JP5022197B2 - 電気二重層キャパシタとその製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気二重層キャパシタとその製造方法および製造装置に関するものである。

近年、各種の蓄電装置において、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の適用技術が注目される。

電気二重層キャパシタは、正極体と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（キャパシタ本体）に構成され、その正極体および負極体のリードとして１対の端子が接続される。積層体は、容器に収容して電解液と共に密封される。

このような電気二重層キャパシタにおいては、積層体の層間にズレが発生すると、静電容量の低下などを招くため、積層体を結束状態に巻き締める帯を設けたものがある（特許文献１）。帯は、薄い樹脂フィルムから作成され、積層体に巻いてその両端部が接合される。
特開２００４−１８６２９８

帯の結束（巻き締め）にも拘わらず、積層体の層間にズレが発生することがあり、製品の歩留まりについても、あまり良くない。積層体の層間にズレを発生させる起因としては、電気二重層キャパシタの製造過程においても、様々のことが考えられる。

特許文献１の場合、積層体の正極体および負極体のリードとしてこれらの同極同士を束ねてそれぞれ極性の対応する端子に溶接（接続）する際において、スポット溶接機へのセット時の位置が合わないのにスポット溶接が行われると、リードの結束部を挟む溶接電極の加圧により、積層体の一部の層がリードを介して過大な引張力を受けたりすること、また、積層体を容器へ収容する際において、底側部分への搬入時の位置に合わないのに蓋側部分を無理に底側部分と重ねて熱溶着する処理が行われると、熱溶着時にこれらの合わせ面を挟む加圧により、積層体の形が崩されたりすること、また、積層体を搬送する際において、帯（ハンドリングの吸着によって吊り上げられる）に積層体の荷重が掛かること、等が挙げられる。

この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、積層体の層間にズレを確実に防止しえる、電気二重層キャパシタと、その製造方法および製造装置、の提供を目的とする。

第１の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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において、基板とその上に組成される積層体の周囲を規制する側板とから基板に対向する面が開口する箱形状に構成される絶縁性の内装部品と、この内装部品およびその内側に嵌合する積層体を巻いて結束する帯と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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、基板とその上に組成される積層体の周囲を規制する側板とから基板との対向面が開口する箱形状に構成される絶縁性の内装部品を作成する工程と、帯の上に前記内装部品を基板側から重ね、この内装部材に対してその側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する工程と、前記帯の両端部を内装部品からその内側に嵌合する積層体の上に巻いて結束する工程と、を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法において、前記積層体を組成する工程は、帯をベース上の凹部を跨いで両側の基準面に掛けて載せ、その帯の上に内装部品を基板側から重ねて帯と共にベース上の凹部へ嵌め込み、帯の両端部を基準面の上方へ突出させる工程と、この内装部品に対して側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する工程と、を備えることを特徴とする。

第４の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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装置において、帯をベース上の凹部を跨いで両側の基準面に掛けて載せ、その帯の上に内装部品を基板側から重ねて帯と共にベース上の凹部へ嵌め込み、帯の両端部を基準面の上方へ突出させる手段と、この内装部品に対して側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する手段と、前記帯の両端部を内装部品からその内側に嵌合する積層体の上に巻いて結束する手段と、を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明に係る電気二重層キャパシタの製造装置において、前記帯の両端部を巻いて結束する手段は、内装部品の内側に嵌合する積層体を押えるクランパと、帯の両端部を積層体に巻いて合わせる１対の巻き込みローラと、帯の両端部を合わせた状態に接合するヒートシーラと、を備えることを特徴とする。

第１の発明においては、積層体は、内装部品と共に帯を巻いて結束され、箱形状の内装部品に囲われる嵌合状態に封じ込められるのである。このため、積層体は、外形が固定状態に規制され、電気二重層キャパシタの製造過程においても、層間のズレの発生を確実に防止することができる。その結果、製品の歩留まりが向上する。また、製品（電気二重層キャパシタ）についても、積層体の層間にズレの発生が規制され、静電容量のばらつきの小さい、安定した良好なキャパシタ性能が得られる。

第２の発明〜第５の発明においては、内装部品の組込みにより、積層体の層間にズレのない、安定した良好なキャパシタ性能を持つ、電気二重層キャパシタを効率よく製造することができる。

図１において、電気二重層キャパシタの一例を説明する。１０はキャパシタ本体（積層体）を電解液と共に収容する容器、１１（１１ａ，１１ｂ）は容器の外部に引き出される１対の端子板（キャパシタ電極）であり、各端子板１１ａ，１１ｂは軽量かつ抵抗の小さいアルミニウムから短尺状に形成される。

キャパシタ本体については、正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させて交互に積層して構成される。正極体および負極体は、集電極とその両面の分極性電極（活性炭電極）とから組成される。これらの集電極は、矩形状の金属箔（たとえば、アルミニウム箔）からなり、その矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状のリード部が一体に成形される。各リード部の同極どうしは束ねられ、この結束部に極性の対応する端子板が接合（スポット溶接）される。

容器１０は、金属層を含む積層構造の柔軟な材質の樹脂フィルム（たとえば、アルミラミネートフィルム）から同一形状に成形される２つの構成部分（底側部分と蓋側部分と）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う平面矩形状の凹部によって積層体の収容部が形成される。

底側部分の内側に積層体（キャパシタ本体）は納められ、その上から蓋側部分が被せられる。容器の周縁において、１対の端子板１１ａ，１１ｂ（先端側）が引き出される一辺を除く三辺が熱溶着（ヒートシール）される。容器１０は、１対の端子板１１ａ，１１ｂが突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から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、真空状態に密封（残りの開口可能な一辺が熱溶着）されるのである。図１において、１３ａ〜１３ｄは熱溶着部（ヒートシール部）を表示する。

図２は、積層体を組成する単位体を表すものである。図２において、２０は正極体または負極体を構成する電極シートであり、素材（結着剤を含む活性炭を金属箔の両面に塗布または貼り合わせることにより作られる）から、プレスの型抜き加工により、所定形状（矩形平面の一辺に集電極のリード部２１を備える）に成形される。素材の一側に金属箔の露出領域（活性炭の着かない部分）が設定され、この露出領域から集電極に一体のリード部２１が成形される。

２３は２つ折りのセパレータであり、所定面積の矩形生地から成形（折り加工）される。矩形生地は、紙など多孔質膜（素材）から、これを裁断することにより作られる。２つ折りのセパレータ２３に電極シート２０が１枚ずつ差し込まれ、１つの単位体２５が作成される。電極シート２０は、集電極の一辺の片側へ寄るリード部２１との関係から、２つ折りのセパレータ２３へ交互に表裏を入れ替えて挟み込まれる。２３ａは２つ折りの折れ線であり、２３ａは２つ折りのセパレータ２３の両側に折り返し部２４を形成する折れ線である。

所定数の単位体２５は、正極体のリード部２１が集電極の一辺の片側、負極体のリード部２１がその反対側、に各１列に並ぶよう、所定の積層体に組成されるのである。図３は、積層体の組成状態を表すものであり、積層体３５の層間のズレを規制するため、絶縁性の内装部品３０および帯３１が用いられる。

内装部品３０は、基板３２と側板３３とから基板３２に対向する面が開口する箱形状に形成される（図４、参照）。側板３３の一部に切欠部３４が設定され、積層体の正極体および負極体のリード部２１（図３の場合、セパレータ２４の一部を含む）と干渉しないようになっている。所定数の単位体２５は、交互に表裏が反転され、内装部品３０に対し、基板３２に対向する開口部から搬入され、基板３２の上に側板の案内を受けつつ順次に積み重ねられる。

帯３１は、その上に重なる内装部品３０の内側に積層体３５が組成されると、両端部が積層体３５の上へ掛け回され、互いに接合することにより、積層体３５を箱形状の内装部品３０に囲われる嵌合状態に封じ込めるのである。帯３１は、薄い樹脂シートから作成され、その両端部は熱溶着によって接合される。

帯の巻き締め（結束）後、積層体３５（箱形状の内装部品３０に囲われる嵌合状態に封じ込められる）は、帯を吸着するパッドを持つロボットハンドにより、次の工程へ搬送され、積層体３５のリード部２１に極性の対応する端子板を溶接する工程、容器１０を積層体３５の収容状態に組み立てる工程、積層体３５を収容する容器１０の開口可能な一辺から電解液を注入する工程、容器１０の開口可能な一辺を密封する工程、などが順次に処理されるのである。

図４は、積層体３５を組成する工程の処理手段を説明するものであり、単位体２５を吸着するパッドを備えるハンドリング装置（図示せず）と、帯３１および内装部品３０の受台を構成するベース４０と、を備える。ベース４０上の中央部に凹部４１が形成され、その両側に基準面４２が設定される。また、帯３１をベース４０上の凹部４１を跨いで両側の基準面４２に掛けて載せる搬入手段として帯３１を吸着するパッドを備えるハンドリング装置（図示せず）と、ベース４０上の帯３１に内装部品３０を基板３２側から重ねて帯３１と共にベース４０上の凹部４１に嵌め込むことにより、図示のように帯３１の両端部を基準面４２の上方へ突出させる搬入セット装置（図示せず）と、が備えられる。

帯３１を巻き締める工程の処理手段については、内装部品３０の内側に積み重ねられる積層体を押えるクランパ５０（図５、図６、参照）と、帯３１の両端部を積層体に巻いて合わせる１対の巻き込みローラ５５（図７〜図１０、参照）と、帯３１の両端部を合わせた状態に接合するヒートシーラ６０（図１１，図１２、参照）と、を備える。

クランパ５０は、押え板５１（ステンレスの薄板）と支持部５１とからなり、押え板５１を待避位置から作動位置またはその逆方向へ移動させる手段（図示せず）と、同じく作動位置で降下させると共に待避位置で上昇させる手段（図示せず）と、が設けられる。押え板５１は、積層体の電極面（積層体の積層方向の端面）と略同一の幅を持つ矩形平面に形成される一方、支持部５２は、押え板５１の一側の２箇所に連結される。

巻き込みローラ５５は、ベース４０を挟む両側に対向して配置され、作動位置と待避位置との間を移動するようになっている。１対の巻き込みローラ５５は、帯３１の両端部が順次に積層体の上へ重なるよう、両方を作動位置へ同期して移動させるのでなく、前後して移動させるように制御する手段（図示せず）が備えられる。

ヒートシーラ６０は、リボン状のヒータを下向きの突出面６１（押し当て面）に沿って配置するものが用いられ、これを待避位置から作動位置またはその逆方向へ移動させる手段（図示せず）と、同じく作動位置で昇降させる手段（図示せず）と、が設けられる。

図５〜図１２は、帯３１を巻き締める工程およびその処理手段を説明するものであり、内装部材３０の内側に積層体が組成されると、クランパ５０、１対の巻き込みローラ５５、ヒートシーラ６０、が順次に作動する。

クランパ５０が待避位置から作動位置へ移動する。これに伴って、ヒートシーラ６０も待避位置から作動位置へ移動させられる。クランパ５０の作動位置において、押え板５１が下降して積層体の上を加圧する。これにより、積層体は、積層方向へ圧縮され、層間が密着する（図５，図６、参照）。つまり、内装部品３０（図３，図４、参照）については、基板３２の上に組成される積層体（所定数の単位体）の厚みよりも、その深さが浅めに設定されることになる。

この状態において、１対の巻き込みローラ５５の一方が待避位置から作動位置へ移動する。これにより、帯３１の一方の端部が巻き込みローラ５５の走行を受けつつ曲げ込まれ、積層体の上に重ねられる（図７，図８、参照）。続いて、もう一方のローラ５５が待避位置から作動位置へ移動する。これにより、帯３１のもう一方の端部が巻き込みローラの走行を受けつつ曲げ込まれ、積層体の上に重ねられ、帯３１の両端部が積層体上の中央部で重ね合わされる（図９，図１０、参照）。各ローラ５５は、クランパ５０の薄板５１（押え板）を横切るように走行するため、帯３１の両端部を積層体の上へ精度よく折り曲げることが可能となる。

この状態において、ヒートシーラ６０が下降して突出面６１が積層体上の押え板５１に帯３１の重なり合う両端部を圧接させる。これにより、帯３１の両端部がヒータの熱を受けて溶着（接合）する（図１１，図１２、参照）。帯３１の両端部は、押え板５１（ステンレス板）の上で熱溶着され、良好な接合状態が得られる。また、積層体への熱の影響も、押え板５１により防げるのである。

帯３１の接合（熱溶着）が完了すると、ヒートシール６０、１対の巻き込みローラ５５、クランパ５０、が順位に復帰する。ヒートシール６０が上昇すると、１対の巻き込みローラ５５が待避位置へ移動する。続いて、クランパ５０の押え板５１が帯３１と積層体との間から抜かれつつ、待避位置へ後退する一方、これに伴って、ヒートシール６０も待避位置へ移動する。クランパ５０は、待避位置において、上昇することにより、復帰する。

その後、積層体（箱形状の内装部品３０に囲われる嵌合状態に封じ込められる）は、帯３１を吸着するパッドを持つロボットハンドにより、次の工程（積層体のリード部に極性の対応する端子板を溶接する処理）へ搬送されるのである。

このような製造方法により、積層体の層間にズレのない、安定した良好なキャパシタ性能を持つ、電気二重層キャパシタが得られるのである。積層体３５は、帯３１の結束により、箱形状の内装部品３０に囲われる嵌合状態に封じ込められる（図３、参照）。つまり、積層体３５は、外形が固定状態に規制されるため、層間のズレの発生が防止されるのである。この結果、静電容量もばらつきなく確保され、製品（電気二重層キャパシタ）の信頼性および耐久性が大いに高められる。

電気二重層キャパシタの製造過程（積層体のリード部２１に極性の対応する端子板１１ａ，１１ｂを溶接する工程、容器１０を積層体の収容状態に組み立てる工程、積層体を収容する容器１０の開口可能な一辺から電解液を注入する工程、容器１０の開口可能な一辺を密封する工程、これら工程間の搬送時、など）においても、積層体は、内装部品３０および帯３１により、外形が固定状態に保護されるので、加工や処理に起因する層間のズレの発生が確実に防止されるのである。

この実施形態においては、内装部品３０の基板３２上に単位体２５が積層されるが、電極シート２０（正極体）と電極シート２０（負極体）とセパレータとから、これらを内装部品３０へ順次に搬入して積み重ねることにより、積層体を組成することも考えられる。その場合、セパレータは、折れ線のないもの（所定サイズの１枚もの）を、正極体と負極体との間に介在させるように積層してもよい。

帯３１および内装部品３０については、積層体への電解液の浸透性を良好に確保する上から、電解液の流通可能な穴（多数の小孔）を設けることが望ましい。また、帯３１は、積層体を内装部品３０に固く巻き締めるため、熱収縮性の樹脂シート（ＰＰ材）から作成するとよい。

電気二重層キャパシタの斜視図である。 単位体の説明図である。 積層体の組成状態を示す平面図である。 積層体を組成する工程の処理手段に係る説明図である。 帯を巻き締める工程およびその処理手段に係る説明図である。 図５のＡ−Ａ矢視図である。 帯を巻き締める工程およびその処理手段に係る説明図である。 図７のＢ矢視図である。 帯を巻き締める工程およびその処理手段に係る説明図である。 図９のＣ矢視図である。 帯を巻き締める工程およびその処理手段に係る説明図である。 図１１のＤ−Ｄ矢視図である。

符号の説明

１０ 容器
１１，１１ａ，１１ｂ 端子板
２０ 電極シート（正極体，負極体）
２１ リード部
２４ セパレータ
２５ 単位体
３０ 内装部材
３１ 帯
３２ 基板
３３ 側板
３４ 切欠部
３５ 積層体
４０ ベース
４１ 凹部
４２ 基準面
５０ クランパ
５１ 押え板
５５ 巻き込みローラ
６０ ヒートシール

Claims (5)

1. 正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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において、基板とその上に組成される積層体の周囲を規制する側板とから基板に対向する面が開口する箱形状に構成される絶縁性の内装部品と、この内装部品およびその内側に嵌合する積層体を巻いて結束する帯と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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、基板とその上に組成される積層体の周囲を規制する側板とから基板との対向面が開口する箱形状に構成される絶縁性の内装部品を作成する工程と、帯の上に前記内装部品を基板側から重ね、この内装部材に対してその側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する工程と、前記帯の両端部を内装部品からその内側に嵌合する積層体の上に巻いて結束する工程と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
3. 前記積層体を組成する工程は、帯をベース上の凹部を跨いで両側の基準面に掛けて載せ、その帯の上に内装部品を基板側から重ねて帯と共にベース上の凹部へ嵌め込み、帯の両端部を基準面の上方へ突出させる工程と、この内装部品に対して側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する工程と、を備えることを特徴とする請求項２に係る電気二重層キャパシタの製造方法。
4. 正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、この積層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装置において、帯をベース上の凹部を跨いで両側の基準面に掛けて載せ、その帯の上に内装部品を基板側から重ねて帯と共にベース上の凹部へ嵌め込み、帯の両端部を基準面の上方へ突出させる手段と、この内装部品に対して側板の内側で基板の上に正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に積み重ねることにより積層体を組成する手段と、前記帯の両端部を内装部品からその内側に嵌合する積層体の上に巻いて結束する手段と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造装置。
5. 前記帯の両端部を巻いて結束する手段は、内装部品の内側に嵌合する積層体を押えるクランパと、帯の両端部を積層体に巻いて合わせる１対の巻き込みローラと、帯の両端部を合わせた状態に接合するヒートシーラと、を備えることを特徴とする請求項４に係る電気二重層キャパシタの製造装置。

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