(57)【要約】【課題】自動車用等に用いる電気二重層キャパシタに関し、小型大容量化を図ることを目的とする。【解決手段】金属箔からなる集電体３の両面に分極性電極層４を形成し、この分極性電極層４の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層５を結合した正負一対の電極を夫々の分極性電極層４が繊維状の樹脂層５を介して対向した状態で積層、または巻回することにより構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容した金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した封口部材からなる構成により、セパレータの厚みを大幅に薄くすることが可能になるため、素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層を結合した正負一対の電極を夫々の分極性電極層が繊維状の樹脂層を介して対向した状態で積層、または巻回することにより構成された素子と、この素子に含浸された駆動用電解液と、を少なくとも有する電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層を結合した第１の電極と、この第１の電極に形成された繊維状の樹脂層側に、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成した第２の電極を対向させた状態で積層、または巻回することにより構成された素子と、この素子に含浸された駆動用電解液と、を少なくとも有する電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
繊維状の樹脂層が、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、アラミド、ポリイミド、ナイロン、変性ＰＰ、変性ＰＥ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）のいずれかにより形成された請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
正極の表面に形成された繊維状の樹脂層が耐酸性に優れ、負極の表面に形成された繊維状の樹脂層が耐アルカリ性に優れた樹脂により形成された請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項５】
正極ならびに負極の一端に電極層未形成部を設けた請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項６】
正極ならびに負極の一端に設けた電極層未形成部に外部引き出し用のリード線を接合した請求項５に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項７】
正極ならびに負極の一端に設けた電極層未形成部に位置決め用の貫通孔を設けた請求項５に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項８】
正極ならびに負極の表面に形成された繊維状の樹脂層を、その構成する樹脂の融点以上の温度で熱処理して繊維状の一部と分極性電極を結合させた請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種電子機器、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源用や回生用、あるいは電力貯蔵用等に使用される電気二重層キャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高耐電圧で大容量、しかも急速充放電の信頼性が高いということから電気二重層キャパシタが着目され、多くの分野で使用されている。このような電気二重層キャパシタは正極、負極共に活性炭を主体とする分極性電極を電極として用いたものであり、電気二重層キャパシタとしての耐電圧は、水系電解液を使用すると１．２Ｖ、有機系電解液を使用すると２．５〜３．３Ｖである。
【０００３】
電気二重層キャパシタのエネルギーは耐電圧の２乗に比例するため、耐電圧の高い有機系電解液の方が水系電解液より高エネルギーであるが、有機系電解液を使用した電気二重層キャパシタでも、そのエネルギー密度は鉛蓄電池等の二次電池の１／１０以下であり、更なるエネルギー密度の向上が必要とされている。
【０００４】
さらに、このような電気二重層キャパシタの耐久性向上のために、ポリエチレンやポリプロピレン等のセパレータを用いることも知られている。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平１０−２７０２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記従来の電気二重層キャパシタでは、正極と負極間に配置される絶縁のためのセパレータが独立したシート状の構成であるために、製造面や強度面等を考慮すると２５μｍ程度の厚みが必要であり、これ以上の薄型化は難しいという問題があった。
【０００７】
従って、正極と負極をその間にセパレータを介在させて積層、または巻回することによって構成した素子を小型化することが困難となり、小型大容量化を実現するのが難しいという課題があった。
【０００８】
一方、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源用や回生用、あるいは電力貯蔵用等に使用される電気二重層キャパシタは高エネルギー密度のものが要求されるが、セパレータが厚くなると、一つのケース内に入れることができる分極性電極の体積割合が減少するため、電気二重層キャパシタの静電容量が減少したり、分極性電極と集電体との接触面積も減少するため、所定の電流を流す場合には分極性電極の単位面積当たりにかかる電流密度が大きくなり、電気二重層キャパシタの内部抵抗が増大し、寿命等の信頼性に問題があった。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決し、セパレータを薄型化することによって小型大容量化を図るとともに高信頼性の電気二重層キャパシタを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層を結合した正負一対の電極を夫々の分極性電極層が繊維状の樹脂層を介して対向した状態で積層、または巻回することにより構成された素子と、この素子に含浸された駆動用電解液と、を少なくとも有した電気二重層キャパシタとするものである。
【００１１】
また、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層を結合した第１の電極と、この第１の電極に形成された繊維状の樹脂層側に、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成した第２の電極を対向させた状態で積層、または巻回することにより構成された素子と、この素子に含浸された駆動用電解液と、を少なくとも有した電気二重層キャパシタとするものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明による電気二重層キャパシタは、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の少なくとも一方の表面に繊維状の樹脂層を結合した電極とした構成により、従来の電極とセパレータを別々に構成したものに比べて、セパレータとしての厚みを大幅に薄くすることが可能になるため、素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができるという効果が得られるものである。
【００１３】
また、電気二重層キャパシタの内部抵抗が低減することができることから、長寿命化を図ることができ、高信頼性の電気二重層キャパシタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜３、及び５、６、８に記載の発明について説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの素子の構成を示した断面図、図２は同素子の正極（負極も同じ）を示した断面図であり、図１と図２において、１は正極、２は負極であり、この正極１と負極２は、アルミニウム箔からなる集電体３の一端を除く表裏面に活性炭を主体とした分極性電極層４を形成し、さらに、この分極性電極層４の一方の表面に繊維状の樹脂層５を結合することによって構成されたものである。
【００１６】
そして、このように構成された正極１と負極２を、夫々の一端に設けられた電極層未形成部が相反する方向に配置されるようにして重ね合わせたものを１組とし、これを複数組積層し、正極１の一端に設けられた各電極層未形成部を集電板６ａに、負極２の一端に設けられた各電極層未形成部を集電板６ｂにレーザー溶接することにより素子が構成され、この素子を図示しない駆動用電解液と共に図示しない金属ケース内に収容して電気二重層キャパシタが構成されているものである。
【００１７】
以下に具体的な実施の形態１について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
まず、正極１ならびに負極２として、厚さが２２μｍの高純度アルミニウム箔（Ａｌ：９９．９９％以上）を集電体３として用い、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングして表面を粗面化した。
【００１９】
続いて、平均粒径５μｍのフェノール樹脂系活性炭粉末４ａと、導電性付与剤４ｂとして平均粒径０．０５μｍのアセチレンブラック、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと呼ぶ）とポリテトラフロロエチレン（以下、ＰＴＦＥと呼ぶ）を溶解した水溶性バインダ溶液（バインダ４ｃ）を１０：２：１の重量比に混合して混練機で十分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製し、このペーストを上記集電体３の一端を除く表裏面に塗布し、８５℃の大気中で５分間乾燥することにより分極性電極層４を形成した。
【００２０】
続いて、この分極性電極層４の一方の表面にポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる繊維状の樹脂層５を約１０μｍの厚みに形成した後、所定の寸法に切断して正極１ならびに負極２を得た。
【００２１】
上記繊維状の樹脂層５を分極性電極層４上に結合させる方法としては、溶融した熱可塑性樹脂を多孔の口金をもつダイから高温・高速の空気流で糸状に吹き出し、繊維状になった樹脂を被結合体上に集積することによりノーバインダーの自己接着型極細繊維のウェブを形成するジェット紡糸法と呼ばれる方法の一種を用いたものであり、このように極細になった繊維状の樹脂が分極性電極層４の表面の凹凸内に絡み合うようにして結合して形成することができる。
【００２２】
なお、上記繊維状の樹脂層５としては、上記ＰＢＴの他に、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、アラミド、ポリイミド、ナイロン、変性ＰＰ、変性ＰＥ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂が使用可能であるが、これらの樹脂は、分極性電極層４と水素結合を起こして高い結合強度が得られることから、好ましい材料であると言える。さらに耐熱性の観点から、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＳ、アラミド、ポリイミド、ナイロン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）がさらに好ましいと言える。
【００２３】
次に、このようにして得られた正極１と負極２を、正極１ならびに負極２の一端に設けられた夫々の電極層未形成部が交互に相反する方向に配置されるようにした状態で重ね合わせたものを１組とし、これを複数組積層した後、正極１の各電極層未形成部を集電板６ａに、負極２の各電極層未形成部を集電板６ｂに夫々レーザー溶接することにより素子を得た。
【００２４】
そして、この素子を図示しないアルミニウム製の金属ケース内に図示しない駆動用電解液と共に挿入することにより、素子に駆動用電解液を含浸させた。この駆動用電解液としては、プロピレンカーボネートに４エチルアンモニウム４フッ化ホウ素を溶解したものを用いた。
【００２５】
次に、このようにして駆動用電解液と共に金属ケース内に挿入された素子の集電板６ａ、６ｂに接合されて引き出された正負一対のリード線（図示せず）を図示しない封口ゴムに設けられた孔を貫通させ、この封口ゴムを金属ケースの開口部に嵌め込んだ後、金属ケースの開口部近傍の外周を内側に円環状に絞り加工すると共に、金属ケースの開口端をカーリング加工することにより封止を行い、本実施の形態による電気二重層キャパシタを組み立てた。
【００２６】
このように構成された本実施の形態１による電気二重層キャパシタは、正極１ならびに負極２の表面に繊維状の樹脂層５を結合し、この樹脂層５をセパレータとして用いるようにした構成により、正極１ならびに負極２の機械的強度でセパレータの機械的強度を保証することができるためにセパレータとしての機械的強度は不要になり、絶縁性のみを保証すれば良くなる。
【００２７】
従って、従来のようにセパレータを独立した部材とした場合に必要であった２５μｍ程度の最低厚みを１０μｍ以下の厚みにすることができるようになり、これにより、セパレータの薄型化による小型大容量化を実現することが可能になるという格別の効果を奏するものである。
【００２８】
なお、本実施の形態１においては、素子からの電極引き出し手段として、正極１に接合された集電板６ａならびに負極２に接合された集電板６ｂに夫々図示しない正負一対のリード線を接合した構成で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正極１ならびに負極２の一端に設けた電極層未形成部に正負一対のリード線を夫々直接接合する構成にしても構わないものである。
【００２９】
また、本実施の形態１においては、積層形の素子を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、巻回形の素子を用いることも可能である。
【００３０】
また、正極１ならびに負極２の表面に形成された繊維状の樹脂層５は、分極性電極層４の一方の表面に結合した例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、分極性電極層４の両方の表面に結合することも可能である。
【００３１】
また、正極の分極性電極の両面に繊維状の樹脂層５を形成したものを第１の電極とし、その繊維状の樹脂層５側に金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層が形成された第２の電極を対向させた状態で重ね合わせた構成とすることにより、従来の電極とセパレータを別々に構成したものに比べて、セパレータとしての厚みを大幅に薄くすることが可能になるため、素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができる。さらに、電気二重層キャパシタの内部抵抗が低減することができることから、長寿命化を図ることができ、高信頼性の電気二重層キャパシタを得ることができる。
【００３２】
また、正極１ならびに負極２の表面に形成された繊維状の樹脂層５を構成する樹脂の融点以上の温度で正極１ならびに負極２を熱処理することにより、樹脂層５の一部が溶融して分極性電極層４の表面から内部へ入り込むようになるために、樹脂層５と分極性電極層４の結合強度をより高めることができるようになるものである。
【００３３】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項４に記載の発明について説明する。
【００３４】
本実施の形態は、上記実施の形態１で図１、図２を用いて説明した電気二重層キャパシタの素子を構成する正極ならびに負極の表面に設けた繊維状の樹脂層の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタの素子の正極を示した断面図、同負極を示した断面図、同正極の他の例を示した断面図であり、図３において、３はアルミニウム箔からなる集電体、４はこの集電体３の一端を除く表裏面に形成された活性炭を主体とした分極性電極層であり、この分極性電極層４はフェノール樹脂系活性炭粉末４ａと導電性付与剤４ｂとバインダ４ｃからなるものである。
【００３６】
図３（ａ）において、７は分極性電極層４の両方の表面に結合された繊維状の樹脂層であり、この樹脂層７は酸に強い樹脂により構成されており、このような構成にすることにより、耐酸性に優れた性能を発揮して正極の劣化を抑制することができるという格別の効果を奏するものである。なお、酸に強い樹脂としては、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＤＦ、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＰＳ、アラミド、変性ＰＰ、変性ＰＥ等が挙げられる。好ましくは、ＰＰ、変性ＰＰが挙げられる。更に好ましくは、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＰＳ、アラミドが耐熱性を高められるために挙げられる。
【００３７】
なお、変性ＰＰ、変性ＰＥは、通常のＰＰ、ＰＥよりも耐酸性や耐アルカリ性、更には耐熱性を高めたものであればよく、酸変性が一般的である。酸変性は具体的には、カルボン酸変性、マレイン酸変性が挙げられ、好ましくはカルボン酸変性である。
【００３８】
図３（ｂ）において、８は分極性電極層４の両方の表面に結合された繊維状の樹脂層であり、この樹脂層８はアルカリに強い樹脂により構成されており、このような構成にすることにより、耐アルカリ性に優れた性能を発揮して負極の劣化を抑制することができるという格別の効果を奏するものである。なお、アルカリに強い樹脂としては、セルロース系樹脂、ＰＰ、ＰＢＴ，ＰＰＳ、ポリアミド、アラミドが好ましく、より好ましくはセルロース系樹脂、ＰＰ、ＰＢＴ，ＰＰＳ等が挙げられる。
【００３９】
図３（ｃ）において、７は分極性電極層４の一方の表面に結合された繊維状の樹脂層、８はこの樹脂層７上に結合された繊維状の樹脂層であり、樹脂層７は酸に強い樹脂により構成され、樹脂層８はアルカリに強い樹脂により構成されており、このような構成にすることにより、耐酸性ならびに耐アルカリ性の両方に優れた性能を発揮することができるため、正極、負極のいずれに用いることも可能になるという格別の効果を奏するものである。
【００４０】
なお、酸に強い樹脂層７とアルカリに強い樹脂層８は重なり位置が逆の構成であっても良く、更に、酸に強い樹脂層７とアルカリに強い樹脂層８を分極性電極層４の両方の表面に結合する構成にすることも可能である。
【００４１】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項７に記載の発明について説明する。
【００４２】
本実施の形態は、上記実施の形態１で図１、図２を用いて説明した電気二重層キャパシタの素子を構成する正極ならびに負極の一端に設けた電極層未形成部の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。
【００４３】
図４は本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの素子を示した平面図であり、図４において、９は正極、９ａはこの正極９の一端の電極層未形成部に設けた貫通孔、１０は負極、１０ａはこの負極１０の一端の電極層未形成部に設けた貫通孔であり、この２つの貫通孔９ａと１０ａは夫々のピッチが異なるように形成されているものである。１１ａと１１ｂは上記正極９の一端に設けた電極層未形成部ならびに負極１０の一端に設けた電極層未形成部が夫々レーザー溶接により接合された集電板である。
【００４４】
このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタは、正極９と負極１０を２枚１組として複数組を重ね合わせた積層形の素子を構成する際に、上記貫通孔９ａと１０ａをレーザー溶接時の位置合わせ用として用いることによって寸法精度に優れた溶接作業を行うことができるようになるという格別の効果を奏するものである。
【００４５】
なお、上記貫通孔９ａ、１０ａは円形でも良いが、楕円形にすることによって回転防止を図ることができ、また、貫通孔９ａと１０ａのピッチは同じでも良いが、異ならせることによって回転防止を図ることができるようになることから、より好ましいと言えるものである。
【００４６】
また、図５は上記実施の形態１〜３により得られた電気二重層キャパシタを複数個直列接続することによってモジュール化した例を参考に示したものであり、接続する個数や接続方法はこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による電気二重層キャパシタは、セパレータを薄型化して素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができるという効果を有し、特に、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源や回生用等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの素子の構成を示した断面図
【図２】同素子の正極（負極）を示した断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタの素子を構成する正極の断面図、（ｂ）同負極の断面図、（ｃ）同正極の他の例を示した断面図
【図４】本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの素子を示した平面図
【図５】本発明による電気二重層キャパシタをモジュール化した例を示した断面図
【符号の説明】
【００４９】
１  正極
２  負極
３  集電体
４  分極性電極層
５  樹脂層
６ａ、６ｂ  集電板
【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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