JP3814440B2

JP3814440B2 - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP3814440B2
Application number: JP13749999A
Authority: JP
Inventors: 邦宏松田; 廸夫岡村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: JP2000353642A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量やエネルギー密度と、内部抵抗の特性が向上した電気二重層コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分極性電極と電解質との界面に生じる電気二重層を電荷蓄積手段として用いる電気二重層コンデンサは、容量が大きいという特性から、ＤＲＡＭなど半導体素子のバックアップ用電源や、モーターの起動時の電流供給源などの電気−機械エネルギー変換機構のバックアップ用電源として利用されるようになっている。
【０００３】
通常、電気二重層コンデンサは、分極性電極として活性炭電極を用いる。この活性炭電極に用いる活性炭の賦活条件による物性、比表面積、細孔径は、電気二重層コンデンサの静電容量、内部抵抗、蓄積エネルギーや耐電圧などの電気的特性に大きく影響する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば図２に示すように、単一種の活性炭Ａを用い圧縮成型された正極及び負極の分極性電極を備えた電気二重層コンデンサ２は、静電容量が１９．６（Ｆ／ｃｃ）と高容量が得られるが、内部抵抗が３８．４（Ω）と高いという問題があった。また、単一種の活性炭Ｂを用い圧縮成型された正極及び負極の分極性電極を備えた電気二重層コンデンサ３は、内部抵抗は１３．３（Ω）と低いが、静電容量が１５．７（Ｆ／ｃｃ）と低いという問題があった。
すなわち、単一種の活性炭を用いて圧縮成型された正極及び負極の分極性電極を備えた電気二重層コンデンサでは、静電容量が高く、内部抵抗は低いという特性のバランスのよい電気二重層コンデンサを得るのが困難であった。特に負極の活性炭の特性が電気二重層コンデンサの特性に大きな影響を与えていた。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は、静電容量は高く、かつ、内部抵抗も低い特性のバランスのよい電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、第１の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサが第２の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサに対してエネルギー密度及び内部抵抗が高い場合に、前記第１の活性炭からなる分極性電極を正極として用いるとともに前記第１の活性炭と前記第２の活性炭とを混合した分極性電極を負極として用いることを特徴とする。
【０００７】
この請求項１記載の発明によれば、前記分極性電極は、特性が異なる複数の原料活性炭を用いているので、複数の原料活性炭の特性をそれぞれ生かした分極性電極となる。従って、内部抵抗の低い活性炭と、エネルギー密度の高い活性炭とを混合した分極性電極を負極として用いることにより、エネルギー密度が高く、さらに内部抵抗が低い電気二重層コンデンサを作製できる。
【０００８】
ここで、原料活性炭の特性としては、分極性電極としたときの内部抵抗や静電容量、エネルギー密度などである。
また、これらの特性は、活性炭の賦活条件による物性、比表面積、細孔径により、ほぼ決定される。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記第１の活性炭及び前記第２の活性炭は、前記第１の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサが前記第２の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサに対して静電容量が大きくなるような活性炭であることを特徴とする。
【００１０】
この請求項２記載の発明によれば、例えば、静電容量が小さいが内部抵抗の低い活性炭と、静電容量が大きい活性炭とを混合した分極性電極を負極として用いることにより、静電容量が小さいが内部抵抗の低い活性炭を正極及び負極に用いた電気二重層コンデンサよりも静電容量が大きい電気二重層コンデンサを作製できる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記第１の活性炭は、比表面積２２００〜２６００ｍ ² ／ｇかつ細孔径１．０〜１．６ｎｍであり、前記第２の活性炭は、比表面積２８００〜３２００ｍ ² ／ｇかつ細孔径１．５〜２．０ｎｍであることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例である電気二重層コンデンサ１について、図を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、電気二重層コンデンサ１の構成を説明する断面概略図である。
図１に示すように、板状のセパレーター１１と、セパレーター１１の一面上に一体的に設けられている分極性電極１２ａ（単一種活性炭電極）と、セパレーター１１の他面上に一体的に設けられている分極性電極１２ｂ（混合活性炭電極）と、分極性電極１２ａ，１２ｂの上にそれぞれ一体的に設けられていて電気二重層コンデンサ１、外部と分極性電極１２ａ，１２ｂとを接続する集電極１３，１３と、セパレーター１１，分極性電極１２ａ，１２ｂ，集電極１３，１３を覆うパッケージ１４と、により構成されている。ここで、パッケージ１４内部には電解液、例えばＰＣ（プロピレンカーボネイト）溶媒に電解質Ｅt4ＮＢＦ4（テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボーレイト）を溶解したものが充填されている。
【００１４】
セパレーター１１は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：テフロン）などの絶縁物質からなる多孔質のフィルムである。
【００１５】
分極性電極１２ａは、単一種の活性炭Ａをシート状にした後に圧縮成型した活性炭電極である。すなわち、周知の活性炭電極であり、正極として用いられる。活性炭Ａは、例えば図５に示すように、比表面積が２２００〜２６００程度（ｍ²／ｇ）で細孔の平均径が１．０〜１．６ｎｍ程度である。
【００１６】
分極性電極１２ｂは、賦活条件が異なる二種類の活性炭Ａ，Ｂを混合してシート状にした後に圧縮成型した活性炭電極であり、負極として用いられる。活性炭Ｂは、例えば図５に示すように、比表面積が２８００〜３２００程度（ｍ²／ｇ）で細孔の平均径が１．５〜２．０ｎｍ程度である。
ここで、活性炭Ａのみで作製した活性炭電極を正、負極に用いた電気二重層コンデンサは、静電容量やエネルギー密度は高いが内部抵抗も高いという性質を有しており、また、活性炭Ｂのみで作製した活性炭電極を正、負極に用いた電気二重層コンデンサは、内部抵抗は低いが、静電容量やエネルギー密度も低いという性質を有している。
また、分極性電極１２ｂでの活性炭Ａ，Ｂの混合比は例えば５８ｖｏｌ％：４２ｖｏｌ％程度であるが、求める特性に応じて適宜変更してもよい。
さらに、分極性電極１２ｂの作製方法は、活性炭Ａ，Ｂを混合すること以外は周知の活性炭電極の作製方法と概略同じである。
【００１７】
ここで、活性炭の賦活方法について説明する。
活性炭の賦活方法は、大別してガス賦活法と薬品賦活法がある。
ガス賦活法は、前処理としての炭化処理により難黒鉛化性の炭素とした原料炭を、水蒸気雰囲気中で６００℃〜１０００℃に加熱・保持することにより、活性炭を賦活する方法である。
また、薬品賦活法は、難黒鉛化性の炭素とした原料炭に、カリウムなどの賦活薬品を混ぜた後に６００℃〜１０００℃に加熱・保持することにより、活性炭を賦活する方法である。
これらの諸条件を調節することにより、活性炭の細孔径は調節され、結果として内部抵抗や静電容量などの特性は調節される。
【００１８】
集電極１３は導電性の板であり、例えばアルミ製である。また、集電極１３の一端はパッケージ１４の外に出ている。
【００１９】
パッケージ１４は、対向させた２枚のプラスチックフィルムとメタル薄膜を積層したラミネートフィルムであり、周縁部を密着させた周知のラミネートパッケージであり、セパレーター１１，分極性電極１２ａ，１２ｂ，集電極１３，１３を保護する。
【００２０】
次に、電気二重層コンデンサ１の使用方法および特性について説明する。
電気二重層コンデンサ１の使用方法は、周知の電気二重層コンデンサと同じであるので、以下は電気二重層コンデンサ１の特性について、図２を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図２は、電気二重層コンデンサ１の静電容量，エネルギー密度，内部抵抗を、従来の電気二重層コンデンサである電気二重層コンデンサ２，電気二重層コンデンサ３と比較して示す図表である。なお、各測定時の電圧は３．５Ｖである。
電気二重層コンデンサ２は、正極，負極の双方に活性炭Ａのみを用いて圧縮成型した活性炭電極を使用している。
また、電気二重層コンデンサ３は、正極，負極の双方に活性炭Ｂのみを用いて圧縮成型した活性炭電極を使用している。
【００２２】
まず、静電容量について説明する。
電気二重層コンデンサ１の静電容量は、１８．３（Ｆ／ｃｃ）である。これに対し、電気二重層コンデンサ２，３の静電容量は、それぞれ１９．６（Ｆ／ｃｃ），１５．７（Ｆ／ｃｃ）であった。
以上から、電気二重層コンデンサ１は、大きな静電容量を有することが判る。
【００２３】
次に、エネルギー密度について説明する。
電気二重層コンデンサ１のエネルギー密度は、３０．６（Ｗｈ／ｌ）である。これに対し、電気二重層コンデンサ２，３のエネルギー密度は、それぞれ３１．６（Ｗｈ／ｌ），２６．２（Ｗｈ／ｌ）であった。
以上から、電気二重層コンデンサ１は、大きなエネルギー密度を有することが判る。
【００２４】
内部抵抗について説明する。
電気二重層コンデンサ１の内部抵抗は１７．９（Ω：オーム）である。これに対し、電気二重層コンデンサ２，３の内部抵抗は、それぞれ３８．４（Ω），１３．３（Ω）であった。
以上から、電気二重層コンデンサ１は、圧縮成型した分極性電極１２ａ，１２ｂを用いているにもかかわらず、実用的に問題ない程度の低い内部抵抗値を示すことが判る。
【００２５】
以上より、本発明の実施例である電気二重層コンデンサ１によれば、正極である分極性電極１２ａとして従来の活性炭電極を用い、負極である分極性電極１２ｂとして、高静電容量・高エネルギー密度という特性を有する活性炭Ａと、低内部抵抗という特性を有する活性炭Ｂとを混合した活性炭電極を用いたので、大きな静電容量およびエネルギー密度を有すると共に内部抵抗は低い、という電気二重層コンデンサとして望ましい特性を示す。
【００２６】
なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意の変形が可能である。
例えば、分極性電極１２ｂに用いた活性炭電極は、賦活条件の異なる２種類の活性炭を原料としたが、それ以上の種類の活性炭を原料として用いてもよい。この場合は、組み合わせる活性炭の特性の選択幅は広がるため、分極性電極１２ｂの特性すなわち電気二重層コンデンサ１の特性の調節幅は広くなる。
また、活性炭電極Ａ，Ｂの特性も任意に変形してよい。
また、正極である分極性電極１２ａを、分極性電極１２ｂと同じ構成としてもよい。
【００２７】
さらに、図３の断面概略図に示すように、分極性電極１２ｂと同じ構成とした活性炭電極１２ａの上に、異なる組合せの複数種類の活性炭を原料とした活性炭電極１２ｃ，１２ｄ・・・（混合活性炭電極）を積層し、さらに、活性炭電極１２ｂの上にも同様に、異なる組合せの活性炭を原料とした活性炭電極１２ｅ，１２ｆ・・・（混合活性炭電極）を積層して、それぞれ正極・負極の活性炭電極としてもよい。
この場合も、組み合わせる活性炭の特性の選択幅は広がるため、電気二重層コンデンサ１の特性の調節幅は広くなる。
【００２８】
さらに、図４の断面概略図に示すように、正極として、単一の原料活性炭から成る活性炭電極１２ａの上に、それぞれ賦活条件の異なる単一の原料活性炭から成る活性炭電極１２ｇ，１２ｈ・・・を積層した電極を用いて、さらに、負極として、活性炭電極１２ｂの代わりにそれぞれ賦活条件の異なる単一の原料活性炭から成る活性炭電極１２ｉ，１２ｊ，１２ｋ・・・を積層したものを用いても、同様の効果を得る。
【００２９】
請求項１、２記載の発明によれば、前記分極性電極は、賦活条件が異なる複数の原料活性炭を用いて作製されるので、複数の原料活性炭の特性をそれぞれ生かした分極性電極となる。
従って、例えば、相対的に内部抵抗の低いが静電容量が小さくエネルギー密度が低い活性炭と、相対的に静電容量が大きくエネルギー密度が高いが内部抵抗が高い活性炭と、を混合した分極性電極を負極として用いることにより、静電容量が大きく、エネルギー密度が高く、さらに内部抵抗が低い電気二重層コンデンサを作製できる。
【００３０】
請求項３記載の活性炭を用いることにより請求項１、２記載と同様の効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例である電気二重層コンデンサ１の構成を説明する断面概略図である。
【図２】電気二重層コンデンサ１の内部抵抗，静電容量，エネルギー密度を、従来の電気二重層コンデンサである電気二重層コンデンサ２，電気二重層コンデンサ３と比較して示す図表である。
【図３】電気二重層コンデンサ１の一変形例の構成を説明する断面概略図である。
【図４】電気二重層コンデンサ１の他の変形例の構成を説明する断面概略図である。
【図５】原料となる活性炭単種での比表面積及び細孔径を示す図表である。
【符号の説明】
１電気二重層コンデンサ
１１セパレーター
１２ａ分極性電極
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ分極性電極（混合活性炭電極）
１２ｇ，１２ｈ，１２ｉ，１２ｊ，１２ｋ分極性電極
１３集電極
１４ラミネート

Claims

第１の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサが第２の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサに対してエネルギー密度及び内部抵抗が高い場合に、前記第１の活性炭からなる分極性電極を正極として用いるとともに前記第１の活性炭と前記第２の活性炭とを混合した分極性電極を負極として用いることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
前記第１の活性炭及び前記第２の活性炭は、前記第１の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサが前記第２の活性炭を正極及び負極として用いた電気二重層コンデンサに対して静電容量が大きくなるような活性炭であ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。
前記第１の活性炭は、比表面積２２００〜２６００ｍ ² ／ｇかつ細孔径１．０〜１．６ｎｍであり、前記第２の活性炭は、比表面積２８００〜３２００ｍ ² ／ｇかつ細孔径１．５〜２．０ｎｍであ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。