(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の分極性電極間にセパレータを配し、かつ前記分極性電極の他の表面それぞれに集電体を積層した積層体を、電解液を充填した外装材内に収納してなる電気二重層コンデンサであって、前記積層体の上下面と前記外装材との間にそれぞれジグザグ状または波状の断面を有する板状体からなる前記外装材よりもヤング率が高い部材を設けるとともに、前記積層体の側面と前記外装材との間に、前記外装材よりもヤング率が高い他の部材を設けてなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
前記外装材よりもヤング率が高い部材と前記積層体との間に平板が配設されていることを特徴とする請求項１記載の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、２枚の分極性電極と、該電極間設けられたセパレータと、前記分極性電極の他の表面それぞれに設けられた集電体の積層体を一単位セルとして、該セルが複数層積層されて外装材内に収納された構成からなり、外装材内に充填され、かつ一対の分極性電極とその間に配設されたセパレータ内に含浸された電解液中のイオンの移動により分極性電極内に静電容量を発生させることができるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる電気二重層コンデンサは、充放電の繰り返しにより分極性電極の劣化や電解液中の不純物の分解等によって分極性電極表面からガスが発生し、該ガスによって分極性電極と集電体間の接触状態が悪くなって電気二重層コンデンサ全体の内部抵抗が上昇してしまったり、外装材の内圧が上昇して外装材自体が局部的に膨張し、最終的には外装材が破裂するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、電気二重層コンデンサの充放電の繰り返しに伴うガスの発生によっても分極性電極と集電体との間の接触状態を悪化させず内部抵抗の増大を抑制できるとともに、外装材の膨張を抑制でき、外装材の破裂を防止できる電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題について検討した結果、分極性電極とセパレータと集電体の積層体の上下面と外装材との間に前記外装材よりもヤング率が高い耐圧部材を設けることによって、電気二重層コンデンサの充放電の繰り返しに伴うガスの発生によっても外装材が局所的に膨らむことがなく、分極性電極とセパレータと集電体との積層体にかかる圧力の部分的なムラをなくし分極性電極と集電体との間の接触状態を悪化させず均一にできる結果、電気二重層コンデンサの内部抵抗の増大を抑制できることを知見した。
【０００７】
すなわち、本発明の電気二重層コンデンサは、一対の分極性電極間にセパレータを配し、かつ前記分極性電極の他の表面それぞれに集電体を積層した積層体を、電解液を充填した外装材内に収納してなるものであって、前記積層体の上下面と前記外装材との間にそれぞれジグザグ状または波状の断面を有する板状体からなる前記外装材よりもヤング率が高い部材を設けるとともに、前記積層体の側面と前記外装材との間に、前記外装材よりもヤング率が高い他の部材を設けてなることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、前記外装材よりもヤング率が高い部材と前記積層体との間に平板が配設されていることが望ましい。
【０００９】
さらに、前記積層体の側面と前記外装材との間に前記外装材よりもヤング率が高い他の部材を設けてなることが望ましい。
【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、その概略断面図である図１を基に説明する。
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一対の分極性電極２ａ、２ｂ間にセパレータ３を配し、かつ分極性電極２ａ、２ｂの他の表面それぞれに正極および負極をなす集電体４ａ、４ｂを積層した積層体を１単位のセルとして複数のセルを積層したセル積層体５を積層し、これを外装材７内に収納している。
【００１１】
また、図１によれば、集電体４の一端に端子部が形成され、正極をなす集電体４ａの端子部および負極をなす集電体４ｂの端子部同士を収束してそれぞれ正極および負極をなす接続端子８ａおよび接続端子８ｂが形成され、該接続端子８ａ、８ｂは外装材７の壁面を貫通して外部に突出している。なお、図２の要部拡大図に示すように、集電体４の端子部９（９ａ、９ｂ）は１層おきにセル積層体５の側面に配設された絶縁層１０を貫通して、該絶縁層１０に沿って折り曲げられ、さらに端子部９ａ（９ａは図示せず。）同士、端子部９ｂ同士が収束され、溶接等により一体化されるとともに、外装材７側に折り曲げられることによって接続端子８を形成する。
【００１２】
本発明によれば、セル積層体５の上下面と外装材７との間にそれぞれ外装材７よりもヤング率が高い耐圧部材１２を設けてなる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の充放電の繰り返しに伴うガスの発生によっても外装材７が局所的に膨らむことがなく、セル積層体５にかかる圧力の局所的なムラをなくして分極性電極２と集電体４との間の接触状態を悪化させない結果、電気二重層コンデンサ１の内部抵抗の増大を抑制できるとともに、外装材７の局部的な膨張に起因する破裂を防止できる。
【００１３】
すなわち、耐圧部材１２を配設しないか、または耐圧部材１２のヤング率が外装材７のそれ以下であると、充放電の繰り返しにより発生するガスにより外装材７の中央部が突出するように凸状に膨らむために、セル積層体５にかかるかしめ圧にムラが生じ、分極性電極２と集電体４との接触状態が変動してしまうとともに、外装材７の膨張により最終的に破裂する。
【００１４】
また、図１によれば、耐圧部材１２は、ジグザグ状または波状の断面を有する板状体であり、かつ耐圧部材１２とセル積層体５との間（図１では耐圧部材１２）の両面には耐圧部材１２以上のヤング率を有する平板１３が配設されており、これによって、ガスが発生した場合でもセル積層体５の場所によらず均一で安定な圧力を付与することができ、分極性電極２と集電体４間の接触状態を変動することがないために、両者間の接触状態に起因する内部抵抗の変動を防止できる。なお、少なくとも耐圧部材１２とセル積層体５との間に配設される平板１３は、絶縁体からなる。
【００１５】
さらに、図１によれば、セル積層体５の両端部と外装材７との間に加えて、セル積層体５の側面と外装材７との間にも耐圧部材１２が配設され、これによって、外装材７のセル積層体５の側面に位置する面の局部的な膨張を防止して外装材７の破裂を防止することができる。
【００１６】
なお、外装材７の角部はネジ止めや溶接等により強固に接着され、外装材７の内圧に耐える構造からなることが望ましい。
【００１７】
また、外装材７としては、シリコンゴム、ウレタンゴム、ブタジエンゴム等のゴム、またはアルミニウム、銀、錫、ジュラルミン等の金属の群から選ばれる少なくとも１種からなるが、特に安価で軽量な金属アルミニウムからなることが望ましい。さらに、外装材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。
【００１８】
また、耐圧部材１２は、外装材７よりもヤング率が高い材質からなり、例えば、ステンレス、銅、鉄、タングステン等の金属、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスからなることが望ましく、特に安価で剛性の高いステンレスからなることが望ましい。なお、外装材７はネジ部材１４によってかしめられることが望ましい。
【００１９】
さらに、セル積層体５にかかるかしめ圧の変動を防止するために、耐圧部材１２の形状は、図３に示すように、断面が隣接する頂部ｏ、ｐ間の距離（ｄ）が５〜３０ｍｍ、特に１０〜２０ｍｍ、対向する頂部ｐ、ｑ間の高さ（ｔ）が５〜５０ｍｍ、特に１０〜２０ｍｍのジグザグ状または波状であることが望ましく、中でも応力集中を防止する点で角部が存在しない波状であることが望ましい。
【００２０】
また、セル積層体５と耐圧部材１２との間に介在させる平板１３は、ステンレス、銅、鉄、タングステン、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素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い。
【００２１】
一方、分極性電極２は、例えば、高い比表面積を有する活性炭を含有し、前記活性炭と結合するための接合剤を配合したものが好適に使用でき、静電容量の向上、内部抵抗の低減の点で炭化処理を施したものであってもよい。また、電気二重層コンデンサ１の静電容量を高め、かつ構造体として必要な強度を維持するためには、電解液を除いた分極性電極２の比表面積が５００〜３０００ｍ2／ｇ、特に１０００〜３０００ｍ2／ｇであることが望ましい。
【００２２】
なお、結合剤として添加される炭素成分は、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中にしめる割合が５〜５０重量％であることが望ましく、これによって前記活性炭粒子間の焼結性および結合性を高めることができる。
【００２３】
さらに、分極性電極２は円板、矩形状（図１では矩形状）の平板状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１．０ｍｍ以下、さらに０．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
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。
【００２５】
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系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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、外装材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（図示せず）を形成し、例えば、電解液注入口からセル積層体５内に付着した水分等の不純物を除去した後、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。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
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、所定の形状にカットして、真空中、９００℃で熱処理を行い、１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み０．３ｍｍ矩形形状の活性炭質構造体を作製した。
【００２９】
一方、１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ５０μｍのアルミニウム箔からなり、その一端に幅３０ｍｍの端子部を形成した集電体を準備した。また、１０５ｍｍ×１０５ｍｍ、厚さ５０μｍのセルロースパルプからなるセパレータを準備した。
【００３０】
そして、上記活性炭質構造体３２枚、集電体３２枚およびセパレータ１６枚を用いて図１の順に積層した積層体を形成し、該積層体の側面の前記集電体の端子部形成面にポリエチレン系のフィルムからなる絶縁体を配設するとともに、該絶縁体から前記集電体の接続端子を１層おきに貫通させて絶縁体を固定した。また、１つおきの集電体の端子部同士を束ねて溶接することにより接続端子を形成した。
【００３１】
他方、ヤング率３５０ＧＰａのステンレス（ＳＵＳ３０４製）からなり、１１０ｍｍ×１１０ｍｍ、厚み５ｍｍで、隣接する頂部間の距離（ｄ）が１０ｍｍ、対向する頂部間の高さ（ｔ）が３ｍｍの波形形状の耐圧部材を準備した。また、ステンレスからなり、１１０ｍｍ×１１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの平板状の板状体を２枚準備した。さらに、ヤング率７０ＧＰａの金属アルミニウムからなり、内壁形状が１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、肉厚が３ｍｍの容器と蓋体からなる外装材を準備した。
【００３２】
次に、前記外装材容器の内面に上記積層体を収納するとともに、前記外装材容器の内壁面と前記積層体との間に前記板状体および耐圧部材を挿入した。そして、前記板状体および耐圧部材を介して前記外装材の蓋体を前記外装材容器にネジ止めし、外装材容器に形成した電解液注入口にて外装材内部を真空引きした後、外装材内に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）溶液を電解液として注入した。また、電解液注入後、前記外装材容器のネジ部材によって前記積層体をかしめ圧４００ｋＰａとなるようかしめた。
【００３３】
得られた電気二重層コンデンサについて、１ｋＨｚにおけるインピーダンスを内部抵抗として測定したところ１．５ｍΩであった。７０℃、３．０Ｖ、電流５Ａで１０００時間充放電を繰り返し行った前後の内部抵抗は１．８ｍΩであった。また、さらに３０００時間充放電を繰り返しても外装材は破裂しなかった。
【００３４】
（実施例２）
実施例１の電気二重層コンデンサに対して、積層体の側面に耐圧部材と板状体を配設しない以外は実施例１と同様にして電気二重層コンデンサを作製し、同様に評価した結果、初期の内部抵抗１．５ｍΩ、１０００時間充放電後の内部抵抗１５ｍΩであり、５００時間充放電後に外装材の破裂により電解液の漏洩が見られた。
【００３５】
（比較例１）
実施例１の電気二重層コンデンサに対して、耐圧部材と板状体を全く形成しない以外は実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製し、同様に評価した結果、初期の内部抵抗１．５ｍΩ、１０００時間充放電後の内部抵抗１５ｍΩであり、８００時間充放電後に外装材の破裂により電解液の漏洩が見られた。
【００３６】
（比較例２）
実施例１の電気二重層コンデンサに対して、耐圧部材と板状体を外装材と同じ材質に代える以外は実施例１と同様に電気二重層コンデンサを作製し、同様に評価した結果、初期の内部抵抗１．５ｍΩ、１０００時間充放電後の内部抵抗１８ｍΩであり、６００時間充放電後に外装材の破裂により電解液の漏洩が見られた。
【００３７】
【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、分極性電極とセパレータと集電体の積層体の上下面と前記外装材との間に前記外装材よりもヤング率が高い耐圧部材を設けることによって、電気二重層コンデンサの充放電の繰り返しに伴うガスの発生によっても外装材が局所的に膨らむことがなく、分極性電極とセパレータと集電体との積層体にかかる圧力の部分的なムラをなくし分極性電極と集電体との間の接触状態を悪化させない結果、電気二重層コンデンサの内部抵抗の増大を抑制でき、内部の積層体の位置精度を低下させることなく、かつ外装材の膨張による破裂を防止できる。
【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】図１の電気二重層コンデンサの集電体の端子部の構造を説明するための要部拡大図である。
【図３】図１の電気二重層コンデンサの耐圧部材の形状を説明するための図である。
【符号の説明】
１      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
５      セル積層体
７      外装材
８      接続端子
９      端子部
１０    絶縁層
１２    耐圧部材
１３    平板
１４    ネジ部材
【図１】
0004627874.tif 000002
【図２】
0004627874.tif 000003
【図３】
0004627874.tif 000004