JP4593491B2 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関する。

電気二重層キャパシタは、セパレータを挟んで互いに対向する分極性電極（正極及び負極）を設け、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用したものである。電気二重層キャパシタは、アルミコンデンサのような一般のキャパシタに比べて極めて大きな静電容量が得られることが特徴で、電子機器のバックアップ用の用途や、家電機器やコピー機の電力貯蔵、自動車のアイドルストップ時の始動用電源、ハイブリッド自動車の電源、風力や太陽光発電のピークシェービングや平準化のための電力貯蔵用の用途まで、幅広い利用が始まっており、省エネルギーや炭酸ガスの削減に役立つキーデバイスとして期待されている。

電気二重層キャパシタは、ボタン型、積層型などの形状の違いはあるが、いずれの場合も、活性炭などのカーボン粒子を主とする分極性電極から成る正極及び負極と、これらの両極を隔てるセパレータとを、外装ケース内で交互に積層して、電解液（電解質を溶液に溶かしたものや、イオン性液体など）を含浸して構成されている。

電気二重層キャパシタは、充放電に際して化学反応を伴わないため、大電流を瞬時に充放電でき、充放電効率が良いという利点がある。また、１０万回以上の充放電が可能であり、寿命が１０年以上で信頼性が高いという利点もある。一方で、リチウムイオン電池などと比べると、エネルギー密度が低いという欠点がある。

そこで、電気二重層キャパシタのエネルギー密度を高めるために、カーボンの細孔径と電解質の大きさの組み合わせを最適化したり、ナノゲートカーボンやナノカーボンを用いることによってエネルギー密度を高める工夫がなされている。

例えば、特許文献１では、多層グラフェン層の発達した非多孔性炭を用いることにより、エネルギー密度が従来の６倍近くにまで向上できることが開示されている。また、カーボンナノチューブなどのナノカーボンを用いることによってもエネルギー密度が高まることが知られている。

また、特許文献２では、特殊仕様のアルカリ賦活活性炭を使用することにより静電容量が増大し、エネルギー密度が高められることが開示されている。

特開２００４−２８９１３０号公報 特開２００５−１２９９２４号公報

ところが、エネルギー密度が高いカーボンを電極の材質として使用すると、充電時には電極が膨張し、放電時には電極が収縮する。これは、インターカレーションに起因して、充電時には、電解液が電極のカーボンに吸収されることによって体積が膨張し、放電時には、電極に吸収されていた電解液が電極外部に排出されることによって体積が収縮するためである。例えばナノゲートカーボンやアルカリ賦活活性炭を電極の材質として使用した場合には、充電時には２０〜３０％程度の膨張が起こり、放電時には２０〜３０％程度の収縮が起こる。

充電時に電極が膨張すると、セパレータに含浸されていた電解液が電極側に移動するため、セパレータに含浸されている電解液が不足して、セパレータの気孔に空隙が生じる。その結果、セパレータの電気抵抗が高くなるという問題がある。

また、放電時に電極が収縮すると、電極から排出された電解液がセパレータ側に移動して、セパレータに収容しきれなくなった電解液が、外装ケースに設けられた放出弁などから当該外装ケースの外部に溢れ出す。その結果、外装ケース内の電解液が不足して寿命が短くなるとともに、溢れ出した電解液によって、外部回路が電気的に短絡し腐食するという問題もある。

一方で、電極の膨張・収縮は、積層方向にのみ起こるので、大きなセル部の主要部に面圧をかけることによって、セパレータにおける電解液の量の変化を抑制するために電極の膨張・収縮を１０％程度にまで下げることは可能であるが、電極の膨張・収縮を抑えると、電極の中に電解液及び電解質が入らないために電気二重層の面積拡大が十分に行われず、従来の活性炭に比べた場合の静電容量の増大が１．５倍程度に留まっている。しかし、２０〜３０％の膨張・収縮を許容し、充電の際に電極に速やかに十分な電解液及び電解質が充填され放電の際に速やかに排除されれば、静電容量が３倍にまで拡大する。

そこで、本発明は上記点に鑑みて成されたものであり、静電容量を増大しつつ、セパレータに含浸されている電解液を一定量に保って、セパレータの電気抵抗の上昇や、外部への電解液の漏出を回避することが可能な電気二重層キャパシタを得ることを目的とする。

本発明に係る電気二重層キャパシタは、電解液を含浸した多孔質のセパレータを挟んで互いに対向する、充電により膨張し放電により収縮する２つの電極と、前記２つの電極に外側からそれぞれ接続された２つの集電板とを有するセル部と、前記セパレータに接触し、前記電解液を含浸可能な多孔質の電解液リザーバとを備え、前記２つの集電板の少なくとも一方は、前記電極が接続された主面において当該電極とは接触していない領域を有し、前記電解液リザーバは、前記２つの電極に挟まれることなく、前記少なくとも一方における前記領域と対向して配置されている。

本発明に係る電気二重層キャパシタによれば、電解液リザーバは、集電板の電極側の主面における当該電極とは接触していない領域と対向して配置されているため、セパレータにおける２つの電極に挟まれた部分に近づけて電解液リザーバを配置することができる。そのため、電極が充電による膨張で電解液を吸収し、セパレータで電解液が不足した場合であっても、電解液リザーバによってセパレータに電解液を速やかに供給することができる。また、電極が放電による収縮で電解液を放出し、セパレータから電解液が溢れ出した場合でも、電解液リザーバがセパレータから速やかに電解液を吸収して保持することができる。よって、充放電において電極の膨張・収縮を許容しつつ、セパレータに含浸されている電解液を一定量に保つことができる。その結果、静電容量を増大しつつ、セパレータの電気抵抗の上昇や外部への電解液の漏出を回避することができる。さらには、電解液リザーバは、２つの電極に挟まれることなく設けられているため、２つの電極の間に不要な部材が介在することはない。よって、電解液リザーバの配置位置に起因した性能劣化も生じない。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。各図において同一の符号を付した要素は、同一又は相当の要素を示すものとする。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタの構造を示す正面図である。図１に示されるように、本実施の形態１に係る電気二重層キャパシタは、外装ケース１と、当該外装ケース１内に収納された電解液リザーバ４及びセル部５と、正極端子２及び負極端子３とを備えている。電解液リザーバ４は複数の電解液リザーバ４ａで構成されている。

図２及び図３はそれぞれ、外装ケース１内に収納された状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図及び斜視図である。図３では、説明の便宜上、図２に示されているセパレータ１０は図示していない。図２，３に示されるように、セル部５は、多孔質のセパレータ１０を挟んで対向する正極６及び負極７の組が複数組積層された構造を有している。正極６、負極７及びセパレータ１０は電解液を含浸している。正極６及び負極７としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂やＳＢＲ（スチレンブタジエンラバー）系合成ゴムなどをバインダーとして、直径１０μｍ程度の大きさの活性炭やナノゲートカーボンを結着した、厚さ数十μｍ〜数ｍｍの層が用いられる。

正極６は正極集電板８上に形成されており、負極７は負極集電板９上に形成されている。これにより、正極６及び負極７の各組には、その外側から正極集電板８及び負極集電板９がそれぞれ接続されている。正極集電板８としてはアルミ箔が用いられ、正極６は正極集電板８の片面又は両面に形成されている。一方で、負極集電板９としてはアルミ箔もしくは銅箔が用いられ、負極７は負極集電板９の片面又は両面に形成されている。正極６及び負極７の外形寸法は例えば１０ｃｍ×１０ｃｍである。なお以後、正極６及び負極７を総称して「電極」と呼び、正極集電板８及び負極集電板９を総称して「集電板」と呼ぶことがある。

セパレータ１０を挟んで対向する一組の正極６及び負極７と、当該一組の正極６及び負極７にそれぞれ接続された正極集電板８及び負極集電板９とで一つの単位セル５０が構成されている。セル部５は複数の単位セル５０を備えている。本実施の形態１では、互いに隣接する２つの単位セル５０において同じ極性の電極が互いに隣り合うように複数の正極６及び負極７が配置されている。そして、互いに隣接する２つの単位セル５０の境界には一つの集電板が配置されており、当該一つの集電板を互いに隣り合う同じ極性の２つの電極が共有している。つまり、一つの集電板を２つの単位セル５０が共有している。

正極集電板８は、正極６と接触している正極接触部８０と、正極６とは接触していない正極非接触部８１とで構成されている。図３に示されるように、正極接触部８０は正極６とほぼ同じ大きさであり、正極非接触部８１は正極接触部８０よりも幅が狭くなっている。そして、正極非接触部８１は、正極接触部８０から上方に延びており、正極端子２に接続される。

同様に、負極集電板９は、負極７と接触している負極接触部９０と、負極７とは接触していない負極非接触部９１とで構成されている。図３に示されるように、負極接触部９０は負極７とほぼ同じ大きさであり、負極非接触部９１は負極接触部９０よりも幅が狭くなっている。そして、負極非接触部９１は負極接触部９０から下方に延びており、負極端子３に接続される。

正極端子２は外装ケース１の上面に設けられた図示しないシール部によってシーリングされつつ、図１に示されるように外装ケース１の外部に上面側から引き出されている。一方で、負極端子３は外装ケース１の底面に設けられた図示しないシール部によってシーリングされつつ、図１に示されるように外装ケース１の外部に底面側から引き出されている。

このように、正極端子２及び負極端子３を外装ケース１から反対側で取り出すことによって、正極端子２及び負極端子３の幅を大きくすることができる。さらには、それらに接続されている正極集電板８及び負極集電板９の幅も大きくすることができる。その結果、正極端子２及び正極集電板８で構成される正極集電部の電気抵抗を低減することができるとともに、負極端子３及び負極集電板９で構成される負極集電部の電気抵抗を低減することができる。

本実施の形態１に係るセパレータ１０は、互いに接触して設けられた２つのセパレータ１０ａ，１０ｂで構成されている。セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれは、連続体であり、単一部材を折り曲げることによって、各単位セル５０における正極６及び負極７の間に配置されている。そして、セパレータ１０ａは、正極６及び正極集電板８の表面の大部分を覆うようにそれらと接触して設けられており、セパレータ１０ｂは負極７及び負極集電板９の表面の大部分を覆うようにそれらと接触して設けられている。

セパレータ１０としては、天然パルプ、天然セルロース、溶剤紡糸セルロース、バクテリアセルロースなどのセルロース系や、ガラス繊維、非フィブリル化有機繊維を含有する不織布の他、ナイロン６６、芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルアミド、全芳香族ポリエーテル、全芳香族ポリアゾ化合物、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＺＴ）、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフィリル化フォルムあるいは多孔質フィルムが用いられる。セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれは、厚さが２０μｍから５０μｍ程度、気孔率（空隙率）が６０％から８０％程度で、平均気孔径が数μｍから数十μｍのものが用いられる。平均気孔径については様々なものがあり、同じ材料でも目付け密度で簡単に変化させることができる。平均気孔径については、市販の水銀圧入式のポロシメーターやガス吸着などの分析機器を用いて、簡単に測定することができる。また、分析メーカーにサンプルを渡して分析を委託することも可能である。

電解液リザーバ４ａのそれぞれは、電解液を含浸可能な多孔質の材料から形成されており、セパレータ１０ａ，１０ｂの両方に接触している。電解液リザーバ４ａの材料としては、セパレータ１０ａ，１０ｂと同様の材料を用いることができる。

複数の電解液リザーバ４ａのうちの半数については、外装ケース１内の上方に設けられており、各単位セル５０において、それに含まれる正極６が接続された正極集電板８の主面のうち当該正極６に接触していない領域と対向して配置されている。つまり、各単位セル５０において、それに含まれる正極６側に位置する正極非接触部８１の主面と対向して電解液リザーバ４ａが配置されている。

一方で、複数の電解液リザーバ４ａのうちの残りの半数については、外装ケース１内の下方に設けられており、各単位セル５０において、それに含まれる負極７が接続された負極集電板９の主面のうち当該負極７に接触していない領域と対向して配置されている。つまり、各単位セル５０において、それに含まれる負極７側に位置する負極非接触部９１の主面と対向して電解液リザーバ４ａが配置されている。そして、電解液リザーバ４ａは、各単位セル５０において正極６と負極７とには挟まれていない。

電解質としては、例えばカチオンとアニオンの組み合わせが用いられており、カチオンが４級アンモニウム、１，３−ジアルキルイミダゾリウム、又は１，２，３−トリアルキルイミダゾリウムで、アニオンがＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、ＣｌＯ₄ ^-、又はＣＦ₃ＳＯ₃ ^-の塩や、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム（ＤＭＰＩ）のＡｌＣｌ₄ ^-やＢＦ₄ ^-などの塩などが用いられている。溶媒としては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、ジメトキシメタン、ジエトキシエタン、γ−ブチルラクトン、アセトニトリル、プロピオニトリルから選ばれる一種又はこれらの二種以上の混合溶媒などが用いられている。本発明において電解液とは、これらを含んだ液状の電解質溶液のことを意味する。

外装ケース１の材料としては、アルミ箔の表面にポリエチレンなどの樹脂が張り合わされたラミネートフィルムが用いられる。外装ケース１には、図示しない放出弁が設けられている。放出弁には小さな貫通孔が設けられており、この貫通孔は通常は弁によって閉鎖されているが、外装ケース１の内圧が高まった場合には弁が開いて貫通孔が開通することにより、外装ケース１内のガスが外部に放出されるようになっている。

図４は外装ケース１内に収納される前の状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図であり、図５，６は図４に示されるセパレータ１０ａ，１０ｂを矢視Ａの方向から見た際の構造をそれぞれ示す平面図である。図５，６に示されるように、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれには谷折り１００及び山折り１１０が交互に一定間隔で設けられており、その結果、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれは蛇腹形状を成している。そして、セパレータ１０ａにおいては、谷折り部１５０で正極６及び正極集電板８が挟み込まれ、山折り部１６０の内側に電解液リザーバ４ａが折り曲げられて取り付けられている。一方、セパレータ１０ｂにおいては、山折り部１６０で負極７及び負極集電板９が挟み込まれ、谷折り部１５０の内側に電解液リザーバ４ａが折り曲げられて取り付けられている。なお、電解液リザーバ４ａの折り曲げる前の外形は例えば１０ｃｍ×２ｃｍである。

セパレータ１０ａ，１０ｂに折り目をつける際には、まず、接着、融着、縫合などの手段を用いて、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれに一定間隔で電解液リザーバ４ａを密着させて配置する。そして、プレス金型などを用いて、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれに対して谷折り１００及び山折り１１０を交互につける。このとき、電解液リザーバ４ａも折り曲げられる。

電解液リザーバ４及びセル部５を外装ケース１内に収納する際には、セパレータ１０ａの山折り部１６０に設けられた電解液リザーバ４ａとセパレータ１０ｂの山折り部１６０とが接触し、セパレータ１０ａの谷折り部１５０とセパレータ１０ｂの谷折り部１５０に設けられた電解液リザーバ４ａとが接触するように、セパレータ１０ａとセパレータ１０ｂとが重ね合わされ、その後、正極６及び正極集電板８がセパレータ１０ａの谷折り部１５０に挿入され、負極７及び負極集電板９がセパレータ１０ｂの山折り部１６０に挿入される。そして、セパレータ１０ａの谷折り部１５０で正極６及び正極集電板８が、セパレータ１０ｂの山折り部１６０で負極７及び負極集電板９がそれぞれ挟み込まれるように、セパレータ１０ａ，１０ｂが折り畳まれてこれらの要素が外装ケース１内に収納される。

このようにして外装ケース１内に電解液リザーバ４及びセル部５が収納されると、図２に示されるように、セパレータ１０ａの山折り部１６０は、互いに対向する２つの正極集電板８の正極非接触部８１の間において２つの単位セル５０にまたがって配置されるようになり、当該山折り部１６０の内側に電解液リザーバ４ａが接触して配置される。また、セパレータ１０ｂの谷折り部１５０は、互いに対向する２つの負極集電板９の負極非接触部９１の間において２つの単位セル５０にまたがって配置されるようになり、当該谷折り部１５０の内側に電解液リザーバ４ａが接触して配置される。

なお、図５中の矢印２００ａは片面だけに正極６が設けられた正極集電板８が挿入される位置を示しており、矢印２００ｂは両面に正極６が設けられた正極集電板８が挿入される位置を示している。また、図６中の矢印２１０ａは片面だけに負極７が設けられた負極集電板９が挿入される位置を示しており、矢印２１０ｂは両面に負極７が設けられた負極集電板９が挿入される位置を示している。

以上のような構成を成す本実施の形態１に係る電気二重層キャパシタでは、正極６と負極７が充電時に電解液を吸収して膨張したり、放電時に電解液を排出して縮小する際には、電解液リザーバ４とセパレータ１０とが互いに接触している部分において電解液の受け渡しが行われる。充電時には、正極６及び負極７が電解液を吸収して膨張し、セパレータ１０に含浸されている電解液が正極６及び負極７に移動する。そうすると、電解液リザーバ４とセパレータ１０との接触面を介して、電解液リザーバ４からセパレータ１０に電解液が移動する。

逆に放電時には、正極６及び負極７が電解液を排出して縮小し、当該電解液がセパレータ１０に移動する。そうすると、電解液リザーバ４とセパレータ１０との接触面を介して、セパレータ１０から電解液リザーバ４に電解液が移動する。

本実施の形態１では、電解液リザーバ４ａとセパレータ１０ａ，１０ｂとは各々の主面同士が互いに密着しているため、電解液の受け渡しを効率的に行うことができる。

図７は、完全充電時における、セパレータ１０の気孔径分布（Ｓ１０）及び電解液リザーバ４の気孔径分布（Ｓ４）と、電解液の気孔占有率とを示す図である。また、図８は、完全放電時における、セパレータ１０の気孔径分布（Ｓ１０）及び電解液リザーバ４の気孔径分布（Ｓ４）と、電解液の気孔占有率とを示す図である。ここで、気孔占有率（以下、単に「占有率」と称す）とは、全気孔体積に対する、電解液によって満たされた気孔体積を意味する。

図７，８に示されるように、電解液リザーバ４の平均気孔径は、セパレータ１０の平均気孔径よりも大きく設定されている。また、電解液リザーバ４の平均気孔径は、電極の平均気孔径よりも大きく設定されている。そのため、ポア吸引力の差で、セパレータ１０及び電極の気孔への電解液の占有率が電解液リザーバ４よりも高く保たれる。これは、セパレータ１０、電解液リザーバ４及び電極の表面と電解液との接触角が９０度を下回った場合には毛細管現象によってセパレータ１０、電解液リザーバ４及び電極に電解液を引き込む力が生じるが、それらの気孔径が小さくなるほど、その力が強くなるためである。接触角が同じであれば、気孔径の小さな気孔から順に電解液で満たされていく。そして、電極の平均気孔径はセパレータ１０の平均気孔径よりも小さく設定されているため、電極の電解液は常に満杯に保たれた状態が維持される。電極、電解液リザーバ４及びセパレータ１０の全気孔体積よりも電解液が少なければ、電解液リザーバ１の径の大きな気孔が電解液で満たされない領域（図７においてハッチングされていない領域）として残される。

充電時において、電解液がインターカレーションなどのメカニズムによって正極６及び負極７のカーボンに吸い込まれ、正極６及び負極７の体積が増大すると、セパレータ１０から正極６及び負極７へ電解液が移動し、セパレータ１０の気孔の一部に空隙が生じる。セパレータ１０に空隙が生じると、その電気抵抗が高くなり、充電効率が低くなり、充電による発熱も多くなって温度が高くなり、寿命を短くしてしまうおそれがある。しかし、本実施の形態１に係る電気二重層キャパシタでは、電解液リザーバ４における径の大きな気孔に存在していた電解液が、セパレータ１０の空隙に移動して、当該空隙が電解液で満たされることになる。

図７に示した例では、完全充電時におけるセパレータ１０の気孔への電解液の占有率は１００％である。この場合、セパレータ１０の電気抵抗の上昇は全く起こらない。しかし、セパレータ１０の気孔への電解液の占有率が５０％以上あれば、セパレータ１０における隣り合う気孔内の電解液同士が互いに繋がり、電気抵抗の上昇は許容範囲内に収まる。セパレータ１０内の電解液が最も少なくなるのは完全充電時であるため、完全充電時におけるセパレータ１０の気孔への電解液の占有率が５０％以上であれば、セパレータ１０の電気抵抗の上昇は許容範囲内に収まるということになる。

一方、放電時に正極６及び負極７が収縮すると、正極６及び負極７から排出された電解液がセパレータ１０に移動する。セパレータ１０の気孔への電解液の占有率が１００％を超えると、セパレータ１０に収容しきれなくなった電解液は、電解液リザーバ４によって吸収される。その結果、放出弁から外装ケース１の外部に電解液が溢れ出すという事態を回避できる。セパレータ１０内の電解液が最も多くなるのは完全放電時であるため、図８に示されるように、完全放電時における電解液リザーバ４の気孔への電解液の占有率が１００％以下であれば、外装ケース１の外部への電解液の漏出を防止できるということになる。

以上より、電解液リザーバ４には、完全充電時にセパレータ１０の気孔への電解液の占有率が５０％以上となり、かつ、完全放電時に電解液リザーバ４の気孔への電解液の占有率が１００％以下となるような、所定量の電解液が含浸されていればよい。これにより、充電時におけるセパレータ１０の電気抵抗の上昇を許容範囲内に収めつつ、放電時における電解液の外部への漏出を防止できる。

なお、電解液リザーバ４の平均気孔径がセパレータ１０の平均気孔径よりも大きいことが望ましいが、逆に小さくとも、電解液との接触角が電解液リザーバ４よりもセパレータ１０のほうが小さければ、ポア吸引力は電解液リザーバ４よりもセパレータ１０の方が高くなるため、平均気孔径に差をつけた場合と同様の効果が得られる。

実施の形態１の実施例として、セパレータ１０として、ニッポン高度紙工業（株）製の電気二重層キャパシタ用セパレータ紙「ＴＦ４０」を用い、電解液リザーバ４として、同じくニッポン高度紙工業（株）製の「ＭＰＦ４５ＡＣ」を用いることができる。ＴＦ４０は溶剤紡糸再生セルロース繊維で、平均気孔径は０．３マイクロメートル、気孔率７３％である。ＭＰＦ４５ＡＣはポリプロピレン繊維で、平均気孔径は４マイクロメートル、気孔率７５％である。セパレータ１０と電解液リザーバ４とは平均気孔径が約１０倍以上異なるので、ポア吸引力の大きなセパレータ１０に優先的に電解液が占有される。

以上のように、本実施の形態１に係る電気二重層キャパシタでは、電解液リザーバ４は、正極６が接続された正極集電板８の主面のうち当該正極６とは接触していない領域と対向して配置されている。また、負極７が接続された負極集電板９の主面のうち当該負極７とは接触していない領域と対向して配置されている。したがって、セパレータ１０における正極６と負極７に挟まれた部分に近づけて電解液リザーバ４を配置することができる。そのため、正極６と負極７が充電による膨張で電解液を吸収し、正極６と負極７に挟持されたセパレータ１０で電解液が不足した場合であっても、電解液リザーバ４によってセパレータ１０に電解液を速やかに供給することができる。また、正極６と負極７が放電による収縮で電解液を放出し、正極６と負極７に挟持されたセパレータ１０から電解液が溢れ出した場合でも、電解液リザーバ４がセパレータ１０から速やかに電解液を吸収して保持することができる。よって、充放電において正極６及び負極７の膨張・収縮を許容しつつ、セパレータ１０に含浸されている電解液を一定量に保つことができる。その結果、静電容量を増大しつつ、セパレータ１０の電気抵抗の上昇や外部への電解液の漏出を回避することができる。さらには、電解液リザーバ４は、正極６及び負極７に挟まれることなく設けられているため、正極６と負極７との間に不要な部材が介在することはない。よって、電解液リザーバ４の配置位置に起因した性能劣化も生じない。

実施の形態１に係る電気二重層キャパシタについて、１０分間を１サイクルとして５０００回の充放電サイクルを行った場合、静電容量の低下が５％以内で安定した動作を示すことを確認した。

また、本実施の形態１では、電解液リザーバ４を正極集電板８の間、あるいは負極集電板９の間に配置しているため、集電板の間のスペースを有効利用することができる。よって、本電気二重層キャパシタの外形を大きくすることなく電解液リザーバ４を適切に配置することができる。

また、本実施の形態１に係るセパレータ１０は、折り曲げられることによって複数の単位セル５０のそれぞれにおける正極６及び負極７の間に配置された単一部材（セパレータ１０ａ，１０ｂ）を有しているため、複数の単位セル５０にまたがるセパレータ１０を低コストで組み立てることができる。また、電解液リザーバ４の配設が容易になる効果も生じる。

また、本実施の形態１では、電解液リザーバ４が、セパレータ１０ａの山折り部１６０やセパレータ１０ｂの谷折り部１５０にそれらと接触して配置されているため、つまり互いに隣り合う２つの単位セル５０にまたがって位置する折り曲げ部にそれと接触して配置されているため、当該２つの単位セル５０のそれぞれに対応して電解液リザーバ４を容易に配置することができる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係る電気二重層キャパシタの構造を示す正面図である。図９に示されるように、本実施の形態２に係る電気二重層キャパシタでは、正極端子２及び負極端子３が外装ケース１の同じ側から取り出されている。

図１０は外装ケース１内に収納された状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図である。図１０に示されるように、正極集電板８では、実施の形態１と同様に、正極非接触部８１は正極接触部８０から上方に延びている。そして、正極非接触部８１は正極端子２に接続される。一方で、負極集電板９では、実施の形態１とは異なり、負極非接触部９１は負極接触部９０から上方に延びている。そして、負極非接触部９１は負極端子３に接続される。正極端子２及び負極端子３は、外装ケース１の上面に設けられた図示しないシール部によってシーリングされつつ、図９に示されるように外装ケース１の外部に上面側から引き出されている。

上述の実施の形態１に係るセパレータ１０は２つのセパレータ１０ａ，１０ｂ、つまり２つの部材で構成されていたが、本実施の形態２に係るセパレータ１０は単一部材で構成されている。セパレータ１０は、単一部材を折り曲げることによって各単位セル５０における正極６及び負極７の間に配置されている。そして、セパレータ１０は、正極６及び正極集電板８と負極７及び負極集電板９との表面の大部分を覆うようにそれらと接触して設けられている。

電解液リザーバ４ａのそれぞれはセパレータ１０に接触している。電解液リザーバ４ａは、各単位セル５０において、正極６が接続された正極集電板８の主面のうち当該正極６に接触していない領域と、負極７が接続された負極集電板９の主面のうち当該負極７に接触していない領域とに対向して配置されている。つまり、電解液リザーバ４ａは、各単位セル５０において、正極非接触部８１と負極非接触部９１とに挟まれており、正極６側に位置する正極非接触部８１の主面と、負極７側に位置する負極非接触部９１の主面とに対向して配置されている。そして電解液リザーバ４ａは、各単位セル５０において正極６と負極７とには挟まれていない。

図１１は外装ケース１内に収納される前の状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図であり、図１２は図１１に示されるセパレータ１０を矢視Ｂの方向から見た際の構造を示す平面図である。図１２に示されるように、セパレータ１０には谷折り１００及び山折り１１０が交互に一定間隔で設けられており、その結果、セパレータ１０は蛇腹形状を成している。セパレータ１０は、実施の形態１と大差なく、容易に構成することができ、低コストで製造することができる。図１１に示されるように、セパレータ１０に形成された谷折り部１５０では、正極６及び正極集電板８、あるいは負極７及び負極集電板９が挟み込まれ、セパレータ１０の山折り部１６０の下面側に電解液リザーバ４ａが折り曲げられて取り付けられている。

電解液リザーバ４及びセル部５を外装ケース１内に収納する際には、正極６及び正極集電板８と負極７及び負極集電板９が、電解液リザーバ４ａが取り付けられたセパレータ１０の谷折り部１５０に挿入され、セパレータ１０と、正極６、正極集電板８、負極７及び負極集電板９とが相互に密着するように、セパレータ１０が折り畳まれてこれらの要素が外装ケース１内に収納される。

このようにして外装ケース１内に電解液リザーバ４及びセル部５が収納されると、図１０に示されるように、セパレータ１０の山折り部１６０は、各単位セルにおいて、正極集電板８と負極集電板９との間に配置されるようになり、当該山折り部１６０に電解液リザーバ４ａがそれと接触して配置される。

なお、図１２中の矢印２２０ａは片面だけに正極６が設けられた正極集電板８が挿入される位置を示しており、矢印２２０ｂは両面に正極６が設けられた正極集電板８が挿入される位置を示している。また、図１２中の矢印２３０ａは片面だけに負極７が設けら負極集電板９が挿入される位置を示しており、矢印２３０ｂは両面に負極７が設けられた負極集電板９が挿入される位置を示している。

以上のような構成を有する本実施の形態２に係る電気二重層キャパシタでは、実施の形態１と同様に、セパレータ１０における正極６と負極７とに挟まれた部分に近づけて電解液リザーバ４ａを配置することができるため、充放電において正極６及び負極７の膨張・収縮を許容しつつ、セパレータ１０に含浸されている電解液を一定量に保つことができる。その結果、静電容量を増大しつつ、セパレータ１０の電気抵抗の上昇や外部への電解液の漏出を回避することができる。さらには、電解液リザーバ４は、正極６及び負極７に挟まれることなく設けられているため、正極６と負極７との間に不要な部材が介在することはなく、電解液リザーバ４の配置位置に起因した性能劣化も生じない。

また、本実施の形態２に係る電解液リザーバ４は正極集電板８と負極集電板９の間に配置されているため、正極集電板８と負極集電板９との間のスペースを有効利用することができる。よって、本電気二重層キャパシタの外形を大きくすることなく電解液リザーバ４を適切に配置することができる。

実施の形態３．
図１３は本発明の実施の形態３に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。本実施の形態３に係る電気二重層キャパシタは、上述の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタにおいて、セパレータ１０を一つの部材で構成したものである。図１３では、本電気二重層キャパシタを構成する要素のうち電解液リザーバ４及びセル部５のみを示している。

図１３に示されるように、セパレータ１０は、単一部材を折り曲げることによって、各単位セル５０における正極６及び負極７の間に配置されている。そして、セパレータ１０は、正極６及び正極集電板８と負極７及び負極集電板９との表面の大部分を覆うようにそれらと接触して設けられている。

図１４は外装ケース１内に収納される前の状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図である。図１４に示されるように、セパレータ１０では、谷折り部１５０の上面側に電解液リザーバ４ａが折り曲げられて取り付けられ、当該電解液リザーバ４ａと接触するように谷折り部１５０で正極６及び正極集電板８が挟み込まれる。そして、山折り部１６０の下面側に電解液リザーバ４ａが折り曲げられて取り付けられ、当該電解液リザーバ４ａと接触するように山折り部１６０で負極７及び負極集電板９が挟み込まれる。

電解液リザーバ４及びセル部５を外装ケース１内に収納する際には、正極６及び正極集電板８と負極７及び負極集電板９とが、電解液リザーバ４ａが取り付けられたセパレータ１０の谷折り部１５０及び山折り部１６０にそれぞれ挿入され、セパレータ１０と、正極６、正極集電板８、負極７及び負極集電板９とが互いに密着するように、セパレータ１０が折り畳まれてこれらの要素が外装ケース１内に収納される。これにより、図１３に示されるように、セパレータ１０の山折り部１６０は、２つの正極集電板８の間において２つの単位セル５０にまたがって配置されるようになる。また、セパレータ１０の谷折り部１５０は、２つの負極集電板９の間において２つの単位セル５０にまたがって配置されるようになる。そして、各単位セル５０においては、正極６と負極７との間の距離はセパレータ１０の厚みと同じ値となる。

ここで、上述の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタにおいては、図２に示されるように、セパレータ１０ａとセパレータ１０ｂとが重ね合わされているため、各単位セル５０においては、正極６と負極７との間の距離がセパレータ１０ａの厚みとセパレータ１０ｂの厚みとを足し合わせた値となっている。つまり、セパレータ１０における正極６と負極７との間の部分は二重構造となっている。

一方で、本実施の形態３に係る電気二重層キャパシタでは、各単位セル５０において、正極６と負極７との間の距離はセパレータ１０の厚みと同じ値となっているため、セパレータ１０における正極６と負極７との間の部分は一重構造となっている。したがって、実施の形態１と比較して、正極６と負極７との距離が短くなり、セパレータ１０を介して、電極材料（遊離した活性炭粒子や成長した金属デンドライトなど）による正極６と負極７との電気短絡の危険性が増加するが、セパレータ１０を単一の部材で構成しているため、本電気二重層キャパシタの構成材料の低コスト化を図ることができる。

実施の形態４．
図１５は本発明の実施の形態４に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。本実施の形態４に係る電気二重層キャパシタは、上述の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタにおいて、基本的には、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれを複数に分割したものである。図１５では、本電気二重層キャパシタを構成する要素のうち電解液リザーバ４及びセル部５のみを示している。

図１６は外装ケース１内に収納される前の状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図である。図１６に示されるように、セパレータ１０ａは上述の山折り部１６０で分断されている。これにより、セパレータ１０ａはＶ字状に折り曲げられた複数の部材３００ａで構成されている。そして、正極６及び正極集電板８は部材３００ａで挟み込まれる。一方、セパレータ１０ｂは上述の谷折り部１５０で分断されている。これにより、セパレータ１０ｂは逆Ｖ字状に折り曲げられた複数の部材３００ｂで構成されている。そして、負極７及び負極集電板９は部材３００ｂで挟み込まれる。

複数の電解液リザーバ４ａのうちの半数については、各部材３００ａの内側の主面の両端部に設けられている。複数の電解液リザーバ４ａのうちの残りの半数については、各部材３００ｂの内側の主面の両端部に設けられている。

電解液リザーバ４及びセル部５を外装ケース１内に収納する際には、電解液リザーバ４ａが取り付けられた部材３００ａと、電解液リザーバ４ａが取り付けられ部材３００ｂとを交互に並べ、部材３００ａに正極６及び正極集電板８を挿入し、部材３００ｂに負極７及び負極集電板９を挿入し、その後、正極６及び正極集電板８が部材３００ａで、負極７及び負極集電板９が部材３００ｂでそれぞれ挟み込まれるように部材３００ａ，３００ｂを折り畳んでこれらの要素を外装ケース１内に収納する。これにより、図１５に示されるように、複数の電解液リザーバ４ａのうちの半数についてはセパレータ１０ａと正極集電板８とで狭持され、その他の半数についてはセパレータ１０ｂと負極集電板９とで狭持されるようになる。

このように、セパレータ１０ａ，１０ｂのそれぞれを複数の部材で構成することによって、単一部材で構成されていないために量産性は劣るが、単位セル５０の増減が容易となり、セパレータで正極６や負極７を挟持した状態でこれらの部材を取り扱うことが可能になるなどの利点が生じる。

実施の形態５．
図１７は本発明の実施の形態５に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。本実施の形態５に係る電気二重層キャパシタは、上述の実施の形態２に係る電気二重層キャパシタにおいて、基本的には、セパレータ１０を複数に分割したものである。図１７では、本電気二重層キャパシタを構成する要素のうち電解液リザーバ４及びセル部５のみを示している。

図１８は外装ケース１内に収納される前の状態での電解液リザーバ４及びセル部５の構造を示す断面図である。図１８に示されるように、セパレータ１０は上述の山折り部１６０で分断されている。これにより、セパレータ１０はＶ字状に折り曲げられた複数の部材３００で構成されている。そして、正極６及び正極集電板８と、負極７及び負極集電板９は、それぞれ部材３００で挟み込まれる。電解液リザーバ４ａは、各部材３００の内側の主面の両上端部に設けられている。

電解液リザーバ４及びセル部５を外装ケース１内に収納する際には、電解液リザーバ４ａが取り付けられた複数の部材３００を一列に並べて、当該複数の部材３００に、正極６及び正極集電板８と、負極７及び負極集電板９とを交互に挿入し、その後、正極６及び正極集電板８と、負極７及び負極集電板９とがそれぞれ部材３００で挟み込まれるように部材３００を折り畳んでこれらの要素を外装ケース１内に収納する。これにより、図１７に示されるように、複数の電解液リザーバ４ａのうちの半数についてはセパレータ１０と正極集電板８とで狭持され、その他の半数についてはセパレータ１０と負極集電板９とで狭持されるようになる。

このように、セパレータ１０を複数の部材で構成することによって、単一部材で構成されていないために量産性は劣るが、単位セル５０の増減が容易となり、セパレータで正極６や負極７を挟持した状態でこれらの部材を取り扱うことが可能になるなどの利点が生じる。

なお、上述の実施の形態１〜５では、積層型の電気二重層キャパシタについて本発明を適用する場合について説明したが、ボタン型または箱型の電気二重層キャパシタにも本発明を適用することは可能であり、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタの構造を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタの構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るセパレータの構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係るセパレータの構造を示す平面図である。 完全充電時における、セパレータの気孔径分布及び電解液リザーバの気孔径分布と、電解液の気孔占有率とを示す図である。 完全放電時における、セパレータの気孔径分布及び電解液リザーバの気孔径分布と、電解液の気孔占有率とを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電気二重層キャパシタの構造を示す正面図である。 本発明の実施の形態２に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るセパレータの構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電気二重層キャパシタの構造を示す断面図である。

符号の説明

４，４ａ 電解液リザーバ、５ セル部、６ 正極、７ 負極、８ 正極集電板、９ 負極集電板、１０，１０ａ，１０ｂ セパレータ、５０ 単位セル、１５０ 谷折り部、１６０ 山折り部。

Claims (7)

1. 電解液を含浸した多孔質のセパレータを挟んで互いに対向する、充電により膨張し放電により収縮する２つの電極と、当該２つの電極に外側からそれぞれ接続された２つの集電板とを有するセル部と、
   前記セパレータに接触し、前記電解液を含浸可能な多孔質の電解液リザーバと
   を備え、
   前記２つの集電板の少なくとも一方は、前記電極が接続された主面において当該電極とは接触していない領域を有し、
   前記電解液リザーバは、前記２つの電極に挟まれることなく、前記少なくとも一方における前記領域と対向して配置されている、電気二重層キャパシタ。
2. 請求項１に記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記電解液リザーバは前記２つの集電板に挟まれて配置されている、電気二重層キャパシタ。
3. 請求項１に記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記セル部は、前記２つの集電板の一方の集電板と同極性であって、電極と接続された別の集電板を、前記２つの集電板の他方の集電板に対して前記一方の集電板とは反対側にさらに備え、
   前記一方の集電板の前記領域と、前記別の集電板における、電極と接触していない領域とは同じ方向に延びており、
   前記電解液リザーバは、前記一方の集電板と、前記別の集電板とに挟まれて配置されている、電気二重層キャパシタ。
   
   
4. 請求項１に記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記セル部は、前記２つの電極と前記２つの集電板とを含む単位セルを複数有し、
   前記電解液リザーバは、前記複数の単位セルのそれぞれにおいて、前記２つの電極に挟まれることなく、前記少なくとも一方における前記領域と対向して配置され、
   前記セパレータは、折り曲げられることによって前記複数の単位セルのそれぞれの前記２つの電極の間に配置された単一部材を有する、電気二重層キャパシタ。
5. 請求項４に記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記単一部材は、互いに隣り合う２つの前記単位セルにまたがって位置する折り曲げ部を有し、
   前記電解液リザーバは前記折り曲げ部にそれと接触して配置されている、電気二重層キャパシタ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記電解液リザーバの平均気孔径は、前記セパレータの平均気孔径よりも大きい、電気二重層キャパシタ。
7. 請求項６に記載の電気二重層キャパシタであって、
   前記電解液リザーバには、完全充電時に前記セパレータの気孔への前記電解液の占有率が５０％以上となり、完全放電時に前記電解液リザーバの気孔への前記電解液の占有率が１００％以下となるような、所定量の前記電解液が含浸されている、電気二重層キャパシタ。
   

Images