(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形状活性炭質構造体中に電解質を含浸した複数の分極性電極と該分極性電極間に配設されるセパレータとを具備する平面形状が略矩形形状の積層体の上下面に設けられた一対の集電体を兼ねる加圧板に対し、前記積層体の外側領域を作用点とする圧力を付与して前記積層体に圧力を印加してなる電気二重層コンデンサであって、前記積層体を平面視したとき、該積層体の中心点と前記作用点とを結ぶ線上の外周に切り欠き部が形成されており、かつ前記分極性電極が、各辺が１００ｍｍ以上の略矩形形状であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
前記切り欠き部は前記積層体の略矩形形状の角部に位置し、曲率半径が１０ｍｍ以上の円弧状またはテーパー状であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
前記切り欠き部は前記積層体の略矩形形状の辺部に位置し、曲率半径が１０ｍｍ以上の円弧状であることを特徴とする請求項１または２記載の電気二重層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックアップ電源、車両用電源または補助電源等に用いられる大容量のコンデンサとして用いられる電気二重層コンデンサに関するもので、とりわけ大きな静電容量を有する電気二重層コンデンサの分極性電極の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
電気二重層コンデンサは、電極と電解液の界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したコンデンサであり、コンデンサと電池の両方の機能を有し、従来のコンデンサに比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であることから、小型のメモリーバックアップ電源や自動車の駆動源をはじめとする大容量のモータ等の補助電源に適用される等、エレクトロニクス分野の発展と共に急速にその需要が伸びている。
【０００３】
上述した電気二重層コンデンサの構成は、例えば、電解液を含浸した複数の矩形形状の分極性電極と該電極間に介在するセパレータとの積層体の外周部に電解液を保持するためのプラスチック等からなるガスケットを配置し、また、これらの上下面に前記積層体を加圧するための加圧板を兼ねる集電体を形成するとともに、集電体およびガスケットを貫通する貫通孔に加圧部材を挿入して加圧保持する積層型の電気二重層コンデンサが知られている。
【０００４】
かかる電気二重層コンデンサにおいては、静電容量を高めるとともに高い放電電流密度が要求されるが、コンデンサの内部抵抗が高いと放電電流密度が高くなるにつれて放電初期に電圧の急激な低下、いわゆるＩＲドロップが見られることから、コンデンサの内部抵抗を低減することが求められており、上述したように分極性電極およびセパレータからなる積層体を該積層体の外部に配置される加圧部材によって加圧することにより界面の密着性を高め、内部抵抗を低減できることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電気二重層コンデンサにおいて加圧板にて加圧する場合には、加圧板の角部に配設される前記加圧部材にてかしめると加圧板がたわみ、加圧応力が部分的に不均一となり、特に、分極性電極の前記加圧部材に近接した部分では加圧応力が集中するために、部分的に電極内に含浸される電解液の割合が極端に減少し、場合によっては、電解液が枯渇する部分が生じてしまうことがあった。
【０００６】
その結果、部分的に静電容量の発生が極端に低下してコンデンサ全体の静電容量が低下するとともに、電解液が枯渇した部分では経時変化により活性炭等が変質して脱離等により電解液中に溶出して電解液の性能を低下させるという課題があった。特に、前記コンデンサが大面積化する場合には、上記加圧応力の部分的な集中が顕著であった。
【０００７】
また、加圧応力の不均一により分極性電極の中央部付近は加圧応力が低下し、内部抵抗が上昇するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決せんとしてなされたもので、その目的は、高い静電容量を有するとともに、内部抵抗値を低減できる電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前記課題に対して鋭意研究の結果、分極性電極の前記加圧応力が集中する部分を切り欠くことによって、加圧応力の集中を緩和し応力の均一化が図れること、また、これにより、分極性電極内に含浸される電解液の分布の均一化を図ることができ、分極性電極全体が静電容量発生に寄与できるためにコンデンサとしての静電容量を高めることができること、さらに、電極や電解液の変質等を起こさない高信頼性の電気二重層コンデンサとなることを知見した。
【００１０】
すなわち、本発明の電気二重層コンデンサは、固形状活性炭質構造体中に電解質を含浸した複数の分極性電極と該分極性電極間に配設されるセパレータとを具備する平面形状が略矩形形状の積層体の上下面に設けられた一対の集電体を兼ねる加圧板に対し、前記積層体の外側領域を作用点とする圧力を付与して前記積層体に圧力を印加してなるものであって、前記積層体を平面視したとき、該積層体の中心点と前記作用点とを結ぶ線上の外周に切り欠き部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
なお、本発明の電気二重層コンデンサは、前記分極性電極の各辺が１００ｍｍ以上の略矩形形状であるものについて特に有効である。
【００１２】
また、前記切り欠き部は前記積層体の略矩形形状の角部に位置し、曲率半径が１０ｍｍ以上の円弧状またはテーパー状であること、または前記切り欠き部は前記積層体の略矩形形状の辺部に位置し、曲率半径が１０ｍｍ以上の円弧状であることが望ましいものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の電気二重層コンデンサの一例を概略断面図である図１および平面図である図２に基づいて説明する。図１によれば、電気二重層コンデンサ１は、電解液を含浸した２枚の略矩形形状からなる分極性電極（以下、電極と略す。）２、２間に絶縁性の多孔質セパレータ（以下、セパレータと略す。）３が配設され、その電極２、２とセパレータ３との積層体４の外周部に電解液を保持するためのガスケット５が配設されている。
【００１４】
また、積層体４およびガスケット５の上下面に加圧板６が形成され、加圧板６は集電体としての機能も兼ね備えている。さらに、加圧板６の４箇所の角部およびガスケット５を貫通する貫通孔７が形成され、貫通孔７内に加圧部材８が挿入され積層体４を加圧するように形成されている。
【００１５】
電極２を構成する活性炭質構造体は、高い比表面積を有する活性炭粒子と、該活性炭粒子を結合するための結合剤として配合され、炭化処理を施された炭素成分とからなるものである。
【００１６】
また、コンデンサの高静電容量を維持しつつ、構造体として必要な強度を得るためには、電極２の比表面積が１０００〜１８００ｍ2 ／ｇであることが望ましい。
【００１７】
なお、結合剤として添加される炭素成分は、活性炭粒子間に存在するが、各活性炭層中に占める割合が、５〜５０重量％であることが望ましく、これにより活性炭粒子間の焼結性および結合性を高めることができる。
【００１８】
また、電極２、２は、板状であることが望ましく、また、電極２、２は、コンデンサ製造時の取り扱いや使用時の振動、衝撃等に耐えうる機械的な信頼性の点でＪＩＳＲ１６０１に準じた室温における３点曲げ強度が３００ｇｆ／ｍｍ2 以上、特に６００ｇｆ／ｍｍ2 以上であることが望ましい。
【００１９】
さらに、電極２、２の厚みは、コンデンサの集電体間の距離が狭くなるほど静電容量が増加することから、１．５ｍｍ以下、特に１．０ｍｍ以下、さらに０．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２０】
電極２中に含浸される電解液としては、硫酸や硝酸等の水溶液や、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、エチレンカーボネート、スルホラン、３−メチルスルホラン等の有機溶媒と４級アンモニウム塩、４級スルホニウム塩、４級ホスホニウム塩等の電解質を組み合わせた有機溶液が使用可能である。
【００２１】
また、セパレータ３は、パルプやポリエチレン、ポリプロピレン等の有機フィルムまたはガラス繊維不織布等およびセラミックス等により形成され、電極２間を絶縁するために形成されるものであるが、電極２内に含有される前記電解液中のイオンを透過させることができる多孔質体により形成される。
【００２２】
一方、加圧板６は、集電体としての機能も兼ね備えており、導電性を有する導電性ブチルゴム、アルミ箔、アルミのプラズマ溶射またはステンレス鋼等の金属等により形成され、電極２との間で電荷をやり取りすることができるが、図１では加圧板６が加圧板として電極２，２およびセパレータ３の積層体４を加圧する作用をなすが、加圧応力の均質化のためには剛性の高い部材からなることが望ましい。
【００２３】
なお、図１においては加圧板６が集電体を兼ねるものであったが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、加圧板６の上下面に別体として形成してもよい。
【００２４】
また、加圧板６の角部には加圧板６と後述するガスケット５を貫通する貫通孔７が形成され、貫通孔７内には加圧部材８が挿入されており加圧部材８によって積層体４および加圧板６を加圧保持してかしめることができる。
【００２５】
加圧部材８としては、ネジ締めや貫通孔内に樹脂を注入後、該樹脂を硬化させて収縮させる等の方法がある。
【００２６】
本発明によれば、加圧板６および加圧部材８によって積層体４に圧力を生ぜしめて積層体４および集電体を兼ねる加圧部材８との密着性を高めることによりコンデンサの内部抵抗を低下させることができる。さらに、前記加圧圧力は１〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2 であることが望ましい。すなわち、上記加圧圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ2 より低いと、積層体４および集電体を兼ねる加圧部材８との密着性が低くコンデンサ１の内部抵抗値が増大するためであり、逆に、上記加圧圧力が１００ｋｇｆ／ｃｍ2 を超えると、部分的に電解液の割合が減少して静電容量が低下するとともに、場合によっては電極２、２やセパレータ３が変形するためである。
【００２７】
また、本発明によれば、略矩形形状の積層体４の各辺を外装することによって形成される概想矩形形状の中心点と前記作用点とを結ぶ線上において、前記積層体４端部と前記中心点とを結ぶ線分の長さが前記概想矩形形状における端部と前記中心点とを結ぶ線分の長さよりも短くすることによって、加圧による応力の集中が低減されるものである。
【００２８】
すなわち、電極２、２とセパレータ３との積層体４の形状が、平面視したとき加圧によって応力が集中する部分に切り欠き部を有することが大きな特徴であり、図２によれば積層体４の角部が曲率半径Ｒが１０ｍｍの円弧状となるように切り欠き部が形成されている。
【００２９】
これにより、上述した圧力でかしめても加圧応力が極端に集中することなく応力の均一化を図ることができ、分極性電極内に含浸される電解液の分布が均一化し分極性電極全体が静電容量発生に寄与できることから、コンデンサとしての静電容量を高めることができ、かつ電極や電解液の変質等を起こさない高信頼性の電気二重層コンデンサを作製することができる。
【００３０】
なお、コンデンサの実装性を高め、分極性電極の面積を増しコンデンサの静電容量を高める上では、角部が曲率半径Ｒが１０〜２０ｍｍとなることが望ましい。
【００３１】
また、本発明によれば、電極２、２とセパレータ３との積層体４の形状が、各辺が１００ｍｍ以上、特に１５０ｍｍ以上の大面積な概略矩形形状からる場合に特に有効である。
【００３２】
さらに、ガスケット５は、電極２，２に含浸される電解液の外部への漏れを防止するとともに、電極２，２、セパレータ３、加圧板６を固定、保護するためのものであり、非導電性の材料、例えば、ポリプロピレン、アクリル等のプラスチックや、ガラス、セラミックス等により形成される。
【００３３】
なお、本発明では、ガスケット６は電極２，２とセパレータ３との積層体４を加圧板によって加圧できる厚みであることが望ましい。
【００３４】
また、図２の電気二重層コンデンサは、角部の形状は曲率半径Ｒが１０ｍｍ以上の円弧状となっているものであったが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図３に示すようなのテーパー状、特に、切り欠き長さ１４〜２８ｍｍのテーパー状であってもよい。
【００３５】
さらに、図４に示すように加圧板６およびガスケット４を貫通する貫通孔１０を加圧板６およびガスケット４の側端部、すなわち辺部に形成し、貫通孔１０内に加圧部材１１を挿入して加圧することもできる。この場合、加圧による応力集中は積層体１２の加圧部材１１に隣接する部分に発生するために積層体１２内には応力が集中する部分に図４に示すような円弧状の切り欠き部を形成することが望ましい。
【００３６】
【実施例】
ＢＥＴ値が２０００ｍ2 ／ｇの活性炭粉末試料１００重量部に対して、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を５０重量部混合して高速混合撹拌機にて撹拌し、得られた粉体を４０メッシュでメッシュパスを行った後、ロール成形によってシート状成形体を作製した。
【００３７】
そして、前記シートから所定の形状にカットして固形状活性電極を形成するための成形体を作製した後、真空中、９００℃で熱処理を行い、厚み０．５ｍｍの表１に示す形状の概略矩形形状の固形状活性炭質構造体を作製した。
【００３８】
得られた固形状活性炭質構造体２枚に対して、１ｍｏｌ／ｌのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ4 ＮＢＦ4 ）の炭酸プロピレン（ＰＣ）溶液を電解液として含浸させた後、ガラス性不織布からなる多孔質セパレータを介して積層し、所定の位置に貫通孔を形成したプラスチック製のガスケット内に収納して、さらに、この上下面に位置に貫通孔を形成したアルミニウム製加圧板を貫通孔が同じ位置となるように積層し、該貫通孔内にボルトとナットでネジ止めし、前記積層体を固定一体化するとともに、表１に示す加圧圧力にてかしめ、図１の電気二重層コンデンサを作製した。
【００３９】
そして、得られた電気二重層コンデンサについて、３．０Ｖの電圧で３０分間充電した後、３ｍＡ／ｃｍ２の電流で定電流放電法にてコンデンサの静電容量（Ｆ）を求めた。また、１ｋＨｚにおける実抵抗を内部抵抗として測定した。結果は表１に示した。なお、試料Ｎｏ．１、２は参考試料である。
【００４０】
【表１】
0003766562.tif 000002
【００４１】
表より明らかなように、切り欠き部を形成しない試料Ｎｏ．３では、角部に電解液の少ない部分が発生し、静電容量が低下した。また、加圧圧力を付与しない試料Ｎｏ．８では、内部抵抗が高いものであった。
【００４２】
これに対し、本発明の範囲内の試料である試料Ｎｏ．１、２、４〜７、９〜１２では、いずれも内部抵抗４０ｍΩ以下の優れた特性を有するものであった。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の電気二重層コンデンサによれば、該コンデンサの内部抵抗値を低減するために付与する加圧の加圧応力が集中する部分に切り欠き部を形成することによって、加圧応力の集中を緩和し応力の均一化が図れ、分極性電極全体が静電容量発生に寄与できるためにコンデンサとしての静電容量を高めることができ、かつ電極や電解液の変質等を起こさない高信頼性の電気二重層コンデンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気二重層コンデンサの概略断面図である。
【図２】本発明の電気二重層コンデンサの概略平面図である。
【図３】本発明の電気二重層コンデンサの他の例を示す平面図である。
【図４】本発明の電気二重層コンデンサのさらに他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１  電気二重層コンデンサ
２  分極性電極
３  多孔質セパレータ
４  積層体
５  ガスケット
６  加圧板
７  貫通孔
８  加圧部材
【図１】
0003766562.tif 000003
【図２】
0003766562.tif 000004
【図３】
0003766562.tif 000005
【図４】
0003766562.tif 000006