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JP2001338844A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

電気二重層コンデンサ

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JP2001338844A
JP2001338844A JP2000160579A JP2000160579A JP2001338844A JP 2001338844 A JP2001338844 A JP 2001338844A JP 2000160579 A JP2000160579 A JP 2000160579A JP 2000160579 A JP2000160579 A JP 2000160579A JP 2001338844 A JP2001338844 A JP 2001338844A
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current collector
electric double
layer capacitor
polarizable electrode
polarizable
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JP2000160579A
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Kenji Shimazu
健児 島津
Kazuo Ikuta
和雄 生田
Makoto Higashibetsupu
誠 東別府
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Kyocera Corp
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Kyocera Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

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  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型化、低コスト化でき、かつ分極性電極間お
よび集電体の位置ずれを防止できるとともに、充放電サ
イクルの早期段階で高い静電容量を確保できる電気二重
層コンデンサを提供する。 【解決手段】一対の分極性電極2、2間にセパレータ3
を積層するとともに、一対の分極性電極2、2のセパレ
ータ3積層面と反対の表面それぞれに集電体4を積層し
たセル6を少なくとも1組具備し、分極性電極2の集電
体4との積層面に少なくとも1つの突起部7を形成する
とともに、突起部7を集電体4に形成した貫通孔8内に
挿入した電気二重層コンデンサ1を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、充放電可能な電源
用として有用な電気二重層コンデンサに関するものであ
る。
【0002】
【従来技術】電気二重層コンデンサは、電極と電解液と
の界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を
利用したコンデンサで、コンデンサと電池の両方の機能
を兼ね備えたものであり、従来のコンデンサと比較して
大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が
可能であることから、小型のメモリーバックアップ電源
や自動車の駆動源等、大容量モータなどの補助電源とし
て注目されている。
【0003】従来の電気二重層コンデンサの一例として
は、一対の板状の分極性電極間に板状のセパレータを介
在させるとともに、前記分極性電極の他方の表面それぞ
れに板状の集電体を積層し、かつ該積層体を封止材にて
封止した構成からなる積層型電気二重層コンデンサが知
られている。
【0004】例えば、特開平7−86098号公報で
は、集電体内部に凹部を形成し、該凹部内に分極性電極
を形成するための活性炭を含有するペーストを流し込ん
で同時焼成することにより、集電体と分極性電極とを一
体的に形成しこの間の内部抵抗を低減できることが記載
されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
板状の分極性電極、セパレータ、集電体を用いる積層型
の電気二重層コンデンサでは、製造工程における積層時
あるいは使用時に各層間に位置ずれが発生し、積層体の
接触状態を良好にして内部抵抗を低減するために積層体
をかしめた際に、かしめ圧に圧力ムラが生じて内部抵抗
が増大し電気二重層コンデンサの静電容量が低下する等
の問題があった。
【0006】また、上記特開平7−86098号公報の
電気二重層コンデンサでは、焼成によって分極性電極が
収縮してしまい、分極性電極が箱状の集電体容器高さよ
りも低くなる結果、分極性電極と、該分極性電極の表面
に積層されるセパレータとの間に隙間が生じて内部抵抗
が高くなるという問題があった。
【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、電気二重層コンデンサの製造
時および使用時の位置ずれを防止でき、静電容量が高
く、内部抵抗を低減できる電気二重層コンデンサを提供
することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、分極性電
極と集電体の構造について検討した結果、集電体内に貫
通孔を設け、該貫通孔内に分極性電極表面に形成した突
起部を挿入することによって、分極性電極と集電体間の
位置ずれを防止でき、積層体をかしめた時の圧力ムラを
抑制できることから、内部抵抗を低減して静電容量を高
めることができることを知見した。
【0009】すなわち、本発明の電気二重層コンデンサ
は、一対の分極性電極間にセパレータを積層するととも
に、前記一対の分極性電極の前記セパレータ積層面と反
対の表面それぞれに集電体を積層したセルを少なくとも
1組具備してなるものであって、前記分極性電極の前記
集電体との積層面に少なくとも1つの突起部を形成する
とともに、該突起部を前記集電体に形成した貫通孔内に
挿入してなることを特徴とするものである。
【0010】ここで、前記セルを複数組積層するととも
に、前記集電体を介して隣接する前記分極性電極間が前
記集電体の貫通孔内の前記突起部を介して接触してなる
ことが望ましく、特に、前記分極性電極の突起部の先端
が、該分極性電極に積層される集電体を介して隣接する
分極性電極内に埋設されてなるものであってもよい。
【0011】また、前記集電体内に形成される貫通孔の
総面積が該集電体全体に対して4〜40%であることが
望ましい。
【0012】また、本発明の他の電気二重層コンデンサ
は、一対の分極性電極間にセパレータを積層するととも
に、前記分極性電極の他方の表面それぞれに集電体を積
層したセルを少なくとも1組具備してなるものであっ
て、前記分極性電極内に凹部を形成するとともに、該凹
部内に前記集電体の少なくとも一部を埋設してなること
を特徴とするものである。
【0013】ここで、前記セルを複数組積層するととも
に、前記集電体を介して隣接する前記分極性電極同士が
前記凹部の外周部間で接触してなることが望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の電気二重層コンデンサの
第一の実施態様についての概略断面図である図1、およ
び図1の電気二重層コンデンサの集電体と分極性電極と
の積層部についての分解斜視図である図2を基に説明す
る。
【0015】図1、2によれば、電気二重層コンデンサ
1は、2枚の分極性電極2、2間にセパレータ3が配
設、積層されており、また、分極性電極2、2のセパレ
ータ3の積層面とは反対の面には集電体4がそれぞれ積
層、接着され、セル6を形成している。そして、隣接す
るセパレータ3、3間に位置する分極性電極2−集電体
4−分極性電極2は、正極または負極をなし、セパレー
タ3を挟んで対向する分極性電極2−集電体4(−分極
性電極2)が対極をなすように形成されている。
【0016】本発明によれば、分極性電極2の集電体4
との積層面に少なくとも1つの突起部7を形成するとと
もに、分極性電極2の突起部7を該分極性電極2と積層
される集電体4内に形成した貫通孔8内に挿入してなる
ことが大きな特徴であり、これによって電気二重層コン
デンサ1中の分極性電極2の体積比率を高めて小型化、
大容量化が可能であり、かつ集電体4と分極性電極2の
位置ずれを防止できることから積層体をかしめた時の圧
力ムラを抑制でき、安定した静電容量を得ることができ
る。
【0017】ここで、突起部7形成部以外の分極性電極
2の厚みは、内部抵抗の低減の観点から1.5mm以
下、特に0.6mm以下であることが好ましく、突起部
7の形状は、局所的な応力集中をなくし容易に製造でき
る点で、断面が直径2〜10mmの円柱形状であること
が望ましい。また、静電容量を高め、電解液の充填性を
高めるとともに、分極性電極2と集電体4との間の内部
抵抗を低めるためには、集電体4内に形成される貫通孔
8の総面積が集電体4全体に対して4〜40%、特に1
0〜30%であることが望ましい。
【0018】また、突起部7の配置は、図3の貫通孔8
部分の拡大断面図に示すように(a)分極性電極2aの
突起部7が集電体4を介して対向する分極性電極2bに
接触しないものであってもよいが、集電体4を介して隣
接する分極性電極2a、2b間が該集電体4の貫通孔8
内の突起部7を介して接触することにより、分極性電極
2a、2b内に含浸される電解液の含浸時の充填速度を
速めることができる結果、電気二重層コンデンサ1の初
期における静電容量不足および充電時間を短縮すること
ができることから、図3(b)に示すように、分極性電
極2aの突起部7aと分極性電極2bの突起部7bとが
貫通孔8内で接触するもの、(c)分極性電極2aの突
起部7aが分極性電極7b表面に接触するもの、(d)
分極性電極2aの突起部7aが分極性電極2b内に埋設
されるものであってもよい。
【0019】したがって、突起部7の高さは、上記
(b)の構成によれば集電体4の厚みの1/2程度、製
造の容易性の点で上記(c)の構成によれば集電体4の
厚みと同じ、または、上記(d)の構成によれば、集電
体4の厚みより高く形成される。なお、上記(d)の構
成によれば、前記分極性電極2b内に突起7aの先端部
を挿入するための凹部9が形成される。
【0020】ところで、分極性電極2は、高い比表面積
を有する活性炭と、前記活性炭粒子を結合するバインダ
またはその炭化物を主成分とするものであり、コンデン
サの高静電容量を維持し、構造体として必要な強度を得
るためには、前記活性炭の比表面積が1000〜220
0m2/gであることが望ましい。
【0021】なお、前記結合剤としてバインダを炭化し
た炭化物が含有される場合、前記活性炭粒子間に存在す
るが、前記活性炭層に占める割合が5〜50重量%であ
ることが望ましく、これにより前記活性炭粒子間の焼結
性及び結合性を高めることができる。
【0022】さらに、分極性電極2は板状体からなり、
コンデンサ製造時の取り扱いや使用時の振動、衝撃等に
耐えうる機械的強度という信頼性の点でJISR160
1に準じた室温における3点曲げ強度が30kPa以
上、特に60kPa以上であることが望ましい。
【0023】また、分極性電極2表面に形成される突起
部7は、分極性電極2と同じ成分からなり一体的に形成
されるものであることが望ましく、突起部7の形成方法
としては、突起部7形成用の凹部を刻設した成形型を用
いてプレス成形、ロール成形等によって形成するか、突
起部7形成用の凹部を底面に刻設した石膏型を用いて鋳
込み成形により形成することもできる。さらには、ドク
ターブレード、カレンダーロール等の公知のテープ成型
法によりグリーンシートを作製し、突起部7形成用の凹
部を刻設した成形型を用いて圧延することもできる。
【0024】一方、集電体4は、導電性を有するアルミ
ニウム、チタン、タンタル、白金、金等の金属箔、ステ
ンレス鋼などにより形成され、分極性電極2、2間で電
荷をやり取りするが、特に耐電圧の高い非水電解液に対
する耐食性の点でアルミニウムを主体とする金属箔から
なることが好ましく、耐電解液性の各種金属を使用する
ことが好ましい。また、集電体4の厚みは内部抵抗を低
減するためには薄いものが好ましいが組立て時の取り扱
いなどによる破損を考慮すると0.02〜0.15mm
程度が好ましく、さらに、集電体4と外部回路基板とを
接続するために集電体4の外周部には端子部9が形成さ
れることが望ましい。
【0025】また、集電体4内に貫通孔8を形成するに
は、ドリル等により研削するか、またはレーザー照射等
によって開孔することができ、さらには打抜き機によっ
て打抜いて形成することもできる。
【0026】他方、セパレータ3は、パルプやポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフロライド(P
VdF)等の有機フィルムまたはガラス繊維不織布及び
セラミックスなどを用いることができ、分極性電極2、
2間を絶縁するために形成されるものであるが、分極性
電極2内に含有される電解液中のイオンを透過させるこ
とができる多孔質体により形成される。セパレータ3の
厚みは、ショートを防止し、内部抵抗を低減するために
0.02〜0.1mmの厚みが好ましい。
【0027】また、分極性電極2と、セパレータ3に
は、硫酸や硝酸などの水溶液や、エチレンカーボネート
(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレン
カーボネート(BC)、γ―ブチロラクトン(γ―B
L)、N,N−ジメチルホルムアミド、スルホラン、3
−メチルスルホラン等の非水溶媒とテトラエチルアンモ
ニウムテトラフルオロボレート等の4級アンモニウム
塩、4級スルホニウム塩、4級ホスホニウム塩等の電解
質を組み合わせた非水電解液等の電解液が含浸される
が、本発明においては分解電圧の高い非水系電解液を用
いることが望ましい。なお、前記電解質の前記非水系溶
媒に対する溶解量は、0.5mol/l〜2.0mol
/lとすることが安定し、かつ高い静電容量を得る点で
好ましい。
【0028】また、電気二重層コンデンサ1によれば、
分極性電極2、2、セパレータ3、集電体4のセル複数
層が封止材5によって密閉封止されている。封止材5
は、袋状体からなり、分極性電極2、セパレータ3、集
電体4の積層体を端子部9の一部を除いて封入するもの
であり、電気二重層コンデンサ1内に外気や水分等が浸
入することを防止する。
【0029】封止材5としては、例えば、少なくとも封
止部に熱融着性を示す樹脂が配され、かつ、内部にアル
ミニウム等の金属箔を介在させたラミネートフィルム等
を挙げることができる。具体的には、封止部側から外面
に向かって積層した酸変性ポリプロピレン(PP)/ポ
リエチレンテレフタレート(PET)/Al箔/PETの
ラミネートフィルム、酸変性ポリエチレン(PE)/ナ
イロン/Al箔/PETのラミネートフィルム、アイオノ
マー/Ni箔/PE/PETのラミネートフィルム、エチ
レンビニルアセテート(EVA)/PE/Al箔/PET
のラミネートフィルム、アイオノマー/PET/Al箔/
PETのラミネートフィルム等を用いることができる。
【0030】ここで、封止部側の樹脂は、酸変性ポリエ
チレン(PE)、酸変性ポリプロピレン(PP)、アイ
オノマー、エチレンビニルアセテート(EVA)等の防
湿性、耐通気性、耐薬品性を有するものからなることが
望ましい。なお、集電体4の端子部9は対極間で接触し
ない位置に配設されるが、セル6が複数層形成され同極
の端子部9が複数本存在する場合には、これらを溶接等
によって束ねることが望ましく、端子部9がさらにリー
ド9aと接続されていてもよい。
【0031】また、図1乃至3の電気二重層コンデンサ
1では、分極性電極2内に突起部7を形成したものであ
ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、集電
体の表面から所定の高さを分極性電極内に埋設したもの
であってもよい。そこで、本発明の第二の実施態様につ
いて、集電体と分極性電極との積層部の分解斜視図であ
る図4を基に説明する。
【0032】図4によれば、電気二重層コンデンサ10
の分極性電極11の表面には凹部12が形成され、凹部
12内には集電体13が埋設されており、これによっ
て、コンデンサ中の分極性電極11の体積比率を高めて
小型化、大容量化が可能で、かつ集電体13と分極性電
極11の位置ずれを防止して安定した静電容量を得るこ
とができる。
【0033】分極性電極11の凹部12の深さは、分極
性電極11の集電体13を介して対向する分極性電極
(図示せず)との接触性を高め内部抵抗を低減する点
で、集電体13の厚み以下であることが望ましく、特
に、凹部12の深さは集電体13の半分程度の厚みであ
ることが望ましい。また、集電体13を固定して位置ず
れを防止する点で0.02〜0.10mmであることが
望ましい。
【0034】また、電気二重層コンデンサ10の静電容
量を高め、電解液の充填性を高めるとともに、分極性電
極11と集電体13との間の内部抵抗を低めるために
は、分極性電極11表面に占める凹部12の面積比率が
85〜97%であることが望ましい。
【0035】なお、凹部12の周縁には集電体13に接
続する端子部14を埋設するための溝部15が形成され
ることが望ましい。
【0036】
【実施例】(実施例1)BET値が2000m2/gの
活性炭粉末試料100重量部に対して、ポリビニルブチ
ラール(PVB)を50重量部混合して高速混合攪拌機
にて攪拌し、得られた粉体を40メッシュでメッシュパ
スを行った後、多数の突起部を有する円筒状の成形型を
用いてロール成形を行い、所定形状にカットして表面に
突起部が形成されたシート状成形体を作製した。そし
て、該成形体を、真空中、900℃で熱処理を行い、直
径8mm×高さ0.10mmの円柱形状の突起部を4つ
有する50mm×50mm×厚み0.5mmの固形状活
性炭質構造体を4枚作製した。
【0037】一方、(株)日本高度紙社製のセルロース
セパレータ52mm×52mm×厚み0.05mmをカ
ットしてセパレータとし、また、50mm×50mm×
厚み0.10mmでその一端に10mm×10mmの端
子部を形成するとともに、分極性電極の突起部が形成さ
れる所定位置に、直径8mm貫通孔を形成したアルミニ
ウム箔からなる集電体を打抜き機によって打ち抜いて準
備した。なお、集電体中の貫通孔の数は、積層体内部に
積層され両面に分極性電極を形成するものについては8
個、積層体端部に積層され片側のみに分極性電極を積層
するものについては4個形成した。
【0038】また、電解質としてテトラエチルアンモニ
ウムテトラフルオロボレート(Et 4NBF4)を非水溶
媒であるプロピレンカーボネート(PC)に溶解させて
濃度1.0mol/lになるように調製した。
【0039】そして、上述の固形状活性炭質構造体にお
いて突起部が形成された面が上記集電体表面に積層され
るように載置するとともに、前記突起部を集電体の貫通
孔内にそれぞれ挿入して、集電体の両面に固形状活性炭
質構造体を積層した。さらに、これら2枚の固形状活性
炭質構造体の集電体積層面とは反対の表面それぞれにセ
パレータを配設して積層体を形成した。なお、集電体の
端子部は積層体の同じ側面側に、隣接する集電体間が接
触せず1層おきに重なるようにして突出させた。そし
て、1層おきに重なる端子部同士を束ねるとともにその
先端部に10mm(巾)×50mm(長さ)、厚さ0.
2mmのリードを溶接固定した。
【0040】そして、上記積層体をポリエチレンテレフ
タレート(PET)、Al箔、ポリエチレンテレフタレ
ート(PET)、熱融着性樹脂フィルムの順に積層され
たラミネートフィルムからなる袋状体の封止材内にリー
ドの先端が開口部から突出するように挿入し、該袋状体
内に電解液を所定量充填した後、200℃で袋状体の開
口部を封着し、容量が100Fの電気二重層コンデンサ
を作製した。
【0041】得られた電気二重層コンデンサについて、
電流(I)0.15Aで電圧(V)3.0Vまで充電
し、さらに2時間の定電圧充電を行い、電流(I)0.
15Aで0Vまで放電したときに要する時間tを測定
し、静電容量(C)=電流(I)×時間(t)/電圧
(V)にて静電容量を測定したところ、100Fであっ
た。また、上記充放電サイクルを1サイクルとして2サ
イクル以降、測定サイクル50まで繰り返した後でも静
電容量は100Fであった。
【0042】また、50個のコンデンサについて静電容
量を測定し、そのばらつきを算出したところ、100±
1Fであった。
【0043】(実施例2)実施例1の電気二重層コンデ
ンサに対して、分極性電極(固形状活性炭質構造体)表
面の突起部の高さを0.25mmとするとともに、集電
体を介して隣接する分極性電極表面の突起部を埋設する
ため、直径8mm×深さ0.15mmの凹部を形成し
て、該凹部内に前記突起部を挿入する以外は、実施例1
と同様に電気二重層コンデンサを作製した。
【0044】実施例1と同様に評価した結果、1サイク
ル目の静電容量100F、2サイクル以降、測定サイク
ル50まで繰り返した後でも静電容量は100Fであ
り、静電容量のばらつきは100±1Fであった。
【0045】(実施例3)実施例1の分極性電極(固形
状活性炭質構造体)に対して、該分極性電極の集電体積
層面に、48mm×48mm×深さ0.05mmの凹部
とそれと連結した10×10mmの端子部埋設用の溝部
を形成した形状の分極性電極を作製し、2枚の分極性電
極の凹部および溝内に48mm×48mm×厚さ0.1
0mmの集電体および10×10mmの端子部を収納し
て挟持する以外は、実施例1と同様に電気二重層コンデ
ンサを作製した。
【0046】実施例1と同様に評価した結果、1サイク
ル目の静電容量95F、2サイクル以降は測定サイクル
50まで繰り返した後でも静電容量は100Fであり、
静電容量のばらつきは100±1Fであった。
【0047】(比較例)実施例1の分極性電極に対し
て、突起部を形成せず平板状とし、かつ実施例1の集電
体に対して、集電体内に貫通孔を形成しない以外は実施
例1と同様に電気二重層コンデンサを作製し、評価した
結果、1サイクル目の静電容量90F、2サイクル目で
は96F、3サイクル以降で測定サイクル50まで繰り
返した後静電容量が100Fとなった。
【0048】また、実施例1と同様に静電容量のばらつ
きを測定したところ、50個中2個についてはショート
してしまった。このショートしたコンデンサについて、
内部の積層状態を観察した結果、分極性電極が位置ずれ
し、セパレータからはみ出して対極をなす集電体の端子
部に接触していることを確認した。
【0049】また、ショートしない他の48個のコンデ
ンサについて静電容量のばらつきを測定した結果、97
±3Fであった。
【0050】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
分極性電極の表面に突起部を設けて突起部を集電体の貫
通孔に挿入するか、あるいは、分極性電極の表面に凹部
を設け該凹部内に集電体を収納することによって、分極
性電極と集電体の位置ずれによるショートを防止するこ
とができるとともに、電解液の部材への均一な含浸性が
高められた結果、充放電サイクルの早期段階で高い静電
容量を確保できる電気二重層コンデンサを提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気二重層コンデンサの一例について
の概略断面図である。
【図2】図1の電気二重層コンデンサの集電体及び分極
性電極の積層状態をしめす分解斜視図である。
【図3】本発明の電気二重層コンデンサの集電体の貫通
孔と分極性電極の突起部との構成を説明するための概略
断面図である。
【図4】本発明の電気二重層コンデンサの他の一例につ
いて、集電体及び分極性電極の積層状態を示す分解斜視
図である。
【符号の説明】
1、10 電気二重層コンデンサ 2、11 分極性電極 3 セパレータ 4、13 集電体 5 封止材 6 セル 7 突起部 8 貫通孔 9、14 端子部 9a リード 12 凹部 15 溝部

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の分極性電極間にセパレータを積層す
    るとともに、前記一対の分極性電極の前記セパレータ積
    層面と反対の表面それぞれに集電体を積層したセルを少
    なくとも1組具備してなる電気二重層コンデンサにおい
    て、前記分極性電極の前記集電体との積層面に少なくと
    も1つの突起部を形成するとともに、該突起部を前記集
    電体に形成した貫通孔内に挿入してなることを特徴とす
    る電気二重層コンデンサ。
  2. 【請求項2】前記セルを複数組積層するとともに、前記
    集電体を介して隣接する前記分極性電極間が前記集電体
    の貫通孔内の前記突起部を介して接触してなることを特
    徴とする請求項1記載の電気二重層コンデンサ。
  3. 【請求項3】前記分極性電極の突起部の先端が、該分極
    性電極に積層される集電体を介して隣接する分極性電極
    内に埋設されてなることを特徴とする請求項1または2
    記載の電気二重層コンデンサ。
  4. 【請求項4】前記集電体内に形成される貫通孔の総面積
    が該集電体全体に対して4〜40%であることを特徴と
    する請求項1乃至3のいずれか記載の電気二重層コンデ
    ンサ。
  5. 【請求項5】一対の分極性電極間にセパレータを積層す
    るとともに、前記分極性電極の他方の表面それぞれに集
    電体を積層したセルを少なくとも1組具備してなる電気
    二重層コンデンサにおいて、前記分極性電極内に凹部を
    形成するとともに、該凹部内に前記集電体の少なくとも
    一部を埋設してなることを特徴とする電気二重層コンデ
    ンサ。
  6. 【請求項6】前記セルを複数組積層するとともに、前記
    集電体を介して隣接する前記分極性電極同士が前記凹部
    の外周部間で接触してなることを特徴とする請求項5記
    載の電気二重層コンデンサ。
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