(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の集電体部がそれぞれ連結部によって連結された正極用および負極用の導電帯を、各連結部を曲げて正極用および負極用集電体部を交互に積層するとともに、該積層体の各集電体部間に複数の分極性電極および該分極性電極間に設けたセパレータをそれぞれ配設した積層構造体からなる電気二重層コンデンサであって、正極用および負極用の前記連結部が前記積層構造体の側面より異なる向きに突出してなり、かつ前記連結部の幅が前記集電体の幅の０．５以上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】
前記連結部の前記集電体部との境界部での幅を、該集電体部に向かって連続的または段階的に大きく形成したことを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
前記連結部を２つの前記集電体部間に複数本形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
前記正極用集電体部と負極用の前記連結部との間および前記負極用集電体部と正極用の前記連結部との間に絶縁体を配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか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、電気二重層コンデンサに関し、特に高電圧用電源として好適な電気二重層コンデンサ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、電極と電解液と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、コンデンサと電池の両方の機能を兼ね備えたものであり、従来のコンデンサと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等、大容量モータ等の補助電源として注目されている。
【０００３】
かかる電気二重層コンデンサの一般的な例としては、２枚の分極性電極と、該電極間に設けられたセパレータとの積層体の上下面に集電体を配設した構造を一単位セルとして、該セルが複数層積層されてガスケット内に収納され、前記セルが直列に接続される構成からなる。
【０００４】
また、高電圧を要する電源等に用いる場合には、特開平７−９４３７４号公報に開示されるように集電体をガスケットの内壁面に配設された導体層に交互に接続することによって前記セルが並列に接続できることが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の電気二重層コンデンサでは、基本セルを複数個、並列接続することは可能であるが、集電体をガスケットの内壁面に配設された２枚の導体層に電気的に接続する必要があり、接続部での抵抗が大きいために内部抵抗が増大して、大電流を放電した時に大きな電圧降下が生じたり、電流を印加することによって分極性電極が膨張して集電体に大きな変位が生じるため集電体と接続される導体層との接続状態が悪くなる恐れがあった。
【０００６】
そこで、特開平９−７８９３号公報では、厚み２０〜５０μｍの金属箔等からなる連結部を有する２枚の導体帯を交互に重なるように連結部で折り畳んで正・負極用集電体を形成するとともに、該正・負極用導電帯の連結部を接触しないように同じ方向にずらして突出させた構造とすることにより、前記セルを並列に接続でき、かつ上述したような集電体と導体層との接続が不要であることから、内部抵抗が低減できることが開示されている。
【０００７】
しかしながら、このような構成からなる電気二重層コンデンサでは、正・負極用連結部間が接触して、電圧印加時にショートする恐れもあった。また導体帯が薄い金属箔からなり、かつ正・負極用連結部間が接触しないように連結部の幅を狭くしなければならないために、連結部に亀裂が入りやすく内部抵抗が増大したり、場合によっては破断する恐れがあった。
【０００８】
本発明は、高電圧を要する電気二重層コンデンサに適したセルを並列に接続してなる電気二重層コンデンサにおいて、内部抵抗を小さくできるとともに、集電体間の安定した接続状態を維持できる電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記構成の電気二重層コンデンサにおける集電体の配設方法について検討した結果、連結部を有する２枚の導電帯を連結部で交互に折り畳んで並列接続の集電体を形成する電気二重層コンデンサにおいて、正極用および負極用の連結部を前記積層体の側面の異なる向きに突出させることにより、内部抵抗が小さくでき、かつ連結部の幅を広くすることができるために集電体を形成する導体帯の特に連結部に生じるクラックや断線の危険性が低減されることを見いだした。
【００１０】
すなわち、本発明の電気二重層コンデンサは、複数の集電体部がそれぞれ連結部によって連結された正極用および負極用の導電帯を、各連結部を曲げて正極用および負極用集電体部を交互に積層するとともに、該積層体の各集電体部間に複数の分極性電極および該分極性電極間に配設されたセパレータとをそれぞれ配設した積層構造体からなるものであって、正極用および負極用の前記連結部が前記積層構造体の側面より異なる向きに突出してなることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、前記連結部の幅が前記集電体の幅の０．５以上であることが重要であり、前記連結部の前記集電体部との境界部の幅が、該集電体部に向かって連続的または段階的に大きいこと、前記連結部を２つの前記集電体部間に複数本形成したこと、前記正極用集電体部と負極用の前記連結部との間および前記負極用集電体部と正極用の前記連結部との間に絶縁体が配設されてなることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の電気二重層コンデンサ一例について、その概略断面図を示す。図１によれば、電気二重層コンデンサ１は２枚の正・負極用の分極性電極２ａ，２ｂ間にセパレータ３が配設された積層体４の一方の表面に正極用集電体５が配設され、他方の表面には負極用集電体部６が配設されている。
【００１３】
そして、図１によれば、正極用集電体部５、積層体４、負極用集電体部６を１単位のセル７として、複数のセル７が積層された積層構造体１２が形成され、ガスケット８内に収納されており、さらに積層構造体１２の上下面には加圧板１０、１１が配設され、固定部材９によって固定されるとともに、積層構造体１２は加圧板１０、１１によってかしめられている。
【００１４】
また、正極用集電体部５，５間は連結部１５によって連続的に接続され、同様に負極用集電体部６，６間は連結部１６によって連続的に接続され、これによってセル７間は並列に接続されている。なお、図１においては、連結部１６は紙面より前面に配置されるもののみを示し、紙面より裏面に配置されるものは省略した。
【００１５】
本発明によれば、その要部についての組立て工程の一部を示す概略斜視図である図３に示すが、図４に示すような正極用集電体部５と連結部１５とのパターンが交互に形成された導電帯によって形成され、同様に負極用集電体部６と連結部１６とのパターンが交互に形成された導電帯によって形成されており、該２枚の導電帯を連結部１５および１６で曲げて、正極用集電体部部５と負極用集電体部部６とがセル７を介して交互に積層されるようにセル７を挟み込みながら重畳されているが、連結部１５と１６とが積層体４の側面の異なる向きより突出するように２枚の導電帯の向きが異なるように配置して重畳していることが大きな特徴である。
【００１６】
図１では、正極用連結部１５が直方形形状からなる積層構造体１２の対向する２つの側面から対向する２方向に突出し、負極用連結部１６が他の２つの側面から対向する２方向に突出して、正極用連結部１５の２つの突出部を結ぶ直線と負極用連結部１６の２つの突出部を結ぶ直線が直行している。
【００１７】
この構成により連結部１５と１６とが接触してショートすることがないとともに、連結部１５，１６の幅を広くすることができ、連結部の機械的強度が向上することから安定した電気的接続が維持できる。
【００１８】
さらに、図１によれば、積層体４の外周側面の連結部１５、１６突出側面には、集電体５と連結部１６間および集電体部６と連結部１５間の接触を防止するために連結部と接続する集電体間に位置する集電体の側面を含むように、また、所望により該集電体の上下面に位置する積層体の側面に渡って絶縁体１８が配設されている。また、ガスケット中には電解液注入口２０が形成され、封止部材２１によって封止されている。
【００１９】
電気二重層コンデンサ１内の各部分について具体的に説明すると、分極性電極２は活性炭を含有する活性炭質構造体に電解液を含浸した構造からなる。分極性電極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を具備し、また、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ことが望ましいものである。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分極性電極２の比表面積が１０００〜２５００ｍ2 ／ｇであることが望ましい。
【００２０】
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、活性炭層に占める割合が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結合性を高め、構造体の保形性を高めることができる。
【００２１】
さらに、分極性電極２は板状であることが望ましく、その形状は矩形、円形等、特に限定されるものではないが、複数の電気二重層コンデンサを並べたり、他の電子部品との実装密度を高める点では、矩形形状であることが望ましい。
【００２２】
また、分極性電極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０．５ｍｍ以下であることが望ましく、コンデンサの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。
【００２３】
分極性電極２に含浸される電解液としては硫酸や硝酸などの水溶液や、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含有した有機溶液が使用可能である。
【００２４】
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及びセラミックスから選ばれる少なくとも１種により形成され、分極性電極１，２間を絶縁するために形成されるものであるが、分極性電極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。
【００２５】
一方、集電体部５，６は導電性を有する導電性ブチルゴム、アルミ箔、ステンレス鋼、金属繊維、カーボン材料などにより形成され、分極性電極２ａ、２ｂ間で電荷をやり取りするが、電解液に対する耐食性の高い金属を使用することが望ましい。電解液としては、分解電圧が高い有機電解液を用いることが望ましく、また有機電解液は水系電解液に比べてアルミ箔等の金属の劣化を抑制できるというメリットもある。集電体の厚みは電流が集電体の厚み方向に流れて集電体の抵抗により内部抵抗が大きくなるのを防止するためには薄いものが好ましいが組立時の取り扱いなどによる破損を考慮すると０．０１〜０．３０ｍｍ程度が望ましい。
【００２６】
連結部１５，１６は、図４の集電体部および連結部を有する導電帯の模式図に示すように、連結部の集電体部との境界における幅を連続的にあるいは段階的に変化させることが望ましく、具体的には（ａ）連結部の集電体部との境界部にテーパーをつける方法、（ｂ）連結部の集電体部との境界部が、例えば曲率半径Ｒが０．５〜２ｍｍの曲線部をつける方法が挙げられ、これにより、特に亀裂が生じやすい境界部での亀裂の発生を抑制することができる。また、（ｃ）のように連結部を２本以上形成してもよく、これにより、例え１本が断線した場合でも残りの連結部によって電気的な接続を維持することができる。
【００２７】
さらに、積層体４が円板状である場合、（ｄ）のような円形の集電体部と連結部を用いればよい。
【００２８】
加圧部材１０，１１は積層したセル７間を上下より加圧、固定する作用をなすが、加圧応力の均一化のためには剛性の高い金属板からなることが望ましい。また、図１に示すように、加圧部材１０，１１を外部回路への接続電極としての機能を兼ね備えた導電性を有する金属板等としてもよい。
【００２９】
また、加圧部材１０，１１の角部４箇所には加圧部材１０，１１とガスケット８を貫通する貫通孔が形成され、貫通孔内には固定部材９が挿入されており、この固定部材９によって積層した複数のセル７及び加圧部材１０，１１を加圧保持してかしめることができる。また、固定部材９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などの方法がある。
【００３０】
さらに、ガスケット８は、分極性電極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、セル７を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、アクリルなどのプラスチックやガラス、セラミックスなどにより形成される。
【００３１】
また、積層体４の外周側面の連結部１５、１６突出側面に、集電体部５と連結部１６間および集電体６と連結部１５間の接触を防止するために形成された絶縁体１８は、絶縁性の高く、応力に対して緩和できる弾性体材料であるものが好適であり、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム、等からなり、絶縁性の接着剤にて接着固定すればよい。
【００３２】
また、図１では、セル７が矩形形状であったが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、セル７が円形であってもよく、この場合、連結部１５、１６は、それぞれ対向する２方向に形成され、また、この場合には、２方向の連結部１５，１５とを結ぶ直線と、２方向の連結部１６，１６とを結ぶ直線が交差する角度が９０°より小さく形成してもよい。
【００３３】
【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攪拌機にて攪拌し、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。
【００３４】
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、１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ矩形形状の固形状活性炭質構造体を作製した。
【００３５】
一方、１００ｍｍ×５０ｍｍの集電体部１６個間に、幅５０ｍｍ×長さ６．５ｍｍの連結部が配置された厚さ５０μｍのアルミ箔からなる導電帯と、５０ｍｍ×１００ｍｍの集電体部１６個間に、幅５０ｍｍ×長さ６．５ｍｍの連結部が配置された厚さ５０μｍのアルミ箔からなる導電帯を準備し、集電体部が重なるように該２枚の導電帯を垂直に配置して、前記２枚の集電体間に上記の固形状活性炭質構造体、ポリオレフィン系の抄紙からなるセパレータ、上記の固形状活性炭質構造体からなる積層体を配設した。
【００３６】
そして、上記２枚の導電帯をうちの正極用集電体部の表面に前記積層体を積層し、さらに負極用集電体部を形成するための導電帯の連結部を円弧を描くように折り曲げて、負極用集電体部を前記積層体の上面に積層した。同様に、前記負極用集電体部の表面に前記積層体を積層し、さらに正極用集電体部を形成するための導電帯の連結部を円弧を描くように折り曲げて、正極用集電体部を前記積層体の上面に積層した。
【００３７】
そして、この積層を同様に繰り返して１６枚の積層体を正極用集電体部−積層体−負極用集電体部−積層体となるように積層した。また、正極用集電体部と負極用連結部、および負極用集電体部と正極用連結部との間がショートしないように、積層体と正極用集電体部との負極用連結部形成面、および積層体と負極用集電体部との正極用連結部形成面に０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×１００ｍｍのシリコーンゴムを挿入し、接着剤によって接着固定した。
【００３８】
これを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、ガスケットの上下面にアルミニウム板製加圧部材で挟み、ボルトとナットでネジ止めし、前記積層体と集電体とを固定一体化するとともに加圧圧力として１００ｋｇｆ／ｃｍ2 となるようかしめた。
【００３９】
これを真空雰囲気下で１００℃で乾燥した後、ガスケットに設けた電解液注入口から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）溶液を注入し、固形状活性炭質構造体内に電解液を含浸させた。
【００４０】
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を算出したところ４０Ｆ／ｇであった。また、１ｋＨｚにおけるインピーダンスを内部抵抗として測定した結果、８ｍΩであった。
【００４１】
（比較例）
実施例における２枚の導電帯での連結部の幅を１５ｍｍとし、２枚の導電帯が同じ向きとなるように配置して実施例と同様に積層し、正極用集電体部の連結部と負極用集電体部の連結部とが前記２枚の固形状活性炭質構造体とセパレータとの積層体の同じ側面に接触しないように突出させて形成する以外は実施例と全く同様にして電気二重層コンデンサを作製したところ、集電体部と連結部との境界の一部で亀裂が発生し、静電容量３５Ｆ／ｇ、内部抵抗３５０ｍΩとなった。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の電気二重層コンデンサでは、集電体部および連結部を有する正極用および負極用の２枚の導電帯を重畳して正極用および負極用集電体部を形成することによって、セル間を並列に接続でき、集電体間の接続抵抗を低めて内部抵抗を低減できるとともに、連結部間の接触によるショートを回避できる。また、連結部の幅を広くできることから、連結部の亀裂を防止して、安定した電気的接続を維持することができる。さらに、連結部の集電体部との境界部の幅を連続的または段階的に変化させるかまたは複数本形成することにより、さらに連結部の亀裂を低減することができる。
【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一例についての概略断面図である。
【図２】図１の電気二重層コンデンサの一部拡大図である。
【図３】本発明の電気二重層コンデンサにおける製造工程の一例を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の電気二重層コンデンサを形成するための導電帯の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・電気二重層コンデンサ
２・・・分極性電極
３・・・セパレータ
４・・・積層体
５・・・正極用集電体部
６・・・負極用集電体部
７・・・セル
８・・・ガスケット
９・・・固定部材
１０、１１・・加圧部材
１２・・・積層構造体
１５・・・正極用連結部
１６・・・正極用連結部
１８・・・絶縁体
２０・・・電解液注入口
２１・・・封止部材
【図１】
0003784205.tif 000002
【図２】
0003784205.tif 000003
【図３】
0003784205.tif 000004
【図４】
0003784205.tif 000005