JP6209429B2

JP6209429B2 - 電気化学キャパシタ

Info

Publication number: JP6209429B2
Application number: JP2013241652A
Authority: JP
Inventors: 潤岡崎
Original assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2015103596A

Description

本発明は、電気二重層キャパシタなどの電気化学キャパシタに関するものである。

電気二重層キャパシタは、薄板状の正極と負極とをこれらの間にセパレータを介在させて相互に積層した電極群を電解液に浸し、これらを容器に収容・密閉することにより形成される。

高電圧の用途に電気二重層キャパシタを用いる場合は、通常、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してモジュールを構成し、モジュールによって高電圧を供給する。以後、モジュールを構成する個々の電気二重層キャパシタを「セル」とも称することとする。

しかしながら、単純に電気二重層キャパシタの単セルを直列接続してモジュールを構成すると、１つの電極群に対して１つの容器が必要となるため、モジュール全体の体積は大きくなり重量は重くなる。また、セル間を接続する部品やセル間を絶縁する部材がセル間毎に必要となることなどからコストも高くなる。例えば自動車、鉄道、建設機械などの移動体に電気二重層キャパシタを使用する場合、狭い空間に配置ができ、また重量も軽く、低コストであることが要求される。

特開２０１１−２２２９０２号公報特開２００４−２９６５２０号公報

例えば、特許文献１及び２は、１つのケースの中に、直列に接続された複数の電極群（キャパシタ）を配置することを開示している。しかしながら、特許文献１及び２に記載されている構成は、各キャパシタを個別に密封した状態でケースに収容する構成であるため、各電極群に個別に電解液を注入し、密封するための手間やコストがかかる。また、隣接する電極群間の絶縁性を確保するための部材や、使用中に発生するガスを外部に放出する工夫も各電極群毎に必要となるため、部材コスト・製造コストがかかるという問題がある。

なお、このような課題は電気二重層キャパシタに限らず、電気化学キャパシタ一般にも同様にあてはまる課題である。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、コンパクトかつ低コストに高電圧を供給することができる電気化学キャパシタを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電気化学キャパシタは、複数の電極を並列に接続した電極群及び電解液を各々が収容する複数の内ケースと、開口部を有し、前記複数の内ケースを収容する外ケースと、前記外ケースの前記開口部を覆う封口体とを備え、前記電極群は、直列に接続され、前記封口体は、前記内ケースの数より１多い数の外部端子を有し、前記内ケースは、密封されていないことを特徴とするものである。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記内ケースは、袋状であり上部が解放されていることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、各々の前記内ケースは、前記電解液に浸っている部分において、前記電解液が通り抜けるための少なくとも１つの開口部を有することが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記封口体は、さらに、１つだけのガスリーク弁を有することが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記封口体は、さらに、前記電解液を注入する１つだけの注液口を有することが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、隣接する前記電極群間の抵抗が、１００ｋΩ〜１０ＭΩであることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記外ケースは、金属製であることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記内ケースの数は２つであることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記複数の内ケースは、前記外ケースの厚み方向に並べて配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学キャパシタにおいて、前記複数の内ケースは、前記外ケースの幅方向に並べて配置されていることが好ましい。

本発明によれば、コンパクトかつ低コストに高電圧を供給することができる電気化学キャパシタを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの分解斜視図である。複数の内ケースを外ケースの厚み方向に並べて配置した場合の本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。複数の内ケースを外ケースの幅方向に並べて配置した場合の本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの内ケースにおいて、電解液に浸っている部分に開口部がある様子を示す図である。実施例の測定方法を説明するための図である。実施例の測定結果を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態においては、電気化学キャパシタとして電気二重層キャパシタを例に挙げて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの分解斜視図である。電気二重層キャパシタ１０は、外ケース１２と、外ケース１２に収容される複数の内ケース１４と、内ケース１４に収納される電極群１６と、外ケース１２の開口部を覆う封口体１８とを備える。また、内ケース１４には電解液（図示せず）が収容されている。

電解液としては、例えば、電解質水溶液、及び、有機溶媒を使用した非水電解質溶液などを使用することができる。特に非水電解質溶液が好ましく、代表的な例としては、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレイトのような４級アンモニウム塩からなる電解質を、プロピレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、アセトニトリルなどの有機溶媒に溶解したものが挙げられる。また、電解質としてイオン液体を用い、これを上述の有機溶媒に溶かしたものも使用することができる。さらには、イオン液体を有機溶媒に溶解させずにそのまま電解質溶液として用いることもできる。

外ケース１２は、材質を特に限定するものではないが、耐食性、加工性及びレーザ溶接性などに優れるものが好ましい。例えば、Ａ１０００番台のアルミニウム、Ａ３００３、Ａ３００４又はステンレス鋼などの金属性の材質であることが好ましい。また、このような材質の板材を深絞り加工又はインパクト加工したものを外ケース１２として用いることが好ましい。つなぎ目のないケースを得ることができるため、高い気密性を得ることができるからである。

また、外ケース１２は、形状を特に限定するものではなく、直方体形状や円筒形状などとすることができる。外ケース１２の典型的な寸法は、例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍである。外ケース１２の開口部は、典型的には、図１のように狭幅部に設けられた長方形の形状であり、例えば、１００ｍｍ×１０ｍｍの寸法である。

内ケース１４は、袋状の形状であり、中に電極群１６を収容する。内ケース１４は、外ケース１２に複数個収容されている。図１に示す例においては、外ケース１２の中に、２つの内ケース１４が収納されている。内ケース１４は、各々が、１つの電極群１６を収容する。なお、外ケース１２に収容される内ケース１４の数は２つに限るものではなく、２以上の任意の数であってよい。

内ケース１４は、材質を特に限定するものではないが、樹脂フィルムであることが好ましい。樹脂フィルムのような薄い材質とすることにより、外ケース１２内に複数の内ケース１４をコンパクトに収納することができ、また重量を軽くすることもできるからである。

複数個の内ケース１４は、外ケース１２の厚み方向に並べて配置してもよいし、外ケース１２の幅方向に並べて配置してもよい。図２に、２つの内ケース１４を、外ケース１２の厚み方向に並べて配置した場合の断面図を示す。図２（ａ）は、外ケース１２の幅広の方向から見た断面図であり、図２（ｂ）は、外ケース１２の幅狭の方向から見た断面図である。また、図３に、２つの内ケース１４を、外ケース１２の幅方向に並べて配置した場合の断面図を示す。図３（ａ）は、外ケース１２の幅広の方向から見た断面図であり、図３（ｂ）は、外ケース１２の幅狭の方向から見た断面図である。

内ケース１４は、図２及び図３に示すように、密封されておらず上部が解放されている。これにより、内ケース１４内で発生したガスは、各々の内ケース１４中に独立して存在するのではなく、共通して外ケース１２内に充満している。したがって、後述するガスリーク弁２６を内ケース１４毎に設ける必要がなく、電気二重層キャパシタ１０全体で１つのガスリーク弁２６を設けるだけでよい。

電極群１６は、複数の電極を並列に接続して構成されている。具体的には、電極群１６は、薄板状の正極と負極とを交互に積層し、これらの間に両者を絶縁する薄板状の絶縁材が挿入された積層体となっている。そして、複数の正極は、リード部でまとめられて並列に接続されている。同様に、複数の負極も、リード部でまとめられて並列に接続されている。正極と負極とは同じ構成で、厚さ１５〜５０μｍのアルミニウム箔からなる集電体に、活性炭、導電材、バインダー、溶剤等を混合してスラリー状にしたものをリード部以外の部分の片面又は両面に塗布して乾燥したものである。絶縁材は各電極が直接接触しないように絶縁するもので、紙、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス繊維などの絶縁性素材からなる不織布や多孔性フィルムである。

図１に示す例においては、手前側の内ケース１４に収納されている電極群１６の複数の負極はリード部１７ａでまとめられており、複数の正極はリード部１７ｂでまとめられている。また、奥側の内ケース１４に収納されている電極群１６の複数の負極はリード部１７ｃでまとめられており、複数の正極はリード部１７ｄでまとめられている。リード部１７ｂとリード部１７ｃとは外ケース１２内で接続されており、これにより、２つの電極群１６は直列に接続されている。以下、リード部１７ａ〜１７ｄについて、特に区別する必要がない場合は、単にリード部１７と称する。

封口体１８は、外ケース１２の開口部を覆う。封口体１８は、外部端子２０（２０ａ〜２０ｃ）と、端子板２２（２２ａ〜２２ｃ）と、注液口２４と、ガスリーク弁２６とを有する。

外部端子２０は、負極端子２０ａ、正極端子２０ｂ及び中間端子２０ｃなどとして機能する。外部端子２０については、特に区別する必要がない場合は外部端子２０と称し、機能毎に区別する必要がある場合は、負極端子２０ａ、正極端子２０ｂ、中間端子２０ｃなどと称する。

中間端子２０ｃは、電極群１６間を接続した部分に外部からアクセスすることを可能とする端子である。中間端子２０ｃにアクセスすることにより、電極群１６間における電圧の監視や、電極群１６の特性を均等化するための制御などが可能となる。

外部端子２０の数は、内ケース１４の数（すなわち電極群１６の数）より１多い数である。例えば、図１に示す例においては、内ケース１４の数が２つであるため、外部端子２０の数は３つである。これは、電極群１６間を接続する部分においては、例えば、リード部１７ｂとリード部１７ｃのそれぞれについて外部端子２０を設けるのではなく、リード部１７ｂとリード部１７ｃを接続して共通の外部端子２０を１つだけ設ける構成としていることによる。

端子板２２（２２ａ〜２２ｃ）は、電極群１６のリード部１７を外部端子２０に接続する。図１に示す例においては、端子板２２ａは、手前側の内ケース１４に収納されている電極群１６のリード部１７ａ（負極）を負極端子２０ａに接続する。また、端子板２２ｂは、奥側の内ケース１４に収納されている電極群１６のリード部１７ｄ（正極）を正極端子２０ｂに接続する。また、端子板２２ｃは、手前側の内ケース１４に収納されている電極群１６のリード部１７ｂ（正極）と、奥側の内ケース１４に収納されている電極群１６のリード部１７ｃ（負極）とを合わせて中間端子２０ｃに接続する。

注液口２４は、内ケース１４に電解液を注入するために用いられる。電解液は内ケース１４内部のみではなく、外ケース１２と内ケース１４の間に存在してもよい。

ガスリーク弁２６は、電気二重層キャパシタ１０を使用中に外ケース１２内部で発生したガスによって内圧が上昇した場合に、ガスをリークして外ケース１２の内圧を緩和するために用いられる。

このように、本実施形態によれば、１つの外ケース１２に、電極群１６を収容する内ケース１４が複数個収容されていることにより、電極群毎に外ケースなどを設ける必要がなく、コンパクト、低重量かつ低コストに高電圧を供給することができる。また、さらなる高電圧を供給するため、モジュールとして使用する場合も、コンパクト、低重量かつ低コストにモジュールを構成することができる。

また、外ケース１２に収容する電極群１６の数や、一つの電極群１６に含まれる電極の数を変えることにより、電圧の異なる様々な種類の電気二重層キャパシタ１０を構成することができる。つまり、外ケース１２に収容する電極の大きさと総数を一定とし、電極群１６の数を変える、すなわち外ケース１２に含まれる電極をいくつの電極群に分けるか選択することができる。この際、電極群内は並列に、電極群間は直列に接続するため、同じ外ケース１２を使用して、異なる電圧・静電容量の電気二重層キャパシタを製造することができる。１種類の外ケースにおいて、電圧・静電容量の異なる電気二重層キャパシタを製造することができるため、様々な種類の製品を作成するにあたって、部品の共有化を図ることができ、製造コストを削減することができる。

また、内ケース１４が密封されておらず上部が解放されているため、電気二重層キャパシタ１０全体で１つのガスリーク弁２６を設けるだけで済み、低コスト化が可能となる。

（電解液の共有化）
図４は、内ケース１４に開口部３０を設けて、複数の内ケース１４で電解液２８を共有（すなわち、複数の電極群１６で電解液２８を共有）している様子を示す図である。図４に示すように、電気二重層キャパシタ１０は、内ケース１４に開口部３０を設ける構成としてもよい。

図４に示す例においては、各内ケース１４の電解液２８に浸っている部分（内ケース１４の底部）において、電解液２８が通り抜けるための開口部３０が設けられている。電解液２８が開口部３０を通り抜けることができるため、２つの内ケース１４で電解液２８が共有されている。すなわち、電気接続方法が直列接続である電極群間において、正極と負極の間で電解液２８が通り抜けできる開口部３０を設けている。

なお、開口部３０は、内ケース１４の底部に限るものではなく、電解液２８に浸る部分であれば他の場所でもよい。また、図４では、１つの内ケース１４に１つの開口部３０がある場合を示しているが、これは一例である。開口部３０の数は、少なくとも１つの任意の数であってよい。

このように、２つの内ケース１４で電解液２８が共有されていることにより、各内ケースに同量の電解液を注入する作業の手間を低減することができる。電気二重層キャパシタ１０は、電極群毎に注液口を設けず、１つの注液口２４だけで、電解液２８を注入することもできる。これにより、低コスト化が可能になる。

従来、電気接続方法が直列接続である複数の電極群間において、正極と負極の間で電解液を共有すると、電極群毎に電解液を完全に分離した場合と比べて、電気二重層キャパシタの特性が低下すると考えられていたため、電極群毎に電解液が完全に分離される構造となっていた。

しかしながら、本発明者の検討により、電極群毎に電解液を完全に分離しなくても、内ケース１４に設ける開口部３０の数、形状、大きさ、位置などを適切なものに調整して、隣接する電極群１６間の抵抗を適切な範囲に調整すれば、複数の電極群１６で電解液２８を共有しても電気二重層キャパシタ１０の特性がほとんど低下しないことがわかった。この知見に基づき、電気二重層キャパシタ１０の特性を、ほとんど低下させることなく、複数の電極群１６で電解液２８を共有する構成としたものであってもよい。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

なお、本実施形態においては、電極群を直列に接続して高電圧用途に用いる場合を例に挙げて説明したが、電極群を並列に接続する構成としても本発明は適用可能である。電極群を並列に接続した場合は、電気二重層キャパシタの容量を増やすことができる。

また、本発明は電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、同様の構成を有する他の電気化学キャパシタにも適用することができる。

電気二重層キャパシタにおいて、電極群毎に電解液を完全に分離せず、電極群間で電解液を共有することの妥当性を確認する測定を行った。

（試験方法）
図５に示すように、電極群１６を２つ準備して、開口部３０を設けた２つの内ケース１４にそれぞれ収容した。また、２つの内ケース１４は外ケース１２に収容した。

内ケース１４の開口部３０の大きさ及び電解液２８の量を調整して、端子Ｂ−端子Ｃ間の抵抗が異なる１０個のセルを作成した（セル番号１〜１０）。また、比較用に、内ケース１４に開口部３０を設けず電極群間が絶縁となるセルを２個作成した（セル番号１１及び１２）。なお、端子Ｂ−端子Ｃ間の抵抗は、環境温度２５℃において、ＡＣ０．１Ｈｚで測定した。

１２個のセルのそれぞれについて、端子Ｂ−端子Ｃ間を導通させ、封口体１８で外ケース１２を覆い、図４に示すような構成で、端子Ａ−端子Ｄ間の自己放電特性を環境温度２５℃で測定した。自己放電特性は、
充放電条件：充電４Ｃ−６ＶＣＶ２時間−休止１２時間
の条件を与えた後、休止後の電圧を満充電時の電圧６Ｖで除算することにより、どの程度充電状態が維持されているかを算出した。ここで、「充電４Ｃ−６ＶＣＶ２時間−休止１２時間」の充放電条件とは、４Ｃ（１Ｃは公称容量値の容量を有するセルが１時間で充電終了となる電流値）の電流値でセル電圧が６Ｖになるまで定電流充電を実施し、その後２時間定電圧充電を実施し、この状態を満充電として、そのまま１２時間放置する条件である。

（試験結果）
測定結果を、表１及び図６に示す。図６に示されるように、端子Ｂ−端子Ｃ間抵抗が１００ｋΩ付近のところが変曲点となっており、抵抗がそれ以上の範囲では自己放電特性が８０％を超えて安定している。なお、端子Ｂ−端子Ｃ間抵抗が１０ＭΩ以上になるように開口部３０の大きさや電解液２８の量を調整することは困難であった。

本発明の電気化学キャパシタによれば、コンパクトかつ低コストに高電圧を供給することができる。

１０電気二重層キャパシタ（電気化学キャパシタ）
１２外ケース
１４内ケース
１６電極群
１７ａ〜１７ｄ電極群のリード部
１８封口体
２０ａ〜２０ｃ外部端子
２２ａ〜２２ｃ端子板
２４注液口
２６ガスリーク弁
２８電解液
３０内ケースの開口部

Claims

複数の電極を並列に接続した電極群及び電解液を各々が収容する複数の内ケースと、
開口部を有し、前記複数の内ケースを収容する外ケースと、
前記外ケースの前記開口部を覆う封口体とを備え、
前記電極群は、直列に接続され、
前記封口体は、前記内ケースの数より１多い数の外部端子を有し、
前記内ケースは、密封されていないことを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記内ケースは、袋状であり上部が解放されていることを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１又は２に記載の電気化学キャパシタにおいて、各々の前記内ケースは、前記電解液に浸っている部分において、前記電解液が通り抜けるための少なくとも１つの開口部を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記封口体は、さらに、１つだけのガスリーク弁を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記封口体は、さらに、前記電解液を注入する１つだけの注液口を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、隣接する前記電極群間の抵抗が、１００ｋΩ〜１０ＭΩであることを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記外ケースは、金属製であることを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記内ケースの数は２つであることを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記複数の内ケースは、前記外ケースの厚み方向に並べて配置されていることを特徴とする電気化学キャパシタ。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気化学キャパシタにおいて、前記複数の内ケースは、前記外ケースの幅方向に並べて配置されていることを特徴とする電気化学キャパシタ。