(57)【要約】      （修正有）【課題】水溶性電解質を用いるキャパシタにおいて、印加され得る電圧の範囲を比較的大きく許容し、高電力に適用した場合の内部抵抗を抑制した電荷蓄積装置を提供する。【解決手段】第１の電極２１と、第１の電極２１に対向し、第１の電極２１から間隔をあけられた第２の電極２３と、電極間に配置された多孔質セパレータ２５と、電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、第１の電極２１および第２の電極２３にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
【請求項２】
約２．５ワット／グラムから３ワット／グラム、または
約３ワット／グラムから約３．５ワット／グラム、または
約３．５ワット／グラムから約５ワット／グラム、または
約５ワット／グラムより大きい、
のうちのいずれかの範囲内にある重量ＦＯＭを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、前記装置は、パッケージ内に配置された複数の同様のセルを含み、各セルが前記パッケージ内で他の１つのセルと並列または直列のいずれかで電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧が、
約３．５ボルトから４ボルト、または
約３ボルトから３．５ボルト、または
約３ボルト未満、
の範囲内にある、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
第１の電極および第２の電極が、それぞれ第１の炭素コーティングおよび第２の炭素コーティングを含み、これらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積が２０ｍ２／グラムより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の容積ＦＯＭは約３．２ワット／ｃｍ３より大きい、電荷蓄積装置。
【請求項７】
約３．２ワット／ｃｍ３から４ワット／ｃｍ３、または
約４ワット／ｃｍ３から５ワット／ｃｍ３、または
約５ワット／ｃｍ３から７ワット／ｃｍ３、または
約７ワット／ｃｍ３から８ワット／ｃｍ３、
の範囲内にある容積ＦＯＭを有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の導電性基板を有する第１の電極と、
第１の基板上に支持され、かつ４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第１の炭素層と、
第２の導電性基板を有する第２の電極と、
第２の基板上に支持され、４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第２の炭素層と、
電極間に配置される多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケージとを含み、第１の層と第２の層とは対向し間隔をあけられており、前記装置はさらに、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子を含み、前記装置の容積ＦＯＭは約１．１ワット／ｃｍ３より大きい、電荷蓄積装置。
【請求項９】
前記炭素の表面積が、少なくとも１２００ｍ２／グラムである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つ以上の層が、１種類より多くの炭素を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の応答時間（Ｔ０）は約０．０９秒未満である、電荷蓄積装置。
【請求項１２】
Ｔ０が、
約０．０９秒から１０−２秒、または
約１０−２秒から１０−３秒、または
約１０−３秒から約１０−４秒、または
約５×１０−５秒未満、
の範囲内にある、請求項１９に記載の装置。
【請求項１３】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約１２．５ワット／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
【請求項１４】
約１２．５ワット／グラムから１５ワット／グラム、または
約１５ワット／グラムから１７ワット／グラム、または
約１７ワット／グラムから２６ワット／グラム、または
約２６ワット／グラムより大きい、
の範囲内に重量当たりの最大電力を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の容積当たりの最大電力は約３５ワット／ｃｍ３より大きい、電荷蓄積装置。
【請求項１６】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の時定数は約０．０３秒未満である、電荷蓄積装置。
【請求項１７】
約０．０３秒から１０−２秒、または
約１０−２秒から１０−３秒、または
約１０−３秒から１０−４秒、または
約１０−４秒から１０−５秒、または
約１０−５秒未満、
の範囲内にある時定数を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極と、
第１の電極と互い違いにされ、それぞれの第２のタブがそこから延びる複数の第２のシート電極と、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、
電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによって、第１のタブは第１の端子に電気的に接続され、第２のタブは第２の端子に電気的に接続され、第１および第２の両端子がパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
【請求項１９】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１のシート電極と、
第１のシート電極に隣接して配置された第２のシート電極とを含み、これにより電極はそれぞれの長さで折り返され、前記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これにより第１の電極は第１の端子に電気的に接続され、第２の電極は第２の端子に電気的に接続され、第１および第２の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
【請求項２０】
複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の端子に電気的に接続されている第１の電極と、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第２の電極と、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第３の電極と、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより前記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
【請求項２１】
複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、
各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の端部との間に延びる、２つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、
キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第１のキャパシタセルとを含み、第１のセルは第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、前記装置はさらに、
キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第１のセルに対して間隔をあけた構成で維持される第２のキャパシタセルを含み、第２のキャパシタセルは第２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有する、複合電荷蓄積装置。
【請求項２２】
複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第１のコーティングを有する第１のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、前記装置はさらに、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第２の電極と、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
【請求項２３】
複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第１のコーティング、およびその他方側上に第２のコーティングを含む第１のシート電極を含み、第１のコーティングは第１の予め定められた厚さであり、第２のコーティングは第２の予め定められた厚さであり、前記装置はさらに、
第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の一方側に近接して配置された第２のシート電極を含み、この第２の電極はその一方側上に第３の予め定められた厚さの第３のコーティングを含み、この第３のコーティングは第１のコーティングと対向しており、前記装置はさらに、
第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の他方側に近接して配置された第３の電極を含み、この第３の電極はその一方側上に第４の予め定められた厚さの第４のコーティングを含み、この第４のコーティングは第２のコーティングと対向しており、前記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
【請求項２４】
スーパーキャパシタにおいて用いるための電極であって、前記電極は、
基板と、
前記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む、電極。
【請求項２５】
カーボン粒子と、少なくとも１対の電極の対向する面上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物との混合物を有する、少なくとも１対の電極と、
前記少なくとも１対の電極の前記対向する面の間に位置付けられたセパレータと、
このセパレータを湿らす電解質とを含む、スーパーキャパシタ。
【請求項２６】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、
発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、前記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ2／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
【請求項２７】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電極を含み、前記層は少なくとも約４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、前記装置はさらに、
第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけられ、前記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
【請求項２８】
前記炭素の表面積が少なくとも１２００ｍ２／グラムである、請求項４４に記載の装置。
【請求項２９】
少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む、請求項４４に記載の装置。
【請求項３０】
エネルギ蓄積装置であって、前記装置は、
ハウジングと、
第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第１の電荷蓄積容量が第２の電荷蓄積容量より大きく、前記装置はさらに、
電極の中間にあるセパレータと、
ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む、エネルギ蓄積装置。
【請求項３１】
第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第１および第２のコーティングは対向している、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記シートは実質的に寸法上等価であり、前記電荷蓄積容量は第１のコーティングと第２のコーティングとの差により変動する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
第１のコーティングが第２のコーティングより厚い、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
第１のコーティングの特定の容量が第２のコーティングのものより大きい、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記電荷蓄積容量は、第１および第２の電極の表面積における差により異なる、請求項３０に記載の装置。
【請求項３６】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
ハウジングと、
ハウジング内に配置された第１のシート電極と、
第１のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第２のシート電極と、
第１の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持するためのセパレータと、
電極の中間に配置される電解質と、
それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする２つの端子とを含む、電荷蓄積装置。
【請求項３７】
前記セパレータが、少なくとも１つの共通端に沿って接続される２枚の対向するセパレータシートを含み、第１の電極がこれらのセパレータシートの間に配置される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記セパレータシートが一体的に形成される、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記セパレータシートが共通端に沿って一体的に形成される、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
各セパレータシートが、ともに共通端から離れるように延びる、第１の端縁と、第１の端縁から間隔をあけられた第２の端縁とを含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
各セパレータシートがさらに、第１の端縁と第２の端縁との間に延びる第３の端縁を含み、第１の端縁は対向してともに接合され、第２の端縁は対向してともに接合される、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
第３の端縁が対向している、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
第１の電極が第１のサブシートと第１のサブシートに対向する第２のサブシートとを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
第１および第２のサブシートが対向している、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
第１および第２のサブシートの各々が共通端に沿って接合される、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
第１および第２のサブシートの間の共通端が２つの対向するセパレータシート間の共通端に近接して配置される、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
電荷蓄積装置であって、前記装置は、
炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの対向する電極を含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、前記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子を含む、電荷蓄積装置。
【請求項４８】
前記予め定められた公称直径が約８ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが１００ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記予め定められた公称直径が約６ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが約３６ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
前記予め定められた公称直径が約２ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが約６ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置。
【請求項５１】
電荷蓄積装置の製造方法であって、前記方法は、
炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの電極を対向させるステップを含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、前記コーティングは前記公称直径より大きいが前記公称直径のオーダである厚さを有し、前記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、前記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含む、電荷蓄積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷蓄積装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、主にスーパーキャパシタなどの電気化学電荷蓄積装置に用いるために開発されており、これ以降その適用例に関して述べる。スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタ、電気二層キャパシタおよび電気化学キャパシタその他などの用語で示され、これらすべてがこの明細書で用いられているような「スーパーキャパシタ」という用語の範囲内に含まれることになる。
【０００３】
明確な範囲内にある特殊な動作特徴を有するスーパーキャパシタの大量生産は公知である。大量生産は費用の点から言えば有利であるが、これは本来柔軟性の欠如を伴う。すなわち、特定の適用例に対するスーパーキャパシタの所望の特徴が一般に適用可能な範囲に収まらない場合は、妥協解決策が必要となる。１つの選択肢は、所望のスーパーキャパシタを一品生産または少数生産として製造することである。この後者の選択肢は費用が非常に嵩むことが多いので、ほとんど実行できない。
【０００４】
公知のスーパーキャパシタは、通常、コンピュータの無停電電源または揮発性メモリのバックアップ電源などの電源に適用される。これに応じて、これらのスーパーキャパシタを高エネルギ密度、低自己放電率および低価格に最適化することが一般的となっている。
【０００５】
より最近では、スーパーキャパシタは高電力パルスの適用例に理論的に適用可能であると考えられている。実際、このようなスーパーキャパシタを短期間の電流源またはシンクとして適合するよう作製した試みもある。そのような適用例には、内燃機関の始動、ハイブリッド車の負荷電力平準化および種々のパルス通信システムなどがある。しかしながら、これらのスーパーキャパシタの成功は、高等価直列抵抗その他の要因によってこれまで制限されてきた。たとえば、従来技術の二層キャパシタには、ボタンセルまたは螺旋巻き技術を用いるものがある。これらは、通常２つのグループのうちのいずれかに属し、第１のグループは高電力の適用例に関し、第２のグループは低電力の適用例に関する。第１のグループでなく第２のグループでは、高エネルギ密度を得ることが可能であった。
【０００６】
この第１および第２のグループは、概して、使用される電解質のタイプ、すなわちそれぞれ水溶性および非水溶性によって規定される。これは主に、高電力、したがって高電流の適用例により適した水溶性電解質によって本来もたらされる、より低い抵抗によるものである。つまり、抵抗が低いと、結果として水溶性電解質のＩ２Ｒ損失がより低くなる。しかしながら、このトレードオフは、これらの水溶性電解質に関して、容量セルにわたって印加され得る電圧が極めて限られているということである。
【０００７】
従来技術の二層キャパシタの第２のグループは、これとは逆の欠点を有する。すなわち、これらは利用可能なエネルギ密度を向上させるより大きな電圧窓をもたらす一方、高電力の適用例には不適切となる高い内部抵抗を有することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ジョン・Ｒ・ミラー著、１９９８年１２月７〜９日、フロリダ、ディアフィールドビーチで開催された「２層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第８回国際セミナー」のための「電気化学キャパシタのパルス電力パフォーマンス：現在市販の装置の技術的実情」と題された論文
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、少なくとも好ましい実施例においては、従来技術の１つもしくはそれ以上の欠点を克服するかまたは実質的に改善すること、または少なくとも有用な代替策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大きい。
【００１１】
好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約２．５ワット／グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３ワット／グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３．５ワット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量ＦＯＭは約５ワット／グラムより大きい。
【００１２】
より好ましくは、第１の電極および第２の電極は容量セルを形成し、上記装置は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセルはより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によってこれらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを意味する。
【００１３】
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００１４】
好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティングおよび第２の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積は２０ｍ２／グラムより大きい。
【００１５】
本発明の第２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第２の電極を第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大きい。
【００１６】
好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約２．５ワット／グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３ワット／グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３．５ワット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量ＦＯＭは約５ワット／グラムより大きい。
【００１７】
より好ましくは、第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、この装置は、並列に電気的に接続されかつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。
【００１８】
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００１９】
好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティングおよび第２の炭素コーティングを含み、これらのコーティングに用いられる炭素の表面積は２０ｍ２／グラムより大きい。
【００２０】
本発明の第３の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の容積ＦＯＭは約３．２ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２１】
好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約４ワット／ｃｍ３より大きい。より好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約５ワット／ｃｍ３より大きい。さらに好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約７ワット／ｃｍ３より大きい。いくつかの実施例では、この装置の容積ＦＯＭは約８ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２２】
より好ましくは、第１の電極および第２の電極は容量セルを形成し、上記装置は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセルはより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によってこれらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを意味する。
【００２３】
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００２４】
好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティングおよび第２の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積は２０ｍ２／グラムより大きい。
【００２５】
本発明の第４の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第２の電極を第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の容積ＦＯＭは約３．２ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２６】
好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約４ワット／ｃｍ３より大きい。より好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約５ワット／ｃｍ３より大きい。さらに好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約７ワット／ｃｍ３より大きい。いくつかの実施例では、この装置の容積ＦＯＭは約８ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２７】
本発明の第５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の導電性基板を有する第１の電極と、
第１の基板上に支持され、かつ４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第１の炭素層と、
第２の導電性基板を有する第２の電極と、
第２の基板上に支持され、４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第２の炭素層と、
電極間に配置される多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケージとを含み、第１の層と第２の層とは対向し間隔をあけられており、上記装置はさらに、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子を含み、この装置の容積ＦＯＭは約１．１ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２８】
本発明の第６の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の導電性基板を有する第１の電極を提供するステップと、
第１の炭素層を第１の基板上に支持するステップとを含み、第１の層は４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
第２の導電性基板を有する第２の電極を提供するステップと、
第２の基板上に第２の炭素層を支持するステップとを含み、第２の層は４００ｍ２／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を封止パッケージ内に収納するステップを含み、第１および第２の層は対向し間隔をあけられており、上記方法はさらに、
第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延び、それぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積ＦＯＭは約１．１ワット／ｃｍ３より大きい。
【００２９】
本発明の第７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の応答時間（Ｔ０）は約０．０９秒未満である。
【００３０】
好ましくは、Ｔ０は約１０−２秒未満である。より好ましくは、Ｔ０は約１０−３秒未満である。さらに好ましくは、Ｔ０は約１０−４秒未満である。いくつかの実施例では、Ｔ０は約５×１０−５秒未満である。
【００３１】
本発明の第８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第１の電極から対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極を提供するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の応答時間（Ｔ０）が約０．０９秒未満である。
【００３２】
好ましくは、Ｔ０は約１０-2秒未満である。より好ましくは、Ｔ０は約１０−３秒未満である。さらに好ましくは、Ｔ０は約１０−４秒未満である。いくつかの実施例では、Ｔ０は約５×１０−５秒未満である。
【００３３】
本発明の第９の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約１２．５ワット／グラムより大きい。
【００３４】
好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１５ワット／グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１７ワット／グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約２０ワット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大電力は約２６ワット／グラムより大きい。
【００３５】
本発明の第１０の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約１２．５ワット／グラムより大きい。
【００３６】
好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１５ワット／グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１７ワット／グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約２０ワット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大電力は約２６ワット／グラムより大きい。
【００３７】
本発明の第１１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の容積当たりの最大電力は約３５ワット／ｃｍ３より大きい。
【００３８】
本発明の第１２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータ、および電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積当たりの最大電力は約３５ワット／ｃｍ３より大きい。
【００３９】
本発明の第１３の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれに電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の時定数は約０．０３秒未満である。
【００４０】
好ましくは、この装置の時定数は約１０−２秒未満である。より好ましくは、この装置の時定数は約１０−３秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数は約１０−３秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約１０−４秒未満である。
【００４１】
本発明の第１４の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を提供するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の時定数は約０．０３秒未満である。
【００４２】
好ましくは、この装置の時定数は約１０−２秒未満である。より好ましくは、この装置の時定数は約１０−３秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数は約１０−３秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約１０−４秒未満である。
【００４３】
本発明の第１５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極と、
第１の電極と互い違いにされ、それぞれの第２のタブがそこから延びる複数の第２のシート電極と、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、
電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによって、第１のタブは第１の端子に電気的に接続され、第２のタブは第２の端子に電気的に接続され、第１および第２の両端子がパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４４】
本発明の第１６の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極を提供するステップと、
複数の第２のシート電極と第１の電極とを互い違いにするステップとを含み、第２のシート電極はそこから延びるそれぞれの第２のタブを有し、上記方法はさらに、
隣接する電極間に多孔質セパレータ手段を配置するステップと、
電極、セパレータ手段および電解質を封止パッケージ内に収納するステップと、
第１のタブを第１の端子に、かつ第２のタブを第２の端子に電気的に接続するステップとを含み、第１および第２の両端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４５】
本発明の第１７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第１のシート電極と、
第１のシート電極に隣接して配置された第２のシート電極とを含み、これにより電極はそれぞれの長さで折り返され、上記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これにより第１の電極は第１の端子に電気的に接続され、第２の電極は第２の端子に電気的に接続され、第１および第２の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４６】
本発明の第１８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１のシート電極を提供するステップと、
第１の電極に近接して第２のシート電極を配置するステップと、
電極をそれらのそれぞれの長さで折り返すステップと、
隣接する電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質をパッケージ内に封止するステップと、
第１の電極を第１の端子に、かつ第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップとを含み、第１および第２の両端子は上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４７】
本発明の第１９の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この複合電荷蓄積装置は、
第１の端子に電気的に接続されている第１の電極と、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第２の電極と、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第３の電極と、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより上記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４８】
本発明の第２０の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を提供するステップと、
第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、
第２の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、
第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、
第３の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、
第３の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、
隣接する電極間に１つ以上の多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより、上記端子は上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４９】
本発明の第２１の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、
各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の端部との間に延びる、２つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、
キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第１のキャパシタセルとを含み、第１のセルは第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、上記装置はさらに、
キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第１のセルに対して間隔をあけた構成で維持される第２のキャパシタセルを含み、第２のキャパシタセルは第２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有する。
【００５０】
本発明の第２２の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
パッケージにより規定された封止キャビティに電解質を収納するステップと、
各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の端部との間に延びる、２つの間隔をあけたキャパシタ端子を提供するステップと、
キャビティ内に電解質と接触させて第１のキャパシタセルを位置付けるステップとを含み、第１のセルは、第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、上記方法はさらに、
第２のキャパシタセルをキャビティ内に電解質に接触させて、かつ第１のセルに対して間隔をあけた構成で維持されるよう位置付けるステップを含み、第２のセルは、第２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有する。
【００５１】
本発明の第２３の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第１の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第１のコーティングを有する第１のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、上記装置はさらに、
第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第２の電極と、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００５２】
本発明の第２４の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１のシート電極を提供するステップと、
第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、
第１の電極の少なくとも一方側上に第１のコーティングを施すステップとを含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、上記方法はさらに、
第２の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、
第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、
１つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００５３】
本発明の第２５の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第１の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第１のコーティング、およびその他方側上に第２のコーティングを含む第１のシート電極を含み、第１のコーティングは第１の予め定められた厚さであり、第２のコーティングは第２の予め定められた厚さであり、上記装置はさらに、
第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の一方側に近接して配置された第２のシート電極を含み、この第２の電極はその一方側上に第３の予め定められた厚さの第３のコーティングを含み、この第３のコーティングは第１のコーティングと対向しており、上記装置はさらに、
第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の他方側に近接して配置された第３の電極を含み、この第３の電極はその一方側上に第４の予め定められた厚さの第４のコーティングを含み、この第４のコーティングは第２のコーティングと対向しており、上記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００５４】
本発明の第２６の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１のシート電極を提供するステップと、
第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、
第１の電極の一方側に第１のコーティングを、かつ他方側に第２のコーティングを施すステップとを含み、第１のコーティングは第１の予め定められた厚さであり、第２のコーティングは第２の予め定められた厚さであり、上記方法はさらに、
第２の電極の一方側に第３のコーティングを施すステップを含み、第３のコーティングは第３の予め定められた厚さであり、前記方法はさらに、
第２のシート電極を、第３のコーティングが第１のコーティングに対向するように第１の電極に近接して配置するステップと、
第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、
第４の予め定められた厚さの第４のコーティングを第３の電極に与えるステップと、
第４のコーティングが第２のコーティングに対向するように、第３の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、
第３の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、
１つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、
電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより、端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
【００５５】
本発明の第２７の局面によれば、スーパーキャパシタにおいて用いるための電極が提供され、これらの電極は、
基板と、
上記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む。
【００５６】
本発明の第２８の局面によれば、スーパーキャパシタが提供され、このスーパーキャパシタは、
カーボン粒子と、少なくとも１対の電極の対向する面上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物との混合物を有する、少なくとも１対の電極と、
上記少なくとも１対の電極の上記対向する面の間に位置付けられたセパレータと、
このセパレータを湿らす電解質とを含む。
【００５７】
本発明の第２９の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、
発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ２／グラムより大きい。
【００５８】
本発明の第３０の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の電極を発泡しない炭素から形成された第１の層でコーティングするステップと、
第２の電極を発泡しない炭素から形成された第２の層でコーティングするステップと、
第１の層と第２の層とを間隔をあけた構成で対向させるステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージにまとめて収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、これらの電極がともに上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ２／グラムより大きい。
【００５９】
本発明の第３１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電極を含み、上記層は少なくとも約４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、上記装置はさらに、
第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけられ、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい。
【００６０】
好ましくは、炭素の表面積は少なくとも１２００ｍ２／グラムである。より好ましくは、少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む。
【００６１】
本発明の第３２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電極を提供するステップを含み、第１の炭素層は少なくとも約４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の電極を提供するステップを含み、第２の層は少なくとも４００ｍ２／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層に対向して第１の層から間隔をあけられており、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージ内に収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の重力当たりの最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい。
【００６２】
好ましくは、炭素の表面積は少なくとも１２００ｍ２／グラムである。より好ましくは、上記層のうち少なくとも１層が１種類より多くの炭素を含む。
【００６３】
本発明の第３３の局面によれば、エネルギ蓄積装置が提供され、この装置は、
ハウジングと、
第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第１の電荷蓄積容量が第２の電荷蓄積容量より大きく、上記装置はさらに、
電極の中間にあるセパレータと、
ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む。
【００６４】
好ましくは、第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第１および第２のコーティングは対向している。より好ましくは、これらのシートは実質的に寸法上等価であり、電荷蓄積容量は第１のコーティングと第２のコーティングとの差により変動する。さらに好ましくは、第１のコーティングは第２のコーティングより厚い。しかしながら、他の実施例では、第１のコーティングの特定の容量が第２のコーティングのものより大きい。つまり、第１のコーティングはグラム当たり予め定められた容量をもたらす炭素を含み、これは第２のコーティングに含まれた炭素のものより大きい。さらなる実施例では、電荷蓄積容量における差は、ｃｍ２当たりのコーティングの付着量の差によるものである一方、他の実施例では、これは電極の単位面積当たりの炭素の活性表面積における差によるものである。
【００６５】
好ましくは、電荷蓄積容量は第１および第２の電極の表面積における差により異なる。
好ましい形態では、第１の電荷蓄積容量と第２の電荷蓄積容量との比は、約９：７から２：１の範囲内にある。より好ましくは、この比は約５：３から２：１の範囲内にある。
【００６６】
好ましい形態では、第１および第２の電荷蓄積容量における差は、充填材料を含む第２の電極によるものである。いくつかの実施例では、この充填材料はより小さい表面積の炭素である一方、他の実施例では、金属繊維または炭素ナノ（ｎａｎｏ）チューブが用いられる。より好ましくは、充填材料は導電性である。さらに好ましくは、第１および第２の電極は、充填材料を含むか否かにかかわらず、公称の厚さはほぼ同じである。
【００６７】
本発明の第３４の局面によれば、ハウジングを有するエネルギ蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電極をハウジング内に配置するステップを含み、第１の電気蓄積容量は第２の電荷蓄積容量より大きく、上記方法はさらに、
電極の中間にセパレータを配置するステップと、
電極と電荷をやり取りするためにハウジング内に電解質を設けるステップとを含む。
【００６８】
好ましくは、第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、上記方法はさらに、第１および第２のコーティングを対向させるステップを含む。より好ましくは、上記シートは実質的に寸法上等価であり、上記方法はさらに、第１のコーティングと第２のコーティングとの間に差を設けて電荷蓄積容量に変化をもたらすステップを含む。さらに好ましくは、第１のコーティングは第２のコーティングより厚い。しかしながら、他の実施例では、第１のコーティングの特定の容量は第２のコーティングのものより大きい。
【００６９】
本発明の第３５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
ハウジングと、
ハウジング内に配置された第１のシート電極と、
第１のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第２のシート電極と、
第１の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持するためのセパレータと、
電極の中間に配置される電解質と、
それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする２つの端子とを含む。
【００７０】
好ましくは、セパレータは少なくとも１つの共通端に沿って接続される２枚の対向するセパレータシートを含み、第１の電極はこれらのセパレータシートの間に配置される。より好ましくは、セパレータシートは一体的に形成される。さらに好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一体的に形成される。
【００７１】
また好ましくは、各セパレータシートは、ともに共通端から離れるように延びる、第１の端縁と、第１の端縁から間隔をあけられた第２の端縁とを含む。より好ましくは、各セパレータシートはまた、第１の端縁と第２の端縁との間に延びる第３の端縁を含み、第１の端縁は対向してともに接合され、第２の端縁は対向してともに接合される。さらに好ましくは、第３の端縁は対向している。
【００７２】
好ましい形態では、第１の電極は第１のサブシートと第１のサブシートに対向する第２のサブシートとを含む。より好ましくは、第１および第２のサブシートは対向している。さらに好ましくは、第１および第２のサブシートの各々は共通端に沿って接合される。また好ましくは、第１および第２のサブシートの間の共通端は２つの対向するセパレータシート間の共通端に近接して配置される。
【００７３】
本発明の第３６の局面によれば、ハウジングを有する電荷蓄積装置を構築する方法が提供され、この方法は、
少なくとも２つの対向するシート電極をハウジング内に配置するステップと、
電極のうちの第１のものの実質上すべてをセパレータで包み、間隔をあけた構成で電極を維持するステップと、
電極の中間に電解質を配置するステップと、
それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする２つの端子を設けるステップとを含む。
【００７４】
好ましくは、セパレータは少なくとも１つの共通端に沿って接続された２つの対向するセパレータシートを含み、上記方法はさらに、第１の電極をこのセパレータシート間に配置するステップを含む。より好ましくは、セパレータシートは一体的に形成される。さらに好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一体的に形成される。
【００７５】
また好ましくは、各セパレータシートは第１の端縁および第１の端縁から間隔をあけられた第２の端縁を含み、これらはともに共通端から離れるように延びる。より好ましくは、各セパレータシートはまた、第１の端縁と第２の端縁との間に延びる第３の端縁も含み、上記方法はさらに、第１の端縁をともに接合し第２の端縁をともに接合するステップを含む。さらに好ましくは、第３の端縁は対向している。
【００７６】
本発明の第３７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの対向する電極を含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子を含む。
【００７７】
好ましくは、予め定められた公称直径は約８ミクロン未満であり、コーティングの厚さは１００ミクロン未満である。より好ましくは、予め定められた公称直径は約６ミクロン未満であり、コーティングの厚さは約３６ミクロン未満である。さらに好ましくは、予め定められた公称直径は約２ミクロン未満であり、コーティングの厚さは約６ミクロン未満である。
【００７８】
本発明の第３８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの電極を対向させるステップを含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングはこの公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップとを含む。
【００７９】
この文章中に特に明記しない限り、明細書および請求の範囲全体にわたって、「含む（comprise）」「含んでいる（comprising）」という語は排他的または網羅的な意味ではなく包括的な意味として、すなわち「含んでいるが限定はされない」という意味として解釈されるべきである。さらに、「含む（includes）」「含んでいる（including）」などの語は、「含む（comprise）」「含んでいる（comprising）」などの語と互換可能に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】スーパーキャパシタの形の、この発明に従う電荷蓄積装置の斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施例に従う、電極の構成の概略図である。
【図３】シート電極の概略的な側面図である。
【図４】交互に配された複数の図３のシート電極を用いた、この発明の別の局面に従う、電荷蓄積装置の概略的な平面図である。
【図５】この発明に従う代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。
【図６】図５のスーパーキャパシタの概略的な左側面図である。
【図７】図５のスーパーキャパシタの概略的な右側面図である。
【図８】この発明に従うさらなる代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。
【図９】図８のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。
【図１０】この発明に従う別のスーパーキャパシタの概略的な正面図である。
【図１１】図１０のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。
【図１１Ａ】図１０のスーパーキャパシタの概略的な断面図である。
【図１２】この発明の特定の例のための、重量ＦＯＭ対Ｔ０のグラフの図である。
【図１３】この発明の特定の例のための、容積ＦＯＭ対Ｔ０のグラフの図である。
【図１４】この発明の特定の例のための、重量当りの最大電力対時定数のグラフの図である。
【図１５】この発明の特定の例のための、容積当りの最大電力対時定数のグラフの図である。
【図１６】この発明の寸法適用性を示す表である。
【図１７】いくつかの先行技術のスーパーキャパシタおよびこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表である。
【図１８】この発明の別の局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。
【図１９】この発明のさらなる局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。
【図２０】この発明に従って作られたスーパーキャパシタのさらなる例を示す表である。
【図２１】この発明の１つの実施例に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。
【図２２】図２１のスーパーキャパシタ用のセパレータの平面図である。
【図２３】図２１のスーパーキャパシタの電極の１つの概略的な平面図である。
【図２４】図２２のセパレータおよび図２３の電極を含む電極アセンブリの概略的な斜視図である。
【図２５】図２３に示されたものと同様の電極内に入れ子状にされた、図２４のアセンブリの概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００８１】
この発明の第１の局面に従うと、電荷蓄積装置であって、
第１の電極と、
第１の電極と対向しかつ間隔を空けられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収容するための封止パッケージと、
第１の端子および第２の端子とを含み、それらはそれぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続されかつ両者ともパッケージから延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらし、装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムよりも大きい、電荷蓄積装置が提供される。
【００８２】
重量ＦＯＭは、パルス電力の適用を意図されたエネルギ蓄積装置とともに用いるのにより適切な効果尺度であることが認められる。すなわち、そのような適用は必然的に周波数依存であり、したがって、効果尺度の計算は、蓄積装置のインピーダンスが−４５°の位相角に達する周波数ｆ０をまず識別するステップを含む。次にｆ０の逆数は蓄積装置に特有の応答時間Ｔ０を与える。ｆ０でのインピーダンスＺ″の虚数部の値は、装置がその周波数で供給することができるエネルギＥ０を計算するのに用いられる。より特定的には、以下の式のとおりであり、
Ｅ０＝１／２ＣＶ２
式中、Ｃ＝−１／（２πｆ０Ｚ″）であり、Ｖは装置の定格電圧である。次にＥ０を装置の質量およびＴ０で除することにより、重量効果尺度が計算される。すなわち、以下の式のとおりとなる。
重量ＦＯＭ＝Ｅ０／（ｍ．Ｔ０）
重量効果尺度は、１９９８年１２月７〜９日、フロリダ、ディアフィールドビーチで開催された「２層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第８回国際セミナー」（"8th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices"）のための「電気化学キャパシタのパルス電力パフォーマンス：現在市販の装置の技術的実情」（"Pulse Power Performance of Electrochemical Capacitors: Technical Status of Present Commercial Devices"）と題される論文でジョン・Ｒ・ミラー（John R. Miller）により提案された。この論文の中の教示および開示は相互参照により本明細書中に援用される。
【００８３】
ミラーの論文には、Ｔ０と装置の容積の両者によって除算されたＥ０に基づく容積効果尺度（容積ＦＯＭ）の計算も詳細に説明されている。容積ＦＯＭはワット／ｃｍ３という形で表記される。
【００８４】
これらの効果尺度は、パルス電力の周波数依存の性質および装置に適用されている他のそのような適用例とさらに一致する、蓄積装置の異なる特徴をもたらす。装置の性能はこれまで用いられてきた単純なＲＣモデルで十分に説明できないことにも留意しなければならない。このような単純なモデルは、パルス化された適用例または高電力の適用例のいずれの周波数依存の性質も説明できないが、この発明を特徴づけるのに用いられるＦＯＭはそのような適用例に直接的に関係するパラメータである。
【００８５】
好ましくは、第１の電極は第１の基板および基板によって支持される第１の炭素層を含み、第２の電極は第２の基板および第２の基板によって支持される第２の炭素層を含み、第１および第２の炭素層は対向しかつ少なくとも４００ｍ２／グラムの表面積を含み、装置の重量ＦＯＭは約１ワット／グラムよりも大きい。
【００８６】
ｍ２／Ｇと表記される表面積の本明細書中の測定値は窒素ＢＥＴ技術によって得られることが認められる。
【００８７】
より好ましくは、炭素層の表面積は少なくとも１２００ｍ２／グラムである。さらに好ましくは、炭素層の少なくとも１つは２つ以上のタイプの炭素を含む。
【００８８】
さらに好ましくは、炭素層は、プロトン化されたカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の懸濁液と組合された、高表面積炭素および高導電性炭素の約２．５：１の比率の混合である。しかしながら、他の実施例では他の結合剤を用いることが認められるであろう。たとえば、そのような別の結合剤はＣＭＣナトリウムである。
【００８９】
図１を参照すると、この発明に従う、スーパーキャパシタ１の形のエネルギ蓄積装置の１つの実施例が示される。スーパーキャパシタ１は、第１の端３と間隔を空けられた第２の端４との間に軸方向に延在する円柱形のハウジング２の中に収められる。他の実施例では異なって形づくられたハウジングが用いられる。
【００９０】
ハウジングは円柱形の側壁６を有し、それぞれの端３および４に隣接して配置された円形の上面７および底面８を有する。底面、側壁および上面のすべての隣接する端縁は封止するように係合される。この実施例では、ハウジング２は金属から形成され、上面７および底面８は封止するように側壁６に接着される。
【００９１】
上面７は、それぞれの端子１１および１２を封止するように受けるための径方向に間隔を空けられた２つのポート９および１０を含む。端子は、それらがスーパーキャパシタ１の電極のそれぞれのものまたは組に電気的に接続されるハウジング２の中から延在する。多数の可能な電極がこの発明のさまざまな実施例に用いられるが、最も好ましいものが以下に詳細に論じられる。
【００９２】
端子１１および１２はゴムの封止材１３および１４によりそれぞれのポートの中に封止するように保持される。
【００９３】
第１の好ましい電極の構成が図２に示される。より特定的には、この実施例では、スーパーキャパシタ１は複数の第１のシート電極２１を含み、シート電極はそれから延在するそれぞれの第１のタブ２２を有する。複数の同様の第２のシート電極２３が電極２１と交互に配され、そこから延在するそれぞれの第２のタブ２４を有する。複数の多孔質シートセパレータ２５は隣接する電極間に配置される。図１を参照して説明されたように、ハウジング２は、電極２１および２３、セパレータ２５ならびに電解質（図示せず）を収容する。タブ２２は端子１１に電気的に接続され、タブ２４は端子１２に電気的に接続されてそれぞれの電極へ外部からの電気的接続をもたらす。
【００９４】
図２には、２つの電極２１および２つの電極２３が示されるが、実際の実施例は、すべて相互接続されて予め定められた容量をもたらすはるかに多くの数のこのようなシート電極を含むことが認められるであろう。この形でのこの発明は、容量のモジュラーユニットすなわち１つの電極２１、１つの電極２３および中間セパレータ２５が容易に大量生産されかつ複数の同様のユニットと組合されて特定の用途に必要な容量を与えるという点で特に有利である。したがって、特定の性能特性を有するスーパーキャパシタは、大きな需要があるときと同じ単位原価で容易にかつ少数だけ生産され得る。いくつかの実施例では、異なるサイズのハウジングが求められる。しかし、ハウジングの相対的なコストは大きくない。
【００９５】
タブ２２および２４はそれぞれ中央に配置された開口２７および２８を含む。これらの開口は同様のタブを電気的に相互接続するためのそれぞれの導電ロッド２９および３０を受ける。次にロッドはハウジング２内でそれぞれの電極１１および１２に電気的に接続される。
【００９６】
いくつかの実施例では、２つの隣接する電極２１および２３はともに折り曲げられて電極の一方の寸法を減じる。公知の容量が求められるが、パッケージングの要件が非常に限られる状況ではこれは特に有利である。
【００９７】
別の実施例では、２つまたはそれ以上のシート電極およびともに螺旋に巻かれた１つまたはそれ以上の中間セパレータを用いることにより、同様の効果が達成される。２つのシート電極は縦方向に細長くかつ横方向にオフセットされるため、それらの対向する端縁がそれぞれのタブを規定する。この実施例では、シート電極の長さは特定の容量の要件に合せられる。この種のスーパーキャパシタの製造がこれから詳細に説明される。他の実施例では、図１を参照して説明されたもののように、同様の準備およびコーティング技術が用いられる。しかしながら、当業者には明らかなように、図１のシート電極は巻かれるよりはむしろ積重ねられる。
【００９８】
スーパーキャパシタは２層タイプのものであり、螺旋に巻かれた構成向けには、１つの好ましい実施例では、長さが２５００ｍｍ、幅が８５ｍｍであるアルミニウムのシート電極を用いる。第１のステップは以下のものを含むコーティング混合物の準備である。それらはすなわち、
高表面積炭素
導電性炭素
結合剤
界面活性剤および
水である。
【００９９】
コーティングのプロセスではワイヤバー（wire-bar）技術を用いるが、リバースロール、ドクターブレードなどの他の好適な技術も利用可能であることが当業者には認められるであろう。
【０１００】
コーティング手順が完了したすぐ後、一切の残余の水分を取除き結合剤を硬化させるため、電極スプールはオーブンに入れられる。これによりアルミニウムの腐蝕も防ぐ。オーブンの温度は１１０℃から１４０℃の範囲に維持され、好ましくは窒素気体を送風される。後者は酸化を最小化するためである。硬化の時間は少なくとも５時間であり、ある状況下では一切の損傷がなければより長くたとえば１２時間放置される。電極を取除くのに先だって、酸化を最小限にするため、オーブンは室温に冷まされなければならない。
【０１０１】
ホイルの狭い幅をコーティングするよりも、アルミニウムホイル電極の全幅をコーティングしてその後所望の幅に細く切ることがより好都合である。いくつかの実施例では、コーティングされていない端縁が用いられ、それに従って炭素層が設けられる。
【０１０２】
シート電極は片側をコーティングされたのみであるが、他の実施例では、それは両側のコーティングを含む。しかしながら他の実施例では、両側をコーティングするよりもむしろ、片側をコーティングされた２枚のシートが背中合せの構成に設けられて両面電極を規定する。すなわち、ホイル電極は接着されるかまたはさもなければそれぞれの炭素層が外向きになりかつ隣接する電極上の炭素層と対向するようにともにしっかりと固定される。
【０１０３】
各々の端の接続がただ１つの電極としかもたらされないように、２つの電極間にオフセットが必要である。
【０１０４】
アルミニウムの噴霧によって端子が形成される実施例では、平坦な端縁を用いて各々の電極の対向する自由端縁を９０°曲げる。これにより端子の形成に用いられるアルミニウムの噴霧の浸透を止める。この曲げは、素子が回転している間に２０ｃｍのへらの平坦な端を用いて行なわれるのが好都合である。好ましい実施例では、電極の端縁の約１ｍｍから２ｍｍが曲げられる。長い方の軸に沿って素子を見たとき、電極間のギャップが見えてはならない。
【０１０５】
アルミニウム噴霧のプロセスのより詳細な説明は同時継続中のＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９８／００４０６に見られ、その詳細は相互参照により本明細書中に援用されている。
【０１０６】
しかしながら簡単に言えば、注記されるのは、巻き線との電気的な接続をもたらすのにアルミニウム金属噴霧が用いられることである。炎の非常に高い温度のために、素子にわたる噴霧器の安定した動きは、噴霧器の先端から約２０ｃｍの距離をおいて各々の素子にわずか約１秒から２秒のみしか用いられない。この動きが３度繰返されてから、素子が回転されて残りの側面が噴霧される。このプロセスは、連続したアルミニウム面ができるまで、熱すぎて素子に触れられなければ冷却期間を間に挟んで、必要なだけ繰返される。あるセパレータは低い軟化温度を有し、その温度よりも上では横方向に縮むことが認められる。
【０１０７】
十分なアルミニウムが一旦付着すると、端子を取付けるのに十分な平滑な平坦域が得られるまで、端が研削される。研削の間に大量の熱が発生するため、キャパシタを過熱させないように注意が払われる。この平坦域は、各々の端ごとに異なるが、端全体ほど大きくなくてもよい。下方端すなわち上面７から最も遠くに配置されることが意図される端に、コアから径方向に延在する平坦なタブを溶接される電極が設けられる。したがって、少なくとも１０ｍｍの幅のかつ平滑な表面を有する平坦域がコアから端縁まで必要である。上端の端子はコアと端縁の中間に接線方向に溶接され、したがって平滑であるためには端の約１／３または１／２を必要とする。
【０１０８】
次に端子タブのレーザ溶接が行われる。この装置は５００Ｗ連続定格のLasag社のNd：YAGレーザであった。３ｍｍまでの間隔を空けた少なくとも２つの８ｍｍの溶接の列が各々のタブ上に作られた。ビームは約１４０ｍｍ／分で動かされ、２９．５ジュール／パルスのエネルギで１０Ｈｚでパルスされる。
【０１０９】
金属缶の形であるパッケージに現在形成されたキャパシタ素子の最終的な設置に先立って、端子とアルミニウムを噴霧された上面との間にテフロン（登録商標）の絶縁体が設けられて、底面からの端子が上面に触れて短絡を起こすのを防ぐ。この絶縁体は１ｍｍの厚みのテフロン（登録商標）の円板であり、真中に３ｍｍの穴を開けられ、この穴から端縁まで径方向のスリットを有する。この穴は中央の端子上の絶縁体の位置決めをし、この端子がアルミニウムの端の接続に触れるのを防ぐ。テフロン（登録商標）の円板もパッケージの中に設けられて缶から素子の底面を絶縁する。ほとんどの場合、発泡ポリプロピレンが缶の底面に配置されて素子をしかるべき場所に保持する。しかしながら他の実施例では、成形プラスチックロケーターが用いられる。
【０１１０】
容量素子が一旦缶の中に設けられると、一切の水分を取除くため最終の乾燥のステップが実行される。これは最大温度８０℃で真空オーブン中で実行される。この低温乾燥はセパレータの軟化を回避する。低温乾燥は、１５０Ｐａよりもよい真空をもたらすことができる回転真空ポンプを用いて約１２時間実行される。
【０１１１】
次に、上方向に延在する端子を除いて容量素子が完全に覆われるように、電解質が缶に加えられる。オーブンの中の圧力は、炭素の穴に閉じ込められた気体が取除かれるように約５３Ｐａに徐々に減じられる。最初のガス抜きが落ち着くと、真空は８Ｐａに増加される。この過程はオーブンを６０℃に暖めることによって促進される。約３０分後、ガス抜きは実質的に止まったはずであり、オーブンは窒素により大気圧にもたらされる。その後キャパシタがオーブンから取出される。さらなる電解質が加えられ、電解質が入らなくなるまでこの過程が繰返される。２サイクルまたは３サイクルが行なわれるのが通常である。最後に、一切の余分の電解質が取除かれる。
【０１１２】
次にキャパシタは端子上に上面を取付けることによって完成される。この実施例では上面はベークライトからなるが、他の実施例では他の材料が用いられる。缶の最上端縁は１００ｒｐｍまでで小型のボール盤の封止工具を用いて上面の周を丸く形作られる。
【０１１３】
好ましくは、２つのタイプの炭素がキャパシタで用いられる。第１に高表面積炭素または活性炭、第２に導電性カーボンブラックなどの炭素である。
【０１１４】
電極は好ましくはアルミニウムホイルである。
この実施例では、電解質は炭酸プロピレン（ＰＣ）に溶解されたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩（ＴＥＡＴＦＢ）の１．０Ｍの溶液からなる。すなわち、１リットルの溶液中２１７グラムのＴＥＡＴＦＢである。電解質中の水の量は絶対最小値に保たれ、好ましくは５０ｐｐｍよりも少ない。したがって、シグマアルドリッチ社が生産するような無水物ＰＣが用いられる。さらに、ＴＥＡＴＦＢは使用に先立って徹底的に乾燥される。約６時間または水分含有量を十分に減じるのに足る時間の間、１６０℃の真空オーブン乾燥によってこの乾燥が達成される。
【０１１５】
ＴＥＡＴＦＢは溶解が遅く、室温でそれが完全に溶解するのに２４時間かかるのは珍しいことではない。しかしながらこの好ましい方法は、溶液を５０℃に加熱することによりこの時間を減じる。水分含有量を低く保つため、電解質の準備は乾燥した窒素グローブボックス中で行なわれる。
【０１１６】
この発明での使用のために、セパレータは望ましい多孔性、強さおよび薄さを有する。
この発明の代替的な実施例が図３および図４に示される。この実施例では、基本的な容量ユニットは、図４に最もよく示されるように、ともに折り曲げられた２つの同様のシート電極３５および３６を含む。各々のシート電極は矩形であり、４つの隣接する端縁３７、３８、３９および４０を含む。それぞれ開口４３および４４を有する対称に間隔を空けられた２つのタブ４１および４２は、端縁４０から外向きに延在する。これらのタブは、複数の同様のタブとともにそれらが接続されかつキャパシタ１の端子１１または１２にまとめて電気的に結合されるという点において、図２のタブ２２および２４と同様に機能する。
【０１１７】
使用の際、各々の電極３５および３６は、端縁３７および３９と平行な軸４５の付近で中央で折り曲げられる。図４に示されるように、各々の電極は、各電極の端縁３９が他の電極の軸４５と隣接して存在するように、他の電極と交互に配される。多孔質セパレータ４６も電極の各々の隣接する部分の間に含まれる。図４の例示はこの発明の構成の理解を助けるように概略的に示されたものであることがわかる。実際には、隣接する電極およびセパレータは、図４に示された間隔を空けられた構成というよりはむしろ互いにすぐ近くに隣接している。
【０１１８】
電極３５および３６は、上述のように与えられる１層の活性炭を各々の側に含む。しかしながら、当業者には認められるように、上述の方法の巻くステップは、予め定められた複数の容量素子を折り曲げて次に積重ねてスーパーキャパシタ１に所望の電気的特徴をもたらすステップと置換えられる。
【０１１９】
複数の容量素子が用いられるところでは、隣接する素子間に多孔質セパレータが配置されて電気的短絡を防ぐ。
【０１２０】
いくつかの実施例では、電極３５および３６はまずともに広範囲にセパレータと当接し次に一緒に折り曲げられる。
【０１２１】
他の実施例では、一方の電極の端縁４０は、タブ４１および４２が互いから離れて延在するように、他方の電極の端縁３８と隣接して存在する。いくつかのこのような実施例では、各々が軸４５と平行でかつそれからの間隔を空けられた複数の軸に沿って、各々の電極が他の電極および中間セパレータとともに折り曲げられる。さらなる実施例では、電極は、軸４５と垂直である１つまたはそれ以上の軸に沿って折り曲げられる。代替的な実施例では、電極３５および３６は、軸４５と平行な少なくとも１つの軸および軸４５に垂直な少なくとも１つの軸に沿って折り曲げられる。
【０１２２】
この発明およびその適用例をさらに示すため、スーパーキャパシタの開発の理論的かつ実践的基礎を見ることが有用である。より特定的には、この発明のスーパーキャパシタは高電力の適用例に用い得ることが認められる。このようなスーパーキャパシタの特徴により、適用例に求められる効率、サイズおよび質量が規定される。所与の質量または容積および容量については、高効率のスーパーキャパシタを低効率のスーパーキャパシタと区別する（等価直列抵抗またはｅｓｒとして公知の）のは、電気抵抗の特徴である。すなわち、損失を最小化するため、高電力の適用には低いｅｓｒが望ましい。
【０１２３】
いずれのキャパシタに対しても、質量および容積を増すことによって電気抵抗を減じることができる。しかしながら、結果として望まれるのは、容量を維持しながら、抵抗、質量および容積を同時に減少させることである。
【０１２４】
電気抵抗に寄与するファクタには以下のものが含まれる。すなわち、炭素ベースのスーパーキャパシタとしての、炭素の固有の導電性、両面抵抗、金属電極および接続抵抗ならびに電解質およびセパレータの抵抗である。高効率の動作を達成するため、これらの要因を最小化するよう試みられてきた。
【０１２５】
従来のキャパシタでは、誘電体によって分離された２つの平坦な電極間に電流の流れが存在する。炭素ベースのキャパシタは同様の態様で作られるように見えるが、金属電極間の材料は誘電体ではなく、高表面積炭素、電解質およびセパレータ（活性材料）である。誘電体は炭素表面にあるナノメータ薄の溶媒の層である。電流は金属電極からこれらの材料を通って流れるため、それらの抵抗はキャパシタのｅｓｒを減じるよう最小化されなければならない。これは、たとえば炭素コーティングの密度を増すことまたはより薄いコーティングを用いることにより、活性材料の厚みを減じることで達成される。このような線に沿った別の試みは、より薄いセパレータを用いることである。電流が流れなければならない経路を最小化することにより、厚みの減少が電解質の抵抗成分も減じる。
【０１２６】
活性材料の抵抗を減じる別の手段は、より導電性の高い炭素および電解質を用いることである。より導電性の高い活性材料をより薄い設計と組合せることで、質量および／または容積を維持または減少させながら、高電力が達成できる。
【０１２７】
一般的に時定数と称される、抵抗と容量（ＲＣ）の積がキャパシタを特徴づけるのにしばしば用いられる。理想的なキャパシタでは、時定数は周波数独立である。しかしながら、炭素ベースのスーパーキャパシタでは、ＲとＣの両者とも周波数依存である。これは、高表面積炭素の微孔質の特徴および炭素表面上の電気二重層の電荷蓄積の性質から発生する。スーパーキャパシタのＲとＣを測定する従来の方法は、定電流充電または放電を用いることならびにサイクルの開始または終了の際の電圧ジャンプおよびそれぞれサイクルの間の電圧の変化率を測定することである。しかしながらこれは、高周波数のＲおよび低周波数のＣをもたらす効果がある。別のより好適な方法は、複素インピーダンスの周波数応答を測定することおよび単純なＲＣ素子をデータにモデル化することである。これは、定電流技術を用いて測定されたものと相関し得るまたは相関し得ない周波数範囲にわたってＲおよびＣの推定値を与える。キャパシタの好適性の尺度としてＲＣ時定数を用いることにより大きな不確実さを被ることは明らかである。電流および電圧の位相角が−４５°である周波数でＲとＣが測定されるよりも有用な技術が最近提案された。この周波数の逆数は「応答時間」であり、他の方法よりもより明確に規定される。さらに、次にこの周波数での容量がエネルギを計算するのに用いられて、質量または容積で正規化されると効果尺度（ＦＯＭ）をもたらし得る。
【０１２８】
いずれのキャパシタからも利用可能な理論上の最大電力は、電圧の二乗をｅｓｒの４倍で除した商である。質量または容積に正規化されると、これは理論上の最大出力密度をＷ／ｋｇでもたらす。最大電力は、（上記に示されたように）抵抗を減じること、動作電圧を増すことまたはその両者のいずれかによって増加され得るのは明らかである。動作電圧の増加は、スーパーキャパシタの材料の構成の一切の変化なしに、キャパシタが動作する電圧窓を最大化することによって達成できる。対称な炭素ベースの電極を備えるスーパーキャパシタでは、電圧は両電極に等しく分配される。動作の間、最大キャパシタ電圧は最も弱い電極の降伏電圧によって限定される。より高い動作電圧は、各電極の容量を調整して利用可能な電圧窓を十分に活用することにより達成できる。各々の電極で異なる炭素ローディングを用いることにより、これは好都合に達成される。
【０１２９】
この明細書中に説明される発明の局面は、目標とされたエネルギおよび出力密度が新しいスーパーキャパシタの設計および関連する製造プロセスによって達成されるのを可能にする。移動体通信での適用に好適な、非常に薄い、高電力のキャパシタが１つの結果である。別のものはハイブリッド電気自動車の負荷の平準化に好適である。これらの具体例が以下の説明にさらに示される。
【０１３０】
［例］
例１
図５から図７に概略的に示されるように、スーパーキャパシタ５１は第１の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５２の形の第１の電極を含む。第２の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５３の形の第２の電極は、シート５２と交互に配されかつそれらと対向する。複数の多孔質セパレータ５４は隣接するシート５２と５３の間に介在される。矩形の封止されたプラスチックパッケージ５５は、電極５２および５３、セパレータ５４ならびに電極が浸漬される電解質５６を収容する。この実施例では、電解質はＴＥＡＴＦＢを用いたアセトニトリルである。矩形のタブ５７および矩形のタブ５８は一体となるように形成され、シート５２および５３のそれぞれから上方向に延在する。タブ５７は端子５９に当接しかつ電気的に接続され、タブ５８は端子６０に当接しかつ電気的に接続される。この電気的接続はこの実施例では超音波溶接によってもたらされる。端子５９と６０の両者は、パッケージ５５から延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらす。
【０１３１】
シート５２および５３の各々は、約７０ｍｍの幅、約１７０ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々５０枚のシート５２および５３、すなわち合計で１００枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積５９５０ｃｍ２が与えられる。
【０１３２】
図面に示されるように、シート５２および５３は、前述の実施例を参照して説明されたように、片側のみを活性炭層６２で各々がコーティングされる。適切なところでは、２枚の同様のシートが背中合せで当接して、シートの他方上の同様の炭素層と対向する外向きの活性炭層を設ける。この実施例では、層６２はシートにわたって実質的に均一であり、約３６ミクロンの厚みを有する。
【０１３３】
パッケージ５５は、外部寸法が約１７ｍｍ×１１０ｍｍ×１９０ｍｍを有する、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。端子５９および６０がパッケージを通って延在するところでは、適切な封止材を用いてパッケージ５５から電解質５６が出るのを防いだり、また重要なことには、パッケージ５５への空気、水分または他の汚染物質の浸入を防いだりする。
【０１３４】
当業者には認められるように、セパレータ５４は間隔を空けられた構成にある対向する層６２を維持してその間の電気的導通を防ぐ。しかしながら、セパレータ５２は層６２間の電解質内のイオンの動きを許す。この特定の実施例では、セパレータ５４はシート５３の背中合せの対の付近で折り曲げられる。
【０１３５】
スーパーキャパシタ５１は定格を２．５ボルトとし、２７０ファラッドの公称容量を与える。しかしながら、電解質およびパッケージを含む全体の重量は２９５グラムであることが重要である。測定された１秒のＴ０と組合せてこれらの数字を用いることにより、２．２ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６ワット／ｃｍ３が与えられる。
【０１３６】
単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約１ｍΩであり、ＲＣ時定数は約２８０ｍｓである。
【０１３７】
例２
この発明に従って作られたスーパーキャパシタ７１の別の具体例が図８および図９に概略的に示される。これらの図面では、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。
【０１３８】
シート５２および５３の各々は、約４０ｍｍの幅、約４０ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々４０枚のシート５２および５３、すなわち合計で８０枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積６４０ｃｍ２が与えられる。
【０１３９】
この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約３６ミクロンの厚みを有する。
【０１４０】
パッケージ５５は、外部寸法約１０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有し、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。
【０１４１】
スーパーキャパシタ７１は定格を２．５ボルトとし、３０ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は２５グラムである。測定された０．４８秒のＴ０と組合わせてこれらの数字を用いることにより、２．７１ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび２．７１ワット／ｃｍ３の容積ＦＯＭが与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約４ｍΩであり、ＲＣ時定数は約１２０ｍｓである。
【０１４２】
例３
この発明に従って作られたスーパーキャパシタの別の具体例は、図８および図９に示されたのと同じ構造のものである。しかしながら、この実施例では、各々２０枚のシート５２および５３、すなわち合計で４０枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積３２０ｃｍ２が与えられる。
【０１４３】
この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約１２ミクロンの厚みを有する。
【０１４４】
パッケージ５５は、外部寸法約５ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有する、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。
【０１４５】
この例のスーパーキャパシタは定格を２．５ボルトとし、１０ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１７グラムである。測定された０．１１秒のＴ０と組合わせてこれらの数字を用いることにより、２．６４ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび３．００ワット／ｃｍ３の容積ＦＯＭが与えられる。
【０１４６】
単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約５ｍΩであり、ＲＣ時定数は約５０ｍｓである。
【０１４７】
例４
図１０、図１１および図１１Ａにはスーパーキャパシタ８１が示され、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。上述の他の例と同様に、シート電極が用いられる。しかしながら、これらのシートはクレジットカードまたはスマートカードのサイズのパッケージ８２内に収容される。
【０１４８】
各々のシート５２および５３は、約４０ｍｍの幅、約６５ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々３枚のシート５２および５３、すなわち合計６枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積７８ｃｍ２が与えられる。
【０１４９】
ここでも層６２はシートにわたって実質的に均一であり、約１２ミクロンの厚みを有する。
【０１５０】
パッケージ５５はＰＶＣシートからなる矩形の柱状の形を有し、外部寸法約２ｍｍ×５４ｍｍ×８６ｍｍを有する。
【０１５１】
スーパーキャパシタ８１は定格を２．５ボルトとし、０．３ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１２グラムである。測定された０．０３７秒のＴ０と組合わせてこれらの数字を用いることにより、１．２７ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６８ワット／ｃｍ３の容積ＦＯＭが与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約２２．５ｍΩであり、ＲＣ時定数は約６．３ｍｓである。
【０１５２】
例５
スーパーキャパシタ９０の形の多重または複合電荷蓄積装置が図１８に概略的に示される。スーパーキャパシタ９０は、アルミニウムシート９４および９６によってまとめて規定される第１のシート電極を含む。他の実施例では、単一の折り曲げられたシートが用いられる。当業者には単一のシートを用い得ることも認められるであろう。
【０１５３】
シート９４と９６の両者は第１の端子（図示せず）に電気的に接続される。シート９４はその片側上に第１のコーティング９５を含み、シート９６の反対側には第２のコーティング９７を含む。第１のコーティングは第１の予め定められた厚みのものであり、第２のコーティングは第１の厚みとは異なる第２の予め定められた厚みのものである。第２のシート電極９８は第２の端子９２に電気的に接続され、電極９４の片側に隣接して配置される。また、電極９８はその片側上に、第１の予め定められた厚みと等しい第３の予め定められた厚みの第３のコーティング１９９を含む。コーティング１９９はコーティング９５と対向する。第３の電極２００は端子９２と電気的に接続され、シート９６に隣接して配置される。電極２００はその片側上に、第４の予め定められた厚みの第４のコーティング２０１を含む。さらに、コーティング２０１はコーティング９７と対向する。他の実施例と同様に、それぞれの隣接する電極間に複数の多孔質セパレータが配置される。さらに、スーパーキャパシタ９０は、電極、１つまたはそれ以上のセパレータおよび電解質を収容するためのパッケージ９１を含み、それを通して端子が延在して、それぞれの電極に外部から電気的な接続がもたらされる。
【０１５４】
この実施例のすべてのコーティングは同じ調製を用いる。しかしながら、スーパーキャパシタを構成する２つの容量セルが互いに平行であることを考慮すれば、異なる厚みはスーパーキャパシタ９０に多重または複合時定数を与える。この場合、セルはそれぞれ対向しかつ隣接する炭素コーティングによって規定される。
【０１５５】
他の実施例では、コーティングの厚みは同じであり、コーティングの調製はセル間で変化して、容量の差をもたらす。これは次に、多重または複合時定数スーパーキャパシタを与える。
【０１５６】
例６
スーパーキャパシタ９９の形の代替的な多重または電荷蓄積装置が図１９に概略的に示される。このスーパーキャパシタは、第１の端子（図示せず）に電気的に接続されかつ第１の予め定められた厚みを有する第１のコーティング１０２をその片側に含む、第１のシート電極１００を含む。第２のシート電極１０３は、第２の端子（図示せず）に電気的に接続され、電極１００に隣接して配置される。第２の電極はその片側に、第２の予め定められた厚みを有する第２のコーティング１０６を含む。示されたように、コーティング１０６はコーティング１０２と対向する。
【０１５７】
多孔質セパレータ５４は隣接した電極間に配置されて、固定された間隔をあけられた構成にこれらの電極を維持する。さらに、パッケージ１０５は、電極、セパレータおよび電解質を収容し、それにより端子（図示せず）がパッケージから延在して、それぞれの電極への外部からの電気的接続を可能にする。
【０１５８】
別個の電極にわたり炭素の厚みが異なるこの配置により、多重または複合時定数スーパーキャパシタも提供される。
【０１５９】
便宜上、図１９に示された電極の対はセルとして規定される。他の実施例では、ともに積み重ねられかつ平行に接続されて所望の容量を与える複数の同様のセルが用いられる。好ましくはまた、１つのセルのより薄い端およびより厚い端が少なくとも１つの隣接するセルのそれぞれより厚い端およびより薄い端と並列されるように、セルが積み重ねられる。
【０１６０】
他の実施例では、上述の例と同様の構造であるが異なる物理的パラメータを備えるものが用いられて異なる特徴をもたらす。そのような代替的な物理的パラメータおよび結果として生じる特徴のいくつかの例が図１７および図２０の表に示される。参照を容易にするため、図１２は、図１７に示されたこの発明の例のための重量ＦＯＭ対Ｔ０のグラフでの表示を示し、図中、基準平面上のスーパーキャパシタのそれぞれの場所が図１７の表中の項目番号に対応する数字によって表わされる。図１３は、容積ＦＯＭ対Ｔ０を示すスーパーキャパシタの例のための対応する表示を示す。
【０１６１】
図１７に項目１２として示されるスーパーキャパシタは、直列に接続される容量セルの対の平行な組合せを含む。したがって、公称動作電圧は５ボルトである。他の実施例では、３つ以上の容量セルが直列に接続されて、より高い動作電圧をもたらす。
【０１６２】
この発明のキャパシタを技術分野でより一般的に用いられる基準で特徴づけることも有用である。より特定的には、スーパーキャパシタから利用可能な最大電力（Ｐｍａｘ）は以下の方程式を用いて計算された。
Ｐｍａｘ＝Ｖ２／４Ｒ
式中、Ｖはキャパシタの最大動作電圧であり、Ｒはキャパシタの単純ＲＣモデルから定められた抵抗である。
【０１６３】
図１７の例のＰｍａｘの値は、一方ではそれぞれの装置の質量で除算されて重量Ｐｍａｘを与え、他方ではそれぞれの装置の容積で除算されて容積Ｐｍａｘを与えた。次にこれらの値は時定数に対してそれぞれ図１４および図１５にプロットされた。
【０１６４】
図１２から図１５にまとめて特に示されたように、上述の例に説明されたスーパーキャパシタは非常に有利なパルス電力負荷の特徴をもたらす。すなわち、低い応答時間Ｔ０および時定数は、負荷の切換またはパルス化が発生する適用例で遭遇するのと同様に、高周波数負荷に対する優れた過渡応答を確実にする。例に示された高い重量ＦＯＭおよびＰｍａｘならびに高い容積ＦＯＭおよびＰｍａｘと組合わせると、これは、この発明が広範囲の用途に適用されるのを可能にする。この点を示すため、例１のスーパーキャパシタは、回生ブレーキングおよび短期間の高いトルクの設備を容易にする高電力自動車への適用ならびに対応する高い電流負荷の必要性に対して主に意図される。しかしながら、例４のスーパーキャパシタは、携帯電話のバッテリと並行して用いることが主に意図される。
【０１６５】
図１２から図１５のグラフの各々は、示された範囲の上部領域にわたって延在する、２本の実線を含む。各々の場合、これらの線は、図１７に示された例３および例１２向けに示されているさまざまなパラメータの理論上の上限を表わす。特徴の所与の組合せおよび炭素コーティングの所与の調製については、パッケージングの容積または質量の装置全体への寄与が小さい、理論上の最大値が存在する。他の調製については、理論上の最大値は異なる。
【０１６６】
本明細書中の教示の利点により、スーパーキャパシタのさまざまなパラメータがいずれの特定の用途の特定の要件にも合うように容易に調整されるという点においても、この発明が有利であることが当業者には認められるであろう。すなわち、この発明は寸法適用に特に適する。例として、図１６は、この発明の多数の他の実施例向けのさまざまな計算された特徴を示す。より薄い層は、より低い時定数と応答時間だけでなく、より高い出力密度と効果尺度をもたらすことをこれは示している。
【０１６７】
図に含まれる実線は２つの所与の調製の限界を表わすことがわかる。しかしながら、拡大された動作性の範囲をもたらしかつより低い時定数だけでなくより高い効果尺度と出力密度を達成することを可能にする他の調製が存在する。
【０１６８】
図１６の計算は以下のものの抵抗を含む装置の抵抗に基づくものである。それらはすなわち、
１．端子、
２．アルミニウム電極、
３．電極／炭素インターフェイス、
４．炭素粒子間インターフェイス、
５．炭素層の中の電解質および
６．セパレータの中の電解質、である。
【０１６９】
この発明はこのモデルを用いて、高容量、高い効果尺度、高い出力密度および所望の応答時間を依然として提供しながら、さまざまな抵抗を最適化する。
【０１７０】
重量ＦＯＭは重量出力密度に従って尺度が決まることが予測され、容積ＦＯＭは容積出力密度に従って尺度が決まることが予測される。これらの後者の量は、Ｖ２、１／Ｒおよび１／質量または１／容積のいずれかに比例する。したがって、適用のために最適化される所与の電圧に対し、ＦＯＭの増加は、減少するＲ、減少する質量および減少する容積によりもたらされる。コーティングの所与の調製および所与の厚みについては、Ｒは電極の面積と本質的に反比例する。最小限のパッケージの質量または容積については、質量および容積は電極の面積に比例する。したがって、「より大きな」装置を作ることは、より少ないパッケージングによりＦＯＭを僅かに増加させるにすぎない。したがって、装置の所与のサイズについては、装置にとって望ましい時定数または応答時間と両立するコーティングの厚みを減じることにより、抵抗が最小化される。次に、炭素の混合の選択およびコーティング材料の調製によって、装置の容量が定められる。
【０１７１】
この発明のスーパーキャパシタの優れた性能は、炭素粒子およびプロトン化されたカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の混合剤の使用によってもたらされる個別の炭素粒子間の向上した導電性により寄与されるとも考えられる。理論に縛られることを望まなければ、そのような向上した導電性は以下に示される多数の要因の結果であると考えられる。それらはすなわち、個別の炭素粒子の増加した密集度、個別の炭素粒子の表面上の分子間空間への増加した電解質の移動および炭素粒子と電解質間のインターフェイス領域のサイズの全体的な減少である。高表面積炭素と高導電性炭素の混合がこれらの効果を最適化すると考えられる。
【０１７２】
さらに、プロトン化されたＣＭＣの相対的な不溶性がこの発明のスーパーキャパシタの増加した全体的な寿命に寄与する。
【０１７３】
「浸漬された」という用語または同様の用語は、他に明確に注記されなければ、電解質の中の電極の配置を参照して用いられる際に、過剰な電解質が用いられるそれらのスーパーキャパシタだけでなく電解質の量が電極を単に湿らせるのに十分なスーパーキャパシタも含むことが意図されることがわかる。すなわち、電解質の量は、スーパーキャパシタの動作を可能にするのに十分な量だけ必要である。
【０１７４】
上述の例は別々のセルに主に関するが、この発明はバイポーラ構成にも適用可能なことも認められる。
【０１７５】
さらに、「有機電解質」という用語または同様の用語が有機溶媒中の電解質を指すことが認められる。
【０１７６】
比較の目的のため、図１７は、いくつかの先行技術のスーパーキャパシタだけでなくこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表を提供する。
【０１７７】
図２１を参照すると、電荷蓄積装置３０１は封止された柱状のハウジング３０２を含む。２つの対向する折り曲げられた矩形のアルミニウム電極３０３および３０４がハウジング３０２内に配置され、それぞれ金属端子３０５および３０６に接続されて電極への外部からの電気的接続を可能にする。ソルポア（登録商標）シートセパレータ３０７は電極３０３および３０４の間に配置され、それらの電極を固定された間隔をあけられた構成に維持する。電解質（図示せず）も電極間に配置される。
【０１７８】
セパレータ３０７は「ポケット」構成に形成され、それは折り返され、横方向の端はともに固定されて横方向の端の間に開口３０８を設ける。図示を容易にするため、セパレータ３０７は２本の折り曲げ線を有するように示される。しかしながら実際には、対向する電極に対してセパレータが直接的に隣り合うと、１本の折り曲げ線が用いられる。セパレータの多孔質の性質により、電極間の電解質中のイオンの移動が可能になる。
【０１７９】
各々の電極は、それぞれの端子３０５および３０６と電気的に係合する少なくとも１つのタブ３０９を有する単一の同様のアルミニウムシートから形成される。電極は、図面に示される重なりおよび入れ子状の構成に折り曲げられる。ここでも、図示を容易にするために、電極３０４が２本の折り曲げ線で示されることがわかる。しかし実際には、この電極がセパレータ３０７に対して直接的に隣り合うように単一の折り曲げが作られる。
【０１８０】
電極３０３は開口３０８内で受けられ、タブ３０９のみが「ポケット」またはパウチから延在するようにセパレータ３０７によって包まれる。次にこの電極とセパレータとの組合せが折り曲げられた電極３０４に挿入されて単一の容量セルを完成する。この実施例では単一のセルのみが示されるが、他の実施例では２つまたはそれ以上のこのようなセルが用いられる。電極の電極面積は約１０２ｃｍ２であり、２．５ボルトで約２８ファラッドの公称容量を与える。
【０１８１】
各々の電極３０３および３０４は活性炭の高表面積コーティング３１０を含む。このコーティングは予め定められた厚みのものであり、炭素と電極間の密な係合を容易にする結合剤を含む。
【０１８２】
端子３０５および３０６はハウジング３０２の内側から外側に延在するため、それらはそれぞれの端の間をハウジングと封止するように係合される。この実施例では、封止係合は２つのゴムのグロメット３１１および３１２により行なわれる。他の実施例では、他の材料または材料の組合せから作られるグロメットが用いられる。たとえば、ある装置はシリコンの封止化合物および接着剤を用いる。
【０１８３】
図２２から図２４を参照して、電極３０３および３０４がより詳細に説明される。より特定的には、図２３に最もよく示されるように、電極３０３は実質的に矩形であり、２つの矩形のサブシート３１５および３１６を含む。サブシートは一体となるように形成され、共通の端縁３１８を規定する折り曲げ線３１７のまわりで対称である。シート３１５および３１６は、図２４に示されるように隣接してまとめてタブ３０９を規定する、それぞれ一体として形成された矩形のサブタブ３１９および３２０を含む。
【０１８４】
シート３１５は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３２１および３２２を含む。さらなる端縁３２３は端縁３２１と３２２の間に延在する。図２３にも示されるように、タブ３１９は、端縁３２２と端縁が会うところに隣接する端縁３２３から離れて延在する。同様に、シート３１６は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３２５および３２６を含む。さらなる端縁３２７は端縁３２５と３２６の間に延在する。また同様に、タブ３２０は、端縁３２６とその端縁が会うところに隣接する端縁３２７から離れて延在する。
【０１８５】
電極３０３は片側のみを活性炭でコーティングされ、次に、図２１に示されるようにコーティングされた側が外向きになるように線３１７の付近で折り曲げられる。
【０１８６】
電極３０４は、それぞれのタブ３０９が間隔をあけられるように、それが反対の向きに交互に配されることを除けば、電極３０３と同じである。これは以下に詳述される。便宜上、電極の対応する特徴は対応する参照番号で示される。
【０１８７】
セパレータ３０７は、縮尺に従わずに図２２に平面で示され、共通の端縁３３３に沿って一体として形成される２つの矩形のサブシート３３１および３３２を含む。この端縁も折り曲げ線３３４を規定する。シート３３１は、垂直方向に端縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３３５および３３６も含む。自由端縁３３７は端縁３３５と３３６の間に延在する。同様に、シート３３２は、垂直方向に端縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３３９および３４０を含む。自由端縁３４１は端縁３３９と３４０の間に延在する。
【０１８８】
製造の間に、電極３０３は、シート３１５および３１６のコーティングされた側が反対にかつ外向きになるように、線３１７の付近で折り曲げられる。さらに、タブ３１９および３２０が当接する。これとは別に、セパレータ３０７は、端縁３３５および３３９が平行でかつともに当接し、端縁３３６および３４０が平行でともに当接し、かつ端縁３３７および３４１が平行に互いに隣接するように、線３３４の付近で折り曲げられる。その後、端縁３３５および３３９がともに結合され、端縁３３６および３４０がともに結合される。いくつかの実施例では、これは接着剤を用いて達成され、他の実施例では熱溶接または他の熱処理が用いられる。さらなる実施例では、端縁は結合されない。
【０１８９】
図２４に最もよく示されるように、電極３０３は次に、セパレータ３０７によって形成される「パウチ」または「ポケット」内で入れ子状にされる。示されたように、セパレータは電極３０３の実質的にすべてを包み、以下に説明されるように、電極３０３および３０４を間隔をあけた構成に維持する。タブ３０９は、隣接する端縁３３７および３４１を超えて外向きに延在して、端子３０５へのその電気的接続をもたらす。図示を容易にするため、図２４に、セパレータ３０７は熱溶接により結合された端縁３３６および３４０とともに示されるが、端縁３３５および３３９はまだ結合されていないが隣接している。
【０１９０】
次に電極３０４は、電極３０３を形成するのと同様のコーティングされたシートを折り曲げることにより形成される。より特定的には、折り曲げは、シート３１５および３１６のコーティングされた側が対向しかつ内向きになるように、折り曲げ線３１８に沿って作られる。さらに、タブ３１９および３２０は互いに隣接しかつ対向する。次に図２４のアセンブリは、図２５に最もよく示されるように電極３０４内に入れ子状にされ、電極のそれぞれのタブ３０９は間隔をあけられる。次に電極３０４のタブ３１９および３２０は、端子３０６に当接しかつ固定されて電極への外部からの電気的接続をもたらす。
【０１９１】
図２５の電極のアセンブリは単一セルと称され、本明細書中の教示から当業者には認められるように、複数のセルが平行に接続されてスーパーキャパシタ３０１の容量を比例して増すことができる。他の実施例では、複数のセルが平行に積み重ねられて、同様の電極３０３および３０４に対するそれぞれのタブ３０９が同様のタブの２つの間隔をあけられた積み重ねを形成する。各々の積み重ねの中のタブは次にともにクランプされ、積み重ねがそれぞれの端子３０５および３０６に電気的に接続される。
【０１９２】
この発明の好ましい実施例は非水性の電解質を用いて高いエネルギ密度を達成する。しかしながら、このタイプの電解質に関するそれと反対の従来の知識にもかかわらず、それらが高い出力密度およびＦＯＭも達成できるのは驚くべきことである。この結果は、スーパーキャパシタの全体的な抵抗を減じる一致した試みにより、好ましい実施例において達成される。以下の特徴を用いることがこの結果に寄与する。すなわち、
・電解質によって与えられる、電流径路の長さしたがって抵抗を最小化する、薄い非常に多孔質のセパレータ、
・単位体積当りの高容量を依然として提供しながら、アルミニウム電極に炭素を介した短い電流径路を提供するための（約１００ミクロンよりも薄い）高表面積炭素の薄い層、
・炭素層の導電性を向上させるための導電性カーボンブラックを含む炭素の混合および
・（１．０モルのオーダの）高濃度の塩を含む電解質、である。
【０１９３】
いくつかの実施例では、結合剤を含む各々の炭素コーティングの厚みは１００ミクロンよりも少ない。図１７および図２０に示される例については、それぞれの炭素コーティングの厚みが示される。６ミクロンのコーティングの例外があるものの、炭素粒子の直径は僅か６から８ミクロンである。しかしながら、６ミクロンのコーティングのためには、僅か２ミクロンの直径に研削される同じサイズの粒子が用いられる。より小さい僅かな直径の炭素が用いられる実施例では、コーティングはここでもさらに薄い。
【０１９４】
単位体積当りでより大きな容量を与えるのに、従来の知識では比較的厚い炭素コーティングを用いてきた。そのようなコーティングは約１５０ミクロンまたはそれよりも大きいオーダである。しかしながら、説明された実施例で用いられたように、炭素コーティングを通る電流径路の長さが小さくなるに従い、より薄いコーティングが減じられたｅｓｒをもたらすことがわかっている。薄いコーティングはまた、それらが先行技術の装置で用いられるより厚いコーティングよりも少ない容積しか占めないため、高いＦＯＭにプラスの寄与を有する。しかしながら、この発明の好ましい実施例に従う装置は、活性炭およびプロトン化された結合剤の使用により利用可能な表面積が比較的高いままであるため、比較的高い容量を依然として提供するのは驚くべきことである。
【０１９５】
理論に制限されることは望まないが、より薄いコーティングが用いられると、別のメカニズムが働き始めることがここで理解される。より特定的には、好ましい実施例で用いられた活性炭は、結果として炭素コーティング内に粒子間のボイドを生じる。これらのボイドは典型的に入り組んだ性質のものである。炭素粒子のサイズよりも著しく大きな厚みを有する先行技術のコーティングについては、コーティングのインピーダンスは高い。しかしながら、コーティングの厚みが炭素粒子のサイズと同じオーダの大きさである好ましい実施例のコーティングについては、インピーダンスに対する粒子間のボイドの影響は最小限である。すなわち、活性炭粒子のサイズ、炭素層の厚みおよびその層によって与えられる結果として生じるインピーダンスの間の強い関係が存在することが発見された。
【０１９６】
この発明の好ましい実施例はより薄い炭素コーティングを用いてこの関係を利用し、それにより単位体積当りのより高い容量、したがって高いＦＯＭを達成する。
【０１９７】
ＦＯＭを定めるための容積および質量の測定は、電極、セパレータおよび電解質が収容されるパッケージを考慮に入れる。この発明の説明された実施例を用いて達成可能である高いＦＯＭは、パッケージ自体および別個の構成要素をパッケージ内に配置するコンパクト化の方法によっても寄与される。
【０１９８】
この発明に従って作られたより大きなスーパーキャパシタについては、絶対的に必要であるよりも重くかつかさばるパッケージを用いて、依然として比較的高いＦＯＭを達成することが公知である。たとえば、厳しい環境での動作のために非常に頑丈なパッケージを有することが望ましい場合、ＦＯＭにおける何らかの妥協が許容される。しかしながら、これらのより大きな装置に対しては、装置の全体的な容積または重さに比例して寄与するところが減少するパッケージのために、比較的高いＦＯＭが依然として可能である。
【０１９９】
いくつかのより小さな装置については、柔軟な多層プラスチックパッケージの使用により、高いＦＯＭが一部達成される。そのようなパッキングの例は、本発明の出願人の名前で同時係属中の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９９／００７８０に開示される。このＰＣＴ出願中の開示は、相互参照により本明細書中に援用される。
【０２００】
この発明は特定の例を参照して説明されたが、それが多くの他の形で実現され得ることが当業者には認められるであろう。
【符号の説明】
【０２０１】
１  スーパーキャパシタ、２  ハウジング、３  第１の端、４  第２の端、６  側壁、７  上面、８  底面、９，１０  ポート、１１，１２  端子、１３，１４  封止材、２１  第１シート電極、２２  第１のタブ、２３  第２のシート電極、２４  第２のタブ、２５  多孔質シートセパレータ、２７，２８  開口、２９，３０導電ロッド。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年3月3日(2011.3.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積装置であって、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極とを備え、少なくとも１つの電極は高表面積炭素および高導電性炭素を有する炭素コーティングを有し、高導電性炭素に対する高表面積炭素の比は５対１未満であり、さらに
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを備え、
装置の重量ＦＯＭは２．１ワット／グラムと３１．３ワット／グラムとの間である、電荷蓄積装置。
【請求項２】
高導電性炭素に対する高表面積炭素の比は２．５対１以下である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
高導電性炭素に対する高表面積炭素の比は２．５対１である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
２．５ワット／グラムから３ワット／グラム、または
３ワット／グラムから３．５ワット／グラム、または
３．５ワット／グラムから５ワット／グラム、または
５ワット／グラムより大きい、のうちのいずれかの範囲内にある重量ＦＯＭを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、装置はパッケージ内に配置された複数の同様のセルを含み、各セルがパッケージ内で他の１つのセルと並列または直列のいずれかで電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記容量セルの最大動作電圧が、
３．５ボルトから４ボルト、または
３ボルトから３．５ボルト、または
３ボルト未満、の範囲内にある、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
第１の電極および第２の電極が、それぞれ第１の炭素コーティングおよび第２の炭素コーティングを含み、これらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積が２０ｍ2／グラムより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、装置はパッケージ内に配置された複数の同様のセルを含み、各セルがパッケージ内で他の１つのセルと並列または直列のいずれかで電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第１および第２のコーティングは対向している、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
シートは実質的に寸法上等価であり、電荷蓄積容量は第１のコーティングと第２のコーティングとの差により変動する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
第１のコーティングが第２のコーティングより厚い、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
第１のコーティングの特定の容量が第２のコーティングのものより大きい、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
電荷蓄積容量は第１および第２の電極の表面積の差により異なる、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
電荷蓄積装置であって、
第１の電極と、
第１の電極と対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極とを備え、少なくとも１つの電極はワイヤバー技術によって塗布される炭素コーティングを有し、さらに
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを備え、
装置の重量ＦＯＭは２．１ワット／グラムと３１．３ワット／グラムとの間である、電荷蓄積装置。