(57)【要約】  第１の端子を有する第１のウルトラキャパシタと、第２の端子を有する第２のウルトラキャパシタと、相互接続ストリップとを含むモジュールが提供される。相互接続ストリップは、第１の取付けセクションと第２の取付けセクションとの間に位置決めされた中央セクションを含む。第１のウルトラキャパシタの第１の端子はストリップの第１の取付けセクションに接続され、第２のウルトラキャパシタの第２の端子はストリップの第２の取付けセクションに接続される。さらに、中央セクションは、可撓性導電材料から形成される。【選択図】図１
2020526039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子を有する第１のウルトラキャパシタと、
第２の端子を有する第２のウルトラキャパシタと、
第１の取付けセクションと第２の取付けセクションとの間に位置決めされた中央セクションを含む相互接続ストリップであって、前記第１のウルトラキャパシタの前記第１の端子が前記ストリップの前記第１の取付けセクションに接続され、前記第２のウルトラキャパシタの前記第２の端子が前記ストリップの前記第２の取付けセクションに接続され、さらに、前記中央セクションが可撓性導電材料から形成される、相互接続ストリップと
を含むモジュール。
【請求項２】
前記可撓性導電材料が、１つまたは複数のワイヤ、編組物、コイル、シート、バー、またはそれらの組合せの形態である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記可撓性導電材料が編組物の形態である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記可撓性導電材料が、銅、スズ、ニッケル、アルミニウム、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記ストリップの長さに対する前記中央セクションの長さの比が、約０．６から約０．９５である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記中央セクションの前記長さが約５０から約５００ミリメートルであり、前記ストリップの前記長さが約６０から約６００ミリメートルである、請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記ストリップの幅が約１から約５０ミリメートルである、請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
前記ストリップの厚さが約０．０５から約１０ミリメートルである、請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記第１の取付けセクションが、前記第１の端子が受け取られる第１の開口を画定し、前記第２の取付けセクションが、前記第２の端子が受け取られる第２の開口を画定する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
締結デバイスが、前記第１の取付けセクションを前記第１の端子に接続し、前記第２の取付けセクションを前記第２の端子に接続する、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記第１の取付けセクションが前記第１の端子に溶接され、前記第２の取付けセクションが前記第２の端子に溶接される、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記第１の端子および前記第２の端子が反対の極性を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記モジュールが８個から３０個のウルトラキャパシタを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記ウルトラキャパシタのそれぞれが、
第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされたセパレータを含む電極アセンブリと、
前記第１の電極および前記第２の電極にイオン接触する非水性電解質と、
前記電極アセンブリおよび前記電解質が含まれるハウジングと
を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記第１の電極が、第１の炭素質コーティングに電気的に結合された第１の集電子を含み、前記第２の電極が、第２の炭素質コーティングに電気的に結合された第２の集電子を含む、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記第１の集電子および前記第２の集電子が、それぞれ、導電性金属を含む基材を含む、請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記導電性金属が、アルミニウムまたはその合金である、請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記第１の炭素質コーティング、前記第２の炭素質コーティング、または両方が、活性炭粒子を含有する、請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記セパレータがセルロース繊維材料を含む、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記電極アセンブリがジェリーロール構成を有する、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２１】
前記非水性電解質が、非水性溶媒に溶解したイオン性液体を含有し、前記イオン性液体がカチオン性種および対イオンを含有する、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２２】
前記非水性溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトリル、またはそれらの組合せを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項２３】
前記カチオン性種が、有機第四級アンモニウム化合物を含む、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２４】
前記ハウジングが、基部と開口端とを有する容器を含み、蓋が前記開口端に隣接して配設され、さらに、前記電極アセンブリがハウジング内に位置決めされる、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２５】
前記容器が金属から形成される、請求項２４に記載のモジュール。
【請求項２６】
前記容器が、円筒形状を有する、請求項２４に記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１７年６月３０日の出願日を有する米国特許仮出願第６２／５２７，３４５号の出願の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギー貯蔵セルは、電子、電気機械、電気化学、およびその他の有用なデバイスに電力を提供するのに広く使用される。例えば、電気二重層ウルトラキャパシタは、一般に、液体電解質を含浸させた炭素粒子（例えば、活性炭）を含有する１対の分極性電極を用いる。粒子の有効表面積と、電極間の小さい間隔とに起因して、大きいキャパシタンス値が実現され得る。特定の場合には、個々の二重層コンデンサが一緒に組み合わされて、出力電圧を高めたまたはエネルギー容量を増加させたモジュールを形成することができる。モジュール内のコンデンサは、一般に、端子に溶接されたバスバーによって一緒に接続される。しかし、そのようなモジュールに関する１つの問題は、設置または使用の間に生じることがある振動力に比較的敏感であることである。即ち、強い振動力は、時には、接続を損傷するかまたはさらに破壊することがあり、それは不十分な電気性能をもたらすことがある。そのため、電気性能を犠牲にすることなく多種多様な条件に耐えることができるウルトラキャパシタモジュールが現在求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の１つの実施形態によれば、第１の端子を有する第１のウルトラキャパシタと、第２の端子を有する第２のウルトラキャパシタと、相互接続ストリップとを含むモジュールが開示される。相互接続ストリップは、第１の取付けセクションと第２の取付けセクションとの間に位置決めされた中央セクションを含む。第１のウルトラキャパシタの第１の端子はストリップの第１の取付けセクションに接続され、第２のウルトラキャパシタの第２の端子はストリップの第２の取付けセクションに接続される。さらに、中央セクションは、可撓性導電材料から形成される。
【０００４】
本発明のその他の特徴および態様について、以下に、さらに詳細に述べる。
当業者を対象にした本発明の完全かつ可能な開示を、その最良の形態も含めて、添付される図を参照しながら本明細書の残りの部分でより詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明のモジュールの１つの実施形態の一部分を示す斜視図である。
【図２】図１のモジュールの上面図である。
【図３】本発明のモジュールで用いられ得る相互接続ストリップの１つの実施形態の上面図である。
【図４】本発明のモジュールで用いられ得るウルトラキャパシタの１つの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書および図面における参照符号の反復使用は、本発明の同じまたは類似の形体または要素を表すものとする。
当業者なら、本考察が単なる例示的な実施形態の記載であり、例示的な構造に具体化される本発明のより広い態様を、限定するものではないことを理解されたい。
【０００７】
一般的に言えば、本発明は、第１の端子（例えば、正端子）を有する第１のウルトラキャパシタと、第２の端子（例えば、正または負端子）を有する第２のウルトラキャパシタとを含むモジュールに関する。ウルトラキャパシタの第１および第２の端子は相互接続ストリップに一緒に接続され、相互接続ストリップの少なくとも一部分は可撓性導電材料から形成される。例えば、相互接続ストリップは、典型的には、中央セクションを含み、中央セクションは、ストリップの対向する端部に配置された第１の取付けセクションと第２の取付けセクションとの間に位置決めされる。これらのセクションの形状およびこれらのセクションが形成される手法を選択的に制御することによって、中央セクションは、振動力が加えられたときに１つまたは複数の方向に変形することができるという点で可撓性にされ得る。このようにして、モジュールは、多種多様な条件下で良好な電気的性質を維持することができる。
【０００８】
図３を参照すると、相互接続ストリップ１１０のある特定の実施形態がより詳細に示される。図示のように、ストリップ１１０は、第１の取付けセクション１１６と第２の取付けセクション１１８との間に位置決めされた中央セクション１１２を含む。中央セクション１１２は、当技術分野で周知の様々な技法を使用して可撓性にされ得る。例えば、ある実施形態では、中央セクション１１２は、１つまたは複数のワイヤ、編組物（ｂｒａｉｄ）、コイル、シート、バーなどの形態である可撓性導電材料から形成され得る。例えば、１つの実施形態では、可撓性導電材料は、１つまたは複数の薄い導電層を含むシートの形態であってもよい。しかし、別の実施形態では、図３に示されるように、可撓性導電材料は編組物１１４の形態であってもよい。その形態に関係なく、銅、スズ、ニッケル、アルミニウムなどならびに合金および／またはコーティングされた金属などの様々な異なる導電材料のいずれかが用いられてもよい。所望の場合には、導電材料は、任意選択で、シース材料を用いて絶縁されてもよい。
【０００９】
可撓性導電材料の材料および形態を制御することに加えて、中央セクション１１２の形状が、さらに、所望の程度の柔軟性を与えるのを助けるために制御されてもよい。例えば、ストリップの長さ（「Ｌ２」）に対する中央セクション１１２の長さ（「Ｌ１」）の比は、一般に、約０．６から約０．９５の範囲、実施形態によっては約０．７から約０．９の範囲、実施形態によっては約０．７５から約０．８５の範囲の中に入るように選択される。中央セクション１１２の長さは、例えば、約５０から約５００ミリメートルに、実施形態によっては約７０から約４００ミリメートルに、実施形態によっては約８０から約３００ミリメートルにわたることができ、一方、ストリップ１１０全体の長さは、約６０から約６００ミリメートル、実施形態によっては約８０から約５００ミリメートル、実施形態によっては約１００から約４００ミリメートルとすることができる。ストリップの幅「Ｗ」は、同様に、約１から約５０ミリメートル、実施形態によっては約５から約４０ミリメートル、実施形態によっては約１０から約２０ミリメートルにわたることができ、一方、厚さまたは高さは、約０．０５から約１０ミリメートル、実施形態によっては約０．１から約８ミリメートル、実施形態によっては約０．５から約５ミリメートルにわたることができる。
【００１０】
相互接続ストリップ１１０がウルトラキャパシタに取り付けられる手法は、当技術分野で周知のように様々であってもよい。例えば、１つの実施形態では、第１の取付けセクション１１６は第１の開口１６２を画定し、第２の取付けセクション１１８は第２の開口１６４を画定する。開口１６２および１６４は、一般に、異なるウルトラキャパシタの端子を受け取るように構成される。図１〜図２を参照すると、例えば、相互接続ストリップ１１０の取付けセクション１１６および１１８によって一緒に接続された第１のウルトラキャパシタ１２０および第２のウルトラキャパシタ１３０を含むモジュール１００が示される。より詳細には、図示の実施形態では、第１のウルトラキャパシタ１２０の端子（図示せず）は、開口１６２に挿入され、締結デバイス（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）１５０によりストリップ１１０に連結される。同様に、第２のウルトラキャパシタ１３０の端子（図示せず）は、開口１６４に挿入され、締結デバイス１５０と同じであっても異なっていてもよい別の締結デバイス１６０によりストリップ１１０に連結される。好適な締結デバイスは、例えば、ナット、ワッシャ、ボルト、ねじ、圧縮もしくは伸縮取付具（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｏｒ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｆｉｔｔｉｎｇ）などを含むことができる。所望の場合には、締結デバイスは、ストリップがウルトラキャパシタにしっかりと連結されるのを保証するために、取付けセクションにさらに接合される（例えば、溶接される、粘着的に取り付けられる、超音波によって接合される、など）ことが可能である。当然、代替実施形態では、締結デバイスは除かれてもよく、ストリップは、溶接などによる他の技法を単独で使用して連結されてもよい。当技術分野で周知のように、ウルトラキャパシタは、所望の特定の性質に応じて、直列にまたは並列に電気的に一緒に接続され得る。例えば、ウルトラキャパシタは、あるウルトラキャパシタの特定の極性（例えば、正）の端子が別のウルトラキャパシタの反対の極性（例えば、負）の端子に接続されるように直列に電気的に接続され得る。図１〜図２において、例えば、正端子は第１のウルトラキャパシタ１２０の頂部１２２から延びることができ、負端子は第２のウルトラキャパシタ１３０の底部１３２から延びることができる。
【００１１】
図１〜図２に示されたモジュール１００は、本発明に従って一緒に接続された２つのウルトラキャパシタを含む。当然、モジュールは、例えば、４個以上、実施形態によっては６個以上、実施形態によっては８個から３０個の個々のウルトラキャパシタなどの追加のウルトラキャパシタを含んでもよいことを理解されるべきである。追加のウルトラキャパシタは、相互接続ストリップを使用してまたは他の技法によって接続され得る。例えば、図３に示された相互接続ストリップ１１０は、さらに、第３および第４のウルトラキャパシタを一緒に接続するために用いられてもよい。そのような実施形態では、第１のウルトラキャパシタ１２０の底部（例えば、図示せず）に配置された負端子は、第３のウルトラキャパシタの正端子に接続されてもよく、第２のウルトラキャパシタ１３０の頂部（図示せず）に配置された正端子は、第４のウルトラキャパシタの負端子に接続されてもよい。当然、当業者によって理解されるように、ウルトラキャパシタの特定の数とそれらが接続される手法とは、モジュールの所望の電気的性質に依存することになる。
【００１２】
様々な異なる個々のウルトラキャパシタのいずれも、一般に、本発明のモジュールで用いられ得る。しかし、一般的に言えば、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリと、ハウジング内に含まれ任意選択で気密封止された電解質とを含む。電極アセンブリは、例えば、第１の集電子に電気的に結合された第１の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第１の電極と、第２の集電子に電気的に結合された第２の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第２の電極とを含むことができる。所望の場合には、特にウルトラキャパシタが多数のエネルギー貯蔵セルを含む場合には、追加の集電子を用いてもよいことが理解されるべきである。集電子は、同じまたは異なる材料から形成されてもよい。それにも関わらず、各集電子は、典型的には、導電性金属、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銀、パラジウムなど、ならびにこれらの合金を含む基材から形成される。アルミニウムおよびアルミニウム合金は、本発明で使用するのに特に適切である。基材は、箔、シート、プレート、メッシュなどの形をとってもよい。基材は、比較的小さい厚み、例えば約２００マイクロメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約８０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約５０マイクロメートルを有していてもよい。決して必要というわけではないが、基材の表面は、洗浄、エッチング、ブラスト処理などによって任意選択で粗くしてもよい。
【００１３】
第１および第２の集電子には、第１および第２の炭素質コーティングもそれぞれ電気的に連結される。それらは同じまたは異なるタイプの材料から形成されてもよく、１つまたは複数の層を含んでいてもよいが、炭素質コーティングのそれぞれは一般に、活性化粒子を含む少なくとも１つの層を含む。例えば、ある実施形態では、活性炭層を集電子上に直接位置決めしてもよく、任意選択で、炭素質コーティングの唯一の層であってもよい。好適な活性炭粒子の例としては、例えば、ヤシ殻をベースにした活性炭、石油コークスをベースにした活性炭、ピッチをベースにした活性炭、ポリ塩化ビニリデンをベースにした活性炭、フェノール樹脂をベースにした活性炭、ポリアクリロニトリルをベースにした活性炭、および石炭、木炭、またはその他の天然有機源などの天然源からの活性炭を挙げることができる。
【００１４】
ある実施形態では、活性炭粒子のある態様、例えばそれらの粒度分布、表面積、および孔径分布を選択的に制御することにより、１回または複数回の充放電サイクルに供された後の、あるタイプの電解質に関するイオン移動度を改善するのを助けることが望ましいと考えられる。例えば、粒子の少なくとも５０体積％（Ｄ５０サイズ）は、約０．０１から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．１から約２０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．５から約１０マイクロメートルの範囲のサイズを有してもよい。粒子の少なくとも９０体積％（Ｄ９０サイズ）は同様に、約２から約４０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約６から約１５マイクロメートルの範囲のサイズを有してもよい。ＢＥＴ表面は、約９００ｍ２／ｇから約３，０００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１，０００ｍ２／ｇから約２，５００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１，１００ｍ２／ｇから約１，８００ｍ２／ｇに及んでもよい。
【００１５】
あるサイズおよび表面積を有することに加え、活性炭粒子は、あるサイズ分布を有するある細孔を有してもよい。例えば、サイズが約２ナノメートル未満の細孔（即ち、「ミクロ細孔」）の量は、全細孔体積の約５０体積％以下、いくつかの実施形態では約３０体積％以下、いくつかの実施形態では０．１体積％から１５体積％の細孔体積を提供し得る。サイズが約２ナノメートルから約５０ナノメートルの間の細孔（即ち、「メソ細孔」）の量は同様に、約２０体積％から約８０体積％、いくつかの実施形態では約２５体積％から約７５体積％、いくつかの実施形態では、約３５体積％から約６５体積％であってもよい。最後に、サイズが約５０ナノメートルよりも大きい細孔（即ち、「マクロ細孔」）の量は、約１体積％から約５０体積％、いくつかの実施形態では約５体積％から約４０体積％、いくつかの実施形態では約１０体積％から約３５体積％であってもよい。炭素粒子の全細孔体積は、約０．２ｃｍ３／ｇから約１．５ｃｍ３／ｇ、いくつかの実施形態では約０．４ｃｍ３／ｇから約１．０ｃｍ３／ｇの範囲であってもよく、メジアン細孔幅は、約８ナノメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約５ナノメートル、いくつかの実施形態では約２から約４ナノメートルであってもよい。孔径および全細孔体積は、窒素吸着を使用して測定され、当技術分野で周知のＢａｒｒｅｔｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａ（「ＢＪＨ」）技法によって分析されてもよい。
【００１６】
所望の場合には、結合剤は、第１および／または第２の炭素質コーティング中、炭素１００部当たり約６０部以下の量で、いくつかの実施形態では４０部以下で、いくつかの実施形態では約１から約２５部の量で存在してもよい。結合剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成してもよい。様々な適切な結合剤のいずれかを、電極に使用することができる。例えば、水不溶性有機結合剤は、スチレン−ブタジエンコポリマー、ポリ酢酸ビニルホモポリマー、酢酸ビニル−エチレンコポリマー、酢酸ビニル−アクリルコポリマー、エチレン−塩化ビニルコポリマー、エチレン−塩化ビニル−酢酸ビニルターポリマー、アクリルポリ塩化ビニルポリマー、アクリルポリマー、ニトリルポリマー、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリフッ化ビニリデンなどのフルオロポリマー、ポリオレフィンなど、ならびにこれらの混合物などが、ある実施形態で用いられてもよい。水不溶性有機結合剤は、多糖およびその誘導体などが用いられてもよい。ある特定の実施形態では、多糖は、非イオン性セルロースエーテル、例えばアルキルセルロースエーテル（例えば、メチルセルロースおよびエチルセルロース）；ヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルセルロースなど）；アルキルヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、メチルヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシプロピルセルロース、メチルエチルヒドロキシエチルセルロース、およびメチルエチルヒドロキシプロピルセルロース）；カルボキシアルキルセルロースエーテル（例えば、カルボキシメチルセルロース）；および同様のもの、ならびに前述のいずれかのプロトン化塩、例えばナトリウムカルボキシエチルセルロースであってもよい。
【００１７】
第１および／または第２の炭素質コーティングの活性炭層内に、および／または第１および／または第２の炭素質コーティングのその他の層内に、その他の材料を用いてもよい。例えば、ある実施形態では、導電性促進剤を用いて、導電率をさらに増大させてもよい。例示的な導電性促進剤としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛（天然または人工）、黒鉛、カーボンナノチューブ、ナノワイヤまたはナノチューブ、金属ファイバ、グラフェンなど、ならびにこれらの混合物を挙げることができる。カーボンブラックが特に好適である。用いられる場合、導電性促進剤は、典型的には、炭素質コーティング中の活性炭粒子１００部当たり、約６０部以下、いくつかの実施形態では４０部以下、いくつかの実施形態では約１から約２５部を構成する。導電性促進剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の、約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成してもよい。活性炭粒子は同様に、典型的には、炭素質コーティングの８５重量％以上、いくつかの実施形態では約９０重量％以上、いくつかの実施形態では約９５重量％から約９９．５重量％を構成する。
【００１８】
炭素質コーティングを集電子に塗布する特定の手法は、印刷（例えば、輪転グラビア）、噴霧、スロット−ダイコーティング、ドロップコーティング、浸漬コーティングなど、当業者に周知のように様々であってもよい。塗布する手法とは無関係に、約１００℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約３００℃から約５００℃の温度などで、コーティングから水分が除去されるように、得られる電極を典型的には乾燥させる。電極は、ウルトラキャパシタの体積効率を最適化するために、圧縮され（例えば、カレンダ加工され）てもよい。いずれかの任意選択の圧縮後、各炭素質コーティングの厚さは一般に、ウルトラキャパシタの所望の電気性能および動作範囲に基づいて変化してもよい。しかし典型的には、コーティングの厚さは、約２０から約２００マイクロメートル、３０から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約４０から約１００マイクロメートルである。コーティングは、集電子の片面または両面に存在してもよい。それにも関わらず、電極全体（任意選択の圧縮後の集電子および炭素質コーティング（複数可）を含む）の厚さは、典型的には約２０から約３５０マイクロメートルの範囲内、いくつかの実施形態では約３０から約３００マイクロメートルの範囲内、いくつかの実施形態では約５０から約２５０マイクロメートルの範囲内である。
【００１９】
電極アセンブリは、典型的には、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされたセパレータも含む。所望の場合には、他のセパレータが、さらに、電極アセンブリで用いられてもよい。例えば、１つまたは複数のセパレータは、第１の電極、第２の電極、またはその両方の上に位置決めされてもよい。セパレータは、１つの電極を別の電極から電気的に隔離して、電気的短絡を防止するのを助けることが可能であるが、依然として２つの電極間でイオン輸送がなされる。例えば、ある実施形態では、セパレータは、セルロース繊維材料（例えば、エアレイドペーパーウェブ、湿式ペーパーウェブなど）、不織繊維材料（例えば、ポリオレフィン不織ウェブ）、織布、フィルム（例えば、ポリオレフィンフィルム）などを含むものが用いられてもよい。セルロース繊維材料は、天然繊維、合成繊維などを含有するものなどが、ウルトラキャパシタで使用するのに特に適している。セパレータで使用するのに適したセルロース繊維の特定の例としては、例えば、広葉樹パルプ繊維、針葉樹パルプ繊維、レーヨン繊維、再生セルロース繊維などを挙げることができる。用いられる特定の材料とは無関係に、セパレータは、典型的には約５から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約２０から約８０マイクロメートルの厚さを有する。
【００２０】
電極アセンブリの構成要素が一緒に組み合わされる手法は、当技術分野で周知のように様々であってもよい。例えば、電極およびセパレータを最初に折り畳み、巻き上げ、またはその他の手法で一緒に接触させて、電極アセンブリを形成してもよい。ある特定の実施形態では、電極、セパレータ、および任意選択の電解質を巻き上げて、「ジェリーロール」構成を有する電極アセンブリにしてもよい。
【００２１】
ウルトラキャパシタを形成するために、電解質は、電極およびセパレータを一緒に組み合わせて電極アセンブリを形成する前に、組み合わされる間に、および／または組み合わされた後に、第１の電極および第２の電極にイオン接触して配置される。電解質は、一般に、その性質が非水性であり、したがって少なくとも１種の非水性溶媒を含有する。ウルトラキャパシタの動作温度範囲を拡げるのを助けるため、典型的には、非水性溶媒が比較的高い沸騰温度、例えば約１５０℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約２２０℃から約３００℃を有することが望ましい。特に好適な高沸点溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート溶媒を挙げることができる。当然ながら、その他の非水性溶媒を、単独でまたは環状カーボネート溶媒と組み合わせて用いてもよい。そのような溶媒の例としては、例えば、開鎖カーボネート（例えば、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなど）、脂肪族モノカルボキシレート（例えば、酢酸メチル、プロピオン酸メチルなど）、ラクトン溶媒（例えば、ブチロラクトン、バレロラクトンなど）、ニトリル（例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリルなど）、アミド（例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリジノン）、アルカン（例えば、ニトロメタン、ニトロエタンなど）、硫黄化合物（例えば、スルホラン、ジメチルスルホキシドなど）；および同様のものを挙げることができる。
【００２２】
電解質は、非水性溶媒に溶解された少なくとも１種のイオン性液体を含有してもよい。イオン性液体の濃度は変えることができるが、典型的には、イオン性液体は比較的高い濃度で存在することが望ましい。例えば、イオン性液体は、電解質リットル当たり約０．８モル（Ｍ）以上の量、いくつかの実施形態では約１．０Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．２Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．３から約１．８Ｍの量で存在してもよい。
【００２３】
イオン性液体は、一般に、比較的低い融解温度、例えば約４００℃以下、いくつかの実施形態では約３５０℃以下、いくつかの実施形態では約１℃から約１００℃、いくつかの実施形態では約５℃から約５０℃を有する塩である。塩は、カチオン種および対イオンを含有する。カチオン性種は、「カチオン中心」として少なくとも１個のヘテロ原子（例えば、窒素またはリン）を有する化合物を含有する。そのようなヘテロ原子化合物の例としては、例えば、非置換または置換有機第四級アンモニウム化合物、例えばアンモニウム（例えば、トリメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウムなど）、ピリジニウム、ピリダジニウム、ピラミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム、チアゾリウム、キノリニウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、２個以上の環がスピロ原子（例えば、炭素、ヘテロ原子など）によって一緒に接続されている第四級アンモニウムスピロ化合物、第四級アンモニウム縮合環（例えば、キノリニウム、イソキノリニウムなど）、および同様のものが挙げられる。例えば、ある特定の実施形態では、カチオン性種はＮ−スピロ二環式化合物、例えば環式環を有する対称または非対称Ｎ−スピロ二環式化合物であってもよい。そのような化合物の一例は、下記の構造：
【００２４】
【化１】
2020526039.tif 000003
【００２５】
［式中、ｍおよびｎは独立して３から７の数であり、いくつかの実施形態では４から５である（例えば、ピロリジニウムまたはピペリジニウム）である］
を有する。
【００２６】
同様に、陽イオン性種に好適な対イオンとしては、ハロゲン（例えば、塩化物、臭化物、ヨウ化物など）；スルフェートまたはスルホネート（例えば、硫酸メチル、硫酸エチル、硫酸ブチル、硫酸ヘキシル、硫酸オクチル、硫酸水素、スルホン酸メタン、スルホン酸ドデシルベンゼン、ドデシルスルフェート、スルホン酸トリフルオロメタン、ヘプタデカフルオロオクタンスルホネート、ドデシルエトキシ硫酸ナトリウムなど）；スルホスクシネート；アミド（例えば、ジシアナミド）；イミド（例えば、ビス（ペンタフルオロエチル−スルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチル）イミドなど）；ボレート（例えば、テトラフルオロボレート、テトラシアノボレート、ビス［オキサラト］ボレート、ビス［サリチラト］ボレートなど）；ホスフェートまたはホスフィネート（例えば、ヘキサフルオロホスフェート、ジエチルホスフェート、ビス（ペンタフルオロエチル）ホスフィネート、トリス（ペンタフルオロエチル）−トリフルオロホスフェート、トリス（ノナフルオロブチル）トリフルオロホスフェートなど）；アンチモネート（例えば、ヘキサフルオロアンチモネート）；アルミネート（例えば、テトラクロロアルミネート）；脂肪酸カルボキシレート（例えば、オレエート、イソステアレート、ペンタデカフルオロオクタノエートなど）；シアネート；アセテート；および同様のもの、ならびに前述のいずれかの組合せを挙げることができる。
【００２７】
好適なイオン性液体のいくつかの例としては、例えば、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、ヨウ化スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、ヨウ化トリエチルメチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウムなどを挙げることができる。
【００２８】
上記のように、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリおよび電解質が保持され任意選択で気密封止されたハウジングも含む。ハウジングの性質は、所望に応じて変化してもよい。一実施形態では、例えばハウジングは、タンタル、ニオブ、アルミニウム、ニッケル、ハフニウム、チタン、銅、銀、鋼（例えば、ステンレス）、これらの合金、これらの複合体（例えば、導電性酸化物でコーティングされた金属）、および同様のものから形成されるような、金属容器（「カン」）を含んでいてもよい。アルミニウムが、本発明で使用するのに特に好適である。金属容器は、円筒状、Ｄ字形などの様々な異なる形状のいずれかを有してもよい。円筒形状の容器が特に好適である。
【００２９】
例えば、図４を参照すると、ウルトラキャパシタで用いられ得るハウジングの１つの実施形態がより詳細に示される。この特定の実施形態では、ハウジングは、基部３０００および開口端（ｏｐｅｎ  ｅｎｄ）３２００を画定する金属容器２１２２（例えば、円筒形状のカン）を含む。ハウジングを密封するために、蓋２１１８が、開口端３２００の上に配設され、容器２１２２に取り付けられる（例えば、溶接される）。蓋２１１８は第１のコレクタディスク２１１４を含むことができ、第１のコレクタディスク２１１４は、ディスク形状部分２１３４、スタッド部分２１３６、および留め具２１３８（例えば、ねじ）を含む。コレクタディスク２１１４は、電極アセンブリ１０の中心に形成された中空コア２１６０の第１の端部に位置合わせされ、次いで、スタッド部分２１３６がコアの開口に挿入され、その結果、スタッド部分２１３６は第２の集電子４０に接触する。このようにして、第２の集電子４０は、蓋２１１８に電気接触して配置される。留め具２１３８は、さらに、第１の端子２１１６に結合されてもよい（例えば、ねじ式に接続される）。金属容器２１２２は、同様に、第２のコレクタディスク２１２０を含むことができ、第２のコレクタディスク２１２０は、ディスク形状部分２１４２、スタッド部分２１４０、および第２の端子２１４４を含む。第２のコレクタディスク２１２０は、中空コア２１６０の第２の端部に位置合わせされ、次いで、スタッド部分２１４０がコアの開口に挿入され、その結果、スタッド部分２１４０は集電子２０に接触する。このようにして、第１の集電子２０は、基部３０００に電気接触して配置される。形成された後、端子２１４４および２１１６は、上述のように１つまたは複数の追加のウルトラキャパシタに接続されてもよい。例えば、端子２１４４（例えば、正）は、第２のウルトラキャパシタの反対極性（例えば、負）の端子に接続されてもよく、一方、端子２１１６（例えば、負）は、第３のウルトラキャパシタの反対極性（例えば、正）の端子に接続されてもよい。
【００３０】
図には示されていないが、ウルトラキャパシタおよびモジュールは、平衡回路を含むこともできる。一般に、平衡回路は、漏れ電流などの電流が過電圧によって他のウルトラキャパシタに損傷をもたらすのを防止するために用いられる。そのような平衡は、各ウルトラキャパシタの両端の電圧が実質的に同じであるように調整するのを助けることができる。モジュールおよび平衡回路は、フィードバックループによって与えられる信号に応じてウルトラキャパシタを流れる電流を制御するための電流制御デバイスを含むこともできる。この点に関して、平衡回路は必ずしも限定されない。平衡回路がウルトラキャパシタの両端の電圧を効果的に平衡させることができる限り、平衡回路は本発明のモジュールで用いられ得る。一般に、平衡回路は、ウルトラキャパシタに電気的に接続される。そのような電気接続は、ウルトラキャパシタの電圧の制御および／または調整を可能にする限り必ずしも限定されない。平衡回路は、能動および受動構成要素を含む任意の数の電子構成要素を含むことができる。構成要素は、トランジスタ、抵抗器、レギュレータ、減衰器、ポテンショメータ、サーミスタ、ダイオード（例えば、ツェナーダイオード）、コンパレータ（例えば、電圧コンパレータ）、増幅器（例えば、オペレーショナルアンプ）、分圧器などの任意の組合せを含むことができる。これらの電子構成要素は回路を効果的に平衡させるためにあらゆる方法で構成され得ることを正しく理解されるべきである。場合によっては、平衡回路は、過電圧の存在を通知するために警報器（例えば、音、またはＬＥＤなどの光）などの追加の構成要素を含むことができる。用いられてもよい平衡回路の例には、Ｔｈｒａｐへの米国特許第６，８０６，６８６号、Ｔｈｒａｐへの米国特許第７，８８０，４４９号、Ｌｏｎｇへの米国特許出願公開第２００３／０２１４２６７号、およびＫａｍｉｎｓｋｙへの米国特許出願公開第２０１６／０３０１２２１号のようなものが含まれる。さらに、任意の数の平衡回路が用いられてもよい。例えば、モジュールは、１つのウルトラキャパシタ当たり少なくとも１つの平衡回路を含むことができる。代替として、モジュールは、複数のウルトラキャパシタに対して少なくとも１つの平衡回路を用いることができる。
【００３１】
加えて、平衡回路は、熱放散構成要素に接続されてもよい。熱放散構成要素は、モジュールまたはウルトラキャパシタのどこにでも存在することができ、限定されなくてもよい。例えば、それは、回路上に存在してもよい。代替として、または加えて、構成要素は、金属などのヒートシンクに接続されてもよい。ヒートシンクとして用いられるそのような金属は、モジュールおよび／またはウルトラキャパシタを少なくとも部分的にまたは完全に囲む金属ケーシングを含むことができる。代替として、または加えて、ヒートシンクとして用いられる金属は、モジュールおよび／またはウルトラキャパシタの別の構造構成要素であってもよい。例えば、金属は、モジュールおよび／またはウルトラキャパシタを囲むブレースまたは構造構成要素であってもよい。そのようなブレースまたは構造構成要素は、機械的安定性も与える二重の機能を果たすことができる。平衡回路を熱放散構成要素にそのように接続することにより、ウルトラキャパシタまたは平衡回路の性能を損なうことなしに効果的で効率的な熱放散を可能にすることができる。さらに、任意の数の熱放散構成要素が用いられてもよい。例えば、モジュールは、１つのウルトラキャパシタ当たり少なくとも１つの熱放散構成要素を含むことができる。代替として、モジュールは、複数のウルトラキャパシタに対して少なくとも１つの熱放散構成要素を用いることができる。
【００３２】
それらを含むウルトラキャパシタおよびモジュールは、大量の電荷を蓄積するために用いられ得る。その結果、本発明のモジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な用途で用いられ得る。例えば、それらは、限定はしないが、風力タービン、ソーラータービン、ソーラーパネル、および燃料電池を含む様々なエネルギー用途で使用され得る。加えて、それらは、限定はしないが、車両（例えば、バッテリ推進電気車両、バス、エンジン始動、パワーおよびブレーキ回復システムを含むハイブリッド電気車両など）、列車および電車（例えば、リニアモーターカー、線路切換、スタータシステムなど）、および航空宇宙（例えば、ドア用アクチュエータ、脱出用シュートなど）を含む様々な輸送用途でも使用され得る。それらは、オートメーション（例えば、ロボティクスなど）、車両（例えば、フォークリフト、クレーン、電気カートなど）を含む様々な産業用途も有する。それらは、家庭用電化製品（例えば、ポータブルメディアプレイヤ、ハンドヘルドデバイス、ＧＰＳ、デジタルカメラなど）、コンピュータ（例えば、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡなど）、および通信システムにおける様々な用途も有する。モジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な軍用用途（例えば、戦車および潜水艦のためのモータ始動、フェーズドアレイレーダアンテナ、レーザ電源、無線通信、アビオニクス表示および計測器、ＧＰＳガイダンスなど）、および医療用途（例えば、除細動器など）を有することもできる。
【００３３】
本発明のこれらおよびその他の修正例および変形例を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者なら実施することができる。加えて、様々な実施形態の態様は、全体的にも部分的にも相互に交換してもよいことを、理解されるべきである。さらに、当業者なら、先の記述は単なる例示であり、そのような添付された特許請求の範囲にさらに記述されるような本発明を限定するものではないことが理解されよう。
【図１】
2020526039.tif 000004
【図２】
2020526039.tif 000005
【図３】
2020526039.tif 000006
【図４】
2020526039.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月9日(2020.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子を有する第１のウルトラキャパシタと、
第２の端子を有する第２のウルトラキャパシタと、
第１の取付けセクションと第２の取付けセクションとの間に位置決めされた中央セクションを含む相互接続ストリップであって、前記第１のウルトラキャパシタの前記第１の端子が前記ストリップの前記第１の取付けセクションに接続され、前記第２のウルトラキャパシタの前記第２の端子が前記ストリップの前記第２の取付けセクションに接続され、さらに、前記中央セクションが可撓性導電材料から形成される、相互接続ストリップと
を含むモジュール。
【請求項２】
前記可撓性導電材料が、１つまたは複数のワイヤ、編組物、コイル、シート、バー、またはそれらの組合せの形態である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記可撓性導電材料が編組物の形態である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記可撓性導電材料が、銅、スズ、ニッケル、アルミニウム、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記ストリップの長さに対する前記中央セクションの長さの比が、約０．６から約０．９５である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記中央セクションの前記長さが約５０から約５００ミリメートルであり、前記ストリップの前記長さが約６０から約６００ミリメートルである、請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記ストリップの幅が約１から約５０ミリメートルである、請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
前記ストリップの厚さが約０．０５から約１０ミリメートルである、請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記第１の取付けセクションが、前記第１の端子が受け取られる第１の開口を画定し、前記第２の取付けセクションが、前記第２の端子が受け取られる第２の開口を画定する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
締結デバイスが、前記第１の取付けセクションを前記第１の端子に接続し、前記第２の取付けセクションを前記第２の端子に接続する、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記第１の取付けセクションが前記第１の端子に溶接され、前記第２の取付けセクションが前記第２の端子に溶接される、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記第１の端子および前記第２の端子が反対の極性を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記モジュールが８個から３０個のウルトラキャパシタを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記ウルトラキャパシタのそれぞれが、
第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされたセパレータを含む電極アセンブリと、
前記第１の電極および前記第２の電極にイオン接触する非水性電解質と、
前記電極アセンブリおよび前記電解質が含まれるハウジングと
を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記第１の電極が、第１の炭素質コーティングに電気的に結合された第１の集電子を含み、前記第２の電極が、第２の炭素質コーティングに電気的に結合された第２の集電子を含む、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記第１の集電子および前記第２の集電子が、それぞれ、導電性金属を含む基材を含む、請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記導電性金属が、アルミニウムまたはその合金である、請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記第１の炭素質コーティング、前記第２の炭素質コーティング、または両方が、活性炭粒子を含有する、請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記セパレータがセルロース繊維材料を含む、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記電極アセンブリがジェリーロール構成を有する、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２１】
前記非水性電解質が、非水性溶媒に溶解したイオン性液体を含有し、前記イオン性液体がカチオン性種および対イオンを含有する、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２２】
前記非水性溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトリル、またはそれらの組合せを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項２３】
前記カチオン性種が、有機第四級アンモニウム化合物を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項２４】
前記ハウジングが、基部と開口端とを有する容器を含み、蓋が前記開口端に隣接して配設され、さらに、前記電極アセンブリがハウジング内に位置決めされる、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項２５】
前記容器が金属から形成される、請求項２４に記載のモジュール。
【請求項２６】
前記容器が、円筒形状を有する、請求項２４に記載のモジュール。
【国際調査報告】
2020526039.tif 000008
2020526039.tif 000009
2020526039.tif 000010