JP2009117759A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】 外装体で覆われるキャパシタ素子を２個以上直列接続しても、電気二重層キャパシタ全体の厚みが従来よりも薄型となる電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】 正極および負極からなる一対の分極性電極１１を、セパレータ１２を介して対向配置した複数個のキャパシタ素子を、ラミネートフィルム１６から同方向に一部突出したリード端子１５を溶接することで直列接続するとともに、前記複数個のキャパシタ素子をそれぞれ熱可塑性絶縁性フィルム１８で仕切られた各セルに配置する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、高い耐電圧を有する電気二重層キャパシタに関する。
電気二重層キャパシタは、Ｎｉ水素二次電池やＬｉイオン二次電池などの二次電池と比べ、急速に充電ができ、大電流で放電することができると共に、１万回以上の充放電を繰り返しても、特性が劣化しないなど、従来の二次電池にはない特長を有している。このため、近年、二次電池の代替用または補助用の電力供給電源として、電気二重層キャパシタに対する期待が高まっている。
図２は、従来の電気二重層キャパシタの断面図である。電気二重層キャパシタは、正極および負極からなる一対の分極性電極２１、セパレータ２２、集電体２３、電解液２４、リード端子２５、外装体として主に使用されるラミネートフィルム２６から構成される。
電気二重層キャパシタは、活性炭を主成分とする分極性電極層を有する一対の分極性電極がセパレータを介して対向配置されることでキャパシタ素子が構成され、この分極性電極には電解液が含浸されている。これにより、上記分極性電極層と電解液との界面に電気二重層が形成される。電気二重層キャパシタに電圧が印加されると、電気二重層の静電容量に従い電荷が蓄積される（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来の電気二重層キャパシタを直列に接続した場合の断面図である。図２に示した第１の電気二重層キャパシタのリード端子３５の一端と、別の第２の電気二重層キャパシタのリード端子３５の一端とを溶接にて接続している。図３に示すように、第１の電気二重層キャパシタと第２の電気二重層キャパシタは、接着剤３８を挟んで直列に接続されている。図２のような、これら単一の電気二重層キャパシタの耐電圧は１つのキャパシタ素子当たり２．３〜２．７Ｖであるため、それ以上の電圧で使用する際は、一般的に、図３のように外装済み電気二重層キャパシタを２個以上直列に接続することが必要である（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、図３のように、電気二重層キャパシタを直列に接続させる場合、直列した数だけ、電気二重層キャパシタのユニットの厚みが増すという問題がある。特に、小型の携帯電気製品では電気二重層キャパシタの厚み寸法は大変重要であり、薄型化の要求は非常に大きい。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、外装体で覆われる内部のキャパシタ素子を２個以上直列接続しても、電気二重層キャパシタ全体の厚みが従来よりも薄型となる電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。
本発明は、正極および負極からなる一対の分極性電極がセパレータを介して対向配置されたキャパシタ素子を外装体にて封止した電気二重層キャパシタであって、
前記外装体と絶縁性フィルムを有し、
前記外装体の内部は前記絶縁性フィルムで仕切られ、
仕切られた内部にリード端子の接続された前記キャパシタ素子が配置され、
前記リード端子の一部が突出して外装体にて封止され、
突出した前記リード端子が接続されることで前記キャパシタ素子が複数個直列に接続されたことを特徴とする電気二重層キャパシタである。
前記外装体と絶縁性フィルムを有し、
前記外装体の内部は前記絶縁性フィルムで仕切られ、
仕切られた内部にリード端子の接続された前記キャパシタ素子が配置され、
前記リード端子の一部が突出して外装体にて封止され、
突出した前記リード端子が接続されることで前記キャパシタ素子が複数個直列に接続されたことを特徴とする電気二重層キャパシタである。
また、本発明は、前記絶縁性フィルムが熱可塑性樹脂であることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
また、本発明は、前記絶縁性フィルムがポリプロピレン樹脂または酸変性ポリプロピレン樹脂であることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
本発明によれば、一つの外装体の中でキャパシタ素子を複数個直列に接続することができるため、従来の接続方法と比較して、外装体厚み×Ｎ＋（接着剤厚み−絶縁性フィルム厚み）×（Ｎ−１）（Ｎ：直列数）だけの厚み寸法を小さくすることができ、耐電圧の大きな電気二重層キャパシタの薄型化を実現することが可能となる。
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。図１の電気二重層キャパシタは、正極および負極からなる一対の分極性電極１１、セパレータ１２、集電体１３、電解液１４、リード端子１５で形成された２個のキャパシタ素子が熱可塑性絶縁性フィルム１８で仕切られて、一緒に外装体として主に使用されるラミネートフィルム１６で封止されて構成される。
ここで、本発明の電気二重層コンデンサに用いる材料について説明する。
分極性電極は主として炭素材料で構成されており、炭素材料にはフェノール樹脂系活性炭、やしがら系活性炭、石油コークス系活性炭やポリアセンなどを用いるとよい。また、活性炭としては、大容量で低内部抵抗の電気二重層キャパシタが得られるように、粉末の場合は平均粒径が２０μｍ以下で、比表面積が１０００〜３０００ｍ2／ｇの活性炭を使用するのが好ましい。
分極性電極には、必要に応じて導電助剤が添加される。導電助剤としては、黒鉛、カーボンブラック、気相成長カーボンやカーボンナノチューブなどが好ましく、特に、黒鉛、カーボンブラックが好ましい。また、場合によっては、分極性電極にバインダが添加されるが、このバインダには有機溶媒系電解液に対して耐薬品性を有し、キャパシタ特性に影響を及ぼさないものを選択すればよく、一般にはポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンなどを用いるのが好ましい。
セパレータには、例えば、電気二重層キャパシタ用として、レーヨン系抄紙、ガラス繊維混抄紙やポリプロピレン不織布などが使用できる。
集電体用の材料は、使用する電気二重層キャパシタの特性に応じて適宜選択すればよく、アルミニウム、ステンレス、銅やニッケル等が使用されるが、特にアルミニウムが好ましい。集電体に電極層を形成する方法は従来の方法でよく、電極層に用いる部材を溶媒に分散させてスラリとし、低抵抗とするために表面エッチング処理を行った集電体に塗工すればよい。塗工法としては一般に、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が使用されている。その後、必要に応じて、平板プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行ってもよい。また、塗工法以外にも押し出し法によりシート状の電極を形成し、次いで集電体に導電性接着剤を用いて一体化する方法でもよい。
電解液としては、電気化学的に安定な電解質を極性有機溶媒に溶解させたものを適宜使用すればよい。電解質としては、（Ｃ2Ｈ5）4Ｎ+や（Ｃ4Ｈ9）4Ｎ+、（Ｃ2Ｈ5）4Ｐ+などの第４級オニウムカチオンと、ＢＦ4 -やＰＦ6 -、ＣｌＯ4 -などのアニオンとからなる塩が好ましい。有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類、γ−ブチロラクトンなどのラクトン類やスルホランなどが好ましい。これらの有機溶媒は、単独でなく、２種以上併用してもよい。
熱可塑性絶縁性フィルムには、ポリエチレンやポリプロピレン、酸変性プロピレン、エチレン−メタクリル酸共重合体などに代表される熱可塑性樹脂を用いればよい。
ラミネートフィルムには、金属箔とポリオレフィン系フィルムを貼り合わせたラミネートフィルムを用いればよい。
次に、本実施の形態の電気二重層キャパシタの構造について詳しく説明する。
まず、キャパシタ素子は、正極および負極からなる一対の分極性電極１１がセパレータ１２を介して対向配置され、上記分極性電極１１の両側面にはそれぞれ集電体１３が貼り付けられ、その集電体１３の一端にはそれぞれリード端子１５が接続されることにより構成される。
次に、キャパシタ素子と熱可塑性絶縁性フィルム１８が交互に積層されるが、図１のように、キャパシタ素子が２個の例の場合は、熱可塑性絶縁性フィルム１８をキャパシタ素子で挟むように積層する。さらに、キャパシタ素子に接続されたリード端子１５の一部が突出するように、電解液１４が含浸されたキャパシタ素子と熱可塑性絶縁性フィルム１８をラミネートフィルム１６等の外装体にて封止する。また、同方向に一部突出した２つのリード端子１５を抵抗溶接や超音波溶接等により電気的に接続する。
これにより、ラミネートフィルム１６等の外装体の内部が熱可塑性絶縁性フィルム１８で仕切られ、仕切られた内部にリード端子の接続されたキャパシタ素子が配置され、突出したリード端子が電気的に接続されてキャパシタ素子が複数個直列に接続された電気二重層キャパシタが構成される。
本実施の形態の電気二重層キャパシタの製造方法についてここで少し述べる。
活性炭とカーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン等を溶媒に分散させてスラリとし、そのスラリを集電体１３となるアルミニウム箔等に塗布して、分極性電極１１となる分極性電極層を作製する。集電体１３と塗工した分極性電極１１を所定の大きさに加工する。正極と負極とする各分極性電極１１にセパレータ１２を挟みキャパシタ素子を作製する。キャパシタ素子の各集電体１３にはリード端子１５を接続する。集電体１３のアルミニウム箔の延長をリード端子１５としてもよい。外装材である２枚のラミネートフィルム１６の間に熱可塑性樹脂やポリプロピレン樹脂または酸性プロピレン樹脂を用いた熱可塑性絶縁性フィルム１８を挟み、方形の電気二重層キャパシタの場合、隣り合わない対向する２つの端の融着を行う。
このラミネートフィルム１６と熱可塑性絶縁性フィルム１８の間の２カ所（２つのセル）に上記キャパシタ素子を挿入し、ラミネートフィルムの残り二端の一端を、各キャパシタ素子に接続されたリード端子の一部が外部に突出するように熱シールを行う。電解液１４を注入した後、ラミネートフィルム１６の最後の残り一端を、各キャパシタ素子に接続された他方のリード端子１５の一部が外部に突出するように熱シールを行う。また、ラミネートフィルム１６の外部へ同方向に突出した２つのリード端子１５の溶接箇所１７に溶接を行う。この溶接によりキャパシタ素子間の電気的な接続がなされ、図１に示すような２個のキャパシタ素子が直列に接続された電気二重層キャパシタが得られる。
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る電気二重層キャパシタの好適な実施の形態について説明したが、本発明は、係る例にのみ限定されるものではなく、例えば、３個、４個と、複数のキャパシタ素子が直列に接続されたものであっても、方形以外の多角形状、楕円形状等の電気二重層キャパシタであってもよい。
以下に、実施例を挙げて、本発明の説明をする。
比表面積１５００ｍ2／ｇのやしがら系活性炭とカーボンブラックとポリフッ化ビニリデンを重量比８：１：１で混合したものに溶媒を加えスラリを作製した。このスラリを表面エッチング処理した３０μｍ厚のアルミニウム箔の片面にドクターブレード法にて塗布し分極性電極を作製した。分極性電極の分極性電極層はアルミニウム集電体の片面に厚みが２０μｍ厚になるように塗工した。その後、電極形状に合った寸法にスリット加工した。次に、正極と負極の各電極で２５μｍ厚のレーヨン系セパレータを挟みキャパシタ素子を作製した。また、製品サイズに切った長方形のナイロンとアルミニウム箔およびポリプロピレンの三層構造からなる１１５μｍ厚のラミネートフィルムを２枚用意し、この２枚のフィルムの間に１００μｍ厚の酸変性ポリプロピレンシートを挟み、隣り合わない対向する２つの端を熱シール機で２１０℃、１秒間の融着を行った。
このラミネートフィルムと酸変性ポリプロピレンシート間の２つのセルに上記キャパシタ素子を挿入し、ラミネートフィルムの残り二端の一端を、各キャパシタ素子に接続されたリード端子の一部が外部に突出するように熱シールした。その後、２つの各セルにテトラメチルアンモニウムテトラフルオロボーレートをプロピレンカーボネートに溶解した電解液を注入した後、ラミネートフィルムの最後の残り一端を、各キャパシタ素子に接続された他方のリード端子の一部が外部に突出するように熱シールした。最後に、ラミネートフィルム外部へ同方向に突出した２つのリード端子の超音波溶接を行って本実施例の電気二重層キャパシタとした。本実施例の電気二重層キャパシタの厚みは０．５８ｍｍであった。
比較例として、図２の従来例と同様に、正極と負極からなる一対の分極性電極を、セパレータを介して対向配置し、この分極性電極に電解液を注入し、リード端子のみ外部に突出するようにラミネートフィルムで封止することで電気二重層キャパシタを作成した。作成した２個の電気二重層キャパシタを厚み方向に重なるように３０μｍ厚の接着剤３８にて固定し、さらに同方向に一部突出した２つのリード端子の超音波溶接を行って比較例の電気二重層キャパシタとした。比較例の電気二重層キャパシタの厚みは０．７４ｍｍであった。従って、本発明の場合には、比較例に比べて０．１６ｍｍ薄くすることができた。これは全体の約２０％にあたり、薄型化が求められている本分野においては非常に大きい成果である。以上のように、ラミネートフィルム等の外装体の内部の熱可塑性フィルムで仕切られた各セルにキャパシタ素子を配置することで、電気二重層キャパシタ全体の厚みを従来と比べて薄型化することができる。
１１，２１，３１ 分極性電極
１２，２２，３２ セパレータ
１３，２３，３３ 集電体
１４，２４，３４ 電解液
１５，２５，３５ リード端子
１６，２６，３６ ラミネートフィルム
１７，３７ 溶接箇所
１８ 熱可塑性絶縁性フィルム
３８ 接着剤
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Claims (3)
- 正極および負極からなる一対の分極性電極がセパレータを介して対向配置されたキャパシタ素子を外装体にて封止した電気二重層キャパシタであって、
前記外装体と絶縁性フィルムを有し、
前記外装体の内部は前記絶縁性フィルムで仕切られ、
仕切られた内部にリード端子の接続された前記キャパシタ素子が配置され、
前記リード端子の一部が突出して外装体にて封止され、
突出した前記リード端子が接続されることで前記キャパシタ素子が複数個直列に接続されたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。 - 前記絶縁性フィルムが熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
- 前記絶縁性フィルムがポリプロピレン樹脂または酸変性ポリプロピレン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2007292003A JP2009117759A (ja) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | 電気二重層キャパシタ |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013042612A1 (ja) * | 2011-09-21 | 2013-03-28 | Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社 | フィルム外装電池および組電池 |
| JP2015207558A (ja) * | 2014-04-17 | 2015-11-19 | 乾坤科技股▲ふん▼有限公司 | 高エネルギー密度および高出力密度を有するバッテリ装置 |
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-
2007
- 2007-11-09 JP JP2007292003A patent/JP2009117759A/ja active Pending
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