JP4518625B2

JP4518625B2 - 電気二重層コンデンサ

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Publication number: JP4518625B2
Application number: JP2000160579A
Authority: JP
Inventors: 健児島津; 和雄生田; 誠東別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: JP2001338844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電可能な電源用として有用な電気二重層コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
電気二重層コンデンサは、電極と電解液との界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したコンデンサで、コンデンサと電池の両方の機能を兼ね備えたものであり、従来のコンデンサと比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であることから、小型のメモリーバックアップ電源や自動車の駆動源等、大容量モータなどの補助電源として注目されている。
【０００３】
従来の電気二重層コンデンサの一例としては、一対の板状の分極性電極間に板状のセパレータを介在させるとともに、前記分極性電極の他方の表面それぞれに板状の集電体を積層し、かつ該積層体を封止材にて封止した構成からなる積層型電気二重層コンデンサが知られている。
【０００４】
例えば、特開平７−８６０９８号公報では、集電体内部に凹部を形成し、該凹部内に分極性電極を形成するための活性炭を含有するペーストを流し込んで同時焼成することにより、集電体と分極性電極とを一体的に形成しこの間の内部抵抗を低減できることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の板状の分極性電極、セパレータ、集電体を用いる積層型の電気二重層コンデンサでは、製造工程における積層時あるいは使用時に各層間に位置ずれが発生し、積層体の接触状態を良好にして内部抵抗を低減するために積層体をかしめた際に、かしめ圧に圧力ムラが生じて内部抵抗が増大し電気二重層コンデンサの静電容量が低下する等の問題があった。
【０００６】
また、上記特開平７−８６０９８号公報の電気二重層コンデンサでは、焼成によって分極性電極が収縮してしまい、分極性電極が箱状の集電体容器高さよりも低くなる結果、分極性電極と、該分極性電極の表面に積層されるセパレータとの間に隙間が生じて内部抵抗が高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、電気二重層コンデンサの製造時および使用時の位置ずれを防止でき、静電容量が高く、内部抵抗を低減できる電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、分極性電極と集電体の構造について検討した結果、集電体内に貫通孔を設け、該貫通孔内に分極性電極表面に焼結にて一体的に形成した突起部を挿入することによって、分極性電極と集電体間の位置ずれを防止でき、積層体をかしめた時の圧力ムラを抑制できることから、内部抵抗を低減して静電容量を高めることができることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の電気二重層コンデンサは、一対の分極性電極間にセパレータを配設してなるセル本体を、集電体を介して複数積層してなるものであって、前記分極性電極の前記集電体との積層面に少なくとも１つの突起部が焼結にて一体的に形成されているとともに、該突起部が前記集電体に形成された貫通孔内に挿入されていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記集電体を介して隣接する前記分極性電極間が前記集電体の前記貫通孔内の前記突起部を介して接触していることが望ましく、特に、前記分極性電極の突起部の先端が、前記分極性電極に積層されている前記集電体を介して隣接する前記分極性電極内に埋設されているものであってもよい。
【００１２】
また、本発明の他の電気二重層コンデンサは、一対の焼結した分極性電極間にセパレータを配設してなるセル本体を、集電体を介して複数積層してなるものであって、前記分極性電極内に凹部が焼結にて一体的に形成されており、該凹部内に前記集電体の少なくとも一部が埋設されていることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電気二重層コンデンサの第一の実施態様についての概略断面図である図１、および図１の電気二重層コンデンサの集電体と分極性電極との積層部についての分解斜視図である図２を基に説明する。
【００１５】
図１、２によれば、電気二重層コンデンサ１は、２枚の分極性電極２、２間にセパレータ３が配設、積層されてセル本体が形成されており、また、分極性電極２、２のセパレータ３の積層面とは反対の面には集電体４がそれぞれ積層、接着され、セル６を形成している。そして、隣接するセパレータ３、３間に位置する分極性電極２−集電体４−分極性電極２は、正極または負極をなし、セパレータ３を挟んで対向する分極性電極２−集電体４（−分極性電極２）が対極をなすように形成されている。
【００１６】
本発明によれば、分極性電極２の集電体４との積層面に少なくとも１つの突起部７を焼結にて一体的に形成するとともに、分極性電極２の突起部７を該分極性電極２と積層される集電体４内に形成した貫通孔８内に挿入してなることが大きな特徴であり、これによって電気二重層コンデンサ１中の分極性電極２の体積比率を高めて小型化、大容量化が可能であり、かつ集電体４と分極性電極２の位置ずれを防止できることから積層体をかしめた時の圧力ムラを抑制でき、安定した静電容量を得ることができる。
【００１７】
ここで、突起部７形成部以外の分極性電極２の厚みは、内部抵抗の低減の観点から１．５ｍｍ以下、特に０．６ｍｍ以下であることが好ましく、突起部７の形状は、局所的な応力集中をなくし容易に製造できる点で、断面が直径２〜１０ｍｍの円柱形状であることが望ましい。また、静電容量を高め、電解液の充填性を高めるとともに、分極性電極２と集電体４との間の内部抵抗を低めるためには、集電体４内に形成される貫通孔８の総面積が集電体４全体に対して４〜４０％、特に１０〜３０％であることが望ましい。
【００１８】
また、突起部７の配置は、図３の貫通孔８部分の拡大断面図に示すように（ａ）分極性電極２ａの突起部７が集電体４を介して対向する分極性電極２ｂに接触しないものであってもよいが、集電体４を介して隣接する分極性電極２ａ、２ｂ間が該集電体４の貫通孔８内の突起部７を介して接触することにより、分極性電極２ａ、２ｂ内に含浸される電解液の含浸時の充填速度を速めることができる結果、電気二重層コンデンサ１の初期における静電容量不足および充電時間を短縮することができることから、図３（ｂ）に示すように、分極性電極２ａの突起部７ａと分極性電極２ｂの突起部７ｂとが貫通孔８内で接触するもの、（ｃ）分極性電極２ａの突起部７ａが分極性電極７ｂ表面に接触するもの、（ｄ）分極性電極２ａの突起部７ａが分極性電極２ｂ内に埋設されるものであってもよい。
【００１９】
したがって、突起部７の高さは、上記（ｂ）の構成によれば集電体４の厚みの１／２程度、製造の容易性の点で上記（ｃ）の構成によれば集電体４の厚みと同じ、または、上記（ｄ）の構成によれば、集電体４の厚みより高く形成される。なお、上記（ｄ）の構成によれば、前記分極性電極２ｂ内に突起７ａの先端部を挿入するための凹部９が形成される。
【００２０】
ところで、分極性電極２は、高い比表面積を有する活性炭と、前記活性炭粒子を結合するバインダまたはその炭化物を主成分とするものであり、コンデンサの高静電容量を維持し、構造体として必要な強度を得るためには、前記活性炭の比表面積が１０００〜２２００ｍ²／ｇであることが望ましい。
【００２１】
なお、前記結合剤としてバインダを炭化した炭化物が含有される場合、前記活性炭粒子間に存在するが、前記活性炭層に占める割合が５〜５０重量％であることが望ましく、これにより前記活性炭粒子間の焼結性及び結合性を高めることができる。
【００２２】
さらに、分極性電極２は板状体からなり、コンデンサ製造時の取り扱いや使用時の振動、衝撃等に耐えうる機械的強度という信頼性の点でＪＩＳＲ１６０１に準じた室温における３点曲げ強度が３０ｋＰａ以上、特に６０ｋＰａ以上であることが望ましい。
【００２３】
また、分極性電極２表面に形成される突起部７は、分極性電極２と同じ成分からなり一体的に形成されるものであることが望ましく、突起部７の形成方法としては、突起部７形成用の凹部を刻設した成形型を用いてプレス成形、ロール成形等によって形成するか、突起部７形成用の凹部を底面に刻設した石膏型を用いて鋳込み成形により形成することもできる。さらには、ドクターブレード、カレンダーロール等の公知のテープ成型法によりグリーンシートを作製し、突起部７形成用の凹部を刻設した成形型を用いて圧延することもできる。
【００２４】
一方、集電体４は、導電性を有するアルミニウム、チタン、タンタル、白金、金等の金属箔、ステンレス鋼などにより形成され、分極性電極２、２間で電荷をやり取りするが、特に耐電圧の高い非水電解液に対する耐食性の点でアルミニウムを主体とする金属箔からなることが好ましく、耐電解液性の各種金属を使用することが好ましい。また、集電体４の厚みは内部抵抗を低減するためには薄いものが好ましいが組立て時の取り扱いなどによる破損を考慮すると０．０２〜０．１５ｍｍ程度が好ましく、さらに、集電体４と外部回路基板とを接続するために集電体４の外周部には端子部９が形成されることが望ましい。
【００２５】
また、集電体４内に貫通孔８を形成するには、ドリル等により研削するか、またはレーザー照射等によって開孔することができ、さらには打抜き機によって打抜いて形成することもできる。
【００２６】
他方、セパレータ３は、パルプやポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフロライド（ＰＶｄＦ）等の有機フィルムまたはガラス繊維不織布及びセラミックスなどを用いることができ、分極性電極２、２間を絶縁するために形成されるものであるが、分極性電極２内に含有される電解液中のイオンを透過させることができる多孔質体により形成される。セパレータ３の厚みは、ショートを防止し、内部抵抗を低減するために０．０２〜０．１ｍｍの厚みが好ましい。
【００２７】
また、分極性電極２と、セパレータ３には、硫酸や硝酸などの水溶液や、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ―ブチロラクトン（γ―ＢＬ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、スルホラン、３−メチルスルホラン等の非水溶媒とテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート等の４級アンモニウム塩、４級スルホニウム塩、４級ホスホニウム塩等の電解質を組み合わせた非水電解液等の電解液が含浸されるが、本発明においては分解電圧の高い非水系電解液を用いることが望ましい。なお、前記電解質の前記非水系溶媒に対する溶解量は、０．５ｍｏｌ／ｌ〜２．０ｍｏｌ／ｌとすることが安定し、かつ高い静電容量を得る点で好ましい。
【００２８】
また、電気二重層コンデンサ１によれば、分極性電極２、２、セパレータ３、集電体４のセル複数層が封止材５によって密閉封止されている。封止材５は、袋状体からなり、分極性電極２、セパレータ３、集電体４の積層体を端子部９の一部を除いて封入するものであり、電気二重層コンデンサ１内に外気や水分等が浸入することを防止する。
【００２９】
封止材５としては、例えば、少なくとも封止部に熱融着性を示す樹脂が配され、かつ、内部にアルミニウム等の金属箔を介在させたラミネートフィルム等を挙げることができる。具体的には、封止部側から外面に向かって積層した酸変性ポリプロピレン（ＰＰ）/ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）/Ａｌ箔/ＰＥＴのラミネートフィルム、酸変性ポリエチレン（ＰＥ）/ナイロン/Ａｌ箔/ＰＥＴのラミネートフィルム、アイオノマー/Ｎｉ箔/ＰＥ/ＰＥＴのラミネートフィルム、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）/ＰＥ/Ａｌ箔/ＰＥＴのラミネートフィルム、アイオノマー/ＰＥＴ/Ａｌ箔/ＰＥＴのラミネートフィルム等を用いることができる。
【００３０】
ここで、封止部側の樹脂は、酸変性ポリエチレン（ＰＥ）、酸変性ポリプロピレン（ＰＰ）、アイオノマー、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等の防湿性、耐通気性、耐薬品性を有するものからなることが望ましい。なお、集電体４の端子部９は対極間で接触しない位置に配設されるが、セル６が複数層形成され同極の端子部９が複数本存在する場合には、これらを溶接等によって束ねることが望ましく、端子部９がさらにリード９ａと接続されていてもよい。
【００３１】
また、図１乃至３の電気二重層コンデンサ１では、分極性電極２内に突起部７を形成したものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、集電体の表面から所定の高さを分極性電極内に埋設したものであってもよい。そこで、本発明の第二の実施態様について、集電体と分極性電極との積層部の分解斜視図である図４を基に説明する。
【００３２】
図４によれば、電気二重層コンデンサ１０の分極性電極１１の表面には凹部１２が形成され、凹部１２内には集電体１３が埋設されており、これによって、コンデンサ中の分極性電極１１の体積比率を高めて小型化、大容量化が可能で、かつ集電体１３と分極性電極１１の位置ずれを防止して安定した静電容量を得ることができる。
【００３３】
分極性電極１１の凹部１２の深さは、分極性電極１１の集電体１３を介して対向する分極性電極（図示せず）との接触性を高め内部抵抗を低減する点で、集電体１３の厚み以下であることが望ましく、特に、凹部１２の深さは集電体１３の半分程度の厚みであることが望ましい。また、集電体１３を固定して位置ずれを防止する点で０．０２〜０．１０ｍｍであることが望ましい。
【００３４】
また、電気二重層コンデンサ１０の静電容量を高め、電解液の充填性を高めるとともに、分極性電極１１と集電体１３との間の内部抵抗を低めるためには、分極性電極１１表面に占める凹部１２の面積比率が８５〜９７％であることが望ましい。
【００３５】
なお、凹部１２の周縁には集電体１３に接続する端子部１４を埋設するための溝部１５が形成されることが望ましい。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
ＢＥＴ値が２０００ｍ²／ｇの活性炭粉末試料１００重量部に対して、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を５０重量部混合して高速混合攪拌機にて攪拌し、得られた粉体を４０メッシュでメッシュパスを行った後、多数の突起部を有する円筒状の成形型を用いてロール成形を行い、所定形状にカットして表面に突起部が形成されたシート状成形体を作製した。そして、該成形体を、真空中、９００℃で熱処理を行い、直径８ｍｍ×高さ０．１０ｍｍの円柱形状の突起部を４つ有する５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．５ｍｍの固形状活性炭質構造体を４枚作製した。
【００３７】
一方、（株）日本高度紙社製のセルロースセパレータ５２ｍｍ×５２ｍｍ×厚み０．０５ｍｍをカットしてセパレータとし、また、５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．１０ｍｍでその一端に１０ｍｍ×１０ｍｍの端子部を形成するとともに、分極性電極の突起部が形成される所定位置に、直径８ｍｍ貫通孔を形成したアルミニウム箔からなる集電体を打抜き機によって打ち抜いて準備した。なお、集電体中の貫通孔の数は、積層体内部に積層され両面に分極性電極を形成するものについては８個、積層体端部に積層され片側のみに分極性電極を積層するものについては４個形成した。
【００３８】
また、電解質としてテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ₄ＮＢＦ₄）を非水溶媒であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）に溶解させて濃度１．０ｍｏｌ／ｌになるように調製した。
【００３９】
そして、上述の固形状活性炭質構造体において突起部が形成された面が上記集電体表面に積層されるように載置するとともに、前記突起部を集電体の貫通孔内にそれぞれ挿入して、集電体の両面に固形状活性炭質構造体を積層した。さらに、これら２枚の固形状活性炭質構造体の集電体積層面とは反対の表面それぞれにセパレータを配設して積層体を形成した。なお、集電体の端子部は積層体の同じ側面側に、隣接する集電体間が接触せず１層おきに重なるようにして突出させた。そして、１層おきに重なる端子部同士を束ねるとともにその先端部に１０ｍｍ（巾）×５０ｍｍ（長さ）、厚さ０．２ｍｍのリードを溶接固定した。
【００４０】
そして、上記積層体をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、Ａｌ箔、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、熱融着性樹脂フィルムの順に積層されたラミネートフィルムからなる袋状体の封止材内にリードの先端が開口部から突出するように挿入し、該袋状体内に電解液を所定量充填した後、２００℃で袋状体の開口部を封着し、容量が１００Ｆの電気二重層コンデンサを作製した。
【００４１】
得られた電気二重層コンデンサについて、電流（Ｉ）０．１５Ａで電圧（Ｖ）３．０Ｖまで充電し、さらに２時間の定電圧充電を行い、電流（Ｉ）０．１５Ａで０Ｖまで放電したときに要する時間ｔを測定し、静電容量（Ｃ）＝電流（Ｉ）×時間（ｔ）／電圧（Ｖ）にて静電容量を測定したところ、１００Ｆであった。また、上記充放電サイクルを１サイクルとして２サイクル以降、測定サイクル５０まで繰り返した後でも静電容量は１００Ｆであった。
【００４２】
また、５０個のコンデンサについて静電容量を測定し、そのばらつきを算出したところ、１００±１Ｆであった。
【００４３】
（実施例２）
実施例１の電気二重層コンデンサに対して、分極性電極（固形状活性炭質構造体）表面の突起部の高さを０．２５ｍｍとするとともに、集電体を介して隣接する分極性電極表面の突起部を埋設するため、直径８ｍｍ×深さ０．１５ｍｍの凹部を形成して、該凹部内に前記突起部を挿入する以外は、実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製した。
【００４４】
実施例１と同様に評価した結果、１サイクル目の静電容量１００Ｆ、２サイクル以降、測定サイクル５０まで繰り返した後でも静電容量は１００Ｆであり、静電容量のばらつきは１００±１Ｆであった。
【００４５】
（実施例３）
実施例１の分極性電極（固形状活性炭質構造体）に対して、該分極性電極の集電体積層面に、４８ｍｍ×４８ｍｍ×深さ０．０５ｍｍの凹部とそれと連結した１０×１０ｍｍの端子部埋設用の溝部を形成した形状の分極性電極を作製し、２枚の分極性電極の凹部および溝内に４８ｍｍ×４８ｍｍ×厚さ０．１０ｍｍの集電体および１０×１０ｍｍの端子部を収納して挟持する以外は、実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製した。
【００４６】
実施例１と同様に評価した結果、１サイクル目の静電容量９５Ｆ、２サイクル以降は測定サイクル５０まで繰り返した後でも静電容量は１００Ｆであり、静電容量のばらつきは１００±１Ｆであった。
【００４７】
（比較例）
実施例１の分極性電極に対して、突起部を形成せず平板状とし、かつ実施例１の集電体に対して、集電体内に貫通孔を形成しない以外は実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製し、評価した結果、１サイクル目の静電容量９０Ｆ、２サイクル目では９６Ｆ、３サイクル以降で測定サイクル５０まで繰り返した後静電容量が１００Ｆとなった。
【００４８】
また、実施例１と同様に静電容量のばらつきを測定したところ、５０個中２個についてはショートしてしまった。このショートしたコンデンサについて、内部の積層状態を観察した結果、分極性電極が位置ずれし、セパレータからはみ出して対極をなす集電体の端子部に接触していることを確認した。
【００４９】
また、ショートしない他の４８個のコンデンサについて静電容量のばらつきを測定した結果、９７±３Ｆであった。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、分極性電極の表面に焼結にて一体的に突起部を設けて突起部を集電体の貫通孔に挿入するか、あるいは、分極性電極の表面に焼結にて一体的に凹部を設け該凹部内に集電体を収納することによって、分極性電極と集電体の位置ずれによるショートを防止することができるとともに、電解液の部材への均一な含浸性が高められた結果、充放電サイクルの早期段階で高い静電容量を確保できる電気二重層コンデンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気二重層コンデンサの一例についての概略断面図である。
【図２】図１の電気二重層コンデンサの集電体及び分極性電極の積層状態をしめす分解斜視図である。
【図３】本発明の電気二重層コンデンサの集電体の貫通孔と分極性電極の突起部との構成を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の電気二重層コンデンサの他の一例について、集電体及び分極性電極の積層状態を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１、１０電気二重層コンデンサ
２、１１分極性電極
３セパレータ
４、１３集電体
５封止材
６セル
７突起部
８貫通孔
９、１４端子部
９ａリード
１２凹部
１５溝部

Claims

一対の分極性電極間にセパレータを配設してなるセル本体を、集電体を介して複数積層してなる電気二重層コンデンサにおいて、前記分極性電極の前記集電体との積層面に少なくとも１つの突起部が焼結にて一体的に形成されているとともに、該突起部が前記集電体に形成された貫通孔内に挿入されていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
前記集電体を介して隣接する前記分極性電極間が前記集電体の前記貫通孔内の前記突起部を介して接触してい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。
前記分極性電極の前記突起部の先端が、前記分極性電極に積層されている前記集電体を介して隣接する前記分極性電極内に埋設されてい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。
一対の分極性電極間にセパレータを配設してなるセル本体を、集電体を介して複数積層してなる電気二重層コンデンサにおいて、前記分極性電極内に凹部が焼結にて一体的に形成されており、該凹部内に前記集電体の少なくとも一部が埋設されていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。