(57)【要約】【課題】電気二重層キャパシタにおいて自己放電を抑制して放電エネルギーを向上させることにある。【解決手段】活性炭粉末と導電性助剤の混合物を混錬したシート状電極１の間に極間短絡を防止するためのセパレータ４を配置すると共に前記シート状電極１の上下には、前記シート状電極１と接する面に導電性塗膜３を形成したアルミ箔よりなる集電極２を配置し、これらの間に電解液５を充填してアルミラミネートフィルム８で全体を遮蔽してなる電気二重層キャパシタにおいて、集電極２の蓄電には寄与しない部分に電界緩和のための突起２ａ又はアルミ片２ｂなどの凸部を形成したので、自己放電が抑制され放電エネルギーが向上した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭粉末と導電性助剤の混合物を混錬したシート状電極の間に極間短絡を防止するためのセパレータを配置すると共に前記シート状電極の上下には、前記シート状電極と接する面に導電性塗膜を形成したアルミ箔よりなる集電極を配置し、これらの間に電解液を充填してアルミラミネートフィルムで全体を遮蔽してなる電気二重層キャパシタにおいて、前記集電極の蓄電には寄与しない部分に電界緩和のための突起又はアルミ片などの凸部を形成したことにより、自己放電を抑制することで放電エネルギーを向上したことを特徴とする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、自己放電を抑制した電気二重層キャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の蓄電デバイスは、電気化学反応を利用した２次電池、イオン吸着を利用した電気二重層キャパシタ、誘電現象を利用したコンデンサーなどがある。
なかでも電気二重層キャパシタは、エネルギー密度は低いものの、重金属を含まないため環境負荷が少ない点やメンテナンスフリーである点、寿命が長い点などに着目されており、より低抵抗化、高寿命化の開発が進められている。
山間部の鉄塔などでは、その航空警告灯の電源として、太陽電池を用いている場合がある。
【０００３】
しかし、太陽電池は天候に左右されるため、悪天候時のバックアップ電源として鉛蓄電池を使用している。
また、風力発電においても緊急時のバックアップ用電源として鉛蓄電池を使用している。
これら鉛蓄電池は補水などのメンテナンスを必要とする蓄電デバイスであるため、定期的な保守点検が必要不可欠であるが、上述の発電設備は僻地に置かれる場合が多く、保守点検が容易でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８４１７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気二重層キャパシタは補水などのメンテナンスが不要である利点を生かし、上述の鉛蓄電池の代替として検討されている。
そのときの問題点としては、鉛蓄電池よりも蓄電エネルギー密度が低いため、バックアップ時間が短い点が挙げられる。
また、鉛蓄電池代替を目指した電気二重層キャパシタの高容量化として、電極の開発が進められている。
【０００６】
しかし、上記用途では補償時間を１週間とする事もあり、１週間電源供給のない状況では、静電容量以外に自己放電も大きな課題である。
自己放電が大きいと、システムを構成するキャパシタの数量が増加してしまうため、高容量電極の開発と平行して自己放電を抑制するキャパシタ構成の開発が必要不可欠である。
なお、電気二重層キャパシタにおける自己放電による電圧降下の抑制については特許文献１に記載がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る構成は、活性炭粉末と導電性助剤の混合物を混錬したシート状電極の間に極間短絡を防止するためのセパレータを配置すると共に前記シート状電極の上下には、前記シート状電極と接する面に導電性塗膜を形成したアルミ箔よりなる集電極を配置し、これらの間に電解液を充填してアルミラミネートフィルムで全体を遮蔽してなる電気二重層キャパシタにおいて、前記集電極の蓄電には寄与しない部分に電界緩和のための突起又はアルミ片などの凸部を形成したことにより、自己放電を抑制することで放電エネルギーを向上したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、集電極の蓄電に関与しない部分において集電極間距離を調整する事で、自己放電を抑制する事が可能となった。その結果、長期間無給電後の放電エネルギーを向上する事が出来た。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電気二重層キャパシタの基本構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は一般的な電気二重層キャパシタにおける極間距離と自己放電の関係を示す説明図、図２（ｂ）は同図（ａ）よりも極間距離が短い場合の極間距離と自己放電の関係を示す説明図、図２（ｃ）は集電箔に凸部を設けた場合の極間距離と自己放電の関係を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の実施例１，２に係る集電箔及び電極を示す斜視図、図３（ｂ）は本発明の実施例１，２に係る電気二重層キャパシタの概略断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例３，４に係る集電箔及び電極を示す斜視図、図４（ｂ）は本発明の実施例３，４に係る電気二重層キャパシタの概略断面図である。
【図５】極間距離短縮率と自己放電改善率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、検討に用いた電気二重層キャパシタについて図１を参照して説明する。
電極１は、活性炭粉末（ヤシ殻系、ピッチ系若しくはそれらの混合物など）と導電性助剤（アセチレンブラック、ケッチェンブラックなど）、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）の混合物を混練したシート電極とした。
集電極２にはアルミ箔を用いた（以下、アルミ箔よりなる集電極を集電箔という）。
このアルミ箔２には、電極と接する面に導電性塗料（日本黒鉛製Ｔ−６０２）を塗布して導電性塗膜３を形成した。
【００１１】
また、この電極間には極間短絡を防止するためにセパレータ４を配置した。セパレータ４には、セルロース系セパレーター（日本高度紙工業製ＴＦ４０３５）を用いた。
電解液５としては、電解質に４級アンモニウム塩（スピロビピロリジニウム・テトラフルオロボレートなど）を用い、溶媒に分極性有機溶剤（エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネイト、エチルメチルカーボネイトなど、若しくはそれらの混合物）を用いた。
セル間のシール材はエチレンブタジエンゴムの薄型シートをガスケット状に切り抜いたパッキン６を使用し、エンドプレート（押え板）７を付与してネジ（図示省略）によって締め込みを行った。
その後、アルミラミネートフィルム８によって外気からキャパシタ本体を遮蔽するようにした。なお、図中、９は出力端子である。
【００１２】
一般論として、電気二重層キャパシタを充電すると、負極電極の活性炭内部には電子が集まり、その界面に電解液中のカチオンが吸着する。
同様に、正極電極の活性炭内部には正孔が集まり、その界面に電解液中のアニオンが吸着する。
これらのイオンが電極界面から脱離するとセル間電圧が低下し、自己放電として現れる。また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、極間距離が離れるほど、カチオンとアニオンの間で引き合うクーロン力が強くなり、その結果として自己放電は多くなる。
【００１３】
そこで、このイオン間で働くクーロン力を緩和し、自己放電を低減する機構について検討した。
本発明では、クーロンカを緩和する方法として、電極の集電用に配置している集電箔の形状に着目し、キャパシタの自己放電抑制を検討したところ、図２（ｃ）に示すように、集電箔に凸部を設けると、電界緩和により極間距離が離れても、カチオンとアニオンの間で引き合うクーロン力が強くならないことを見いだした。
【比較例１】
【００１４】
通常の集電箔と、約０．２ｍｍの電極を用いたキャパシタを作製し、充放電で得られた特性を表１に記した。
次に自己放電試験として、定格電圧（＝１セル当たり２．３Ｖ）を４時間充電した後、電源から切り離し、その電圧低下曲線を記録した。
この曲線は、ＲＣ回路の放電曲線「Ｖ＝Ｖ0・ＥＸＰ（−ｔ／ＲＣ）」に従うため、下記数式から自己放電の時定数τを求めた。
τ＝ｔ／ｌｏｇ（Ｖ0／Ｖ）
その結果を表１に記した。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
また、この数式から１週間後の電圧を算出し、得られた電圧から定格電圧の１／２（＝１セル当たり１．１５Ｖ）まで放電した場合の放電エネルギーも合わせて表１に記載した。
【実施例１】
【００１７】
図３に示すように、比較例１で用いたキャパシタと同じ構成で、集電箔２の一部で電極１と接しない位置に、対向するもう一方の集電箔２との距離が短くなるように高さ０．２０ｍｍの突起２ａを付けた。集電箔２の中央部分は電極１と接して蓄電に寄与する部分であるので、突起２ａは設けない。
この突起２ａ先端から対向するアルミ箔表面までの空隙（集電箔間最短距離Ｈ）は０．２５ｍｍとなった。集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．４５ｍｍ）から突起２ａの高さ０．２０ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．４５−０．２０＝０．２５）となる。
この集電箔２を用いたキャパシタについても比較例１と同様の特性評価を行い、その結果を表１に記載した。
ここに記した静電容量と内部抵抗から電気二重層キャパシタとして特性を損なっていない事が分かる。
また、比較例と比べて電界緩和した事により、自己放電の時定数τを３％向上する事ができた。
【実施例２】
【００１８】
実施例１の突起２ａの高さを０．３７ｍｍとし、同様の試験結果を表１に記載した。集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．４５ｍｍ）から突起２ａの高さ０．３７ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．４５−０．３７＝０．０８）となる。
表１に記した静電容量と内部抵抗から電気二重層キャパシタとして特性を損なっていない事が分かる。
また、比較例１と比べて電界緩和した事により、自己放電の時定数τを４％向上する事ができた。
【比較例２】
【００１９】
実施例１の突起２ａの高さを０．４５ｍｍとし、同様の試験結果を表１に記載した。
この比較例２では突起が高すぎるため極間距離は短絡寸前まで短くなっている。集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．４５ｍｍ）から突起２ａの高さ０．４５ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．４５−０．４５＝０）となる。
静電容量と内部抵抗が大きくなっている点から、他の電気化学反応が生じた事が分かる。
【比較例３】
【００２０】
比較例１の電極１を厚くし、約０．３ｍｍの電極１を用いてキャパシタを作製し、比較例１と同様の評価を行った。その結果を表２に記した。
【比較例４】
【００２１】
図４に示すように、比較例３で用いたキャパシタと同じ構成で、集電箔２の一部で電極と接しない位置に、対向するもう一方の集電箔２との距離が短くなるような高さ０．２４ｍｍのアルミ片２ｂを取り付けた。
この突起先端から対向アルミ箔表面までの空隙（集電箔間最短距離Ｈ）は０．３９ｍｍとなった。集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．６３ｍｍ）からアルミ片２ｂの高さ０．２４ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．６３−０．２４＝０．３９）となる。
この集電箔２を用いたキャパシタについても比較例１と同様の特性評価を行い、その結果を表２に記載した。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
ここに記した静電容量と内部抵抗から電気二重層キャパシタとして特性を損なっていない事が分かる。
また、比較例と比べると全く同じ特性となっており、電極が厚くなった分、電界緩和の効果が得られなかった。
【実施例３】
【００２４】
比較例４のアルミ片２ｂの高さを０．３９ｍｍとし、同様の試験結果を表２に記載した。
集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．６３ｍｍ）からアルミ片２ｂの高さ０．３９ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．６３−０．３９＝０．２４）となる。
表２に記した静電容量と内部抵抗から電気二重層キャパシタとして特性を損なっていない事が分かる。
また、比較例３と比べて電界緩和した事により、自己放電の時定数τを４％向上する事ができた。
【実施例４】
【００２５】
比較例４のアルミ片２ｂの高さを０．４７ｍｍとし、同様の試験結果を表２に記載した。
集電箔間正規距離Ｈ0（＝０．６３ｍｍ）からアルミ片２ｂの高さ０．４７ｍｍを減じた値が集電箔間最短距離Ｈ（＝０．６３−０．４７＝０．１６）となる。
ここに記した静電容量と内部抵抗から電気二重層キャパシタとして特性を損なっていない事が分かる。
また、比較例３と比べて電界緩和した事により、自己放電の時定数τを２％向上する事ができた。
表１と表２に記した、極間距離短縮率Ｈ／Ｈ0をＸ軸に、自己放電改善率をＹ軸にとり、その関係を図５に示した。
この図５から分かるとおり、蓄電には関与しないアルミ箔の一部で集電箔間最短距離を調整して電界分布を最適化することで自己放電の抑制が可能となった。
また、１週間無給電後の放電可能エネルギーが従来と比べ５％向上した。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、自己放電を抑制した電気二重層キャパシタとして広く産業上利用可能なものである。
【符号の説明】
【００２７】
１  シート電極
２  集電箔（集電極）
２ａ  突起
２ｂ  アルミ片
３  導電性塗膜
４  セパレータ
５  電解液
６  パッキン
７  エンドプレート
８  アルミラミネートフィルム
９  出力端子
【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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