JP2007110061A - 電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート及びこれを用いた電気二重層キャパシタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な方法で多数の分離膜を当該位置に精密に配置できる電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート及びこれを用いた電気二重層キャパシタの製造方法を提供する。
【解決手段】電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート３１は、複数の分離膜３１ａと、この複数の分離膜３１ａを保持する樹脂フィルム３１ｂとを含んで構成され、前記分離膜３１ａは前記樹脂フィルム３１ｂ内に所定の間隔で配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は電気二重層キャパシタに関し、さらに詳しくは、電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート及びこれを用いた電気二重層キャパシタの製造方法に関するものである。

一般的なキャパシタは、対向する二つの電極間に誘電体を介在することでその材料が有する誘導率によって蓄積される電荷量、すなわち、キャパシタの静電容量が決定される。

電気二重層キャパシタは、誘電体を用いる一般的なキャパシタとは異なり、固体と液体のように異なる２つの相が接触する界面に正（＋）と負（−）の電荷が非常に短い距離を置いて分布することによってキャパシタを形成する。

この界面に分布した層を「電気二重層（Electric Double layer）」といい、これを用いたキャパシタが電気二重層キャパシタとして分類される。

電気二重層キャパシタの固体に表面積が大きな素材を使用し、電気二重層をたくさん形成することによって、大容量を得ることができる。従って、電気二重層キャパシタの固体には表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上の活性炭粉末や活性炭繊維を、液体には希硫酸水溶液などをそれぞれ使用することで、従来のキャパシタの容量領域をかなり超過する、高容量のキャパシタを得ることができる。

このような電気二重層キャパシタは、電解コンデンサーと二次電池との中間的な特性を有するエネルギー貯蔵装置であって、急速充放電が可能で、その高い効率、半永久的な寿命特性などにより、二次電池との併用又は二次電池を代替可能なエネルギー貯蔵装置として注目されている。

また、電気二重層キャパシタは、電池とは違ってエネルギーを短時間に蓄積又は出力することができ、整流回路、雑音減衰並びに電源用パルス発生などに利用されている。また、他の電気化学キャパシタに比べて容量が飛躍的に増大し、高出力パルスパワー能力と高容量エネルギー貯蔵能力とを有しているので、電池とともに小型軽量の電気化学的エネルギー貯蔵装置、大出力のパルスパワー及びピークパワーの負荷平準化用としての応用が推進されている。

さらに、種々のエネルギー貯蔵装置の中でも、環境親和的材料を使用しており、また、長寿命と高い充放電効率をなどによって環境的、経済的な側面で電気二重層キャパシタの重要性がさらに増している。このような電気二重層キャパシタは、軍事用、宇宙航空用、医療用、電気自動車（ＨＥＶ）などの高付加装備の大出力のパルスパワーの主電源や補助電源として使われることが展望されている。

図３（ａ）は、従来の電気二重層キャパシタの構成を概念的に示した断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の基本セルの構成を概念的に示した断面図である。

図３（ａ）に示されるように、従来の電気二重層キャパシタ１は一つ以上の基本セル１０からなる。ここでは基本セル１０を５層直列で積層した多層セル２０を例として示している。厚さ方向の両端の基本セル１０の外側表面には、リード端子を有する電極板（リード線付き電極番）２１がそれぞれ接着されており、これら全体は外装パッケージ２２で外装（パッケージング）されている。なお、外装（パッケージング）工程は通常減圧下で行われる。

リード端子付き電極板２１は銅表面に半田鍍金を実施して作られ、平板型電極板本体２４と、その電極板本体２４から延びた帯状のリード端子２５とを有している。電極板本体２４は多層セル２０の積層方向での両端の基本セル１０、１０の外側面と導電性接着剤などを通じて接合される。

図３（ｂ）に示されるように、基本セル１０は、シート型多孔質の分離膜（セパレータ）１１と、分離膜１１の表面側及び裏面側に該分離膜に合わせて（対応して）配置される一対の平板型分極電極１２、１２と、これらの分極電極１２、１２の分離膜１１に対した側とは反対側に該分極電極１２、１２に合わせて（対応して）配置される一対のシート型集電体１３、１３と、分離膜１１及び分極電極１２、１２（の厚さ方向に直交する方向）の周囲に配置されるとともに集電体１３、１３間に介在されたフレーム形状のガスケット１４とを有し、その内部に電解液が含まれた状態で密封される。

以下、基本セル１０の製造方法について図４を参照して説明する。図４は、従来の電気二重層キャパシタの製造方法の一部を概念的に示した断面図である。

図４（ａ）に示されるように、集電体１２を準備し、これを図４（ｂ）に示されるように、適当な大きさに切断する。集電体１２には絶縁性樹脂と導電体とで構成される導電性フィルムが使われる。

次に、図４（ｃ）に示されるように、集電体１２の表面に開口部を持つフレーム形状のガスケット１４を設ける。具体的には、集電体１２の表面の外延部にフレーム形状のガスケット１４が設けられ、その（ガスケット１４の）開口部で集電体１２の表面の一部が露出された状態になる。

次に、図４（ｄ）に示されるように、露出された集電体１２の表面に分極電極１３を形成し、さらに、図４（ｅ）に示されるように、ガスケット１４の開口部を覆うように分離膜１１が設けられる。

次に、図４（ｆ）に示されるように、分離膜１１を介して、図４（ａ）ないし図４（ｄ）によって形成された中間生成物を対向配置する。

そして、最後に、図４（ｆ）に示されるように、（二つの中間生成物を対向配置した）構造体を上下方向で熱圧着してガスケット１４、１４が互いに熱融着することによって、図４（ｇ）に示される基本セルを完成する。

ところで、１枚の集電体フィルムから、多数の基本セルを含む基本セルアレイを製造しようとする場合、上記従来の製造方法によると、多数の分離膜をそれぞれのガスケット上に精密に配置しなければならない。しかし、分離膜を精密に（適切に）配置することは非常に難しいことから、簡便な方法で精密に分離膜を配置できる技術に対する開発が求められるようになった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためのものであり、簡単な方法で多数の分離膜を所定の位置に精密に配置することのできる電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート及びこれを用いた電気二重層キャパシタの製造方法を提供すること目的とする。

上記目的の達成のために、本発明に係る電気二重層キャパシタ用分離膜シートは、複数の分離膜と、前記複数の分離膜を保持する樹脂フィルムと、を含んで構成され、前記複数の分離膜は前記樹脂フィルム内に所定の間隔で配置されたことを特徴とする。

また、本発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法は、（ａ）集電体上に複数の分極電極を形成する段階と、（ｂ）各分極電極の周囲を囲むガスケットを設ける段階と、（ｃ）複数の分離膜が樹脂フィルム内に所定の間隔で配置されて構成される分離膜シートを前記ガスケット上に設ける段階と、（ｄ）分離膜シートを介して、前記分極電極を形勢する段階及び前記ガスケットを設ける段階を含む工程によって作られた二つの中間生成物を対向配置する段階と、（ｅ）前記二つの中間生成物のガスケットと前記分離膜シートの樹脂フィルムとを熱融着して、前記二つの中間生成物を一体化する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によると、一つの工程で多数の基本セルを製造する電気二重層キャパシタの製造において、多数の分離膜を所定の位置に一挙に配置することができるので、製造工程を従来に比べて単純化することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の好ましい実施形態に係る電気二重層キャパシタ用分離膜シートの平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。

図１（ａ）に示されるように、分離膜シート３１は、樹脂フィルム３１ｂと、この樹脂フィルム３１ｂ内に一定の間隔で配置された多数の分離膜（セパレータ）３１ａと、を含んで構成される。

分離膜３１ａとしては、非電子伝導性であり、イオン透過性を持つ多孔性フィルムが使われることが好ましいが、特に、これらに限定されるものではない。このような多孔性フィルムは、例えば、ポリプロフィレン、ポリエチレンまたはガラス繊維などを素材にしたシート型のものである。

図１（ｂ）に示されるように、分離膜シート３１において、各分離膜３１ａは、樹脂フィルム３１ｂによって、その端部を保持される。ここで、各分離膜３１ａの間隔は、図示しない基本セルアレイの設計条件等によって適宜設定することができる。

樹脂フィルム３１ｂの材料は、後述するガスケット３４と熱圧着するときに融着され得る物質でなければならない。また、融着後、分離膜３１ａを通じた電解質の流出を防げる物質でなければならない。具体的には、樹脂フィルム３１ｂは、熱可塑性樹脂であることが好ましく、より好ましくは、ＡＢＳ、ブチルゴム、ポリオレフィン系樹脂などの樹脂である。

分離膜３１ａ及び樹脂フィルム３１ｂは、図示されるようにほぼ同じ厚さであることが好ましいが、必ずしも同じ厚さである必要はない。

次に、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの製造方法を添付図面を参照して説明する。

図２は、本発明の好ましい実施形態に係る電気二重層キャパシタの製造方法の一部を概念的に示した断面図である。

図２（ａ）に示されるように、まず、集電体（集電体フィルム）３３上に多数の分極電極３２を形成する。分極電極３２は、例えば、集電体フィルム３３の上部にマスク（図示省略）を設け、該マスクに形成された開口を通じて、分極電極３２を構成する物質、例えば、導電材粉末にバインダー及び溶媒を混合したスラリーを噴射して所定のパターンを形成し、これを熱風などにより乾燥させた後、ローラ（図示省略）を利用して熱圧着する方法によって形成することができるが、これに限定される必要はなく、本発明の技術分野の熟練者によって様々な応用が可能である。

分極電極３２の構成成分中のバインダーは、電極を構成する導電材粉末間の決着力や分極電極３２と集電体フィルム３３との間の決着力を付与して電極密度（ｇ／ｃｍ^２）及び構成成分間の接触抵抗を減少させる役割を果たす。

なお、かかるバインダーには、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニル、ポリビニルピロリドン、メチルセルロースなどが使われるのが好ましい。

また、導電材としては、例えば、顆粒状のアセチレンブラック，スーパーＰブラック（Super P Black）、カーボンブラック、活性カーボン、ハードカーボン（Hard carbon）、ソフトカーボン（Soft carbon）、グラファイト（Graphite）、金属粉末（Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、ステンレススチールまたはこれらの金属のうちの一種類以上を含む合金）と、これらの金属を無電解鍍金によってカーボンブラック（Carbon black）、活性カーボン（Activated carbon）、ハードカーボン（Hard carbon）、ソフトカーボン（Soft carbon）、グラファイト（Graphite）にコーティングした粉末の中から一種類または２種類以上が混合されたものを使用することができるが、これらに限定されるものではない。

集電体フィルム３３は、炭素粉末を含有するスチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体樹脂からなる導電性フィルムであることが好ましいが、これに限定される必要はない。

分極電極３２を集電体フィルム３３上に形成した後に、図２（ｂ）に示されるように、真空中で分極電極３２に電解液を注入する。電解液としては、硫酸や水酸化カリウムなどを水に溶解させた水溶液系の電解液、プロピレンカボネートなどの有機溶媒に電解質として４級アンモニア塩を溶解させた有機系の電解液を使用することができるが、これらに限定されるもののではない。また、本実施形態では、後述するガスケット３４を設置する前に電解液を注入しているが、必要に応じて、ガスケット３４の設置後に電解液を注入するようにしても良い。

次に、図２（ｃ）に示されるように、分極電極３２を受納できる（各分極電極３２を受け入れる）開口を持つ、例えば、フレーム形状のガスケット３４を設ける。ガスケット３４の材質には、例えば、ＡＢＳ、ブチルゴム、ポリオレフィン系樹脂などの樹脂が使われるが、無色透明なポリオレフィン系樹脂が好ましい。

次に、図２（ｄ）に示されるように、ガスケット３４上に、上述した分離膜シート３１を設ける。このとき、隣接する分離膜３１ａ、３１ａの間にある樹脂フィルム３１ｂがガスケット３４の上端面の中央部に位置することが好ましい。

次に、図２（ｅ）に示されるように、図２（ａ）ないし図２（ｃ）の工程によって製造された中間生成物を、分離膜シート３１を介して互いに対向するように設ける。そして、分離膜シート３１を介して対向するガスケット３４、３４と（その間にある）分離膜シート３１の樹脂フィルム３１ｂとが互いに融着されるように、（対向配置した）中間生成物を上下方向で熱圧着して、図２（ｆ）に示されるような構造体を製造する。このガスケット３４、３４と分離膜シート３１の樹脂フィルム３１ｂと間の融着された部分により、分離膜３１を通じて電解質が流出されるのを防ぐことができる。

最後に、図２（ｆ）に示されるように、隣接する分離膜３１ａ、３１ａの間を横切る点線に沿って、構造体を切断して複数の基本セル３０を製造する。

図示しないが、上記の方法によって製造された複数の基本セル３０を厚さ方向に積層した後に、上下両端（最も外側）にある基本セル３０の集電体３３表面に外部電極を付着して、外装パッケージで外装（パッケージング）して最終的な電気二重層キャパシタを製造することができる。

以上で説明した実施形態は、本発明の例示の目的のために開示されたものであり、本発明の技術分野に属する通常の知識を有した当業者であるならば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能である。従って、このような修正、変更及び付加は本発明の特許請求の範囲に属するものである。

（ａ）本発明の好ましい実施形態に係る分離膜シートの平面図、（ｂ）Ｉ−Ｉ断面図、である。 本発明の好ましい実施形態に係る電気二重層キャパシタの製造方法の一部を概念的に示した断面図である。 （ａ）従来の電気二重層キャパシタの構成を概念的に示した断面図、（ｂ）従来の電気二重層キャパシタの基本セルの構成を概念的に示した断面図、である。 従来の電気二重層キャパシタの製造方法の一部を概念的に示した断面図である。

符号の説明

３０ 基本セル
３１ 分離膜シート
３１ａ 分離膜
３１ｂ 樹脂フィルム
３２ 分極電極
３３ 集電体フィルム
３４ ガスケット

Claims (6)

1. 複数の分離膜と、
   前記複数の分離膜を保持する樹脂フィルムと、を含んで構成され、
   前記複数の分離膜は、前記樹脂フィルム内に所定の間隔で配置されたことを特徴とする電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート。
2. 前記樹脂フィルムは、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ製造用分離膜シート。
3. 集電体上に複数の分極電極を形成する段階と、
   各分極電極の周囲を囲むガスケットを設ける段階と、
   複数の分離膜が樹脂フィルム内に所定の間隔で配置されて構成される分離膜シートを前記ガスケット上に設ける段階と、
   前記分離膜シートを介して、前記分極電極を形成する段階及び前記ガスケットを設ける段階を含む工程によって作られた二つの中間生成物を対向配置する段階と、
   前記二つの中間生成物のガスケットと前記分離膜シートの樹脂フィルムとを熱融着して、前記二つの中間生成物を一体化する段階と、
   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。
4. 前記分極電極を形成する段階と前記ガスケットを設ける段階との間に、前記分極電極に電解液を注入する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
5. 前記ガスケットを設ける段階と前記分離膜シートを前記ガスケット上に設ける段階との間に、前記分極電極に電解液を注入する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
6. 前記集電体は、炭素粉末を含有する導電性樹脂フィルムからなることを特徴とする請求項３に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。

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