(57)【要約】 【課題】  金属箔と高分子材料層を積層した外装材を用いて、平板状のキャパシタ素子を封止した構造の電気二重層キャパシタにおいて、面積を増加させないで、内部抵抗を低減した電気二重層キャパシタを提供すること。【解決手段】  キャパシタ素子１０に、コルゲート加工やエンボス加工を施すことで、凹凸構造を付与し、正極電極体１２ａと負極電極体１２ｂとの対向面積を増加させ、内部抵抗を低減させ、内部抵抗に起因する電気二重層キャパシタの特性を向上する。また外装材１３の第一の高分子材料層１４と、第二の高分子材料層１６の一部を削除することで、金属箔１５を、集電体と電気的に接続するとともに、外部接続用の端子とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の導電体からなる集電体の表面に分極性電極層を形成してなる、正極電極体と負極電極体を、セパレータを介して前記分極性電極層を対向させて配置してなるキャパシタ素子を、金属箔の両面に高分子材料層を形成した積層構造の外装材により被覆した構成を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子には屈曲加工による凹凸構造が付与されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記屈曲加工は、コルゲート加工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】
前記屈曲加工は、エンボス加工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４】
前記高分子材料層における、前記キャパシタ素子に接する側を第一の高分子材料層、反対側を第二の高分子材料層としたとき、前記第一の高分子材料層は熱可塑性高分子であり、少なくとも一部に前記金属箔が露出する第一の開放部分が設けられ、前記集電体と前記金属箔との電気的な接続を確保する接続部が形成され、かつ、前記第二の高分子材料層の少なくとも一部に前記金属箔が露出する第二の開放部分が設けられ、前記第二の開放部分の前記金属箔が接続端子を形成してなることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電体からなる集電体の表面に、分極性電極層を形成した正負一対の電極体と、正負の電極体の間に介在するセパレータからなるキャパシタ素子を、高分子材料と金属箔とを積層した外装材で被覆した構造を有する電気二重層キャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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には、用途に応じて円筒型やコイン型など様々な形状のものがある。その中で、特に薄くする必要がある場合は、シート状の導電体からなる集電体の表面に、活性炭を主とする分極性電極層を形成した正負一対の電極体の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを介在させてキャパシタ素子とし、このキャパシタ素子に電解液を含浸させ、高分子と金属箔を積層した外装材で被覆した構造をとっている。
【０００５】
特許文献１には、前記のような外装構造を有する電気二重層キャパシタに関する技術が開示されている。図４は、特許文献１に開示されている公知技術による、電気二重層キャパシタの一例の断面を模式的に示す図である。
【０００６】
図４において、４１はセパレータ、４２ａは正極分極性電極層、４２ｂは負極分極性電極層、４３は集電体、４４はラミネートフィルム、４５はラミネートフィルムに穿孔を施して形成された窓である。ここで用いられるラミネートフィルム４４は、例えばアルミニウム箔の両面に高分子材料層を積層したもので、集電体４３に接する側の高分子材料層を、接着性に富む熱可塑性高分子で構成し、セパレータ４１と正極分極性電極層４２ａと負極分極性電極層４２ｂで構成されるキャパシタ素子の外側の部分に、熱プレスを施すことで熱融着し、キャパシタ素子を封止できる。
【０００７】
そして、ここに示した電気二重層キャパシタにおいては、ラミネートフィルム４４に窓４５が設けられ、集電体が露出した部分が形成さているので、この部分に端子を取り付けることができ、別途に集電体に接続された端子を設ける必要がないことが特徴である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３４３６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に、電気二重層キャパシタにおいては、充放電時の電圧降下を抑えるためなどの理由から、内部抵抗は極力小さいことが望まれる。この内部抵抗の低減には、集電体と分極性電極層で構成される正極電極体と負極電極体の、対向面積を大きくすることが有効である。
【００１０】
しかしながら、前記のような構造の薄型の電気二重層キャパシタでは、電極体の面積を大きくすることは、直ちに電気二重層キャパシタ自体の大面積化、大型化に繋がり、プリント基板などへ実装を行う際の占有面積が大きくなることが問題となっていた。
【００１１】
従って、本発明の課題は、金属箔と高分子材料層を積層した外装材を用いて、平板状のキャパシタ素子を封止した構造の電気二重層キャパシタにおいて、面積を増加させないで、内部抵抗を低減した電気二重層キャパシタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、平板状の二つの部材を接合したときの、接合面の面積が、接合面に凹凸構造を付与することで増加することに着目してなされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、シート状の導電体からなる集電体の表面に分極性電極層を形成してなる、正極電極体と負極電極体を、セパレータを介して前記分極性電極層を対向させて配置してなるキャパシタ素子を、金属箔の両面に高分子材料層を形成した積層構造の外装材により被覆した構成を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子には屈曲加工による凹凸構造が付与されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
【００１４】
また、本発明は、前記屈曲加工が、コルゲート加工であ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。
【００１５】
また、本発明は、前記屈曲加工が、エンボス加工であ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。
【００１６】
また、本発明は、前記高分子材料層における、前記キャパシタ素子に接する側を第一の高分子材料層、反対側を第二の高分子材料層としたとき、前記第一の高分子材料層は熱可塑性高分子であり、少なくとも一部に前記金属箔が露出する第一の開放部分が設けられ、前記集電体と前記金属箔との電気的な接続を確保する接続部が形成され、かつ、前記第二の高分子材料層の少なくとも一部に前記金属箔が露出する第二の開放部分が設けられ、前記第二の開放部分の前記金属箔が接続端子を形成して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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による電気二重層キャパシタにおいては、キャパシタ素子に、コルゲート加工やエンボス加工などによって、凹凸構造が付与されているので、平坦な構造の場合よりも、集電体と分極性電極の界面の面積が大きくなっている。これに伴って内部抵抗が低減し、電気二重層キャパシタ全体としての特性が向上する。
【００１８】
また、凹凸構造を付与するための、コルゲート加工やエンボス加工は、ロールやプレスなどの一般的な賦形加工機を用いて、容易に施すことができるので、製造コストを大きく増加することがないのも、本発明の特徴である。
【００１９】
さらに、本発明の電気二重層キャパシタにおいては、外装材を構成する金属箔の少なくとも一部に、集電体と電気的に接続した部分を形成し、外側に形成されている高分子材料層の一部を削除することで、金属箔が外部に露出した部分を形成し、当該露出部分を、電気二重層キャパシタを外部の回路へ接続するための端子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
まず、コルゲート加工の例を示す。図１は、本発明の、第一の実施の形態に係る、コルゲート加工を施した電気二重層キャパシタの断面を模式的に示した図である。図１において、１０はキャパシタ素子、１１はセパレータ、１２ａは正極電極体、１２ｂは負極電極体である。正極電極体１２ａと負極電極体１２ｂは、例えばアルミニウム箔からなる集電体の表面に、活性炭粉末に、ケッチェンブラックに代表される導電性補助剤、ポリテトラフルオロエチレンに代表されるバインダを加えて混練した混和物を成膜して、分極性電極層を形成して得られる。
【００２２】
また、セパレータ１１には、ポリオレフィンに代表される耐薬品性を具備する高分子材料からなる、多孔質フィルムが用いられる。そして、正極電極体１２ａと負極電極体１２ｂの分極性電極層側を対向させた状態で、セパレータ１１を間に配置して接合し、キャパシタ素子１０が得られる。なお、キャパシタ素子１０には電解液を含浸するが、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を代表とする、従来の電解液が用いられる。
【００２３】
また、図１において、１３は外装材であり、金属箔１５の両面に第一の高分子材料層１４と第二の高分子材料層１６を積層した構成を有する。そして、キャパシタ素子１０に接する側の、第一の高分子材料層１４は、粘着性に富む熱可塑性高分子からなる。従って、キャパシタ素子１０の外縁部（図示せず）より延長された部分に熱プレスや超音波加熱を施すことで熱融着させ、キャパシタ素子を封止することができる。
【００２４】
具体的には、金属箔には、例えばアルミニウムが、第一の高分子材料層１４には、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合体が、第二の高分子材料層１６には、例えばポリエチレンテレフタレートが使用できる。これらの材料と同等の特性を具備するものであれば、これらに限定されるものではないことは勿論である。
【００２５】
このように、キャパシタ素子を外装材で封止した後、表面に溝が設けられた、双ロールの間を通過させるなどの方法でコルゲート加工処理を行い、断面に波形形状を付与ことができる。
【００２６】
また、図１において、１７ａは、金属箔と正極電極体の接続部、１７ｂは金属箔と負極電極体の接続部である。ここに示したように、本発明に用いる外装材１３においては、第一の高分子材料層１４の外縁部を短くしておくか、適当な箇所に開放部を設けることで、集電体と金属箔１５とが電気的に接続する部分を設けることができる。このように、金属箔と集電体を電気的に接続しておけば、外装材の金属箔を、電気二重層キャパシタを外部の回路などに接続するための端子とすることができる。
【００２７】
図２は、金属箔を用いて端子を形成する例を模式的に示した断面図である。図２において、２０はキャパシタ素子、２１はセパレータ、２２ａは正極分極性電極層、２２ｂは負極分極性電極層、２３ａは正極集電体、２３ｂは負極集電体、２４は第一の高分子材料層、２５ａは正極金属箔、２５ｂは負極金属箔、２６は第二の高分子材料層、２７ａは正極側接続部、２７ｂは負極側接続部、２８ａは正極端子、２８ｂは負極端子である。
【００２８】
ここに示したように第一の高分子材料層２４の適当な箇所に、穿孔加工を施して開放部を形成し、正極集電体２３ａと正極金属箔２５ａが直接接触する正極側接続部２７ａを形成し、第二の高分子材料層２６の所要箇所を削除することで、正極端子２８ａを形成できる。負極側も同様にして、負極端子２８ｂを形成することができる。
【００２９】
また、ここでは、電気二重層キャパシタの外縁部に端子を形成する例を示したが、他の箇所に形成することも可能であり、集電体と金属箔の接続部についても、例えば、第一の高分子材料層の面積を、金属箔よりも小さくして、外縁部に形成することも可能である。
【００３０】
次に、エンボス加工の例を示す。図３は、本発明の、第二の実施の形態に係る、エンボス加工を施した電気二重層キャパシタの例を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡＡ断面を模式的に示した図である。なお、エンボス加工までの工程は第一の実施の形態と同様なので、説明を省略する。
【００３１】
図３において、３０はキャパシタ素子、３１はセパレータ、３２ａは正極電極体、３２ｂは負極電極体、３３は外装材、３４は第一の高分子材料層、３５は金属箔、３６は第二の高分子材料層、３７ａは正極側接続部、３７ｂは負極側接続部、３８は凸部、３９は凹部である。
【００３２】
ここでは、図に示したように、円形のエンボス加工を規則的に施しているが、不定形の凹凸を不規則に設けることも可能である。また、凹凸の深さはキャパシタ素子が破断しない程度であれば、特に制限はない。
【００３３】
エンボス加工は、通常表面に凹凸を設けた双ロールの間に、電気二重層キャパシタを通過させて行う。一般に、表面がエンボス模様となっている金属製のエンボスロールと、表面が紙又はウレタンゴムなどの比較的柔らかな材質のロールの間を通すことにより行う。あるいは、凹凸構造を有する金型でプレスして行うことも可能である。
【００３４】
この場合の端子の形成方法も、第一の実施の形態と特に差がないので、説明を省略する。なお、前記の例では、外装材で封止した状態の電気二重層キャパシタに、コルゲート加工、エンボス加工を施しているが、キャパシタ素子のみに、これらの加工を施しても同様の効果が得られる。
【００３５】
次に、コルゲート及びエンボス加工を施した電気二重層キャパシタを、それぞれ５０箇調製し、電極体面積と電気特性を測定した。その際、比較例として、凹凸構造を具備していない、電気二重層キャパシタについても、同様の評価を行った。表１は、その測定結果の平均値を、まとめて示したものである。なお、表１に示した数値は、比較例を１００とした相対値である。
【００３６】
【表１】
2005317764.tif 000003
【００３７】
表１に示したように、いずれの加工方法による電気二重層キャパシタにおいても、電極体面積の増加が見られ、それに伴い、等価直列抵抗、内部抵抗、静電容量のいずれも比較例よりも向上した。この結果から、本発明が電気二重層キャパシタの特性向上に寄与することは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】コルゲート加工を施した電気二重層キャパシタの断面を模式的に示した図。
【図２】金属箔を用いて端子を形成する例を模式的に示した断面図。
【図３】エンボス加工を施した電気二重層キャパシタの例を示す図。図３（ａ）は平面図。図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡＡ断面を模式的に示した図。
【図４】公知技術による、電気二重層キャパシタの一例の断面を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１０，２０，３０    キャパシタ素子
１１，２１，３１，４１    セパレータ
１２ａ，３２ａ    正極電極体
１２ｂ，３２ｂ    負極電極体
１３，３３    外装材
１４，２４，３４    第一の高分子材料層
１５，３５    金属箔
１６，２６，３６    第二の高分子材料層
１７ａ    金属箔と正極電極体の接続部
１７ｂ    金属箔と負極電極体の接続部
２２ａ，４２ａ    正極分極性電極層
２２ｂ，４２ｂ    負極分極性電極層
２３ａ    正極集電体
２３ｂ    負極集電体
２５ａ    正極金属箔
２５ｂ    負極金属箔
２７ａ，３７ａ    正極側接続部
２７ｂ，３７ｂ    負極側接続部
２８ａ    正極端子
２８ｂ    負極端子
３８    凸部
３９    凹部
４３    集電体
４４    ラミネートフィルム
４５    窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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