JPH0845793A

JPH0845793A - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JPH0845793A
Application number: JP6201459A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Hiratsuka; 和也平塚; Takeshi Morimoto; 剛森本; Manabu Kazuhara; 学数原; Katsuharu Ikeda; 克治池田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力かつ高容量密度の電気二重層コンデンサ
を提供する。【構成】集電体２上に高比表面積導電体を含む電極層
３、３’を形成した分極性電極２００の電極層３、３’
を、厚い分極性電極の単位面積当たりの放電容量が大き
い高容量電極層部分と、薄い分極性電極の単位面積当た
りの充放電時の抵抗値が小さい高出力電極層部分とから
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気二重層コンデンサに
関し、特に大容量でかつ高出力であることを要する電力
源に好適な電気二重層コンデンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、各種電気機器の駆動用電源への適
用を目的とする超大容量、高出力の電気二重層コンデン
サが注目され、開発が進められている。その構造として
は、例えば、特願平２−２７７９０３号に開示されてい
る角型コンデンサ構造のものが知られている。その基本
構造を図１に示す。同図の電気二重層コンデンサ１００
において使用される分極性電極２００は図２に示された
平板状電極であり、セル端子に電気的に接続させるため
のリード部１を設けた平板状金属集電体２の両面（もし
くは片面）に、電荷蓄積を行う電気二重層を形成するた
めの高比表面積導電材料を含む電極層３、３’を形成し
たものである。このような構造の正極４および負極５
を、図３に示すように、間にセパレータ６を挟んで交互
に複数枚積層し、その積層体を図１に示すように、ケー
ス７に収納した後、電解液を注入し、正極４および負極
５から引き出されたそれぞれの複数のリード部１’、
１’’を、それぞれ並列に結合する形で、上蓋８に気密
に取り付けられた正極端子９および負極端子１０にそれ
ぞれ電気的に接続した後、上蓋８をケース７に気密に封
止して取り付けることにより、角型の電気二重層コンデ
ンサ１００が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記電極層３、３’に
は高比表面積導電体として活性炭粉末が用いられてい
る。従来、この電極層３、３’は、高比表面積導電体の
粉末を若干のバインダを加えた溶剤中に分散してスラリ
ーとし、このスラリーを金属集電体２上に塗布乾燥する
ことにより成形されていた。このような塗布法によって
得られる電極層の厚みはスラリー濃度、作業性、電極層
の密着強度等の点において制限を受け、厚みは０．２ｍ
ｍ程度が上限であり、通常は０．１ｍｍ以下、多くは
０．０２〜０．０６ｍｍの範囲とされる。この場合、コ
ンデンサの出力特性の主な支配因子である単位面積当り
の電極層内の抵抗値が非常に低いので、大電流放電時の
電圧損失が非常に小さく、また大電流での急速充電が可
能な入出力特性に優れた電気二重層コンデンサを得るこ
とができる。

【０００４】しかしながら、通常上記電極層３、３’が
形成される金属集電体２の厚みは、通電時の抵抗損失と
それに伴う発熱、あるいは機械的強度の関係から、少な
くとも０．０３ｍｍ以上、好ましくは０．０６ｍｍ以上
とする必要がある。このため、この種の薄い塗布型の電
極層３、３’を用いた電気二重層コンデンサでは、分極
性電極の電極層３、３’に比べて集電体２の占める分極
性電極２００中の体積割合が高くならざるを得ず、出力
特性には優れているものの、電荷の蓄積を担う電気二重
層を形成する高比表面積導電体の量が相対的に少なくな
り、素子体積当たりの放電容量が小さいという問題があ
った。

【０００５】一方、金属集電体２の厚さに比べて、電極
層３、３’の厚さを十分大きくできる分極性電極２００
の作製方法としては、高比表面積導電体に成形助剤を加
えて予めシート状に成形された電極層３、３’を金属集
電体２上に機械的かつ電気的に接合する方法がある。一
般には、ポリテトラフルオロエチレンをバインダとして
成形した可撓性のあるシート状電極層を金属集電体上に
導電性接着剤を用いて接着する。このような予め成形さ
れたシート状電極層３、３’を集電体２上に接合する方
法によれば、１０ｍｍ以上の厚みを有する厚い電極層
３、３’の形成も可能であるが、逆に０．２ｍｍ以下の
薄い電極層３、３’の成形はハンドリングに必要とされ
る強度の確保上困難である。この方法によって形成され
る電極層３、３’の厚さは、通常は０．３〜２．０ｍｍ
程度であり、電極層３、３’の厚さをこの程度にすれ
ば、集電体２の占める体積に比べ電極層３、３’の体積
を十分大きくすることが可能である。したがって、この
ような厚い予備成形された電極層３、３’を用いた場合
には、単位体積当たりの容量密度が大きい電気二重層コ
ンデンサを得ることができる。しかしながら、電極層
３、３’が厚くなると単位面積当りの抵抗値が大きく、
大電流放電時にはこの電極層３、３’内の電圧損失が大
きいので、放電できる出力が低く、かつ充電にも相応の
時間を要するという欠点があった。

【０００６】従って、本発明の目的は、上記従来技術に
係る電気二重層コンデンサの欠点を解消し、高出力かつ
同時に高容量密度を有する高性能電気二重層コンデンサ
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、集電体
上に高比表面積導電体を含む電極層を形成した分極性電
極と、前記分極性電極との界面に電気二重層を形成する
電解液とを含む電気二重層コンデンサにおいて、前記電
極層が、厚く形成された分極性電極の単位面積当たりの
放電容量が大きい高容量電極層部分と、薄く形成された
分極性電極の充放電時に単位面積当たりの抵抗値が小さ
い高出力電極層部分とを含むことを特徴とする電気二重
層コンデンサが提供される。

【０００８】本発明の電気二重層コンデンサにおいて
は、分極性電極として、金属あるいは導電性樹脂等から
成る集電体上に電気二重層により電荷の蓄積を行うため
の高比表面積導電体を主成分とする電極層を設けたもの
が使用される。高比表面積導電体としては、１０００〜
３５００ｍ² ／ｇの比表面積をもつ活性炭が最も好まし
く用いられ、他に、カーボンブラック、黒鉛粉末、金属
超微粉末、導電性セラミック超微粉末等も使用可能であ
る。

【０００９】電極層には、好ましくは、成形助剤として
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリオレフ
ィン、セルロース類、フェノール樹脂、アクリル樹脂等
の各種有機樹脂バインダ、あるいは珪酸ソーダ、シリカ
ゾル等の無機系バインダが使用され、また、好ましく
は、導電性を向上せしめる導電助剤としてカーボンブラ
ック、金属粉末、あるいは導電性高分子材料等が添加さ
れる本発明の電気二重層コンデンサにおいて、厚みが薄く電
極単位面積当たりの抵抗値が小さく、充放電時の電圧損
失の小さい高出力特性を有する電極層は、好ましくは集
電体上に直接形成される。この集電体上への直接の形成
方法として、上記の高比表面積導電体、導電助剤および
バインダを適宜の割合で溶媒中に分散もしくは溶解混合
したスラリーを集電体表面に塗布して乾燥、さらには乾
燥後にロール圧延によって密着させる方法を採用するの
が好ましい。上記スラリーの湿式塗布法にはドクターブ
レード法、各種印刷法、ダイコーター法、スプレー法な
どが採用できる。このような高出力電極層の厚みは０．
２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下、さらに好まし
くは０．０２〜０．０６ｍｍである。上記湿式塗布法の
他、溶射法、スパッタ法などによっても薄い電極層の形
成が可能である。

【００１０】一方、電極層の厚みが厚く電極単位面積当
たりの放電容量が大きい高容量密度を有する電極層は、
好ましくは、予め集電体と別個に形成されたシート状電
極層を集電体上に接合することによって形成され、この
厚い電極層を集電体上へ形成する方法として、上記高比
表面積導電体、導電助剤およびバインダから成る混合物
を予めシート状に成形したシート状電極層を集電体表面
に接合する方法が好ましく採用できる。具体的な例とし
ては、活性炭粉末とカーボンブラックとＰＴＦＥとを湿
式混練し、押し出し成形と延伸処理により得られる可撓
性シート状物や、活性炭粉末とカーボンブラックとを熱
可塑性樹脂と共に加熱混練後押し出し成形したシート状
物、又はセルロース系樹脂、フェノール樹脂等の可溶性
樹脂を適当な溶媒に溶解させた中に活性炭とカーボンブ
ラックとを分散させたスラリーをシート状に乾燥固化さ
せたもの、さらにはこのシート状物に含まれる有機バイ
ンダーを焼成炭化したシート状物を用いることができ
る。このような高容量電極層の厚さとしては、厚さが厚
いほど単位面積当たりの容量密度を大きくすることがで
きるが、電極層内の充放電時の電圧損失の関係から厚さ
に上限があり、また薄く成形する困難さの点で厚さに下
限があり、０．３〜２．０ｍｍ程度が好適な電極層の厚
さである。

【００１１】本発明の電気二重層コンデンサでは、上述
の高出力の薄い電極層部分と高容量の厚い電極層部分と
を含む電極層を１つのセル内に含むことにより、高容量
かつ高出力の電気二重層コンデンサが得られる。１つの
セル中における高出力電極層部分と高容量電極層部分と
の構成割合および各電極層の厚みは、所望の出力特性と
放電容量との兼ね合いにより適宜決定することができ
る。

【００１２】高容量電極層部分の大部分は、好ましくは
セパレータを挟んで互いに対を成して配置され、同時に
高出力電極層部分の大部分も好ましくはセパレータを挟
んで互いに対を成して配置される。

【００１３】たとえば、図１に示したような角型コンデ
ンサでは、電極が、高容量電極層部分が複数の集電体上
にそれぞれ形成された複数の高容量電極と、高出力電極
層部分が複数の集電体上にそれぞれ形成された複数の高
出力電極とから構成され、複数の高容量電極層の大部分
が第１のセパレータを挟んで互いに対向して配置され、
複数の高出力電極層が第２のセパレータを挟んで互いに
対向して配置されている構成とすることが好ましい。す
なわち、複数枚積層された電極層のセパレータを挟んで
互いに対を成す電極層の大部分を高出力電極層部分が対
向したもの又は高容量電極層部分が対向したもののいず
れかとするのが好ましい。

【００１４】また角型コンデンサのみらず、１対の正、
負極から成る帯状電極を渦巻状に巻回した円筒型コンデ
ンサや、１対の円盤状電極からなるコイン型コンデンサ
においても本発明を適用することが可能である。

【００１５】本発明の電気二重層コンデンサにおいて、
使用される電解液は特に限定されるものではないが、第
４級アンモニウム塩、第４級ホスホニウム塩、アルカリ
金属塩を含む各種有機溶媒の電解液や、硫酸などの鉱
酸、有機酸、アルカリ金属塩、水酸化アルカリを含む水
溶液の電解液を適宜使用することができる。

【００１６】また、本発明において好ましく使用できる
集電体の材料には、アルミニウム、チタニウム、タンタ
ル等の高耐食性弁作用金属、ステンレス鋼等の耐食性合
金、貴金属等の金属材料、グラファイトやグラッシーカ
ーボン等のカーボン材料が挙げられ、用いる電解液との
組み合わせによって電気化学的耐食性の観点から適宜選
択される。

【００１７】また、集電体の片面に厚い電極層を形成
し、他面に薄い電極層を形成した電極を、セパレータを
挟んでそれぞれ厚い電極層が厚い電極層と、薄い電極層
が薄い電極層と対を成すように積層して電極積層体とす
ることもできる。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ更に説明を行う
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００１９】［実施例１］図１に示す角型電気二重層コ
ンデンサ１００を以下のようにして作製した。図２に示
すように、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍのリード部１をも
つ厚さ０．１ｍｍのアルミニウム製集電体２（集電部の
面積１００ｍｍ×１００ｍｍ）の両面に、ＰＴＦＥ１０
重量％とカーボンブラック１０重量％と比表面積が２０
００ｍ² ／ｇの活性炭粉末８０重量％とから成るシート
状電極層をカーボン系導電性接着剤を用いて接着後圧延
処理し、集電体２の両側にそれぞれ厚さ０．３ｍｍの電
極層３、３’（有効面積１００ｍｍ×１００ｍｍ）を設
けた。これらの電極を２００℃で真空乾燥したものを、
それぞれ１０枚ずつ微孔性ポリオレフィン製フィルム状
セパレータ６（厚さ０．０３ｍｍ、面積１０５ｍｍ×１
０５ｍｍ）を間に挟んで積層し、厚い電極層の正極４、
負極５からなる電極積層体Ａ（合計厚さ１４．６ｍｍ）
を得た。一方、幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍのリード部１
をもつ厚さ０．０６ｍｍのアルミニウム製集電体２（集
電部の面積１００ｍｍ×１００ｍｍ）の両面に、ＰＴＦ
Ｅを固形分として１０重量％含むＰＴＦＥの懸濁液中に
上記カーボンブラック１０重量％と上記活性炭粉末８０
重量％とを混合したスラリーをバーコーターにて塗布
し、乾燥後圧延処理することによって集電体２の両側に
それぞれ厚さ０．０２ｍｍの電極層３、３’（有効面積
１００ｍｍ×１００ｍｍ）を設けた後、２００℃で真空
乾燥したものを、上述の微孔性ポリオレフィン製フィル
ム状セパレータ６を間に挟んで積層し、薄い電極層の正
極４、負極５それぞれ７枚ずつからなる電極積層体Ｂ
（合計厚さ１．８ｍｍ）を得た。さらに電極積層体Ａと
電極積層体Ｂとの間に上述のセパレータを挟んで積層
し、最終的な電極積層体Ｃ（合計厚さ１６．４ｍｍ）と
し、これをポリプロピレン製角型ケース７に収納した
後、１モル／リットルの濃度の（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₄ ＰＢＦ₄
のプロピレンカーボネート溶液を注入して電極積層体Ｃ
および微孔性ポリオレフィン製フィルム状セパレータ６
に含浸させ、上記電極積層体ＡおよびＢの正極リード部
１’、負極リード部１’’をそれぞれ並列に接続して正
極外部端子９、負極外部端子１０と超音波溶接によりそ
れぞれ接続し、外部端子９、１０が取り付けられたポリ
プロピレン製上蓋８を上記角型ケース７の開口部に熱融
着して気密に封止することにより電気二重層コンデンサ
を得た。

【００２０】［比較例１］実施例１において使用した電
極層３、３’の厚さが０．３ｍｍの電極を正、負極それ
ぞれ１１枚ずつ積層化した以外は実施例１と同様にして
電極積層体（合計厚さ１６．１ｍｍ）を得た。この電極
積層体をケース７中に封止することにより高容量型の電
気二重層コンデンサを得た。

【００２１】［比較例２］実施例１において使用した電
極層の厚さが０．０２ｍｍの電極を正、負極それぞれ６
３枚ずつ積層した以外は実施例１と同様にして電極積層
体（合計厚さ１６．４ｍｍ）を得た。この電極積層体を
ケース中に封止することにより高出力型の電気二重層コ
ンデンサを得た。

【００２２】実施例１、比較例１および比較例２の構成
の電気二重層コンデンサの放電容量、および２．５Ｖで
充電後２５０Ａの定電流にて０Ｖまで放電したときの平
均放電電圧から求めた平均放電出力を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】上述の実施例と比較例の結果から明らか
なように、本発明になる電気二重層コンデンサは、従来
型の電気二重層コンデンサと比べ、大きな放電容量を確
保しているとともに出力特性においても顕著に優れてい
ることが分かる。

【００２５】また、本発明の電気二重層コンデンサは、
高容量型の電気二重層コンデンサと高出力型の電気二重
層コンデンサとを並列に接続したものと回路的に等価で
あるが、セルを１個にすることで、製造工程の手間やケ
ースの材料等の点でコストが低減でき、また、ケース等
の占める容積が減る分単位容積当たりのエネルギー密度
を大きくできる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明および比較例における角型電気二重層コ
ンデンサの構造を説明するための部分断面斜視図であ
る。

【図２】図１の角形電気二重層コンデンサに用いられる
電極の構造を説明するための斜視図である。

【図３】図１の角形電気二重層コンデンサに用いられる
正極および負極の積層方法を説明するための斜視図であ
る。

【符号の説明】

１…リード部１’…正極リード部１’’…負極リード部２…集電体３、３’…電極層４…正極５…負極６…セパレータ７…ケース８…上蓋９…正極端子１０…負極端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田克治神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集電体上に高比表面積導電体を含む電極層
を形成した分極性電極と、前記分極性電極との界面に電
気二重層を形成する電解液とを含む電気二重層コンデン
サにおいて、前記電極層が、厚く形成された分極性電極
の単位面積当たりの放電容量が大きい高容量電極層部分
と、薄く形成された分極性電極の充放電時に単位面積当
たりの抵抗値が小さい高出力電極層部分とを含むことを
特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】前記高容量電極層部分が、予め前記集電体
とは別個に形成されたシート状電極層を前記集電体上に
接合したものであり、前記高出力電極層部分が、前記集
電体上に直接形成された電極層である請求項１記載の電
気二重層コンデンサ。
【請求項３】前記高容量電極層部分が、高比表面積導電
体に成形助剤を加えてシート状に成形したシート状電極
層を前記集電体上に接合したものであり、前記高出力電
極層部分が、高比表面積導電体と成形助剤と溶媒とを含
む分散液を前記集電体上に塗布して成膜したものである
請求項２記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項４】前記高比表面積導電体が活性炭粉末である
請求項３記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項５】前記高容量電極層部分の大部分が第１のセ
パレータを挟んで互いに対を成して配置され、前記高出
力電極層部分の大部分が第２のセパレータを挟んで互い
に対を成して配置されている請求項１乃至４のいずれか
に記載の電気二重層コンデンサ。