WO2007055348A1 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

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electric double
double layer
layer capacitor
openings
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Motohiro Sakata
Hideki Shimamoto
Keiichi Kondou
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • the present invention relates to an electric double layer capacitor used in various electronic devices.
  • An electrical double layer capacitor includes a capacitor element having a pair of polarizable electrodes and a separator provided therebetween.
  • the capacitor element is inserted into the case together with the electrolyte and sealed.
  • the polarizable electrode has a current collector.
  • electric double-layer capacitors have a large output density and can instantaneously flow large currents, and are used in power assists for electric vehicles, etc., and uninterruptible power supplies.
  • electric double layer capacitors it is required to obtain higher power density and energy density, and to improve the reliability against continuous voltage application and the durability against repeated charging and discharging cycles. In particular, it is very important to obtain high power density and energy density in electric double layer capacitors for automotive applications.
  • electrolyte ions are adsorbed and desorbed to the electrode to store and release charges, and thus have high power density and excellent low temperature characteristics as compared with a battery involving a chemical reaction.
  • the power density depends on the internal resistance and voltage in the electric double layer capacitor, and the internal resistance needs to be reduced to improve the power density.
  • the bonding strength between the electrode body and the current collector is Need to improve.
  • it is effective to make the current collector thin and improve the occupancy rate of the electrode layer in the cell, and a current collector having a large strength is desired to make the thickness thin. .
  • Patent document 1 discloses a current collector made of an aluminum net and a current collector made of an aluminum foil having a roughened surface.
  • Patent Document 2 discloses a current collector made of aluminum expanded metal. Even with these current collectors, the increase in contact area, the increase in bonding strength, and the thinning of the current collector are not sufficient for certain application fields such as automobiles. Key In a current collector having a simple opening like spand metal, by making the opening wide, the electrode bodies provided on both sides of the current collector can be bonded to each other to increase the bonding strength.
  • the opening is made wide, the strength of the current collector is reduced, so the current collector can not be made thin, and furthermore, the effective area of the current collector is reduced, so the contact area of the current collector with the electrode body becomes smaller and the internal resistance of the electric double layer capacitor is increased.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-162510
  • Patent Document 2 US Patent No. 4,327,400
  • An electric double layer capacitor comprises a case, an electrolytic solution filled in the case, and an electrode foil immersed in the electrolytic solution.
  • the electrode foil has a current collector and an electrode layer covering the current collector.
  • the current collector has a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the current collector is formed with a plurality of openings penetrating between the first surface and the second surface.
  • the current collector is located at the edge of at least one of the plurality of openings, has a protrusion which also projects the first surface force, and is inserted into the electrode layer.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially broken perspective view of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of an electrode foil of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of another electrode foil of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 4A is a plan view of a current collector of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 4B is a plan view of another current collector of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 5 shows the evaluation results of the characteristics of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of still another electrode foil of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of still another current collector of the electric double layer capacitor in the embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the current collector shown in FIG. 7 taken along line 8-8.
  • FIG. 9 is an enlarged plan view of the current collector shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electric double layer capacitor 1001 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially broken perspective view of the electric double layer capacitor 1001.
  • the electric double layer capacitor 1001 includes an aluminum case 21, an electrolytic solution 22 filled in the case 21, two electrode foils 23 immersed in the electrolytic solution 22, and two insulating films. Separator 24 and case And a sealing rubber 27 for sealing 21.
  • the electrode foils 23 and the separators 24 are alternately stacked and wound. That is, the two electrode foils 23 are mutually insulated by the separator 24 disposed therebetween.
  • Aluminum lead wires 26 are connected to the two electrode foils 23 respectively. The lead wire 26 is pulled out of the case 21 through the sealing rubber 27.
  • the electrode foil 23 has a current collector 31 made of aluminum and an electrode layer 25 including activated carbon covering both sides of the current collector 31.
  • the electrode layer 25 is made of activated carbon, conductive carbon, carboxymethylcellulose and polytetrafluoroethylene.
  • the electrolytic solution 22 contains, in the electrolyte, an electrolyte composed of tetraethyl ammonium tetrafluoroborane and a solvent composed of polycarbonate.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the electrode foil 23.
  • the current collector 31 is made of metal foil made of aluminum, and has a surface 31A and a surface 31B opposite to the surface 31A.
  • the surfaces 31 A, 31 B of the current collector 31 are covered with the electrode layer 25.
  • the current collector 31 is formed with a plurality of openings 33 penetrating the surfaces 31A and 31B, and the current collector 31 has a projection 32 projecting from the surface 31A at the edge 33A of the opening 33.
  • the adhesion effect between the current collector 31 and the electrode layer 25 is increased even if the opening 33 is not wide due to the anchor effect obtained by the protrusion 32 penetrating into the electrode layer 25.
  • the surface area of the current collector 31 can be increased even if the opening 33 is widened, the internal resistance of the electric double layer capacitor 1001 can be reduced. Since the distance between the active material contained in the electrode layer 25 and the current collector 31 can be shortened by the protrusions 32, the internal resistance can be reduced. As shown in FIG. 2, the tension generated by winding the electrode foil 23 is applied to the current collector 31, but the protrusion 32 can increase the strength of the current collector 31, and the tension to the tension is large. Resistance is obtained. The depth at which the protrusion 32 penetrates the electrode layer 25 depends on the height D 2 of the protrusion 32, and the height D 2 of the protrusion 32 depends on the diameter D 1 of the opening 33.
  • the diameter D1 of the opening 33 is preferably 20 ⁇ m or more
  • the height D2 of the protrusion 32 is preferably 10 ⁇ m or more.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of another electrode foil 123 according to the embodiment.
  • the electrode foil 123 comprises a current collector 131 having faces 131A, 131B.
  • the electrode layer 25 is provided on the surfaces 131A and 131B.
  • the current collector 131 is formed with a plurality of openings 133 penetrating the surfaces 131A and 131B,
  • the current collector 131 has a protrusion 132 projecting from the surface 131 A at the edge 133 A of the opening 133 and a protrusion 232 also projecting a surface 131 B force at the edge 133 A of the opening 133.
  • the current collector 131 has the same effect as the current collector 31 shown in FIG. 3A.
  • the opening 133 provided with the protrusion 132 and the opening 133 provided with the protrusion 232 are adjacent to each other.
  • FIG. 4A is a plan view of the current collector 31.
  • the plurality of square openings 33 formed in the current collector 31 are arranged in a predetermined rule.
  • the ratio R (%) of the total area Sp of the plurality of openings 33 to the area SA1 of the current collector 31 including the openings 33 is determined as follows.
  • the ratio R is preferably 10% to 90%. If the ratio R is less than 10%, the protrusions 32 become small, and it is not possible to greatly increase the bonding strength beyond which the anchor effect is obtained, and the internal resistance can not be greatly reduced. If the ratio R is more than 90%, it is not suitable because the strength of the current collector 31 can not withstand the tension generated when winding the electrode foil 23.
  • FIG. 4B is a plan view of another current collector 331.
  • the current collector 331 is formed with a regular hexagonal opening 333 and has a h cam structure.
  • a face is divided into compartments of the same figure of equal area, in the case of a circle, octagon, or pentagon, an unnecessary void is generated between the compartments, and furthermore, walls having different shapes are provided between the compartments. And waste of material. If it is divided into triangular, square, and hexagonal sections, the walls between the adjacent sections have the same shape and there is no void.
  • it when divided into the same area, it is a hexagon that has the shortest total length of the side of the section.
  • the current collector having the hexagonal opening can be made of the least material.
  • the hexagonal opening is not deformed by a large force from various directions, and is resistant to expansion and contraction and twisting. That is, it is preferable to make the current collector thinner because the regular hexagonal opening makes the strength of the current collector greater than that of the square opening shown in FIG. 4A.
  • the evaluation results of the characteristics of the electric double layer capacitor 1001 are shown in FIG.
  • the characteristics evaluated are the flexibility of the electrode foil 23, which is an index of the bonding strength, and the internal resistance of the electric double layer capacitor 1001.
  • the flexibility of the electrode foil 23 is indicated by the minimum diameter of the cylinder when no abnormality such as a crack is confirmed in the electrode foil 23 by winding the electrode foil 23 around a cylinder. This diameter is smaller
  • the electrode foil 23 has a large flexibility, and the bonding strength between the current collector 31 and the electrode layer 25 is large.
  • the electric double layer capacitor of the comparative example is provided with an electrode foil having a current collector, which does not have an opening and a protrusion.
  • Example 1 is an electric double layer capacitor provided with a current collector 31 shown in FIG. 3A. From Example 1, the bonding strength of the electrode foil 23 between the current collector 31 and the electrode layer 25 and the flexibility of the electrode foil 23 of Example 1 provided with the current collector 31 are larger than the internal resistance 70.8 ⁇ . Reduced to
  • Example 2 is an electric double layer capacitor provided with a current collector 131 shown in FIG. 3 ⁇ .
  • Example 2 compared with Example 1, the internal resistance of the capacitor in which the bonding strength between the current collector 131 and the electrode layer 25 and the flexibility of the electrode foil were further increased was reduced to 47.2 ⁇ .
  • Example 3 is an electric double layer capacitor provided with a current collector 331 of the nozzle-cam structure shown in FIG. 4 ⁇ .
  • the current collector having the regular hexagonal opening increases the bonding strength between the current collector and the electrode layer, reduces the thickness of the current collector to 15 m, and increases the flexibility.
  • the internal resistance of the electric double layer capacitor of Example 3 was reduced to 45.8 ⁇ .
  • the current collectors 31, 131 and 331 are aluminum, titanium, niobium, tantalum, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, antimony, magnesium which is a metal which forms a passive film by anodic oxidation. Alternatively, a mixture of them can be used.
  • the thickness of the current collectors 31, 131, 331 is preferably 15 m or more and 100 m or less. When the thickness of the current collectors 31, 131 and 331 is less than 15 ⁇ m, the electrode foils 23 and 123 may be cut due to the tension generated at the time of winding. When the thickness of the current collectors 31, 131, 331 exceeds 100 m, it becomes difficult to wind the electrode box 23, 123.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of still another electrode foil 223 of the electric double layer capacitor 1001 according to the embodiment.
  • the electrode foil 223 includes a current collector 131 shown in FIG. 3B and a carbon-based primer layer 52 covering the current collector 131, and the electrode layer 25 covers the primer layer 52.
  • the current collectors 131 and the primer layer 52 function as current collectors 431.
  • the primer layer 52 is firmly bonded to the electrode layer 25 so that the current collector 131 and the electrode layer 25 can be firmly bonded.
  • Example 4 shown in FIG. 5 is an electric double layer capacitor provided with a primer layer 52.
  • the bonding strength between the current collector 131 and the electrode layer 25 was increased by the primer layer 52, and the high conductivity of the primer layer 52, which increased the flexibility of the electrode foil 223, reduced the internal resistance to 43.3 ⁇ ⁇ .
  • Example 5 of FIG. 5 is an electric double layer capacitor in which the shape of the opening of the current collector of Example 4 is a regular hexagon shown in FIG. 4B. By making the shape of the opening regular hexagonal, the bonding strength between the current collector and the electrode layer is further increased, and after the thickness of the current collector is reduced to 15 / z m, the flexibility is increased and the internal resistance is increased. Can be reduced to 41. 8 ⁇ ⁇ .
  • FIG. 7 is a plan view of still another current collector 61 according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a current collector 61 shown in FIG. 7 taken along line 8-8.
  • the current collector 61 is made of aluminum, and an opening 62 is formed. Around the opening 62, there is formed a laminated portion 63 in which the material of the current collector 61 is superimposed.
  • the projection 32 shown in FIG. 3 is bent by a roll press to form the overlapping portion 63.
  • the diameter D3 of the opening 62 is 5 m.
  • the thickness of the current collector 61 is 15 m.
  • the opening 62 has a star-like shape which is indeterminate in polygonal shape.
  • An irregular polygonal shape is a shape that is difficult to describe in geometrical shapes such as a quadrangle, a hexagon, a circle, and an ellipse, and is formed by a closed line in which a straight line and a curve are mixed.
  • the polygonal irregularly shaped opening 62 can be obtained, for example, by roll-pressing the current collectors 31 and 131 shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the protrusions 32, 132 protruding from the current collectors 31, 131 before the roll press are bent in a direction parallel to the current collectors 31, 131 after the roll press to form the overlapping portion 63.
  • the height of the overlapping portion 63 is almost zero, and it is difficult to completely become zero due to the variation in force processing.
  • the position of the current collector 61 can be easily controlled, and the application accuracy can be improved.
  • the current collector 61 makes it possible to reduce the internal resistance of the electric double layer capacitor while increasing the substantial productivity.
  • FIG. 9 is an enlarged plan view of the current collector 61 and shows the opening 62.
  • the diameter D3 of the polygonal irregularly shaped opening 62 is defined as follows. Define a straight line 362 perpendicular to tangent 262 passing through point 82 on edge 162 of opening 62 and passing through point 82. Straight line 362 intersects edge 162 and defines point 82 and another point 83. The smallest distance between the point 82 and the point 83 is defined as the diameter D 3 of the opening 62.
  • the diameter D3 is preferably 0.01 to 50 ⁇ m. In the embodiment, the diameter D3 is 5 ⁇ m. When the diameter D3 of the opening 62 is less than 0.01 ⁇ m, the opening 62 is As the on moves, the internal resistance increases.
  • the diameter D3 exceeds 50 m, the viscosity of the liquid applied to the current collector 61 to form the electrode layer 25 becomes high, and the liquid leaks from the opening 62. Therefore, the liquid should be applied with high accuracy. I can not However, if the diameter of the electrolyte ion is small, the internal resistance may not increase even if the diameter D3 of the opening 62 is less than 0.01 m.
  • Example 6 of FIG. 5 is an electric double layer capacitor provided with a current collector 61 shown in FIGS. 7 to 9.
  • the diameter D3 of the opening 62 is 5 m, and the electrode layer 25 can be formed of the liquid for forming the electrode layers of Examples 1-5.
  • the thickness of the current collector 61 can be reduced to 15 m, and the flexibility can reduce the internal resistance to 41.6 ⁇ .
  • Example 6 the current collector 61 is formed by pressing the current collector 31 shown in FIG. 3A, and the overlapping portion 63 is formed only on one side of the current collector 61.
  • the current collector 61 may be formed by pressing the current collector 131 shown in FIG. 3A.
  • the overlapping portions 63 are provided on both sides of the current collector.
  • the current collectors 31, 61, 131, 331 are made of aluminum.
  • the current collector is hard to be alloyed with lithium such as copper and nickel, and may be formed of metal. This can prevent the current collector from alloying with lithium when the potential of the electrode foil decreases.
  • the current collector may be a negative electrode, and the current collector to be a positive electrode may be made of aluminum. That is, in this case, the current collector to be the positive electrode and the current collector to be the negative electrode are formed of different materials.
  • the lithium ion in the electrolytic solution is easily diffused to the electrode foil by the opening 62 of the current collector 61 of Example 6, and the time for inserting the lithium ion into the electrode foil Can be shortened.
  • the shape of the opening of the current collector to be the positive electrode may be different from the shape of the opening of the current collector to be the negative electrode.
  • the diameter of the opening of the current collector to be the positive electrode may be different from the diameter of the opening of the current collector to be the negative electrode.
  • the ratio of the area of the total of the plurality of openings to the area including the plurality of openings of the current collector to be the positive electrode is the ratio of the area to the plurality of openings of the current collector to be the negative electrode. Different from the ratio of the total area of the openings!
  • the opening may be provided in only one of the current collector as the positive electrode and the current collector as the negative electrode.
  • the shape, diameter, area, and whether or not to provide the opening may be different for the positive electrode and the negative electrode.
  • the ion species inserted or adsorbed in the positive electrode and the negative electrode are different in ion diameter including solvation.
  • the ions can be efficiently moved, and the ions are efficiently inserted or adsorbed to the positive electrode and the negative electrode. Do.
  • the height of the projection of the current collector to be the positive electrode may be different from the height of the projection of the current collector to be the negative electrode.
  • the thickness of the electrode layer may be made different between the positive electrode and the negative electrode in order to optimally design the capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode.
  • the protrusion may protrude from the surface of the electrode layer at one of the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode may short. If the protrusions of the current collector do not reach close to the surface of the electrode layer, the internal resistance can not be reduced.
  • the height of the protrusion of the current collector which is the positive electrode is different from the height of the protrusion of the current collector which is the negative electrode, so that the short circuit and the internal resistance increase. It can prevent.
  • the internal resistance is low and the internal resistance does not increase with time. Furthermore, the capacitor 1001 has a large electrical capacity because it has high power density and energy density.
  • a device that stores and releases electric energy by force physical or electrochemical ion adsorption / desorption or insertion / desorption described in the electric double layer capacitor for example, an electrochemical capacitor, an organic electrolyte battery
  • an electrochemical capacitor for example, an electrochemical capacitor, an organic electrolyte battery
  • an electricity storage device called an asymmetric capacitor, an organic electrolyte capacitor, a super capacitor or the like.
  • the electric double layer capacitor of the present invention has a large electric capacity such that the internal resistance decreases with time and the internal resistance decreases, and is useful as a power source of various electronic devices.

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Abstract

　電気二重層キャパシタは、ケースと、ケース内に充填された電解液と、電解液中に浸漬された電極箔とを備える。電極箔は、集電体と、集電体を覆う電極層とを有する。集電体は第１面と、その第１面の反対側の第２面とを有する。集電体には第１面と第２面との間を貫通する複数の開口部が形成される。集電体は、複数の開口部のうちの少なくとも１つの開口部の縁に位置して第１面から突出し、かつ電極層に挿入された突起部を有する。この電気二重層キャパシタでは、電極層と集電体の接触面積と、これらの接合強度とを大きくできかつ集電体を薄くできるので、高エネルギー密度や高出力密度が得られる。

Description

明 細 書
電気二重層キャパシタ
技術分野
[0001] 本発明は各種電子機器に使用される電気二重層キャパシタに関する。
背景技術
[0002] 電気二重層キャパシタは、一対の分極性電極と、その間に設けられたセパレータと を有するキャパシタ素子を備える。キャパシタ素子は電解液と共にケース内に挿入さ れて封止されている。分極性電極は集電体を有する。電気二重層キャパシタは、二 次電池と比較して出力密度が大きく瞬時に大電流を流すことが可能であり、電気自 動車などの動力アシスト、無停電電源装置などに活用されている。電気二重層キャパ シタに対しては、より大きな出力密度やエネルギー密度を得て、連続電圧印加に対 する信頼性、充放電サイクルの繰り返しに対する耐久性の向上が要望されている。 特に、自動車用途向けの電気二重層キャパシタでは大きな出力密度やエネルギー 密度を得ることが非常に重要である。
[0003] 電気二重層キャパシタでは、電解質イオンが電極へ吸着および脱着することで電 荷を蓄積および放出するので、化学反応を伴う電池と比較して高い出力密度と優れ た低温特性を有している。この出力密度は電気二重層キャパシタにおける内部抵抗 と電圧とに依存しており、出力密度の向上のためには内部抵抗の低減が必要である 。内部抵抗を低減するためには、電極体と集電体の接触面積を増大させることが重 要であり、内部抵抗の経時的な低下を抑制するためには電極体と集電体の接合強 度の向上が必要である。また、高エネルギー密度を得るためには集電体を薄くして、 セルにおける電極層の占有率を向上させることが効果的であり、薄くするために大き な強度を有する集電体が望まれる。
[0004] 特許文献 1はアルミニウムネットよりなる集電体と、粗面化された表面を有するアルミ ユウム箔よりなる集電体を開示して 、る。特許文献 2はアルミニウムエキスパンドメタル よりなる集電体を開示している。これらの集電体でも、接触面積の増大、接合強度の 増大および集電体の薄化は自動車などの所定の応用分野では十分ではない。ェキ スパンドメタルのように単なる開口部を有する集電体では、開口部を広くすることによ り集電体の両側に設けられた電極体を互いに接合させ、接合強度を増大させること ができる。しかし、開口部を広くすると集電体の強度が低下するので、集電体を薄く することができず、さらに、集電体の有効面積が小さくなるので集電体の電極体との 接触面積が小さくなり、電気二重層キャパシタの内部抵抗が増大する。
特許文献 1 :特開平 4— 162510号公報
特許文献 2 :米国特許第 4, 327, 400号
発明の開示
[0005] 電気二重層キャパシタは、ケースと、ケース内に充填された電解液と、電解液中に 浸潰された電極箔とを備える。電極箔は、集電体と、集電体を覆う電極層とを有する 。集電体は第 1面と、その第 1面の反対側の第 2面とを有する。集電体には第 1面と第 2面との間を貫通する複数の開口部が形成されている。集電体は、複数の開口部の うちの少なくとも 1つの開口部の縁に位置して第 1面力も突出し、かつ電極層に挿入 された突起部を有する。
[0006] この電気二重層キャパシタでは、電極層と集電体の接触面積と、これらの接合強度 とを大きくできかつ集電体を薄くできるので、高エネルギー密度や高出力密度が得ら れる。
図面の簡単な説明
[0007] [図 1]図 1は本発明の実施の形態における電気二重層キャパシタの斜視図である。
[図 2]図 2は実施の形態における電気二重層キャパシタの一部破断斜視図である。
[図 3A]図 3Aは実施の形態における電気二重層キャパシタの電極箔の断面図である
[図 3B]図 3Bは実施の形態における電気二重層キャパシタの他の電極箔の断面図で ある。
[図 4A]図 4Aは実施の形態における電気二重層キャパシタの集電体の平面図である
[図 4B]図 4Bは実施の形態における電気二重層キャパシタの他の集電体の平面図で ある。 [図 5]図 5は実施の形態における電気二重層キャパシタの特性の評価結果を示す。
[図 6]図 6は実施の形態における電気二重層キャパシタのさらに他の電極箔の断面 図である。
[図 7]図 7は実施の形態における電気二重層キャパシタのさらに他の集電体の平面 図である。
[図 8]図 8は図 7に示す集電体の線 8— 8における断面図である。
[図 9]図 9は図 7に示す集電体の拡大平面図である。
符号の説明
[0008] 21 ケース
22 電解液
31 集電体 (第 1の集電体、第 2の集電体）
25 電極層（第 1の電極層、第 2の電極層）
23 電極箔 (第 1の電極箔、第 2の電極箔）
33 開口部（第 1の開口部、第 2の開口部）
33A 開口部の縁
32 突起部 (第 1の突起部、第 3の突起部）
52 プライマー層
123 電極箔 (第 1の電極箔、第 2の電極箔）
131 集電体 (第 1の集電体、第 2の集電体）
132 突起部 (第 1の突起部、第 3の突起部）
133 開口部（第 1の開口部、第 2の開口部）
133A 開口部の縁
232 突起部 (第 2の突起部、第 4の突起部）
発明を実施するための最良の形態
[0009] 図 1は本発明の実施の形態における電気二重層キャパシタ 1001の斜視図である。
図 2は電気二重層キャパシタ 1001の一部破断斜視図である。電気二重層キャパシ タ 1001は、アルミニウム製のケース 21と、ケース 21内に充填された電解液 22と、電 解液 22中に浸漬された 2枚の電極箔 23と、絶縁性の 2枚のセパレータ 24と、ケース 21を封止する封口ゴム 27とを備える。図 2に示すように、電極箔 23とセパレータ 24と は交互に重ねられて卷回されている。すなわち 2枚の電極箔 23は、それらの間に配 置されたセパレータ 24により互いに絶縁されている。 2枚の電極箔 23にはそれぞれ アルミニウム製のリード線 26が接続されている。リード線 26は封口ゴム 27を貫通して ケース 21外に引き出されている。電極箔 23は、アルミニウム製の集電体 31と、集電 体 31の両面を覆う活性炭を含む電極層 25とを有する。電極層 25は活性炭、導電性 カーボン、カルボキシメチルセルロースおよびポリテトラフルォロエチレンから構成さ れている。電解液 22は、電解質にテトラエチルアンモ-ゥムテトラフルォロボランより なる電解質と、ポリカーボネートよりなる溶媒とを含有する。
[0010] 図 3Aは電極箔 23の断面図である。集電体 31はアルミニウム製の金属箔よりなり、 面 31Aと、面 31Aの反対側の面 31Bとを有する。集電体 31の面 31A、 31Bは電極 層 25で覆われている。集電体 31には面 31A、 31Bを貫通する複数の開口部 33が 形成され、集電体 31は開口部 33の縁 33Aで面 31Aから突出する突起部 32を有す る。突起部 32は電極層 25内に侵入することにより得られるアンカー効果により、開口 部 33が広くなくても集電体 31と電極層 25との接着強度が増大する。また、開口部 33 を広くしても集電体 31の表面積を大きくできるので、電気二重層キャパシタ 1001の 内部抵抗を小さくすることができる。突起部 32により、電極層 25に含有された活物質 と集電体 31の距離を短くすることができるので、内部抵抗を低減できる。図 2に示す ように電極箔 23が卷回されることにより発生するテンションが集電体 31にかかるが、 突起部 32により集電体 31の強度を増大させることができ、このテンションへの大きな 耐性が得られる。突起部 32が電極層 25に侵入する深さは突起部 32の高さ D2に依 存し、突起部 32の高さ D2は開口部 33の径 D1に依存している。開口部 33の径 D1 力 S小さぐ突起部 32の高さ D2が低い場合には上記の効果が小さい。したがって、開 口部 33の径 D1は 20 μ m以上が好ましぐ突起部 32の高さ D2は 10 μ m以上が好ま しい。
[0011] 図 3Bは実施の形態による他の電極箔 123の断面図である。電極箔 123は、面 131 A、 131Bを有する集電体 131を備える。電極層 25は面 131A、 131B上に設けられ ている。集電体 131には面 131A、 131Bを貫通する複数の開口部 133が形成され、 集電体 131は、開口部 133の縁 133Aで面 131Aから突出する突起部 132と、開口 部 133の縁 133Aで面 131B力も突出する突起部 232とを有する。集電体 131は図 3 Aに示す集電体 31と同様の効果を有する。複数の開口部のうち、突起部 132が設け られた開口部 133と、突起部 232が形成された開口部 133とは隣り合つている。
[0012] 図 4Aは集電体 31の平面図である。集電体 31に形成された正方形の複数の開口 部 33は所定の規則で配置されている。開口部 33を含めた集電体 31の面積 SA1に 対する複数の開口部 33の合計の面積 Spの比 R(%)を以下に定める。
[0013] R(%) =Sp/SAl X 100
比 Rは 10%以上 90%以下が好ましい。比 Rが 10%未満の場合には、突起部 32が 小さくなりアンカー効果が得られにくぐ接合強度を大きく増大させることができず、か つ内部抵抗を大きく低減させることができない。比 Rが 90%超の場合には、電極箔 2 3を卷回する時に発生するテンションに集電体 31の強度が耐えられないので適当で ない。
[0014] 図 4Bは他の集電体 331の平面図である。集電体 331は正六角形の開口部 333が 形成され、ハ-カム構造を有する。ある面を面積の等しい同一図形の区画に区切つ た場合、その図形が円や八角形、五角形の場合では各区画間に無駄な空隙が生じ 、さらに区画間に異なる様々な形状の壁を有して、材料の浪費となる。三角形、四角 形、六角形の区画に区切れば、互いに隣り合う各区画間の壁は同じ形状を有して無 駄な空隙がなくなる。これらの図形のうち、同一面積に区切った場合に、区画の辺の 長さの合計が一番短いのは六角形である。すなわち、六角形の開口部を有する集電 体が最も少ない材料で構成できる。また、四角形の開口部は斜方カもの力に弱いが 、六角形の開口部は様々な方向からの大きな力でも変形せず、伸縮やねじれに強い 。すなわち、正六角形の開口部は、図 4Aに示す四角形の開口部に比べて集電体の 強度を大きくするので、集電体を薄くすることができて好ま 、。
[0015] 電気二重層キャパシタ 1001の特性の評価結果を図 5に示す。評価した特性は、接 合強度の指標となる電極箔 23の可とう性と、電気二重層キャパシタ 1001の内部抵 抗である。なお、電極箔 23の可とう性は、円柱に電極箔 23を卷回して、電極箔 23に クラックなどの異常が確認されないときの円柱の最小の径で示す。この径が小さいほ ど電極箔 23は大きな可とう性を有し、集電体 31と電極層 25の接合強度は大き 、。
[0016] 比較例の電気二重層キャパシタは、開口部や突起部を有しな 、集電体を有する電 極箔を備える。
[0017] 実施例 1は図 3Aに示す集電体 31を備えた電気二重層キャパシタである。集電体 3 1を備えた実施例 1は、比較例より、集電体 31と電極層 25との電極箔 23の接合強度 と電極箔 23の可とう性は大きぐ内部抵抗は 70. 8πιΩに低減した。
[0018] 実施例 2は図 3Βに示す集電体 131を備えた電気二重層キャパシタである。実施例 2は、実施例 1に比べて、集電体 131と電極層 25の接合強度と電極箔の可とう性がさ らに大きぐキャパシタの内部抵抗は 47. 2πιΩに低減した。
[0019] 実施例 3は、図 4Βに示すノヽ-カム構造の集電体 331を備えた電気二重層キャパシ タである。正六角形の開口部を有する集電体により、集電体と電極層の接合強度が 増加し、集電体の厚みを 15 mと薄くし、かつ可とう性が増大する。実施例 3の電気 二重層キャパシタの内部抵抗は 45. 8πιΩに低減し。
[0020] 集電体 31、 131、 331は、陽極酸化により不動態皮膜を形成する金属であるアルミ 二ゥム、チタン、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビ スマス、アンチモン、マグネシウムあるいはそれらの混合物などを用いることができる。
[0021] 集電体 31、 131、 331の厚みは 15 m以上 100 m以下が好ましい。集電体 31、 131、 331の厚みが 15 μ m未満になると卷回時に発生するテンションにより電極箔 2 3、 123が切断される場合がある。集電体 31、 131、 331の厚みが 100 m超になる と電極箱 23、 123を卷回しにくくなる。
[0022] 図 6は実施の形態における電気二重層キャパシタ 1001のさらに他の電極箔 223の 断面図である。電極箔 223は、図 3Bに示す集電体 131と、集電体 131を覆う炭素を 主成分とするプライマー層 52とを備え、電極層 25はプライマー層 52を覆う。集電体 1 31とプライマー層 52は、集電体 431として機能する。プライマー層 52は、電極層 25 と強固に接合するので、集電体 131と電極層 25を強固に接合させることができる。
[0023] 図 5に示す実施例 4はプライマー層 52を備えた電気二重層キャパシタである。ブラ イマ一層 52により集電体 131と電極層 25の接合強度が増加し、電極箔 223の可とう 性が大きぐプライマー層 52の高い導電性により内部抵抗を 43. 3πι Ωに低減できた [0024] 図 5の実施例 5は、実施例 4の集電体の開口部の形状を図 4Bに示す正六角形にし た電気二重層キャパシタである。開口部の形状を正六角形にすることにより、さらに 集電体と電極層の接合強度が増加し、集電体の厚みを 15 /z mと薄くした上で、可とう 性を増大させ、内部抵抗を 41. 8πι Ωに低減できた。
[0025] 図 7は実施の形態によるさらに他の集電体 61の平面図である。図 8は、図 7に示す 集電体 61の線 8— 8における断面図である。集電体 61はアルミニウムよりなり、開口 部 62が形成されている。開口部 62の周囲には、集電体 61の材料が重畳している重 畳部 63が形成されている。図 3Αに示す突起部 32がロールプレスにより折り曲げられ て重畳部 63が形成されている。開口部 62の径 D3は 5 mである。集電体 61の厚み は 15 mである。
[0026] 開口部 62は多角不定形状である星型形状を有する。多角不定形状とは、四角形 や六角形や円形や楕円形などの幾何学的な形状では記述し難い形状であり、直線 と曲線が混在した閉じた線で形成される。多角不定形状の開口部 62は、たとえば、 図 3Aや図 3Bに示す集電体 31、 131をロールプレスすることにより得ることができる。 ロールプレス前に集電体 31、 131から突出する突起部 32、 132は、ロールプレス後 には集電体 31、 131と平行な方向に折り曲げられて重畳部 63を形成する。重畳部 6 3の高さはほぼ 0である力 加工バラツキにより完全に 0にはなりにくい。このように低 Vヽ重畳部 63により集電体 61に電極層 25を塗布する際に、集電体 61の位置を容易 に制御でき、塗布の精度を向上することが可能となる。集電体 61によって実質的な 生産性を高くしつつ、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低減することが可能となる
[0027] 図 9は集電体 61の拡大平面図であり、開口部 62を示す。多角不定形状の開口部 6 2の径 D3を以下のように定義する。開口部 62の縁 162上の点 82を通る接線 262と 直角でかつ点 82を通る直線 362を定義する。直線 362が縁 162と交わりかつ点 82と 別の点 83を定義する。点 82と点 83までの距離のうち最小のものを開口部 62の径 D 3と定める。径 D3は 0. 01 μ m〜50 μ mであることが好ましい。実施の形態では径 D 3は 5 μ mである。開口部 62の径 D3が 0. 01 μ m未満になると開口部 62を電解質ィ オンが移動しに《なるので内部抵抗が高くなる。径 D3が 50 mを超えると、電極層 25を形成するために集電体 61に塗布する液の粘度が高くな 、と開口部 62からその 液が漏れるので、精度良くその液を塗布することができない。ただし、電解質イオンの 径が小さいと、開口部 62の径 D3が 0. 01 m未満であっても内部抵抗が上昇しない 場合がある。
[0028] 図 5の実施例 6は図 7〜図 9に示す集電体 61を備えた電気二重層キャパシタである 。開口部 62の径 D3は 5 mであり、実施例 1〜5の電極層を形成する液で電極層 25 を形成することができる。実施例 6では、集電体 61の厚みを 15 mと薄くすることが でき、可とう性は大きぐ内部抵抗を 41. 6πι Ωに低減できた。
[0029] 実施例 6では、集電体 61は図 3Αに示す集電体 31をプレスして形成し、重畳部 63 は集電体 61の片面にのみ形成されている。開口加工を容易にするために集電体 61 を図 3Βに示す集電体 131をプレスして形成してもよぐこの場合には重畳部 63は集 電体の両面に設けられる。
[0030] 集電体 31、 61、 131、 331はアルミニウム製である。電解液 22がリチウムを含む場 合は、集電体は銅やニッケルなどのリチウムと合金化しにく 、金属より形成してもよ ヽ 。これにより、電極箔の電位が低下したときに集電体がリチウムと合金化することを防 ぐことができる。この場合には、集電体は負極となり、正極となる集電体はアルミ-ゥ ム製でもよい。すなわち、この場合は、正極となる集電体と負極となる集電体は異なる 材料より形成される。
[0031] 電極層 25がリチウムを含む場合は、実施例 6の集電体 61の開口部 62により電解液 中のリチウムイオンが電極箔に拡散しやすくなり、リチウムイオンを電極箔に挿入する 時間を短縮できる。
[0032] 正極となる集電体の開口部の形状は、負極となる集電体の開口部の形状と異なつ ていてもよい。
[0033] また、正極となる集電体の開口部の径は負極となる集電体の開口部の径と異なつ ていてもよい。
[0034] また、正極となる集電体の複数の開口部を含む面積に対する複数の開口部の合計 の面積の比は、負極となる集電体の複数の開口部を含む面積に対するその複数の 開口部の合計の面積の比と異なって!/、てもよ 、。
[0035] また、開口部は正極となる集電体と負極となる集電体の!/、ずれか一方のみに設け てもよい。
[0036] すなわち、上記のように開口部に関して、その形状ゃ径、面積、設けるか否かを正 極と負極とで異なって 、てもよ 、。正極と負極に挿入あるいは吸着されるイオン種は それぞれ溶媒和を含むイオン径が異なる。上記のように開口部に関して、その形状 ゃ径、面積、設ける力否力を正極と負極とで異ないることで、イオンが効率よく移動で き、正極と負極へイオンが効率よく挿入されまたは吸着する。
[0037] また、正極となる集電体の突起部の高さは負極となる集電体の突起部の高さと異な つていてもよい。
[0038] 電気二重層キャパシタ 1001において、正極と負極との容量比を最適に設計するた め電極層の厚みを正極と負極で異ならせる場合がある。この場合に、正極と負極の 一方で突起部が電極層の表面からはみ出る場合があり、正極と負極がショートする 場合がある。集電体の突起部が電極層の表面の近くまで到達しなかいと、内部抵抗 を低減できな!ヽ。設計された電極層の厚さに応じて正極となる集電体の突起部の高 さが負極となる集電体の突起部の高さと異なることにより、そのショートや内部抵抗が 高くなることを防止できる。
[0039] 実施の形態による電気二重層キャパシタ 1001では、内部抵抗が低ぐかつ内部抵 抗の経時的増大がない。さらにキャパシタ 1001は高い出力密度とエネルギー密度を 有するので大きな電気容量を有する。
[0040] 実施の形態では電気二重層キャパシタに説明した力 物理的または電気化学的な イオンの吸脱着や挿入脱離により、電気エネルギーを蓄積し放出するデバイス、例え ば電気化学キャパシタ、有機電解質電池、非対称キャパシタ、有機電解質キャパシ タ、スーパーキャパシタなどと呼ばれる蓄電デバイスにおいても実施の形態による突 起部を有する集電体を備えることで同様の効果が得られる。
産業上の利用可能性
[0041] 本発明の電気二重層キャパシタでは、内部抵抗が低ぐ内部抵抗の経時的増大が なぐ大きな電気容量を有し、各種電子機器の電源などに有用である。

Claims

請求の範囲
[1] ケースと、
前記ケース内に充填された電解液と、
第 1の集電体と、前記第 1の集電体を覆う第 1の電極層とを有して、前記電解液中に 浸漬された第 1の電極箔と、
を備え、
前記第 1の集電体は第 1面と、前記第 1面の反対側の第 2面とを有し、
前記第 1の集電体には前記第 1面と前記第 2面との間を貫通する複数の第 1の開口 部が形成され、
前記第 1の集電体は、前記複数の第 1の開口部のうちの少なくとも 1つの開口部の縁 に位置して前記第 1面から突出し、かつ前記第 1の電極層に挿入された第 1の突起 部を有する、電気二重層キャパシタ。
[2] 前記第 1の集電体は、前記複数の第 1の開口部のうちの他の少なくとも 1つの開口部 の縁に位置して前記第 2面から突出し、かつ前記第 1の電極層に挿入された第 2の 突起部をさらに有する、請求項 1に記載の電気二重層キャパシタ。
[3] 前記少なくとも 1つの開口部と前記他の少なくとも 1つの開口部は互いに隣り合う、請 求項 2に記載の電気二重層キャパシタ。
[4] 前記第 1の集電体は、アルミニウム、銅、チタン、ニオブ、タンタル、ニッケル、ハフ- ゥム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、マグネシウム、これら の混合物のいずれかよりなる、請求項 1に記載の電気二重層キャパシタ。
[5] 前記第 1の集電体の前記複数の第 1の開口部の径は 20 m以上である、請求項 1に 記載の電気二重層キャパシタ。
[6] 前記第 1の集電体の前記複数の第 1の開口部を含む面積に対する前記複数の第 1 の開口部の合計の面積の比は 10%〜90%である、請求項 1に記載の電気二重層キ ャパシタ。
[7] 前記複数の第 1の開口部の形状は正六角形である、請求項 1に記載の電気二重層 キャパシタ。
[8] 前記第 1の集電体の厚さは 15 m〜： LOO mである、請求項 1に記載の電気二重層 キャパシタ。
[9] 前記第 1の集電体の前記第 1の突起部の高さは 10 m以上である、請求項 1に記載 の電気二重層キャパシタ。
[10] 第 2の集電体と、前記第 2の集電体を覆う第 2の電極層とを有して、前記電解液中に 浸漬された第 2の電極箔をさらに備え、
前記第 2の集電体は第 3面と、前記第 3面の反対側の第 4面とを有し、
前記第 2の集電体には前記第 3面と前記第 4面との間を貫通する複数の第 2の開口 部が形成された、請求項 1に記載の電気二重層キャパシタ。
[11] 前記複数の第 2の開口部の形状は前記複数の第 1の開口部の形状と異なる、請求 項 10に記載の電気二重層キャパシタ。
[12] 前記複数の第 2の開口部の径は、前記複数の第 1の開口部の径と異なる、請求項 10 に記載の電気二重層キャパシタ。
[13] 前記第 1の集電体の前記複数の第 1の開口部を含む面積に対する前記複数の第 1 の開口部の合計の面積の比は、前記第 2の集電体の前記複数の第 2の開口部を含 む面積に対する前記複数の第 2の開口部の合計の面積の比と異なる、請求項 10に 記載の電気二重層キャパシタ。
[14] 前記第 1の集電体の材料は前記第 2の集電体の材料と異なる、請求項 10に記載の 電気二重層キャパシタ。
[15] 前記第 2の集電体は、前記複数の第 2の開口部のうちの少なくとも 1つの開口部の縁 に位置して前記第 3面から突出し、かつ前記第 2の電極層に挿入された第 2の突起 部を有する、請求項 10に記載の電気二重層キャパシタ。
[16] 前記第 1の突起部の高さは前記第 2の突起部の高さと異なる、請求項 15に記載の電 気二重層キャパシタ。
[17] 前記第 1の集電体と前記第 1の電極層との間に設けられて前記集電体上に設けられ た炭素を主成分とするプライマー層をさらに備えた、請求項 1に記載の電気二重層キ ャパシタ。
[18] 前記第 1の電極層は、炭素を主成分として含有する、請求項 1に記載の電気二重層 キャパシタ。
[19] 前記複数の第 1の開口部は多角不定形状を有する、請求項 1に記載の電気二重層 キャパシタ。
[20] 前記第 1の開口部の径は 0. 01 μ πι〜50 /ζ mである、請求項 19に記載の電気二重 層キャパシタ。
[21] ケースと、
前記ケース内に充填された電解液と、
集電体と、前記集電体を覆う電極層とを有して、前記電解液中に浸漬された電極箔 と、
を備え、
前記集電体は第 1面と、前記第 1面の反対側の第 2面とを有し、
前記集電体には前記第 1面と前記第 2面との間を貫通する、多角不定形状を有する 複数の開口部が形成された、電気二重層キャパシタ。
[22] 前記集電体は、アルミニウム、銅、チタン、ニオブ、タンタル、ニッケル、ハフニウム、ジ ルコ-ゥム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、マグネシウム、これらの混合 物のいずれかよりなる、請求項 21に記載の電気二重層キャパシタ。
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