【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層キャパシタに関し、特に巻回型電気二重層キャパシタの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、電荷を有する固体とそれに接触する電解液の界面に形成される、厚さ数ｎｍ程度の電気二重層を、誘電体として利用したものである。電気二重層の容量は、１ｃｍ２あたり数十μＦであるが、表面積が数千ｍ２にも及ぶ活性炭を電極として用いることにより、数百〜数千Ｆの極めて大きな容量を得ることが可能である。
【０００３】
そして、電気二重層キャパシタは、下記のように電池とコンデンサの中間のような特徴を有し、実用に供されるとともに、さらなる性能向上のための検討がなされている。
（１）充放電サイクルに伴う容量の劣化が少ない。
（２）一般的な電池に比較して、起動後に瞬時に大きな出力を取り出せる。
【０００４】
現用の電気二重層キャパシタで、小型のものは、集電体上に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の分極性電極の間に、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。
【０００５】
この他に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キャパシタ素子とし、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キャパシタが製造されている。これらの電気二重層キャパシタは主に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。
【０００６】
これらの電気二重層キャパシタを構成する分極性電極は、従来、大表面積を有する活性炭を主とするものであり、巻回型のキャパシタでは活性炭粉末などをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などをバインダーとして混練し、シート状に形成したものが、またコイン型では上記シート状活性炭もしくは活性炭繊維布が用いられている。
【０００７】
図３は、一般的な巻回型の電気二重層キャパシタの内部を示す概略図である。図３において、３１は、キャパシタ素子、３２は、アルミニウムからなる電極リード、３３は、アルミニウムからなる外装ケース、３４は、外装ケースを封止するゴム製のキャップである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示したような、巻回型の電気二重層キャパシタにおいて、問題となるのは、キャパシタ素子３１に接続されている電極リード３２が、キャップ３４に固定されている以外に、容器内にキャパシタ素子を固定する機構が備えられていないことである。
【０００９】
このため、図３における横方向に振動や衝撃が加わると、電極リードが十分な強度を具備していないと、破壊に至る可能性がある。また、振幅が小さくとも、振動が定常的に加わる場合では、金属疲労による破壊が起こる可能性もある。そして、キャパシタ素子のサイズ増大に伴い、このような可能性が増加する。
【００１０】
電極リードに十分な機械的な強度を付与するには、電極リードの径を大きくするか、材質を考慮する必要があるが、小型化やコストの面で必ずしも対応できないことが多い。このために、従来の構造の巻回型電気二重層キャパシタは、たとえば玩具のように、定常的に振動や衝撃が負荷される用途には、適合しないものであった。
【００１１】
従って、本発明の技術的な課題は、衝撃や振動に対する信頼性を向上した巻回型の電気二重層キャパシタを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題解決のため、従来の巻回型電気二重層キャパシタにおける、キャパシタ素子に対し、新たに簡便な構造の固定機構を導入することを検討した結果なされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、集電体上に電極層を形成してなる正極分極性電極及び負極分極性電極の間に、帯状のセパレータを介在させて巻き回してなるキャパシタ素子を、有底円筒型の金属からなる外装ケースに収容し、前記外装ケースの開口部をキャップにより封口し、前記正極分極性電極及び負極分極性電極に接続された電極リードを外部に取り出した構造を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子の振動対策部品を、前記外装ケースの内側の底面もしくは前記キャップの内側の少なくともいずれかに設けてなることを特徴とする、電気二重層キャパシタである。
【００１４】
また、本発明は、前記の電気二重層キャパシタにおいて、前記振動対策部品は、金属または高分子材料からなり、前記キャパシタ素子の最内周に配置されたセパレータに接触してなることを特徴とする、電気二重層キャパシタである。
【００１５】
また、本発明は、前記の電気二重層キャパシタにおいて、前記振動対策部品は、互いに摺動可能な複数の部材から構成され、一方を前記キャパシタ素子に取り付け、他方を前記外装ケースの内側の底面もしくは前記キャップの内側の、少なくともいずれかに取り付けてなることを特徴とする、電気二重層キャパシタである。
【００１６】
本発明の巻回型電気二重層キャパシタは、電極リード以外にもキャパシタ素子を固定するための振動対策部品を具備しているので、衝撃や振動に対する信頼性が格段に向上するので、より広汎な用途で使用可能となる。
【００１７】
また、本発明では、前記振動対策部品を、キャパシタ素子の最内周に配置されたセパレータに接触するように、キャパシタ素子に取り付けることで、分極性電極への影響が生じないようにして、振動対策部品の取り付けによる特性低下を防止し得る。
【００１８】
また、巻回型に限らず、電気二重層キャパシタにおいては、使用中に二酸化炭素などのガスの発生により、内圧が上昇してケースが膨張することがあるが、振動対策部品を互いに摺動可能な複数の部材で構成することで、ケースの寸法変化に伴うキャパシタ素子の変位にも対応できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、具体的な例を挙げ、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態の、巻回型電気二重層キャパシタの内部を示す概略図である。図１において、１１は、キャパシタ素子、１２は、アルミニウムからなる電極リード、１３はアルミニウムからなる外装ケース、１４は、ゴム製のキャップ、１５ａ、１５ｂは、アルミニウムからなる振動対策部品である。
【００２１】
ここでは、厚み３０μｍのアルミニウム箔からなる集電体に、粒状活性炭粉末とＰＴＦＥを混練して得られたスラリーを、厚み１００μｍになるように塗布して、分極性電極を形成し、ポリプロピレンの不職布からなるセパレータを介して積層した後、渦巻状に巻き回すことで、キャパシタ素子１１を形成した。また電極リード１２を針加締により、集電体に機械的に接続した。また、電解液には、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを１ｍｏｌ／Ｌの濃度でプロピレンカーボネートに溶解した溶液を用いた。
【００２２】
ここでは、キャパシタ素子１１の最内周に、セパレータ（図示せず）が配置され、キャパシタ素子１１の内周部に嵌合する形で、一方の振動対策部品１５ｂが固定され、他方の振動対策部品１５ａが外装ケース１３の底部に固定されている。このような構造とすることで、キャパシタ素子１１は、図１における上部で、電極リード１２を介してキャップ１４に固定され、図１における下部で、振動対策部品１５ａ及び１５ｂによって固定されるので、衝撃や振動が加わっても、揺動などの変位が極めて生じ難くなる。
【００２３】
次に、前記電気二重層キャパシタを振動試験機に取り付け、振動加速度３Ｇ（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）の条件で、５分間隔で振動数を１０Ｈｚと３０Ｈｚに変えながら１時間加振した。その結果、電解液の漏れや導通不良は、生じなかった。また、比較のために従来構造の巻回型電気二重層キャパシタについても、同様の評価を行ったところ、電解液の漏れは認められなかったものの、導通不良が５％の試料で見られ、キャパシタ素子と電極リードとの間の接続に、振動による損傷が認められた。
【００２４】
また、図２は、ガス発生などの理由で外装ケースが膨張した、巻回型電気二重層キャパシタの内部を示す概略図である。図２において、２１は、キャパシタ素子、２２は、アルミニウムからなる電極リード、２３はアルミニウムからなる外装ケース、２４は、ゴム製のキャップ、２５ａ、２５ｂは、アルミニウムからなる振動対策部品である。
【００２５】
この場合は、内圧上昇により、キャップ２４と、外装ケース２３の底部が、それぞれ外側に膨らみ、図２における縦方向の寸法が増加していて、それに伴い、キャパシタ素子１１が、図２における上の方向に変位している。しかし、振動対策部品は２５ａ、２５ｂの二つの部材からなり、互いに摺動可能な構造なので、２５ａが外装ケース２３の底部に、２５ｂがキャパシタ素子２１に、それぞれ追随して変位するので、振動防止機能を失うことがない。
【００２６】
このため、一定の許容範囲内であれば、電気二重層キャパシタの膨張が起こった場合でも、直ちに破壊などに繋がることがなく、信頼性の向上に寄与できる。また、ここでは、振動対策部品を外装ケースの底部のみに配置した例を示したが、キャップ側、もしくは外装ケースの底部とキャップの両方に配置しても、同等以上の効果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、巻回型の電気二重層キャパシタの外装ケース内における、キャパシタ素子に変位を防止することが可能となり、衝撃や振動に対する信頼性を格段に向上することが可能となる。従って、本発明が、巻回型の電気二重層キャパシタの用途拡大に寄与するところは、非常に大きいと言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の巻回型電気二重層キャパシタの内部を示す概略図。
【図２】外装ケースが膨張した巻回型電気二重層キャパシタの内部を示す概略図。
【図３】一般的な巻回型の電気二重層キャパシタの内部を示す概略図。
【符号の説明】
１１，２１，３１ キャパシタ素子
１２，２２，３２ 電極リード
１３，２３，３３ 外装ケース
１４，２４，３４ キャップ
１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ 振動対策部品[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric double layer capacitor, and more particularly to a structure of a wound electric double layer capacitor.
[0002]
[Prior art]
The electric double layer capacitor uses an electric double layer having a thickness of about several nm, which is formed at an interface between a solid having a charge and an electrolytic solution in contact with the solid, as a dielectric. Although the capacity of the electric double layer is several tens of μF per cm 2 , it is possible to obtain an extremely large capacity of several hundred to several thousand F by using activated carbon having a surface area of several thousand m 2 as an electrode. is there.
[0003]
As described below, the electric double layer capacitor has characteristics such as those between a battery and a capacitor, and is put to practical use, and studies for further improving the performance are being made.
(1) Deterioration of capacity due to charge / discharge cycles is small.
(2) As compared with a general battery, a large output can be taken out instantly after startup.
[0004]
Current electric double-layer capacitors, small ones, have a separator made of polypropylene non-woven fabric etc. between a pair of polarizable electrodes with a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon formed on a current collector. This element is impregnated with an electrolytic solution, accommodated in a metal container, and has a coin-type structure sealed in the metal container with a cap and a gasket.
[0005]
In addition, as a relatively large-capacity device, a sheet-shaped polarizable electrode, a current collector, and a separator are stacked and spirally wound to form a capacitor element, which is impregnated with an electrolytic solution and housed in a metal container. A wound electric double-layer capacitor in which the opening of the container is sealed with a cap has been manufactured. These electric double layer capacitors are mainly used for backup of IC memories and actuators.
[0006]
Conventionally, the polarizable electrodes constituting these electric double layer capacitors are mainly made of activated carbon having a large surface area. In the case of a wound type capacitor, activated carbon powder or the like is formed by using PTFE (polytetrafluoroethylene) or the like as a binder. A sheet formed by kneading and forming a sheet, and the above-described sheet-like activated carbon or activated carbon fiber cloth is used in a coin type.
[0007]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the inside of a general wound electric double layer capacitor. In FIG. 3, 31 is a capacitor element, 32 is an electrode lead made of aluminum, 33 is an outer case made of aluminum, and 34 is a rubber cap for sealing the outer case.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The problem with the wound electric double layer capacitor as shown in FIG. 3 is that the electrode lead 32 connected to the capacitor element 31 is That is, a mechanism for fixing the capacitor element is not provided.
[0009]
Therefore, when vibration or impact is applied in the lateral direction in FIG. 3, the electrode lead may be broken if the electrode lead does not have sufficient strength. In addition, even when the amplitude is small, when vibration is constantly applied, there is a possibility that destruction due to metal fatigue may occur. Such a possibility increases with an increase in the size of the capacitor element.
[0010]
In order to impart sufficient mechanical strength to the electrode lead, it is necessary to increase the diameter of the electrode lead or to consider the material, but it is often not possible to cope with miniaturization and cost. For this reason, the wound type electric double layer capacitor having the conventional structure is not suitable for an application in which vibration and impact are constantly applied, such as a toy.
[0011]
Therefore, a technical problem of the present invention is to provide a wound electric double layer capacitor with improved reliability against shock and vibration.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made as a result of studying the introduction of a new simple structure fixing mechanism for a capacitor element in a conventional wound electric double layer capacitor in order to solve the above-mentioned problem.
[0013]
In other words, the present invention provides a capacitor element formed by winding a cathode-shaped polarizable electrode formed by forming an electrode layer on a current collector and a negative-polarized electrode with a strip-shaped separator interposed therebetween, and having a bottomed cylindrical shape. An electric double layer capacitor having a structure in which the electrode case is housed in an outer case made of a metal, the opening of the outer case is sealed with a cap, and an electrode lead connected to the positive electrode and the negative electrode is taken out. The electric double layer capacitor according to any one of claims 1 to 3, wherein the component for preventing vibration of the capacitor element is provided on at least one of a bottom surface inside the outer case or inside the cap.
[0014]
Further, the invention is characterized in that in the electric double layer capacitor, the vibration countermeasure component is made of a metal or a polymer material, and is in contact with a separator arranged at an innermost periphery of the capacitor element. , An electric double layer capacitor.
[0015]
Further, in the electric double layer capacitor according to the present invention, the vibration suppression component is configured by a plurality of members slidable with each other, one of which is attached to the capacitor element, and the other is a bottom surface inside the outer case or An electric double layer capacitor, wherein the electric double layer capacitor is attached to at least one of the inside of the cap.
[0016]
Since the wound electric double layer capacitor of the present invention includes a vibration suppression component for fixing the capacitor element in addition to the electrode lead, the reliability against shock and vibration is remarkably improved. It can be used for applications.
[0017]
Further, in the present invention, by attaching the vibration countermeasure component to the capacitor element so as to be in contact with the separator arranged at the innermost periphery of the capacitor element, vibration is prevented so as not to affect the polarizable electrode. It is possible to prevent the characteristics from being deteriorated due to the attachment of the countermeasure component.
[0018]
In addition to the wound type, in the case of electric double layer capacitors, the internal pressure may increase due to the generation of gas such as carbon dioxide during use, and the case may expand. With the configuration using a plurality of members, it is possible to cope with displacement of the capacitor element due to dimensional change of the case.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings by taking specific examples.
[0020]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the inside of a wound electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 11 is a capacitor element, 12 is an electrode lead made of aluminum, 13 is an outer case made of aluminum, 14 is a cap made of rubber, and 15a and 15b are vibration countermeasure parts made of aluminum.
[0021]
Here, a slurry obtained by kneading granular activated carbon powder and PTFE was applied to a current collector made of aluminum foil having a thickness of 30 μm so as to have a thickness of 100 μm to form a polarizable electrode. After laminating through a separator made of work cloth, the capacitor element 11 was formed by spirally winding. Further, the electrode lead 12 was mechanically connected to the current collector by needle caulking. Further, as the electrolytic solution, a solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved in propylene carbonate at a concentration of 1 mol / L was used.
[0022]
Here, a separator (not shown) is arranged at the innermost periphery of the capacitor element 11, and one of the vibration suppression parts 15 b is fixed so as to be fitted to the inner periphery of the capacitor element 11, and the other vibration suppression part is fixed. The component 15a is fixed to the bottom of the outer case 13. With such a structure, the capacitor element 11 is fixed to the cap 14 via the electrode lead 12 at the upper part in FIG. 1 and is fixed by the vibration suppression components 15a and 15b at the lower part in FIG. Even when shock or vibration is applied, displacement such as swinging is extremely unlikely to occur.
[0023]
Next, the electric double layer capacitor was mounted on a vibration tester, and was subjected to vibration for 1 hour while changing the frequency to 10 Hz and 30 Hz at intervals of 5 minutes under the condition of vibration acceleration 3G (X, Y, Z directions). As a result, neither leakage of the electrolyte nor poor conduction occurred. For comparison, a wound type electric double layer capacitor having a conventional structure was subjected to the same evaluation. As a result, no leakage of the electrolyte was observed. Damage due to vibration was observed in the connection between the element and the electrode lead.
[0024]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the inside of the wound electric double layer capacitor in which the outer case has expanded due to gas generation or the like. In FIG. 2, 21 is a capacitor element, 22 is an electrode lead made of aluminum, 23 is an outer case made of aluminum, 24 is a cap made of rubber, and 25a and 25b are vibration suppression parts made of aluminum.
[0025]
In this case, due to the increase in the internal pressure, the cap 24 and the bottom of the outer case 23 bulge outward, respectively, and the vertical dimension in FIG. 2 increases, and accordingly, the capacitor element 11 moves upward in FIG. Displaced in the direction. However, the anti-vibration component is composed of two members 25a and 25b and is slidable with respect to each other, so that 25a is displaced following the bottom of the outer case 23 and 25b is displaced following the capacitor element 21, respectively. No loss of functionality.
[0026]
Therefore, if the electric double-layer capacitor expands within a certain allowable range, it does not lead to destruction or the like immediately even if expansion of the electric double-layer capacitor occurs, which can contribute to improvement in reliability. Also, here, an example is shown in which the anti-vibration component is arranged only on the bottom of the outer case. However, the same or better effects can be obtained by arranging it on the cap side or on both the bottom and the cap of the outer case.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent displacement of a capacitor element in an outer case of a wound-type electric double layer capacitor, and to significantly improve reliability against shock and vibration. It becomes possible. Therefore, it can be said that the present invention contributes greatly to expanding the use of the wound electric double layer capacitor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the inside of a wound electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the inside of a wound electric double layer capacitor in which an outer case is expanded.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the inside of a general wound-type electric double-layer capacitor.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31 Capacitor elements 12, 22, 32 Electrode leads 13, 23, 33 Outer cases 14, 24, 34 Caps 15a, 15b, 25a, 25b Vibration countermeasure parts
