JP4391861B2 - 電気二重層キャパシタおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、電気二重層キャパシタおよびその製造方法に関する。

近年、各種の蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い電気二重層キャパシタの適用技術が注目される。

電気二重層キャパシタは、帯状の正極体および負極体をこれらの間にセパレータを介装しつつロール形に丸める巻回タイプと、平板状の正極体および負極体をこれらの間にセパレータを介装しつつ交互に重ねる積層タイプと、に大別される。下記の特許文献１〜特許文献６は、従来技術の調査結果の一部を紹介するものである。
特開平７−９４３７４号 特開平９−１８６０５５号 特開平１１−８７１９５号 特開平１１ー２１９８５６号 特開２０００−２００７４０号 特開２００１−１５５７１３号

図６において、積層タイプの一例を説明すると、１０は積層体（キャパシタ本体）を電解液と共に密封する容器、１１は容器１０の外部に一部が引き出される１対の端子板（外部電極）であり、各端子板１１は軽量かつ電気抵抗の小さいアルミニウムから短尺状に形成される。
キャパシタ本体については、正の電極体（正極体）と負の電極体（負極体）をこれらの間にセパレータを介在させつつ交互に重ねることにより所定の積層体に組成される。
正極体および負極体は、集電極とその両面に形成される分極性電極（活性炭電極）とから平板状に構成される。これら集電極は、矩形状の金属箔（アルミニウム箔）からなり、矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状の導電部（リード）が一体形成される。
導電部は同極どうしが集束され、１対の端子板に極性が対応する集束部が接合される。

容器１０は、複数の樹脂層に金属の中間層を含む柔軟な積層フィルム（たとえば、アルミラミネート）から冷間プレス加工によって成形される２つの容器部材（底側部材と蓋側部材）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う凹部により、底側部材と蓋側部材との間に積層体の収容部が形成される。

底側部材の内側にキャパシタ本体は納められ、その上に蓋側部材が被せられる。容器１０の周縁において、１対の端子板１１（その一部）が引き出される一辺を除く三辺が熱溶着（ヒートシール）される。容器１０は、１対の端子板１１が突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から内部に電解液が注入され、電解液の含浸処理などが終わると、真空ポンプにより空気や水分を除去した状態において、残りの一辺が熱溶着（ヒートシール）されるのである。

図７〜図９は、積層タイプの電気二重層キャパシタに係る製造工程の一部を説明するものである。１５は正の電極体および負の電極体を成形するためのシートであり、集電極の素材層（アルミニウム箔）とその両面に分極性電極の素材層（活性炭層）との重層領域１５ａおよび分極性電極の素材層から集電極の素材層が露出する非重層領域１５ｂとから形成される。シート１５は、所定幅の帯状に作成され、保管や搬送の便宜を図るため、ロール形に丸められる。このシート１５を展開しながら型抜き加工することにより、集電極と分極性電極との重層部２１および分極性電極から露出する帯状の導電部２２を備える平板状の電極体２０が成形されるのである（図７、参照）。

積層体の組成工程において、所要数の正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、これらの間にセパレータ２５を介在させながら交互に重ねて所定の積層体３０に組成される。その際、導電部２２ａ，２２ｂが集電極２３ａ，２３ｂの一辺の片側へ寄るため、正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、交互に表裏を反転しつつ積層される（図８、参照）。２７（２７ａ），２７（２７ｂ）が分極性電極である。

各電極体２０の導電部２２は、同極どうしが集束され、１対の端子板２４ａ，２４ｂに集束部２５を重ねて接合される。この接合は、スポット溶接または超音波溶接またはリベット接合またはレーザ溶接などにより処理される。各端子板２４の定位置に所定幅の熱溶融性樹脂２６が予め接着され、容器１０の一辺（端子板２４が外部に突き出る開口部）をヒートシール処理すると、容器１０の内面を構成する熱溶融性樹脂と端子板２４の熱溶融性樹脂２６との熱溶着により、端子板２４を容器１０の開口部と共に密封するシール部２８が形成される（図９、参照）。図示しないが、他の三辺についても、ヒートシール処理により、容器１０の内面を構成する熱溶融性樹脂どうしの熱溶着に基づくシール部が形成されるのである。２９は導電部２２の集束部と端子板２４との接合部を示す。

このような電気二重層キャパシタにおいては、端子板２４と導電部２２との接続に抵抗も小さく高品質な接合部を確保しえる高性能な接合手段が要求され、コストアップを招く要因となる。また、容器１０の内部にその接合部２９を収める空間が必要であり、積層体３０（キャパシタ本体）がその分の容量だけ小さくなり、電気二重層キャパシタ（製品）のエネルギ体積効率を低下させるのである。また、端子板２４は１枚のアルミニウム板で厚みもあるため、外部の配線（例えば、ブスバー）との接続を行う際に曲げたりしにくいため、無駄な空間が生じやすく、外部の配線との接続も容易に行えない。

この発明は、このような課題を解決するための有効な手法の提供を目的とする。

第１の発明は、正極および負極の電極体を形成するための材料として、集電極の素材層と分極性電極の素材層との重層領域，分極性電極の素材層から集電極の素材層を露出させる非重層領域，非重層領域の定位置に接着される所定幅の熱溶融性樹脂、を備えるシートを作成する工程と、シートから、集電極と分極性電極との重層部，矩形平面の分極性電極の一辺から片側へ寄せて帯状に露出する非重層領域の定位置に所定幅の熱溶融性樹脂が接着する導電部、を備える電極体を成形する工程と、複数の正極および負極の電極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に表裏を反転しつつ積層することにより積層体を組成する工程と、熱溶融性樹脂にて内面が形成される容器の開口部からその内部に前記積層体を電解液と共に収容する工程と、前記容器の開口部から外部へ引き出される前記導電部の同極同士の束の各導電部間を前記容器の開口部と共にその内面を形成する熱溶融性樹脂および前記導電部の熱溶融性樹脂を介して熱溶着によって密封する工程と、を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、エネルギ体積効率が良くかつ外部の配線との接続も容易かつ適正に行える、高品質で安価な製品（電気二重層キャパシタ）を能率よく製造することができる。シートを作成する工程において、非重層領域の定位置に所定幅の熱溶融性樹脂も付けておくので、シートから電極体を成形する工程において、導電部に熱溶融性樹脂を備える電極体が合理的に得られる。

電気二重層キャパシタについては、各電極体の集電極の一部として分極性電極から帯状に露出する導電部が、容器の開口部から外部へ引き出され、シール部により同極同士の束の各導電部間が容器の開口部と共に密封される。つまり、従前の端子板が省略されるので、製品の大幅なコストダウンおよびエネルギ体積効率のアップも可能となる。また、各電極体の導電部は、端子板のような厚みのある１枚ものでないため、これらを束ねても自在に曲げられ、空間（レイアウト）に対応する変形の追従性が良く、外部の配線との接続も容易に行える。

図１において、１０は積層体（キャパシタ本体）を電解液と共に密封する容器、２２は積層体を構成する各電極体の集電極の一部として分極性電極から帯状に露出する導電部（リード）であり、積層体を電解液と共に収める容器１０の内外の境界から外部に引き出され、容器１０の内外の境界（容器１０の開口部）と共に密封される。

キャパシタ本体については、正の電極体（正極体）と負の電極体（負極体）をこれらの間にセパレータを介在させつつ交互に重ねることにより所定の積層体に組成される。正極体および負極体は、集電極とその両面に形成される分極性電極（活性炭電極）とから平板状に構成される。これら集電極は、矩形状の金属箔（アルミニウム箔）からなり、矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状の導電部２２（リード）が一体形成される。導電部２２は同極どうしが集束され、容器１０の内外の境界から外部へ引き出されるのである。

容器１０は、複数の樹脂層に金属の中間層を含む柔軟な積層フィルム（たとえば、アルミラミネート）から冷間プレス加工によって成形される２つの容器部材（底側部材と蓋側部材）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う凹部により、底側部材と蓋側部材との間に積層体の収容部が形成される。

底側部材の内側にキャパシタ本体は納められ、その上に蓋側部材が被せられる。容器１０の周縁において、導電部２２の集束が引き出される一辺を除く三辺が熱溶着（ヒートシール）される。容器１０は、導電部２２の集束が突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から内部に電解液が注入され、電解液の含浸処理などが終わると、真空ポンプにより空気や水分を除去した状態において、残りの一辺が熱溶着（ヒートシール）される。

導電部２２の容器１０の内外の境界に掛かる領域の両面に熱溶融性樹脂が接着され、ヒートシール処理により容器１０の内外の境界面（容器の内面）を形成する熱溶融性樹脂と共に導電部２２の集束を密封するシール部４０を形成するのである。

このような構成により、各電極体の集電極の一部として分極性電極から帯状に露出する導電部２２が容器１０の内外の境界から外部へ引き出され、外部の配線などに対する接続部（外部端子）を構成する。シール部４０により、導電部２２の集束も容器１０の内外の境界と共に隙間なく密封されるのである。つまり、従前の端子板２４（図６および図９、参照）が省略され、端子板２４と導電部２２との接続に抵抗も小さく高品質な接合部２９を確保しえる高性能な接合手段が必要なくなる。また、容器１０の内部に端子板２４と導電部２２との接合部２９を収める空間も要求されない。

このため、電気二重層キャパシタ（製品）の大幅なコストダウンおよびエネルギ体積効率のアップが得られる。また、各電極体の導電部２２は、端子板２４のような厚みのある１枚ものでないため、これらを集束しても自在に曲げられ、空間（レイアウト）に対応する変形の追従性が良く、外部の配線との接続も容易に行える。

図２〜図４は、積層タイプの電気二重層キャパシタに係る製造工程の一部を説明するものである。１５Ａは正の電極体２０ａおよび負の電極体２０ｂを成形するためのシートであり、集電極の素材層（アルミニウム箔）とその両面に形成される分極性電極の素材層（活性炭層）との重層領域１５ａ，分極性電極の素材層から集電極の素材層が露出する非重層領域１５ｂ，非重層領域１５ｂの定位置に接着される所定幅の熱溶融性樹脂２６ａ，とから構成される。

シート１５Ａは、所定幅の帯状に作成され、保管や搬送の便宜を図るため、ロール形に丸められる。このシート１５Ａを展開しながら型抜き加工することにより、平板状の電極体２０が形成される。電極体２０は、集電極と分極性電極との重層部２１および分極性電極から露出する帯状の導電部２２とからなり、導電部２２の定位置に所定幅の熱溶融性樹脂２６が備えられるのである（図２、参照）。

積層体の組成工程において、所要数の正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、これらの間にセパレータ２５を介在させながら交互に重ねて所定の積層体３０に組成される。その際、導電部２２が集電極２３ａ，２３ｂの一辺の片側へ寄るため、正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、交互に表裏を反転しつつ積層される（図３、参照）。２７（２７ａ），２７（２７ｂ）が分極性電極である。

各電極体２０の導電部２２は、同極どうしが集束され、容器１０の内外の境界から外部へ引き出される。電解液の含浸処理などの後、容器１０の一辺（導電部２２の集束が容器１０の内外の境界から外部に突き出る開口部）をヒートシール処理すると、容器１０の内面を構成する熱溶融性樹脂と導電部２２の熱溶融性樹脂２６との熱溶着により、導電部２２の集束を容器１０の開口部と共に密封するシール部４０が形成されるのである（図４、参照）。図示しないが、容器１０の他の三辺についても、電解液の注入前のヒートシール処理により、容器１０の内面を構成する熱溶融性樹脂どうしの熱溶着に基づくシール部が形成される。

このような工程の設定により、既述のようにエネルギ体積効率が良くかつ外部の配線との接続も容易かつ適正に行える、高品質で安価な製品（電気二重層キャパシタ）を能率よく製造できる。シート１５Ａを作成する工程において、非重層領域１５ｂの定位置に所定幅の熱溶融性樹脂２６ａも付けておくので、シート１５Ａから電極体２０を成形する工程において、導電部２２に熱溶融性樹脂２６を備える電極体２０が合理的に得られる。

図５は、容器１０の一辺をヒートシールする処理の説明図であり、各電極体２０の導電部２２は、同極どうしが熱溶融性樹脂２６の位置を合わせて集束され（重ね，束ね）、ヒートシール処理に基づく容器１０の熱溶融性樹脂３５と導電部２２の熱溶融性樹脂２６との熱溶着によりシール部４０ａが形成され、導電部２２の集束も容器１０の開口部と共に密封される。この例においては、導電部２２の両面でなく片面に熱溶融性樹脂２６が接着される。つまり、シート１５Ａは、非重層領域１５ｂの片面にのみ熱溶融性樹脂２６ａが接着され、シート１５Ａから電極体２０を成形する工程においては、熱溶融性樹脂２６ａのある表側から型抜き加工される電極体２０ａ（正極体）と熱溶融性樹脂２６ａのない裏側から型抜き加工される電極体２０ｂ（負極体）との２種が作成されることになる。

導電部２２の熱溶融性樹脂２６については、シート１５Ａを作成する工程において、非重層領域１５ｂに予め接着するのでなく、電極体２０の成形後に接着することも考えられる。これにより、電極体２０の成形用材料（シート）の作成が簡単になり、積層体３０を構成する電極体２０ａ，２０ｂの積層順位に応じた定位置に熱溶融性樹脂２６を接着することにより、積層体３０から最短距離のところで各導電部２２の熱溶着性樹脂２６の位置が合うように重ね束ねやすくなる。このため、容器１０の内部において、熱溶融性樹脂２６の位置合わせのために弛みを一部の導電部２２に与える必要もなくなり、製品性能の向上を促進することができる。

この発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの外観図である。 同じく製造工程の説明図である。 同じく製造工程の説明図である。 同じく製造工程の説明図である。 同じく製造工程の説明図である。 従前の電気二重層キャパシタの外観図である。 同じく構成に係る説明図である。 同じく製造工程の説明図である。 同じく製造工程の説明図である。

符号の説明

１０ 容器
１５Ａ シート
１５ａ 重層領域
１５ｂ 非重層領域
２０ 電極体
２０ａ 正の電極体（正極体）
２０ｂ 負の電極体（負極体）
２２ 導電部
２３（２３ａ，２３ｂ） 集電極
２５ セパレータ
２６，２６ａ 熱溶融性樹脂
２７（２７ａ，２７ｂ） 分極性電極
３０ 積層体（キャパシタ本体）
４０，４０ａ シール部

Claims (1)

1. 正極および負極の電極体を形成するための材料として、集電極の素材層と分極性電極の素材層との重層領域，分極性電極の素材層から集電極の素材層を露出させる非重層領域，非重層領域の定位置に接着される所定幅の熱溶融性樹脂、を備えるシートを作成する工程と、
   シートから、集電極と分極性電極との重層部，矩形平面の分極性電極の一辺から片側へ寄せて帯状に露出する非重層領域の定位置に所定幅の熱溶融性樹脂が接着する導電部、を備える電極体を成形する工程と、
   複数の正極および負極の電極体をこれらの間にセパレータを介在させながら交互に表裏を反転しつつ積層することにより積層体を組成する工程と、
   熱溶融性樹脂にて内面が形成される容器の開口部からその内部に前記積層体を電解液と共に収容する工程と、
   前記容器の開口部から外部へ引き出される前記導電部の同極同士の束の各導電部間を前記容器の開口部と共にその内面を形成する熱溶融性樹脂および前記導電部の熱溶融性樹脂を介して熱溶着によって密封する工程と、
   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。

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