JPH0378221A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、活性炭微粒子により構成した多孔質焼結体を
分極性電極として用いた電気二重層コンデンサとその分
極性電極の製造方法に関する。

（従来の技術） 乗用車など内燃機関を搭載した車両には、内燃機関を始
動するためのスタータモータ、内燃機関の回転力を用い
て発電する発電機、及び該発電機の発電°電力を一時的
に蓄えておき始動時にスタータモータに電力供給し或は
他の電気機器に電力供給する鉛バッテリなどが搭載され
ている。

一方、近年になって電気二重層型の大容量コンデンサが
開発され、一部でバッテリの用途に使用されるものが現
われており、該大容量のコンデンサを内燃機関の始動用
に用いる提案が車両用電源装置として特許願昭和６３年
第３２９，８４６号に明示されている。

第１１図は、一般にスラリー状のペースト電極を用いて
形成される電気二重層コンデンサを示している。これは
、米国特許５ｇ３，５３６，９６３号公報に示されるも
のであって、一対の集電電極となる電子導電体の電流コ
レクタ１０１、活性炭粒子よりなる炭素電極１０２、非
導電性ガスケット１０３、電極１０２の間で電子が移動
することを防止するための隔離板１０４から単一の基本
セルが構成されている。

上記炭素電極は、粉末または微粉末の形状にある活性炭
と電解質とを混合した濃厚スラリーとして製造される。

ここで電解質は、３つの機能を果す。つまりイオン伝導
の促進剤としての作用、イオン源としての作用、および
炭素粒子の結合剤としての作用である。

（発明が解決しようとする課題） こうした電気二重層コンデンサを車両用の電源に使用す
るには、例えば１００Ｆ（ファラッド）〜１５０Ｆ（フ
ァラッド）程度の大静電容量値を有するものが要求され
る。しかし、セルの集積数を多くすることにより必要な
容量値を実現しようとすれば、その重量や体積が大きく
なり、車両に積載するには適当でない。そこでエネルギ
ー密度、つまり単位体積当りの容量値、あるいは単位重
量当りの容量値を高めるための新規な電気二重層コンデ
ンサが要求される。

また、こうした電気二重層コンデンサを車両用の電源に
使用する際には、その内部抵抗も問題となる。電気二重
層コンデンサの内部抵抗は、分極性の電極を形成してい
る活性炭の接触抵抗、集電々極と分極性電極との接触抵
抗などにより、大きく影響されるから、内部抵抗を低減
するためには、基本セルにその上下方向から圧力を加え
て、ペースト状となった活性炭粒子同志の接触を良好に
する必要がある。そして従来の電気二重層コンデンサで
は、そこに加えられる圧力は、電極の大きさだけでなく
炭素物質の粒子の大きさあるいは使用される電解質の種
類等にも依るが、１００ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力が必要
とされる。

そこで、本発明は、活性炭と電界質の界面で形成される
電気二重層コンデンサにおいて、構造簡単にしてエネル
ギー密度が高く、電極加圧手段を不要とするような電気
二重層コンデンサを得ようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上述の如き本発明の目的を達成するために、本発明は、
活性炭と電界質の界面で形成される電気二重層を利用す
る電気二重層コンデンサにおいて、活性炭微粒子相互間
を焼結結合せしめた活性炭のみからなる多孔質焼結体を
分極性電極として用いた電気二重層コンデンサを提供し
、さらに活性炭微粒子相互間を焼結結合せしめた活性炭
のみからなる多孔質焼結体によって構成される分極性電
極に導電性プラスチックからなる集電体を熱融着せしめ
た電気二重層コンデンサを提供する。

そしてこの種のコンデンサの電極を製造する方法として
、活性炭微粒子からなる粉体に５０Ｋｇｆ／ｃｍ　２〜
８００　Ｋ　ｇｆ／ｃｍ　２の範囲の圧力を印加するス
テップと、圧力を印加された粉体の微粒子間にパルス状
電圧を印加せしめて各粒子間に放電を発生せしめるとと
もに加圧した活性炭微粒子を７００８Ｃ〜１０００°Ｃ
に保持して、活性炭微粒子を焼結するステップとを有す
る電気二重層コンデンサに使用する分極性電極の製造方
法も提供する。

（作用） 活性炭微粒子からなる粉体に５０　Ｋ　ｇｆ／ｃｍ　２
〜８００　Ｋｇｆ／ｃｍ　２の範囲の圧力を印加し、圧
力を印加された粉体の微粒子間にパルス状電圧を印加せ
しめて各粒子間に放電を発生せしめるとともに加圧した
活性炭微粒子を７００９Ｃ〜１０００”Ｃに保持して活
性炭微粒子を焼結させ、多孔質焼結体からなる電極を形
成する。このように形成された２枚の電極に電界質を含
浸させて分極性電極を作成し、かつ電解液を含浸させた
セパレータをこれら２枚の分極性電極の間に挟んで電気
二重層コンデンサを製作する。

（実施例） 次に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る電気二重層コンデンサに用いる
分極性電極の製造モデルの一部を示す図である。同図に
おいて、１は活性炭からなる微粒子、２及び３は微粒子
１と同じく活性炭からなる微粒子であり、微粒子３は、
すでに微粒子２と接着している。４はパルス電源であり
、急峻なパルスを発生する。

このような状態で微粒子１と微粒子２及び３との間に瞬
間的なパルス電圧、が印加されると、微粒子間の間隙６
．７の電界が高まり、所定の電圧を越えると、微粒子１
と微粒子２．３との間に絶縁破壊が起り、これら間隙６
．７に火花放電が発生する。このとき微粒子２．３から
飛び出した電子と、微粒子１で発生したイオン衝撃によ
って、微粒子表面は十分に浄化される。火花放電はこれ
ら導電性微粒子間に大きな圧力を生じ、この放電衝撃圧
力は、活性炭の微粒子に歪みを与える。また後続の電流
により生じるジュール熱は、微粒子同志の接近点を中心
に広がり、活性炭の微粒子を塑性変形し易くしている。

そして微粒子１及び微粒子２．３間には、矢印方向に圧
力が印加されているため、これら微粒子１と２．３は穆
勤接近して行き、微小点で接触する。このため微粒子を
構成する炭素原子は、この接触点を通り効率良く拡散移
動する。

このようにして、少しの塑性変形が微粒子に起って微粒
子相互間が接近して行き、遂に微粒子相互間で１点接触
が起り、さらにその接触面積が広がって行く。このため
単位体積当りの空間に微粒子はどんどんと詰め込まれて
行く。微粒子相互間の接触部分の面積が広がるにつれて
、接触抵抗は極端に減少し、発熱量が減少する。したが
って、該部分は冷却され、溶融部分は固化して微粒子相
互間は強固に接着する。

なお、上記の如き一連の動作は一度に継続して行われる
わけではない。すなわち、微粒子間に印加されるパルス
電圧の幅は、極めて短く、微粒子が接近穆勤中にパルス
電圧の印加が途絶えることになる。このため、微粒子間
の間隙６．７に発生した火花放電は中止されることにな
る。したがって、発熱も中止され、この間隙付近の温度
も、微粒子の形が崩れるまで上昇せず、常に再結晶温度
以下に保持される。そしてまた、これら間隙６．７間に
、次のパルス電圧が印加されると、このような作用が再
度引き起される。このような放電動作は、微粒子１と２
．３が接触接着するまで行われることとなる。パルス電
圧の印加により、微粒子間が充分に接続して、活性炭の
みからなる多孔質焼結体が形成される。

第２図は、活性炭の微粒子に印加する圧力とこれを流れ
る平均電流と焼結体の温度の変化を時間の推移とともに
示した図である。

もし、活性炭の微粒子間に直流電圧のみが印加されてい
るとすれば、この火花放電は、微粒子が接近接触するま
で長時間継続されてアーク放電にまで発展し、間隙６．
７付近の温度は上昇して、微粒子全体を溶融するまでに
なる。したがって、微粒子は溶融して崩れ去り、大きな
炭素の固りとなるため、多孔質の焼結体は形成されない
。

第３図は、上述の如きプロセスを経て形成された多孔質
焼結体の断面を示す図である。第３図から分るように、
微粒子１．２．３等多くの微粒子は互いに強固に接着し
ており、かつ各微粒子間には、確実な間隔８．８．８．
８、が形成されている。

第４図は、活性炭微粒子の焼結多孔質化可能性領域を示
す図である。第４図から分るように、焼結型の表面温度
、すなわち圧縮焼結中の活性炭微粒子の温度が７００°
Ｃ以下の場合には、多孔質焼結化しない。また、活性炭
微粒子に５０　Ｋｇｆ／ｃｍ　２〜８００　Ｋｇｆ／ｃ
ｍ　２の範囲の圧力を印加し、かつ圧縮焼結中の活性炭
微粒子の温度も１０００°Ｃ以下の領域で多孔質焼結体
が得られる。

なお、それ以外の領域では、活性炭微粒子の多孔質の空
隙が極端に減少し、使用に絶えないものとなる。

第５図は、本発明に係る電気二重層コンデンサに用いる
多孔質焼結体からなる分極性電極を製造するための装置
を示す概略構成図であり、同図において、１０は活性炭
の微粒子の粉末を収容する型である。該型１０はタング
ステン鋼のような強度のある金属からなり中央には微粒
子を収容する穴が形成されている。該穴の周囲には、絶
縁物である、酸化シリコン（Ｓ　ｉ　０２　）または窒
化けい素（Ｓ　ｉ３Ｎ４　）が気相成長法などの周知の
方法でコーティングされていて、絶縁層１１が形成され
ている。１２は上部電極、１３は下部電極であり、これ
ら電極の上下先端は型１０に形成された穴に挿入されて
いる。なお、これら上下電極は耐熱性の金属たとえばタ
ングステン、モリブデン等から形成されている。また、
上下電極１２．１３の間には、活性炭の微粒子１４が封
入されている。なお、第５図には示されていないが、こ
れら上下電極１２．１３は、油圧プレスで矢印方向に圧
力を印加することができるように構成されていて、微粒
子１４に所定の圧力を自由に印加できるようになってい
る。そしてまた、型１０を含めた微粒子１４は、所望の
雰囲気内に保持できる構造になっている。上下電極１２
．１３には、スイッチＳＷＩとＳＷ２とコンデンサＣの
直列回路が接続され、さらに、コンデンサＣとスイッチ
ＳＷ２の直列回路には、可変抵抗器Ｒと可変電源ＥＡの
直列回路が並列接続されている。なお、１５はスイッチ
ＳＷＩ、ＳＷ２のオン、オフ時間を制御するスイッチ制
御回路である。なお、スイッチＳＷ１は常開スイッチで
あり、スイッチＳＷ２は常閉スイッチである。

上記の型１０は金属により形成されているが、酸化シリ
コン（Ｓ　ｉ　０２　）　、窒化けい素（Ｓ　１３Ｎ４
）、炭化けい素（ＳｉＣ）などのニューセラミック゛ス
で構成することもできる。

次に第５図に示す装置の動作を説明する。

まず、上下電極１２．１３に電圧が印加されていない状
態で上下電極１２．１３を駆動して微粒子１４に加わる
圧力を次第に上昇せしめる。

第５図に示す状態では、コンデンサＣ１，：電荷が充分
に充電されている。微粒子１４に加わる圧力が所定値と
なった所で、スイッチＳＷ１をオン、オフ制御する。

このスイッチのオン時間ｔｏｎは、第６図に示すように
、コンデンサＣに充電されている電荷が上下電極間に放
電する放電時間ｔｄと同じかこれよりも少ない時間の範
囲で制御する。またオフ時間ｔ　ｏｆｆはコンデンサＣ
の充電時間ｔｃとほぼ同じかこれよりも長い時間で制御
する。すなわち、上下電極間に流れる電流（ｉ）を最大
値から最小値まで可変で流せるようにする。

スイッチＳＷＩのオン、オフ動作の繰り返しで、上下電
極間には、鋭いパルス状の衝撃電流が流れる。なお、第
６図において、ＥｃはコンデンサＣの両端電圧を示す。

このパルス衝撃電流は、上下電極間に挟まれた活性炭の
微粒子のほとんどのもの同志が接触融着するまでの時間
だけ印加される。その後、時間ｔｃにおいて微粒子１４
に印加する圧力を一定圧力に保持したまま、スイッチＳ
Ｗ２をオフとし、スイッチＳＷＩをオンするとともに、
可変抵抗器Ｒの値と可変電源ＥＡの電圧値を調節し、所
定値の加熱電流を連続して流す。

しかし、加熱電流通電の初期には微粒子同志の接触融着
が浅い部分や不安定な融着をしている部分が崩れたり、
接着位置がずれたりし局部的に高温となるため、加熱電
流を制御しゆるやかに温度を上昇させる。

そして、目標温度に到達した後、加熱電流を一定に流し
、上昇し続けた活性炭からなる多孔質焼結体の温度を一
定値に保つ（第２図参照）。

このような状態になれば、多孔質焼結体を構成する活性
炭微粒子同志も安定して接着しているので、上下電極１
２．１３間に印加される放電電圧をオフとするとともに
、加圧力もオフする。そして多孔質焼結体の温度が常温
にまで低下した所で型１０から多孔質焼結体を取り出す
。

［電気二重層コンデンサ作成例１］ 比表面積１６００ｃｍ２７ｇの活性炭微粒子０．３４５
ｇを、バインダ等を使用せずに型内に挿入し、３００　
ｋｇ／　Ｃ１ｎ２の圧力で加圧し、イオン衝撃電流７５
０Ａ、加熱電流１０００Ａでそれぞれ９０秒、１２０秒
印加して処理し、カーボン微粒子からなる薄い円板状の
多孔質焼結体を形成した。焼結後の多孔質焼結体すなわ
ち分極性電極の寸法は、直径２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ
であフた。そしてこの焼結体の多孔質状態を調査するた
め、この円板状の分極性電極２枚にそれぞれ３０ｗｔ％
、０゜５１５ｇの稀硫酸を電解′液として含浸せしめ、
かつ電解液を含浸せしめたセパレータをこれら２枚の分
極性電極の間に挟んで電気二重層コンデンサ（例１）を
製作し、静電容量３２フアラツドの電気二重層コンデン
サを得た。

分極性電極として製作した多孔質焼結体の構成状態を調
べるため、上記の電気二重層コンデンサの分極性電極が
占める体積と同一の体積の中にペースト状電極をそれぞ
れ詰め込んで、比較用の電気二重層コンデンサを製作し
た。なお、ペースト状電極は、片側に、カーボン粉末０
．３０５ｇと電解液１．０４ｇを含ませることができた
。

第７図に上記例１の電気二重層コンデンサと比較用の電
気二重層コンデンサのそれぞれの性能を示す。

第７図に示す数値から分るように、上記例１の電気二重
層コンデンサは比較例のものと比較して静電容量が２０
％向上し、直列抵抗は３７％低下し、さらに使用中の分
極性電極部分に印加する圧力は比較例の２４分の１とな
った。

なお、第８図は比較用の電気二重層コンデンサと作成例
１の電極に印加する圧力と内部抵抗との関係を比較する
図である。

［電気二重層コンデンサ作成例２コ 上記作成例ｔでは、性能比較のため、従来例と同一構造
としたが、本発明に係る分極性電極を使用した電気二重
層コンデンサは使用中の分極性電極への印加圧力が従来
のものと比較して小さいことから、コレクタすなわち集
電体と分極性電極の構造に改良を加えた。

第９図は作成例２の電気二重層コンデンサの断面図であ
る。集電体３１に導電性プラスチックを使用し、それに
本発明の製法にて作成した活性炭微粒子を使用した多孔
質焼結体を熱融着させ、この多孔質焼結体に電解液を含
浸せしめて分極性電極３２とした。この電極を一対用意
し、電解液を含浸させたセパレータ３３を間に挟み、電
気二重層コンデンサの１個のセルを構成した。なお、ガ
スケット３４は非導電性のプラスチックで構成しである
。

上記作成例２に示す電気二重層コンデンサは、集電体と
分極性電極との接触抵抗が低減できる。

また集電体とガスケットとをプラスチックにて構成した
ので、ガスケットを合成ゴムにて構成した従来のものと
比較して、セル自体の剛性を高めることができる。

［電気二重層コンデンサ作成例３コ 作成例３は上記作成例２のセルを積層したものである。

第１０図は、積層型の電気二重層コンデンサの断面図で
ある。このコンデンサにおいて、集電体ａは両面に多孔
質焼結体を熱融着し、集電体すは片面のみに多孔質集電
体を熱融着させたものである。

なお、第９図に示すものと同一部分には同一符号を付し
、それらの部分の説明は省略する。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、活性炭微
粒子相互間を焼結結合せしめた多孔質焼結体を分極性電
極としたので、電気二重層コンデンサとしてセルを構成
した場合、従来例のようにペースト状の分極性電極に大
きな圧力を印加することがないので、簡単な構造の電気
二重層コンデンサを得ることができる。また、活性炭微
粒子相互間を焼結結合せしめた多孔質焼結体を分極性電
極にはバインダ（低融点金属粉末、ワックス等）を使用
していないので、多孔質焼結体を製造する際バインダの
混合、焼結後、バインダを蒸発せしめる工程を除去でき
るほか、多孔質焼結体の中にバインダが残留しないので
、従来のセルと比較して、特性の良好な電気二重層コン
デンサを得ることができる。

この他、従来の電気二重層コンデンサと比較して、単位
体積当りの静電容量を向上せしめることができるととも
に、コンデンサの内部抵抗も減じることができるなど、
多くの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る多孔質焼結体の製造モデルの一部
を示す図、第２図は活性炭微粒子に印加する圧力とこれ
を流れる平均電流と微粒子温度の変化を時間の推移とと
もに示した図、第３図は本発明に係るプロセスを経て形
成された多孔質焼結体の断面を示す図、第４図は活性炭
微粒子の焼結多孔質化可能性領域を示す図、第５図は本
発明に係る多孔質焼結体を製造するための装置を示す概
略構成図、第６図は放電状態を示すタイムチャート、第
７図は作成例１の電気二重層コンデンサと比較用の電気
二重層コンデンサのそれぞれの性能を示す図、第８図は
比較用の電気二重層コンデンサと作成例１の電極に印加
する圧力と内部抵抗との関係を比較する図、第９図は作
成例２の電気二重層コンデンサの断面図、第１０図は積
層型の電気二重層コンデンサの断面図、第１１図はスラ
リー状のペースト電極を用いて形成される従来形の電気
二重層コンデンサの断面図である。 １．２．３・・活性炭微粒子 ４・・パルス電源 ８・・間隔 １０・・型 ３１・・集電体 ３２・・分極性電極 ３３・・セパレータ ３４・・ガスケット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性炭と電界質の界面で形成される電気二重層を
   利用する電気二重層コンデンサにおいて、活性炭微粒子
   相互間を焼結結合せしめた活性炭のみからなる多孔質焼
   結体を分極性電極として用いたことを特徴とする電気二
   重層コンデンサ。
2. （２）活性炭と電界質の界面で形成される電気二重層を
   利用する電気二重層コンデンサにおいて、活性炭微粒子
   相互間を焼結結合せしめた活性炭のみからなる多孔質焼
   結体によって構成される分極性電極に導電性プラスチッ
   クからなる集電体を熱融着せしめたことを特徴とする電
   気二重層コンデンサ。
3. （３）活性炭微粒子からなる粉体に５０Ｋ ｇｆ／ｃｍ＾２〜８００Ｋｇｆ／ｃｍ＾２の範囲の圧力
   を印加するステップと、圧力を印加された粉体の微粒子
   間にパルス状電圧を印加せしめて各粒子間に放電を発生
   せしめるとともに加圧した活性炭微粒子を７００℃〜１
   ０００℃に保持して、活性炭微粒子を焼結するステップ
   とを有することを特徴とする電気二重層コンデンサに使
   用する分極性電極の製造方法。