるものとの性能を比較したものである。なお、陽極電極３と陰極電極４は、３０ｇ／ｍ²の分極性電極層２を塗布して形成したものを、幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ用い、また、電解液として、テトラエチレンアンモニウムテトラフルオロボレイト１．０モル／リッターを、プロピレンカーボネイトに溶解させたもの２００μｌ注入したものを用いた。
【００２１】
図２において、従来例１は、陽極電極３と陰極電極４の分極性電極層２間と電極露出面５間にともに、厚さ５０μｍで密度０．６ｇ／ｍ³のマニラ麻からなるセパレータ７、８を介在したものであり、静電容量１．０Ｆ、内部抵抗３００ｍΩ、ショート率０．５％である。
これに対し、本発明１は、陽極電極３と陰極電極４の分極性電極層２間にセパレータ７が従来例と同一のマニラ麻のものが用いられ、電極露出面５間に従来例１のセパレータ８より十分に薄いの厚さ３０μｍのポリイミドテープからなる非多孔質で、電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８を用いたものであり、静電容量が１．２Ｆに、内部抵抗が２９０ｍΩに、ショート率が０．１％にいずれの特性も向上している。
【００２２】
従来例２は、分極性電極層２間と電極露出面５間にともに、クラフト紙のセパレータ１２を用い、本発明２は、分極性電極層２間に従来例と同一のクラフト紙のセパレータ７が用いられ、電極露出面５間に従来例２のセパレータ８より十分に薄い厚さの３０μｍのポリイミドテープからなる非多孔質で、電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８を用いたものであり、本発明２は、いずれの特性も従来例２よりも向上している。
【００２３】
従来例３、４と本発明３〜７とは、分極性電極層２間にレーヨン系のセパレータ１２を用いたものであり、これらのうち、従来例３では、厚さ５０μｍのレーヨン系のセパレータ１２を用いているが、本発明３〜７では、厚さ５０μｍのレーヨン系のセパレータ１２を用いた例がないので、特性の比較はしなかった。
従来例４は、分極性電極層２間と電極露出面５間にともに、厚さ４０μｍのレーヨン系のセパレータ７を用い、本発明３は、分極性電極層２間に従来例と同一の厚さ４０μｍのレーヨン系のセパレータ７を用い、電極露出面５間に厚さがさらに薄い３０μｍのポリイミドテープからなる非多孔質で、電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８を用いたものであり、本発明３が従来例４よりもいずれの特性も向上している。
【００２４】
本発明４は、本発明３よりも絶縁フィルム１８の幅を１ｍｍだけ広くしたものであるが、この結果、本発明３よりもショート率が向上している。
本発明５、本発明６、本発明７は、それぞれ非多孔質で、電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８として厚さ４０μｍのＰＰＳテープ、厚さ３０μｍのポリプロピレンテープ、厚さ２０μｍのアセテート布を用いた例であり、特に、本発明７の絶縁フィルム１８として厚さ２０μｍのアセテート布を用いた例が、厚さを薄くしながら特性が最も向上している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、陽極電極３と陰極電極４の分極性電極層２を、セパレータ１２を介在して対向させ、電極露出面５間に非多孔質で、電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルム１８を介在し、これらの陽極電極３、陰極電極４、セパレータ７、絶縁フィルム１８を渦巻き状に巻回したので、集電体１のとげ等によって電極露出面５間の短絡による漏れ電流がほとんどなくなり、蓄積されたエネルギーの放電を防止でき、また、巻取り時に分極性電極層２間のセパレータ７の破損がなく、しかも、セパレータ７と絶縁フィルム１８がともに薄くできるので、電気二重層コンデンサの全体の形状の小型化ができる。
【００２６】
セパレータ７と絶縁フィルム１８は、厚さの異なるもの、例えば、絶縁フィルム１８の厚さをセパレータ７よりも薄くすることで、性能上重要な低密度のセパレータ７により多くの電解液が保持され、寿命がさらに改善される。絶縁フィルム１８をより薄くすることにより、金属ケース１１内部の陽極電極３、陰極電極４等の収納効率を増大させる効果がある。
【００２７】
絶縁フィルム１８は、陽極電極３、陰極電極４よりも幅をやや広くしておき、縁部がわずかはみ出す程度にすると、陽極電極３と陰極電極４との間の絶縁性が向上するという望ましい効果が得られる。
【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主要な構成要素であるコンデンサ素子１０の一実施例を示す分解拡大図である。
【図２】本発明品と従来品の特性の比較のための説明図である。
【図３】従来の電気二重層コンデンサの主要な構成要素であるコンデンサ素子１０を示す分解拡大図である。
【図４】一般的な円筒型コンデンサの一部切り欠いた斜視図である。
【符号の説明】
１…集電体、２…分極性電極層、３…陽極電極、４…陰極電極、５…電極露出面、６Ａ、６Ｂ…リード端子、７、８…セパレータ、９…粘着テープ、１０…コンデンサ素子、１１…金属ケース、１２…封口体、１３…電気二重層コンデンサ、１８…絶縁フィルム、１８Ａ…接着剤層。

Claims

一方の面に分極性電極層を形成し、他方の面を電極露出面とした１対の集電体を積層して渦巻き状に巻回し、これらの集電体のうちいずれか一方を陽極電極とし、他方を陰極電極とし、これら陽極電極と陰極電極のそれぞれの分極性電極層を対向させたその間と、陽極電極と陰極電極のそれぞれの電極露出面を対向させたその間とにそれぞれセパレータを介在してなる電気二重層コンデンサにおいて、前記分極性電極層間に、多孔質で含浸後の電解液を保持して電流通路の役割を果たすセパレータを介在し、前記電極露出面間に、非多孔質で電解液含浸後も電流通路のない絶縁フィルムを介在してなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
セパレータは、密度が０．０１〜０．８ｇ／ｃｍ ^３の範囲内であり、少なくとも１０重量％以上の叩解可能なセルロース繊維原料を使用して抄造されたものであり、溶剤紡糸レーヨンの単体や溶剤紡糸レーヨンと天然繊維を原料として混抄された不織布等のレーヨン系、マニラ麻やクラフト紙等の天然繊維系や、ポリプロピレンやポリエチレン等の合成繊維系、ガラス繊維等の鉱物繊維系などの単体又は混抄を使用してなり、絶縁フィルムは、ポリイミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニール）、フッ素樹脂、ガラス繊維、紙素材、アセテート布、ノーメックス布若しくは綿布の単体又はガラス繊維、紙素材、アセテート布、ノーメックス布若しくは綿布に、ポリイミド、ＰＰＳ、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ＰＶＣ若しくはフッ素樹脂を含浸させたものからなることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。
絶縁フィルムの厚さが１〜２５０μｍ、セパレータの厚さが１０〜３００μｍであって、絶縁フィルムの厚さがセパレータの厚さよりも薄いものからなることを特徴とする請求項１又は２記載の電気二重層コンデンサ。
絶縁フィルムは、熱融着、冷間圧延又は接着剤にて陽極電極と陰極電極における集電体の電極露出面に貼着して陽極電極及び陰極電極と一体化してなることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。