(57)【要約】【課題】  セパレータと封止用絶縁部材との固定を確実に行い、小型化を実現した電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  セパレータ１２の外周端部の少なくとも一部には、封止用絶縁ゴム１３と固定される固定部１２ａを有する。【選択図】図１
2013105757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水性を有し電解液を含浸させたシート状のセパレータと、
前記セパレータを介して対向配置され、前記電解液を含浸させた一対の分極性電極と、
シート状で、前記分極性電極の外表面に当接して配置された一対の集電体と、
前記分極性電極の周囲を囲み、前記セパレータの外周端部を挟持し、前記集電体とともに前記電解液を封止する枠状の封止用絶縁部材と、
を備えた基本セルを有し、
前記基本セルが前記分極性電極の対向方向に単数または複数積層されてなるキャパシタ素子を構成し、前記キャパシタ素子が外装材にて外装された電気二重層キャパシタであって、
前記セパレータの外周端部の少なくとも一部には、前記封止用絶縁部材と固定される固定部を有することを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記固定部は、親水性が除去されて形成され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】
前記固定部は、少なくとも一つの貫通孔であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
シート状の集電体と、枠状で未硬化の封止用絶縁部材を仮接着し、前記集電体と前記封止用絶縁部材とで形成された空間に分極性電極を充填し、前記分極性電極に電解液を含浸させ、一対の中間体を作製する第一の工程と、
前記中間体の一方に、前記分極性電極および前記封止用絶縁部材に当接するように、セパレータを積層する第二の工程と、
一対の前記中間体を、前記セパレータを介して対向配置する第三の工程と、
前記封止用絶縁部材を硬化し、前記セパレータおよび前記分極性電極を封止し、基本セルを製造する第四の工程と、
前記基本セルを前記分極性電極の対向方向に単数または複数積層してキャパシタ素子を構成する第五の工程と、
前記キャパシタ素子を外装材にて外装する第六の工程を有する電気二重層キャパシタの製造方法であって、
前記第一の工程の前工程として、
前記セパレータの、前記封止用絶縁部材と接する外周端部の少なくとも一部に前記封止用絶縁部材を固定するための、固定部形成工程を含むことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
【請求項５】
前記固定部形成工程は、前記セパレータの外周端部の少なくとも一部を熱処理し、親水性を除去する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
【請求項６】
前記固定部形成工程は、前記セパレータの外周端部に少なくとも一つの貫通孔を形成する工程を含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
【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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタは、分極性電極と、この分極性電極に接触する電解液との界面に生じる、厚さ数ｎｍ程度の電気二重層を利用したものである。分極性電極として、例えば活性炭のような表面積が数千ｍ２／ｇにも及ぶ材料を用いることで、大きな静電容量を得ることが可能である。
【０００３】
近年、電気二重層キャパシタは、小型電子機器の補助電源等としての用途が検討されてきており、小型化への要求がより一層高くなっている。
【０００４】
従来の電気二重層キャパシタは、セパレータを介して対向配置された一対の分極性電極と、この分極性電極の外表面に当接して配置された一対の集電体と、分極性電極の周囲を囲み、セパレータの外周端部を挟持し、集電体とともに電解液が含浸された分極性電極およびセパレータを封止する封止用絶縁ゴム等の封止用絶縁部材とを備えた基本セルを有している。さらに、この基本セルを、分極性電極の対向方向に単数または複数積層してキャパシタ素子を構成し、キャパシタ素子が外装材にて外装された構造となっている。
【０００５】
図３は、従来の電気二重層キャパシタの基本セルを示す図で、図３（ａ）は、基本セルの断面図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。基本セル２０は、一対の分極性電極２１がセパレータ２２を介して対向配置され、分極性電極２１の外表面にそれぞれ集電体２４が当接して配置されている。分極性電極２１とセパレータ２２には電解液が含浸されており、セパレータ２２は、分極性電極２１間のショートを防止し、電解液中のイオンを透過させる。また、電解液が含浸された分極性電極２１およびセパレータ２２の封止と、集電体２４間の絶縁のために、分極性電極２１の周囲を囲み、一対の集電体２４に挟まれる枠状の封止用絶縁ゴム２３（封止用絶縁部材）が配置されている。このとき、セパレータ２２の外周端部は、封止用絶縁ゴム２３の間に挟まれて支持されている。
【０００６】
分極性電極２１には、活性炭を主成分とした材料が用いられる。また、集電体２４には、導電性を有するシート状のゴムなどが用いられる。
【０００７】
セパレータ２２は、上述したようにイオン透過性を有し、内部抵抗の増大を抑制したり信頼性を向上したりするために、電解液を十分に含浸させる必要があり、親水性を有するものが一般的に使用される。従来、疎水性膜の表面を親水性処理し、電解液を十分に含浸させる技術が用いられおり、例えば、特許文献１には、フッ素系高分子重合体多孔質膜の少なくとも細孔表面に、フッ素系界面活性剤を化学的に被覆させた、親水性を有するセパレータが開示されている。
【０００８】
封止用絶縁ゴム２３には、絶縁性を有するゴムが用いられ、未加硫状態の封止用絶縁ゴム２３を所定の位置に配置した後、加硫接合することにより、集電体２４と接合、成型、電解液が含浸された分極性電極２１およびセパレータ２２の封止が行なわれる。
【０００９】
図４は、従来の電気二重層キャパシタのキャパシタ素子を示す図である。図３で示した基本セル２０の耐電圧は、電解液の電気分解電圧で決まるため、使用する電圧に応じて、基本セル２０を複数直列接続して耐電圧を調整することが可能である。図４に示すように、キャパシタ素子３０は、基本セル２０を複数積層して構成されている。上述したように、使用する電圧に応じて積層数を調整することができ、使用電圧によっては、単数とすることも可能である。
【００１０】
図５は、従来の電気二重層キャパシタの一例を示す図である。図５に示すように、キャパシタ素子３０は、その周囲と上面が金属ケースからなる外装材３１にて覆われており、底面には外装材３１が配置されず、外装材３１が開口している構成となっている。キャパシタ素子３０の最外層に位置する集電体のうち一方が、外装材３１に当接している。外装材３１の開口部分には、リード端子３３が接続されている。また、キャパシタ素子３０の最外層に位置する集電体のうち他方には、リード端子３４が接続されている。さらに、外装材３１の開口部分を封止し、リード端子３３、３４を取り出すための座板３５が外装材３１の開口部分を塞ぐように配置されている。外装材３１および座板３５の内部のキャパシタ素子３０の周囲および底面には、絶縁ケース３２が配置されており、リード端子３３、３４同士の絶縁、リード端子３４と外装材３１との絶縁、外装材３１とキャパシタ素子３０の側面との絶縁がなされている。
【００１１】
また、電気二重層キャパシタは、基本セル間、分極性電極と集電体間の電気的接続を確実に行うために、キャパシタ素子に一定の圧力を加えて外装されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平０６−１５１２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
キャパシタ素子に一定の圧力を加えて外装する際、キャパシタ素子は圧縮変形することがある。また、電気二重層キャパシタを表面実装する際には、リフロー工程での加熱により、セパレータが熱収縮することがある。
【００１４】
セパレータは、親水性を有するため、封止用絶縁部材とセパレータの界面には、電解液が介在しており、セパレータは封止用絶縁部材に単に挟まれている状態である。すなわち、従来は、セパレータと封止用絶縁部材は十分に固定されていない構成である。
【００１５】
このため、上記の圧縮変形や熱収縮が大きくなる条件下では、封止用絶縁部材からセパレータが脱落する可能性があるという課題がある。セパレータが脱落した場合、電気二重層キャパシタが使用不能となる可能性がある。したがって、従来は、セパレータの外径を大きくし、セパレータの外周端部に挟み代を設けるというような脱落防止策をとる必要があり、電気二重層キャパシタの小型化の妨げとなっていた。
【００１６】
そこで、本発明は、セパレータと封止用絶縁部材との固定を確実に行い、小型化を実現した電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、親水性を有し電解液を含浸させたシート状のセパレータと、前記セパレータを介して対向配置され、前記電解液を含浸させた一対の分極性電極と、シート状で、前記分極性電極の外表面に当接して配置された一対の集電体と、前記分極性電極の周囲を囲み、前記セパレータの外周端部を挟持し、前記集電体とともに前記電解液を封止する枠状の封止用絶縁部材と、を備えた基本セルを有し、前記基本セルが前記分極性電極の対向方向に単数または複数積層されてなるキャパシタ素子を構成し、前記キャパシタ素子が外装材にて外装された電気二重層キャパシタであって、前記セパレータの外周端部の少なくとも一部には、前記封止用絶縁部材と固定される固定部を有することを特徴とする電気二重層キャパシタが得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記固定部は、親水性が除去されて形成されることを特徴とする上記の電気二重層キャパシタが得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記固定部は、少なくとも一つの貫通孔であることを特徴とする上記の電気二重層キャパシタが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、シート状の集電体と、枠状で未硬化の封止用絶縁部材を仮接着し、前記集電体と前記封止用絶縁部材とで形成された空間に分極性電極を充填し、前記分極性電極に電解液を含浸させ、一対の中間体を作製する第一の工程と、前記中間体の一方に、前記分極性電極および前記封止用絶縁部材に当接するように、セパレータを積層する第二の工程と、  一対の前記中間体を、前記セパレータを介して対向配置する第三の工程と、前記封止用絶縁部材を硬化し、前記セパレータおよび前記分極性電極を封止し、基本セルを製造する第四の工程と、前記基本セルを前記分極性電極の対向方向に単数または複数積層してキャパシタ素子を構成する第五の工程と、前記キャパシタ素子を外装材にて外装する第六の工程を有する電気二重層キャパシタの製造方法であって、前記第一の工程の前工程として、前記セパレータの、前記封止用絶縁部材と接する外周端部の少なくとも一部に前記封止用絶縁部材を固定するための、固定部形成工程を含むことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法が得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記固定部形成工程は、前記セパレータの外周端部の少なくとも一部を熱処理し、親水性を除去する工程を含むことを特徴とする上記の電気二重層キャパシタの製造方法が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記固定部形成工程は、前記セパレータの外周端部に少なくとも一つの貫通孔を形成する工程を含むことを特徴とする上記の電気二重層キャパシタの製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、セパレータと封止用絶縁部材との固定を確実に行い、小型化を実現した電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の電気二重層キャパシタの第一の実施の形態に係る基本セルを示す図。図１（ａ）は、断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図２】本発明の電気二重層キャパシタの第２の実施の形態に係る基本セルを示す図。図２（ａ）は、断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。
【図３】従来の電気二重層キャパシタの基本セルを示す図。図３（ａ）は、基本セルの断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。
【図４】従来の電気二重層キャパシタのキャパシタ素子を示す図。
【図５】従来の電気二重層キャパシタの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の電気二重層キャパシタの第一の実施の形態に係る基本セルを示す図で、図１（ａ）は、断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態における電気二重層キャパシタの基本構成は、従来と同様である。
【００２７】
図１に示すように、基本セル１０は、一対の分極性電極１１がセパレータ１２を介して対向配置され、分極性電極１１の外表面にそれぞれ集電体１４が当接して配置されている。分極性電極１１とセパレータ１２には電解液が含浸されており、セパレータ１２は、分極性電極１１間のショートを防止し、電解液中のイオンを透過させる。また、電解液の封止と、集電体１４間の絶縁のために、分極性電極１１の周囲を囲み、一対の集電体１４に挟まれる枠状の封止用絶縁ゴム１３（封止用絶縁部材）が配置されている。このとき、セパレータ１２の外周端部は、封止用絶縁ゴム１３の間に挟まれて支持されている。なお、本実施の形態では、封止用絶縁部材として、絶縁性のゴムを例として説明するが、本実施の形態と同様の効果が得られるものであればこれに限定されない。
【００２８】
本実施の形態では、セパレータ１２の外周端部に、封止用絶縁ゴム１３と強固に固定するための固定部１２ａを設けている。この固定部１２ａは、セパレータ１２の外周端部の親水性を除去して形成した。このセパレータ１２を使用することにより、固定部１２ａの親水性を除去した部分には、電解液が染み込み難くなり、セパレータ１２と封止用絶縁ゴム１３の界面に電解液が介在せず、封止用絶縁ゴム１３との密着性を向上させ、強固に固定することが可能となる。また、親水性を除去することにより、封止用絶縁ゴム１３と化学結合し易くなり、密着性を向上させることが可能となる。セパレータ１２の外周端部において、親水性を除去する部分は、セパレータ１２の片面でも両面でもよく、さらに、外周端部に連続的に設けても、断続的に設けても良い。ただし、セパレータ１２を強固に固定するという目的から、外周端部において偏りなく全体的に親水性を除去するのが好ましい。
【００２９】
分極性電極１１には、活性炭粉末を主成分とした材料が用いられる。また、集電体１４には、導電性を有するシート状のゴムなどが用いられる。セパレータ１２には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリアミド等からなる微多孔性の疎水性膜に、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド等を用いて、疎水性膜の表面に親水処理を施したものが使用できる。封止用絶縁ゴム１３には、ブチルゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンゴム等を用いることが出来るが、電解液の透過性が小さく、耐熱性にも優れているため、ブチルゴムを使用するのが好ましい。電解液には、水系水溶液を用いることができ、硫酸系水溶液が好適に用いられる。
【００３０】
ここで、本実施の形態の基本セルの製造方法について説明する。セパレータの外周端部は、熱処理を施して、親水性を除去し、固定部を形成する。熱処理温度は、親水処理が施されたセパレータの親水官能基が破壊される温度で、約１３０℃〜２００℃程度である。なお、親水性を除去する方法は、熱処理に限定されず、化学的な方法により、セパレータの疎水性膜を親水性にすることも可能である。
【００３１】
つぎに、封止用絶縁ゴムを枠状に成型し、片面に集電体を仮接着する。封止用絶縁ゴムと集電体は、未加硫状態のゴムが用いられる。なお、この方法は、基本セルを単数製造する場合であり、量産時には、多数個取りが出来る大きさを有する封止用絶縁ゴムのシートに、円形状の穴を多数形成し、封止用絶縁ゴムのシートと同様の大きさのシート状の集電体を仮接着し、後述する各工程を経た後、個々に打ち抜き基本セルを作製するということも可能である。集電体を底面、封止用絶縁ゴムを側面として、集電体と封止用絶縁ゴムで形成された空間に、分極性電極ペーストと電解液との混合物を充填し、乾燥させて分極性電極を形成し、基本セルの中間体とする。同様の構成の中間体を２つ作製し、一対となるようにする。
【００３２】
その後、一方の中間体にのみ、分極性電極の露出面側にセパレータを積層する。このとき、セパレータは、分極性電極の外形よりも大きくし、その外周端部が封止用絶縁ゴムと接するように配置する。他方の中間体を反転させ、他方の中間体の分極性電極の露出面側と、セパレータを形成した中間体のセパレータ側とを重ね合わせる。
【００３３】
最後に、封止用絶縁ゴムおよび集電体に用いられている未加硫ゴムを積層方向に加圧しながら加熱し、加硫接合を施し、封止用絶縁ゴムと集電体、封止用絶縁ゴムとセパレータを強固に密着、固定させ、基本セルを製造する。なお、本実施の形態では、封止用絶縁部材として封止用絶縁ゴムを用いた場合の、加硫接合による方法を説明したが、その他の封止用絶縁部材を使用した場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られるような硬化方法であればこれに限定されない。
【００３４】
（第二の実施の形態）
図２は、本発明の電気二重層キャパシタの第一の実施の形態に係る基本セルを示す図で、図２（ａ）は、断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態における電気二重層キャパシタの基本構成は、従来と同様である。
【００３５】
第一の実施の形態と同様に、基本セル１０は、一対の分極性電極１１がセパレータ１２を介して対向配置され、分極性電極１１の外表面にそれぞれ集電体１４が当接して配置されている。分極性電極１１とセパレータ１２には電解液が含浸されており、セパレータ１２は、分極性電極１１間のショートを防止し、電解液中のイオンを透過させる。また、電解液の封止と、集電体１４間の絶縁のために、分極性電極１１の周囲を囲み、一対の集電体１４に挟まれる枠状の封止用絶縁ゴム１３が配置されている。このとき、セパレータ１２の外周端部は、封止用絶縁ゴム１３の間に挟まれて支持されている。
【００３６】
本実施の形態では、セパレータ１２の外周端部に、封止用絶縁ゴム１３と強固に固定するための固定部１２ｂとして、貫通孔を形成した。このセパレータ１２を使用することにより、封止用絶縁ゴムの加硫接合の際に、貫通孔の内部に封止用絶縁ゴム１３が流れ込み、封止用絶縁ゴム１３との密着性を向上させ、強固に固定することが可能となる。セパレータ１２の外周端部において、貫通孔を形成する場所は、セパレータ１２を強固に固定するという目的から、外周端部において偏りなく全体的に形成するのが好ましい。なお、第一の実施の形態による、セパレータ１２の外周端部の一部の親水性を除去した構造に、本実施の形態の貫通孔を組み合わせることも可能である。
【００３７】
ここで、本実施の形態の基本セルの製造方法について説明する。セパレータの外周端部には、貫通孔を形成する。貫通孔の大きさは、封止用絶縁ゴムの加硫の際に、貫通孔内部に封止用絶縁ゴムの流れ込みが可能となる大きさとすればよい。それ以外の製造方法は、第一の実施の形態と同様である。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
セパレータとして、ポリテトラフルオロエチレンからなる微多孔膜に、ポリビニルアルコールで親水処理を施したものを用い、直径６．５ｍｍの円形状に成形した。封止用絶縁ゴムとして、未加硫状態の非導電性ブチルゴムを用い、内径５．５ｍｍ、外径８．０ｍｍのリング状に成形した。集電体として、未加硫状態の導電性ブチルゴムを用い、直径８．０ｍｍの円形状に成形した。
【００３９】
外径７．０ｍｍ、内径５．７ｍｍのリング状の加熱用コテを使用し、セパレータの外周端部の、内径５．７ｍｍ、外径６．５ｍｍの範囲を熱処理し、セパレータの親水性を除去した。熱処理は２００℃で行った。
【００４０】
集電体と封止用絶縁ゴムを仮接着し、集電体と封止用絶縁ゴムで形成された空間に、活性炭からなる分極性電極ペーストと希硫酸からなる電解液の混合物を充填し、乾燥させて分極性電極を形成し、中間体を作製した。同様の構成のものを一対となるように２つ作製した。
【００４１】
この中間体の一方に、セパレータを積層した。セパレータは中間体の分極性電極側に配置し、さらにセパレータの外周端部が、封止用絶縁ゴムに接するようにした。他方の中間体を反転させ、この中間体の分極性電極側と、セパレータを積層した中間体のセパレータ側を重ね合わせた。
【００４２】
その後、積層方向に約６．５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で加圧しながら加熱し、封止用絶縁ゴムおよび集電体に用いた未加硫状態のブチルゴムを加硫接合した。これにより、セパレータおよび分極性電極、電解液を封止し、基本セルを作製した。
【００４３】
この基本セルを６枚積層してキャパシタ素子を作製し、金属ケースからなる外装材にて外装し、電気二重層キャパシタを作製した。
【００４４】
（実施例２）
実施例２は、セパレータの外周端部構成以外は実施例１と同様なので、実施例１と異なる部分のみ説明する。実施例２では、セパレータの外周端部に、直径０．２ｍｍの貫通孔を４つ形成した。貫通孔の形成位置は、セパレータの中心から、６．０ｍｍの同心円上にて４等分した箇所とした。
【００４５】
（比較例１）
比較例１では、従来構造のセパレータを使用し、セパレータの外周端部に、親水性の除去や貫通孔形成等の固定部を形成しなかった。それ以外の構成や製造方法は実施例１と同様である。
【００４６】
（比較例２）
比較例２でも、従来構造の固定部を形成しないセパレータを使用した。また、セパレータの寸法を直径７．０ｍｍとし、実施例１より０．５ｍｍ大きくした。封止用絶縁ゴムの寸法を、内径５．５ｍｍ、外径８．５ｍｍとし、実施例１より、外径を０．５ｍｍ大きくした。すなわち、セパレータが封止用絶縁ゴムに挟まれている部分（挟み代）の寸法を実施例１よりも大きくした。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００４７】
（評価）
実施例１、２、比較例の電気二重層キャパシタに表面実装を想定し、リフローを施した。リフロー温度は、２２０℃、２３０℃、２４０℃、２５０℃、２６０℃、これらの温度での加熱時間は６０秒とした。各水準について、電気二重層キャパシタを１００個投入し、セパレータの脱落発生数を比較した。この比較結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
2013105757.tif 000003
【００４９】
表１に示すように、本発明の電気二重層キャパシタは、セパレータの脱落も発生せず、良好な結果が得られた。すなわち、セパレータと封止用絶縁部材との固定を確実に行い、小型化を実現した電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供することが可能となった。
【符号の説明】
【００５０】
１０、２０  基本セル
１１、２１  分極性電極
１２、２２  セパレータ
１２ａ、１２ｂ  固定部
１３、２３  封止用絶縁ゴム（封止用絶縁部材）
１４、２４  集電体
３０  キャパシタ素子
３１  外装材
３２  絶縁ケース
３３、３４  リード端子
３５  座板
【図１】
2013105757.tif 000004
【図２】
2013105757.tif 000005
【図３】
2013105757.tif 000006
【図４】
2013105757.tif 000007
【図５】
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