電気二重層コンデンサ
【課題】 静電容量を増加するために分極性電極の厚みを増加しても、内部抵抗が増加しない電気二重層コンデンサを提供すること。
【解決手段】 セパレータ１３の両面に配置される分極性電極１２の厚み方向のほぼ中間点に、貫通孔１１ｃを有する第二の集電体１１ｂを配置する。第二の集電体１１ｂと第一の集電体１１ａを、導電性ガスケット１４ｂにより電気的に接続することも可能で、第二の集電体１１ｂは、複数を分極性電極１２の厚み方向に等間隔で配置することもできる。このような構造を付与することで、分極性電極を薄くした場合と同等の内部抵抗を実現できる。
【解決手段】 セパレータ１３の両面に配置される分極性電極１２の厚み方向のほぼ中間点に、貫通孔１１ｃを有する第二の集電体１１ｂを配置する。第二の集電体１１ｂと第一の集電体１１ａを、導電性ガスケット１４ｂにより電気的に接続することも可能で、第二の集電体１１ｂは、複数を分極性電極１２の厚み方向に等間隔で配置することもできる。このような構造を付与することで、分極性電極を薄くした場合と同等の内部抵抗を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層コンデンサ、特に内部抵抗を低減した電気二重層コンデンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、２種の異なる物質の境界面に形成される電気二重層の電気蓄積作用を利用している。この種のコンデンサは電池と電解コンデンサの中間の特性を有し、主にＩＣメモリのバックアップやアクチュエータのバックアップに使用されている。
【０００３】
電気二重層コンデンサの形状の代表的なものとして、小型のものは、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の集電体の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップとガスケットにより金属容器に密封したコイン型の構造をとっている。
【０００４】
また、比較的大容量のものとして、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを積層して渦巻状に巻き回してコンデンサ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層コンデンサが製造されている。
【０００５】
この他に、セパレータを介して正負の分極性電極、集電体を対向配置して、電解液を含浸し、周囲をガスケットで封止して得られる単位セルを、複数個積層し、ラミネートフィルムなどで封止した構造の電気二重層コンデンサも製造されている。
【０００６】
図２は、従来の電気二重層コンデンサの構成要素である単位セルの一例を示した断面図である。図２において２０は単位セル、２１は集電体、２２は分極性電極、２３はセパレータ、２４はガスケットである。
【０００７】
この単位セルは、分極性電極２２として、活性炭のような大きな比表面積を有する材料の粉末を用い、セパレータ２３により、正極側分極性電極と負極側分極性電極とに分割され、絶縁されている。分極性電極の外側には、導電性ゴムなどからなる集電体２１が配置され、充放電可能な構造となっている。
【０００８】
また、分極性電極２２とセパレータ２３には、例えば希硫酸のような電解液が含浸され、セパレータ２３を、例えばポリプロピレンの不織布のような多孔質の絶縁シートで構成することにより、電解液に含まれるイオンの移動を可能としている。そして、分極性電極２２とセパレータ２３の外側には、ゴムなどからなる枠状のガスケット２４が配され、集電体２１とともに、分極性電極２２、セパレータ２３及び電解液を封止している。
【０００９】
また、一般的に電圧や容量を増加するために、図２に示したのと同様の単位セルを複数個用いることが行われている。図３は、複数個の単位セルを積層して、つまり直列に接続して用いた電気二重層コンデンサの一例を示す断面図である。
【００１０】
図３において、３０は電気二重層コンデンサ、３１は単位セル積層体、３２ａ、３２ｂ接続端子、３３は絶縁体、３４はケースである。この例においては、ケース３４を金属で構成し、図における下側の積層端面の集電体を、接続端子３２ａに直接接続するとともに、反対側の集電体を、ケース３４を介して接続端子３２ｂに接続している。
【００１１】
このような電気二重層コンデンサにおいて、重量あたりの静電容量を増加するには、分極性電極２２の厚みを増加して、より多くの活性炭粉末を用いることで対応できる。しかしながら、分極性電極２２の厚みの増加は、活性炭粉末の粒子間の接触抵抗を増加し、電解液に含まれるイオンの移動距離の増加に繋がることから、イオンの拡散抵抗が増加し、電気二重層コンデンサ全体としての内部抵抗が増加するという問題が生じる。
【００１２】
つまり、静電容量の増加と内部抵抗低減は相反する課題であり、同時に解決することは困難である。そして、この問題に対処するための技術が、多々検討されていて、特許文献１には、その一例が開示されている。
【００１３】
特許文献１に開示されているのは、集電体と分極性電極との間に、有機接着剤と導電性フィラーからなる導電層を形成する技術であり、電気二重層コンデンサの内部抵抗低減に一定の効果を奏する。しかしながら、この導電層は、前記のように集電体と分極性電極を接合する界面に配置するので、分極性電極の厚み増加に伴う内部抵抗の増加には、必ずしも十分に対応できないものである。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−２７７３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の課題は、静電容量を増加するために分極性電極の厚みを増加しても、内部抵抗が増加しない電気二重層コンデンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記課題を解決するため、分極性電極に内部抵抗を低減する構造を導入することにより、分極性電極の内部抵抗、ひいては、この分極性電極を用いた電気二重層コンデンサの内部抵抗を低減することを検討した結果なされたものである。
【００１７】
即ち、本発明の電気二重層コンデンサは、構成要素として、多孔質の絶縁体シートからなるセパレータの両面に配置された炭素材料を含む一対の分極性電極、前記分極性電極における前記セパレータの反対側の面に配置された一対の第一の集電体、前記セパレータ及び前記分極性電極に含浸された電解液、前記セパレータと前記１対の分極性電極の周囲に枠状に配置されたガスケット、前記一対の分極性電極のそれぞれの内部に少なくとも１枚配置された第二の集電体を具備した単位セル、または前記単位セルを複数個積層した積層体を有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の電気二重層コンデンサにおいては、前記第二の集電体が貫通孔を有し、前記分極性電極が、前記貫通孔を介して一体に連続してなることを特徴とする。さらに、本発明の電気二重層コンデンサにおいては、前記第一の集電体と前記第二の集電体が電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電気二重層コンデンサにおいては、分極性電極の厚み方向に、適宜第二の集電体を配置しているので、静電容量増加のために、分極性電極の厚みを増加しても、実質的に分極性電極の厚みが薄い状態の内部抵抗を維持し得る。また、第一の集電体と第二の集電体とを電気的に接続することで、その効果を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、図を参照して、本発明の電気二重層コンデンサの実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの単位セルの断面図である。図１において、１０は単位セル、１１ａは第一の集電体、１１ｂは第二の集電体、１１ｃは貫通孔、１２は分極性電極、１３はセパレータ、１４ａはガスケット、１４ｂは導電性ガスケットである。
【００２２】
ここでは、分極性電極１２として、フェノール樹脂から調製した比表面積が１１５０ｍ2／ｇの活性炭粉末を、水蒸気などにより賦活処理を施して用いることができる。セパレータ１３にはポリプロピレンの不織布などを用いることができる。第一の集電体１１ａ、第二の集電体１１ｂ、導電性ガスケット１４ｂには導電性ゴムを用い、ガスケット１４ａには絶縁性のゴムを用いることができる。また、電解液には、濃度が４８重量％の硫酸水溶液を用いることができる。
【００２３】
分極性電極は、直径が１７．８ｍｍ、厚みが１．２ｍｍの円盤形状で厚み方向の中間の位置に第二の集電体１１ｂを配置した。第一の集電体１１ａと第二の集電体１１ｂは導電性ガスケット１４ｂにより電気的に接続されていて、分極製電極１２は、第二の集電体１１ｂによって図における上下方向に分断されることなく、貫通孔１１ｃを介して実質的に一体となっている。
【００２４】
このような構造の単位セル１０を６個積層し、図３に示した構造を有する、本発明の電気二重層コンデンサ３０を構成した。単位セル積層体３１の図における下側の集電体は接続端子３２ａと直接接続され、図における上側の集電体は、ステンレスなどの金属からなる有底筒状のケース３４の底部に接し、開口部の縁が内側に折り曲げられてかしめ加工が施され、絶縁体３３を介して配されている接続端子３２ｂに接続されている。
【００２５】
また、比較に供するために、分極性電極の中に第二集電体を配置しなかった他は、前記と同様にして、比較例の電気二重層コンデンサを構成した。表１は、これらの電気二重層コンデンサの寸法、重量、特性をまとめて示したものである。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に示した結果から明らかなように、本発明の電気二重層コンデンサは、比較例の電気二重層コンデンサと、ほほ同じ体積、重量、静電容量であるが、内部抵抗は比較例の半部以下の数値であり、優れた特性を発現している。なお、特に数値を示さないが、前記実施の形態において示した、第二の集電体の貫通孔、第一の集電体と第二の集電体との電気的な接続という構造がない場合でも、本発明が、一定の効果を奏することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの単位セルの断面図。
【図２】従来の電気二重層コンデンサの構成要素である単位セルの一例を示した断面図。
【図３】複数個の単位セルを積層して用いた電気二重層コンデンサの一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１０，２０ 単位セル
１１ａ 第一の集電体
１１ｂ 第二の集電体
１１ｃ 貫通孔
１２，２２ 分極性電極
１３，２３ セパレータ
１４ａ，２４ ガスケット
１４ｂ 導電性ガスケット
２１ 集電体
３０ 電気二重層コンデンサ
３１ 単位セル積層体
３２ａ，３２ｂ 接続端子
３３ 絶縁体
３４ ケース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層コンデンサ、特に内部抵抗を低減した電気二重層コンデンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、２種の異なる物質の境界面に形成される電気二重層の電気蓄積作用を利用している。この種のコンデンサは電池と電解コンデンサの中間の特性を有し、主にＩＣメモリのバックアップやアクチュエータのバックアップに使用されている。
【０００３】
電気二重層コンデンサの形状の代表的なものとして、小型のものは、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の集電体の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップとガスケットにより金属容器に密封したコイン型の構造をとっている。
【０００４】
また、比較的大容量のものとして、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを積層して渦巻状に巻き回してコンデンサ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層コンデンサが製造されている。
【０００５】
この他に、セパレータを介して正負の分極性電極、集電体を対向配置して、電解液を含浸し、周囲をガスケットで封止して得られる単位セルを、複数個積層し、ラミネートフィルムなどで封止した構造の電気二重層コンデンサも製造されている。
【０００６】
図２は、従来の電気二重層コンデンサの構成要素である単位セルの一例を示した断面図である。図２において２０は単位セル、２１は集電体、２２は分極性電極、２３はセパレータ、２４はガスケットである。
【０００７】
この単位セルは、分極性電極２２として、活性炭のような大きな比表面積を有する材料の粉末を用い、セパレータ２３により、正極側分極性電極と負極側分極性電極とに分割され、絶縁されている。分極性電極の外側には、導電性ゴムなどからなる集電体２１が配置され、充放電可能な構造となっている。
【０００８】
また、分極性電極２２とセパレータ２３には、例えば希硫酸のような電解液が含浸され、セパレータ２３を、例えばポリプロピレンの不織布のような多孔質の絶縁シートで構成することにより、電解液に含まれるイオンの移動を可能としている。そして、分極性電極２２とセパレータ２３の外側には、ゴムなどからなる枠状のガスケット２４が配され、集電体２１とともに、分極性電極２２、セパレータ２３及び電解液を封止している。
【０００９】
また、一般的に電圧や容量を増加するために、図２に示したのと同様の単位セルを複数個用いることが行われている。図３は、複数個の単位セルを積層して、つまり直列に接続して用いた電気二重層コンデンサの一例を示す断面図である。
【００１０】
図３において、３０は電気二重層コンデンサ、３１は単位セル積層体、３２ａ、３２ｂ接続端子、３３は絶縁体、３４はケースである。この例においては、ケース３４を金属で構成し、図における下側の積層端面の集電体を、接続端子３２ａに直接接続するとともに、反対側の集電体を、ケース３４を介して接続端子３２ｂに接続している。
【００１１】
このような電気二重層コンデンサにおいて、重量あたりの静電容量を増加するには、分極性電極２２の厚みを増加して、より多くの活性炭粉末を用いることで対応できる。しかしながら、分極性電極２２の厚みの増加は、活性炭粉末の粒子間の接触抵抗を増加し、電解液に含まれるイオンの移動距離の増加に繋がることから、イオンの拡散抵抗が増加し、電気二重層コンデンサ全体としての内部抵抗が増加するという問題が生じる。
【００１２】
つまり、静電容量の増加と内部抵抗低減は相反する課題であり、同時に解決することは困難である。そして、この問題に対処するための技術が、多々検討されていて、特許文献１には、その一例が開示されている。
【００１３】
特許文献１に開示されているのは、集電体と分極性電極との間に、有機接着剤と導電性フィラーからなる導電層を形成する技術であり、電気二重層コンデンサの内部抵抗低減に一定の効果を奏する。しかしながら、この導電層は、前記のように集電体と分極性電極を接合する界面に配置するので、分極性電極の厚み増加に伴う内部抵抗の増加には、必ずしも十分に対応できないものである。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−２７７３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の課題は、静電容量を増加するために分極性電極の厚みを増加しても、内部抵抗が増加しない電気二重層コンデンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記課題を解決するため、分極性電極に内部抵抗を低減する構造を導入することにより、分極性電極の内部抵抗、ひいては、この分極性電極を用いた電気二重層コンデンサの内部抵抗を低減することを検討した結果なされたものである。
【００１７】
即ち、本発明の電気二重層コンデンサは、構成要素として、多孔質の絶縁体シートからなるセパレータの両面に配置された炭素材料を含む一対の分極性電極、前記分極性電極における前記セパレータの反対側の面に配置された一対の第一の集電体、前記セパレータ及び前記分極性電極に含浸された電解液、前記セパレータと前記１対の分極性電極の周囲に枠状に配置されたガスケット、前記一対の分極性電極のそれぞれの内部に少なくとも１枚配置された第二の集電体を具備した単位セル、または前記単位セルを複数個積層した積層体を有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の電気二重層コンデンサにおいては、前記第二の集電体が貫通孔を有し、前記分極性電極が、前記貫通孔を介して一体に連続してなることを特徴とする。さらに、本発明の電気二重層コンデンサにおいては、前記第一の集電体と前記第二の集電体が電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電気二重層コンデンサにおいては、分極性電極の厚み方向に、適宜第二の集電体を配置しているので、静電容量増加のために、分極性電極の厚みを増加しても、実質的に分極性電極の厚みが薄い状態の内部抵抗を維持し得る。また、第一の集電体と第二の集電体とを電気的に接続することで、その効果を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、図を参照して、本発明の電気二重層コンデンサの実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの単位セルの断面図である。図１において、１０は単位セル、１１ａは第一の集電体、１１ｂは第二の集電体、１１ｃは貫通孔、１２は分極性電極、１３はセパレータ、１４ａはガスケット、１４ｂは導電性ガスケットである。
【００２２】
ここでは、分極性電極１２として、フェノール樹脂から調製した比表面積が１１５０ｍ2／ｇの活性炭粉末を、水蒸気などにより賦活処理を施して用いることができる。セパレータ１３にはポリプロピレンの不織布などを用いることができる。第一の集電体１１ａ、第二の集電体１１ｂ、導電性ガスケット１４ｂには導電性ゴムを用い、ガスケット１４ａには絶縁性のゴムを用いることができる。また、電解液には、濃度が４８重量％の硫酸水溶液を用いることができる。
【００２３】
分極性電極は、直径が１７．８ｍｍ、厚みが１．２ｍｍの円盤形状で厚み方向の中間の位置に第二の集電体１１ｂを配置した。第一の集電体１１ａと第二の集電体１１ｂは導電性ガスケット１４ｂにより電気的に接続されていて、分極製電極１２は、第二の集電体１１ｂによって図における上下方向に分断されることなく、貫通孔１１ｃを介して実質的に一体となっている。
【００２４】
このような構造の単位セル１０を６個積層し、図３に示した構造を有する、本発明の電気二重層コンデンサ３０を構成した。単位セル積層体３１の図における下側の集電体は接続端子３２ａと直接接続され、図における上側の集電体は、ステンレスなどの金属からなる有底筒状のケース３４の底部に接し、開口部の縁が内側に折り曲げられてかしめ加工が施され、絶縁体３３を介して配されている接続端子３２ｂに接続されている。
【００２５】
また、比較に供するために、分極性電極の中に第二集電体を配置しなかった他は、前記と同様にして、比較例の電気二重層コンデンサを構成した。表１は、これらの電気二重層コンデンサの寸法、重量、特性をまとめて示したものである。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に示した結果から明らかなように、本発明の電気二重層コンデンサは、比較例の電気二重層コンデンサと、ほほ同じ体積、重量、静電容量であるが、内部抵抗は比較例の半部以下の数値であり、優れた特性を発現している。なお、特に数値を示さないが、前記実施の形態において示した、第二の集電体の貫通孔、第一の集電体と第二の集電体との電気的な接続という構造がない場合でも、本発明が、一定の効果を奏することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの単位セルの断面図。
【図２】従来の電気二重層コンデンサの構成要素である単位セルの一例を示した断面図。
【図３】複数個の単位セルを積層して用いた電気二重層コンデンサの一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１０，２０ 単位セル
１１ａ 第一の集電体
１１ｂ 第二の集電体
１１ｃ 貫通孔
１２，２２ 分極性電極
１３，２３ セパレータ
１４ａ，２４ ガスケット
１４ｂ 導電性ガスケット
２１ 集電体
３０ 電気二重層コンデンサ
３１ 単位セル積層体
３２ａ，３２ｂ 接続端子
３３ 絶縁体
３４ ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の絶縁体シートからなるセパレータの両面に配置された炭素材料を含む一対の分極性電極と、前記分極性電極の前記セパレータとは反対側の面に配置された一対の第一の集電体と、前記セパレータ及び前記分極性電極に含浸された電解液と、前記セパレータと前記１対の分極性電極の周囲に枠状に配置されたガスケットと、前記一対の分極性電極のそれぞれの内部に少なくとも１枚配置された第二の集電体を具備した単位セル、または前記単位セルを複数個積層した積層体を有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
前記第二の集電体は貫通孔を有し、前記分極性電極は、前記貫通孔を介して一体に連続してな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】
前記第一の集電体と前記第二の集電体は、電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項１】
多孔質の絶縁体シートからなるセパレータの両面に配置された炭素材料を含む一対の分極性電極と、前記分極性電極の前記セパレータとは反対側の面に配置された一対の第一の集電体と、前記セパレータ及び前記分極性電極に含浸された電解液と、前記セパレータと前記１対の分極性電極の周囲に枠状に配置されたガスケットと、前記一対の分極性電極のそれぞれの内部に少なくとも１枚配置された第二の集電体を具備した単位セル、または前記単位セルを複数個積層した積層体を有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
前記第二の集電体は貫通孔を有し、前記分極性電極は、前記貫通孔を介して一体に連続してな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】
前記第一の集電体と前記第二の集電体は、電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電気二重層コンデンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−５０５４（Ｐ２００６−５０５４Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７８０９８（Ｐ２００４−１７８０９８）
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（０００２３９７３６）ＮＥＣトーキン兵庫株式会社 (25)
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（０００２３９７３６）ＮＥＣトーキン兵庫株式会社 (25)
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