(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭を含有する２枚の分極性電極と、該分極性電極間に介装されるセパレータと、前記分極性電極の前記セパレータ側の面とは反対の表面それぞれに積層される集電体との積層体からなるセルと、該セルを封止する封止部材と、前記集電体の周縁部の一部に一体的に設けられ、その一部が前記封止部材の外部に突出するシート状の端子とを具備する電気二重層コンデンサであって、前記シート状の端子は、側端部側から見たときに、主平面がジグザグ状または波状となるように形成されている、および／または側端部が切り欠きを設けて凹凸状に形成されているとともに、前記封止部材内に前記セルが複数層積層されているとともに、複数の前記セルを構成する前記集電体の周縁部に一体的に設けられた前記シート状の端子が、前記封止部材の外面に形成された、側端部に凹凸状の切り欠きを有する導体層を介して一つおきに前記封止部材の外部で連結されてな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】
本発明は、電気二重層コンデンサに関し、特に高電圧用電源として好適な電気二重層コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
電気二重層コンデンサは、電極と電解液との界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したコンデンサであり、コンデンサと電池の両方の機能を兼ね備えたものであり、従来のコンデンサと比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であることから、小型のメモリーバックアップ電源や自動車の駆動源等、大容量モータなどの補助電源として注目されている。
【０００３】
かかる電気二重層コンデンサの一般的な例としては、活性炭および電解液を含有する２枚の分極性電極間に絶縁性の多孔質体からなるセパレータを介装し、前記分極性電極の前記セパレータ側の面とは反対の表面それぞれに金属箔等からなる集電体を配設した積層体からなるセルが複数層積層されてプラスチックや熱可塑性樹脂等の絶縁体からなる封止部材内に収納、封止された構成からなる積層型の電気二重層コンデンサが知られている。
【０００４】
一方、上記構成の電気二重層コンデンサとして、特に起動時等の瞬時に非常に大きなエネルギーが必要な部品へのエネルギー供給用電源として注目されており、例えば、数Ａ〜数百Ａという大電流を急速充放電できることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電気二重層コンデンサでは、封止部材内に密封された構造になっているため、数Ａ〜数百Ａという大電流で急速充放電させた場合、特に集電体および端子に発生するジュール熱がセル積層体内部に蓄積されてしまい、電解液が分解して静電容量が低下し、電気二重層コンデンサの信頼性が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に対してなされたもので、その目的は、大容量の充放電に際しても効率的に放熱して電気二重層コンデンサ内部の発熱を抑制でき、電気二重層コンデンサの信頼性を高めることができるとともに、小型で生産性の高い高寿命の積層型の電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討した結果、集電体と連結する端子の表面および側端部を凹凸状に形成して端子の表面積を増すことにより、簡単な構造で電気二重層コンデンサ内に発生した熱を効率よく外部へ放熱でき、小型で、生産性が高く信頼性の高い電気二重層コンデンサとなることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明の電気二重層コンデンサは、活性炭を含有する２枚の分極性電極と、該分極性電極間に介装されるセパレータと、前記分極性電極の前記セパレータ側の面とは反対の表面それぞれに積層される集電体との積層体からなるセルと、該セルを封止する封止部材と、前記集電体の周縁部の一部に一体的に設けられ、その一部が前記封止部材の外部に突出するシート状の端子とを具備するものであって、前記シート状の端子は、側端部側から見たときに、主平面がジグザグ状または波状となるように形成されている、および／または側端部が切り欠きを設けて凹凸状に形成されているとともに、前記封止部材内に前記セルが複数層積層されているとともに、複数の前記セルを構成する前記集電体の周縁部に一体的に設けられた前記シート状の端子が、前記封止部材の外面に形成された、側端部に凹凸状の切り欠きを有する導体層を介して一つおきに前記封止部材の外部で連結されてなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の電気二重層コンデンサの一例についての概略断面図を図１に示す。
図１によれば、電気二重層コンデンサ１は、正極および負極をなす平面が矩形のシート状の分極性電極２、２間に、平面が矩形のシート状のセパレータ３が配設、介在しており、また、分極性電極２、２のセパレータが配設された面の反対面には、正極および負極をなす平面が矩形のシート状の集電体４、４がそれぞれ積層、接着され、分極性電極２、２、セパレータ３、集電体４、４の積層体が一単位のセル５を構成している。
【００１１】
ここで、分極性電極２を構成する活性炭質構造体は、高い比表面積を有する活性炭を含有し、前記活性炭を結合するための結合剤を配合したものが好適に使用でき、静電容量向上、内部抵抗低減、放熱性向上の点でこれを炭化処理したものであってもよい。また、電気二重層コンデンサ１の高静電容量を維持し、構造体として必要な強度を得るためには、前記活性炭の比表面積が１０００〜３０００ｍ2／ｇであることが望ましい。
【００１２】
なお、前記結合剤として添加される炭素成分は、前記活性炭粒子間に存在するが、前記炭化処理を施す場合には、前記活性炭質構造体に占める割合が５〜５０重量％であることが好ましく、これにより前記活性炭粒子間の焼結性及び結合性を高めることができる。
【００１３】
さらに、分極性電極２は円板、矩形状（図１では矩形状）の板状体等であることが好ましく、電気二重層コンデンサ１の製造時の取り扱いや使用時の振動、衝撃等に耐えうる機械的強度という信頼性の点でＪＩＳＲ１６０１に準じた室温における３点曲げ強度が３０ｋＰａ以上、特に６０ｋＰａ以上であることが好ましい。また、分極性電極２の厚みは、内部抵抗の低減の観点から１．５ｍｍ以下、特に０．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また、セパレータ３は、パルプやポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフロライド（ＰＶｄＦ）等の有機フィルムまたはガラス繊維不織布及びセラミックスなどを用いることができ、分極性電極２間を絶縁するために形成されるものであるが、分極性電極２内に含有される電解液中のイオンを透過させることができる多孔質体により形成される。なお、セパレータ３の厚みは、ショート等を防止し、内部抵抗を低減するために０．０２〜０．１５ｍｍの厚みが好ましい。
【００１５】
さらに、分極性電極２およびセパレータ３内部には、硫酸や硝酸等の水溶液や、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、スルホラン、３−メチルスルホラン等の非水溶媒とテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート等の４級アンモニウム塩、４級スルホニウム塩、４級ホスホニウム塩等の電解質を組み合わせた非水系電解液等の電解液が含浸されるが、本発明において分解電圧の高い非水系電解液を用いることが望ましい。なお、前記電解質の前記非水系溶媒に対する溶解量は、安定して高い静電容量を得るために０．５〜２ｍｏｌ／ｌであることが望ましい。
【００１６】
また、集電体４は、導電性を有するアルミニウム、チタン、タンタル、白金、金等の金属箔、ステンレス鋼などにより形成され、分極性電極２、２間で電荷をやり取りするが、特に放熱性および分解電圧の高い非水系電解液に対する耐食性の点でアルミニウムを主体とする金属箔からなることが望ましい。また、集電体４の厚みは内部抵抗を低減するためには薄いものが好ましいが組立時の取り扱いなどによる破損を考慮すると０．０２〜０．１０ｍｍ程度が望ましい。
【００１７】
そして、本発明によれば、集電体４の周縁部（一辺）の一部（図１では隅部）には、シート状の端子４ａが集電体４と一体的に形成されているが、本発明によれば、端子４ａの主平面を凹凸面によって形成するか、および／または前記シート状の端子４ａの側端部に凹凸状の切り欠きを形成したことが大きな特徴であり、これによって、電気二重層コンデンサ１から大電流を放電する際にも端子４ａでの発熱を効率よく放熱でき、電気二重層コンデンサ１内部の温度上昇を抑制して電解液の劣化及び分極性電極の部分的な破壊を防止できる結果、電気二重層コンデンサ１の寿命を長くできるとともに、信頼性を高めることができる。
【００１８】
ここで、端子４ａの形状は、図２の集電体４と端子４ａの側面図及び平面図に示すように、（ａ）側端部側から見たときに、端子４ａの主平面がジグザグ状に形成されたもの、（ｂ）側端部側から見たときに、端子４ａの主平面が波状に形成されたもの、（ｃ）端子４ａの側端部が切り欠きを設けて凹凸状に形成されたものの１種または２種以上が好適に使用できる。なお、端子４ａの抵抗の上昇を防止しつつ端子４ａの比表面積を高めて放熱性を高めるためには、前記凹凸の凸部の高さが１〜３ｍｍであることが望ましく、また、前記凹凸の頂部間のピッチが１〜５ｍｍであることが望ましい。
【００１９】
また、上記構造のうち、（ｂ）〜（ｄ）によれば、端子４ａを別の部材に接続する場合や後述するように端子４ａ同士を収束する際に集電体４と端子４ａとの界面に発生する応力集中を緩和して端子４ａの短絡を防止できる効果もある。
【００２０】
なお、図１によれば、複数の集電体４のそれぞれの端子４ａは積層体の同じ辺に設け、かつ隣接する集電体４の端子４ａが同一辺内の異なる位置に設けられている。すなわち、一層おきに同じ部位（図面では隅部）に設け、集電体４の端子４ａが交互に正極用端子および負極用端子を構成するようにセル５が複数層積層されてセル積層体６を形成している。そして、同じ部位に設けられた２組の端子同士をそれぞれ接触または接合して、それぞれ正極用端子および負極用端子を形成している。なお、正極用端子と負極用端子は短絡を防止するために接触しない位置に配設されている。
【００２１】
また、図１においては、セル積層体６は電解液を封止、保持するため、セル積層体６の外周部に形成される封止部材７によって封止固定されている。封止部材７の形状は、放熱性、衝撃緩衝性および電気二重層コンデンサ１の小型化の点で、厚み０．５〜３ｍｍであることが望ましい。
【００２２】
また、封止部材７としては、熱伝導率が高い絶縁体、具体的には、シリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴム等のゴム、またはアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種からなることが望ましく、また、これらが２層以上積層されたものであってもよい。中でもセル積層体６を封止部材７の電解液注入口９内に収納する組立工程においてセル積層体６中の分極性電極２が破損することなく容易に組立できる点で、弾性体であるシリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴムが望ましく、特に、高熱伝導性、高絶縁性および機械的強度の向上の点で熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上のシリコンゴムが最適である。なお、熱伝導率を高める上では、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の上述したセラミックスからなることが望ましい。
【００２３】
さらに、封止部材７のうち、セル積層体６の上下面に位置する封止部材７は、セル積層体６をかしめてセル積層体６の保形性を高めるとともに、分極性電極２、セパレータ３および集電体４間の接触状態を良好にして電気二重層コンデンサ１の内部抵抗を低減する作用をなすために、剛性の高い、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、チタン等の金属等他の部材にて形成してもよく、この場合、他の部材は封止部材７にねじ止め等により固定、封止される。
【００２４】
また、封止部材７の外周面には電解液を分極性電極２およびセパレータ３内に注入、含浸せしめるための電解液注入口９を形成し、例えば、電解液注入口９からセル積層体６内に付着した水分を除去した後、非水系電解液を注入して封止することにより、電気二重層コンデンサ１内の水分量を低減して電解液の劣化を防止し、電気二重層コンデンサ１の信頼性を高めることができる。
【００２５】
さらに、図１によれば、複数の端子４ａが１つおきに封止部材７内で収束され、封止部材７から端子４ａの収束体の先端部が突出して形成されている。本発明によれば、放熱性を高めるために端子４ａの先端部が、特に５ｍｍ以上、さらに１０mm以上封止部材７壁面に設けられた貫通孔から外部へ突出するように形成されている。
【００２６】
また、本発明によれば、端子４ａの取り出し方法はこれに限られるものではなく、例えば、図３に示す電気二重層コンデンサ１０のように、複数の端子４ａを封止部材７に形成した複数の貫通孔内にそれぞれ挿入し、端子４ａの先端を封止部材７の壁面内または外面に形成した導体層１１に封止部材７の外部で連結して接続してもよく、これによって封止部材７の外面に位置する導体層１１での放熱性を高めて電気二重層コンデンサ１０全体の放熱性を高めることができる。
【００２７】
また、導体層１１は、放熱性を高めるために、上述した端子４ａのように側端部に凹凸状の切り欠きを形成したものであることが望ましい。
【００２８】
【実施例】
（実施例）
ＢＥＴ値が２０００ｍ2／ｇの活性炭粉末試料１００重量部に対して、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を５０重量部混合して高速混合攪拌機にて攪拌し、得られた粉体を４０メッシュでメッシュパスを行った後、ロール成形によってシート状成形体を作製した。前記シートから所定の形状にカットして固形状活性炭電極を形成するための成形体を作製した後、真空中、９００℃で熱処理を行い、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの活性炭質構造体を作製した。
【００２９】
一方、パルプ製の５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み５０μｍのセパレータと、５０ｍｍ×５０ｍｍで、その一辺の端部に幅１０ｍｍの端子を備えた厚み５０μｍのアルミニウム箔からなる集電体とを準備し、集電体−分極性電極−セパレータ−分極性電極（−集電体）を一単位セルとしてセル９層を積層したセル積層体を作製した。なお、アルミニウム集電体は表１に示すような形状のものを使用した。セル積層体は両端面それぞれに集電体が位置するように配設し、セル積層体は集電体１０枚、分極性電極１８枚、セパレータ９枚にて構成されるものとした。また、セルの積層時には端子がセル積層体の同じ側面から突出し、かつ隣接する各端子が反対の隅部に交互に配設されるようにして積層した。
【００３０】
次に、該セル積層体の端子突出面以外の側面に厚み１ｍｍのシリコンゴム製で、８つの隅部には長手方向に貫通する貫通孔を形成し枠状の封止部材を配設した。そして、セル積層体の外周表面に突出した同じ隅部に位置する各端子同士をそれぞれ超音波溶接によって接続して、正極用端子および負極用端子とした後、それぞれガスケットの外周側面へ７ｍｍ長さ突出させた。（ガスケット内部の端子長さ３ｍｍ）。
【００３１】
さらに、セル積層体およびガスケットの両端面に６０ｍｍ×６０ｍｍ×８ｍｍのアルミニウム製で隅部に貫通孔を有する封止部材の一部である加圧板を積層するとともに、該加圧板および前記ガスケットを貫通する貫通孔を位置合わせして、該貫通孔内にステンレスからなるネジ部材を挿入し、ネジ止めによって加圧板およびセル積層体をかしめ圧０．２ＭＰａとなるようにかしめ、封止した。
【００３２】
そして、ガスケットを真空雰囲気下で１００℃で乾燥した後、ガスケットの外周部に設けた電解液注入口から１ｍｏｌ／ｌのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ4ＮＢＦ4）の炭酸プロピレン（ＰＣ）溶液からなる非水系電解液を注入して、分極性電極およびセパレータ内に電解液を含浸させた後、電解液注入口を封止した。
【００３３】
得られた電気二重層コンデンサ１００個に対して、端子の断線不良が発生した個数を求め、良品率（％）を算出した。また、７０℃、３．０Ｖで、電流５０Ａにて充放電をそれぞれ５０時間づつ行い、ガスケット内壁面に挿入した熱電対にてセル積層体の温度を測定した。さらに、上記重放電を１０００時間続けた前後の静電容量の変化率を測定した。結果は表１に示した。
【００３４】
【表１】
0004637325.tif 000002
【００３５】
表１から、端子を平板状に形成し、端子の側端部に凹凸を形成しない試料Ｎｏ．１では、端子の集電体との界面にクラックが生じやすく良品率が低く、セル積層体の温度が上昇して静電容量の低下が大きかった。
【００３６】
これに対して、本発明範囲内のシート状の端子を、側端部側から見たときに主平面がジグザグ状または波状となるように形成したもの、および側端部が切り欠きを設けて凹凸状に形成されている試料Ｎｏ．２〜１５では、いずれも良品率が８０％以上と高く、また、１０００時間後の静電容量の低下率が３０％以下と長寿命となることが示唆された。
【００３７】
（実施例２）
実施例１の試料Ｎｏ．４の端子それぞれを厚み１ｍｍのアルミナセラミックスからなる枠状のガスケットに設けられた貫通孔に挿入し、ガスケット外面に形成した主平面の表面粗さ（Ｒａ）が１００μｍ、側端部にピッチ２ｍｍ、高さ２ｍｍの凹凸面を形成した導体層と接続する以外は実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製し、評価した結果、良品率９０％、温度７０℃、静電容量の変化率が−１０％であり、端子の放熱性が向上していることがわかった。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の電気二重層コンデンサでは、集電体の周縁部に一体的に設けられシート状の端子の主平面を凹凸面によって形成するか、および／または前記シート状の端子の側端部に凹凸状の切り欠きを形成することによって、端子に発生する熱の放熱性を高めて電気二重層コンデンサ内部の加熱を防止することができることから、電気二重層コンデンサの温度上昇に伴う電解液の分解を抑制して長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気二重層コンデンサの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の電気二重層コンデンサの集電体と端子の形状を説明するための平面図および側面図である。
【図３】本発明の他の電気二重層コンデンサの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１０・・・電気二重層コンデンサ
２・・・分極性電極
３・・・セパレータ
４・・・集電体
４ａ・・端子
５・・・セル
６・・・セル積層体
７・・・封止部材
９・・・電解液注入口
１１・・導体層
【図１】
0004637325.tif 000003
【図２】
0004637325.tif 000004
【図３】
0004637325.tif 000005