(57)【要約】【課題】巻回型の電気二重層キャパシタの耐振性を向上し、振動が加わる用途にも使用可能とすること。【解決手段】キャパシタ素子８の外周部に、電解液に不溶な材料からなり、ほぼリング形状の絶縁部１２を、金属ケース１０の内側面に接触するように配置することで、キャパシタ素子８と金属ケース１０の相対的な位置が変わらない、即ち、金属ケース１０の中で、キャパシタ素子８が動かないようにする。これによって、巻回型の電気二重層キャパシタの耐振性を改善することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極性電極を設けた正負一対の集電体を、セパレータを介して渦巻状に巻回したキャパシタ素子を、電解液と共に金属ケースに収納した電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子の外周部に設けられた絶縁部の少なくとも一部が、前記金属ケース内側面と接触した構造であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記絶縁部は、前記電解液に対して不溶であり、かつ前記電解液を吸収しない材質からな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】
前記絶縁部は、有機物または無機物の高分子材料、セラミックス材料の少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層キャパシタに関わり、特に耐振性が向上した巻回型の電気二重層キャパシタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、電荷を有する固体とそれに接触する電解液の界面に形成される、厚さ数ｎｍ程度の電気二重層を、誘電体として利用したものである。電気二重層の容量は、１ｃｍ２あたり数十μＦであるが、表面積が数千ｍ２にも及ぶ活性炭を電極として用いることにより、数百〜数千Ｆの極めて大きな容量を得ることが可能である。
【０００３】
そして、電気二重層キャパシタは、下記のように電池とコンデンサの中間のような特徴を有し、実用に供されるとともに、さらなる性能向上のための検討がなされている。
（１）充放電サイクルに伴う容量の劣化が少ない。
（２）一般的な電池に比較して、起動後に瞬時に大きな出力を取り出せる。
【０００４】
現用の電気二重層キャパシタで、小型のものは、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の集電体の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップとガスケットにより金属容器に密封したコイン型の構造をとっている。
【０００５】
この他に比較的大容量のものとして、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを積層して渦巻状に巻き回してキャパシタ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層キャパシタが製造されている。これらの電気二重層キャパシタは主にＩＣメモリのバックアップやアクチュエータのバックアップに使用されている。
【０００６】
これらの電気二重層キャパシタを構成する分極性電極は、大表面積を有する活性炭を主とするものであり、巻回型のキャパシタでは活性炭粉末などをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などをバインダとして混練し、シート状に形成したものが、またコイン型では上記シート状活性炭もしくは活性炭繊維布が用いられている。
【０００７】
従来の巻回型の電気二重層キャパシタの構造について、図３、図４を用いて説明する。図３は、従来のキャパシタ素子の構成を示すため、キャパシタ素子の断面の一部を拡大した図であり、図４は、従来の巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図である。
【０００８】
図３に示したように、キャパシタ素子は、アルミニウムエッチング箔からなる正極集電体１および負極集電体２に、活性炭粉末、導電材およびバインダを混練した電極材を塗布することで、正極分極性電極３と負極分極性電極４の層を形成し、しかる後、分極性電極を塗布していない集電体の露出面に、正極リード端子５、負極リード端子６をそれぞれかしめにより接続し、その後、セパレータ７を挟んで正極集電体１と負極集電体２に塗布した各分極性電極の層を対向させ、かつ、その一方の露出面にセパレータ７を配置して巻き回した構造となっている。
【０００９】
また、図４に示したように、巻回型の電気二重層キャパシタは、図３に構造を示したキャパシタ素子８に粘着テープ９を巻き付けて形状を固定した上で電解液を含浸し、キャパシタ素子８から引き出された正極リード端子５、負極リード端子６を、ゴムキャップ１１に貫通させ、しかる後に、該ゴムキャップを金属ケース１０の開口部に組み込み、開口部にカーリング加工を施して封止した構造となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示したような、巻回型の電気二重層キャパシタにおいて、問題となるのは、キャパシタ素子８に接続されている正極リード端子５、負極リード端子６が、ゴムキャップ１１に固定されている以外に、金属ケース１０に内部にキャパシタ素子８を固定する機構が備えられていないことである。
【００１１】
このため、特に図４における横方向に振動や衝撃が加わった場合、正極リード端子５、負極リード端子６が十分な強度を具備していないと、破壊に至る可能性がある。また、振幅が小さくとも、振動が定常的に加わる場合では、金属疲労による破壊が起こる可能性もある。そして、キャパシタ素子８のサイズの増大に伴い、このような可能性が増加する。
【００１２】
電極リードに十分な機械的な強度を付与するには、リード端子の径を大きくするか、材質を考慮する必要があるが、小型化やコストの面で必ずしも対応できないことが多い。このために、従来の構造の巻回型の電気二重層キャパシタは、たとえば玩具のように、定常的に振動や衝撃が負荷される用途には、適合しないものであった。
【００１３】
従って、本発明の技術的な課題は、前記巻回型の電気二重層キャパシタの、衝撃や振動に対する信頼性を向上し、その用途を拡大することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題解決のため、従来の巻回型の電気二重層キャパシタにおける、キャパシタ素子に対し、新たに簡便な構造の固定機構を導入することを検討した結果なされたものである。
【００１５】
即ち、本発明は、分極性電極を設けた正負一対の集電体を、セパレータを介して渦巻状に巻回したキャパシタ素子を、電解液と共に金属ケースに収納した電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子の外周部に設けられた絶縁部の少なくとも一部が、前記金属ケース内側面と接触した構造であることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
【００１６】
また、本発明は、前記絶縁部が、前記電解液に対して不溶であり、かつ前記電解液を吸収しない材質からなることを特徴とする、前記の電気二重層キャパシタである。
【００１７】
また、本発明は、前記絶縁部が有機物または無機物の高分子材料、セラミックス材料の少なくとも１種からなることを特徴とする、前記の電気二重層キャパシタである。
【００１８】
本発明の巻回型の電気二重層キャパシタにおいては、キャパシタ素子の外周部に、金属ケース内側面に接触するように、絶縁部を形成することで、キャパシタ素子外周部と金属ケース内側面との間の空隙がなくなるため、キャパシタ素子を巻き回した軸方向に垂直な方向から外力が加わっても、キャパシタ素子と金属ケースの相対的な位置関係が変わらない、即ち、金属ケースの中で、キャパシタ素子が動くことがない。
【００１９】
このため、本発明の巻回型の電気二重層キャパシタは、従来の製品に比較して、格段に優れた耐振性を有し、高い信頼性を発現する。
【００２０】
また、一般に高分子材料は、分子を構成する化学結合が共有結合であるため、共役多重結合を持つもの以外は、高い絶縁性を有する。従って、本発明の絶縁部としての使用に適しているが、キャパシタ素子には、電解液が含浸されているため、適切な材質を選択しないと、絶縁部が電解液を構成する溶媒を吸収して膨潤したり、甚だしい場合は、溶解したりするので、溶媒に不溶な材質を選択する必要がある。
【００２１】
従来の電気二重層キャパシタの電解液に使用されてきた電解質の代表的なものには、四級アンモニウム四フッ化ホウ素塩、六フッ化リン酸塩、過塩素酸塩などが挙げられ、溶媒の代表的なものには、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。
【００２２】
そして、ここに挙げた、溶媒に不溶な高分子材料としては、ポリエチレンなどのポリオレフィン類が挙げられるので、これらポリオレフィンを絶縁部に用いることができる。また、前記溶媒に不溶な、石英ガラス、酸化アルミニウムなどのセラミックス材料も前記絶縁部に用いることができる。さらに、前記高分子材料と前記セラミックス材料を組み合わせて用いることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
本発明は、前記のように、巻回型の電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ素子外周の少なくとも一部に、絶縁部を設け、該絶縁部を金属ケース内側面に接触させることで、キャパシタ素子と金属ケース内側面との間に空隙が生じないようにするものである。前記絶縁部の構造は、特に限定する必要はなく、外周面に凸部を設け、該凸部だけが金属ケース内側面に接触するようにしてもよい。
【００２５】
【実施例】
次に、具体的な実施例について、図を参照しながら説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。また、本発明では、リード端子型のキャパシタを用いて説明するが、この形状に限定されるものではなく、アキシャルリード端子型や、ねじ端子型を用いても良い。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る電気二重層キャパシタの内部を、模式的に示した図である。図１において、５は正極リード端子、６は負極リード端子、８はキャパシタ素子、１０は金属ケース、１２は絶縁部、１１はゴムキャップを示す。キャパシタ素子８は、図３及び図４に示した従来の技術によるキャパシタ素子と同一の構造である。キャパシタ素子８の外周に設けた絶縁部１２は、ポリプロピレンからなるリング状の成形体である。
【００２７】
このキャパシタ素子８を、金属ケース１０に挿入し、金属ケース１０の内側面と絶縁部１２を接触させた。このキャパシタ素子８に１ｍｏｌ／ｄｍ３の濃度で、プロピレンカーボネートにテトラメチルチルアンモニウム・テトラフルオロホウ酸塩を溶解させた電解液を滴下し、ゴムキャップ１１に正極リード端子５、負極リード端子６を貫通させた後、封口して巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００２８】
（実施例２）
キャパシタ素子の外周に、絶縁部として、ブチルゴムからなるリング状成形体を取り付け、ついでキャパシタ素子を金属ケースに挿入し、金属ケースの内側面と絶縁部を接触させた。以下、実施例１と同様の方法で巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００２９】
（実施例３）
キャパシタ素子の外周に、絶縁部として、ＰＴＦＥからなるリング状成形体を取り付け、ついでキャパシタ素子を金属ケースに挿入し金属ケースの内側面と絶縁部を接触させた。以下、実施例１と同様の方法で巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００３０】
（実施例４）
図２は、実施例４に係る電気二重層キャパシタの内部を、模式的に示した図である。本実施例においては、キャパシタ素子の外周に取り付けた、ＰＴＦＥのリング状成形体からなる絶縁部１２に、等間隔となるように凸部１３を設けた。該凸部１３の先端が金属ケース１０の内側面の接触するように、キャパシタ素子８を挿入した。以下、実施例１と同様の方法で巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００３１】
（実施例５）
キャパシタ素子の外周に、ポリイミドからなる粘着テープを巻き付けることで、絶縁部を形成し、ついでキャパシタ素子を金属ケースに挿入し、金属ケースの内側面と絶縁部を接触させた。以下、実施例１と同様の方法で巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００３２】
（比較例）
実施例１において、ポリプロピレンからなる絶縁部を設けないこと以外は、実施例１と同様にして巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００３３】
次に、実施例１〜実施例５、比較例に示した巻回型の電気二重層キャパシタ各２０個を、振動試験機に取り付け、振動加速度３Ｇ（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）で振動サイクルを変動（１３Ｈｚと３０Ｈｚの間５分間往復振動）させながら６時間加振した。なお、いずれの水準においても、振動試験後の電解液の漏れは確認されなかった。表１は、振動試験前後の電気二重層キャパシタの等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、以下、ＥＳＲと記す）と静電容量の変化率を示したものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１より、実施例の電気二重層キャパシタは、比較例の電気二重層キャパシタと比較すると、振動試験後の特性の劣化が少ないことがわかり、本発明によれば、巻回型の電気二重層キャパシタの耐振性を改善できることが明らかとなった。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明による巻回型の電気二重層キャパシタは、キャパシタ素子の外周部に形成した絶縁部の少なくとも一部が、金属ケース内側面と接触した構造をしているため、キャパシタ素子の金属ケースにおける位置を固定することが可能となり、キャパシタの耐振性を改善することができ、たとえば、玩具のように、振動や衝撃が加わる用途にも用いることが可能となり、その用途を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電気二重層キャパシタの内部を模式的に示す図。
【図２】本発明の第４の実施例に係る電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【図３】従来のキャパシタ素子の構成を示すため、キャパシタ素子の断面の一部を拡大した図。
【図４】従来の巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【符号の説明】
１　　正極集電体
２　　負極集電体
３　　正極分極性電極
４　　負極分極性電極
５　　正極リード端子
６　　負極リード端子
７　　セパレータ
８　　キャパシタ素子
９　　粘着テープ
１０　　金属ケース
１１　　ゴムキャップ
１２　　絶縁部
１３　　凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004072014.tif 000006
【図４】
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