(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極用の金属製集電極と正電荷蓄積用の分極性電極とからなる正極と、負極用の金属製集電極と負電荷蓄積用の分極性電極とからなる負極とをセパレータを間に介在させて交互に積層し、電解液と分極性電極との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを利用する電気二重層コンデンサにおいて、
前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとが一体成形されてなり、前記集電極本体は多数の小孔が形成されたメッシュ状とされ、前記タブは小孔のないシート状とされていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
前記請求項１記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記集電極本体は、タブ近傍での抵抗値がその残りの部位での抵抗値に比べて小さくなるように小孔分布度合いを変化させたものであることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
正極用の金属製集電極と正電荷蓄積用の分極性電極とからなる正極と、負極用の金属製集電極と負電荷蓄積用の分極性電極とからなる負極とをセパレータを間に介在させて交互に積層し、電解液と分極性電極との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを利用する電気二重層コンデンサにおいて、
前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとが一体成形されてなり、前記タブは小孔のないシート状とされ、前記集電極本体は、タブ近傍が前記タブ同様にシート状とされ、その残りの部分が多数の小孔が形成されたメッシュ状とされていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
正極用の金属製集電極と正電荷蓄積用の分極性電極とからなる正極と、負極用の金属製集電極と負電荷蓄積用の分極性電極とからなる負極とをセパレータを間に介在させて交互に積層し、電解液と分極性電極との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを利用する電気二重層コンデンサにおいて、
前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとがエキスパンド加工された金属素材より一体成形されてなり、かつ、タブ引き出し方向とエキスパンド方向とが略直角となるようにしたものであることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動自転車、電動工具などの電源として利用できる静電容量１０００〜１００００Ｆ程度の大容量の積層型の電気二重層コンデンサに関し、特に集電極の構造を改良した電気二重層コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一時的に大きなエネルギを供給する電源として利用できる大容量の電気二重層コンデンサは、当初の巻回型構造に代えて最近では積層型構造が採用されるようになっている。すなわち、巻回型の電気二重層コンデンサは、帯状の正極と同じく帯状の負極との間に帯状セパレータを挟み込み、これらをのり巻き状に巻回し、その巻回体を金属製円筒ケース内に収納して電解液を含浸させるようにしたものであり、円筒形状のため電源装置内の実装効率が低く電源として用いる場合、小型化し難いという欠点があった。
【０００３】
このため、矩形をなす正極及び負極をセパレータを間に介在させて交互に積層し、この電極積層体を角形外装ケース内に収納するようにした積層型の電気二重層コンデンサが提案されている。図９は従来の積層型の電気二重層コンデンサの基本構成を模式的に示す図である。
【０００４】
図９に示すように、正極５０は、矩形をなす集電極本体５１ａと幅の狭い帯状のタブ５１ｂとを一体成形してなる導電性を有する正極用の金属製集電極５１と、その両側に位置される正電荷蓄積用の分極性電極５２ａ，５２ｂとにより構成されている。タブ５１ｂは正極外部端子７２との電気的導通をとるためのものである。同様に、負極６０は、集電極本体６１ａとタブ６１ｂとを一体成形してなる導電性を有する負極用の金属製集電極６１と、その両側に位置される負電荷蓄積用の分極性電極６２ａ，６２ｂとにより構成されている。この正極５０と負極６０とが、セパレータ７１を間に介在させて交互に例えば各５０ずつ重ね合わせて積層される。なお、集電極本体５１ａ，６１ａ、分極性電極５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ、およびセパレータ７１は、一般に同形で同寸法の矩形をなしている。
【０００５】
そして、この電極５０，６０を重ね合わせた電極積層体を、各電極５０，６０の集電極本体と分極性電極とを密着させるために図示しない二枚の締めつけ用の板を両側の最外部に配してその上に締めつけ用ベルトを巻き付けることで積層方向に締めつけた状態で、図示しない角形外装ケース内に収納する。次いで、所定の電解液を含浸させ、ケース上蓋（図示省略）に固定される正極外部端子７２に正極用の各タブ５１ｂを接続し、同様にして負極外部端子７３に負極用の各タブ６１ｂを接続し、しかる後、前記ケースの開口部にケース上蓋を取り付けて密閉するようにしている。
【０００６】
前記分極性電極は、その厚みが０．１〜２．０ｍｍ程度であって、電荷を蓄積するための活性炭よりなっている。そして、前記金属製集電極５１，６１は、その厚みが５〜３００μｍ程度であって、アルミニウムのネット箔、アルミニウム箔にパンチングメタルのような孔あけ加工を施したアルミパンチング箔、アルミニウム箔にエキスパンド加工を施したアルミエキスパンド箔などのような、多数の小孔が形成されたメッシュ状の金属箔を用いたものであり、このようなメッシュ状の金属箔の型抜きなどを行って集電極本体とタブとを一体成形してなるものである。このようなメッシュ状のものを使用するのは、分極性電極に電解液を効率良くしみ込ませるため（活性炭の微細空孔を電解液で満たす、あるいは電解液で置換するため）である。
【０００７】
また、電解液には、有機系電解液が用いられ、その代表例として、特殊な塩を含むプロピレンカーボネート液が挙げられる。セパレータ７１は、イオン透過性及び電気絶縁性を有する多孔質材料よりなり、例えばポリプロピレン繊維不織布が用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前述した従来の電気二重層コンデンサでは、金属製集電極として、多数の小孔が形成されたメッシュ状の金属箔の型抜きなどを行って集電極本体とタブとを一体成形してなるタブ一体型のものが用いられ、集電極本体に比べて帯状で幅が狭く断面積が小さいタブもメッシュ状とされており、このため、充放電に際し、タブや、集電極本体において電流が集中する（電流密度が高い）タブ近傍における抵抗損失が大きく、出力が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
この発明は、前記問題点を解消するためになされたもので、タブ一体型の金属製集電極の構造を改良することにより、充放電時の金属製集電極における抵抗損失が小さく大電流を流せる大容量のコンデンサに適した電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、正極用の金属製集電極と正電荷蓄積用の分極性電極とからなる正極と、負極用の金属製集電極と負電荷蓄積用の分極性電極とからなる負極とをセパレータを間に介在させて交互に積層し、電解液と分極性電極との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを利用する電気二重層コンデンサにおいて、以下の手段を講じている。
【００１１】
第１の発明は、前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとが一体成形されてなり、前記集電極本体は多数の小孔が形成されたメッシュ状とされ、前記タブは小孔のないシート状とされていることを特徴とする電気二重層コンデンサである。また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記集電極本体は、タブ近傍での抵抗値がその残りの部位での抵抗値に比べて小さくなるように小孔分布度合いを変化させたものであることを特徴とする電気二重層コンデンサである。
【００１２】
第３の発明は、前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとが一体成形されてなり、前記タブは小孔のないシート状とされ、前記集電極本体は、タブ近傍が前記タブ同様にシート状とされ、その残りの部分が多数の小孔が形成されたメッシュ状とされていることを特徴とする電気二重層コンデンサである。
【００１３】
第４の発明は、前記金属製集電極は、集電極本体とこの集電極本体から引き出して外部端子に接続するためのタブとがエキスパンド加工された金属素材より一体成形されてなり、かつ、タブ引き出し方向とエキスパンド方向とが略直角となるようにしたものであることを特徴とする電気二重層コンデンサである。
【００１４】
前記のように構成された第１発明による電気二重層コンデンサでは、金属製集電極は、分極性電極に電解液を効率良くしみ込ませるために多数の小孔が形成されてメッシュ状とされた集電極本体と、抵抗値を小さくするために小孔のないシート状とされたタブとを一体成形したものであるから、メッシュ状のタブを持つ従来の電気二重層コンデンサに比べて充放電時のタブにおける抵抗損失が小さくなる。なお、このような構造の金属製集電極は、例えば、小孔形成用突起が多数形成された集電極本体対応部分と平滑面にされたタブ対応部分とを持つ型抜き面を有する刃付きプレス機によって、金属箔の型抜きを行うことで一体成形される。
【００１５】
ここで、前記第１発明による電気二重層コンデンサにおいては、そのメッシュ状の集電極本体では、充放電に際しタブに近づくにつれて電流が集中し電流密度が高くなり、タブ近傍における抵抗損失が大きい。したがって、集電極本体のタブ近傍での抵抗値を小さくするという改善の余地がある。
【００１６】
この点を改善するため、第２発明による電気二重層コンデンサでは、金属製集電極の集電極本体を、電流が最も集中するタブ近傍での抵抗値がその残りの部位での抵抗値に比べて低くなるように、例えばタブ近傍における各小孔の孔径をタブ近傍以外の部位における各小孔の孔径よりも小さくするなどして小孔分布度合いを変化させたものであるから、第１発明の電気二重層コンデンサに比べて集電極本体のタブ近傍での抵抗値を小さくでき、集電極本体における抵抗損失をより小さくすることができる。
【００１７】
また、前記のように構成された第３発明による電気二重層コンデンサでは、金属製集電極のタブは小孔のないシート状とし、集電極本体は、タブ近傍をタブ同様にシート状とし、その残りの部分を多数の小孔を有するメッシュ状としたものであるから、前記第１発明の電気二重層コンデンサに比べて集電極本体の電流集中部分（タブ近傍）での抵抗値を小さくでき、集電極本体における抵抗損失をより小さくすることができる。
【００１８】
また、第４発明による電気二重層コンデンサでは、金属製集電極は、その集電極本体とタブとをアルミエキスパンド箔のようなエキスパンド加工された金属素材より一体成形し、かつ、図２に示すように、タブ引き出し方向とエキスパンド方向（素材引き伸ばし方向）とが略直角となるようにしたものであるから、図８に示すタブ引き出し方向とエキスパンド方向とが同じものに比較して、金属製集電極における電流（電子）の流れる経路が短いため抵抗値が小さい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は第４発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【００２０】
同図に示すように、この金属製集電極１１Ａは、この例では、エキスパンド加工された厚み５０μｍのアルミ箔（ＪＩＳ：１Ｎ３０）を刃付きプレス機によって型抜きすることにより、矩形をなす集電極本体１１Ａａと幅が狭く帯状をなすタブ１１Ａｂとを一体成形してなるものである。
【００２１】
また、この金属製集電極１１Ａは、図１に示すように、タブ引き出し方向とエキスパンド方向とが略直角となるように一体成形されている。これにより、この金属製集電極１１Ａは、図８に示すようなタブ引き出し方向とエキスパンド方向とが同じものに比較して、金属製集電極における電流（電子）の流れる経路が短く抵抗値が小さいものとなる。この金属製集電極１１Ａの寸法は、例えば、集電極本体１１Ａａ：幅５０ｍｍ，長さ１００ｍｍ、タブ１１Ａｂ：幅１５ｍｍ，長さ１００ｍｍである。
【００２２】
図２は図１に示す金属製集電極を有する第４発明による積層型の電気二重層コンデンサの全体構成例をその一部を切り欠いて示す斜視図である。
【００２３】
同図に示すように、正極１０は、タブ１１Ａｂを有する正極用の前記金属製集電極１１Ａと、その両側に位置される正電荷蓄積用の分極性電極１２ａ，１２ｂとにより構成されている。同様に、負極２０は、前記金属製集電極１１Ａと同構造になる負極用の金属製集電極２１Ａと、その両側に位置される負電荷蓄積用の分極性電極２２ａ，２２ｂとにより構成されている。この正極１０と負極２０とがセパレータ３１を間に介在させて交互に重ね合わせて積層されている。最外部に配置される電極１０，２０では、両側ではなく内側のみに分極性電極が配置されている。
【００２４】
この例では、金属製集電極１１Ａ，２１Ａの集電極本体、分極性電極１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ、およびセパレータ３１は、同形で同寸法の矩形をなしている。そしてこの例では、分極性電極１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂとして、厚み０．５ｍｍ程度であって、電荷を蓄積するための活性炭粉末と電導性改善用のカーボンブラック及び結着剤としてのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を混練し、これをシート化（平板状化）してなるものを使用し、セパレータ３１として、厚み２５μｍ程度のポリプロピレン繊維不織布を使用している。
【００２５】
そして、この電極１０，２０を重ね合わせた電極積層体を、各電極１０，２０の金属製集電極と分極性電極とを密着させるために締めつけ用の板３２を両側の最外部に配してその上に締めつけ用ベルト３３を巻き付けることで積層方向に締めつけた状態で、角形外装ケース３４に収納する。次いで、所定の電解液を含浸させ、ケース上蓋３４ａに固定される正極外部端子３５に各金属製集電極１１Ａの各タブ１１Ａｂをはとめ等によって接続する。このとき、各金属製集電極１１Ａは集電極本体１１Ａａとタブ１１Ａｂとが一体成形されたものであるから、従来行われていた集電極とタブとの接続作業が不要となる。同様に、負極外部端子３６に各金属製集電極２１Ａのタブ（図示省略）を接続する。しかる後、ケース３４の開口部にケース上蓋３４ａを取り付けて密閉するようにしている。
【００２６】
このように、集電極本体とタブとがエキスパンド加工された金属素材より一体成形されてなる金属製集電極を備えた電気二重層コンデンサにおいて、この発明による電気二重層コンデンサによると、従来のものに比べて、金属製集電極１１Ａ，２１Ａの抵抗値を小さくでき、金属製集電極１１Ａ，２１Ａにおける抵抗損失を小さくすることができる。
【００２７】
図３は第１発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【００２８】
同図に示すように、この金属製集電極１１Ｂは、この例では、小孔形成用突起が多数形成された集電極本体対応部分と平滑面にされたタブ対応部分とを持つ型抜き面を有する刃付きプレス機によって、厚み５０μｍのアルミ箔（ＪＩＳ：１Ｎ３０）を型抜きすることにより、多数の小孔を有してメッシュ状とされた集電極本体１１Ｂａと、小孔のないシート状とされたタブ１１Ｂｂとを一体成形してなるものである。これにより、メッシュ状のタブを持つ従来の電気二重層コンデンサに比べて充放電時のタブ１１Ｂｂにおける抵抗損失を小さくすることができる。
【００２９】
図４は第２発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図、図５は同じく他の例を模式的に示す正面図である。
【００３０】
図４に示す金属製集電極１１Ｃは、メッシュ状とされた集電極本体１１Ｃａとシート状とされたタブ１１Ｃｂとが一体成形されたものである点で前記図３の金属製集電極１１Ｂと同構造であるものの、異なる点として、その集電極本体１１Ｃａを、この例では単位面積当たりの小孔の数は一定として小孔の大きさを２段階に変化させた小孔分布パターンとすることにより、電流が最も集中するタブ近傍での抵抗値がその残りの部位で抵抗値に比べて小さくなるようにしたものである。この金属製集電極１１Ｃは、例えば、小孔形成用突起が図４に示す分布パターンで形成された集電極本体対応部分と平滑面にされたタブ対応部分とを持つ型抜き面を有する刃付きプレス機によって、アルミ箔の型抜きを行うことにより製作することができる。
【００３１】
また、図５に示す金属製集電極１１Ｄは、その集電極本体１１Ｄａを、集電極本体周辺部からタブ１１Ｄｂに近づくに伴って増大する電流集中による抵抗損失や発熱をより緩和するために、この例では単位面積当たりの小孔の数は一定として小孔の大きさを３段階に変化させた小孔分布パターンとすることにより、電流が集中するタブ近傍での抵抗値がその残りの部位で抵抗値に比べて小さくなるようにしたものである。これにより、前記図４の金属製集電極１１Ｃ、あるいは図５の金属製集電極１１Ｄを有する電気二重層コンデンサでは、前述した第１発明のものに比べて集電極本体の電流集中部分（タブ近傍）での抵抗値を小さくでき、集電極本体における抵抗損失をより小さくすることができる。
【００３２】
なお、前記図４および図５に示す例では、集電極本体においてタブに近づくにつれて抵抗値が小さくなるようにするため、▲１▼単位面積当たりの小孔の数は一定として各小孔の大きさを複数段階に変化させるようにしたが、これに限定されず、▲２▼小孔の大きさは一定として単位面積当たりの小孔数を変化させるようにしてもよく、また、前記▲１▼の小孔の大きさと前記▲２▼の単位面積当たりの小孔数とをともに変化させるようにしてもよい。
【００３３】
図６は第３発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図、図７は同じく他の例を模式的に示す正面図である。
【００３４】
図６に示すように、この金属製集電極１１Ｅは、アルミ箔の型抜きを行うことにより、集電極本体１１Ｅａとタブ１１Ｅｂとを一体成形してなるものであり、タブ１１Ｅｂは小孔のないシート状とし、集電極本体１１Ｅａは、この例ではタブ１１Ｅｂに近接する二辺に沿う部分をシート状とし、その残りの部分をメッシュ状とし、集電極本体１１Ｅａにおける電流が最も集中するタブ近傍での抵抗値が小さくなるようにしたものである。この集電極１１Ｅは、例えば、小孔形成用突起及びＬ字形の平滑面が図６に示すパターンで形成された集電極本体対応部分と平滑面にされたタブ対応部分とを持つ型抜き面を有する刃付きプレス機によって、アルミ箔の型抜きを行うことで製作できる。
【００３５】
また、図７に示す例の金属製集電極１１Ｆは、タブ１１Ｆｂを小孔のないシート状とし、集電極本体１１Ｆａを、集電極本体周辺部からタブ１１Ｆｂに近づくに伴って増大する電流集中による発熱をより緩和するためにタブ１１Ｆｂに連続させて木根状にのびる部分をシート状とし、その残りの部分をメッシュ状とし、集電極本体１１Ｆａにおける電流が最も集中するタブ近傍での抵抗値が小さくなるようにしたものである。これにより、前記図６の金属製集電極１１Ｅ、あるいは図７の金属製集電極１１Ｆを有する電気二重層コンデンサでは、前述した第１発明のものに比べて集電極本体の電流集中部分（タブ近傍）での抵抗値を小さくでき、集電極本体における抵抗損失をより小さくすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本願第１から第４の発明によると、従来の電気二重層コンデンサに比べて充放電時の金属製集電極における抵抗損失を小さくすることができ、大電流を流せる大容量のコンデンサに適した電気二重層コンデンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第４発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【図２】図１に示す金属製集電極を有する第４発明による積層型の電気二重層コンデンサの全体構成例をその一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図３】第１発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【図４】第２発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【図５】第２発明に係る金属製集電極の他の例を模式的に示す正面図である。
【図６】第３発明に係る金属製集電極の一例を模式的に示す正面図である。
【図７】第３発明に係る金属製集電極の他の例を模式的に示す正面図である。
【図８】比較のための金属製集電極を模式的に示す正面図である。
【図９】従来の積層型の電気二重層コンデンサの基本構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０…正極  １１Ａ〜１１Ｆ…金属製集電極  １１Ａａ〜１１Ｆａ…集電極本体  １１Ａｂ〜１１Ｆｂ…タブ  １２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ…分極性電極２０…負極  ２１Ａ…金属製集電極  ３１…セパレータ  ３２…締めつけ用の板  ３３…締めつけ用ベルト  ３４…角形外装ケース  ３４ａ…ケース上蓋  ３５…正極外部端子  ３６…負極外部端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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