JPH10154640A - 電気二重層キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気二重層キャパシタを定電力で使用する場
合、発熱対策のため使用下限電圧以上で使用する必要が
あるが、使用下限電圧を維持すると充電分だけ電解液の
電気伝導度が低下し、内部抵抗が上昇してＩＲドロップ
により電気二重層キャパシタの使用効率が低下する。 【解決手段】 キャパシタ組立体２６に含浸させる電解
液２８のイオン濃度を使用下限温度で飽和状態にして含
浸槽３０に満たす。キャパシタ組立体２６に使用下限電
圧を印加し充電しながら十分長い時間をかけて、電解液
２８を含浸させる。この時、キャパシタ組立体２６は、
十分な量の電解液２８中に投入されているので、充電に
より分極性電極１４，１６の周囲で減少したイオンは、
電解液２８の拡散作用によって補充され、飽和状態の電
解液２８がキャパシタ組立体２６に含浸される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気二重層キャパ
シタ及びその製造方法、特にキャパシタ内の内部抵抗を
低減させつつ、効率的な充放電のできる電気二重層キャ
パシタ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気二重層キャパシタは、電極と電解液
との界面で形成される電気二重層を利用するものであ
り、比較的静電容量が大きく、また充放電時に化学反応
を伴わないため急速充放電が可能なこと、また半永久的
に充放電使用できる等の利点を有し、バックアップ用電
源等に用いられたり、電気自動車等へ応用が行われてい
る。

【０００３】図４には一般的な電気二重層キャパシタを
説明する断面図が示されている。図４において、一対の
集電体１０，１２が設けられており、各集電体１０，１
２には、正負の分極性電極１４，１６（以下、単に電極
という）が設けられている。この電極１４，１６は、活
性炭に該電極の導電性を向上させるための導電化材を加
え、さらに、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）
等を粘着剤として混ぜ込み、前記集電体１０，１２であ
るアルミニウム箔等に担持させた構造になっている。こ
うのように構成される正負の電極１４，１６の間には、
多孔質の絶縁膜であるセパレータ１８が介在されてい
る。そして、前記電極１４，１６及びセパレータ１８に
は電解液が含浸される。前記電解液は、一般に溶媒とし
てプロピレンカーボネートを使用し、電解質としては、
テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートを
使用し、導電率を向上させて電気二重層キャパシタの内
部抵抗の低減を行っている。そして、電解液が含浸され
た後、電解液が漏れ出さないように絶縁体２０，２２に
よって、電極１４，１６及びセパレータ１８が封止さ
れ、電気二重層キャパシタが完成する。その後、集電体
１０，１２が外部電源２４に接続され所定の充電が行わ
れたり、外部機器と接続され放電が行われる。

【０００４】一般的には、電気二重層キャパシタの静電
容量は、活性炭の量を多くして電解液中のイオンの吸着
可能面積を増やすことによって増加するが、これに加え
て、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低減することに
よっても活性炭へのイオンの吸着性が向上し、これによ
っても静電容量が増加する。つまり、電気二重層キャパ
シタは、内部抵抗が低いほどエネルギ密度を向上するこ
とが可能になる。

【０００５】そこで、電気二重層キャパシタの内部抵抗
を低減する方法として、例えば、特開昭６２−２２９８
１９号公報には電極の導電化材として黒鉛あるいはカー
ボンブラックを使用した例が開示されている。本従来例
においては、黒鉛またはカーボンブラックを使用し、電
極１４，１６の抵抗を下げることによって、電気二重層
キャパシタの内部抵抗の低減を図り、その結果、キャパ
シタの小型化や軽量化が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気二重層
キャパシタは一般に定電力で使用する場合が多い。この
場合、電気二重層キャパシタは放電に伴い電圧が低下
し、逆に電流量が増加する。そのため、ある電圧以下に
なると、流れる電流量が非常に大きくなり、電気二重層
キャパシタの構成部品や接続された電線部等における発
熱量が大きくなり電気二重層キャパシタや電気二重層キ
ャパシタを搭載する機器の駆動の支障となる場合があ
る。従って、電気二重層キャパシタは所定電圧（使用下
限電圧）以上で使用する必要がある。

【０００７】しかし、使用下限電圧時（所定電圧充電状
態）では、すでに電解液中のイオンが電極（活性炭）の
表面に吸着されており、電解液中のイオン濃度が低下状
態（電解液電気伝導度の低下状態）にあり、電解液の液
抵抗が増加してしまっている。つまり電気二重層キャパ
シタの内部抵抗が増加し、その内部抵抗に基づく電圧の
低下（ＩＲドロップ）が生じ、実質的な電気二重層キャ
パシタの充放電可能域が狭くなり仕事量が低下してしま
うという問題がある。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、使用下限電圧時でも内部抵抗を最小にして、充放電
可能域を広くして、効率的な充放電のできる電気二重層
キャパシタを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明の構成は、正及び負の分極性電極
と、前記正負の分極性電極の間に介在されたセパレータ
と、前記分極性電極と前記セパレータとに含浸された電
解液と、を備えた電気二重層キャパシタであって、前記
電解液は、あらかじめ設定された電気二重層キャパシタ
の使用下限電圧値と使用下限温度において該電解液のイ
オン濃度が飽和状態であることを特徴とする。

【００１０】この構成によれば、使用下限電圧と使用下
限温度において、電解液が飽和状態になっているので、
電気二重層キャパシタの放電にともない電流量が増加し
た場合でも内部抵抗は最小になりＩＲドロップが大きく
なることがない。その結果、電気二重層キャパシタの充
放電可能域が広くなり効率的な使用が可能になる。な
お、使用下限温度において電解液が飽和状態になるため
電解液中の電解質が使用状態で分極性電極中に析出する
ことはない。

【００１１】また、上記のような目的を達成するため
に、本発明の他の構成は、電気二重層キャパシタの製造
方法であって、あらかじめ設定された電気二重層キャパ
シタの使用下限温度でイオン濃度が飽和した電解液を作
成する工程と、少なくとも正及び負の分極性電極と、前
記正負の分極性電極の間に介在されるセパレータとから
なるキャパシタ組立体に使用下限電圧を印加しながら前
記電解液を含浸させる工程と、を含むことを特徴とす
る。

【００１２】この構成によれば、使用下限温度において
飽和状態にある電解液をキャパシタ組立体に含浸してい
る間に使用下限電圧で分極性電極を充電することによっ
て、前記分極性電極の周囲で減少するイオンを周辺の電
解液から補充しながら含浸が行われるため使用下限電圧
と使用下限温度において飽和状態にある電解液を有する
電気二重層キャパシタを容易に得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づき説明する。電気二重層キャパシタ自体の機
械的構成は図４に示す構成と同じであるため、同一の部
材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

【００１４】図１（ａ），（ｂ）には、本実施形態の電
気二重層キャパシタの製造方法の一例が示されている。
図４で説明したように、電気二重層キャパシタは集電体
１０，１２に活性炭を主体とする分極性電極１４，１６
（以下、単に電極という）をコーティングしている。ま
た、前記集電体１０，１２を有する電極１４，１６をセ
パレータ１８の両面に配置し、キャパシタ組立体２６を
形成している。

【００１５】本実施形態の特徴的事項は、電気二重層キ
ャパシタに含浸されている電解液のイオン濃度が使用下
限電圧と使用下限温度において飽和状態になっていると
ころである。

【００１６】電気二重層キャパシタの使用下限温度は、
搭載される機器によって異なり適宜選択されるが、本実
施形態の場合は、０℃を使用下限温度として、それ以下
の温度で使用したり保存したりしないものとする。

【００１７】前記電解液は、従来と同様に、例えば溶媒
としてプロピレンカーボネートを使用し、電解質として
は、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレー
トを使用したものである。一般に、電解質の溶解度は、
図２に示すように電解液の温度が高いほど高くなる。例
えば、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレ
ートを電解質として使用した場合、電解液温度０℃で飽
和溶解量は１．０モル／リットル（ｍｏｌ／ｌ）であ
る。

【００１８】前記電気二重層キャパシタを製造する場
合、まず、上述したような電解液温度０℃で、イオン濃
度が１．０モル／リットル（ｍｏｌ／ｌ）で飽和状態に
ある電解液２８を作成し、図１（ａ）に示すように含浸
槽３０に満たす。この場合、電解液２８の液温度を０℃
以下にすると電解質の析出が発生してしまうため、０℃
以上に維持する必要がある。なお通常、０℃に維持する
のは電解液２８の作成時のみで、その後の作業は室温
（例えば、２０℃）で行われる。

【００１９】そして、前記電解液２８が満たされた含浸
槽３０に前記キャパシタ組立体２６を投入する。この
時、キャパシタ組立体２６の集電体１０，１２には、外
部電源３２にが接続され、作成する電気二重層キャパシ
タの使用下限電圧を印加し、下限充電を行う。前記使用
下限電圧は、電気二重層キャパシタの仕様によって適宜
選択されるが、本実施形態の場合、例えば１．０Ｖとす
る。

【００２０】下限充電が開始されると、電極１４，１６
の周囲の電解液２８に含まれるイオンが各電極１４，１
６を構成する活性炭の表面に吸着され電気二重層を形成
する。つまり、正電極１４側の活性炭の表面には陰イオ
ンが吸着され、負電極１６側の活性炭の表面には陽イオ
ンが吸着され、１．０Ｖの蓄電が行われる。そして、
１．０Ｖの蓄電が終了すると、イオンの吸着作用も終了
する。この時、各電極１４，１６の周囲の電解液２８の
イオン濃度は、前記吸着作用によって減少しているが、
含浸槽３０内の電解液２８の量を十分多くし、かつキャ
パシタ組立体２６を電解液２８に漬けておく時間を十分
長く（例えば、１０時間程度）することにより、各電極
１４，１６の周囲の電解液２８にイオンが補充される。
つまり、電解液２８内のイオンの拡散作用により、電極
１４，１６に吸着された分のイオンの補充が行われ、電
極１４，１６やセパレータ１８に含浸される電解液２８
のイオン濃度はほぼ１．０ｍｏｌ／ｌになる。

【００２１】前述したように十分長い時間を使って、電
解液２８をキャパシタ組立体２６に含浸させた後、外部
電源３２を接続したままの状態、または充電した電荷を
放電しない状態に維持したまま、図１（ｂ）に示すよう
に絶縁体２０，２２によって、含浸した電解液２８が漏
れないように封止して、電気二重層キャパシタ３４を完
成する。なお、前述の含浸作業の時、電解液２８を攪拌
することによって、イオンの拡散補充動作を促進して、
含浸時間を短縮することができる。

【００２２】このように製造された電気二重層キャパシ
タ３４を使用する場合は、所定電圧の外部電源に接続
し、所定電圧（例えば，２．５Ｖ）に充電した後、電子
機器のバックアップ用電源や電気自動車の電源として機
器に搭載し放電を行う。この時、各機器には、放電リミ
ッタ等を設け電気二重層キャパシタ３４の放電が使用下
限電圧１．０Ｖ以下にならないように制御する必要があ
る。

【００２３】この電気二重層キャパシタ３４は、使用下
限電圧１．０Ｖの時、電解液のイオン濃度は１．０ｍｏ
ｌ／ｌになり、電解液２８の電気伝導度は使用下限電圧
時でも電解液２８の最大値を示す。図３には、従来の電
気二重層キャパシタ（点線で示す）と本実施形態の電気
二重層キャパシタ（実線で示す）に関する電解液イオン
濃度と充電電圧との関係及び電解液電気伝導度と充電電
圧との関係を比較しながら示している。なお、このデー
タは２０℃で充放電を行った場合のデータである。図３
から明らかなように、従来の電気二重層キャパシタが使
用下限電圧１．０Ｖの時に電解液イオン濃度が０．７５
ｍｏｌ／ｌに低下し、電解液電気伝導度が１１．５ｍＳ
／ｃｍであるのに対して、本実施形態の電気二重層キャ
パシタは使用下限電圧１．０Ｖの時に電解液イオン濃度
が１．０ｍｏｌ／ｌを維持し、電解液電気伝導度が１
３．０ｍＳ／ｃｍである。従って、本実施形態の電気二
重層キャパシタの方が１３％程度、電解液電気伝導度が
向上している。すなわち、使用下限電圧時の電気二重層
キャパシタの内部抵抗が低減し、ＩＲドロップが低減し
電気二重層キャパシタの充放電可能域が広がり使用効率
を向上させることができる。

【００２４】なお、本実施形態の製造方法によれば、完
成した電気二重層キャパシタは使用下限電圧と使用下限
温度において、電解液のイオン濃度が飽和状態になるの
で、使用下限電圧を維持していれば、製造時温度（室
温：２０℃）以下（ただし、使用下限温度以上）で使用
したり保存しても電解液中に電解質が析出することがな
い。

【００２５】上述した製造方法では、電解液の含浸中に
使用下限電圧を印加する必要があったが、含浸中に電圧
を印加しないで、上述したような電解液のイオン濃度が
使用下限電圧と使用下限温度で飽和状態になる電気二重
層キャパシタを製造することができる。

【００２６】図３の電圧と電解液イオン濃度の関係によ
れば、１．０Ｖの充電が行われると電解液農度が０．２
５ｍｏｌ／ｌ減少する。従って、キャパシタ組立体２６
の電解液としてイオン濃度が０．２５ｍｏｌ／ｌだけあ
らかじめ高いもの、すなわちイオン濃度が１．２５ｍｏ
ｌ／ｌの電解液を含浸させれば、１．０Ｖの充電時に前
述した製造方法で製造した電気二重層キャパシタと同様
に使用下限電圧と使用下限温度において、電解液のイオ
ン濃度が１．０ｍｏｌ／ｌになる電気二重層キャパシタ
とすることができる。

【００２７】つまり、電解液は、図２に示すように、電
解液温度２０℃の時にイオン濃度が１．２５ｍｏｌ／ｌ
の飽和状態になる。従って、２０℃で飽和状態にした電
解液を含浸槽に満たし、該電解液を２０℃以上に維持し
ながらキャパシタ組立体に含浸させる。この時、充電は
行われないのでイオンの拡散補充等が必要ないので、前
述した製造方法に比べ含浸時間は短くなり、絶縁体２
０，２２による封止を迅速に行うことができる。

【００２８】しかし、この状態で放置し含浸した電解液
の温度が２０℃以下になると、電解質の析出が始まって
しまうため、完成した電気二重層キャパシタを保存する
場合は保存温度２０℃以上を維持しなければならない。
また、２０℃以下（ただし使用下限温度以上）で保存す
る場合には、絶縁体２０，２２による封止後、２０℃以
上に維持した状態で、使用最低電圧である１．０Ｖで充
電して、使用下限電圧を維持した状態で保存する必要が
ある。

【００２９】以上説明した製造方法は、一例であり、電
解液のイオン濃度が使用下限電圧と使用下限温度で飽和
状態になれば、本実施形態の電気二重層キャパシタと同
様な効果を得ることができる。

【００３０】また、本実施形態では、使用下限電圧を
１．０Ｖ、使用下限温度を０℃として説明したが、電気
二重層キャパシタの用途によって各設定値は適宜選択さ
れ、例えば、電気二重層キャパシタを寒冷地仕様の機器
に用いる場合は、使用下限温度を−２０℃等に設定した
り、他の方法で低電圧時の電流量を減少できる場合に
は、使用下限電圧を０．８Ｖ等に設定することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、使用下限電圧と使用下
限温度において、電解液が飽和状態になっているので、
電気二重層キャパシタの放電にともない電流量が増加し
た場合でも最良の電気伝導度が維持され、内部抵抗は最
小になりＩＲドロップが大きくなることがない。その結
果、充放電可能域が広がり電気二重層キャパシタの効率
的な使用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の電気二重層キャパシタの
製造方法を説明する説明図である。

【図２】 電解液温度と電解質の溶解度との関係を説明
する説明図である。

【図３】 充電電圧と電解液イオン濃度との関係、及び
充電電圧と電解液電気伝導度との関係を説明する説明図
である。

【図４】 一般的な電気二重層キャパシタの構造を説明
する説明図である。

【符号の説明】

１０，１２ 集電体、１４，１６ 分極性電極、１８
セパレータ、２０，２２ 絶縁体、２４，３２ 外部電
源、２６ キャパシタ組立体、２８ 電解液、３０ 含
浸槽、３４ 電気二重層キャパシタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正及び負の分極性電極と、前記正負の分
   極性電極の間に介在されたセパレータと、前記分極性電
   極と前記セパレータとに含浸された電解液と、を備えた
   電気二重層キャパシタであって、 前記電解液は、あらかじめ設定された電気二重層キャパ
   シタの使用下限電圧値と使用下限温度において該電解液
   のイオン濃度が飽和状態であることを特徴とする電気二
   重層キャパシタ。
2. 【請求項２】 電気二重層キャパシタの製造方法であっ
   て、 あらかじめ設定された電気二重層キャパシタの使用下限
   温度でイオン濃度が飽和した電解液を作成する工程と、 少なくとも正及び負の分極性電極と、前記正負の分極性
   電極の間に介在されるセパレータとからなるキャパシタ
   組立体に使用下限電圧を印加しながら前記電解液を含浸
   させる工程と、 を含むことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方
   法。