(57)【要約】【課題】過剰な手間とコストを要することなく総合性能に優れたバッテリを得る。【解決手段】イオン化傾向の異なる金属の組み合わせで対向配置した正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２を有して電池機能を発揮する電池部と、対の正極板と負極板の間に挟装された対の分極性電極である金属板１３，１４が対向しながら各々二酸化鉛板１１・鉛板１２に接続されキャパシタ機能を発揮するキャパシタ部を備え、キャパシタ部の少なくとも外周側をシール体２０ａで覆うことで金属板１３，１４及びその隙間部分を外部から密閉したバッテリ用の電極体１０Ａであって、その複数枚を正極板と負極板が向かい合うように電解液槽６内で並列配置し、正極板を正のバッテリ端子１９に負極板を負のバッテリ端子１８に接続してバッテリを構成することで、正極板と負極板の外側面が電池機能を発揮しキャパシタ部がキャパシタ機能を発揮して電池機能を補助するものとした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化傾向の異なる金属の組み合わせで対向配置された正極板と負極板を対で有して電池機能を発揮する電池部と、前記正極板と前記負極板の間に挟装された対の分極性電極が互いに対向しながら間に所定の物質を挟んだ状態で一方が前記正極板に接続され他方が前記負極板に接続されてキャパシタ機能を発揮するキャパシタ部とを備え、該キャパシタ部の少なくとも外周側を所定の素材からなるシール体で覆うことで前記対の分極性電極及びその隙間部分を外部から密閉してなるバッテリ用の電極体であって、その複数枚を、前記正極板と前記負極板が互いに向かい合うように電解液槽内で並列配置するとともに、前記正極板を正のバッテリ端子に接続し前記負極板を負のバッテリ端子に接続してバッテリを構成することにより、前記向かい合う正極板と負極板の外側面が中間の電解液に曝されてレドックス反応による電池機能を発揮し、前記キャパシタ部がキャパシタ機能を発揮して前記電池機能を補助する、ことを特徴としたバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項２】
前記シール体は、固化することで所定の防水性・耐水性を発揮する非導電性のコーキング剤で形成されており、前記正極板と前記負極板で挟まれている隙間部分の空間を前記コーキング剤で総て充填して固化させたことにより、前記キャパシタ部が内外液密状態とされている、ことを特徴とする請求項１に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項３】
前記キャパシタ部は、対の分極性電極と正負の端子を有して単体で完全なキャパシタを構成しているキャパシタ部品が、前記正の端子を前記正極板に接続され前記負の端子を前記負極板に接続された状態で、前記対の正極板と負極板の間に少なくとも１個挟装されてなるものである、ことを特徴とする請求項１または２に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項４】
前記キャパシタ部は、前記キャパシタ部品を複数個実装した基板が前記対の前正極板と負極板の間に挟装されてなるものであり、前記キャパシタ部品の正負の端子が前記基板上の配線を介し各々集合しながら前記正極板・負極板に接続されている、ことを特徴とする請求項３に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項５】
前記基板上には、前記複数個のキャパシタ部品を、直列に接続する配線及び並列に接続する配線又は直列及び並列を兼ねることができる配線が設けられており、前記直列接続と前記並列接続の状態を状況に応じて切替えながらキャパシタ部における電気の出入力状態を制御する制御手段を備えている、ことを特徴とする請求項４に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項６】
前記キャパシタ部は、該キャパシタ部の電気の出入力における電流又は／及び電圧を所定範囲内に制限する制限手段を備えている、ことを特徴とした、請求項１，２，３，４または５に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項７】
前記キャパシタ部は、前記分極性電極の内面に活性炭層が形成された電気二重層キャパシタである、ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６に記載したバッテリ用キャパシタ電極体。
【請求項８】
請求項１，２，３，４，５，６または７に記載したバッテリ用キャパシタ電極体の複数枚を、前記正極板と前記負極板の外側面が互いに向かい合うように電解液槽内で並列配置するとともに前記正極板を正のバッテリ端子に前記負極板を負のバッテリ端子に接続してなるバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ用キャパシタ電極体及びそれを用いたバッテリに関し、殊に、バッテリとキャパシタの両機能を発揮する電極体及びそれを電池電極として用いたハイブリッドバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の二次電池よりもエネルギー密度・出力密度の高いニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池が広く普及しており、ハイブリッド車や電気自動車の蓄電デバイスとして利用されている。しかし、これらは材料が高価であるとともに製造に手間を要することから、従来の二次電池と比べてコスト高となりやすいため、車両用や太陽光発電の分野ではいまだに鉛蓄電池が主流の地位にある。
【０００３】
そこで、充放電性能に優れた電気二重層キャパシタと安価な鉛蓄電池を端子結合で接続したキャパシタバッテリも多数試作されている。このバッテリは、鉛蓄電池とキャパシタを併用することで充放電時間の短縮と電池寿命の向上が見込まれることから、車両におけるブレーキ制動時回生電力の充電や発電量が時々刻々と変化する太陽光発電・風力発電の蓄電デバイスとしての利用が期待されている。
【０００４】
一方、キャパシタ（コンデンサ）とバッテリを一体的に融合してなるハイブリッドバッテリとも言える蓄電デバイスとしては、鉛ベース負極と二酸化鉛ベース正極に加えてコンデンサ負極を設けて鉛蓄電池部分と非対称コンデンサ部分を構成し、高電流の充電・放電が行われる間は非対称コンデンサ部分で電荷の受入れ・放出を優先的に行う方式のものが、特表２００７−５０６２３０号公報に提案されている。また、キャパシタ正極と共通負極及びリチウム含有金属化合物を含む電池正極を備えてバッテリとしての総合性能を高めたものも特開２００９−１４１１８１号公報に提案されている。
【０００５】
このように、キャパシタとして電荷を蓄える部分を蓄電池内に設けて一体化（ハイブリッド）したことにより、この部分が電池電極部分と比べて内部抵抗が小さく高電流の充放電を優先的且つ急速に行うものとなることから、単にこれらを端子結合したものと比べて小型化が容易になることに加え、耐久性と出力密度の大幅な向上が達成されるため、車両用蓄電デバイスとしての使用が期待されている。
【０００６】
ところが、前者のハイブリッド式の鉛蓄電池では、そのキャパシタによる電荷を蓄える部分の面積が正・負の電極面積と比較して小さく、全体容量に対するキャパシタ機能の貢献割合は実に小さいことから、バッテリとしての総合性能の改善は全体的にはさほど大きくない。また、後者のハイブリッドバッテリは安定した商品化が難しい等の理由から、量産化が実現されていないのが現状である。
【０００７】
これに対し、本願発明者らは、先に特開２０１３−２４７１０１号公報において、図１７に示すようなハイブリッドバッテリを提案している。即ち、正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２を交互に並べた状態で電解液１００に浸漬して鉛バッテリを構成したものであるが、隣り合う正極板と負極板が対をなしその間に電解質２００を挟装したユニットでキャパシタセルを構成してなる電極体１０とし、この複数の電極体１０が正極板と負極板が向かい合って並ぶ配置として、その向かい合う正極板と負極板が中間の電解液１００とともに各々電池セル５０を構成するものとした。これにより、電池を構成する部分に対しキャパシタで電荷を溜める部分の割合を拡大しながら優れた充放電性能を実現可能としている。
【０００８】
しかしながら、そのキャパシタセルを構成している電極体１０の内部側は、正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２で挟装されて封止されてはいるものの、薄板状の二酸化鉛板１１と鉛板１２は充分なる強度・耐久性を有していないため、腐蝕等によりその内部側が外部の電解液１００側に連通・開放してキャパシタ機能が損なわれる心配がある。また、二酸化鉛板１１と鉛板１２の内面側をそのまま分極性電極にして安定性に優れたキャパシタを構成させることは実際上容易ではなく、さらに、キャパシタにおける分極性電極として、二酸化鉛板１１と鉛板１２の組み合わせよりも性能的に優れた金属素材の組み合わせも想定できることから、そのキャパシタ部分には改善の余地があると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００７−５０６２３０号公報
【特許文献２】特開２００９−１４１１８１号公報
【特許文献３】特開２０１３−２４７１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、過剰な手間とコストを要さずに総合性能に優れたハイブリッドバッテリを得られるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明は、イオン化傾向の異なる金属の組み合わせで対向配置された正極板と負極板を対で有して電池機能を発揮する電池部と、その正極板と負極板の間に挟装された対の分極性電極が互いに対向しながら間に所定の物質を挟んだ状態で一方が正極板に接続され他方が負極板に接続されてキャパシタ機能を発揮するキャパシタ部とを備え、そのキャパシタ部の少なくとも外周側を所定の素材からなるシール体で覆うことで前記対の分極性電極及びその隙間部分を外部から密閉してなるバッテリ用の電極体であって、その複数枚を、正極板と負極板が互いに向かい合うように電解液槽内で並列配置するとともに、その正極板を正のバッテリ端子に接続し負極板を負のバッテリ端子に接続してバッテリを構成することにより、その向かい合う正極板と負極板の外側面が中間の電解液に曝されてレドックス反応による電池機能を発揮し、そのキャパシタ部がキャパシタ機能を発揮して前記電池機能を補助する、ことを特徴とするバッテリ用キャパシタ電極体とした。
【００１２】
このように、対の正極板・負極板の間に挟まれている対の分極性電極を有した部分がキャパシタ部となるとともに、この部分をシール体で覆って密閉したことにより、正極板と負極板の内側面がそのままキャパシタ機能を発揮する図１７に示した従来例と比べて、キャパシタ部の耐久性とキャパシタ機能を高いレベルで実現しやすいものとしている。
【００１３】
また、このバッテリ用キャパシタ電極体において、そのシール体は固化することで所定の防水性・耐水性を発揮する非導電性のコーキング剤で形成されており、前記正極板と負極板で挟まれている隙間部分の空間を前記コーキング剤で総て充填して固化させたことにより、前記キャパシタ部が内外液密状態とされていることを特徴としたものとすれば、キャパシタ部が液密状態となってその耐久性・機能性の確保が一層確実なものとなる。
【００１４】
さらに、上述したバッテリ用キャパシタ電極体において、そのキャパシタ部を、対の分極性電極と正負の端子を有して単体で完全なキャパシタを構成しているキャパシタ部品が、正の端子を正極板に接続され負の端子を負極板に接続された状態で、前記対の正極板と負極板の間に少なくとも１個挟装されてなるものとすれば、電池電極の間にキャパシタを付加したものとして電池部分のウエートが大部分を占めていた従来例とは異なり、大容量の完全なるキャパシタ部品の左右両面に電池電極を付加した構成としたことにより、キャパシタ部分のウエートが格段に増して総合性能に一層優れたバッテリを実現可能なものとなり、且つ、極めて簡単な手順だけで作成可能なものとなる。
【００１５】
この場合、前記キャパシタ部を、そのキャパシタ部品を複数個実装した基板が前記対の正極板と負極板の間に挟装されてなるものとし、そのキャパシタ部品の正負の端子が基板上の配線を介し各々集合しながら正極板・負極板に各々接続されている、ことを特徴としたものとすれば、多数個のキャパシタ部品を内装する際にその配設作業及び配線作業が容易且つ確実に完了するものとなる。
【００１６】
さらにまた、前述の基板を備えたバッテリ用キャパシタ電極体において、その基板上には、複数個のキャパシタ部品を直列に接続する配線及び並列に接続する配線の両方又は直列及び並列を兼ねることのできる配線が設けられており、その直列接続と並列接続の状態を状況に応じて切替えながらキャパシタ部における電気の出入力状態を制御する制御手段を備えている、ことを特徴としたものとすれば、単独では電圧が低く内部抵抗の低い特性を有した各キャパシタ部品によるキャパシタ機能を、必要に応じて有効に利用可能な状態に切替えて使用できるようになるため、総合性能に優れたバッテリを実現しやすいものとなる。
【００１７】
加えて、上述したバッテリ用キャパシタ電極体において、前記キャパシタ部を、このキャパシタ部の電気の出入力における電流又は／及び電圧を所定範囲内に制限する制限手段を備えているものとすれば、内部抵抗が低く一度に大電流が出入力しやすいキャパシタ部品の特性に対応しながら、安全性と持続性を確保しやすいものとなる。
【００１８】
また加えて、上述したバッテリ用キャパシタ電極体において、そのキャパシタ部が分極性電極の内面に活性炭層が形成された電気二重層キャパシタであるものとすれば、コンパクトでもキャパシタ性能に優れたものとすることができる。
【００１９】
そして、上述したバッテリ用キャパシタ電極体の複数枚を、その正極板と負極板の外側面が互いに向かい合うように電解液槽内で並列配置するとともに正極板を正のバッテリ端子に接続し負極板を負のバッテリ端子に接続してなるバッテリとすれば、上述したバッテリ用キャパシタ電極体の各機能を各々確実に発揮することのできるハイブリッドバッテリとなる。
【発明の効果】
【００２０】
正極板と負極板の間に挟まれた部分をキャパシタ部とし、そのキャパシタ部をシール体で覆って外部から密閉した構成の本発明によると、過剰な手間とコストを要さずに総合性能に優れたハイブリッドバッテリが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）は本発明における第１の実施の形態のバッテリ用キャパシタ電極体の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の応用例の縦断面図である。
【図２】図１（Ａ）のバッテリ用キャパシタ電極体を備えたバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明における第２の実施の形態のバッテリ用キャパシタ電極体の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の負極板及びシール体を外した状態の右側面図である。
【図４】（Ａ）は図１のバッテリ用キャパシタ電極体の応用例の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の負極板及びシール体を外した状態の右側面図である。
【図５】（Ａ）は本発明における第３の実施の形態のバッテリ用キャパシタ電極体の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のシール体充填前の分解斜視図である。
【図６】図５のバッテリ用キャパシタ電極体の応用例を示すシール体充填前の分解斜視図である。
【図７】（Ａ）は図５のバッテリ用キャパシタ電極体の変形例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の応用例を示す縦断面図、（Ｃ）は図３のバッテリ用キャパシタ電極体の応用例を示す縦断面図である。
【図８】図１（Ａ）のバッテリ用キャパシタ電極体と図３のバッテリ用キャパシタ電極体を組み合わせてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図９】図３のバッテリ用キャパシタ電極体と図５のバッテリ用キャパシタ電極体を組み合わせてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図１０】図３のバッテリ用キャパシタ電極体と図７（Ｂ）のバッテリ用キャパシタ電極体を組み合わせてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図１１】図３のバッテリ用キャパシタ電極体と通常の鉛蓄電池の負極板と正極板とを組み合わせてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図１２】（Ａ）は図３のバッテリ用キャパシタ電極体に使用したキャパシタ部品と図４のバッテリ用キャパシタ電極体に使用したキャパシタ部品を組み合わせてなるバッテリ用キャパシタ電極体の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の負極板及びシール体を外した状態の右側面図である。
【図１３】図３のバッテリ用キャパシタ電極体を備えてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図１４】図３のバッテリ用キャパシタ電極体と図４のバッテリ用キャパシタ電極体の組み合わせを備えてなるバッテリの構成を示す縦断面図である。
【図１５】実験に用いたバッテリ用キャパシタ電極体の構成を示す縦断面図である。
【図１６】各蓄電デバイス及び本発明の特性を示す分布図である。
【図１７】従来例のバッテリを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
【００２３】
図１（Ａ）は、本発明における第１の実施の形態であるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａを厚さ方向に切断した状態の断面図である。このバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａは、１枚で鉛蓄電池の正負の電池電極に代えて配置されるものとして全体的に平板状に形成されており、車両用や太陽光発電又は風力発電用の蓄電デバイス内で複数枚を使用することを想定したものである。
【００２４】
即ち、本実施の形態のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａは、イオン化傾向の異なる金属の組み合わせで対向配置された正極板としての二酸化鉛板１１と負極板としての鉛板１２を有しながら電池機能を発揮する電池部と、二酸化鉛板１１と鉛板１２の間に挟装されてキャパシタ機能を発揮するキャパシタ部とを備えている。そのキャパシタ部は、二酸化鉛板１１に接続した分極性電極としての金属板１３と鉛板１２に接続した分極性電極としての金属板１４が、間に電解質２００及びセパレータ２６を挟んだ状態で対向配置されてなるものとされ、この対で配置された金属板１３，１４は、鉛や二酸化鉛と比べて物理的強度に優れるとともに高い導電性を有した銅などの金属からなるもので、同じ金属又はイオン化傾向の異なる金属の組み合わせが想定される。
【００２５】
そして、その金属板１３外側面の二酸化鉛板１１内側面への接続と、金属板１４外側面の鉛板１２内側面への接続は、各々導電性接着剤等を介した面接続とされているが、その電気二重層キャパシタを構成しているキャパシタ部が、それを挟んでいる二酸化鉛板１１と鉛板１２の内側面部分とともに、シール体２０ａにより内外液密状態にして覆われた状態となっており、この点が本発明における特徴部分となっている。尚、このシール体２０ａとしては、固化することで防水性・耐水性・耐酸性を発揮する非導電性のコーキング剤を用いて隙間の総てを充填して固化させたものが好適である。
【００２６】
斯かる構成を採用したことにより、バッテリ電極の面積に対するキャパシタ電極の面積の割合が大きくなり高いキャパシタ機能を発揮可能となった点は、特許文献３に記載の従来例と同様である。しかし、二酸化鉛板１１と鉛板１２の内側面がそのままキャパシタ機能を発揮する前記従来例とは異なり、キャパシタ部の分極性電極を構成する部分において、二酸化鉛板１１・鉛板１２よりも強度に優れるとともに導電率が高く分極性電極に適している金属板１３・金属板１４を使用しながらシール体２０ａでその外周側を覆って外部に露出しない構成としたことにより、キャパシタ部の耐久性とキャパシタ機能を高いレベルで実現可能としている。
【００２７】
図１（Ｂ）は、図（Ａ）の応用例としてのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｂを示している。このバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｂは、金属板１３の内側面と金属板１４の内側面に、カーボンナノチューブによる活性炭素層１１０，１２０を設けた点を特徴としており、図（Ａ）のものと比べて静電容量が拡大されたことでキャパシタ機能が強化されたものとなっている。尚、キャパシタ部の分極性電極を構成する金属板１３・金属板１４としては、銅とアルミニウムのようにイオン化傾向の異なる金属同士の組み合わせが想定されるが、その組み合わせに応じて異なる特性を備えたものになる。また、この金属板１３，１４の間に挟み込んでいる液状又はゲル状の電解質２００を、チタン酸バリウム等の固形の誘電体に置き換えても良く、この場合はセパレータ２６，１６が不要なものとなる。
【００２８】
図２は、上述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａを配設したバッテリ１Ａの構成を示す縦断面図である。このバッテリ１Ａは、主として車載用の蓄電デバイスを想定したものであるが、前述のように鉛バッテリの電池電極とキャパシタが融合したバッテリ用キャパシタ電極体１０を用いている点で、所謂ハイブリッドバッテリとも言うべきものであり、図ではバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａの数が４枚であるが、実際にはこれよりも多い枚数を有したものが想定される。
【００２９】
このバッテリ１Ａは、バッテリ端子１９，１８に繋がる配線１９０，１８０に各々接続されて正極になる二酸化鉛板１１，１１，１１，１１と負極になる鉛板１２，１２，１２，１２を交互に並べた状態でケーシング６内に配設された構成となっているが、二酸化鉛板１１と鉛板１２が対をなし間に金属板１３と金属板１４及び電解質２００とセパレータ２６を挟装してなるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａが、そのまま正負の電池電極を構成しており、そのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａ，１０Ａ，１０Ａ，１０Ａの間では、二酸化鉛板（正極）１１外側面と鉛板（負極）１２が間に電解液１００を挟んだ状態で対向している。
【００３０】
そのため、このバッテリ１Ａは、図１７に示した特許文献３に記載のバッテリと同様に、バッテリとキャパシタの両機能が充分に発揮され、優れた充放電性能（短い充電時間・高い出力密度）及び優れた耐久性（キャパシタ性能・バッテリ性能の維持）を実現可能なものとなっており、これに加え、上述したように二酸化鉛板１１・鉛板１２の内側部分でキャパシタを構成する場合と比べて、バッテリとして一層優れた耐久性と性能を実現可能としている。
【００３１】
図３（Ａ）は、本発明における第２の実施の形態であるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄの縦断面図、図（Ｂ）はその鉛板１２、介装板１５ｂ、シール体２０ｄを外した状態の右側面図を示している。この実施の形態では、正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２の内面側に分極性電極を各々配置してキャパシタ部を構成するのではなく、対の分極性電極と正負の端子７２，７１を有して単体で完全なキャパシタを構成しているキャパシタ部品７０を、二酸化鉛板１１と鉛板１２の間に３本挟装したことにより、キャパシタ部を構成している点を特徴としている。
【００３２】
具体的には、ステンレス等の物理的強度・耐腐食性に優れて導電率の高い金属からなる介装板１５ａ，１５ｂを、二酸化鉛板１１と鉛板１２の内側面に面接続にて各々配設し、３本のキャパシタ部品７０を、正の端子７２が介装板１５ａを介し接続線７２０で二酸化鉛板１１に接続され負の端子７１が介装板１５ｂを介し接続線７１０で鉛板１２に接続された状態で配設してキャパシタ部とし、そのキャパシタ部が、介装板１５ａ，１５ｂを含め二酸化鉛板１１及び鉛板１２の内面側に形成した空間を充填剤で総て充填されたことで、シール体２０ｄにより内外液密状態にして覆われた状態となっている。
【００３３】
このように、単体で完全な電気二重層キャパシタを構成しているキャパシタ部品７０，７０，７０を、介装板１５ａ，１５ｂを介しながら二酸化鉛板１１と鉛板１２の間に接続・配置してキャパシタ部を構成するものとし、その部分をシール体２０ｄで内外液密に覆うだけでバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄが完成することから、その作成過程が極めて容易なものとなっている。
【００３４】
また、１部品として完結しているキャパシタ部品７０を堅牢な介装板１５ａ，１５ｂで挟み込んでキャパシタ部を構成していることから、一層耐久性に優れたものとなっており、且つ、バッテリの容量に対するキャパシタ容量の割合は、使用するキャパシタ部品７０の容量と数で容易に調整可能なものとなっている。尚、本実施の形態において、電気二重層キャパシタは出力密度でリチウム電池を上回り、鉛蓄電池の理論エネルギー密度はリチウム電池を匹敵することから、これらは極めて優れた組み合わせであると言える。
【００３５】
図４（Ａ）は、前述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄの応用例としてのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｅの縦断面図、図（Ｂ）はその鉛板１２・介装板１５ｄ・シール体２０ｅを外した状態の右側面図を示している。この例では、使用するキャパシタ部品８０はリチウムイオンキャパシタであるが、その正負の端子８１，８２が両端側で面状に形成されているため、面状の接続板１５１，１５２で介装板１５ｃ，１５ｄに接続した構成となっている。
【００３６】
この例では、前述した通常の電気二重層キャパシタであるキャパシタ部品７０を使用する場合と比べて、キャパシタ性能を一層高めたものとなっている。即ち、表１に示すように、リチウムイオンキャパシタは、出力密度でリチウムイオン電池と電気二重層キャパシタを上回り、エネルギー密度で電気二重層キャパシタを上回り、且つ、重量を加算しない鉛蓄電池の理論エネルギー密度でリチウムイオン電池を上回ることから、前述した通常の電気二重層キャパシタと鉛蓄電池の組み合わせよりも、遙かに高性能なバッテリを実現可能としている。
【００３７】
【表１】
2016162607.tif 000003
【００３８】
図５（Ａ）は、本発明における第３の実施の形態であるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｆの縦断面図、図（Ｂ）はそのシール体２０ｆ充填前の状態の分解斜視図を示している。この実施の形態では、そのキャパシタ部は、キャパシタ部品９０を多数個実装してなる基板１６が、正極板になる二酸化鉛板１１と負極板になる鉛板１２の間に挟装されている点を特徴としており、そのキャパシタ部品９０の図示しない正負の端子が、基板１６上の図示しない配線を介して各々集合しながら二酸化鉛板１１と鉛板１２に各々接続しており、これらを非導電性の充填剤からなるシール体２０ｆで完全に覆ったものとしている。
【００３９】
このように、基板１６上に複数個のキャパシタ部品９０を配置したものを正極板と負極板の間に挟装する構成としたことで、キャパシタ部品を正負の電極板の間に多数個内装する場合において、キャパシタ部品を各々配設しながら配線を行う作業が容易且つ確実に完了することに加え、多数の導電線が立体的に存在しないことから、すっきりと収まりながら短絡・漏電の心配が極めて少ないものとなる。
【００４０】
また、キャパシタ部品９０を実装した基板１６の上方には介装板１５ｅが配置されており、基板１６を物理的に保護している。さらに、図示は省略するが、その配線は基板１６の上面で面状に配設されて裏面には存在しないため、二酸化鉛板１１に密着した裏面側では短絡・漏電を生じない構造となっており、基板１６上の配線が集合した正の接続端子１６１が二酸化鉛板１１に接続し、接続端子１６２が鉛板１２に接続している。
【００４１】
図６は、前述したキャパシタ電極体１０Ｆの応用例としてのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｇを、そのシール体１６２充填前の状態を分解斜視図で示している。この例では、図示は省略するが、基板上１７上の複数個のキャパシタ部品９０について直列接続及び並列接続の両方を兼ねることのできる配線が設けられており、その直列接続と並列接続の状態を充放電状況に応じて段階的に切替えながらキャパシタ部における電気の出入力状態を制御する制御チップ１７５を基板１７上に実装している点を特徴としている。
【００４２】
即ち、キャパシタは単体では電圧が低いとともに充放電時間が極めて短い特性を有しているため、バッテリと組み合わせる場合には、その充放電の段階に応じて複数のキャパシタの接続を総て並列の状態と総て直列の状態との間で段階的に調整することも行われている。そのため、基板上に複数個のキャパシタ部品を接続する配線を面状に設ける場合、プリント等により複雑な配線構造も安全且つ確実に形成できることから、複数個のキャパシタ部品９０を直列と並列を兼ねて接続可能な配線を設けるとともに、充放電の段階に応じて直列と並列の接続状態を段階的に適宜切り替える制御手段としての制御チップ１７５を基板１７上に設けたものとしている。
【００４３】
また、キャパシタは内部抵抗が低いために充放電の際に一度に大電流が流れてしまいやすいことから、この制御チップ１７５に基板１７の電気の出入力における電流及び電圧を所定範囲内に制限する機能を設けておくことが好ましい。これにより、その安全性を確保しながら好ましい充放電動作を行いやすいものとなる。尚、この例では、基板１７上の配線が直列と並列を兼ねて接続可能な場合を説明したが、その総ての切り替えや段階的な切り替えが可能である限り、直列接続の配線と並列接続の配線の両方を備えたものであっても良い。
【００４４】
図７（Ａ）は、図５のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｆの変形例であるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｈを縦断面図で示し、図（Ｂ）はその応用例としてのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｉを縦断面図で示している。この例では、二酸化鉛板１１と鉛板１２の間に挟装する複数個のキャパシタ部品は、その正負の接続端子部分が両端側で面状とされたキャパシタ部品９５を使用しており、その端子面を２枚の導電性板状部材で左右から挟み込むことで面接続の状態にて配設した点を特徴としている。そのため、その作成にあたり複数のキャパシタ部品９５を各々接続する手間を軽減しながら、点接続の場合と比べて抵抗によるロスを大きく軽減したものとなっている。
【００４５】
具体的には、図７（Ａ）のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｈは、二酸化鉛板１１と鉛板１２の間に介装板１５ｇ，１５ｈを介装した状態で、総てのキャパシタ部品９５を面接続にて配設しており、その状態のままシール体２０ｈで固定したものとなっている。一方、図（Ｂ）のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｉは、二酸化鉛板１１・鉛板１２の組み合わせではなく、これらよりも強度に優れたイオン化傾向の異なる金属として、例えば銅・アルミニウム等の組み合わせによる金属板１３・金属板１４とした場合であり、その高い強度により介装板を要することなくキャパシタ部品９５との間で直接的に面接続することを可能としている。
【００４６】
一方、図７（Ｃ）は、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１Ｄにおけるシール体２０ｄの代わりに樹脂ケースによるシール体２０ｌを用い、キャパシタ部品７０を内外液密状態で内装して端子２４，２５により二酸化鉛板１１と鉛板１２に接続した応用例を示している。これにより量産化が容易なものとなるが、この方式は前述した総てのバッテリ用キャパシタ電極体のシール体にも応用することができる。
【００４７】
図８は、図１（Ａ）のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａと図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄを組み合わせた例としてのバッテリ１Ｂの構成を縦断面図で示している。そのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄは、キャパシタ部品７０を複数個内装した構成であることから、上述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａよりもキャパシタ性能に優れるが高価なものとなっている。
【００４８】
そのため、バッテリの電極を総てバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄで置き換えるとかなりのコスト高となってしまう。そこで、並列配置する電極体のうち、両端側部分のみをバッテリ部品７０を備えたバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄによる構成としたものである。これにより、コストとパフォーマンスのバランスに優れたものとなり、且つ、間に並列するバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａはキャパシタ部品を内装したものよりも薄いため、全体としてコンパクトなサイズに抑えることができる。
【００４９】
図９は、図８のバッテリ１Ｂにおけるバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａを、キャパシタ部品９０が複数個実装された基板１６を備えているバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｆに置き換えたものである。この場合、前述のバッテリ１Ｂよりも高コストにはなるものの、そのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｆは上述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ａに近い薄さであるとともにキャパシタ機能に一層優れているため、これを備えたバッテリ１Ｃは、コンパクトでありながらより機能的に優れたものとなる。尚、この例において、バッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄを上述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｅに置き換えても良いことは言うまでもなく、これによりさらなるバッテリ性能の向上が期待できる。
【００５０】
図１０は、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄの正負の電極板を、イオン化傾向の異なる金属の組み合わせとしての金属板１３と金属板１４に置き換えるとともに介装板１５ａ，１５ｂを除いたことにより、鉛蓄電池ではなくメタルバッテリに使用可能とした態様のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｊと、図７（Ｂ）の複数個のキャパシタ部品９５をイオン化傾向の異なる金属の組み合わせとしての金属板１３と金属板１４で挟み込んだ態様のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｉとを、電池電極として組み合わせながら電解液１５０に浸漬してバッテリ１Ｄとしたものであるが、この場合も、総合性能に優れたハイブリッド式のメタルバッテリとなる。
【００５１】
図１１は、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄと通常の鉛蓄電池の正極板である二酸化鉛板１１及び負極板である鉛板１２とを組み合わせた例としてのバッテリ１Ｅの構成を示している。これは、従来の鉛蓄電池では急速充放電に適しておらず、そのような負担をかける度に電極が消耗して電池寿命を短くする結果となっていたため、そのバッテリ電極の両端側のみをバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄに置き換えることにより、僅かなコストアップで電池寿命を２〜３倍に延長することを実現したものである。また、これにより従来の鉛蓄電池では不可能であった急速充放電を実現することに加え、エネルギー密度と出力密度の増大をも実現している。尚、この場合においても、そのバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄに代えて、上述したバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈのいずれかを用いても同様である。
【００５２】
図１２（Ａ）は、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄに使用したキャパシタ部品７０と、図４のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｅに使用したキャパシタ部品８０とを組み合わせた態様の、バッテリ用キャパシタ電極体１０Ｋの構成を縦断面図で示しており、図（Ｂ）はその金属板１４、介装板１５ｄ及びシール体２０ｋを外した状態の右側面図を示している。
【００５３】
即ち、リチウムイオンキャパシタであるキャパシタ部品８０は、通常の電気二重層キャパシタであるキャパシタ部品７０よりも高価であるが、表１に示したように、電流の出力密度と寿命及び構造も互いに近似しており、且つ、メンテナンスもほぼ同様であることから、図のようにキャパシタ部品７０と組み合わせることで、総てリチウムイオンキャパシタを使用する場合よりもコストダウンが可能となることに加え、安全性も確保しやすいものとなる。
【００５４】
図１３は、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄにより電池電極を総て置き換えた態様のバッテリ１Ｆを縦断面図で示している。このように、総てのバッテリ電極を、電気二重層キャパシタであるキャパシタ部品７０を備えたバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄに置き換えたことにより、極めて総合性能に優れた鉛蓄電池を実現することができる。
【００５５】
この場合、バッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄにおける充放電状態を調整する充放電調整回路１８８を、これらに接続する配線に各々設けておくことにより、上述したキャパシタ特有の難点を軽減することが可能となる。また、図１４に示すように、通常の電気二重層キャパシタを備えたバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄと、リチウムイオンキャパシタを備えたバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｅを交互に並列してもよく、或いは通常の電気二重層キャパシタとリチウムイオンキャパシタを組み合わせたバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｋに総て置き換えても良い。この場合も、充放電調整回路１８８を設けておくことが好ましい。
【００５６】
次に、本発明によるバッテリ用キャパシタ電極体を実際に作成して試験した結果を説明する。先ず、図３のバッテリ用キャパシタ電極体１０Ｄと同様の機能を発揮するものとして、図１５に示すようなバッテリ用キャパシタ電極体を作成した。具体的には、電気二重層キャパシタ（ニチコン社ＵＭシリーズ，定格電圧２．７Ｖ，静電容量２２Ｆ：キャパシタ部品７０）を１本使用し、２枚のステンレス板（介装板１５ａ，１５ｂ）の間に挟装して端子を各々接続し、その外側に正極板（二酸化鉛板１１）と負極板（鉛板１２）を導電性接着剤で接着して各々面接続するとともに、正極板と負極板で挟まれた部分の空間総てにコーキング剤を充填して乾燥させた（シール体２０ｄ）。尚、図示は省略したが各ステンレス板からもキャパシタ部測定用の配線を延設している。
【００５７】
また、正極板の外側面には、石綿（パッド１５０）を介して負極板（鉛板１２）を配置して所定の間隔を形成しながら同じバッテリ用キャパシタ電極体が隣接している状況と同様にして、正極板から正の接続線、２枚の負極板から負の接続線を延設した状態で希硫酸（電解液１００）に浸漬して、２．１Ｖで２時間充電を行った。
【００５８】
その結果、キャパシタ部：２２Ｆ（単セルでバッテリ容量の６〜９％）、耐電圧２．３Ｖ、端子間電圧２．１Ｖ、キャパシタ部電圧２．１Ｖ、バッテリ部：電圧２．１Ｖを確認することができた。以上より、上述した実施の形態における作用・効果の想定は、ほぼ間違いないものと考えられる。
【００５９】
図１６は、各蓄電デバイスの特性及び本発明の特性について、エネルギー密度と出力密度のグラフ面上における分布で示したものである。即ち、上述したように、電気二重層キャパシタとリチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が顕著に低いという難点を有している。これに対し、鉛蓄電池はエネルギー密度が公表３０Ｗｈ／ｋｇであるものの、重量とボリュームが加算されない理論エネルギー密度は１６７Ｗｈ／ｋｇと、リチウムイオン電池に匹敵すると言われている。そのため、上述した実施の形態のようにキャパシタとバッテリの分布的複合化を行ったことにより、大幅なエネルギー密度の改善とバッテリ性能の向上が期待できるものである。
【００６０】
尚、上述した各実施の形態・各例において、図示は省略するが、安全性確保の観点からシール体の電解液に浸からない上面の外部側と電極体内部側とを連通させる連通孔を設けて、内部に高圧の流体（気体・液体）が生じた場合にこれを電極体外部に逃がすことで電極体の破損を回避できるようにしても良い。この場合、その連通孔に、通常は閉弁した状態で外部からの流体の侵入を防ぎ、内部が所定以上の高圧になった場合に開弁して高圧の流体を外部に排出する逆止弁を設けることが好ましい。
【００６１】
以上、述べたように、本発明により、過剰な手間とコストを要さずに総合性能に優れたハイブリッドバッテリを得られるようになった。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ  バッテリ、６，７，８，９  ケーシング、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｉ，１０Ｊ，１０Ｋ，１０Ｌ  バッテリ用キャパシタ電極体、１１  二酸化鉛板、１２  鉛板、１３，１４  金属板、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈ，１５ｉ，１５ｊ  介装板、１６，１７  基板、２０ａ，２０ｂ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｈ，２０ｉ，２０ｋ，２０ｌ  シール体、７０，８０，９０，９５  キャパシタ部品、７１，７２，８１，８２  端子、１００  電解液、１５０，２００  電解質、１１０，１２０  活性炭素層、１７５  制御チップ、１８８  充放電調整回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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