(57)【要約】【課題】小型で、高い体積エネルギー密度と優れたサイクル特性とを有する電気二重層キャパシタと、それを用いたバックアップ電源を得る。【解決手段】電極層７の活物質は比表面積が１０００ｍ２／ｇ以下である活性炭であり、電解液は非水電解液であり、電解液中の電解質塩として四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩または四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩に属する塩のうちの少なくとも１つを１〜１．８Ｍの濃度範囲で含んでおり、かつ、電解液は燐酸エステルを０．１〜０．５ｗｔ％の範囲で含んでいる電気二重層キャパシタ。および、その電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極とセパレータと電解液を含む電気二重層キャパシタであって、
前記電極は活物質として比表面積が１０００ｍ２／ｇ以下の活性炭を含み、
前記電解液は電解質塩として四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩または四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩に属する塩のうちの少なくとも１つを１〜１．８Ｍの濃度範囲で含むことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩は、
四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム塩または四フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム塩のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
前記四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩は、
四フッ化ホウ酸テトラエチルホスホニウム塩および四フッ化ホウ酸トリエチルメチルホスホニウム塩のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
前記電解液が、
非水電解質溶媒としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホランのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項５】
前記電解液は、
燐酸エステルを０．１〜０．５ｗｔ％の範囲の割合で含むことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項６】
蓄電機構を含むバックアップ電源であって、
前記蓄電機構は、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタの１個以上により構成されることを特徴とするバックアップ電源。
【請求項７】
前記バックアップ電源が、
電子機器に接続するための電気接点を含み、
電子機器の内部に搭載できる大きさと形状であることを特徴とする請求項６に記載のバックアップ電源。
【請求項８】
前記電子機器が、
デスクトップ型のコンピュータであることを特徴とする請求項６または７のいずれか１項に記載のバックアップ電源。
【請求項９】
前記バックアップ電源が、
充電制御回路を含むことを特徴とする請求項６〜８のうちのいずれか１項に記載のバックアップ電源。
【請求項１０】
前記バックアップ電源が、
ＤＣ−ＤＣコンバータを含むことを特徴とする請求項６〜９のうちのいずれか１項に記載のバックアップ電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型のサイズで、しかも高い体積エネルギー密度と優れたサイクル特性とを有する電気二重層キャパシタ、および、このような電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用電子機器の普及や電気自動車の実用化にともない、長時間の連続駆動が可能な電源デバイスの必要性が高まっている。こうした電源デバイスは、携帯用電子機器用途としては主にリチウムイオンを使用する非水二次電池（以下、「リチウムイオン電池」という）が、電気自動車用途としては大容量電源である燃料電池が、それぞれ注目されている。
【０００３】
リチウムイオン電池と燃料電池に共通の問題点は、急激な電流変化に追従できないことである。例えば、リチウムイオン電池は使用中に瞬間的に大電流が流れるとＩＲドロップによる急激な電圧低下が起こることが多い。「ＩＲドロップ」とは、各種の電池や電気二重層キャパシタにおいて放電開始時に生ずる電圧降下現象である。このＩＲドロップは、電池や電気二重層キャパシタの内部抵抗が大きい場合に生じやすい。リチウムイオン電池は高容量化および高エネルギー密度化とともに内部抵抗が増大する傾向にあり、ＩＲドロップの問題が顕著となっている。一方、燃料電池もその構造上急激な電流変化に追従できない。
【０００４】
これらの電池を安定使用するため、キャパシタにより電力を平滑化する方法が提案されている。特に、容量の大きな電気二重層キャパシタと電源デバイスとの併用は、電源の安定化に非常に効果的である。
【０００５】
電気二重層キャパシタは、分極性電極と電解液との界面に生成する電気二重層に電気を蓄える。電気二重層キャパシタの分極性電極には、主成分として炭素材料、特に、活性炭素繊維や活性炭粒子が用いられる。
【０００６】
電気二重層キャパシタに用いられる電解液には、水系電解液または非水系電解液、あるいは固体電解質が用いられる。中でも非水系電解液は、キャパシタの耐電圧を大きくできるという特長があるため、高エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタが得られる可能性がある。また、非水系電解液を用いた電気二重層キャパシタは、固体電解質を用いた場合よりも製造プロセスを簡便化することができる。そのため、携帯用電子機器のバックアップ電源を始め広く応用が検討されている。
【０００７】
電気二重層キャパシタについては、現在、実用的なエネルギー密度を得るべく検討がおこなわれている。例えば、特開２０００−２０８３７２号公報には、電解液の成分・濃度を調整することによって、電気二重層キャパシタのエネルギー密度を向上させる技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電気二重層キャパシタのエネルギー密度は、一般に「体積エネルギー密度」、すなわち、外装体などを含めたキャパシタ全体のエネルギー密度で表される。高エネルギー密度化の目標値は、おおむね電気自動車用の鉛蓄電池の体積エネルギー密度である２０〜４０Ｗｈ／ｄｍ３と考えられている。これまで電気自動車の蓄電器には鉛蓄電池が用いられてきたが、環境問題の観点から、非鉛系の蓄電器が必要となった。電気二重層キャパシタも、鉛蓄電池の代替材料となる非鉛系の蓄電器として検討される場合が多かった。
【０００９】
体積エネルギー密度の向上を目的とした技術は、例えば、特開２０００−２９４４６１号公報に開示されている。同号公報では、電極層の変更によって８．５〜１０．４Ｗｈ／ｄｍ３の体積エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタを得る技術が開示されている。
【００１０】
しかしながら、上記公報に開示の技術で得られた電気二重層キャパシタは、６０〜７２Ωという大きな抵抗値を有している。電気二重層キャパシタを携帯電子機器用に小型化した場合、その小型化に伴う電極対向面積の減少によってキャパシタが高抵抗化することが知られている。そのため、上記公報に開示の技術を小型のキャパシタにそのまま応用した場合は、実用上好ましくない抵抗値となる恐れがある。
【００１１】
したがって、携帯電子機器用に使用できる程度に小型であり、高い体積エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタを得るための新たな技術が必要とされている。加えて、電気二重層キャパシタにおける小型化と高体積エネルギー密度化は、運用の必須条件である高いサイクル特性と共に達成されねばならない。
【００１２】
そこで本発明は、小型サイズであり、実用的な高い体積エネルギー密度とサイクル特性を有する電気二重層キャパシタを提供し、電気二重層キャパシタを蓄電機構に用いたバックアップ電源を実現することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、電極とセパレータと電解液を含む電気二重層キャパシタであって、電極における活物質は比表面積が１０００ｍ２／ｇ以下の活性炭であり、電解液は非水電解液であって、電解質塩として四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩または四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩のうちの少なくともひとつを１〜１．８Ｍの範囲で含んでいる、電気二重層キャパシタによって解決される。
【００１４】
従来、活性炭表面へのイオン吸着効率を高めるため、活性炭の比表面積は１０００〜３０００ｍ２／ｇもしくはそれ以上であることが好ましいとされてきた。しかし、活性炭の比表面積を極端に高めることは、必然的に活性炭の密度を減少させるため、実際の体積エネルギー密度を逆に低下させてしまう。本発明のごとく比表面積が１０００ｍ２／ｇ以下の活性炭を用いた場合、電極層内で活性炭が占める容積と、イオン吸着効率のバランスを最適に保つことができる。このため、電気二重層キャパシタを小型化しつつ、体積エネルギー密度を高めることができる。
【００１５】
上記の電解質塩として、四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩を用いる場合は、四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム塩または四フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム塩のうちの少なくともひとつを含むことが好ましい。
【００１６】
また、電解質塩として、四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩を用いる場合は、四フッ化ホウ酸テトラエチルホスホニウム塩および四フッ化ホウ酸トリエチルメチルホスホニウム塩のうちの少なくともひとつを含んでいることが好ましい。
【００１７】
また、溶媒は非水電解質溶媒であり、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、γ−ブチロラクトン、スルホランのうちの少なくともひとつ以上を含むことが好ましい。
【００１８】
これら非水電解質溶媒に上記の電解質塩を１〜１．８ｍｏｌ／ｄｍ３の濃度で溶解した電解液を用いることにより、活性炭表面の劣化を抑えることができる。したがって、高い体積エネルギー密度と優れたサイクル特性を有する電気二重層キャパシタを得ることができる。
【００１９】
上記の電解液には、燐酸エステルが０．１〜０．５ｗｔ％の範囲の割合で添加されることが好ましい。
【００２０】
燐酸エステルは、上記の濃度範囲で電解液に添加されることにより、活性炭の表面と電解液の間に良好な濡れ性を持たせることができる。これにより、電解液は活性炭の細孔に効率よく浸透することができ、イオン吸着効率をより高めることができる。
【００２１】
以上の本発明の構成による電気二重層キャパシタを蓄電機構に用いることにより、携帯電子機器に用いられる程度に小型であり、高い体積エネルギー密度とサイクル特性を有するバックアップ電源を得ることができる。
【００２２】
一般に用いられている電子機器、例えば、コンピュータには、機能拡張に用いる機器を接続するための拡張スペースが設けられている場合が多い。例えば、ハードディスクドライブ装置やＣＤ−ＲＯＭドライブ装置などを装着するために、「ベイ」と称する拡張設備が設けられている場合がある。これらのベイは、例えば、５インチベイ、３．５インチベイなどいくつかの形式が用意されている。また、薄型の拡張機器を装着するために、「カードスロット」や「ＰＣＭカードスロット」と称する拡張設備が設けられている場合がある。
【００２３】
バックアップ電源の筐体を、ベイやカードスロットなどの拡張スペースに格納可能な大きさおよび形状とし、電子機器内部に接続するための電気接点を設けることにより、電子機器内部に格納できる非常用電源となる。本発明の電気二重層キャパシタは小型で高体積エネルギー密度であるため、１個以上の電気二重層キャパシタを装填することが可能であり、小型で優れたバックアップ電源を得ることができる。
【００２４】
本発明のバックアップ電源は、電子機器の中でもコンピュータ、特に、デスクトップ型パーソナルコンピュータに用いた場合に非常に好ましい効果が得られる。一般にデスクトップ型コンピュータは、時計用、ＢＩＯＳメモリ保持用は別として、ノート型コンピュータのような内臓バッテリーを持たない。そのため、瞬時電圧低下時あるいは停電時には、保存前のデータは全て消えてしまうことがある。また、最悪の場合には保存されているファイルをも破壊されることがある。したがって、瞬時電圧低下時にも継続してコンピュータを使用でき、停電時には安全にシステムを終了することができるだけの電力をバックアップすることが必要である。
【００２５】
従来、バックアップ電源には鉛電池やニッケル−カドミウム電池を使用した外付式電池が用いられてきたが、それらの電池は数年ごとの交換が必要であること、有害物質を多く含むため環境に悪影響を及ぼすこと、などの問題のため好ましくない。それに対して、本発明の電気二重層キャパシタは、実質的にメンテナンスフリーで長寿命であり、しかも有害物質を含まないため非常に好ましい。
【００２６】
電気二重層キャパシタは電池に比べて容量が小さいが、瞬時停電でもコンピュータを稼働することができ、停電時にはコンピュータを安全にシャットダウンすることができるだけの容量があれば問題はない。一般にデスクトップ型コンピュータの消費電力は、装置にもよるが３０〜２００Ｗ、多くは５０〜８０Ｗ程度である。またシャットダウンに必要な時間は一般的に１分以内である。したがって、バックアップ電源は停電時に８０Ｗ程度の電力を１分間程度維持できる容量があることが好ましい。さらに、停電時にはソフトウェアによるコントロールで自動的に作業内容を保存し、その後、コンピュータをシャットダウンする機能があることが好ましい。
【００２７】
デスクトップ型コンピュータには、従来のようにケーブルなどを介して外付接続することもできるが、コンピュータ内部に設置して接続することができれば、構造をより簡略化できる。
【００２８】
本発明の電気二重層キャパシタは、一般の電気二重層キャパシタに比べて小型化および薄型化が容易である。そのため、本発明の電気二重層キャパシタを、バックアップ電源を装着すべきベイ、例えば、５インチベイ、３．５インチベイなどのサイズにあわせた筐体の中、あるいは、カードスロットなどのサイズにあわせた筐体の中に、適宜設置することができる。さらに、複数個の電気二重層キャパシタを、筐体内で積み重ねて直列接続して設置することができ、容量と電力を調整することもできる。
【００２９】
バックアップ電源は、充電機構としての電気二重層キャパシタの他に、充電制御回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータを含むことが好ましい。
【００３０】
従来の外付式バックアップ電源の場合は、コンセントとコンピュータ本体との間に設置するため、外部電源、例えば、交流１００Ｖ、交流１１０Ｖ、交流２００Ｖ、交流２２０Ｖ、交流２４０Ｖなどの電圧への対応が必要であった。しかし、本発明のバックアップ電源はコンピュータのドライブスロットに内蔵できるので、コンピュータ内部電源から直流電圧による充電を受けることができる。バックアップ電源が充電制御回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータを含むことによって、安定した充電と電力供給をおこなうことができる。特に、バックアップ電源に充電しつつ、コンピュータ内部の装置に直接電力を供給できるため、内部の回路を簡略化できる点が効果的である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００３２】
１．電気二重層キャパシタ
本実施形態では小型の電気二重層キャパシタの例として、セパレータを介して正極と負極を積層した積層体を外装体に収めた、積層型の電気二重層キャパシタについて説明する。
【００３３】
図１に、本実施形態の電気二重層キャパシタの外観図を示す。外装体２における積層体収納部１に、上記の積層体が挿入される。正極端子３と負極端子４は、積層体から延長された外部端子である。
【００３４】
図２に、本実施形態の電気二重層キャパシタの断面図を示す。正極および負極の集電体５の表面には電極層７が形成されている。集電体５は、セパレータ６を介して電極層７を対向させるように積層される。
【００３５】
以下、具体的な作製の手順に沿って、本発明の電気二重層キャパシタの好ましい実施形態を説明する。
【００３６】
（バインダ）
電極層７を作製するにあたり、最初にバインダと溶剤の混合をおこなう。
電極層７のバインダは、各種溶剤中において溶解した状態、あるいは、膨潤した状態での粘着性が強い材料で、金属などの導電性材料に対し強い接着性を有する材料が好ましい。また、バインダは電気二重層キャパシタの電解液に対して安定な材料が好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、６フッ化プロピレン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素系ゴムなどを用いることができる。
【００３７】
溶剤の種類に特に限定は無いが、バインダに対して良溶媒となる溶剤や、貧溶媒となる溶剤、あるいはそれらを混合させた溶剤を適宜用いることができる。
【００３８】
バインダに対し良溶媒となる溶剤としては、例えば、ケトン類などを用いることができる。これにより、バインダを完全な液状で使用することができる。
【００３９】
バインダに対し貧溶媒となる溶剤としては、例えば、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチルピロドリン（ＮＭＰ）などの非プロトン性極性溶剤を用いることができる。これにより、バインダは完全に溶解せずに膨潤し、粘度の高い弾性体となる。
【００４０】
良溶媒と貧溶媒を適当に混合することにより、バインダの粘着性と、バインダによる活物質表面の被覆の度合いを調整することができる。これにより、活物質と集電体５との接着力と、活物質表面へのイオン吸着量のバランスを調整することが可能となる。
【００４１】
バインダと溶剤の混合比は、それらを活物質および導電助剤とともに混合し、塗料とした際の割合から求めることが好ましい。バインダの量は塗料全体に対して２〜２０重量％であることが好ましい。バインダが２重量％未満の場合、活物質と導電助剤と集電体５との接着性が十分に得られない。また、２０重量％を超える量の場合、活物質の割合が減少してエネルギー密度が低下する。また、活物質と導電助剤と集電体５との接触が阻害され、電極層７の内部抵抗が増大してしまう。
【００４２】
（塗料の混練）
溶媒により膨潤あるいは溶解させたバインダを、活物質と導電助剤および溶剤と共に混練して塗料を作製する。
【００４３】
活物質は、比表面積が１０００ｍ２／ｇ以下の活性炭を用いる。炭素材料は安全性が高く入手が容易であるため、電気二重層キャパシタの電極活物質として広く用いられているが、中でも活性炭はイオン吸着効率が高いため非常に好ましい。
【００４４】
高い体積エネルギー密度を有し、小型の電気二重層キャパシタを得るための活性炭は、上記のように十分なイオン吸着量が得られる比表面積であり、同時に高い体積密度でなければならない。比表面積を拡大することによって活性炭の密度が低下し、体積エネルギー密度を得るための必要体積が増加するためである。活性炭の比表面積を１０００ｍ２／ｇ以下とすることにより、活性炭は必要以上に粗くならないため、小型のサイズで、しかも、高い体積エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタを得ることができる。
【００４５】
導電助剤は、金属材料ないし炭素材料などの導電性材料から適宜選択することができる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などを用いることができる。特にアセチレンブラックは、高い導電性が得られて安定性が高いため非常に好ましい。
【００４６】
アセチレンブラックの量は、塗料全体に対して３〜３０重量％であることが望ましい。３重量％未満の場合、電極層７内部あるいは電極層７と集電体５との電気伝導を十分に保つことができない。また、３０重量％を超える場合は、電極層７中の活物質量を減らすことになり、キャパシタの容量を低下させる。
【００４７】
塗料の溶剤は、上記のバインダの膨潤で用いたものと同じ溶媒を用いることができる。また、塗料中の溶剤量は所望する粘度に応じて任意に設定することができる。このとき、溶剤を加えすぎると、乾燥後に塗膜強度が著しく低下するため剥離が生じる場合がある。したがって、ペースト状あるいは粘土状になる程度の添加量とすることが好ましい。
【００４８】
バインダと活性炭とカーボンブラックおよび溶剤の混練は、一般に知られている混練方法を任意に選択して用いることができる。特に、ニーダーやブラベンダーなどを用いて混練する方法は、容易に均一な混練がおこなえるため好ましい。
【００４９】
（塗料の塗布）
上記の塗料を集電体５表面に塗布して電極層７を形成する。本発明の実施において用いられる集電体５の材料には特に制限は無い。例えば、金属や導電性有機材料などの導電性箔材を、適宜用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、鉄などの金属箔は、入手が容易で安全性も高いため好ましい。特にアルミニウム箔は、電気伝導性に優れ加工が容易で安価なため非常に好ましい。必要な場合は、集電体５の材料を正極と負極とで異なった種類の材料とすることができる。
【００５０】
塗料は、必要なキャパシタの構成にしたがって、集電体５の片面ないし両面に塗布することができる。積層体のキャパシタを作製する場合など、集電体５の両面に電極層７を形成しようとする場合は、塗料を集電体５の両面に塗布するのが好ましい。
【００５１】
上記塗料を集電体５の表面に塗布する方法は、一般に用いられる塗布方法から適宜選択することができる。特に、メタルマスク印刷法、ドクターブレード法などは、均一な塗布厚が容易に得られるのでたいへん好ましい。塗料の粘性が高く、メタルマスク印刷法やドクターブレード法を用いることが困難な場合などでは、押し出法によって塗膜を形成することもできる。塗布厚は静電容量などの設計値に基づいて任意に選択することができる。
【００５２】
塗膜を形成した集電体５は、塗膜の乾燥後プレス加工をおこなうことが望ましい。プレス加工によって、塗膜中の活物質と導電助剤の接触、および、集電体５と塗膜の接触を高めることができる。したがって、電気二重層キャパシタにおける内部抵抗を低下させることができる。
【００５３】
プレス加工の方法は、各種の薄板材プレス方法から適宜選択して用いることができる。特にカレンダロール法は、大面積を均一な線圧力で容易にプレスすることができるため、非常に好ましい。カレンダロール法によりプレス加工をおこなう場合の線圧力は１００〜３０００ｋｇ・ｆ／ｃｍの範囲であることが好ましく、特に５００〜２０００ｋｇ・ｆ／ｃｍでおこなうことがより好ましい。プレス圧がこの範囲よりも低い場合には、電気二重層キャパシタの内部抵抗が高くなってしまう。また、高すぎる場合には、集電体５からの塗膜剥離や、塗膜と集電体５の伸びの違いに起因するカール変形、あるいは集電体５の破断が生ずる場合がある。
【００５４】
（積層体の作製）
以上のように作製された電極を、プレスによって適当な大きさに打ち抜く。電極の大きさは、電気二重層キャパシタとしての設計値から任意に決定することができる。
【００５５】
打ち抜き加工後の電極には、外部電極として正極端子３と負極端子４を設けるのが好ましい。外部電極は、例えば、電線を接続したり、リボン状電極を接続したり、あるいは集電体５を延長したりするなどの方法で形成することができる。
【００５６】
この後、電極とセパレータ６を積層して積層体を作製する。積層体の構成は、最終的に集電体５→電極層７→セパレータ６→電極層７→集電体５の順で積層状態となればよい。上記の積層状態であれば、電極とセパレータ６の積層方法は自由に選択できる。例えば、電極とセパレータ６を重ね合わせてロール状に捲回したり、電極とセパレータ６を重ね合わせて折り曲げたりすることができる。あるいは適当な大きさの電極とセパレータ６を順次積層して板状に形成してもよい。小型かつ薄型の電気二重層キャパシタを形成するには、順次積層により積層体を作製するのが好ましい。
【００５７】
（電気二重層キャパシタの作製）
上記作製した積層体は外装体２に収められる。外装体２は、例えば、ステンレスやアルミ合金あるいはアルミニウム等による缶を用いることができる。あるいは、外装体２をラミネートフィルムで作製された外装袋とすることもできる。この場合ラミネートフィルムには、アルミニウム等の金属箔両面に、熱硬化性樹脂であるポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂層および耐熱性のポリエステル樹脂層が積層されたフィルムを用いることが好ましい。
【００５８】
外装袋は、予め２枚のラミネートフィルムを、それらの３辺端面の熱接着性樹脂層を熱接着して第一シール部を作り、１辺が開口した袋状に形成するのが好ましい。あるいは１枚のラミネートフィルムを折り返して両辺の端面を熱接着してシール部を形成して袋状としても良い。
【００５９】
次に、積層体を収めた外装体２に電解液１９を所定量注液して含浸させる。電解液１９は電解質塩を溶解した非水系電解液を用いるのが好ましい。
【００６０】
非水系電解液の溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホランなどの溶媒の一種類を単独で、あるいは二種類以上を混合して用いることができる。
【００６１】
電解質塩には四級オニウム塩を用いる。四級オニウム塩としては、例えば、四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩、四フッ化ホウ酸四級ホスホニウム塩、四フッ化燐酸四級アンモニウム塩、四フッ化燐酸四級ホスホニウム塩などの塩のうち一種を、もしくは二種以上を混合したものを用いるのが好ましい。これらの四級オニウム塩は、上記の溶媒に対して１〜１．８Ｍの濃度範囲で添加される。この濃度範囲において、四級オニウム塩は溶解し、電解質塩として機能する。
【００６２】
非水電解液には、燐酸エステルを非水電解液全体に対して０．１〜０．５ｗｔ％の範囲の割合で添加されるのが好ましい。燐酸エステルは活性炭表面に対して表面活性剤として機能し、非水電解質との濡れ性を高める。それにより、活性炭表面でのイオン吸着効率を高めることができる。
【００６３】
積層体に対して電解液１９の注液および含浸をおこなう際は、水分を電池内部に取りこまないように不活性ガス置換をすることが好ましい。注液および含浸の後、外装体の開口部分をシールして、図１に示す外観と図２に示す断面構造を有する電気二重層キャパシタが得られる。
【００６４】
２．バックアップ電源
本発明の電気二重層キャパシタを用いて、小型で信頼性に富んだバックアップ電源が得られる。本発明のバックアップ電源はさまざまな形態で実施することができるが、その好ましい実施の一形態として、デスクトップ型パーソナルコンピュータ用の内蔵型バックアップ電源について説明する。
【００６５】
図３に、本実施形態のバックアップ電源の模式図を示す。本実施形態のバックアップ電源は、デスクトップ型パーソナルコンピュータに用意されているベイ、例えば、５インチベイや３．５インチベイなどにあわせたサイズとすることが好ましい。例えば、５インチベイへの取り付けを想定した場合は、スロットケース１３の正面サイズを１４６×４１（ｍｍ）とし、奥行きの長さを任意とすることができる。本実施形態のバックアップ電源は、このスロットケース１３に、少なくとも電気二重層キャパシタ９と、充電制御回路１０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１と、コネクタ１８とを含む。
【００６６】
本実施形態のようにバックアップ電源をコンピュータ内部に装着した場合、コンピュータ内部の電源から充電を受けることができる。コンピュータ本体の電源からは１２Ｖの電圧が供給されており、この充電電圧はコネクタ１８を経由して充電制御回路１０に送られる。コネクタ１８の形状は、コンピュータ内部の電源との接続を確保できる仕様であれば特に制限は無い。ただし、コンピュータの機種あるいは仕様に対する汎用性を考慮し、コネクタ１８の仕様を、例えば、ＡＴＸ規格などの汎用的な規格に準じた仕様とすることが好ましい。
【００６７】
充電制御回路１０は、コンピュータ本体からの供給電圧と電気二重層キャパシタ９の電圧とを常時監視する。充電制御回路１０は、キャパシタ９が未充電の場合に電気二重層キャパシタ９とＤＣ−ＤＣコンバータ１１の両方へ電流を出力することが好ましく、キャパシタ９が満充電の場合にＤＣ−ＤＣコンバータ１１のみへ電流を出力することが好ましい。充電制御回路１０は、瞬時電圧低下などによってコンピュータ本体からの供給電圧が急激に低下した場合、キャパシタ９からＤＣ−ＤＣコンバータ１１へ電流を出力することが好ましい。
【００６８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、入力電圧をコンピュータ内部の各機器に必要な電圧へ変圧して出力する機能を有する。このときの入力電圧とは、コンピュータ内部の供給電圧とキャパシタ９からの供給電圧を含む。なお、コンピュータ内部の各機器で必要とされる電圧とは、例えば、ＣＰＵ、メモリ、ハードディスクの駆動などに要する電圧であり、一般に直流±３．３Ｖ、±５Ｖ、±１２Ｖである。
【００６９】
電気二重層キャパシタ９は、スロットケース１３に少なくとも１個以上搭載されていることが好ましい。複数個の電気二重層キャパシタ９を搭載する場合は、キャパシタ相互を直列接続して搭載することが好ましい。
【００７０】
本発明の電気二重層キャパシタは、体積エネルギー密度が高いため一般の電気二重層キャパシタに比べて小型化および薄型化が容易である。したがって、本発明の電気二重層キャパシタの場合、上記のサイズを有するスロットケース１３に装填することが容易である。さらに、薄型の場合は複数個の電気二重層キャパシタを積み重ね、直列接続して設置することにより、容量と電力を調整することができる。
【００７１】
図４に、本実施形態のバックアップ電源を組み込んだデスクトップ型コンピュータの回路ブロック図を示す。本実施形態の場合、コンピュータの電力バックアップは、電気二重層キャパシタ９と充電制御回路１０とＤＣ−ＤＣコンバータ１１とを含むバックアップ電源８によっておこなわれる。
【００７２】
充電制御回路１０は、本体電源１２からの電力供給（好ましくは１２Ｖ）と電気二重層キャパシタ９の充電電圧とを常時監視することが好ましい。また、充電制御回路１０は、電気二重層キャパシタ９の充電状態に応じて、電気二重層キャパシタ９とＤＣ−ＤＣコンバータ１１とへの出力を制御することが好ましい。充電制御回路１０による出力の制御は、すでに記載したとおりである。
【００７３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、電気二重層キャパシタ９または充電制御回路１０からの出力を、規定の電圧に変圧してコンピュータの内部装置に供給することが好ましい。コンピュータの内部装置には、例えば、フレキシブルディスクドライブ装置１４、ハードディスクドライブ装置１５、ＣＤ−ＲＯＭドライブ装置１６、マザーボード１７が含まれる。
【００７４】
充電制御回路１０は、本体電源１２からの入力電圧が停電などによって所定の電圧を下回った場合、電気二重層キャパシタ９からの電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１を経由してコンピュータの内部装置に供給するのが好ましい。このとき、供給電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ１１により各装置に必要な電圧に変換された後に供給されるのが好ましい。
【００７５】
本実施形態のバックアップ電源により、必要な電力が十分な時間得られるため、コンピュータを安全にシャットダウンすることができる。
【００７６】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。
【００７７】
（実施例１）
バインダであるＶｉｔｏｎ−ＧＦ（登録商標）を、適量のＮＭＰにより膨潤させた。この他、活性炭である活性炭素繊維（比表面積７００ｍ２／ｇ）と、導電助剤であるアセチレンブラックと、溶媒であるＮＭＰとを用意した。活性炭素繊維／Ｖｉｔｏｎ−ＧＦ／アセチレンブラック＝８０／１０／１０（但し、数値はｗｔ％）の割合でＮＭＰに投入し、混練して塗料を作製した。得られた塗料を、集電体であるアルミニウム箔（２０μｍ）表面にドクターブレード法を用いて均一に塗布した。塗料の乾燥後、カレンダロールによって加圧し、集電体と一体化した電極を作製した。電極は、片面のみに塗料を塗布したものと、集電体の両面に塗料を塗布したものの２種類を作製した。
【００７８】
これをプレス機で所定の大きさに打ち抜き正極および負極とした。正極および負極は、表面吸着した水分を除去するために、１５０〜１７５℃の温度範囲で真空乾燥を１２時間おこなった。乾燥後の塗料の厚さは７０μｍであった。
【００７９】
溶媒であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）に、電解質塩として四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩の一種である、四フッ化硼酸テトラエチルアンモニウム塩（ＴＥＡ−ＢＦ）を１ｍｏｌ／ｄｍ３の割合で溶解させて電解液を調整した。得られた電解液には、さらに燐酸エステルを０．５ｗｔ％の割合で添加した。
【００８０】
上記の正極、負極、セパレータ（再生セルロース不織布）をドライルーム内部で積層体を作製した。このとき、積層体の最外層が片面塗布型の電極となるよう積層した。
【００８１】
積層体を袋状のアルミラミネートフィルム製の外装体（厚さ１００μｍ）に入れた後、上記の非水電解液を外装体内部に充填し、真空槽中で非水電解液を積層体に含浸させた。
【００８２】
非水電解液を積層体に含浸させた後、外装体の開口部から電極端子が露出した状態で外装体を熱圧着して密封した。以上の手順で、１８．５×４０．０×１．６５（ｍｍ）の小型電気二重層キャパシタを作製した。この小型電気二重層キャパシタは、約１．２ｃｍ３という非常に小型の体積を有している。この体積は、現在一般に入手できる高容量の電気二重層キャパシタの約１／４０に相当する。
【００８３】
得られた小型電気二重層キャパシタについて、カットオフ２．５〜０．５Ｖ、１Ｆに対して１ｍＡの電流量を１Ｃとして、充放電速度０．２Ｃ、０．５Ｃ、１．０Ｃ、２．０Ｃで試験した後、１．０Ｃで１０サイクル試験をおこない、電気泳動によりさらに活性炭細孔内へ電解液を含浸させた後、真空槽内で一旦外装体の一部を開封し、再度外装体の封止をおこなった。
【００８４】
以上の手順で得られた小型電気二重層キャパシタに対し、５Ｃ相当の充放電速度で１００サイクルのサイクル試験をおこない、電極層の体積あたりの容量と、体積エネルギー密度を算出した。また、１０Ｃ相当の充放電速度においてサイクル試験をおこなった。サイクル特性は、充放電後の容量が初期容量に対して９５％まで低下するサイクル数（以下、これを「９５％保持サイクル数」という）から評価した。
【００８５】
実施例１で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２５．８Ｆ／ｃｍ３と高い静電容量が得られた。体積エネルギー密度は７．２２Ｗｈ／ｄｍ３と、サイズに比較して非常に高い値であった。９５％保持サイクル数は２１００であり、優れたサイクル特性を有することが確認できた。
【００８６】
（実施例２）
実施例２では、非水電解液中の電解質塩を四フッ化ホウ酸四級アンモニウム塩の一種である四フッ化硼酸トリエチルメチルアンモニウム塩（ＴＥＭＡ−ＢＦ）とし、溶媒に対して１ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００８７】
実施例２で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２５．２Ｆ／ｃｍ３と高い静電容量が得られた。体積エネルギー密度は７．０６Ｗｈ／ｄｍ３と、サイズに比較して非常に高い値であった。９５％保持サイクル数は２１５０であり、優れたサイクル特性を有することが確認できた。
【００８８】
（実施例３）
実施例３では、非水電解液中の電解質塩をＴＥＭＡ−ＢＦとし、溶媒に対して１．２ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００８９】
実施例３で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２５．７Ｆ／ｃｍ３と高い静電容量が得られた。体積エネルギー密度は７．２０Ｗｈ／ｄｍ３と、サイズに比較して非常に高い値であった。９５％保持サイクル数は２８００であり、非常に優れたサイクル特性を有することが確認できた。
【００９０】
（実施例４）
実施例４では、非水電解液中の電解質塩をＴＥＭＡ−ＢＦとし、溶媒に対して１．４ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００９１】
実施例４で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２６．２Ｆ／ｃｍ３と高い静電容量が得られた。体積エネルギー密度は７．３４Ｗｈ／ｄｍ３と、サイズに比較して非常に高い値であった。９５％保持サイクル数は２１００であり、優れたサイクル特性を有することが確認できた。
【００９２】
（比較例１）
比較例１では、非水電解液中の電解質塩をＴＥＡ−ＢＦとし、溶媒に対して０．８５ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００９３】
比較例１で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２５．０Ｆ／ｃｍ３と高い静電容量が得られた。体積エネルギー密度は６．９３Ｗｈ／ｄｍ３という値であった。９５％保持サイクル数は６５０であった。
【００９４】
（比較例２）
比較例２では、非水電解液中の電解質塩をＴＥＭＡ−ＢＦとし、溶媒に対して０．８５ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００９５】
比較例２で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり２４．８Ｆ／ｃｍ３の静電容量であった。体積エネルギー密度は６．９８Ｗｈ／ｄｍ３であった。９５％保持サイクル数は４５０であった。
【００９６】
（比較例３）
比較例３では、電極層中の活性炭の比表面積を、従来の活性炭比表面積とほぼ等しい２０００ｍ２／ｇとし、非水電解液中の電解質塩をＴＥＡ−ＢＦとし、溶媒に対して０．８５ｍｏｌ／ｄｍ３溶解した以外は、実施例１と同様の手順によって電気二重層キャパシタを作製した。
【００９７】
比較例３で得られた小型電気二重層キャパシタでは、電極層体積あたり１３．９Ｆ／ｃｍ３の静電容量であった。体積エネルギー密度は４．７９Ｗｈ／ｄｍ３であった。
【００９８】
（評価結果）
表１に、実施例１〜４および比較例１〜３で得られた小型電気二重層キャパシタの評価結果を示す。
【００９９】
【表１】
2004047878.tif 000003
【０１００】
本実施例の電気二重層キャパシタは、従来例の約１／４０の体積にもかかわらず、約７Ｗｈ／ｄｍ３という高い体積エネルギー密度を示した。この結果は、本発明を、本実施例のサイズを適当にスケールアップした電気二重層キャパシタについて実施することによって、携帯電子機器用としても実用的で、かつ、電気自動車における鉛蓄電池への置き換えも十分に可能なキャパシタが得られることを示唆している。また、実施例の電気二重層キャパシタは、９５％保持サイクル数が２０００を超える高い値を示しており、本発明の実施により優れたサイクル特性を有する電気二重層キャパシタが得られることを示している。
【０１０１】
実施例２〜４および比較例２の結果の比較により、電解質塩濃度に最適値が存在することがわかる。ＴＥＭＡ−ＢＦの濃度を１Ｍからあげていくにしたがって、９５％保持サイクル数が徐々に増加していくが、１．２Ｍをピークとして減少に転ずる。電解質塩の濃度が０．８５Ｍの場合は、実用に供するだけのサイクル特性が得られないことがわかる。以上の結果から、実用的なサイクル特性を得るためには、１Ｍ以上の電解質塩濃度が必要であることがわかる。また、この結果はＴＥＡ−ＢＦを用いた実施例１と比較例１を比較した結果からも明らかである。
【０１０２】
実施例１と比較例３によって、活性炭の比表面積の効果を比較することができる。従来とほぼ同等の表面積を有する活性炭を用いた比較例３では、電極層体積あたりの容量も体積エネルギー密度も、実施例１の結果に比べて著しく低い。この結果から、本発明の規定による表面積を有する活性炭を用いることにより、高い容量と体積エネルギー密度が得られることが確認された。
【０１０３】
（実施例５）
本実施例では、本発明の電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源を試作した。本実施例のバックアップ電源は、デスクトップ型パーソナルコンピュータの５インチベイに装着する、内蔵型バックアップ電源とした。
【０１０４】
実施例１の手順により、１２０×１５０×１２．８（ｍｍ）の外形と、３３５０Ｆの容量を有する電気二重層キャパシタを作製した。なお、キャパシタの外装体にはアルミラミネートフィルムを用いた。
【０１０５】
キャパシタを３個直列に接続し、充電制御回路とＤＣ−ＤＣコンバータを組み込んだケースに収め、バックアップ電源装置とした。ケースの大きさは、デスクトップ型パーソナルコンピュータの５インチベイへの装着を考慮し、１４６×１８０×４１（ｍｍ）とした。このバックアップ電源装置をデスクトップ型パーソナルコンピュータの５インチベイに装着し、スイッチにより外部電源を瞬時に遮断してバックアップ電源の能力を評価した。その結果、本実施例のバックアップ電源は１分間以上８０Ｗの出力が得られることが確認できた。このとき、ＰＣを安全にシャットダウンすることができた。
【０１０６】
以上、本発明の電気二重層キャパシタ、および電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源の好ましい実施例について比較例と共に示したが、本発明はこれらの例に限定されない。いわゆる当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることはあきらかであり、それらについても当然に本発明の技術的思想に属するものと了解される。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって小型サイズで高い体積エネルギー密度と優れたサイクル特性とを有する電気二重層キャパシタを得ることができる。また、本発明によって得られた電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源は、非常時におけるバックアップ用として優れた能力を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電気二重層キャパシタの模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における電気二重層キャパシタの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるバックアップ電源の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるバックアップ電源を組み込んだデスクトップ型コンピュータの回路ブロック図である。
【符号の説明】
１　積層体収納部
２　外装体
３　正極端子
４　負極端子
５　集電体
６　セパレータ
７　電極層
８　バックアップ電源
９　電気二重層キャパシタ
１０　充電制御回路
１１　ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２　本体電源
１３　ケース
１４　フレキシブルディスクドライブ装置
１５　ハードディスクドライブ装置
１６　ＣＤ−ＲＯＭドライブ装置
１７　マザーボード
１８　コネクタ
１９　電解液
【図１】
2004047878.tif 000004
【図２】
2004047878.tif 000005
【図３】
2004047878.tif 000006
【図４】
2004047878.tif 000007