(57)【要約】本発明は、電気化学的な構成素子のための、複数の繊維（１）を有する層電極（６）に関する。前記繊維はすべて、少なくとも部分的に引き出し方向に隣接して延在しており、付着によって相互に結合されている。繊維（１）相互の付着は、鉤状突起を有する針を層電極（６）に貫通させるか、または縫合によって形成される。本発明による層電極（６）は、層電極を薄くかつ低コストで製造できるという利点を有する。さらに本発明では、本発明による層電極（６）を有するキャパシタが提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的な構成素子のための層電極において、
多数の繊維（１）を有し、
前記繊維（１）はすべて、少なくとも部分的に引き出し方向に相互に隣接して延在し、
前記繊維（１）は付着によって相互に結合されており、
引き出し方向からずれて延在する繊維の一部（２）は相互に掛合されているか、または、繊維（１）は縫糸（３）によって相互に縫合されているか、または、該層電極にはまばらに、繊維（１）間を付着するための材料（４）が挿入されており、
前記材料（４）は金属であることを特徴とする層電極。
【請求項２】
該層電極の層の厚さ（ｄ）は、５〜５００μｍの間である、請求項１記載の層電極。
【請求項３】
複数の繊維（１）が紡糸（５）になるように撚り合わされている、請求項１または２記載の層電極。
【請求項４】
前記材料（４）はまばらに、該層電極の表面上に取り付けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項５】
前記材料（４）は、電気化学的二重層キャパシタで使用される電解質に対して不活性である、請求項１から４までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項６】
前記材料（４）は炭素元素を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項７】
前記材料（４）は、フレーム溶射またはアーク溶射によって取り付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項８】
前記材料（４）は蒸着によって取り付けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項９】
前記繊維（１）は、Ｃ６-環を含むプラスチックから製造されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項１０】
前記繊維（１）は熱分解されている、請求項９記載の層電極。
【請求項１１】
前記繊維（１）の表面は、エッチング過程によって粗面仕上げされている、請求項１０記載の層電極。
【請求項１２】
前記繊維（１）の太さ（Ｄ）は、５〜５０μｍの間である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の層電極。
【請求項１３】
キャパシタ捲回体を有するキャパシタにおいて、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の層電極（６）が２つ含まれており、
前記層電極（６）には、イオンを含有する液体が含浸されており、
前記層電極（６）間には、液体のイオンに対して透過性である絶縁性の分離層（７）が配置されており、
各層電極（６）は接触層（８）に接続されていることを特徴とするキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的二重層キャパシタのための、多数の繊維を有する層電極に関する。さらに本発明は、前記層電極を有するキャパシタに関する。
【０００２】
ＥＰ０７８６１４２Ｂ１からは、電極が布状の活性炭素である電気化学的二重層キャパシタが公知である。この公知の炭素布は、横方向に相互に織り込まれた繊維から成る。この炭素布の織成は高価なプロセスであるため、このような炭素布の製造は面倒である。
【０００３】
さらにこの公知の炭素布は、２５０μｍ〜６００μｍの間の比較的大きな厚みを有するという欠点を有する。それゆえ、キャパシタ容量が固定的である場合、少数の電極層しかキャパシタ容量に取り付けることができない。電極層のこのような数によって、炭素布をＡｌリードに接触接続するために使用できる面積が小さくなり、公知のキャパシタのオーム抵抗が比較的高くなってしまう。
【０００４】
さらに、相互に織り込まれた繊維から炭素布を製造するのは、織成時に生じる空洞のため、炭素の厚さが比較的小さくなるという欠点を有する。このことによって、炭素布から製造されたキャパシタの容量に関連するキャパシタンスが比較的小さくなってしまう。
【０００５】
したがって本発明の目的は、層の厚みが小さく、かつ低コストで製造できる層電極を、電気化学的な構成素子のために提供することである。
【０００６】
この目的は本発明によれば、請求項１記載の層電極によって達成される。本発明の有利な構成、および本発明による層電極を有するコンデンサは、後続の請求項に記載されている。
【０００７】
本発明では、電気化学的な構成素子のための以下のような層電極が提供される。すなわち、すべてが少なくとも部分的に引き出し方向に相互に隣接して延在している多数の繊維を有する層電極が提供される。前記繊維は、付着することによって相互に結合されている。
【０００８】
本発明による層電極は、唯一の引き出し方向に相互に隣接して延在する繊維によって、炭素繊維または炭素糸の織成を省略することができるという利点を有する。このことによって、本発明による層電極を低コストで製造できる。さらに、繊維は付着することによって相互に結合されているので、層電極のエレメントの結合を形成するために、繊維の積層および繊維を相互に織り込むことの必要性がなくなる。このことによって、層電極の層の厚さを格段に減少させることができる。すなわち、１０〜５００μｍの間の層の厚さを実現することができる。
【０００９】
とりわけ繊維は、ロープ（英語の「トウ（tow）」としても公知である）として存在する活性炭素繊維とすることができる。
【００１０】
層の厚さが減少すれば、所定のキャパシタ容量でキャパシタに取り付けることができる層電極の数が増加する。層電極を接触接続するために使用できる面積は、層の厚さの面積によってすでに決まっており、キャパシタの接触抵抗全体は、各個別の層電極を表す個々の接触抵抗の並列回路とすることができるので、層電極の数が増加すれば接触抵抗が減少し、ひいてはキャパシタの抵抗損失が減少する。
【００１１】
繊維相互の付着は、鉤状突起を有する針を繊維のロープに、繊維方向に対して横方向に貫通させることによって形成される。このような針を再び引き抜くと、繊維の幾つかの一部が引き出し方向からずれ、相互に掛合される。このことにより、層電極内部の機械的な結合が形成される。ただし、引き出し方向からずれている繊維の一部を有する繊維の割合は、最大で２０％である。したがってこの繊維ロープは、個々の繊維が引き出し方向を有さないフリースとは明らかに異なっている。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、複数の繊維が相互に撚り合わされ、紡糸を形成する。本発明のこの実施形態は、引き出し方向に対して横方向の機械的な結合が、撚られていない繊維と比較して改善されているという利点を有する。
【００１３】
さらに、本発明による層電極の構成は、相互に織り込まれた繊維に対して材料の厚さを向上させることができる。こうすることにより、層電極によって製造された電気化学的二重層キャパシタのキャパシタンスを向上することができる。
【００１４】
繊維を相互に撚って紡糸を形成する場合でも、紡糸相互の結合ひいては紡糸を形成する繊維相互の結合を、引き出し方向からずれて延在する、相互に掛合された繊維の一部によって実現することができる。
【００１５】
層電極の機械的な結合を形成する別の手段は、繊維を繊維方向に対して横方向に、縫糸によって相互に縫合することである。繊維として有利にはプラスチックが使用され、このプラスチックは熱分解（炭化としても知られる）し、続いて表面を活性化することにより、炭素繊維に変換される。縫糸による繊維の縫成は、プラスチック原料を熱分解し活性化する前に行うか、または活性化後に初めて行うことができる。縫糸のための材料としては、電気化学的な構成素子の電気的特性を劣化させないすべての材料が適している。該電気化学的な構成素子が電気化学的二重層キャパシタである場合は、たとえば縫糸としてポリプロピレン、ポリエチレンまたはテフロンが考えられる。
【００１６】
層電極の層の厚さを不必要に増加させないため、有利には１０μｍ〜５０μｍの間の太さを有する縫糸が使用される。この縫糸は、単一の繊維または紡糸から形成される。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、層電極中の繊維の結合は、層電極の表面上にまばらに、繊維間を付着するための材料を取り付けることによって向上される。また、繊維間を付着するための材料を、まばらに層電極内に挿入することもできる。
【００１８】
こうするためには、電気化学的な構成素子の電気的特性を劣化させないすべての材料が適している。電気化学的二重層キャパシタの場合はとりわけ、電気化学的二重層キャパシタで使用される電解質に対して不活性な材料が適している。したがって、層電極を安定化するために例えば、材料として炭素を層電極内に挿入するか、または炭素を層電極の表面に気相分離によって取り付けることが考えられる。気相分離によって別の材料、とりわけアルミニウムまたは銅等の金属を層電極の表面または内部に取り付けることもできる。
【００１９】
さらに、層電極中の繊維の結合をポリマー添加物によって、形成ないしは製造することができる。可能なポリマー添加物は、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ二フッ化ビニルおよびテトラフルオロポリエチレンである。このようなポリマー添加物は有利には、炭素含有量に関連して２〜２０％の間の質量割合で添加される。
【００２０】
繊維間を付着するための材料である材料を使用することは、同時に層電極を接触接続するために使用することができるという利点を有する。
【００２１】
たとえばアルミニウムまたは銅等の金属は、フレーム溶射、アーク溶射または蒸着によって、層電極の表面または内部に取り付けることもできる。軟化された金属から成る薄膜に層電極を押し込むことも考えられる。この軟化された金属は、電気加熱、対流熱、照射熱または誘電熱によって、ないしは密着した加熱面または加熱ロールを使用して加熱される。これらの手段では、層電極ないしは層電極の繊維に、引き出し方向に引張応力を加えると有利である。こうすることにより、繊維が金属に挿入される間、繊維を実質的に平行に方向付けできることが保証される。
【００２２】
繊維のための原料として、特に有利には、Ｃ６-環を含むプラスチックが使用される。このようなプラスチックは真空状態で、ないしは酸素含有量が少ない雰囲気で加熱することにより熱分解され、ほぼ完全に炭素に変換される。この過程は炭化としても知られている。繊維を炭化した後、繊維の表面がエッチング過程によって活性化される。このエッチングは、たとえばＣＯ２またはＨ２Ｏによるガス処理によって、化学的または電気化学的に行うことができる。繊維の活性化によって、繊維の表面が格段に拡大される。したがって、１００ｍ２／ｇの固有表面積から３０００ｍ２／ｇの固有表面積を形成することができる。
【００２３】
たとえば繊維の原料として、フェノールアルデヒド繊維、セルロース繊維、ピッチ、ポリビニルアルコールおよびその誘導体、またはポリアクリロニトリルが使用される。
【００２４】
さらに有利には、５〜５０μｍの間の太さを有する繊維を使用する。というのも、このような繊維によって、５〜５００μｍの間の厚さを有する薄い層電極をより簡単に製造することができるからである。非常に細い繊維を使用する場合、層電極を形成するため、場合によっては複数の繊維を相互に積層して使用する。複数の繊維を相互に積層して使用すると、こうすることによって得られる層電極は、機械的な安定性が向上されるという利点を有する。しかし、それに対して、層電極を単一の繊維層のみから形成することも可能である。こうすることにより、所定の繊維強度で可能な限り薄い層電極を形成することができる。
【００２５】
本発明ではさらに、本発明による２つの層電極を有するキャパシタ捲回体を含む電気化学的コンデンサが提供される。層電極にはイオンを含有する液体が含浸されており、分離層（セパレータ）によって相互に分離されている。分離層は層電極を電気的に相互に絶縁し、液体のイオンに対して透過性である。各層電極はそれぞれ接触層に接続されており、この接触層により、キャパシタの外部接続端子を介して層電極が電気的に接触接続される。ここではキャパシタ捲回体は、とりわけ層スタックとして、積層された電極層対によって構成される。接触層は接続ラグを有し、この接続ラグは層スタックの片面に層スタックから引き出され、キャパシタの外部接続端子に接触接続されている。
【００２６】
以下で本発明を、実施例および所属の図面に基づいて、より詳細に説明する。
【００２７】
図１  本発明による層電極の一例を斜視図で示している。
【００２８】
図２  層電極を機械的に安定化する第１の実施形態を、平面図で例として示している。
【００２９】
図３  層電極を機械的に安定化する別の実施形態を、概略的な断面図で例として示している。
【００３０】
図４  繊維間を付着するための材料が表面に取り付けられている本発明の層電極を、概略的な断面図で示している。
【００３１】
図５  キャパシタのキャパシタ捲回体を、概略的な断面図で例として示している。
【００３２】
図１は、引き出し方向に延在する繊維１を有する本発明の層電極を示している。この引き出し方向は、矢印によって示されている。ここでは各繊維１は、隣接する繊維１と直接接触しており、このことは材料の厚さに対して特に有利である。
【００３３】
図２は繊維１間の結合を示している。ここでは、引き出し方向からずれて延在する繊維の一部２が相互に掛合され、この繊維の一部２によって繊維間の結合が形成される様子が示されている。この繊維１は、紡糸５になるように撚り合わされている。
【００３４】
図３は厚さＤの繊維１を示している。これらの繊維は唯一の位置で隣接しており、縫糸３によって相互に縫合されている。縫糸３は繊維１より格段に細いので、繊維１を縫合しても、層電極の層の厚さが著しく増加することはない。この繊維間の間隔は、この縫合を説明するために拡大して示されていることに留意されたい。
【００３５】
図４は層電極６を示している。この層電極６は、図１に示された隣接する繊維１のロープから、アルミニウム金属をまばらに表面上に蒸着させることにより形成される。このアルミニウム金属は、繊維１間を付着するための材料４を形成する。この蒸着はまばらにしか行ってはいけない。というのも、そうでなければ、占有されずに活性化された繊維の表面積が小さすぎることになってしまうからである。層電極６の層の厚さｄは、図４によれば例えば５０μｍである。ここでは、１０μｍの太さを有する繊維１が使用されている。
【００３６】
図５は、層電極６を有する電気化学的二重層キャパシタの層捲回体の一部を示している。層電極６は、分離層７によって相互に分離されている。この層電極６には電解質が含浸されている。絶縁性の分離層７は、イオンを含有する電解質のイオンに対して透過性である。接触層８によって、とりわけ層電極６を突き出た接触層６の接触ラグ９によって、電極層６を全体的に電気的に接触接続することができる。
【００３７】
本発明は図示された実施例にのみ限定されることはなく、一般的な形態で請求項１によって定義されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による層電極の一例を斜視図で示している。
【００３９】
【図２】層電極を機械的に安定化する第１の実施形態を、平面図で例として示している。
【００４０】
【図３】層電極を機械的に安定化する別の実施形態を、概略的な断面図で例として示している。
【００４１】
【図４】繊維間を付着するための材料が表面に取り付けられている本発明の層電極を、概略的な断面図で示している。
【００４２】
【図５】キャパシタの捲回体を、概略的な断面図で例として示している。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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