JP4022492B2

JP4022492B2 - 電気二重層キャパシタの製造方法

Info

Publication number: JP4022492B2
Application number: JP2003091233A
Authority: JP
Inventors: 修一荒木; 一雅本多
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004303751A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電要素に好適な電気二重層キャパシタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の蓄電装置（電動自動車の駆動電源など）として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）の適用技術が注目される。
【０００３】
図は、電気二重層キャパシタの構成を例示する模式図であり、正極体２０ａと負極体２０ｂとこれらの間に介在するセパレータ２３とからキャパシタ本体が構成される。キャパシタ本体は電解液に浸され、容器２４に収容して密封される。
【０００４】
正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、集電極２１を形成する金属層（たとえば、アルミニウム箔）と、その表面（図示の場合、箔２１の両面）に分極性電極２２を形成する活性炭主体の混練物層（活性炭層）と、を備えてなり、活性炭と電解液との界面に電荷が貯まり、電気の出し入れは集電極２１を介して行われるのである。
【０００５】
このような電気二重層キャパシタの製造方法において、集電極用（金属）シートの両面に予め成形の活性炭を主成分とする分極性電極用（混練物）シートを接合することにより素材シートを形成する工程と、素材シートから所定形状の電極シート（正極体および負極体を構成する単位体）を打ち抜き加工または切り取り加工により形成する工程と、を備えるものが開示される（特許文献１）。また、集電極用（金属）シートと共に分極性電極用の混練物（活性炭を主成分とする）を押し出すことにより、集電極用シートの両面（または片面）に混練物層を一体成形するようにしたものが開示される（特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１６２７８７号
【特許文献２】
特開平８−１０８３８８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、静電容量などに優れる高性能の電気二重層キャパシタの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、複数の正極体および負極体とこれらの間に介在するセパレータとから積層体に構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、金属の圧延シートから帯状の集電極用シートを形成する工程と、集電極用シートの両面に分極性電極用の活性炭主体の混練物層を形成する工程と、この積層シートから正極体および負極体としての電極単位体を成形する工程と、を含むものにあって、帯状の集電極用シートを形成する工程は、所定幅の圧延シートがリールから繰り出され、１ピッチ毎に孔あけ機へ送り込まれ、その孔あけ加工により、複数の小穴が圧延シートの所定領域に形成され、リールに巻き取れる、という処理であり、集電極用シートの両面に分極性電極用の活性炭主体の混練物層を形成する工程は、集電極シートがリールから繰り出され、スラリ塗布処理において、粘土状の混練物により、集電極シートの小穴を埋めてその両面に混練物の塗布層が形成され、塗布層がローラの圧延により所定の厚みと密度に調整され、その後、帯状の積層シートとしてリールに巻き取れる、という処理であり、帯状の集電極用シートを形成する工程は、孔あけ機の打ち抜きピンが林立する凹凸形状のプレス面により、圧延シートの断面に厚さを一定に保ちながら蛇行させるような凹凸形状を加える工程を含む、ことを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明によると、帯状の集電極用シートを形成する工程においては、所定幅の圧延シートがリールから繰り出され、１ピッチ毎に孔あけ機へ送り込まれ、その孔あけ加工により、複数の小穴が圧延シートの所定領域に形成され、リールに巻き取れる。また、圧延シートの断面に厚さを一定に保ちながら蛇行するような凹凸形状を加える工程が行われる。つまり、圧延シートは、リールから繰り出され、複数の小穴や凹凸形状が加工され、帯状の集電極用シートとしてリールに巻き取られる。
【００１７】
集電極用シートは、その両面に分極性電極用の活性炭主体の混練物層を形成する工程おいて、リールから繰り出され、スラリ塗布処理により、集電極用シートの小穴を埋めてその両面（凹凸形状面）に混練物の塗布層が形成され、塗布層がロールの圧延により所定の厚みと密度に調整され、帯状の積層シートとしてリールに巻き取られる。
【００１８】
集電極用シートを挟む両側の塗布層は、小穴を埋める混練物を介して一体化され、かつ、凹凸形状に食い込む形になり、剥離などを生じにくい、良好かつ確実な結合性が得られるのである。
【００１９】
その後、積層シートから正極体および負極体としての電極単位体が成形される。キャパシタ本体は、複数の正極体および負極体とこれらの間に介在するセパレータとから積層体に構成され、容器に収容して電解液と共に密封される。
【００２０】
このような工程により、集電極とその両面に形成される分極性電極との剥離などを生じにくい、静電容量などに優れる、高性能の電気二重層キャパシタを効率よく生産することができる。
【００２１】
電解液は、集電極の小穴を行き来することが可能となり、両側の分極性電極の電気的な均等性を高められる。集電極の小穴は、分極性電極の混練物に埋められ、その量だけ分極性電極の体積が増やせる。また、凹凸形状により、集電極の表面積が増加され、小穴の形成に拘わらず、良好な導電性を確保できるのである。
【００２２】
帯状の集電極用シートを形成する工程においては、孔あけ機により、小穴の加工と共に凹凸形状を与えられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１において、１は電気二重層キャパシタの正極体および負極体を構成する電極単位体（電極シート）であり、電極シート１は集電極２を形成する金属層（たとえば、アルミニウム箔）とその両面に分極性電極３を形成する活性炭主体の混練物層（活性炭層）とから組成される。金属層２は矩形状に形成され、その矩形平面の一辺に片側へ寄せてリード部２ａが一体成形される。矩形平面にその厚さ方向へ貫通する多数の小穴５が穿たれ、分極性電極３の混練物に埋められる。
【００２５】
複数の電極シート１は、所定数の積層体（キャパシタ本体）に構成される。電極シート１は、集電極２の一辺の片側へ寄るリード部２ａとの関係から、交互に表裏を反転させることにより、正極体１ａのリード部２ａが集電極２の一辺の片側、負極体１ｂのリード部２ａが集電極２のその反対側、に並ぶ積層状態に組み立てられる。集電極２のリード部２ａは，同極どうしが結束され、１対の端子板（たとえば、アルミニウム板）に対応する極性の結束部（リード部２ａの重合部分）が接合される。
【００２６】
容器は、その内部に電解液が注入され、電解液の含浸および電解精製が終わると、余分な電解液が抜き取られて密封されるのである。４は正極体１ａと負極体１ｂとの間を絶縁するセパレータであり、紙製など多孔質膜から作られる。
【００２７】
このような構成により、活性炭（分極性電極３）と電解液との界面に電気二重層が形成され、電気の出し入れは集電極２を介して行われるのである。電解液は分極性電極３に挟まれる集電極２の小穴５を行き来することが可能となり、両側の分極性電極３の電気的な均等性を高められる。また、混練物層３への電解液の含浸性もよくなり、静電容量の増加および劣化特性の改善が得られる。
【００２８】
集電極２の小穴５は、分極性電極３の混練物に埋められ、その量だけ分極性電極３の体積が増やせるから、静電容量の増加をさらに促進できるようになる。また、小穴５を埋める混練物により、両側の分極性電極３が一体化され、金属層２と混練物層３とのなじみ（結合性）が良くなり、剥離などの防止が得られるのである。なお、集電極２の小穴５は、混練物で埋めてしまうのでなく、隙間を残すことも考えられる。
【００２９】
電極単位体（電極シート１）の製造過程においては、金属の圧延シート１０（たとえば、アルミニウム箔）から集電極用シート１１を形成する工程（図３の左側、参照）と、集電極用シート１１にこれを貫通する複数の小穴５を形成する工程（図３の右側、参照）と、これらの小穴５を埋めて集電極用シート１１の両面に活性炭主体の混練物層を形成する工程（図４、参照）と、この積層シート１３から電極単位体１を成形する工程（図示省略）と、設定される。
【００３０】
図３の左側において、金属の圧延シート１０は、幅広の市販品が用いられる。１５は圧延シート１０を所定幅に裁断する装置であり、繰り出し用リール１６と巻き取り用リール１７との間に配置される。圧延シート１０は、リール１６から繰り出され、所定幅の帯状に裁断され、リール１７に巻き取られる。
【００３１】
図３の右側において、所定幅の圧延シート１１（集電極用シート）は、リール１７から繰り出され、１ピッチ（電極単位体１の矩形平面を基準に設定される）毎に孔あけ機１９（パンチング加工機など）へ送り込まれ、その孔あけ加工により複数の縦横に配列する小穴５がシート１１の所定領域（リード部２ａの成形領域を除く所定の幅領域）に形成され、リール１８に巻き取られるのである。
【００３２】
図４の左側は、分極性電極用シート２０を成形する工程を説明するものであり、活性炭を主成分とする原料は、攪拌機２１に投入され、その内部において、剪断力を加えながら均一な混練物に生成される。混練物は、攪拌機２１から帯状に押し出され、ローラ２２，２３により圧延される。圧延は、数次に亘って行われ、帯状の混練物を所定の厚さと密度に成形する。帯状の混練物（分極性電極用シート２０）は、移送しやすく、リール２４に巻き取られるのである。
【００３３】
図の右側は、集電極用シート１１と分極性電極用シート２０とから電極単位体１の素材（積層シート１３）を成形する工程を説明するものであり、集電極用シート１１は、リール１８から繰り出され、その両面に接着処理（導電性接着剤の塗布処理）が施される。その後、集電極用シート１１を挟む両側のリール２４から帯状の混練物（分極性電極用シート２０）が繰り出され、ローラ２６，２７により集電極用シート１１の両面（導電性接着剤の塗布面）に圧延される。圧延は、数次に亘って行われ、集電極用シート１１の小穴５を埋めてその両面に混練物層３を形成するように分極性電極用シート２０が一体化される。その後、帯状の積層シート１３（集電極シート１１の露出部を備える）は、リール２５に巻き取られ、次の工程において、プレス機の型抜き加工により、所定形状の電極単位体１に成形されるのである。
【００３４】
このように複数の小穴５を集電極用シート１１に形成する工程を加えることにより、電気二重層キャパシタの製造過程において、電解液の含浸性が良くなり、電解液の小穴５を介する行き来が可能のため、電解液の含浸や電解精製に要する処置時間も短縮され、静電容量などに優れる高性能の電気二重層キャパシタを効率よく生産できるようになる。
【００３５】
図５は、図４の工程に代替可能な工程を説明するものであり、集電極用シート１１（図３の工程により作成される）は、リール１８から繰り出され、スラリ塗布処理において、粘土状の混練物（図４の攪拌機による生成物と同種のもの）により、集電極用シート１１の小穴５を埋めてその両面に混練物の塗布層３が形成される。塗布層３は、続く乾燥処理後、ローラ２８の圧延により、所定の厚さと密度に調整される。その後、帯状の積層シート１３ａ（集電極シート１１の露出部を備える）は、リール２５ａに巻き取られ、次の工程において、プレス機の型抜き加工により、所定形状の電極単位体１に成形される。
【００３６】
スラリ塗布処理により、複数の小穴５に混練物が塗り込められ、集電極用シート１１の両面に形成される塗布層３がこれらの小穴５を埋める混練物を介して一体化するので、図４の工程によるものよりも、集電極２と分極性電極３との剥離などを生じにくい、良好かつ確実な結合性が得られる。
【００３７】
図６（ａ），（ｂ）は、電極単位体（電極シート１）に係る別の実施形態を表すものであり、集電極２を形成する金属層は、分極性電極３に覆われる領域が矩形の平坦面でなく、その断面に厚さを一定に保ちながら蛇行させるような凹凸形状３０が形成される。この凹凸形状３０により、集電極２の表面積が増加され、小穴５の形成に拘わらず、集電極２の電気抵抗を小さく抑えられ、良好な導電性を確保できるようになる。また、凹凸形状３０に混練物が食い込み形になり、集電極２と分極性電極３との固着性をさらに良くする効果も得られる。
【００３８】
電極単位体１の製造過程において、集電極２に凹凸形状３０を加える工程は、図３の孔あけ加工と共に行えるようにすると良い。具体的には、孔あけ機１９の打ち抜きピンが林立する基板に凹凸形成のプレス面を付けておくのである。
【００３９】
図示の実施形態は、積層型の電気二重層キャパシタへの適用例を説明するが、集電極２を貫通する複数の小穴５と、これらの小穴５を埋めて集電極２の両面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極３と、集電極２の断面に加える凹凸形状３０と、については、ロール型の電気二重層キャパシタ（帯状の正極体と帯状の負極体とこれらの間に介在するセパレータとからロール巻きに構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える）への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気二重層キャパシタの構成に係る説明図である。
【図２】電極シートの正面図およびその断面図である。
【図３】同じく製造過程の説明図である。
【図４】同じく製造過程の説明図である。
【図５】図４の工程に代替可能な製造過程の説明図である。
【図６】電極シートの断面図である。
【図７】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１電極性シート
１ａ正極体
１ｂ負極体
２集電極
２ａリード部
３分極性電極
４セパレータ
１０圧延シート
１１集電極用シート
１３積層シート
１９孔あけ機
２０分極性電極用シート
３０凹凸形状

Claims

複数の正極体および負極体とこれらの間に介在するセパレータとから積層体に構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、
金属の圧延シートから帯状の集電極用シートを形成する工程と、集電極用シートの両面に分極性電極用の活性炭主体の混練物層を形成する工程と、この積層シートから正極体および負極体としての電極単位体を成形する工程と、を含むものにあって、
帯状の集電極用シートを形成する工程は、所定幅の圧延シートがリールから繰り出され、１ピッチ毎に孔あけ機へ送り込まれ、その孔あけ加工により、複数の小穴が圧延シートの所定領域に形成され、リールに巻き取れる、という処理であり、
集電極用シートの両面に分極性電極用の活性炭主体の混練物層を形成する工程は、集電極シートがリールから繰り出され、スラリ塗布処理において、粘土状の混練物により、集電極シートの小穴を埋めてその両面に混練物の塗布層が形成され、塗布層がローラの圧延により所定の厚みと密度に調整され、その後、帯状の積層シートとしてリールに巻き取れる、という処理であり、
帯状の集電極用シートを形成する工程は、孔あけ機の打ち抜きピンが林立する凹凸形状のプレス面により、圧延シートの断面に厚さを一定に保ちながら蛇行させるような凹凸形状を加える工程を含む、
ことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。