(57)【要約】【課題】  より小型、薄型化を実現しつつ、初期ＥＳＲの低減化を実現し、長期にわたりＥＳＲの安定性に優れ、歩留の優れた電気二重層コンデンサを提供する。【解決手段】  電気二重層コンデンサ１０１を構成する分極性電極１の材料として、活性炭及びカーボンの平均粒径が１０μｍ以下に微細化されたものを使用している。ガスケット４としては、分子中に極性の官能基を含有する、熱可塑性樹脂を用いる。点線部位で示す、セパレータ２とガスケット４、及び集電体３とガスケット４が接する箇所が、接着させる箇所である。またセパレータ２と集電体３の寸法は、ガスケット４の外周より小さくなるように切断する。端子板と集電体が接する部分には銀やカーボンに代表される導電層６を形成している。さらに端子板５の外周部には、外装用のラミネートフィルム７を配置する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体及び周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと同セパレータを介して対向する一対の分極性電極を収納するセルが単数又は複数積層されている電気二重層コンデンサにおいて、上記分極性電極内に平均粒径１０μｍ以下の非球状活性炭粉末及び平均粒径１０μｍ以下の非球状である導電性粉末の両方を使用していることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
集電体及び周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと同セパレータを介して対向する一対の分極性電極を収納するセルが単数又は複数積層されている電気二重層コンデンサにおいて、前記ガスケットは熱可塑性を有し、前記集電体及び前記セパレータのいずれもが、前記ガスケットと接着していることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
請求項２に記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記ガスケットは、分子中に極性を有する官能基を含有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載の電気二重層コンデンサにおいて、複数のセルの積層体における前記ガスケット部分が一体化されてい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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層コンデンサに関し、特に内部構造の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、分極性電極と電解液の界面に生じる電気二重層に電荷を蓄積させるコンデンサである。図５は従来の電気二重層コンデンサの基本セルの構造を示す断面図である。図５に示すように、電気二重層コンデンサ１００の分極性電極９には、電解液に対して安定で導電性があり、かつ大きな表面積を有する必要があるため、粉末活性炭や活性炭繊維、及び特許文献１に示すようにこれらの活性炭をポリテトラフルオロエチレンなどのバインダにより成形したもの、または特許文献２及び特許文献３に示すように活性炭をポリアセン及び炭素に結合させた固形状活性炭が用いられる。
【０００３】
電解液は水溶液系と有機溶媒系に大別され、水溶液系としては主に硫酸や水酸化カリウムなどが、有機溶媒系としては主にポリプロピレンカーボネートに電解質として主に四級アンモニウム塩を溶解させたものが用いられる。
【０００４】
セパレータ１０には、ガラス繊維やポリプロピレン繊維等の不織布及びポリオレフィン系多孔質フィルムなど、電子絶縁性でかつイオン透過性の高い多孔膜が用いられている。
【０００５】
集電体１１には、電解液に水溶液系電解質を用いた場合はカーボン粉末等により導電性を付与したゴムあるいはエラストマが、一方電解液に有機溶媒系電解液を用いた場合は金属製のフィルムが用いられる。
【０００６】
ガスケット１２は、基本セルの形状を維持し、電解液の漏れを防ぐと共に、上下の集電体１１の接触による短絡を防ぐ役割がある。集電体１１の外側には端子取り出しのため端子板１３が設けられている。さらに通常は、端子板１３の外側からセルの内部抵抗を低減するため、加圧した状態で固定している。加圧する方法としては、絶縁性の加圧板で両側からはさみボルト・ナットで固定する方法、モールド外装、フィルムにより内部セルを真空で封止して大気圧をかける方法などがある。
【０００７】
基本セルの耐圧は電解液によって決まり、水溶液系の場合０．６〜１．０Ｖ、有機溶媒系の場合構成する電解質によって違うが２．０〜３．０Ｖ程度である。電気二重層コンデンサでは、所定の耐圧にするために、必要な耐電圧に応じて基本セルを直列に積層している。
【０００８】
これまで、電気二重層コンデンサは主にメモリ等のバックアップのような、比較的小電流の用途に用いられてきた。これに対し、近年電子機器関係では、主電源である電池の長寿命化、及び瞬間的な電力供給の遮断防止の為、瞬時に大電流を供給できる電気二重層コンデンサの重要性が認知されつつある。その一方で、機器の小型化に伴い電気二重層コンデンサの小型化が重要な課題となっている。
【０００９】
上述した電気二重層コンデンサの小型化の施策として、例えば、特許文献４では、活性炭及びカーボン材料からなる分極性電極を薄膜化するとともに集電体及びセパレータのシート化により薄型化している。また、分極性電極の薄型化の手段として、特許文献５では粒径１−１０μｍの球状活性炭に導電付与剤およびバインダを混合させて分極性電極としている。或いは、特許文献６に示されるように、集電体１枚の両側に分極性電極を配した、分極性電極のバイポーラ構造を作製する方法もある。
【００１０】
特許文献４のように、活性炭及びカーボン材料からなる分極性電極の薄膜化、及び集電体及びセパレータをシート化する方法でも、急速化する電子機器の小型化によりまだ不十分である。また特許文献５のように球状活性炭を使用した場合、初期におけるＥＳＲが高くなる問題点がある。さらに、特許文献６等で作製されるバイポーラ型分極性電極構造による電気二重層では、ガスケットに熱硬化性樹脂を使っており、薄型化が困難である。また、高温使用時における電解液溶媒のドライアップによるＥＳＲの増加、及びセル内部からの電解液の漏れが生じていることも問題である。
【特許文献１】特開平６−１９６３６４号公報
【特許文献２】特許第２７７８４２５号公報
【特許文献３】特公平７−７０４４８号公報
【特許文献４】特開２００２−２３１５８５号公報
【特許文献５】特開２００１−１４３９７３号公報
【特許文献６】特開２００２−２０３７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の技術的課題は、より小型・薄型化を実現でき、初期におけるＥＳＲを低減化でき、また高温使用時における電解液溶媒のドライアップを低減してＥＳＲの増加を抑制することができ、セル内部からの電解液の漏れを少なくして歩留を向上させることができる電気二重層コンデンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、集電体及び周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと同セパレータを介して対向する一対の分極性電極を収納するセルが単数もしくは複数積層されている電気二重層コンデンサにおいて、上記分極性電極内に平均粒径１０μｍ以下の非球状活性炭粉末及び平均粒径１０μｍ以下の非球状である導電性粉末の両方を使用していることを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。これにより、さらなる薄型化及び低ＥＳＲ化が可能となる。
【００１３】
また、本発明によれば、集電体及び周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと同セパレータを介して対向する一対の分極性電極を収納するセルが単数もしくは複数積層されている電気二重層コンデンサにおいて、前記ガスケットは熱可塑性を有し、前記集電体及び前記セパレータのいずれもが、前記ガスケットと接着していることを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記電気二重層コンデンサにおいて、前記ガスケットは、分子中に極性を有する官能基を含有することを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記いずれか一つに記載の電気二重層コンデンサにおいて、複数のセルの積層体における前記ガスケット部分が一体化されていることを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。
【００１６】
即ち、本発明では、分子中に極性を有する官能基を含有し、かつ熱可塑性を有するガスケットを加熱させ、集電体及びセパレータをガスケットと接着させ、また積層体におけるガスケット部分を一体化させる構成としている。これにより薄型化のみならず、セル内部からの液漏れによる不良率の低減、ＥＳＲ低減化、高温使用時におけるＥＳＲの増加を抑制することが出来る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、より小型・薄型化を実現でき、初期におけるＥＳＲを低減化でき、また高温使用時における電解液溶媒のドライアップを低減してＥＳＲの増加を抑制することができ、セル内部からの電解液の漏れを少なくして歩留を向上させることができる電気二重層コンデンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明による電気二重層コンデンサのセル及び端子板部分を示す断面図である。図１に示されるように、電気二重層コンデンサ１０１では、分極性電極１、セパレータ２、集電体３及びガスケット４で形成された単位セルを必要数直列に積層させ、さらにその両外側に端子板５を配置している。
【００２０】
分極性電極１は、椰子柄系に代表される活性炭と、導電性を確保する為の非球状カーボン、及びバインダから成る。非球状活性炭及び非球状カーボンの粒径は平均１０μｍ以下に微細化されたものを使用している。
【００２１】
ガスケット４は、エチレン−メタクリル酸共重合体に代表されるような、分子中に極性を有する官能基を含有した熱可塑性樹脂からなる。端子板５と集電体３が接する部分には、銀やカーボンに代表される導電層６を形成している。さらに端子板５の外周部には、外装用のラミネートフィルム７を配置する。
【００２２】
なお、図１の中で、破線の円で示される部分で、セパレータ２とガスケット４、及び集電体３とガスケット４が接する箇所が、接着部８である。
【００２３】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）は本発明による電気二重層コンデンサの積層セルの作製プロセスを示す断面図である。図２（ａ）に示すように、セパレータ２とガスケット４、及び集電体３とガスケット４を矢印で示すように、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、あらかじめ個別に加熱して接着させた後、図２（ｄ）に示すように、必要なセル数を積層したのち、図２（ｅ）に示すように、高い温度でガスケット４部分を加熱させることにより接着して一体化させる。セパレータ２と集電体３の寸法は、ガスケット４の外周より小さくなるように切断する。
【００２４】
それでは、本発明の具体例について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（例１）
図３は本発明の例１に使用する電気二重層コンデンサを示す断面図である。図３に示すように、電気二重層コンデンサ１０２において、分極性電極１は活性炭／カーボン複合材料であり、寸法は１２×２４×０．０２ｍｍである。
【００２６】
セパレータ２はポリテトラフルオロエチレン系繊維からなり、寸法は１４×２６×０．０２５ｍｍである。
【００２７】
集電体３は導電性オレフィン共重合体からなり、寸法は１６×２８×０．０２５ｍｍである。ガスケット４はエチレン−メタクリル酸共重合体樹脂からなり、外寸は１８×３０ｍｍ、内寸は１２×２４、厚さは０．０４ｍｍのものを１セル当り２枚使用しており、それぞれフレーム状に加工されている。なお、ガスケット４に使用される樹脂は構造により大幅に物性が異なるが、ここでは軟化点が６２℃、融点が８８℃の樹脂を用いた。
【００２８】
続いて、本発明の例１に係る電気二重層コンデンサの製造方法に関して説明する。集電体３及びセパレータ２上にガスケット４を熱圧着により貼り合わせたものを６枚作製した。平均粒径３μｍの非球状の粉末椰子殻活性炭、平均粒径４μｍの非球状カーボン、繊維径０．１〜０．２μｍの繊維状カーボン及びバインダの組成比７５：１０：１０：５の割合で形成される泥しょうを作製し、これをガスケット４の内側にあたるセパレータ２及び集電体３上に塗布、乾燥させ、分極性電極１を形成した。このようにして分極性電極１の塗布されたセパレータ２及び集電体３を各６枚作成した後、４０ｗｔ％硫酸水溶液を分極性電極１上に添加した。作製した硫酸添加済みシートを集電体３、セパレータ２の順に交互に、かつ集電体３とセパレータ２の間に分極性電極１が来るように重ねあわせ、最後に集電体３を重ねた。熱圧着により内部のガスケット４を溶融させて接着させた。この方法で６セル積層した積層セル１０４を５０個作製した。
【００２９】
厚さ０．１ｍｍの、錫メッキを施した銅製端子板５の片面に銀ペーストを塗布し、乾燥させて導電層６を形成した。用意した積層セル１０４の両側から、端子板５を導電層６と積層セルが接するように重ねあわせ、さらにその両外側から厚さ０．０８ｍｍのラミネートフィルム７を配置し、減圧下でラミネートフィルム同士の重なった部分を熱融着することで、端子板と積層セル１０４のラミネートフィルム封止体からなる電気二重層コンデンサ１０２を形成させた。
【００３０】
（例２）
例１において、分極性電極１内の椰子柄系活性炭の平均粒径を７，１０，１５，２０μｍに夫々設定して、その他は、例１と同様にしてサンプルを作製した。なお各条件に対して積層セル１０４を５０個作製した。
【００３１】
（例３）
例１において、分極性電極１内の塊状カーボンの最大粒径を６，１０，１５，２０μｍに設定して、その他は、例１と同様にしてサンプルを作製した。なお各条件に対して積層セル１０４を５０個作製した。
【００３２】
（例４）
例１において、ガスケット４としてエチレン−メタクリル酸共重合体の代わりに、軟化点が９０℃、融点が１１０℃の低密度ポリエチレン樹脂を用いた。その他は例１と同様にしてサンプルを作製した。なお各条件に対して積層セル１０４を５０個作製した。
【００３３】
（比較例）
図４は比較例に使用する電気二重層コンデンサを示す断面図である。図４を参照しながら、比較例に係る電気二重層コンデンサ１０３の製造方法に関して説明する。
【００３４】
例１において、分極性電極１内の椰子柄系活性炭、塊状カーボンの代わりに、平均粒径５μｍのフェノール系球状活性炭、平均粒径５μｍの球状カーボンをそれぞれ用いた。またガスケット４として、エチレン−メタクリル酸共重合体の代わりに、絶縁性であるブチルゴムを使用した。その他は、例１と同様にしてサンプルを作製した。なお各条件に対して積層セル１０５を５０個作製した。
【００３５】
以上のようにして、本発明の例１，２，３，４及び比較例の方法で作成した積層セルを用いた電気二重層コンデンサ１０２，及び１０３を夫々得た。
【００３６】
本発明の例１，２，３，４及び比較例の方法で作成した電気二重層コンデンサについて、まず作製した分極性電極１の膜厚をマイクロメータにて測定した。次にラミネートフィルム７で封止した後の製品の厚みをノギスにて測定した。さらにＥＳＲ及び静電容量を作製直後及び６０℃、５．４Ｖ（１セルあたり０．９Ｖ）、１０００時間の負荷を行い室温まで冷却した後のそれぞれについて測定した。なお併せて積層セル液漏れ率の調査も併せて行った。
【００３７】
ここで、ＥＳＲは、１ｋＨｚ，１０ｍＶｒｍｓの交流電圧を印加して、電流と位相差を測定することで求めることとした。また静電容量は１Ｈｚ，１０ｍＶｒｍｓの交流電圧を印加して、電流と位相差を測定することで求めることとした。
【００３８】
本発明の例１及び例２の方法により、分極性電極１内の椰子柄系活性炭の平均粒径を変化させて作製した積層セル１０４を用いた電気二重層コンデンサ１０２の、分極性電極１の膜厚、製品の厚み、電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量、及び積層セル液漏れ率を調査した結果を下記表１に示す。
【００３９】
本発明の例１及び例３の方法により、分極性電極１−内の塊状カーボンの平均粒径を変化させて作製した積層セルを用いた電気二重層コンデンサ１０２の、分極性電極１の膜厚、製品の厚み、電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量、及び積層セル液漏れ率を調査した結果を下記表２に示す。
【００４０】
本発明の例１及び４の方法により、分極性電極１内のガスケット４の種類を変化させて作製した積層セルを用いた電気二重層コンデンサ１０２の、分極性電極１の膜厚、製品の厚み、電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量、及び積層セル液漏れ率を調査した結果を下記表３に示す。
【００４１】
本発明の例１及び比較例の方法により、分極性電極１内の活性炭の種類、及びガスケットの種類を変化させて作製した積層セルを用いた電気二重層コンデンサの、分極性電極の膜厚、製品の厚み、電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量、及び積層セル液漏れ率を調査した結果を下記表４に示す。
【００４２】
下記表１より、本発明の例１及び例２の分極性電極膜厚を比べると、活性炭の平均粒径が減少するにつれ、膜厚が小さい傾向を示している。これに伴い、製品厚みも同様に活性炭の平均粒径が減少するにつれ、小さい傾向にある。活性炭の平均粒径が減少すると膜厚も減少するのは、平均粒径が減少すると粉末間における空隙が減少し、活性炭が充填しやすくなるためと考えられる。
【００４３】
また、ＥＳＲに関しても、活性炭の平均粒径の減少に伴い減少傾向にある。これは膜厚の減少、及び粉末が充填されやすく分極性電極部分の比抵抗が減少しているためと考えられる。
【００４４】
一方、静電容量に関しては、活性炭の平均粒径の減少に伴い減少傾向にあるものの、分極性電極の厚み減少の割合と比べると、度合いは小さくなっている。この原因は分極性電極膜厚減少の場合と同じで、活性炭が充填されやすくなり分極性電極の密度が上昇した為と考えられる。
【００４５】
以上のことから、活性炭の平均粒径を減少させることに伴い、製品厚み及びＥＳＲ減少が確認されたが、これらの効果は平均粒径１０μｍ以下の範囲に設定すればその効果は大きい。
【００４６】
【表１】
2005109293.tif 000003
【００４７】
下記表２より、本発明の例１及び例３の分極性電極膜厚を比べると、カーボンの平均粒径が減少するにつれ、膜厚が小さい傾向を示している。これに伴い、製品厚みも同様に活性炭の平均粒径が減少するにつれ、小さい傾向にある。カーボンの平均粒径が減少すると膜厚も減少するのは、活性炭の場合と同様、平均粒径が減少すると粉末間における空隙が減少し、活性炭が充填しやすくなるためと考えられる。ただし、カーボンの場合は組成比が小さい為、膜厚への寄与の割合は小さくなっているものと考えられる。
【００４８】
ＥＳＲに関しても、カーボンの平均粒径の減少に伴い減少傾向にある。これはカーボンの微細化に伴い粉末が充填されやすく、導電性が確保され分極性電極１部分の比抵抗が減少しているためと考えられる。
【００４９】
一方、静電容量に関しては、活性炭の平均粒径の減少はわずかである。これは活性炭の場合と同様、カーボンが充填されやすくなり分極性電極１の密度が上昇した為と考えられる。
【００５０】
以上のことから、カーボンの平均粒径を減少させることに伴い、製品厚み及びＥＳＲ減少が確認されたが、これらの効果は平均粒径１０μｍ以下の範囲に設定すればその効果は大きい。
【００５１】
【表２】
2005109293.tif 000004
【００５２】
下記表３より、本発明の例１と例４のＥＳＲ及び静電容量を比較すると、例１では変化は小さいのに対し、比較例では電圧負荷後でＥＳＲ上昇及び静電容量低下がみられる。またセル液漏れ発生率を比較すると、例１より例４の方が多い。例４では外装フィルムの膨れがみられ、また比較例の積層セルを両面から圧力をかけると、ガスケット４である低密度ポリエチレン樹脂の間から液漏れが生じることから、ガスケット４同士の接着が不十分である為と考えられる。例４のガスケットである低密度ポリエチレンは熱可塑性を有するという点ではエチレン−メタクリル酸共重合体樹脂と共通であるものの、分子内に極性官能基が存在しない為、熱接着性が劣る為と考えられる。
【００５３】
【表３】
2005109293.tif 000005
【００５４】
下記表４より、本発明の例１と比較例の電圧負荷前のＥＳＲを比べると、分極性電極の膜厚は例１の方が減少している。電極膜厚に差が生じた要因として、比較例で採用している球状活性炭と球状カーボンの接触が不十分である為と考えられる。
【００５５】
また、電圧負荷前のＥＳＲは、例１の方が減少している。電圧負荷前のＥＳＲの違いは、活性炭とカーボン間の接触面積の差による導電率の違いによるものと考えられる。静電容量に関しては比較例の方が逆に大きくなっているが、これは球状活性炭の方がより充填密度が大きい為と考えられる。
【００５６】
一方、圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量を比較すると、例１では変化は小さいのに対し、比較例では電圧負荷後でＥＳＲ上昇及び静電容量低下がみられる。またセル液漏れ発生率を比較すると、本発明の例１より比較例の方が多い。比較例では外装フィルムの膨れがみられ、また比較例の積層セルを両面から圧力をかけるとガスケット４であるブチルゴムの間から液漏れが生じることから、ガスケット４同士の接着が不十分である為と考えられる。
【００５７】
【表４】
2005109293.tif 000006
【００５８】
以上の結果より、本発明を実施することにより、電気二重層コンデンサの薄型化を実現でき、また電圧負荷前後におけるＥＳＲ、セル液漏れ率不良率においても良好な結果が得られた。
【００５９】
なお、本発明では、分極性電極１内に繊維状カーボンを混合しているが、これはコンデンサの内部抵抗を低減させる為に含有させている為であり、同等の内部抵抗を実現できる材料で代替することも出来る。
【００６０】
また、セパレータ２としてはポリテトラフルオロエチレン系フィルムを用いているが、ポリオレフィン系フィルム、ガラス繊維及びアクリル繊維等を用いても同様の効果が得られる。
【００６１】
また、集電体３としては導電性オレフィン共重合体を用いているが、同等の内部抵抗を実現できる材料であればこれに限定されるものではない。
【００６２】
また、ガスケット４としてはエチレン‐メタクリル酸共重合体樹脂を用いているが、分子中に極性を有する官能基を含有する材料であればこれに限定されるものではない。
【００６３】
また、端子板５としては錫メッキを施した銅製端子板と記述しているが、同等の抵抗及びＥＳＲ安定性を有する材料であればこれに限定されるものではない。
【００６４】
また、導電層６は銀ペーストを乾燥させた固形物からなるが、同等の内部抵抗を実現できればこれに限定されるものではない。
【００６５】
更に、ラミネートフィルム７として厚さ０．０８ｍｍと記述しているが、同等の内部抵抗を実現できればこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る電気二重層コンデンサは、メモリー等のバックアップは勿論、大電流を供給することができる移動式通信装置用電源、パーソナルコンピュータのＣＰＵ用電源、各種通信機器の電源等のエネルギー源に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による電気二重層コンデンサの断面図である。
【図２】本発明による電気二重層コンデンサの積層セル作製プロセスを示す断面図である。
【図３】本発明の例及び比較例において作製した６セル積層の電気二重層コンデンサの断面図である。
【図４】比較例１による電気二重層コンデンサの断面図である。
【図５】電気二重層コンデンサの基本セル構造を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１、９    分極性電極
２、１０    セパレータ
３、１１    集電体
４、１２    ガスケット
５、１３    端子板
６    導電層
７    ラミネートフィルム
８    接着部
１００，１０１，１０２，１０３    電気二重層コンデンサ
１０４，１０５    積層セル
【図１】
2005109293.tif 000007
【図２】
2005109293.tif 000008
【図３】
2005109293.tif 000009
【図４】
2005109293.tif 000010
【図５】
2005109293.tif 000011