WO2004107373A1

WO2004107373A1 - 電気二重層キャパシタ及び電解質電池

Info

Publication number: WO2004107373A1
Application number: PCT/JP2004/007680
Authority: WO
Inventors: Seiji Omura; Yasuhiro Kishimoto; Mamoru Kimoto; Kikuko Kato; Hiroshi Nakajima
Original assignee: Sanyo Electric Co., Ltd.
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2004-12-09
Also published as: TW200426866A; US7248460B2; US20070014076A1; TWI237280B; EP1630834A1

Abstract

電気二重層キャパシタ(１)は、電解液が含浸された一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、各分極性電極(20)(21)には集電電極(３)(30)が取り付けられ、セル(２)の周部は合成樹脂製の封止部材(４)にて塞がれる。集電電極(３)(30)は封止部材(４)に接しながら該封止部材(４)を貫通して、封止部材(４)の外側に延び、集電電極(３)(30)上にて、封止部材(４)を貫通する箇所には、粗面部(32)が形成されている。

Description

電気二重層キャパシタ及び電解質電池

技術分野 '

本発明は、電気二重層キャパシタ及び電解質電池に関する

背景技術

明

充放電特性に優れたデバイスとして、電気二重層キャパシ夕がある。図 1 7は、従来の電気二重層キャ田パシ夕（1 )を構成するセル（2 )の断面図である（日本国特許公開公報 2 0 0 1 — 3 5 1 8 3 3号参照）。これは、一対の分極性電極（20) (21)をセパレー夕'（6 )を挟んで重ね、各分極性電極（20) (21)の外側に金属製の集電電極（3 ) (30)を取り付けている。分極性電極（20) (21)は、粉末状又は繊維状の活性炭にポリピロール等の導電性高分子化合物を加えて、結合材にて固め、加圧成形して構成される。分極性電極（20) (21)内には、硫酸等の電解液が含浸されている。尚、電解液には硫酸のような水系のみならず、後記する非水系のものも用いられる。

分極性電極（20) (21)の周部は、合成樹脂製で絶縁性の封止部材（4)にて塞がれ、該封止部材（4)により、電解液がセル（2 )の外側に漏れることを防いでいる。セル（2 )は、通常は横並びに 1つ以上配列されて、電気二重層キャパシ夕（1 )を構成する。

充電時には、一方の集電電極（3 )を電源の正側、他方の集電電極（30) を電源の負側に接続して、直流電圧を印加する。正側の集電電極（3 )に接した分極性電極（20)には負イオンが、負側の集電電極（30)に接した分極性電極（21)には正イオンが夫々引きつけられ、各分極性電極（3 ) (30) に電気二重層が形成される。放電時には、集電電極（3 ) (30)を電気的に接続する。各分極性電極（2 0) (21)に蓄積された電荷が放出される。

しかし、上記電気二重層キャパシ夕では、集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)との密着性が低い。このため、分極性電極（20) (21)に含浸された電解液が集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)との間から漏れ出し、又はセル（2 )の外部の水分が封止部材（4)の内部に侵入する虞れがある。

特に、非水系の電解液の場合、外部からの水分の侵入により、セル（2 ) 内にて電気分解が発生して、電気二重層キャパシ夕としての性能低下に繋がる。

本発明の目的は、電解液の漏れや外部からの水分侵入を防ぐ電気二重層キャパシタ及び電解質電池を提供することにある。

発明の開示

電気二重層キャパシタ（ 1 )は、電解液が含浸された一対の分極性電極（2 0) (Π)をセパレ一夕（6 )を介して対向配備したセル（2 )を具え、各分極性電極（20) (21)には集電電極（3 ) (30)が取り付けられ、セル（2 )の周部は合成樹脂製の封止部材（4)にて塞がれる。

集電電極（3 ) (30)は封止部材（4)に接しながら該封止部材（4)を貫通して、封止部材（4)の外側に延び、

集電電極（3 ) (30)上にて、封止部材（4)を貫通する箇所には、粗面部 (32)が形成されている。

粗面部（32)は封止部材（ 4 )にて折曲されて、段部（34)を形成

図面の簡単な説明

図 1は、電気二重層キャパシ夕の断面図、

図 2は、段部を形成した電気二重層キャパシ夕の断面図、

図 3は、電気二重層キャパシ夕の製造方法を示す分解斜視図、

図 4は、集電電極及び第 2半体の平面図、図 5は、段部を形成した電気二重層キャパシ夕の断面図、図 6 (a)—（d)は、集電電極及び第 2半体の平面図、

図 7は、開口を形成した集電電極の斜視図、

図 8は、スリットを形成した集電電極の斜視図、

図 9は、薄肉部を形成した電気二重層キャパシ夕の断面図、

図 1 0は、樹脂層を形成した電気二重層キャパシ夕の断面図、

図 1 1は、樹脂層を形成した集電電極の斜視図、

図 1 2は、樹脂層を形成した集電電極を用いた第 2半体の斜視図、図 1 3 )—（d)は、種々の樹脂層の断面図、

図 1 4は、段部に樹脂層を形成した電気二重層キャパシ夕の断面図、図 1 5は、集電体を具えた電気二重層キャパシ夕の断面図、

図 1 6は、回路基板と電気二重層キ'ャパシ夕の平面図、

図 1 7は、従来の電気二重層キャパシタの断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一例を図を用いて詳述する。

水系及び非水系電気二重層キャパシ夕

(第 1実施例）

図 1は、本例に係わる電気二重層キャパシ夕（1 )の断面図である。セル（2 )は従来と同様に、一対の分極性電極（20) (21)をセパレ一夕（6 )を挟んで重ね、各分極性電極（20) (21)の外側に集電電極（3 ) (30)を取り付けて構成される。集電電極（3 )'(30)は、ステンレス、タングステン、ァルミニゥム等の金属板である。以下の説明では、上側の分極性電極（21) を負極、下側の分極性電極（20)を正極とする。

封止部材（4)は、中央部に凹み（42)を形成した直方体状の第 1半体（4 0)及び第 2半体（41)を上下に配備して構成され、互いの凹み（42) (42)の開口を合わせている。両凹み（42) (42)内に、分極性電極（20) (21)とセパレー夕（6 )が配備され、集電電極（3 ) (30)は、対応する半体（40) (41)を貫通して外側に突出し、半体（40) (41)の側面及び下面に沿って折曲される。

分極性電極（20) (21)は、粉末状又は繊維状の活性炭、又はフラーレン、カーボンンナノチューブ等のカーボンナノマテリアルから形成される。第 1半体（40)及び第 2半体（41)はガラス、セラミック又は絶縁性の合成樹脂から形成され、絶縁性樹脂としては、変形ポリアミド、ナイロン樹脂、ポリエチェンテレフ夕レート、ポリプロピレン、ポリフエ二レンサルフアイド等が挙げられる。

また、分極性電極（20) (21)に含浸される電解液には、硫酸、水酸化力リゥム溶液等の水系電解液の他に、トリーェチル—メチルーアンモニゥム一テトラ一フルオローボレイド（E t ₃M e N B F₄)ゃテトラ一ェチル —アンモニゥムーテトラ—フルオローポレイド（E t ₄N B F 4)等の電解質を非プロトン性有機溶媒に溶かした非水系の電解液が使用される。非プロトン性有機溶媒として、カーボネート、ラクトン、二トリル、アミド、ニトロアルカン、スルホン、スルホキシド、ホスフェード、ジニトリル、又は、エーテル二トリルのような二官能性溶媒が使用される _P 更に、セパレー夕（6 )には、ガラス繊維不織布、パルプの抄紙、ポリ四フッ化工チレン（P T F E)等の絶縁性樹脂で形成されたフィルム等が用いられる。

負極である集電電極（3 )は、分極性電極（21)に接した水平部（31)と、該水平部（31)に斃がり第 1半体（40)を貫通する粗面部（32)と、該粗面部 (32)から第 1半体（40)及び第 2半体（41)に沿って折曲された露出部（33) を具える。粗面部（32)は第 1半体（40)に密に接する。

正極である集電電極（30)は、負極の集電電極（3 )と同様に、水平部（3 1)と、該水平部（31)に繋がり第 2半体（41)を貫通する粗面部（32)と、露出部（33)を具える。粗面部（32)には、粗面化処理が施されており、中心線平均粗さが 0 . 3 m以上である。粗面化処理は、エッチング、サンドブラスト、ローレット目、サンドぺーパ等によりなされる。

封止部材（4 )を貫通する箇所に粗面部（32)を設けることにより、封止部材（4 )と集電電極（3 )との密着性が高くなる。また、封止部材（4 )と集電電極（3 )との接触面積を大きくできる。これにより、封止部材（4 ) の内側から電解液が漏れたり、封止部材（4 )の外側から水分が進入する虞れを防止できる。

電解液の漏れ及びセル（2 )の外部からの水分が侵入することを効果的に防止すべく、図 2に示す構成も考えられる。これは、粗面部（32)を 2 段に折曲レた段部（34)としている。

該粗面部（32)を段部（34)とすることにより、粗面部（32)が直線の場合に比べて長い。このため、封止部材（4 )の外部からセル（2 )内に達する水分の経路は長くなり、電解液の漏れや外部からの水分の侵入を、さらに阻止することができる。また、粗面部（32)に折り曲げ加工を施すことにより、集電電極（3 ) (30)を封止部材（4 )の外面に沿って折曲する際に、集電電極（3 ) (30)が第 1半体（40)及び第 2半体（41 )内にて動くことが阻止される。これにより、電気二重層キャパシタ（1 )の性能を安定化させ、歩留りの向上を図ることができる。

電気二重層キャパシ夕の製造方法

図 1に示す電気二重層キャパシタ（1 )のセル（2 )は、図 3に示す如く、構成される。負極となる集電電極（3 )上にインサート成形により、第 1 半体（40)を形成する。第 1半体（40)の凹み（図示せず）は開口を下に向けている。同様にして、正極となる集電電極（30)上にインサート成形により、第 2半体（41 )を形成し、該第 2半体（4 1 )の凹み（42)は開口を上に向けている。両半体（40) (41)の凹み（42)内に、セパレー夕（6 )を挟んで、一対の分極性電極（20) (21)を配備する。セパレー夕（6 )及び分極性電極（20) (21) には予め電解液が真空充填により含浸されている。両半体（40) (41)を突き合わせた後に、両半体（40) (41)の周縁部を超音波溶着等により接合する。その後、集電電極（3 ) (30)の露出部（33)を両半体（40) (41)の周面に沿って下向きに曲げて、図 1 に示す電気二重層キャパシ夕（1 )が完成する。

(第 2実施例）

本例にあっては、集電電極（3 ) (30)上に樹脂充填部（5 )を設けた点に特徴がある。図 4は、本例に於ける集電電極（30)及び第 2半体（41)の平面図である。集電電極（30)上には、第 2半体（41)を構成する樹脂にて充填される樹脂充填部（5)、具体的には円形の開口（50) (50)が開設されている。該開口（50) (50)を樹脂にて充填することにより、集電電極（30)と第 2半体（41)の密着性が高くなる。また、図 4に矢印 Xで示すように、凹み（42)から封止部材（4)の外部に流れる電解液の経路は、開口（50)の周面を伝うから、該経路が長くなる。これにより、封止部材（4)の内側から電解液が漏れたり、封止部材（4 )の外側から水分が進入する虞れを防止できる。勿論、他方の集電電極（3 )に開口（50) (50)を設けてもよい。樹脂充填部（5 )として、図 6 (a) _ (c)に示すように、集電電極（30)上に開設したスリット（51)、メッシュ（52)でもよい。スリット（51)、メッシュ（52)は打ち抜き加工により形成される。また、図 6 (d)に示すように、スリット（51)とメッシュ（52)を組みあわせてもよい。

更に、図 5に示すように、集電電極（3 ) (30)上に、 2段に折曲されて水平板（34a)と垂直板（34b)を一体に具えた段部（34)を形成し、該段部（3 4)上に樹脂充填部（5 )を設けてもよい。図 7及び図 8は、該段部（34)を形成した集電電極（3 )の斜視図である。樹脂充填部（5 )は、開口（50)であっても、スリット（51)であってもよい。

図 7の段部（34)の水平板（34a)の開口（50)と、垂直板（34b)の開口（50) は横方向に互いにずれている。具体的には、垂直板（34b)の開口（50) (50) 間の下側に、水平板（34a)の開口（50)が位置する。これにより、例えば垂直板（34b)の開口（50)の周面から流れる電解液は、図 7に矢印 X 1で示すように、該開口（50)の周面を伝う。ところが、電解液が矢印 X 2で示すように、垂直板（34b)の開口（50) (50)の間をすり抜けることもある。しかし、■かかる電解液は、水平板（34a)の開口（50)の周面を伝う。結局、封止部材（4)の外部に流れる電解液の経路は長くなり、電解液の漏れ及び封止部材（4)の外側からの水分進入の虞れを防止できる。図 8に示すように、水平板（34a)のスリット（51)と、垂直板（34b)のスリット（51)が横方向に互いにずれていてもよい。

更に、図 9に示すように、集電電極（3 ) (30)上にて両半体（40) (41)が接する箇所に、断面が細くなつた薄肉部（35)を形成してもよい。この場合、薄肉部（35)上に封止部材（4)を形成する樹脂が充填されるから、薄肉部（35)が樹脂充填部（5 )となる。該薄肉部（35)を設けることにより、集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)との接触面積が減る。これにより、電解液の漏れ及び封止部材（4 )の外側からの水分進入の虞れを防止できる。

(第 3実施例）

本例にあっては、集電電極（3 ) (30)上に樹脂層（8 )を形成し、該樹脂層（8 )を介して集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)が接合される点に特徴がある。図 1 0は、本例に於ける電気二重層キャパシ夕（1 )の断面図である。樹脂層（8)は封止部材（4)の材料よりも、集電電極（3 ) (30)と密着しやすい材料から形成される。具体的には封止部材（4)が液晶ポリマ一、ポリプロピレンから形成さ ήていれば、樹脂層（8 )はエポキシ樹脂から形成される。樹脂層（8)を形成することにより、集電電極（30)と封止部材（4)の密着性が高くなる。これにより、封止部材（4)の内側から電解液が漏れたり、封止部材（4)の外側から水分が進入する虞れを防止できる。

樹脂層（8 )は、図 1 3 (a)— (d)に示すように、封止部材（4)の外側や凹み（42)内にはみ出てもよい。但し、封止部材（4)と集電電極（3 ) (30) を密着させるには、樹脂層（8 )の長さは、集電電極（3) (30)が封止部材 (4)の側部に接する長さ L 1の 7 0 %程度必要である。

また、樹脂層（8)の厚みは、 l O O ^m以下で 1 /xm以上であるのが好ましい。樹脂層（8 )が薄すぎる又は厚すぎると、集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)の接合強度が低下する。更に、樹脂層（8)を形成する樹脂が、封止部材（4)を形成する樹脂よりも吸水率が高い場合に、樹脂層 (8)が厚すぎると、樹脂層（8)内の水分が封止部材（4)内部に進入する虞れがある。故に、樹脂層（8 )の厚みを上記の値に設定している。

電気二重層キャパシ夕の製造方法

本例の電気二重層キャパシタ（ 1 )は、以下の如く形成される。

先ず図 1 1に示すように、集電電極（30)の幅方向に沿って樹脂層（8) となる液状のエポキシ樹脂を塗布する。エポキシ樹脂は、集電電極（30) の表裏両面に亘つて塗布される。エポキシ樹脂が乾燥した後に、集電電極（30)にインサー成形して図 1 2に示すように、第 2半体（41)を形成する。第 2半体（41)の側部に、樹脂層（8 )が位置する。上記同様にして、第 1半体（40)を形成する。両半体（40) (41)内にセパレ一夕（6 )及び分極性電極（20) (21)を配備し、両半体（40) (41)を突き合わせれば、電気二重層キャパシタ（ 1 )が形成される。図 1 4に示すように、集電電極（3 ) (3 0)上にて、封止部材（ 4 )の側部に埋設される箇所に、段部（34)を形成し、該段部（34)上に樹脂層（8 )を形成してもよい。また、図 1 5に示すように、分極性電極（20) (21)と、対応する集電電極（30) (3 )との間に、集電体（85) (85)を設けてもよい。集電電極（30) (3)上にて封止部材（4)の側部に埋設された箇所には、樹脂層（8)が形成されている。集電体（85) (85)は集電電極（3 ) (30)とは異なる金属にて形成されており、具体的には集電電極（3 ) (30)が銅又はニッケル等から形成されているのに対し、集電体（85) (85)はステンレス、アルミニウム又はタングステン等から形成されている。集電体（85) (85)は金属箔からなり、或いは集電電極（3 ) (30)上にプラズマ溶射等で形成される。

水系又は非水系電解質電池

本発明は、水系又は非水系電解質電池にも応用できる。

電解質電池は、上記電気二重層キャパシ夕とは、一部の材料が異なるだけで、構造、製造方法は実質的に同じである。

非水系電解質電池の場合、上記電気二重層キャパシ夕の分極性電極は、正活物質体、負活物質体に置き換わる。正活物質体としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム等の粉末を加圧成形又は焼結したものがあり、負活物質体として、グラフアイト系炭素材料ゃコ一クス系炭素材料の粉末を加圧成形又は焼結したものがある。

また、電解液には、リチウム塩を溶解させた有機溶媒が使用される。リチウム塩として、 L i B F₄、 L i C I O" L i P F" L i A s F" L i (C F₃〇₂)₂N、 L i C₄F_SS〇₃を例示でき、有機溶媒としてプロピレンカーボネート、ガンマプチロラクトン、又はこれらの何れかと鎖状炭酸エステルとの混合液がある。鎖状炭酸エステルとして、ジメチルカーポネート（DMC、 D E C), ェチルメチルカ一ポネート（EMC)がある。

セパレ一夕には、ポリオフィレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。正極の集電電極（30)は、アルミニゥム等で形成され、負極の集電電極（3 )は、銅等で形成される。

リチウムイオン電池のような水系電解質電池の場合は、正活物質体としてニッケル酸化物の粉末又はペレツトを焼結又は圧縮成形したものがあり、負活物質体として、 Mm— N i — C o— M n— A l (Mmは希土類元素の混合物）系の水素吸蔵合金粉末又はペレツトを焼結又は圧縮成形したものがある。

また、電解液には、水酸化カリウム溶液又は高分子ヒドロゲル電解質溶液が使用される。セパレー夕には、スルホン化ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。

電気二重層キャパシ夕及び電解質電池は、一般に直方体又は扁平円形である。しかし、扁平円形の場合は、図 1 6に斜線で示すように、回路基板（7 )に実装したときに、デッドスペース（70)が生じるので、回路基板（7 )上の面積を有効に用いるには、直方体の形状が好ましい。

産業上の利用可能性

本発明の電気二重層キャパシ夕（1 )にあっては、封止部材（4)を貫通する箇所に粗面部（32)を設けている。従って、封止部材（4)と集電電極 (3 )との密着性が高くなる。また、封止部材（4)と集電電極（3 )との接触面積を大きくできる。これにより、封止部材（4)の内側から電解液が漏れたり、封止部材（4)の外側から水分が進入する虞れを防止できる。

また、粗面部（32)を段部（34)とすることにより、粗面部（32)が直線の場合に比べて長い。このため、封止部材（4)の外部からセル（2 )内に達する水分の経路は長くなり、電解液の漏れや外部からの水分の侵入を、さらに阻止することができる。また、粗面部（32)に折り曲げ加工を施すことにより、集電電極（3 ) (30)を封止部材（4)の外面に沿って折曲する際に、集電電極（ 3 ) (30)が第 1半体（40)及び第 2半体（41)内にて動くことが阻止される。これにより、電気二重層キャパシタ（1 )の性能を安定化させ、歩留りの向上を図ることができる。

Claims

請求の範囲

1. 電解液が含浸された一対の分極性電極（20) (21)をセパレ一夕（6 )を介して対向配備したセル（2 )を具え、各分極性電極（20) (21)には集電電極（3 ) (30)が取り付けられ、セル（2 )の周部は合成樹脂製の封止部材 (4)にて塞がれ、

集電電極（3 ) (30)上にて、封止部材（4)を貫通する箇所には、粗面部 (32)が形成されたことを特徴とする電気二重層キャパシ夕。

2. 粗面部（32)は封止部材（4)にて折曲されて、段部（34)を形成した請求項 1に記載の電気二重層キャパシ夕。

3. 電解液が含浸された一対の分極性電極（20) (21)をセパレ一夕（6 )を介して対向配備したセル（2 )を具え、各分極性電極（20) (21)には集電電極（3 ) (30)が取り付けられ、セル（2 )の周部は合成樹脂製の封止部材 (4)にて塞がれ、封止部材（4)は 2つの半体（40) (41)を合わせて形成され、各半体（40) (41)にはセル（2 )がはまるべき凹み（42)が設けられ、各集電電極（3 ) (30)上にて、凹み（42)の周部には、封止部材（4)を構成する樹脂にて充填される樹脂充填部（5 )が設けられたことを特徴とする電気二重層キャパシ夕。

4. 集電電極（3 ) (30)は封止部材（4)内にて折曲されて、段部（34)を形成した請求項 3に記載の電気二重層キャパシタ。

5. 樹脂充填部（5 )は、開口（50)、スリット（51)、メッシュ（52)、薄肉部（35)の何れかである請求項 3に記載の電気二重層キャパシ夕。

6. 電解液が含浸された一対の分極性電極（20) (21)をセパレー夕（6 )を介して対向配備したセル（2 )を具え、各分極性電極（20) (21)には集電電極（3 ) (30)が取り付けられ、セル（2 )の周部は合成樹脂製の封止部材 (4)にて塞がれ、

集電電極（ 3 ) (30)は封止部材（4 )に接しながら該封止部材（4 )を貫通して、封止部材（4)の外側に延び、

集電電極（3 ) (30)上には、樹脂層（8 )が形成され、該樹脂層（8 )を介して集電電極（3 ) (30)と封止部材（4)が接合されることを特徴とする電気二重層キャパシ夕。

7. 分極性電極（20) (21)と、対応する集電電極（30) (3 )との間に、集電体（85) (85)を設けた請求項 6に記載の電気二重層キャパシ夕。

8. 電解液が含浸された一対の活物質体をセパレー夕（6 )を介して対向配備したセル（2 )を具え、各活物質体には集電電極（3 ) (30)が取り付けられ、セル（2 )の周部は合成樹脂製の封止部材（4)にて塞がれ、

集電電極（3 ) (30)上にて、封止部材（4)を貫通する箇所には、粗面部 (32)が形成されたことを特徴とする電解質電池。