JP2010003773A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型の電気二重層キャパシタで、耐久性を維持した低抵抗の電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】 絶縁性フィルム２側の基本セル８の面積を他の基本セル８の面積より小さくしてキャパシタ素子１を形成し、２個のキャパシタ素子を、絶縁性フィルム２を挟んで対向配置し、２個のキャパシタ素子にリード端子５を電気的に接続し、これらをラミネートフィルム３にて封止する際、リード端子５が延在する方向と垂直のラミネートフィルム３の周囲では、ラミネートフィルム３と絶縁性フィルム２が接続して形成された封止部３ａがキャパシタ素子１の間に入り込んで設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに係り、特に、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。

また、近年では、業務用ハンディターミナルやパーソナルコンピュータ用通信カードおよび携帯電話等のＩＴ機器の小型化に応じて、内部部品の搭載スペースが限られてきているため、近年の小型携帯製品では薄型で耐久性のある低抵抗のキャパシタの要求が大きい。

図２は、キャパシタ素子の説明図である。基本セル８は、正極および負極からなる一対の分極性電極９、セパレータ１０、正極および負極からなる一対の集電体１１から構成される。この基本セル８の正極の集電体１１は、集電体リード部６ａと電気的に接続され、集電体リード部６ａは基本セル８の一端側に延在している。また、基本セル８の負極の集電体１１は、集電体リード部６ｂと電気的に接続され、集電体リード部６ｂは基本セル８の他端側に延在している。図２のキャパシタ素子１は、基本セル８が並列に接続された例である。キャパシタ素子１は、集電体リード部６ａおよび集電体リード部６ｂが接続された基本セル８が積層されて構成される（例えば、特許文献１参照）。

基本セル８は、活性炭を主成分とする分極性電極層を有する一対の上記分極性電極９がセパレータ１０を介して対向配置されることで構成され、この分極性電極９には電解液が含浸されている。これにより、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の基本セル８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。

電気二重層キャパシタの耐電圧は１つの基本セル８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、基本セル８を２個以上直列に接続して耐電圧を高めたキャパシタ素子１を外装体であるラミネートフィルム（図示せず）で覆って、封止することによって、高い耐電圧を有する電気二重層キャパシタが製造されている（例えば、特許文献２〜４参照）。

特開２００２−０７５８０６号公報 特開２００５−０９３８２５号公報 特開２００７−１７３２１２号公報 特開２００７−３１７８１２号公報

図３は、電気二重層キャパシタの説明図で、図３（ａ）は比較例の電気二重層キャパシタの上面図、図３（ｂ）は比較例の電気二重層キャパシタの側面図、図３（ｃ）は比較例の電気二重層キャパシタのＣ−Ｃ断面図、図３（ｄ）は比較例の電気二重層キャパシタ構造においてラミネートフィルムと絶縁性フィルムとの接合距離を短くした場合のＣ−Ｃ断面図である。この電気二重層キャパシタは、キャパシタ素子１、絶縁性フィルム２、ラミネートフィルム３、電解液４、リード端子５から構成される。

図３に示した比較例の電気二重層キャパシタにおいては、絶縁性フィルム２を中央に挟んでラミネートフィルム３で封止される。絶縁性フィルム２で区切られた２個の空間にはキャパシタ素子１がそれぞれ挿入される。挿入された２個のキャパシタ素子１の基本セル８は、それぞれ直列に接続され、さらに２個のキャパシタ素子１は並列にリード端子５で電気的に接続される。

上記２個のキャパシタ素子１は、絶縁性フィルム２で隔離されているため、封止されるラミネートフィルム３内での電気的な接触はなく、図３（ｂ）に示した電気二重層キャパシタの端部におけるラミネートフィルム３の外部の溶接部７で、溶接により電気的に並列接続される。

この電気二重層キャパシタは、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、キャパシタ素子１、絶縁性フィルム２、電解液４、リード端子５、ラミネートフィルム３から構成され、電解液４が含浸されたキャパシタ素子１がラミネートフィルム３で密封されている。そのため、図３（ｃ）に示した電気二重層キャパシタの左右の両短部は、上下２枚のラミネートフィルム３を強固に接着する必要がある。

また、図３（ｃ）と同じ耐電圧を持つ電気二重層キャパシタで、薄型のまま低抵抗なものにしようとすると、図３（ｄ）の電気二重層キャパシタように、キャパシタ素子１を分離させるための絶縁性フィルム２とラミネートフィルム３との接着幅であるシール幅１２を、図３（ｃ）のシール幅１２よりも小さくすることが考えられるが、シール幅１２を小さくしてしまうと、絶縁性フィルム２とラミネートフィルム３の接着強度が不十分となり、電気特性不良や湿気や水分等の進入による耐久性の悪化という不具合が生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、薄型の電気二重層キャパシタで、耐久性を維持した低抵抗の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基本セルを積層してなるキャパシタ素子を外装体にて覆われ、前記積層の方向に直交する周囲に封止部が設けられて封止された電気二重層キャパシタであって、前記外装体の内部を分割する絶縁性フィルムを備え、２個の前記キャパシタ素子が前記絶縁性フィルムを挟んで対向配置され、少なくとも前記封止部の連続した一部が、前記外装体と前記絶縁性フィルムとの接続にて形成され、かつ前記２個のキャパシタ素子の間に入り込んだ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、前記キャパシタ素子の前記絶縁性フィルムに接する前記基本セルの面積が他の基本セルの面積より小さく、前記封止部の一部が前記面積の小さい箇所に入り込んだ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、一つの外装体であるラミネートフィルム中にキャパシタ素子を複数個直列に接続して封止する場合でも、基本セルを積層して構成されるキャパシタ素子の一部の基本セルの絶縁性フィルムと接合する面積を小さくすることにより、ラミネートフィルムと絶縁性フィルムとの接続部の距離（シール幅）を充分に確保することができるため、薄型のままで電気二重層キャパシタの集電体の電極の面積を大きくでき、耐久性を維持した低抵抗の電気二重層キャパシタを提供することができる。

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、本発明に係る電気二重層キャパシタの説明図で、図１（ａ）は本発明に係る電気二重層キャパシタの上面図、図１（ｂ）は本発明に係る電気二重層キャパシタの側面図、図１（ｃ）は本発明に係る電気二重層キャパシタのＢ−Ｂ断面図、図１（ｄ）は本発明に係る電気二重層キャパシタのＡ−Ａ断面図である。

本発明の電気二重層キャパシタは、図１（ｃ）に示すように、キャパシタ素子１、集電体リード部６、絶縁性フィルム２、電解液４、集電体リード部６と溶接部７によって電気的に接続されたリード端子５、外装体として主に使用されるラミネートフィルム３から構成される。また、この電気二重層キャパシタは、電解液４が含浸されたキャパシタ素子１をラミネートフィルム３で覆い、周囲に封止部を設けて密封する。これは、水分等の浸入を防ぐことにより、電気二重層キャパシタの耐久性を保っているためである。

また、図１（ｃ）に示すように、ラミネートフィルム３で外装されている電気二重層キャパシタ内部は、絶縁性フィルム２によって２分割され、分割されたそれぞれの空間部にキャパシタ素子１が配置される。キャパシタ素子１に電気的に接続された集電体リード部６は、リード端子５と溶接部７にて溶接され、電気的に接続される。

電気二重層キャパシタの周囲は、リード端子５が延在する方向の周囲では、リード端子５と絶縁性フィルム２およびラミネートフィルム３は熱シール等によって好適に接続され、リード端子５が延在する方向と垂直の周囲では、絶縁性フィルム２とラミネートフィルム３は熱シール等によって好適に接続される。

上記のリード端子５が延在する方向と垂直の周囲では、図１（ｄ）に示すように、ラミネートフィルム３が絶縁性フィルム２とキャパシタ素子１の間に入り込んで、ラミネートフィルム３と絶縁性フィルム２が接続して、封止部３ａが形成される。

ここで、電気二重層キャパシタは、図１（ｄ）に示すように、上下に２分割された空間部に、キャパシタ素子１が配置される際、絶縁性フィルム２に接する面の基本セル８（第１の基本セル）の面積を他の基本セル８（第２の基本セル）の面積よりも小さくするとよい。具体的な一例を示すと、第１の基本セルの大きさは１０〜１５×１５〜２０ｍｍ程度、第２の基本セルの大きさは１５〜２０×１５〜２０ｍｍ程度、ラミネートフィルム３の大きさは２０〜３０×２５〜３５ｍｍ程度がよい。

上記のように、絶縁性フィルム２に接続する基本セルの面積を他の基本セルの面積より小さくし、その封止部３ａをそこに入り込ませることで、ラミネートフィルム３と絶縁性フィルム２が好適に接続され、キャパシタ素子１が変形させることがなくなる。

絶縁性フィルム２とラミネートフィルム３との接続面積を大きくするために、ラミネートフィルム３を入り込ませることで、絶縁性フィルム２とラミネートフィルム３の接着強度を大きくできる。封止部３ａの入り込みの長さは図３（ｃ）のシール幅１２程度がよく、逆に、このシール幅１２以上だと上記の第１の基本セル８の面積が減少するので、電気二重層キャパシタの低抵抗化の効果が得られない。

なお、これらの電気二重層キャパシタの周囲の接続には、熱シール等によって好適に接続される。また、リード端子５と絶縁性フィルム２およびラミネートフィルム３の接続には、接着剤を用いて接続したり、カシメ等の方法で接続してもよい。

これにより、上記他の基本セル８の面積を大きくすることができるため、低抵抗の電気二重層キャパシタを提供することも可能となる。

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そのスラリを表面エッチング処理として集電体に塗工してもよい。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、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。

以下に、実施例を挙げて、本発明の説明をする。

（実施例）
比表面積２０００ｍ²／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１３×１６ｍｍ、３０μｍ厚のアルミニウム箔の両面にドクターブレード法にて電極面積が１２．５×１５．５ｍｍ²になるように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に厚みが３０μｍ厚になるように塗工した。つまり、集電体リード部となる未塗工部を除いた電極面積が１２．５×１５．５ｍｍ²になるように正負極電極を製作した。

次に、１２．５×１５．５ｍｍの正極と負極の各電極を、１３×１６ｍｍで２５μｍ厚のレーヨン系セパレータで挟んで第１の基本セルを作製し、２個積層した。また、１５．５×１５．５ｍｍの正極と負極の各電極を、１６×１６ｍｍで２５μｍ厚のレーヨン系セパレータで挟んで第２の基本セルを作製し、６個積層した。図１（ｄ）に示すように、この第１の基本セル２層と第２の基本セル６層を組み合わせて（合計の基本セルは８層）、キャパシタ素子を２個作製した。

また、図１（ｄ）に示すように、２５×２７ｍｍで、１１５μｍ厚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ラミネートフィルムを２枚用意し、中央部に、深さ１．０ｍｍの凹部ができるように、エンボス加工し、この２枚のラミネートフィルムを鏡に映したように対向配置し、その２枚のラミネートフィルムの間に１００μｍ厚の酸変性ポリプロピレンフィルムを挟んで、ラミネートフィルム２枚と酸変性ポリプロピレンフィルムを組み合わせ、隣り合わない対向する２つの端を折り畳んで封止部に２ｍｍの幅で配置し、この２ｍｍの幅を熱シール機で１５０℃、３秒間融着した。

このラミネートフィルムと酸変性ポリプロピレンフィルム間の２箇所の空間部に上記キャパシタ素子をそれぞれ挿入し、２５×２７ｍｍ角のラミネートフィルムの隣り合わない対向する他の２つの端のうち、１つの端から２．５ｍｍの位置に窪みを付けたラミネートフィルム形状とし、この端から２ｍｍの幅を熱シール機で１５０℃、３秒間融着した。

最後に、残った未融着のラミネートフィルムの端に、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とプロピレンカーボネートの混合溶媒からなる電解液を注入し、−９８ＭＰaの減圧下にて下部から２ｍｍの幅で熱シールを行った。その後、２個のキャパシタ素子を、正極同士または負極同士に電気的に接続された集電体リード部を０．１ｍｍ厚のリード端子と共に超音波溶接することで、直列接合型電気二重層キャパシタを作製した。この時のキャパシタ製品の外形寸法は、外装面積２５×１８ｍｍ²で、厚みは２．３ｍｍとした。

このキャパシタ製品の１ｋＨｚ時のＥＳＲ（等価直列抵抗）を５個測定したところ、その平均値は９５ｍΩであった。

（比較例）
実施例と同様に、１３×１６ｍｍ、３０μｍ厚のアルミ箔の表面に、比表面積２０００ｍ²／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３０μｍ厚で塗布し、第１の基本セルを８個積層したキャパシタ素子に、これらの正極同士または負極同士に電気的に接続された集電体リード部を０．１ｍｍ厚のリード端子と共に超音波溶接し、並列積層のキャパシタ素子を２個作製した。

また、２５×１８ｍｍで、１１５μｍ厚のラミネートフィルムを２枚用意し、中央部に、深さ１．０ｍｍの凹部ができるように、エンボス加工することで、２５×１８ｍｍ角のラミネートフィルムの外周の各端部から２．０ｍｍの位置にコの字状の窪みを付けたラミネートフィルムを作製した。

上記ラミネートフィルムを２個の用意し、この２枚のラミネートフィルムを鏡に映したように対向配置し、その２枚のラミネートフィルムの間に１００μｍ厚の酸変性ポリプロピレンフィルムを挟んで、ラミネートフィルム２枚と酸変性ポリプロピレンフィルムを組み合わせ、隣り合わない対向する２つの端から２ｍｍの幅を熱シール機で１５０℃、３秒間融着した。このラミネートフィルムと酸変性ポリプロピレンフィルム間の２箇所の空間部に上記キャパシタ素子をそれぞれ挿入し、ラミネートフィルムの他端部の上下方向から２ｍｍの幅を熱シール機で融着した。これ以降は、実施例と同様の工程にて電気二重層キャパシタを作製した。この時のキャパシタ製品の外形寸法は、実施例と同じの外装面積２５×１８ｍｍ²で、厚みは２．３ｍｍとした。

このキャパシタ製品の１ｋＨｚ時のＥＳＲを５個測定したところ、その平均値は１１５ｍΩであった。

以上のことにより、比較例と同じ外形寸法の本実施例の電気二重層キャパシタのＥＳＲを比較した結果を表１に示す。

表１に示すように、ＥＳＲの平均値は、比較例が１１５ｍΩであったのに対し、実施例は９５ｍΩであり、実施例の平均値は、比較例の平均値と比べて８２．６％となり、１７．４％もの低抵抗化となることが分かった。

これにより、本発明によれば、薄型の電気二重層キャパシタで、耐久性を維持した低抵抗の電気二重層キャパシタを提供することを可能とする。

本発明に係る電気二重層キャパシタの説明図。図１（ａ）は、本発明に係る電気二重層キャパシタの上面図。図１（ｂ）は本発明に係る電気二重層キャパシタの側面図。図１（ｃ）は本発明に係る電気二重層キャパシタのＢ−Ｂ断面図。図１（ｄ）は本発明に係る電気二重層キャパシタのＡ−Ａ断面図。 キャパシタ素子の説明図。 電気二重層キャパシタの説明図。図３（ａ）は比較例の電気二重層キャパシタの上面図。図３（ｂ）は比較例の電気二重層キャパシタの側面図。図３（ｃ）は比較例の電気二重層キャパシタのＣ−Ｃ断面図。図３（ｄ）は比較例の電気二重層キャパシタ構造においてラミネートフィルムと絶縁性フィルムとの接合距離を短くした場合のＣ−Ｃ断面図。

符号の説明

１ キャパシタ素子
２ 絶縁性フィルム
３ ラミネートフィルム
３ａ 封止部
４ 電解液
５ リード端子
６，６ａ，６ｂ 集電体リード部
７ 溶接部
８ 基本セル
９ 分極性電極
１０ セパレータ
１１ 集電体
１２ シール幅

Claims (4)

1. 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基本セルを積層してなるキャパシタ素子が外装体にて覆われ、前記積層の方向に直交する周囲に封止部が設けられて封止された電気二重層キャパシタであって、
   前記外装体の内部を分割する絶縁性フィルムを備え、
   ２個の前記キャパシタ素子が前記絶縁性フィルムを挟んで対向配置され、
   少なくとも前記封止部の連続した一部が、前記外装体と前記絶縁性フィルムとの接続にて形成され、かつ前記２個のキャパシタ素子の間に入り込んだことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 前記キャパシタ素子の前記絶縁性フィルムに接する前記基本セルの面積が他の基本セルの面積より小さく、前記封止部の一部が前記面積の小さい箇所に入り込んだ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。
3. 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又は２記載の電気二重層キャパシタ。
4. 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又は２記載の電気二重層キャパシタ。

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