(57)【要約】【課題】電解液の漏れや外部からの水分侵入を防ぐ電気二重層キャパシタ及び電解質電池を提供する。【解決手段】電気二重層キャパシタは、電解液が含浸された一対の分極性電極20、21をセパレータ6を介して対向配備したセル2を具え、各分極性電極20、21には集電電極3、30が取り付けられ、セル2の周部は合成樹脂製の封止部材4にて塞がれている。集電電極3、30は封止部材4に密に接しながら該封止部材4を貫通して、封止部材4の外側に延び、集電電極3、30上にて、封止部材4を貫通する箇所には、金属メッキ層5が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液が含浸された一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、各分極性電極(20)(21)には集電電極(３)(30)が取り付けられ、セル(２)の周部は合成樹脂製の封止部材(４)にて塞がれた電気二重層キャパシタに於いて、
集電電極(３)(30)は組成の異なる結晶粒からなる合金からなり、且つ該集電電極(３)(30)は封止部材(４)に密に接しながら該封止部材(４)を貫通して、封止部材(４)の外側に延び、
集電電極(３)(30)上にて、封止部材(４)を貫通する箇所には、単一の組成の結晶粒からなる金属メッキ層(５)が形成されたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
合金は鉄を含む請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
金属メッキ層(５)は、集電電極(３)(30)上にて粗面化処理が施された粗面部(32)上に形成された請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
封止部材(４)はイオウを含む合成樹脂から形成された請求項１又は２に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項５】
金属メッキ層(５)はニッケルから形成された請求項１乃至３に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項６】
粗面部(32)は封止部材(４)内にて折曲されて段部を形成した請求項２乃至４に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項７】
電解液が含浸された一対の活物質体をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、各活物質体には集電電極(３)(30)が取り付けられ、セル(２)の周部は合成樹脂製の封止部材(４)にて塞がれた電解質電池に於いて、
集電電極(３)(30)は組成の異なる結晶粒からなる合金からなり、且つ該集電電極(３)(30)は封止部材(４)に密に接しながら該封止部材(４)を貫通して、封止部材(４)の外側に延び、
集電電極(３)(30)上にて、封止部材(４)を貫通する箇所には、単一の組成の結晶粒からなる金属メッキ層(５)が形成されたことを特徴とする電解質電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ及び電解質電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電特性に優れたデバイスとして、電気二重層キャパシタがある。
図６は、従来の電気二重層キャパシタ(１)を構成するセル(２)の断面図である(例えば、特許文献１参照)。これは、一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を挟んで重ね、各分極性電極(20)(21)の外側に金属製の集電電極(３)(30)を取り付けている。分極性電極(20)(21)は、粉末状又は繊維状の活性炭にポリピロール等の導電性高分子化合物を加えて、結合材にて固め、加圧成形して構成される。分極性電極(20)(21)内には、硫酸等の電解液が含浸されている。尚、電解液には硫酸のような水系のみならず、後記する非水系のものも用いられる。
分極性電極(20)(21)の周部は、合成樹脂製で絶縁性の封止部材(４)にて塞がれ、該封止部材(４)により、電解液がセル(２)の外側に漏れることを防いでいる。セル(２)は、通常は横並びに１つ以上配列されて、電気二重層キャパシタ(１)を構成する。
充電時には、一方の集電電極(３)を電源の正側、他方の集電電極(30)を電源の負側に接続して、直流電圧を印加する。正側の集電電極(３)に接した分極性電極(20)には負イオンが、負側の集電電極(30)に接した分極性電極(21)には正イオンが夫々引きつけられ、各分極性電極(３)(30)に電気二重層が形成される。
放電時には、集電電極(３)(30)を電気的に接続する。各分極性電極(20)(21)に蓄積された電荷が放出される。
前記集電電極としては、導電性、機械的強度に優れ安価な、鉄、銅、ニッケル又はクロム等を含む合金が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５１８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
合金からなる集電電極(３)(30)と樹脂からなる封止部材(４)とは、集電電極(３)の表面の自然酸化膜に含まれる酸素と前記樹脂とが化学結合することにより密着する。
ところが組成の異なる結晶粒からなる合金は表面酸化状態にバラツキがある。そのため、分極性電極(20)(21)に含浸された電解液が、集電電極(３)(30)と封止部材(４)との密着力が弱い部分から漏れ出し、又はセル(２)の外部の水分が封止部材(４)の内部に侵入する虞れがある。
特に、非水系の電解液の場合、外部からの水分の浸入により、セル(２)内において電気分解が発生して、電気二重層キャパシタとしての性能低下に繋がる。
本発明の目的は、電解液の漏れや外部からの水分浸入を防ぐ電気二重層キャパシタ及び電解質電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電解液が含浸された一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、各分極性電極(20)(21)には集電電極(３)(30)が取り付けられ、セル(２)の周部は合成樹脂製の封止部材(４)にて塞がれた電気二重層キャパシタに於いて、
集電電極(３)(30)は封止部材(４)に密に接しながら該封止部材(４)を貫通して、封止部材(４)の外側に延び、
集電電極(３)(30)上にて、封止部材(４)を貫通する箇所には、金属メッキ層(５)が形成されている。
【発明の効果】
【０００６】
集電電極(３)(30)上に単一の組成の結晶粒からなる金属メッキ層(５)を形成することにより、該金属メッキ層(５)の表面に均一な厚みの自然酸化膜がされる。これにより、密着力が安定することができ電解液の漏れや外部からの水分浸入を効果的に防ぐことができる。
また、集電電極(３)(30)上に金属メッキ層(５)を形成することにより、金属粒子が集電電極(３)(30)上に多く付着し、表面粗さは粗くなり、第１半体(40)との接触面積が増える。これにより封止部材(４)と集電電極(３)(30)との密着性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
水系及び非水系電気二重層キャパシタ
図１は、本例に係わる電気二重層キャパシタ(１)の断面図である。セル(２)は従来と同様に、一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を挟んで重ね、各分極性電極(20)(21)の外側に合金として鉄、クロム、ニッケルを含むステンレスからなる集電電極(３)(30)を取り付けて構成される。以下の説明では、上側の分極性電極(21)を負極、下側の分極性電極(20)を正極とする。
封止部材(４)は、中央部に凹み(42)を形成した第１半体(40)及ぶ第２半体(41)を上下に配備して構成され、互いの凹み(42)(42)の開口を合わせている。両凹み(42)(42)内に、分極性電極(20)(21)とセパレータ(６)が配備される。第１半体(40)及ぶ第２半体(41)は絶縁性の合成樹脂から形成され、絶縁性樹脂としては、後記の理由からポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ、Ｃ6Ｈ5Ｓ)のような成分にイオウを含む樹脂を用いている。
また、分極性電極(20)(21)に含浸される電解液には、硫酸、水酸化カリウム溶液等の水系電解液の他に、トリ−エチル−メチル−アンモニウム−テトラ−フルオロ−ボレイド(Ｅｔ3ＭｅＮＢＦ4)やテトラ−エチル−アンモニウム−テトラ−フルオロ−ボレイド(Ｅｔ4ＮＢＦ4)等の電解質を非プロトン性有機溶媒に溶かした非水系の電解液が使用される。非プロトン性有機溶媒として、カーボネート、ラクトン、ニトリル、アミド、ニトロアルカン、スルホン、スルホキシド、ホスフェード、ジニトリル、又は、エーテルニトリルのような二官能性溶媒が使用される。
更に、セパレータ(６)には、ガラス繊維不織布、パルプの抄紙、ポリ四フッ化エチレン(ＰＴＦＥ)等の絶縁性樹脂で形成されたフィルム等が用いられる。
【０００８】
負極である集電電極(３)は、分極性電極(20)(21)に接した水平部(31)と、該水平部(31)に繋がり第１半体(40)を貫通する粗面部(32)と、該粗面部(32)から第１半体(40)及び第２半体(41)に沿って折曲された露出部(33)を具える。粗面部(32)は第１半体(40)に密に接する。
正極である集電電極(30)は、負極の集電電極(３)と同様に、水平部(31)と、該水平部(31)に繋がり第２半体(41)を貫通する粗面部(32)と、露出部(33)を具える。粗面部(32)には、粗面化処理が施されており、中心線平均粗さが０.３μｍ以上である。粗面化処理は、エッチング、サンドブラスト、ローレット目、サンドペーパ等により形成できる。
【０００９】
図２(a)は、負極である集電電極(３)上の粗面部(32)の拡大図である。粗面部(32)上には、単一の組成の結晶粒からなるニッケルから成る金属メッキ層(５)が形成されている。粗面部(32)上に、金属メッキ層(５)を形成することにより、金属粒子が粗面部(32)上に多く付着し、表面粗さは更に粗くなり、第１半体(40)との接触面積が増える。これにより、第１半体(40)と集電電極(３)との密着性を高めることができ、電解液の漏れや外部からの水分侵入を効果的に防ぐことができる。尚、正極である集電電極(30)の粗面部(32)上にも同様に、金属メッキ層(５)が形成されている。
また、金属メッキ層(５)を形成することにより、該金属メッキ層(５)上に単一金属からなる均一な厚みの自然酸化層が形成される。即ち、図２(b)に示すように、金属メッキ層(５)を形成しないと、粗面部(32)の表面にはステンレス中に含まれるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉが露出してしまう。
ステンレスに含まれる鉄とニッケルを例にとって具体的に説明する。図２(ｂ)に示すように鉄とニッケルの合金内では鉄の含有量が多い鉄―ニッケル合金(Fe-rich型)と鉄の含有量が少ない鉄―ニッケル合金(Fe-poor型)がそれぞれ存在する。ところが、前記Fe-rich型とFe-poor型では酸化し易さが異なる。そのため、前記Fe-rich型とFe-poor型の接合部の前記樹脂との接合面において、密着力が低い部分が発生する。従って、単一組成の結晶粒からなる金属メッキ層(５)を形成することにより、均一な厚みの自然酸化膜され、密着力を安定することができる。
また、前記ステンレスに含まれる鉄の酸化層は非常に脆く、ひび割れ、欠落等が起こり液漏れ原因になる。そのため、金属メッキ層(５)を設けることにより鉄の酸化を防止し、電解液の漏れや外部からの水分の浸入を防ぐことができる。
【００１０】
出願人は、第１半体(40)及び第２半体(41)を種々の合成樹脂から形成して、ＰＰＳを用いた第１半体(40)及び第２半体(41)が、最も集電電極(３)(30)との密着性が高いことを見いだした。これは、ＰＰＳに含まれるイオウが金属メッキ層(５)の自然酸化により、該金属メッキ層(５)上に僅かに存在する酸素と反応して、第１、第２半体(40)(41)と集電電極(３)(30)との密着性を高めているものと考えられる。これによっても、電解液の漏れや外部からの水分侵入を効果的に防ぐことができる。また、第１半体(40)及ぶ第２半体(41)をＰＰＳから形成することによって耐熱性も向上する。
金属メッキ層(５)をニッケル以外の金属から形成することも考えられるが、ニッケルは銅等の他の金属に比して酸化し難く、集電電極(３)(30)としての抵抗が大きくなることを防ぐ効果もある。
【００１１】
電気二重層キャパシタの製造方法
上記電気二重層キャパシタ(１)のセル(２)は、図３に示す如く、構成される。負極となる集電電極(３)上にインサート成形により、第１半体(40)を形成する。第１半体(40)の凹み(図示せず)は開口を下に向けている。同様にして、正極となる集電電極(30)上にインサート成形により、第２半体(41)を形成し、該第２半体(41)の凹み(42)は開口を上に向けている。
両半体(40)(41)の凹み(42)内に、セパレータ(６)を挟んで、一対の分極性電極(20)(21)を配備する。セパレータ(６)及び分極性電極(20)(21)には予め電解液が真空充填により含浸されている。両半体(40)(41)を突き合わせた後に、両半体(40)(41)の周縁部を超音波溶着等により接合する。その後、集電電極(３)(30)の露出部(33)を両半体(40)(41)の周面に沿って下向きに曲げて、図１に示す電気二重層キャパシタ(１)が完成する。
【００１２】
電解液の漏れ及びセル(２)の外部からの水分が侵入することを効果的に防止すべく、図４に示す構成も考えられる。これは、粗面部(32)を第１半体(40)及び第２半体(41)内にて、２段に折曲している。
該粗面部(32)を２段に折曲することにより、図１に示すように、粗面部(32)が直線の場合に比べて長い。このため、封止部材(４)の外部からセル(２)内に達する水分の経路は長くなり、電解液の漏れや外部からの水分の侵入を、さらに阻止することができる。また、粗面部(32)に折り曲げ加工を施すことにより、集電電極(３)(30)を封止部材(４)の外面に沿って折曲する際に、集電電極(３)(30)が第１半体(40)及び第２半体(41)内にて動くことが阻止される。これにより、電気二重層キャパシタ(１)の性能を安定化させ、歩留りの向上を図ることができる。
【００１３】
電解質電池
該電気二重層キャパシタ(１)は充放電特性に優れており、水系又は非水系電解質電池にも応用できる。
電解質電池は、上記電気二重層キャパシタとは、一部の材料が異なるだけで、構造、製造方法は実質的に同じである。
非水系電解質電池の場合、上記電気二重層キャパシタの分極性電極は、正活物質体、負活物質体に置き換わる。正活物質体としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム等の粉末を加圧成形又は焼結したものがあり、負活物質体として、グラファイト系炭素材料やコークス系炭素材料の粉末を加圧成形又は焼結したものがある。
また、電解液には、リチウム塩を溶解させた有機溶媒が使用される。リチウム塩として、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、Ｌｉ(ＣＦ3Ｏ2)2Ｎ、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3を例示でき、有機溶媒としてプロピレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、又はこれら何れかと鎖状炭酸エステルとの混合液がある。鎖状炭酸エステルとして、ジメチルカーボネート(ＤＭＣ、ＤＥＣ)、エチルメチルカーボネート(ＥＭＣ)がある。
セパレータには、ポリオフィレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。
【００１４】
リチウムイオン電池のような水系電解質電池の場合は、正活物質体としてニッケル酸化物の粉末又はペレットを焼結又は圧縮成形したものがあり、負活物質体として、Ｍｍ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌ(Ｍｍは希土類元素の混合物)系の水素吸蔵合金粉末又はペレットを焼結又は圧縮成形したものがある。
また、電解液には、水酸化カリウム溶液又は高分子ヒドロゲル電解質溶液が使用される。セパレータには、スルホン化ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。
【００１５】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
電気二重層キャパシタ及び電解質電池は、一般に直方体又は扁平円形である。しかし、扁平円形の場合は、図５に斜線で示すように、回路基板(７)に実装したときに、デッドスペース(70)が生じるので、回路基板(７)上の面積を有効に用いるには、直方体の形状が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電気二重層キャパシタの断面図である。
【図２】(a)、(b)は、集電電極上の粗面部の拡大図である。
【図３】電気二重層キャパシタの製造工程を示す分解斜視図である。
【図４】他の電気二重層キャパシタの断面図である。
【図５】扁平円形の電気二重層キャパシタを示す平面図である。
【図６】従来の電気二重層キャパシタの断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
(１)  電気二重層キャパシタ
(２)  セル
(３)  集電電極
(４)  封止部材
(５)  金属メッキ層
(20)  分極性電極
(21)  分極性電極
(30)  集電電極
(32)  粗面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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