(57)【要約】  双極中間電極、単極端面電極、セパレータ、および電解質が内部に配置されているハウジングを含む電気二重層キャパシタであって、各電極は、熱膨張黒鉛から作製され、高分子量炭素で飽和させたパーティションを含み、中間電極の場合にはパーティションの両側に、端面電極の場合にはパーティションの片側に、活性炭とプロトン伝導性バインダーとの混合物からなる電極材料を付着させた電気二重層キャパシタを記載している。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、その中に配置した引き出し（双極）電極および端面（単極）電極と、セパレータと、電解質とを含む電気二重層を有するパルスキャパシタであって、各電極は、熱膨張黒鉛から作製され高分子量炭化水素で含浸したセパレータを含み、前記セパレータに前記引き出し電極の両面および前記端面電極の片面で活性炭とプロトン伝導性バインダーとの混合物からなる材料を付着させたパルスキャパシタ。
【請求項２】
電極材料である活性炭の含量が６０〜９５重量％であり、プロトン伝導性バインダーの含量が５〜４０重量％である請求項１に記載のパルスキャパシタ。
【請求項３】
前記電極材料は、前記電極の前記セパレータ上に、前記電解質の種類に応じて、０．５〜２．５ｍｍのポアサイズを有する０．０５〜０．５０ｍｍ厚の層を形成する請求項１または２に記載のパルスキャパシタ。
【請求項４】
電極とセパレータとのアセンブリを圧着するにあたり空気逃しのための溝がある封止材の層を、前記電極の前記セパレータの縁部に付着する請求項１〜３のいずれかに記載のパルスキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
発明の分野
本発明は、エネルギー貯蔵電気キャパシタの設計に関し、ここで電荷は２種の媒体すなわち電極と電解質との界面に蓄積され、したがって「電気二重層を有するキャパシタ」、および「スーパーキャパシタ」、「ハイブリッドキャパシタ」（日本）、「ウルトラキャパシタ」（ドイツ、ＵＳＡ）、「電気化学キャパシタ」（フランス、カナダ）、「イオニスタ」（ロシアおよび他のＣＩＳ国）と呼ばれている。
【０００２】
従来の電解キャパシタを超えるそれらの主な利点は増大したエネルギー密度にある。ある種のこのようなキャパシタは１０ｋＪ／ｋｇ超を貯蔵することができ、１〜１０ｋＷ／ｋｇの比容量で負荷に放電することができる（www.kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php）。
【０００３】
これに、十分な可能な量の「充放電」サイクル、信頼性および耐久性、および広い動作温度範囲を付加しなければならない。
【０００４】
電気二重層を有するキャパシタの上記の特有の構成の特徴は、かなりの程度まで、第一に輸送電気およびハイブリッド手段において、それらの使用の可能性および実行可能性をあらかじめ決定する。その他の将来性ある方向は、不安定な特性を有する発電所、たとえば風車型発電ユニット、太陽電池バッテリを有する発電ユニット、潮力発電所における「補償器」としてのそれらの使用である。
【０００５】
背景技術
電気二重層キャパシタは、それらに使用される電極材料の種類および用いられる電解質において異なる。電極に使用される材料は下記の３種類のものである：活性炭ベースにした材料、金属酸化物ベースにした材料、および導電性ポリマーをベースにした材料。電解質は水性または有機でありうる。
【０００６】
最も一般的に遭遇する電気二重層キャパシタは基本的に活性炭材料から作製した電極を有するものである。
【０００７】
活性な（高度にポーラスな）炭素材料は約１０Ｆ／ｃｍ3以上の容量密度を与えることが知られている（http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm）。
【０００８】
電気二重層キャパシタであって、このキャパシタの電極が活性炭（黒鉛、カーボンブラック）粒子と、ポーラス弾性誘電体と、プラスチックバインダーとの混合物から作製されているものが知られている（WO 94/01879）。活性炭は粗粒子（１〜１００μｍ）と微粒子（０．０５〜１μｍ）との混合物からなっている。
【０００９】
微粒子の含量は１０〜６０重量％の範囲内であり、サイズが１〜５０μｍであるポーラスフォームの粒子または直径が０．３〜５０μｍであり長さが０．１〜５ｍｍであるポーラス誘電体材料の繊維が柔軟な誘電体として使用され、プラスチックバインダー、たとえばポリビニルアルコール、多糖、ゴム、フッ素プラスチックがプラスチックバインダーとして使用される。
【００１０】
しかし、これらの電極を使用して組み立てられたキャパシタは、容量が低く、ポーラス弾性誘電性材料の使用に起因して抵抗が十分に大きく、機械的強度が比較的低い。前記欠点は、吸着剤、たとえば、活性炭の粒子間に均一に分布させた熱可塑性ポリマーの粒子で平均サイズが活性炭粒子の平均サイズの０．０８〜０．９であるもので結合させた活性炭からなる電極（RF特許#2172037による）においてはある程度まで取り除かれる。
【００１１】
この特許の電極は、活性炭ならびに黒鉛およびカーボンブラック粉末であって共にポリマーの粒子によって結合したものから作製することもできる。ここで、電極の全体積にわたる粒子のより均一な分布のために、これらの黒鉛またはカーボンブラックの粒子は平均サイズが活性炭粒子の平均サイズの０．０２〜１．４であるべきである。
【００１２】
さらに、RF特許#2172037に記載されている１つの実施形態の電極においては、電極は、ポリマー粒子によって片面または両面でその表面に結合された活性炭布をさらに含むことができる。ここで、前記布の糸の平均サイズは吸着剤の粒子の平均サイズの０．２〜０．５である。しかし、この電極は強度が不十分であり、その製造技術はかなり複雑である。活性炭布を型内に配置し、次いで遊離した吸着剤およびポリマーの均質な混合物をその中に注入する。双極電極を作製する場合には、炭素布をその上に配置し、加圧し、次いで熱処理にかける。その後、型を冷却し、すぐに使える電極を取り出す。
【００１３】
RF特許#2364974は、その分極電極が２種類の活性炭で作製され、その一方が水蒸気活性化され他方がアルカリによって活性化されているキャパシタを開示している。
【００１４】
発明の概要
電気二重層キャパシタの内部抵抗の低減およびその容量の増加に関する以前に提案された一連の解決策にもかかわらず、この問題は重要なままである。
【００１５】
本発明はこの問題を解決することを目指し、その本質は電極の製造に使用する炭素材料を組み合わせることにある。本発明において、そのような組合せは熱膨張黒鉛および活性炭を含む。
【００１６】
本発明によれば、キャパシタ電極の設計は、活性炭とポリマー（プロトン伝導性）バインダーとの混合物を付着させた、熱膨張黒鉛から作製されたセパレータである。この混合物は、熱膨張炭素から作製されたセパレータの両面で引き出し（双極）電極に付着し、一方で端面（単極）電極の場合には片面のみに付着する。
【００１７】
電極材料（活性炭とバインダーとの混合物）は電極のセパレータに０．０５〜０．５０ｍｍ厚である層として付着する。ここで、キャパシタにおいて使用する電解質の種類に対応したポアサイズを与えるべきである。
【００１８】
それぞれ、電極材料における活性炭の含量は６０〜９５重量％まで、バインダーの含量は５〜４０重量％まで変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は本発明で記載しているキャパシタの断面図を示す。
【図２】図２は双極（引き出し）電極を示す。
【図３】図３は単極（端面）電極を示す。
【図４】図４および５は絶縁（封止）ガスケットを設けた電極の実施形態を示す。
【００２０】
発明の詳細な説明
図１を見ると、本発明に従って作製したキャパシタを示している。キャパシタは、セパレータ（２）によって離間した、複数の双極（引き出し）電極（１）と２つの単極（端面）電極（３）とを含む。これらの電極のアセンブリを本体（９）内に配置し、そのカバー（１０）を通して負極端子（５）および正極端子（６）を取り出している。
【００２１】
図２および３に示すように、電極は、電極材料（１３）の層を付着させた、熱膨張黒鉛で作製したセパレータ（１２）を示している。電極材料は、引き出し電極のセパレータの両面に付着させ、端面電極の場合には、セパレータの片面に付着させる。
【００２２】
図４および５に示す電極製造の態様はさらに電極を包み込む封止ガスケット（４）を示し、これは空気逃しのためにその中に作製した溝（１４）をもつ。
【００２３】
キャパシタは、下記の順序に従って組み立てる。
【００２４】
セパレータ（１２）は熱膨張炭素から作製する；これらのセパレータを高分子量炭素で含浸させる。熱膨張炭素は、Unichimtek（《Унихимтек》）社（ロシア）によって製造された「Grafleks」（《Графлекс》）と呼ばれる材料でありうる；高分子量炭素は使用されたセレシンである。含浸プロセスは、１１０〜１４０℃の温度および０．５〜０．８ｋｇ／ｃｍ2の真空の、真空キャビネット内で行う。含浸が終了すると、加熱ロールの間で圧延することによって過剰なセレシンを除去する。
【００２５】
電極は下記の工程を行うことによって作製する：
−活性炭と、プロトン伝導性イオン遅滞樹脂（たとえば、Nafion DE 1020）の水溶液とからなる電極材料の調製。活性炭およびプロトン伝導性バインダー（樹脂）をそれぞれ、６０〜９５重量％および５〜４０重量％の量で採取する；
−エアログラフにより、プリント回路配線法を使用して、必要とされる厚さの層（０．０５〜０．５０ｍｍ）の電極材料を、引き出し電極の両面および端面電極の片面でセパレータ（１２）に付着させること；
−電極材料を乾燥させること。
【００２６】
キャパシタに使用されている電解質の種類に応じて、電解質のイオンのサイズに比例するように活性炭の多孔率を選択する。
【００２７】
製造した電極を、密度が１．２５〜１．２８ｇ／ｃｍ3である電解質に含浸させる。
【００２８】
次に、弾性のある耐酸性封止材料から作製された封止材（ガスケット）（４）を、電極セパレータに付ける。この封止材（ガスケット）上には溝（１４）が形成され、キャパシタが押圧されたときの空気逃しを与える。端面電極はそのようなガスケットが片面にある。
【００２９】
セパレータシートは、封止材（ガスケット）の内径を４〜１０ｍｍ超える寸法を有する、化学的に耐性のある高度にポーラスで電解質透過性の材料から作製される。
【００３０】
キャパシタ要素を下記の通り組み立てる。
【００３１】
プロセス指向のベースプレート上に順次下記を配置する：
−補強板（８）；
−絶縁体（７）；
−リード（５）；
−端面電極（３）；
−セパレータ（２）（セパレータは端面および双極電極のガスケット上に輪郭をおおって２〜５ｍｍ重なって位置する。）；
−双極電極（１）；
−セパレータ（２）など；
−端面電極を最後のセパレータ上に配置する；
−リード（６）；
−絶縁体；
−補強板；
−上部補強板を、アセンブリ全体をおおって配置する。
【００３２】
全ての要素を８〜１０ｋｇ／ｃｍ2の特定の圧力で加圧する。
【００３３】
キャパシタ要素を加圧すると、ガスケットが０．２〜０．５ｍｍの溝の深さに圧縮されて出口を閉鎖するまで、空気がガスケット（４）の溝を通って電極の隙間から外に出て行く。このとき全ての要素が互いに接触し、次いでキャパシタの完全な封止までさらにキャパシタを各セル上で０．１〜０．２ｍｍに加圧する。
【００３４】
補強板（８）を、溶接またはネジを使用して、繋ぎ材（図示せず）によって接続する。
【００３５】
封止材（１１）（仮に、フィラーまたはビチューメンマスチックを含むエポキシ樹脂をベースにする）を本体（９）に注入し、その中に組み立てたキャパシタを配置する。必要とされる量の封止材をさらにその上に注入する。
【００３６】
カバー（１０）と本体（９）とをヒートシールによって連結する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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