JP7266798B2

JP7266798B2 - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP7266798B2
Application number: JP2019088667A
Authority: JP
Inventors: 芳史青井; 武彦大木; 晃浩多田
Original assignee: Ryukoku University; Ohgi Technological Creation Co Ltd
Current assignee: Ryukoku University; Ohgi Technological Creation Co Ltd
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2023-05-01
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: JP2020184588A; JP2023068053A

Description

本発明は、充電及び放電が可能な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、静電容量が大きくて多量の電荷を蓄積でき、内部抵抗が低いので急速充放電が可能であり、充放電による劣化が少ないので充放電のサイクル寿命が長いなどの利点から各種の電子機器に使用されている。電気二重層キャパシタは、セパレータの両側に分極性電極が設けられ、セパレータ及び分極性電極に電解液が含浸され、それぞれの分極性電極の外側に集電体が設けられたものである。分極性電極は、静電容量を大きくするよう表面積が大きい多孔質物質（一般には、活性炭）の粒状体がバインダーで結着されたものである。セパレータの両側における分極性電極と電解液の界面で、分極性電極中の電荷と電解液中のイオンが電気二重層を構成することによって、電荷が蓄積される。集電体は、金属箔（一般には、アルミニウム箔）が用いられている。

多量の電荷の急速充放電のためには、集電体と分極性電極間の内部抵抗が小さく、かつ安定していることが好ましい。そのために、従来から、種々の技術が提案されている。特許文献１には、集電体と分極性電極との間に、合成ゴム及び粒径の異なる２種類以上の炭素材を含んだ導電性中間層を介在させたものが記載されている。また、特許文献２には、集電体と分極性電極との間に、炭素粒子を含み、かつバインダーとしてエポキシ基を含有しない重合体を含む導電性接着剤層を介在させたものが記載されている。特許文献３には、活性炭より卑でアルミニウムよりも貴な浸漬電位を示す物質からなる層をアルミニウム箔の表面に設けたものが記載されている。

特開２００５－１３６４０１号公報特開２０１０－１７１２１２号公報特開２００８－９１５６３号公報

しかしながら、集電体の材質がアルミニウムであった場合、充電時に約２．４Ｖ程度以上の高い電圧を負荷すると、集電体の酸化等により集電体が分極性電極から剥離することがあり、負荷できる電圧を低く抑える必要があった。

本願発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な構造でありながら負荷できる電圧を高めることができる電気二重層キャパシタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の電気二重層キャパシタは、充電及び放電が可能な電気二重層キャパシタであり、セパレータと、前記セパレータの両側に１個ずつ設けられた２個の分極性電極と、前記２個の分極性電極の外側に１個ずつ設けられた２個の集電体と、前記２個の分極性電極に接触する電解液と、を備え、前記集電体は、通液性補強シートと、該通液性補強シートに積層された膨張黒鉛シートと、を有する。

請求項２に記載の電気二重層キャパシタは、前記電気二重層キャパシタにおいて、１枚の通液性補強シートと、該通液性補強シートを挟む２枚の膨張黒鉛シートとを有して構成される。

請求項３に記載の電気二重層キャパシタは、前記電気二重層キャパシタにおいて、前記通液性補強シートは、紙又は不織布により形成される。

本発明は、簡便な構造でありながら負荷できる電圧を高めることができる電気二重層キャパシタを提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの模式的な断面図である。図１の電気二重層キャパシタのキャパシタ構成部を示す模式的な断面図であって、（ａ）は構成を示すもの、（ｂ）は（ａ）における下方側の集電体近傍を拡大して示すものである。図１の電気二重層キャパシタの製造の一工程を示す図であり、（ａ）は活性炭粒子を塗工する工程を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は集電体をまとめる工程を示す模式的な断面図である。図１の電気二重層キャパシタを備えるキャパシタモジュールを示す模式的な断面図である。

以下、本願発明を実施するための形態を、図面に基づいて説明する。図１において、符号３０は、本願発明の電気二重層キャパシタを示す。電気二重層キャパシタ３０は、キャパシタ構成部１０を複数個有する。

（構成）
キャパシタ構成部１０は、図２（ａ）に示すように、セパレータ１２と、セパレータ１２の両側に１個ずつ設けられた２個の分極性電極１４、１４と、２個の分極性電極１４、１４の外側に１個ずつ設けられた２個の集電体１６、１６と、２個の分極性電極１４、１４に接触する電解液と、を備えて構成されている。

セパレータ１２は、電解液によって溶融又は腐食しない通液性の材質であれば特に限定されることはなく、例えば、紙又は不織布などが用いられる。セパレータ１２の厚みは、例えば、５～４０μｍである。

分極性電極１４は、一般的には、多数個の活性炭粒子２０（例えば、粒径１～１０μｍ）（図２（ｂ）参照）及びバインダーなどから形成され、導電性を有するものである。活性炭粒子２０は、特に限定されるものではないが、廃棄プラスチックから製造されたもの（例えば、廃棄されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）がフレーク状に加工された後、炭化装置によって炭化されて形成されたもの）を用いることも可能である。バインダーは既知のものを用いることができる。また、導電助剤や分散剤などが、適宜、これらに添加される。また、ナノファイバー等のナノ材料が添加されてもよい。分極性電極１４の厚みは、例えば、５０～５００μｍである。

電解液は、２個の分極性電極１４、１４の全体（及びセパレータ１２の全体）に含浸されており、それらに接触する。電解液としては、例えば、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート（ＴＥＭＡＢＦ４） /プロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液が使用される。

集電体１６は、通液性補強シート２６と、通液性補強シート２６に積層された膨張黒鉛シート２４と、を有する（図２（ａ）参照）。通液性補強シート２６は、テンションなどをかけたときに膨張黒鉛シート２４が破損しないように補強するものである。膨張黒鉛シート２４の厚みは、例えば、２０～１００μｍであり、通液性補強シート２６の厚みは、例えば、２０～１００μｍである。膨張黒鉛シート２４と通液性補強シート２６とは、例えば、接着剤又は接着シートにより接着されている。通液性補強シート２６（及びそれと膨張黒鉛シート２４とを接着する接着剤又は接着シート）は、導電助剤等を添加して導電性のものとすることもできる。

膨張黒鉛シート２４は、例えば、鱗状黒鉛に高温膨張処理を施した後、シート状にプレス加工することにより形成される。膨張黒鉛シート２４の厚み方向の熱伝導率は５～２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、膨張黒鉛シート２４の面方向の熱伝導率は２００～３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。膨張黒鉛シート２４の面方向の熱拡散率は、約３ｃｍ^２／ｓである。膨張黒鉛シート２４は、導電性を有し、厚み方向の電気抵抗率は、約１０００μΩ・ｍであり、面方向の電気抵抗率は、約７μΩ・ｍである。

通液性補強シート２６は、通液性を有するものであり、紙又は不織布などから形成される。
（作用及び効果）

キャパシタ構成部１０では、集電体１６において、炭素から成る膨張黒鉛シート２４が炭素（活性炭）から成る分極性電極１４と接触する。このため、分極性電極１４と膨張黒鉛シート２４との親和性が良好である。これにより、集電体１６がアルミニウムから形成された場合と異なり、高い電圧（例えば、約２．４～約７Ｖ）を負荷しても、集電体の酸化等により集電体１６が分極性電極１４から剥離することがなくなる。

また、キャパシタ構成部１０では、集電体１６を面方向の熱拡散率の高い膨張黒鉛シート２４（アルミニウムの面方向の熱拡散率が約０．９８ｃｍ^２／ｓに対し膨張黒鉛シートの面方向の熱拡散率は約３ｃｍ^２／ｓ）から構成しているため、電圧を負荷した時に抵抗成分に生じる熱が迅速に集電体１６全体に拡散する。このため、集電体１６の一部に熱が集中することはなく、集電体１６にかかる熱ストレスが緩和される。

電気二重層キャパシタ３０では、キャパシタ構成部１０が集電体１６を共通にしながら多層化されたものである。そのため、集電体１６が２層の膨張黒鉛シート２４と、２層の膨張黒鉛シート２４に挟まれた１層の通液性補強シート２６とを有して構成されるものとなっている。

電気二重層キャパシタ３０は、以下のようにして製造することができる。すなわち、先ず、後に集電体１６となる材料シート３２の両面に、図３（ａ）に示すように、バインダーなど（図示しない）を混合した多数個の活性炭粒子２０を所定の形状で塗工する。このとき、材料シート３２にはテンションがかかるが、それが有する通液性補強シート２６により破損が防止される。それから、その塗工部分を乾燥して分極性電極１４とし、その後、材料シート３２を、その塗工部分と後述する配線部分（未塗工部分）を含む領域ごとにカットする。そして、分極性電極１４が両面に付着された複数個の集電体１６を、ジグザグ状に折り曲げられたセパレータ１２のシートの間に挟み込む。なお、このようにして製造すると、電気二重層キャパシタ３０における集電体１６の両面には必ず分極性電極１４が付着することになり、電気二重層キャパシタ３０の端部にはキャパシタ構成部１０を構成しない分極性電極１４が付着することになる（図１参照）。なお、図１に示す電気二重層キャパシタ３０では、最外部にセパレータ１２を設けている。

複数個の集電体１６は、その配線部分（未塗工部分）において、導電性接着剤（導電助剤等を添加して導電性とした接着剤）３４により、正極又は負極ごとにまとめられて接着される。このとき、複数個の集電体１６の配線部分を液状の導電性接着剤３４に漬け込んで（ディップして）その後に乾燥するようにすると、図３（ｂ）に示すように、集電体１６同士を電気的に接続できるとともに、集電体１６の通液性補強シート２６に導電性接着剤３４が浸透して集電体１６が有する２層の膨張黒鉛シート２４、２４同士を良好に電気的に接続することができる。このようにしてまとめられた集電体１６の配線部分は、後述するキャパシタモジュール３６の正極端子４４又は負極端子４６に接続するか、或いは、そのまま正極端子４４又は負極端子４６にしてもよい。

上記電気二重層キャパシタ３０を使用したキャパシタモジュール３６を図４に示す。キャパシタモジュール３６は、電気二重層キャパシタ３０と、電気二重層キャパシタ３０を収納するケース３８と、を備えて構成されている。ケース３８は、内側のケース用膨張黒鉛シート４０と、外側のケース用通液性補強シート４２と、から構成されている。ケース３８には正極端子４４及び負極端子４６が固定されている。図４において、正極端子４４は負極端子４６（破線で示している）よりも手前に配置されている。正極端子４４及び負極端子４６はそれぞれ、集電体１６の配線部分を介して、電気二重層キャパシタ３０の複数の正極側の膨張黒鉛シート２４又は複数の負極側の膨張黒鉛シート２４に接続されている。図４においては、集電体１６の配線部分は、正極端子４４からのものは実線の線で示し、負極端子４６からのものは破線の線で示している。ケース用膨張黒鉛シート４０は、上記の膨張黒鉛シート２４と同じものを用いることができる。ケース用通液性補強シート４２は、上記の通液性補強シート２６と同じものを用いることができる。

キャパシタモジュール３６によれば、ケース３８の内側がケース用膨張黒鉛シート４０から構成されているため、電気二重層キャパシタ３０とケース３８との隙間４８に電解液が侵入しても、ケース３８が酸化して腐食することが防止される。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、本発明は、図面に記載した実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲で、様々な設計変更が可能である。例えば、電気二重層キャパシタ３０において、キャパシタ構成部１０の数は一切限定されない。

１０：キャパシタ構成部
１２：セパレータ
１４：分極性電極
１６：集電体
１８：分極性電極
２０：活性炭粒子
２４：膨張黒鉛シート
２６：通液性補強シート
３０：電気二重層キャパシタ
３２：材料シート
３４：導電性接着剤
３６：キャパシタモジュール
３８：ケース
４０：ケース用膨張黒鉛シート
４２：ケース用通液性補強シート
４４：正極端子
４６：負極端子

Claims

充電及び放電が可能な電気二重層キャパシタであり、
セパレータと、
前記セパレータの両側に１個ずつ設けられた２個の分極性電極と、
前記２個の分極性電極の外側に１個ずつ設けられた２個の集電体と、
前記２個の分極性電極に接触する電解液と、
を備え、
前記集電体は、通液性補強シートと、該通液性補強シートに積層された膨張黒鉛シートと、を有する電気二重層キャパシタ。
前記集電体は、１層の通液性補強シートと、該通液性補強シートを挟む２層の膨張黒鉛シートとを有して構成される請求項１に記載する電気二重層キャパシタ。
前記通液性補強シートは、紙又は不織布により形成される請求項１又は２に記載する電気二重層キャパシタ。