JP2005508081A - 炭素粉末電極を有する電気化学的二重層キャパシタ(1) - Google Patents
炭素粉末電極を有する電気化学的二重層キャパシタ(1) Download PDFInfo
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、一般に電気化学的二重層キャパシタに関し、特に、低抵抗炭素粉末電極と共に作られた高性能電気化学的二重層キャパシタに関する。
【背景技術】
【0002】
二重層キャパシタは、電気化学的二重層キャパシタ(EDLC)とも呼ばれ、単位重量及び単位体積当たり、慣用的キャパシタよりも多くのエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵装置である。更に二重層キャパシタは、それらの内部抵抗が比較的低いため、再充電可能なバッテリーよりも大きな電力定格で充電し、次に貯蔵エネルギーを放出することができるのが典型的である。
【0003】
二重層キャパシタは、多孔質セパレータにより電気的に接触しないように分離された二つの炭素電極からなる。多孔質セパレータと電極の両方は、電解質溶液中に浸漬され、イオン電流(イオン流)がセパレータを通って電極間を流れるようにすると同時に、そのセパレータが電気又は電子(イオンではない)の流れが二つの炭素電極を短絡しないようにしている。
【0004】
典型的には、二つの炭素電極の各々の背後には電流収集板が結合されている。電流収集板の一つの目的は、二重層キャパシタの抵抗損失、即ち内部抵抗を減少させることにある。
【0005】
二重層キャパシタは、電解質(又は電解質溶液)中に浸漬された二つの炭素電極の間に電気ポテンシャルが存在する時に形成される分極液体層中に静電エネルギーを貯蔵する。電気ポテンシャルをそれらの電極を通って印加すると、その印加した電気ポテンシャルによる帯電分離及び電極の全表面に亙る電解質分子の双極子配向及び配列により、電解質イオンが分極し、電極・電解質界面で正と負の電荷二重層が形成される(そこで「二重層」キャパシタの名前が付いている)。
【0006】
炭素電極を有する二重層キャパシタの製造は、米国特許第2,800,616号明細書〔ベッカー(Becer)〕、及び第3,648,126号〔ブース(Boos)その他〕に記載されている。
【0007】
炭素電極を有する電気化学的二重層キャパシタを含めた多く炭素電極キャパシタの主な問題は、炭素電極キャパシタの性能が、炭素電極に関連した内部抵抗が高いために屡々限定されることである。この高い内部抵抗は、炭素電極内の炭素・炭素接点の接触抵抗が高いこと、更には電極・電流コレクタ接点の接触抵抗が高いことを含めた幾つかの因子による。この高い内部抵抗は、炭素電極キャパシタの充電及び放電中、炭素電極キャパシタ内の大きな抵抗損失となって現れる。これらの大きな抵抗損失は、更に悪影響を与え、即ち、キャパシタの特性RC(抵抗×キャパシタンス)時定数を増大し、それにより短時間で効果的に充電及び/又は放電する炭素電極キャパシタの能力を阻害する。
【0008】
従って、炭素電極キャパシタ内の内部抵抗を低下し、従って炭素電極キャパシタの特性RC時定数を低下すると共に、他の改良を与える装置及び方法が当分野で求められている。
【0009】
ファラーマンディ(Farahmandi)その他による米国特許第5,907,472号明細書(その完全な記載は参考のためここに入れてある)には、アルミニウム含浸炭素布電極を有する多重電極二重層キャパシタが記載されている。そこに記載されているアルミニウム含浸炭素布電極を使用することにより、非常に低い内部抵抗を有する電気化学的二重層キャパシタを与える結果になる。
【0010】
ナンユンジア(Nanjundiah)その他による米国特許出願Serial No.09/569,679(その完全な記載は参考のためここに入れてある)には、低抵抗炭素粉末電極を有する電気化学的二重層キャパシタが記載されている。
【0011】
改良された電気化学的二重層キャパシタも依然として求められている。そのような改良された電気化学的二重層キャパシタは、非常に大きな電気出力で多量の有用なエネルギーを放出し、比較的短時間内で非常に大きなエネルギー密度の定格を有する必要がある。そのような改良された電気化学的二重層キャパシタは、比較的低い内部抵抗を有し、従って、比較的低い特性RC時定数も有し、然も、比較的大きな作動電圧を生ずることができるべきである。
【0012】
更に、電気化学的二重層キャパシタの電極を製造する技術及び方法には、電気化学的二重層キャパシタの内部抵抗を低下し、従って特性RC時定数を低下し、作動電圧を最大にするような改良が要求されていることは明らかである。
【0013】
キャパシタエネルギー密度は、作動電圧の二乗で増大するので、作動電圧が高いことはエネルギー密度を著しく高くすることに直接関係し、その結果一層大きな電力出力定格を与えることになる。従って、電気化学的二重層キャパシタに用いられる電極の内部抵抗を低下し、作動電圧を増大する改良された技術及び方法が要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
(発明の概要)
本発明は、電気化学的二重層キャパシタで用いられる電極構造体を製造する方法を与えることにより、上述の要求及び他の要求に有利に対処するものである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
一つの態様として、本発明は、二重層キャパシタで用いられる電極構造体を製造する方法として特徴付けることができ、その方法は、伝導性炭素粉末及び結合剤を含む第一スラリーを電流コレクタ板へ適用し、前記適用した第一スラリーを硬化して主(primary)被覆を形成し、活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含む第二スラリーを前記主被覆に適用し、前記適用した第二スラリーを硬化して副(secondary)被覆を形成し、それにより第一電極を形成する工程を含む。
【0016】
別の態様として、本発明は、第一電流コレクタ箔、前記第一電流コレクタ箔の一部分の上に形成した第一主被覆、及び前記第一主被覆上に形成した第一副被覆を有する第一電極構造体を含む二重層キャパシタとして特徴付けることができる。このキャパシタは、第二電流コレクタ箔、前記第二電流コレクタ箔の一部分の上に形成された第二主被覆、及び前記第二主被覆上に形成された第二副被覆を有する第二電極構造体も含む。第一及び第二の主被覆は伝導性炭素粉末を含み、第一及び第二副被覆は活性炭粉末を含む。第一と第二の電極構造体の間には多孔質セパレータも配置されており、その多孔質セパレータは第一と第二の副被覆と接触し、それらを分離し、多孔質セパレータ及び第一及び第二電極構造体を規定された電解質溶液中で飽和するための手段も配置されている。
【0017】
更に別の態様として、本発明は、二重層キャパシタで用いるための電極構造体を製造する方法として特徴付けることができ、その方法は、伝導性炭素粉末及び結合剤を含む第一スラリーを電流コレクタ板の一方の側へ適用し、前記適用した第一スラリーを硬化して第一主被覆を形成し、活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含む第二スラリーを前記第一主被覆に適用し、前記適用した第二スラリーを硬化して第一副被覆を形成し;前記電流コレクタ板の前記一方の側とは反対側にある、前記電流コレクタ板の別の側に第一スラリーを適用し、前記適用した第一スラリーを硬化して、前記電流コレクタ板の前記別の側の上に第二主被覆を形成し、前記第二主被覆に第二スラリーを適用し、前記適用した第二スラリーを硬化して前記第二主被覆上に第二副被覆を形成し、それにより第一電極を形成する工程を含む。
【0018】
更に別の態様として、本発明は、電流コレクタ箔、前記電流コレクタ箔の第一側及び第二側の夫々の上に形成された主被覆を有する、二重層キャパシタで用いられる電極構造体として特徴付けることができる。各主被覆は、伝導性炭素及び結合剤を含有する。そして第二被覆が前記主被覆の各々の上に形成されており、夫々の副被覆は活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含有する。
【0019】
更に別の態様として、本発明は、第一電流コレクタ箔、前記第一電流コレクタ箔の各側に形成された第一主被覆、及び前記第一主被覆の各々の側の上に形成された第一副被覆を有する第一電極構造体を含む二重層キャパシタとして特徴付けることができる。また、第二電流コレクタ箔、前記第二電流コレクタ箔の各々の側の上に形成された第二主被覆、及び前記第二主被覆の各々の上に形成された第二副被覆を有する第二電極構造体も含まれる。第一及び第二主被覆は、伝導性炭素粉末を含み、第一及び第二副被覆は活性炭粉末を含む。多孔質セパレータが第一と第二の電極構造体の間に配置されており、その多孔質セパレータが、互いに向き合った第一及び第二電極構造体の第一及び第二副被覆と接触し、電気的にそれらを分離している。多孔質セパレータ、及び第一と第二の電極構造体を、規定された電解質溶液中で飽和する手段も含まれている。
【0020】
本発明の特徴及び利点についての一層よい理解は、本発明についての次の詳細な記述及び図面を参照することにより得られるであろう。それら図面は、本発明の原理が用いられた例としての態様を示している。
【0021】
本発明の上記及び他の態様、特徴、及び利点は、図面に関連して与えた次の一層特別な記述から一層明らかになるであろう。
【0022】
幾つかの図面を通して、対応する参照番号は、対応する部品を示す。
【0023】
好ましい態様についての詳細な記述
本発明を実施する現在考えられている最良の方式についての次の記述は、限定された意味でとるべきではなく、単に本発明の一般的原理を記述するために行われるものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【0024】
図1に関し、本発明の一つの態様に従う、箔コレクタ102、伝導性炭素の第一層104、及び活性炭の第二層106を含む炭素電極100の断面図を示している。
【0025】
電気化学的二重層キャパシタ内で活性化することができる単位体積当たりの炭素量が多い程、他のものが全て等しいとして、電気化学的二重層キャパシタのキャパシタンスは大きくなる。
【0026】
しかし、この因子単独では、多孔質セパレータの両側に対し並置された活性炭の二枚の「厚板(chunk)」で、各「厚板」に対し一つずつの端子組立体によって一纏めにされたそれら厚板を用いて、電気化学的二重層キャパシタの炭素によって占められた体積の%を最大にし、電気化学的二重層キャパシタの多孔質セパレータ及び端子組立体によって占められた体積の%を最少にする設計が、電気化学的二重層キャパシタの理想的設計であることを示唆していることになるであろう。この「ブリック・サンドイッチ(bric sandwich)」を、次に電解質中に浸漬し、適当な容器中に入れて囲む。
【0027】
しかし、電気化学的二重層キャパシタを一定の帯電まで充電又は放電した時に平均電子(又はホール)が炭素を通って移動しなければならない距離が大きくなる程、電気化学的二重層キャパシタの内部抵抗が大きくなり、従って、電気化学的二重層キャパシタのRC時定数は大きくなることも判明している。
【0028】
この事実だけでは、一つ以上の多孔質セパレータの両側に対して並置された無限に薄いシートとして活性炭の多数の「スペックス(specs)」が、多量の高度に伝導性のコレクタにより取り巻かれ、その結果電気化学的二重層キャパシタを充電又は放電した時に平均電子(又はホール)が炭素を通って移動しなければならない距離を最少にする設計が、電気化学的二重層キャパシタの理想的設計であることを示唆していることになるであろう。次にこの構成体を電解質中に浸漬し、適当な容器内に入れて囲む。しかし、これらの両極端のいずれも実際には理想的ではない。電極の設計と、電極、多孔質セパレータ、及び電解質を入れる容器の設計との両方が、キャパシタンスを最大にすることと、同時に電気化学的二重層キャパシタの内部抵抗を最少にすることの両方のために、これら両極端の間のバランスを実現させるものである。
【0029】
この目的を達成するため、用いる炭素の「効果性」及び「利用性」を、用いる炭素の表面積を最大にし、用いる炭素の固有抵抗を最少にし、同時に、用いる炭素の「効果性」及び「利用性」の両方を最適にする炭素の粒径及び気孔孔径(従って、充填密度)を維持することにより最大にすべきである。
【0030】
本発明の態様の設計は、従来の方法に対する著しい改良を表している。なぜなら、一つにはそのような設計がその目的として上で言及した炭素最大化と内部抵抗最少化との間のバランスを有し、更に別の目的として、炭素の「効果性」及び「利用性」を最大にするからである。
【0031】
簡単化して図1に描いたような電極を用いて設計を開始する。各電極は、薄い金属コレクタ102と、その上に互いに重ねて形成された炭素の二つの層104及び106からなる。金属コレクタ102は、炭素電極100を出入りする非常に低い抵抗の電流路と、二つの層104、106のための機械的台座(platform)としての二つの働きをする。
【0032】
第一層104、即ち薄い金属コレクタ102と直接機械的及び電気的に接触した層は、黒鉛炭素(即ち、層状構造を持つ炭素)のような「伝導性炭素」からなる。第一層104は第二層106のほぼ3倍の伝導性をもち、薄い金属コレクタ102と第二層106の両方によく接着しており、薄い金属コレクタ102と第二層106との間に低い界面抵抗を与えている。伝導性炭素の第一層104(第一層104に用いられた結合剤を含む)は、電気化学的二重層キャパシタで用いられるように選択した電解質溶液中で安定であるべきである。
【0033】
第二層106は「活性炭」からなり、活性炭の「効果性」及び「利用性」の両方を最大にする傾向を持つ表面積、気孔孔径、及び粒径(充填密度)特性、及びファラッド(Farad)/cc及びファラッド/gを有する。活性炭の第二層106は、キャパシタンスを最大にすべきであり、電気化学的二重層キャパシタで用いられるように選択した電解質溶液中で(第二層に用いられた結合剤を含めて)安定であるべきであり、主要部の抵抗が低くあるべきである。
【0034】
薄い金属コレクタ102、即ち電流コレクタ102は、例えば、アルミニウム箔電流コレクタでもよい。アルミニウム箔コレクタ(箔コレクタ102)に適した箔は、完全硬化合金まで完全にアニールしたAl 1145としてオハイオ州のオール・ホイルズ社(All-Foils Incorporated)から、12.5〜50μm、例えば、1ミルの厚さ及び2.83〜2.87μΩ/cmの固有抵抗を有するものを入手することができる。
【0035】
第一層104は、電流コレクタ102の表面上に形成し、例えば、マサチューセッツ州ベレリカのキャボット(Cabot)から入手できるブラック・パール(Balck Pearl)2000のような炭素粉末からなっていてもよい。第一層104の望ましい性質は、低い固有抵抗、例えば、4Ω/cmより低い固有抵抗;第一層104が電流コレクタ102(箔コレクタ102)と、第二層106の活性炭の両方によく接着していること;伝導性炭素と電流コレクタ102(箔コレクタ102)との間及び伝導性炭素104と活性炭106との間の低い界面及び面積抵抗、例えば、5mΩcm2より低い抵抗;である。
【0036】
第二層106は第一層104の上に形成され、活性炭粉末からなっていてもよい。炭素電極に用いられる活性炭粉末は、大きな「効果性」及び「利用性」により大きなキャパシタンスを与えるために用いられる。大きなキャパシタンスは、一つには活性炭粉末の大きなBET比表面積、日本のクラレ化学から入手できるBP20のような活性炭の場合、500〜2500m2/g、例えば、1900m2/gの程度の比表面積により可能である。活性炭粉末の比表面積は粒径分布に関連しており、それは3〜30μmの範囲に入り、d50=8μmである。広い範囲の粒径が効果的な充填密度を可能にし、小さな粒子が、大きな粒子によって生じた空洞内に充填される。そのような活性炭は、キネル(kynel)、レーヨン、ココナッツ殻等のような出発材料を用いて製造することができる。そのような活性炭の沃素吸収率は、例えば500〜2500mg/g、例えば2000mg/gである。重量%による水分含有量は、例えば0.2〜0.7%であり、灰分含有量は、例えば0.05〜0.12重量%であり、粒径は、例えば3〜30nmであり、粒径分布は、例えば60〜500nm、例えば60〜300nmであり、キャパシタンスは、例えば22〜35ファラッド/g、例えば25ファラッド/g、即ち、例えば15〜20ファラッド/cc、例えば16ファラッド/ccである。
【0037】
設計最適化での重要なパラメーターは、「効果性」及び「利用性」に影響を与えるファラッド/ccである。基礎材料レベルでは、これは気孔分布によって影響を受け、それは典型的には8〜50Åの範囲にある。電極レベルでは、電極を構成する粉末の充填密度がファラッド/ccを決定する。本発明の電気化学的二重層キャパシタ用の炭素電極は、25%〜35%の希望の電極気孔率(即ち、空洞対体積比)になるように製造され、それは充填密度及び乾燥条件の選択によって達成されるはずである。電極気孔率は、粒子対粒子接触を最大にし、抵抗を低下し、炭素表面の濡れを可能にする電解質浸透を促進するようにして最適にする。
【0038】
得られる電極100固有抵抗を更に低下するため、マサチューセッツ州ベレリカのキャボットから入手できるブラック・パール2000のような、活性炭粉末よりも伝導性である伝導性炭素を少量(例えば、1〜5%)、第二層106を形成するために用いるスラリーへ添加してもよい。
【0039】
電極100を製造する方法は、例えば、スラリー、ペースト、又はゲル状(ここでは一般にスラリー状として言及する)にして粉末炭素を電流コレクタ102(例えば、電流コレクタ板102、又はアルミニウム箔のような箔102)の上に適用するか、又は電流コレクタの上に既にある他の層の上に適用することを含んでいる。粉末炭素のそのようなスラリー状のものは、重合体結合剤を含有する溶液に入れて製造してもよい。
【0040】
例えば、結合剤は、ポリビニルピロリドン、ポリアミド等を含んでいてもよい。好ましい結合剤は、ペンシルバニア州アトフィナ・ケミカルズ(Atofina Chemicals)から入手できるキナール(Kynar)761又はキナール2801でもよい。結合剤は、選択した電解質に不溶性で、例えば、アセトニトリルに不溶性で、水、アセトン、メチルエチルケトン、N−メチルピロリドン等のような配合用溶媒には可溶性であるのがよい。結合剤は、109Ω/cmより大きく、例えば2×1014Ω/cmの体積抵抗率;150℃より高く、例えば375℃以上の熱分解性を持つべきであり、アルミニウムとの濡れ性が良好であるべきである。
【0041】
例えば、電極100は、伝導性炭素の第一層104(スラリー状で結合剤含有)を電流コレクタ102へ適用し、活性炭の第二層106(スラリー状で、少量の伝導性炭素及び結合剤含有)を前記第一層104へ適用することにより製造する。
【0042】
次に図2に関し、伝導性炭素粉末スラリー又は活性炭粉末スラリーのような炭素粉末スラリー202を、電流コレクタ204(又は箔204)の表面へ適用し、その箔の表面上の伝導性炭素の第一層又は活性炭の第二層を形成するためのスラリー転写装置及び方法200を例示する概略的工程図が示されている。
【0043】
被覆工程前に、箔204の表面をコロナで処理するか、或は機械的又は化学的に変性し、アルミニウム表面の表面エネルギーを変化させて濡れ性及び接着性を向上することができる。
【0044】
本発明の態様に従い、被覆過程は2工程で進行する。第一工程は、箔204の裸のアルミニウム表面に、適当な結合剤〔例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)、エチレンアクリル酸(EAA)のような水性結合剤;又はペンシルバニア州フィラデルフィアのアトフィナ・ケミカルズから入手できるPVDF−「キナール」(“Kynar”)761又は「キナール」(“Kynar”)2801のような溶媒系結合剤〕及び適当な溶媒(例えば、NMP、MEK、アセトン又はそれらの混合物)を含有するスラリー202として第一層(又は主被覆)を適用することを含んでいる。更に、界面抵抗を増大することなく、電極の一体性を改良するため主被覆内に接着促進剤を用いてもよい。主被覆中に含まれる高度に伝導性の炭素の(結合剤及び溶媒のような他の成分に対する)割合は、25重量%〜95重量%の範囲に入るのが好ましい。主被覆は、活性炭を含まないのが好ましい。
【0045】
主被覆は、界面抵抗を減少し、副被覆のための種子被覆として働く。
【0046】
主被覆を、例示したように、S字型(reverse comma)被覆装置及び方法のようなスラリー転写装置及び方法200を用いて適用する。スロット被覆、グラビア、押出し、フレキソグラフ、又はロール被覆法のような他の方法を用いてもよい。
【0047】
S字型被覆装置及び方法200が例示されている。輸送ローラー206、転写ローラー208、及び炭素スラリーローラー210が示されている。一組のワイパー212も示されている。
【0048】
実際には箔204を、輸送ローラーと転写ローラーとの間に通す。輸送ローラー206で、それに対し箔204が気密に保持される輸送ローラーと、転写ローラー208との間の間隔が、主被覆の厚さを決定する。主被覆を適用するのに用いられる上述のような炭素スラリー202を炭素スラリーローラー210上へ導入し、転写ローラー208へ運ぶ。次に炭素スラリー202を、炭素スラリーローラー210と転写ローラー208との間に通す。その結果、炭素スラリー202の一部分が転写ローラー208へ転写され、次に今度は箔204の一方の側へ転写される。
【0049】
S字型被覆法及び装置はよく知られており、従って、それについてここで更に説明することはしない。
【0050】
炭素スラリー202を箔204の一方の側に転写した後、一組のワイパー212が箔204の縁の所及び箔204の中心部の所にある主被覆の部分を除去し、それらの所を接触縁部を形成するのに用い、後で一層完全に説明するように、箔204の切断及び取扱い後に奇麗な縁が確実に形成されるようにする。
【0051】
第二層(又は副被覆)を、S字型被覆装置200に2回目として通す間、又は第二のS字型被覆装置を用いてインラインで、主被覆の上に適用する。どちらの場合でも、副層が、主層の充分な硬化が(溶媒の蒸発により)行われた後に適用され、明確な主層と副層とを維持する。
【0052】
副被覆は、キネル、ココナッツ、又はレーヨン基礎材料から誘導された活性炭を含む。上で述べたように、この活性炭は「効果性」を増大するため大きな比表面積、典型的には1000〜2500m2/gの程度の比表面積を有する。副被覆は、大きな比表面積の活性炭、適当な結合剤(例えば、PVDF−ペンシルバニア州フィラデルフィアのアトフィナ・ケミカルズから入手できる「キナール」2801)及び適当な溶媒(例えば、NMP、MEK、アセトン、又はそれらの混合物)を含むスラリーを用いて適用する。副被覆中に含まれる活性炭の、他の成分(結合剤及び溶媒を含む)に対する割合は、5重量%〜40重量%の範囲に入り、例えば約30重量%になる。副被覆は、第一層で用いる伝導性炭素のような伝導性炭素を少量含んでいてもよい。副被覆中に含まれる高度に伝導性の炭素の割合は、0.01重量%〜5重量%の範囲に入り、例えば約0.3重量%である。このスラリーを、上に記載したようなS字型被覆法(又は他の方法)を用いて主炭素被覆の上に被覆する。
【0053】
上に記載した方法は、界面及び面積抵抗を減少させる効果的な方法ではあるが、含まれる処理工程は、箔204の被覆が一方の側だけではなく、両方の側に望まれる場合には幾らか一層複雑になる。両面被覆箔を達成するためには、箔204の被覆を完了するのに、第一及び第二の側の各々について、第一及び第二層の各々のため1回づつ、計4回、箔204をS字型被覆装置及び方法200に通す。
【0054】
副被覆を適用するのに用いられるS字型被覆法及び装置200は、箔204の縁の所及び中心部の所で副被覆の一部分を除去するために一組のワイパー212を用いることを含め、主被覆を適用するのに用いたのと同様である。従って、副被覆を適用するために用いるS字型被覆装置及び方法200について更に別に説明することはここではしない。
【0055】
図3に関し、箔302、炭素粉末スラリー304、及び一列になった一組のワイパー306の上面図が示されており、それらワイパーは、箔302が図2のスラリー転写装置200を通過する間に三つの帯308、310、312(即ち、レーン308、310、312)として箔302から炭素粉末スラリー304を除去する。
【0056】
三つのレーン308、310、312は、箔302の縁314、316の所及び箔302の中心部318の所に位置し、実質的に炭素粉末スラリー304が存在しない。これら三つのレーンの外側の二つ、308、312は、奇麗な縁を確実に与えるために用いられ、箔302の縁314、316の所で達成することができる(第一層及び第二層を適用する前、間、又は後で、箔302の取扱いから起きることがあるちぢれ又は湾曲を起こさない)。更に、これら三つのレーン308、310、312は、炭素電極(後で一層完全に説明する)の一方の縁の所に接触縁部(図示されていない)を形成するのに用い、それにより端子と炭素電極との間の低抵抗電気接続を行うことができる。
【0057】
次に図4に関し、箔302の三つのレーン308、310、312(図3のワイパーにより炭素粉末スラリーが除去された所)が、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層で被覆された領域402、404によって分離されている箔302の上面図が示されている。
【0058】
四つの切断線406、408、410、412も示されており、第一層及び第二層を硬化した後、それら線に沿って箔302を切断する。
【0059】
四つの切断線406、408、410、412に沿った箔302の切断は、正確なブレード(blade)切断装置(図示されていない)を用いて達成するのが好ましく、その装置は、スラリー転写装置200(図2)とは別の装置になっていてもよく、或はスラリー転写装置200(図2)とインラインに配置されていてもよい。切断線406、408、410、412に沿った箔302の切断は、電極のための奇麗な縁を確実に与え、夫々の電極の一方の端に沿った接触縁部を与える結果になり、箔302をその幅の半分に切断し、二つの電極を形成する。接触縁部は、電気化学的二重層キャパシタの各端子と夫々の電極との間の低抵抗電流路を与える。
【0060】
第一切断410は、箔の中心で行われ、第二切断406は、箔302の縁の所のレーン308の一つの中心を通って行われる。第三の切断412は、第一及び第二層で被覆された第二領域404の一つの縁に沿って行われ、箔302の縁の所の他方のレーン312を除去するようにし、第四の切断408は、第一及び第二層で被覆された第一領域402の他方の側の縁に沿って行われ、箔302の一方の縁とは反対側の中心レーン310の残余を除去するようにする。
【0061】
箔302を切断した結果として、二つの同様に別々の電極が形成され、夫々が接触縁部を有し、第一及び第二層で被覆された領域を有する。第一の電極は一つのレーン308の半分と第一及び第二層により被覆された第一領域402から形成され、第二電極は中心レーン310の半分と、第一及び第二層により被覆された第二領域404から形成されている。
【0062】
第一及び第二の電極を形成するように箔302を切断する上述の態様には、本発明者により数多くの変更が考慮されており、本発明の態様の範囲内に入る。
【0063】
図5に関し、箔302の三つのレーンが、伝導性炭素502の第一層及び活性炭504の第二層で被覆された領域402、404により分離された図4の箔の側断面図が示されている。
【0064】
図から分かるように、第一層502及び第二層504が箔302の上に被覆されており、第一層及び第二層から一組のワイパーにより三つのレーンが、層の除去により形成されている。
【0065】
四つの切断線406、408、410、412も示しており、第一層502及び第二層504を硬化した後、それらの線に沿って箔302の切断を行う。四つの切断は、上に記載したように、四つの切断線406、408、410、412に沿って行う。
【0066】
図6に関し、図1の箔電極100のような二つ箔電極602、604に切断された図4の箔302の上面図が示されている。
【0067】
図から分かるように、二つの箔電極602、604の各々は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層で被覆された領域402、404を有し、接触縁部606、608を有する。
【0068】
次に図7に関し、多孔質セパレータ702によって互いに電気的に(イオン的にではない)分離された第一及び第二炭素電極602、604を形成するように、多孔質セパレータ702に対し並べて配置した活性炭の第二層504を夫々有する二つの箔電極602、604の側断面図が示されている。
【0069】
多孔質セパレータ702の目的は、二つの間隔を開けた炭素電極602、604が決して互いに直接電気的に接触しないようにするためである(それに対しイオン流は、多孔質セパレータ702によって可能にされている)。
【0070】
用語「間隔を開けた」とは、電極602、604の間の直接の電気的接触がないことを指すものとする。多孔質セパレータ702の第二目的は、二つの間隔を開けた電極602、604の間の空間内への電解質溶液の吸収を促進することにある。
【0071】
この目的は、本発明にとって重要である。なぜなら、二つの間隔を開けた炭素電極602、604の間の接触は短絡を与える結果になり、電気化学的二重層キャパシタ700に貯蔵された電荷を急速に消失させることになるからである。
【0072】
従って、箔電極602、604の間の直接の電気的接触を防止する目的が達成される限り、広い範囲の材料及び/又は構造体を多孔質セパレータ702として用いることができ、例えばその目的には、二つの間隔を開けた炭素粉末電極602、604の間に物理的障壁を介在させることなく、二つの間隔を開けた炭素粉末電極602、604を機械的に隔離することが含まれる。
【0073】
例えば、多孔質セパレータ702は、日本のニッポン・コドシ社(Nippon Kodoshi Corporation)から入手することができるTF3045紙でもよい。別法として、多孔質セパレータ702は、ポリエチレン、ポリプロピレン、他の種類の紙、それらの組合せ又は薄板等から製造してもよい。多孔質セパレータ702の厚さは、例えば1〜50μm、例えば35μmでもよく、密度は、例えば0.3〜0.5g/cm3、例えば0.419g/cm3でもよく、抗張力は、例えば10ニュートン/15mmより大きく、例えば12.7ニュートン/15mmでもよく、気孔率は、例えば40〜80%、例えば72%でもよく、電解質吸収性は、例えば10〜80mm/10分、例えば39mm/10分でもよく、熱安定性は−55℃〜150℃でもよい。
【0074】
好ましい態様に従い、例示した部品を適度の一定圧力で互い圧縮し、多孔質セパレータ702が電気的短絡、即ち、箔電極602、604の間の直接的電気接触を防止する。
【0075】
実際には、二つの炭素電極602、604(二つの箔電極602、604)の間及び内部に得られる間隔及び空隙は、全て高度に伝導性の、好ましくは非水性電解質溶液、例えば、溶媒としてのアセトニトリル(CH3CN)と一緒にしたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(Et4NBF4)(TEABF4)塩で満たされている。
【0076】
他の可能な塩には、トリエチルメチルアンモニウム及び他のアルキルアンモニウム塩が含まれる。
【0077】
他の可能な溶媒には、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチルメチル(EMC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、蟻酸メチル、及びそれらの混合物が含まれる。
【0078】
ここに記載した本発明は、別法として、上に記載したアセトニトリルから形成した溶液以外の電解質溶液、特に非水性(又は有機)電解質溶液を使用することも考慮に入れていることを強調しておきたい。
【0079】
電解質溶液は、例えば10〜100ミリ・シーメンス(mS)、例えば66mS伝導度、−55〜200℃、例えば−55〜87℃の液相範囲、及び2Vより大きな電圧範囲を有するのが好ましい。
【0080】
電解質溶液のイオンは多孔質セパレータの気孔又は穴を自由に通過する。上で述べたように、セパレータは一つの電極を他の電極と物理的に接触しないように、従って、電気的に短絡しないように防止する。
【0081】
操作上、炭素電極の接触縁部を通り、従って、炭素電極602、604を通って電位を印加すると、電解質中に浸漬した各電極の表面に分極液体層が形成される。静電エネルギーを貯蔵し、二重層キャパシタとしての機能を果たし、即ち、直列の二つのキャパシタとしての機能を果たすのは、この分極液体層である。
【0082】
特に、炭素電極602、604を通って電圧を印加した時、例えば、一方の電極602を、他方の電極604に対し、正に帯電させると、印加した電場の下での電荷分離により、更に電極602、604の全表面に亙る電解質分子の双極子配向及び配列により、電解質イオンが分極して分極液体層が形成される。この分極は次の関係によりキャパシタ中にエネルギーを保存する:
C=keA/d (1)
及び
E=CV2/2 (2)
式中、Cはキャパシタンスで、keは二重層の有効誘電定数であり、dは層間の分離距離であり、Aは、電解質溶液中に浸漬された箔電極602、604の比表面積であり、Vは箔電極602、604を通って印加された電圧であり、Eは電気化学的二重層キャパシタ702に貯蔵されたエネルギーである。
【0083】
本発明の態様として、分離距離dは、Åで測定される程小さいが、比表面積A、即ち電極材料1g当たりの表面積「A」は非常に大きい。従って、式(1)から分かるように、dが非常に小さく、Aが非常に大きい場合、キャパシタンスは非常に大きくなる。
【0084】
電気化学的二重層キャパシタ702の表面積「A」は、箔電極602、604から作られているため大きい。特に箔電極602、604の各々は、夫々副被覆504中に活性炭粉末を含有する。活性炭は極めて多孔質状の炭素である。活性炭粉末は滑らかな表面をもたず、無数の気孔で穴だらけになっている。活性炭粉末の気孔は典型的な大きさが約5〜40Åである。
【0085】
炭素電極602、604を電解質溶液中に浸漬する。各穴及び気孔は、電解質溶液に露出された粉末の表面積を増大する。その結果、電解質を気孔中へ浸透させ、炭素粉末の表面積の全て又は殆どその全てと接触させ、それにより帯電分子の二重層が上に形成される電極の表面積「A」を劇的に増大する三次元的電極構造が得られる。
【0086】
しかし、大きなキャパシタンスを達成することは、本発明の態様の一つの特徴に過ぎない。上で認めたように、本発明の態様の更に別の重要な特徴は、電気化学的二重層キャパシタが、比較的短い時間内でエネルギーを貯蔵及び放電することができることであり、即ち、電気化学的二重層キャパシタ702のRC時定数が比較的小さく、例えば、1秒間未満の程度であり、例えば、0.5秒である。
【0087】
電気化学的二重層キャパシタ702の内部抵抗は、幾つかの成分から成り立っている。特に内部抵抗成分には、接触抵抗RC、電極抵抗REL、電解質溶液抵抗RES、及びセパレータ抵抗RSEPが含まれる。
【0088】
接触抵抗RCは、キャパシタ端子(図示されていない)から、炭素電極602、604の接触縁部までの電流路の全抵抗を表す。電極抵抗RELは、電極602、604の内部の抵抗を表す。電解質溶液抵抗RESは、電解質溶液に対して存在し、セパレータ抵抗RSEPは、多孔質セパレータ702に対して存在する。
【0089】
前記説明は、原理的には電極抵抗RELを最少にするように指示された本発明の態様の教示に重点が置かれているが、上で述べた電解質溶液及び多孔質セパレータ702は、電解質溶液抵抗RES(下で更に説明するように、電解質溶液が許容できる電圧に対してバランスされている)及びセパレータ抵抗RSEPを、夫々最少にするように選択される。例えば、図12に関連して始まる下の説明は、接触抵抗RCを最少にするための教示に向けられている。
【0090】
電気化学的二重層キャパシタ700内に貯蔵されたエネルギーは、RC、REL、RES、及びRSERを通って流れる電流によりキャパシタを出入りする。従って、達成される実際的充填/放電時間のためには、キャパシタンスCと組合わされてキャパシタ100の時定数τCを定めるRC、REL、RES、及びRSERの値が、出来るだけ低く維持されるのが好ましいことが分かる。
【0091】
多孔質セパレータの抵抗RSEPは、多孔質セパレータ702の気孔率及び厚さの関数である。
【0092】
電解質溶液の抵抗RESは、用いた特定の電解質溶液の伝導度の関数である。電解質溶液の種類を選択する場合、幾つかの妥協点が考慮される。電解質水溶液は、一般に非水性溶液よりも大きな伝導度を有する(例えば、10倍)。しかし、水溶液はキャパシタ・セルの作動電圧を約1.0Vに限定する。セル中に貯蔵されたエネルギーは電圧の平方の関数なので、大きなエネルギー用のものは、2.0〜3.0Vの程度のセル電圧を可能する非水性電解質を用いて一層よく実現される。
【0093】
好ましい電解質であるアセトニトリル(CH3CN)と適当な塩との混合物は、60Ω−1cm−1の程度の伝導度を示す。
【0094】
本発明の態様の結果、RC+RELがRSEP+RESと比較して小さい値まで減少する。
【0095】
図8に関し、図4の箔302の側断面図が示されており、この場合、箔302の第一及び第二側の802、804の両方が領域806、808、810、812を有し、夫々の領域が伝導性炭素の第一層814及び活性炭の第二層816を有し、更に箔302の三つのレーン308、310、312を有し、それらレーンは、伝導性炭素第一層814及び活性炭第二層816で被覆された領域806、808、810、812により分離されている。
【0096】
図8の態様は、図5及び7の態様と同様であるが、箔の一方の側だけに第一層814及び第二層816(及び第一層814及び第二層816のない箔の三つのレーン308、310、312)を有する代わりに、第一層814及び第二層816が箔302の両側802、804の上に形成されており、箔電極中に存在する炭素の量を効果的に2倍にし、それにより電気化学的二重層キャパシタのキャパシタンスを増大している。
【0097】
図8の箔302は、図2〜4に関連して上で述べた方法に従って製造されるが、但し箔302は、スラリー転写装置200(図2)を更に2回通過し(又は最初の二つのスラリー転写装置200とインラインになった二つの更に別のスラリー転写装置を通過し)、合計四つの炭素層が箔302の上に堆積され、各側802、804の上に二つの層814、816が堆積されている。第一層814及び第二層816が第一側802上に形成された後、箔302を反転させ、第一層814及び第二層816が、箔302の第二側804上に形成されるようにする。
【0098】
別法として、第一層814が第一側802上に形成された後、箔302を反転させ、第二側804上に第一側814を形成し、然る後、箔302を再び反転し、第二層816を第一側802上に形成し、最後に箔302を再び反転して、第二側804上に第二層816を形成することができる。
【0099】
各側802、804上に第一層814及び第二層816を有する箔302を、次に例えば図4〜6に関連して上で述べたように、描いた切断線406、408、410、412に沿って切断する。
【0100】
炭素電極を製造することができる他の方法には、有孔箔コレクタ板又はスクリーン(図示されていない)を用いることが含まれる。ダイ(die)を用いた押出し法により有孔箔コレクタ板又はスクリーン上に炭素スラリーを被覆し、それにより被覆工程を2工程で完了することができ(一つは有孔箔コレクタ板又はスクリーンの両側上の第一層のために行われ、他方は有孔箔コレクタ板又はスクリーンの両側上の第二層のために行われ)、処理工程数を最少にし、それによりコストを低下する。
【0101】
次に図9に関し、図8の場合のように四つの箔電極902、904、906、907の側断面図が示されており、それら箔電極は伝導性炭素第一層920及び活性炭第二層922を有する第一及び第二の側908,910,912,914,916,918,917,919を有し、箔電極の第一及び第二のもの902、904の活性炭第二層922が、第一多孔質セパレータ928の夫々の側924、926に対し併置されており;箔電極の第二及び第三のも904、906の別の活性炭第二層922が第二多孔質セパレータ934の夫々の側930、932に対し併置されており;箔電極の第一及び第四のもの902、907の更に別の活性炭第二層922が、第三多孔質セパレータ935の夫々の側931、933に対し併置されており、第一、第二、及び第三多孔質セパレータ928、934、935によって互いに電気的に(イオン的にではなく)分離された第一、第二、第三、及び第四炭素電極902、904、906、907を形成している。
【0102】
四つの箔電極902、904、906、907、及び多孔質セパレータ928、934、935を電解質溶液中に浸漬し、例えば、図7に関連して記述した箔電極602、604、セパレータ702、及び電解質溶液と同様な機能を果たす。しかし、箔電極の第一及び第三のも902、906は、それらの接触縁部936、938(右側に描かれている)が電気的に接続されており、即ち、短絡されており(図示されていない)、そのような箔電極の第一及び第三のもの902、906は、電気化学的二重層キャパシタ900の一つの電極として働き、箔電極の第二及び第四のもの904、907は、それらの接触縁部940、941(左側に描かれている)が電気的に接続され、即ち、短絡されており(図示されていない)、そような箔電極の第二及び第四のもの904、907は、電気化学的二重層キャパシタ900の別の電極として働くようになっている。
【0103】
図10に関し、伝導性炭素第一層及び活性炭第二層を含む第一及び第二側を有し、第一及び第二多孔質セパレータ1006、1008により分離されている、図8に示したような、一対の炭素電極1002、1004を有する巻き層の部分的上面図が示されている。
【0104】
第一箔電極1002、第一セパレータ1006、第二箔電極1004、及び第二セパレータ1008が示されている。図から分かるように、第一箔電極1002及び第二箔電極1004、例えば、正の箔電極1002及び負の箔電極1004は、第一セパレータ1006及び第二セパレータ1008からずれており、第一セパレータの両側、例えば、上側と下側の上に配置されている。(箔電極とセパレータとの間の幅及び相対的関係のこの差は図9に見ることができる)。第二セパレータ1008は第二箔電極1004の下に位置しており、従って、第一及び第二セパレータ1006、1008、及び第一及び第二箔電極1002、1004を一緒に巻くと、第一及び第二セパレータ1006、1008の両側は、第一箔電極1002と第二箔電極1004の隣接した側の間の絶縁を与える。
【0105】
第一及び第二箔電極1002、1004は、図8に描いたように、それらの両側が第一及び第二層で被覆されている点で、両面になっているのが有利である。こようにして、各電極の炭素量は効果的に2倍になる。
【0106】
第一箔電極1002を第一セパレータ1006に対して配置した場合、第一箔電極1002の接触縁部1012の一部分1010が、第一及び第二セパレータ1006、1008の第一縁1014を越えて伸びている。第一箔電極1002の接触縁部1012の一部分1010は、例えば0.125インチの幅を持っていてもよいが、第一箔電極1002の接触縁部1012は、例えば0.250インチの幅を持っていてもよい。
【0107】
同時に、第一及び第二多孔質セパレータ1006、1008の相対する縁1018の所にある第一及び第二多孔質セパレータ1006、1008の一部分1016は、第一箔電極1002を越えて伸び、第一箔電極1002が、第二箔電極1004の接触縁部1020と短絡するのを防ぐようになっている。第一及び第二セパレータ1006、1008のその部分1016は、例えば0.125インチの幅を持っていてもよい。
【0108】
第二箔電極1004の接触縁部1020の一部分1022は、第一及び第二セパレータ1006、1008の相対する縁1018を越えて、例えば0.125インチ伸びており、第一及び第二多孔質セパレータ1006、1008の第一縁1014の所の第一及び第二多孔質セパレータ1006、1008の一部分1023は、第二箔電極1004を、例えば、0.125インチ越えて伸び、第二箔電極1004と第一箔電極1002の接触縁部1012と短絡するのを防いでいる。第二箔電極1004の接触縁部1020は、例えば0.250インチの幅を持っていてもよい。
【0109】
第一及び第二セパレータ1006、1008の夫々第一及び第二(即ち、両側の)縁1014、1018を越えて伸びている第一箔電極1002及び第二箔電極1004の接触縁部1012、1020の部分1010、1022は、夫々第一箔電極1002及び第二箔電極1004のための接点として働く。
【0110】
図11は、図8のように、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を含む第一及び第二の側を有し、第一及び第二の多孔質セパレータ1106、1108によって分離された一対の炭素電極1102、1104を有し、図10の巻き層を用いた「ゼリーロール」型態様に従い、「ゼリーロール」型電極組立体1100の組立体端部断面図である。
【0111】
第一箔電極1102、第二箔電極1104、第一セパレータ1106、及び第二セパレータ1108が示されている。図から分かるように、第一セパレータ1106、第一箔電極1102、第二セパレータ1108、及び第二箔電極1106を有する層は、「ゼリーロール」型に巻かれており、第一箔電極1102、第二箔電極1104の二つの被覆した表面の各々が、夫々第一及び第二セパレータ1106、1108によって分離され、それによって単位体積あたり表面積を最大にし、キャパシタンスを最大にするようになっている。
【0112】
二つの箔電極1102、1104はずれており(上で更に述べたように、第一及び第二セパレータ1106、1108の第一及び第二縁を越えて夫々の接触縁部が伸びているようにされており)、第一セパレータ1106及び第二セパレータ1108によって互いに電気的に分離されたゼリーロール型に組立てられている。それらのセパレータは重合体フイルムか又は紙にすることができる。
【0113】
第一セパレータ1106及び第二セパレータ1108は、第一箔電極1102と第二箔電極1104との間の「短絡」を防ぎ、即ち電流がそれらの間を流れないように、(更に上で記述したように)第一電極1102及び第二電極1104の端を越えて伸びているのが好ましい。
【0114】
次に図12に関し、第一炭素電極の接触縁部1208への低抵抗路を与えるように、「ゼリーロール」電極組立体1200の一方の端部1206の所にあるアルミニウム・アークスプレーした領域1202、1204と、第二炭素電極の接触縁部への別の低抵抗路を与えるように、「ゼリーロール」型電極組立体1200の反対側の縁部の所にある別のアークスプレー領域(図示されていない)を含む図11の「ゼリーロール」型電極組立体1100の斜視図が示されている。
【0115】
「ゼリーロール」型電極組立体1200、第二セパレータ、第一箔電極の接触縁部1208、第二箔電極の接触縁部、第一アルミニウム領域1202、及び第一箔電極の接触縁部1208上の第二アルミニウム領域1204が示されている。
【0116】
「ゼリーロール」型電極組立体1200は、第一箔電極、第二箔電極、第一セパレータ、及び第二セパレータを、上に記載したように巻く、即ち、ロール状にすることにより形成する。
【0117】
「ゼリーロール」型電極組立体1200が形成されたならば、第一電極の接触縁部1208及び第二電極の接触縁部を、夫々の接触縁部に対し僅かな圧力を加え、「ゼリーロール」型電極組立体1200の中心部の方へ軸方向及び径方向の両方に「潰す(smear)」。この「潰し」の結果として、接触縁部が「ゼリーロール」型電極組立体1200の中心部1210の方へ径方向へ曲がり、それは第一電極の接触縁部1208及び第二電極の接触縁部の表面を露出し、第一電極の接触縁部1208の巻きの間隙及び第二電極の接触縁部の巻きの間隙を閉じるのに役立つ。
【0118】
接触縁部1208の「潰し」が完了したならば、「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部1206及び第二端部1212をマスクし、第一及び第二端部1206、1212の各々の二つの扇形部を露出し、第一及び第二端部1206、1212の残りの部分がマスクされたままにしておく。二つの扇形部は、「ゼリーロール」型電極組立体1200の外側角から、「ゼリーロール」型電極組立体1200の中心軸1210までの距離の約2/3径方向に伸びいる。各扇形部は、約45°の開きがある。
【0119】
「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部1206をマスクしたならば、第一端部1206に、アルミニウム又は電解質溶液と両立する別の電気伝導性物質をアークスプレーする。アークスプレーが完了したならば、第一端部1206からマスクを取り除く。「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部1206をアークスプレーする一つの目的は、第一箔電極の巻きの間(即ち、接触縁部の間)に低抵抗の電流路を与え、それにより全電極抵抗を低下することにある。
【0120】
「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部の所に第一及び第二アルミニウム領域1202、1204を形成したのと同じやり方で、「ゼリーロール」型電極組立体の第二端部の所に第一及び第二アルミニウム領域(図示されていない)も形成し、巻きの間(即ち、第二電極の接触縁部の間)に低抵抗電流路を与え、それにより更に全電極抵抗を低下する。
【0121】
低抵抗接点を形成するため、コレクタ円盤(図示されていない)及び端子ポスト(図示されていない)を、「ゼリーロール」型電極組立体1200の端部の各々と一緒に、それらに対し間隔を開けて配列し、「ゼリーロール」型電極組立体1200の各端部の所の箔電極の接触縁部と、「ゼリーロール」型電極組立体1200の各端部の第一及び第二アルミニウム領域1202と1204と、電気的に接触するようにコレクタ円盤を配置する。
【0122】
次に、「ゼリーロール」型電極組立体1200の端部の、第一及び第二アルミニウム領域の所にコレクタ円盤をレーザー溶接により取付け、それにより「ゼリーロール」型電極組立体1200の端部と、端子組立体との間に低抵抗接触を与える。その結果、第一箔電極と、第一端子組立体と、第二箔電極と、第二端子組立体との間に低抵抗接触が与えられる。
【0123】
別法として、第一端子組立体及び第二端子組立体を、第一及び第二アルミニウム領域を形成する前に、「ゼリーロール」型電極組立体1200の両端部と一緒に配列し、それらに対し配置し、この場合、第一及び第二アルミニウム領域のアークスプレーは、第一及び第二箔電極の接触縁部と電気的に接触させてコレクタ円盤を「溶接」するのに役立つ。
【0124】
変更した一つの方法として、「ゼリーロール」型電極組立体1200の両端部のアルミニウム被覆領域に対しコレクタ円盤を密封する場合、そのアルミニウム被覆領域のアルミニウムの量が、「ゼリーロール」型電極組立体1200の両端部の残りの接触縁部より上にコレクタ円盤を持ち上げ、それによりコレクタ円盤と接触縁部との間に小さな間隙を形成するのに充分である場合、これは、コレクタ円盤の下に電解質溶液が流れるようにし、次にそれらコレクタ円盤の下に存在する「ゼリーロール」型電極組立体1200の巻きの間を流れるようにすることができる。
【0125】
コレクタ円盤は、「ゼリーロール」型電極組立体1200の端部の被覆領域と非被覆領域との両方に対し乗せ、充分な電解質溶液が「ゼリーロール」型電極組立体1200の端部とコレクタ円盤との間を流れるようにし、コレクタ円盤の間に存在する「ゼリーロール」型電極組立体1200の巻きの間を電解質溶液が流れるようにするのが好ましい。
【0126】
図13に関し、図11の巻き層を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200の側断面図が示されている。
【0127】
巻き、第一箔電極の接触縁部1302、第二箔電極の接触縁部1304、及び中空芯1306から構成された「ゼリーロール」型電極組立体1200が示されている。
【0128】
「ゼリーロール」型電極組立体の巻き層を形成するために、ここに記載したような、第一及び第二箔電極、及び第一及び第二セパレータを、ここに記載したように巻く。
【0129】
図14に関し、図11の巻き層を有し、更に第一スタッド1402(又はプラグ1402)、及び第一コレクタ円盤1404を有する図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200の側断面図が示されている。
【0130】
巻き、第一箔電極の接触縁部1302、第二電極の接触縁部1304、中空芯1306、及び第一スタッド1402、及び第一コレクタ円盤1404が示されている。
【0131】
第一スタッド1402を、中空芯1306の第一端部と配列し、中空芯1306の端部の開口中へ挿入し、ネジ山付きポスト1406が、スタッド1402から中空芯1306の外の方へ伸びている。
【0132】
スタッド1402を中空芯1306の端部の開口中へ挿入した時、第一コレクタ円盤1404が、「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部の第一及び第二アルミニウム領域を含めた「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部に対し座り、「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部の第一及び第二アルミニウム領域を含めた「ゼリーロール」型電極組立体1200の第一端部にレーザー溶接されている。
【0133】
次に図15に関し、図11の巻き層、図14の第一プラグ1402を有し、更に第一端子組立体1502の残余を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200の側断面図が示されている。
【0134】
巻き、第一箔電極の接触縁部1302、第二箔電極の接触縁部1304、中空芯1306、第一スタッド1402、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、及び蓋1506が示されている。
【0135】
蓋1506は、第一端子ポスト1504に溶接されており、そのポストはソケットを有し、そのソケットは、例えば第一端子ポスト1504の基底部にネジ山を付けて形成されていてもよい。次に、コレクタ円盤の中心の穴を第一スタッド1402のネジ山付きポストの上に配置し、第一端子ポスト1504を、ソケットの第一スタッド1402上のネジ山付きポストに、第一端子ポスト1504を第一スタッド1402にネジ込むようにして結合し、それにより第一スタッド1402と第一端子ポスト1504との間にコレクタ円盤1404を介在させる。
【0136】
第一端子ポスト1504(及び下に記載する第二端子ポスト)は、約0.625inの直径を持っていてもよい。
【0137】
図16に関し、図11の巻き層、図14の第一プラグ1402、図15の第一端子組立体1502の残余を有し、更に第一プラグ1602(又はスタッド1602)、第二コレクタ円盤1604、及び第二端子ポスト1606を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200の側断面図が示されている。
【0138】
「ゼリーロール」型電極組立体の巻き、第一箔電極の接触縁部1302、第二電極の接触縁部1304、中空芯1306、第一スタッド1402、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、蓋1506、第二スタッド1602、第二コレクタ円盤1604、及び第二端子ポスト1606が示されている。
【0139】
第二スタッド1602はネジ山付きポストを有し、それが第二コレクタ円盤1604の中心部の穴に通されており、そのポストには第二端子ポスト1606が、第二端子ポスト1606のネジ山付きソケットを第二スタッド1602へネジ込むことによるなどして結合されている。第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト、1602/1604/1606を、中空芯1306の第二端部に配列する。
【0140】
次に第二スタッド1602を中空芯1306の第二端部の開口中へ挿入し、第二コレクタ円盤1604を、「ゼリーロール」型電極組立体1200の第二端部の第一及び第二アルミニウム領域を含む「ゼリーロール」型電極組立体1200の第二端部に対し座らせる。第二コレクタ円盤1604は、「ゼリーロール」型電極組立体1200の第二端部の第一及び第二アルミニウム領域を含めた「ゼリーロール」型電極組立体1200の第二端部にレーザー溶接する。
【0141】
図17に関し、図11の巻き層、図14の第一プラグ1402、図15の第一端子組立体1502の残余、及び図16の第二プラグ1602、第二コレクタ円盤1604、及び第二端子ポスト1606を有し、更に第一絶縁ワッシャー1702、及び缶1704を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200のばらばらにした側断面図が示されている。
【0142】
「ゼリーロール」型電極組立体1200、第一箔電極の接触縁部1302、第二箔電極の接触縁部1304、中空芯1306、第一スタッド1402、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、蓋1506、第二スタッド1602、第二コレクタ円盤1604、第二端子ポスト1606、第一絶縁ワッシャー1702、及び缶1704が示されている。
【0143】
第一絶縁ワッシャー1702は、第二端子ポスト1606の上に配置されている。第一絶縁ワッシャー1702は、テフゼル(Tefzel)から作られていてもよい。次に缶1704を、「ゼリーロール」型電極組立体1200の上に嵌込み、第二端子ポスト1606が最初に缶1704に入るようにする。缶1704は、例えばアルミニウムから作られ、0.04inの肉厚を持っていてもよい。缶1704の直径は、例えば2.5inで、缶の長さは、例えば6inでもよい。次に第二端子ポスト1606を缶1704端部の所で軸穴1706に通す。第一絶縁ワッシャー1702のフランジは、第二端子ポスト1606と、軸穴1706との間の電気的接触を防ぐ。
【0144】
同時に蓋1506を缶1704の開口中へ引込み、蓋1506のリムが、丁度缶1704の開口の縁の内側に座るようにする。蓋1506のリムを、次に缶1704開口の縁に溶接する。
【0145】
次に図18に関し、図16の第二端子ポスト1606、及び第一絶縁ワッシャー1702、図17の缶1704、更に第二絶縁ワッシャー1802、平らなワッシャー1804、皿型ワッシャー1806、及び止めナット1808の部分的側断面図が示されている。
【0146】
第二端子ポスト1606は、缶1704の端部の軸穴1706(図17)を通過し、第二端子ポスト1606は第二絶縁ワッシャー1802を通過する。第二絶縁ワッシャー1802もテフゼルから作られていてもよい。第二端子ポスト1606は、次に平らなワッシャー1804、及び皿型ワッシャー1806を通過する。次に止めナット1808を皿型ワッシャー1806の上で締め、それにより皿型ワッシャー1806を平らなワッシャー1804に対し押付け、それが今度は第二絶縁ワッシャー1802に対して押付けられる。第二絶縁ワッシャー1802を、缶1704の軸穴1706(図17)の外周に対し押付け、この圧縮力により第二端子ポスト1606が軸穴1706(図17)の方へ引張られ、第一絶縁ワッシャー1702が、第二端子ポスト1606と、軸穴の内側周辺部との間で圧縮される。
【0147】
図19に関し、図11の巻き層、図14の第一プラグ1402、図15の第一端子組立体1502の残余、第二プラグ1602、第二コレクタ円盤1604、及び図16第二端子ポスト1606、第一絶縁ワッシャー1702、及び図17の缶1704、第二絶縁ワッシャー1802、平らなワッシャー1804、皿型ワッシャー1806、及び図18の止めナット1808を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体1200の側断面図が示されている。
【0148】
図から分かるように、第一絶縁ワッシャー1702及び第二絶縁ワッシャー1802は、第一絶縁ワッシャーのフランジを含めて、第二端子ポスト1606を缶1704から絶縁するのに役立つ。平らなワッシャー1804及び皿型ワッシャー1806は、第二端子ポスト1606を缶1706の穴に通して引いた時、止めナット1808により第二絶縁ワッシャー1802に対し押し付けられ、第二端子ポスト1606、第一絶縁ワッシャー1702、第二絶縁ワッシャー1802、及び缶1704の間の気密な密封を形成する。皿型ワッシャー1806は、この密封が、平らなワッシャー1804及び止めナット1808に対するスプリング力を与えることにより熱サイクル中維持されるのを確実にする。
【0149】
図20に関し、図19の「ゼリーロール」型態様に従って作られた電気化学的二重層キャパシタ2000の斜視図が示されている。
【0150】
上で述べたように、皿型ワッシャー1806(図18)に対し止めナット1808(図18)を締め付けたならば、缶1704の穴1706(図17)、第一絶縁ワッシャー1702(図18)、第二絶縁ワッシャー1802(図18)、及び第二端子ポスト1606の間に気密な密封が形成される。同様に、缶1704の蓋2002に蓋1506を溶接し、第一端子ポスト1504に蓋1506を溶接すると、別の気密な密封が形成される。
【0151】
しかし、蓋1506の穴1902は残っており、電解質溶液を充填するための入口として働く。
【0152】
本発明の態様に従い、電解質溶液は溶媒及び塩から構成することができる。好ましい溶媒はアセトニトリル(CH3CN)であり、好ましい塩には、1.4Mのテトラフルオロ硼酸テトラエチルアンモニウムが含まれる。トリエチルアンモニウム、及び他のアルキルアンモニウム塩のような他の塩を用いてもよい。他の溶媒には、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、蟻酸メチル、及びそれらの組合せが含まれる。好ましい電解質は、10〜100ミリシーメンスの伝導度、例えば66mS、−55〜200、例えば−55〜87℃の液相範囲、及び2Vより大きい電圧範囲を有する。
【0153】
電解質溶液は、穴1902を通って缶1704へ入れる。電解質溶液を入れる前に缶1704の中の気体の除去を行い、電解質溶液が缶及び「ゼリーロール」型電極組立体1200(図13)の中に引き込まれる(再充填される)ようにすることができる。特に、電解質溶液は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層から構成された、第一箔電極及び第二箔電極の多孔質表面中に引き込まれる。電解質溶液の幾らかの沈降は、プラグ2004及び套管2006を蓋1506中に挿入する前に、更に電解質溶液の添加を必要とする結果になることがある。
【0154】
次に套管2006を穴1902中へ入れ、その穴1902の内側端部の所のフランジ(図示されていない)に対し座らせる。套管2006は、中空円筒の形をしている。次に、円柱の形をしたプラグ2004を套管2006の中心へ通し、套管2006を穴1902の内側に対し押し付け、それにより穴1902、套管2006、及びプラグ2004の間に気密な密封を形成する。
【0155】
プラグ2004及び套管2006は、缶1704中の圧力が予定されたレベルに到達した時に外れるように選択し、それにより過剰圧力安全機構を与えることができるようにするのが有利である。
【0156】
第一端子ポスト1504、蓋1506、缶1704、蓋1506中の穴1902、套管2006、及びプラグ2004が示されている。第二端子ポスト1606も示されている。
【0157】
図21に関し、改良されたコレクタ板、及び第一端子組立体2102の減少した数の部品、及び第二端子組立体2120を有する、図12〜20の「ゼリーロール」型態様を変更したものの側断面図が示されている。
【0158】
上に記載した態様に従って作られた電気化学的二重層キャパシタは、約2,650〜2,700ファラッドのキャパシタンス及び0.6mΩより小さなインピーダンスを有する。
【0159】
「ゼリーロール」型電極組立体2108の「ゼリーロール」型巻き2106、第一箔電極の接触縁部2110、第二箔電極の接触縁部2112、中空芯2160、第一スタッド/コレクタ円盤2114、第一端子ポスト2116、蓋2118、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120、缶2122、第一絶縁ワッシャー2124、第二絶縁ワッシャー2126、平らなワッシャー2128、皿型ワッシャー2130、及び止めナット2132が示されている。
【0160】
上に記載したように、第一及び第二箔電極、及び第一及び第二セパレータを有する「ゼリーロール」型巻き2106を形成するために、上に記載したようにして「ゼリーロール」型巻き2106を巻く。
【0161】
第一スタッド/コレクタ円盤2114は、円盤状部分2134、スタッド部分2136、及びネジのような留め具2138を、単一の一体的部品として形成したものからなる。第一スタッド/コレクタ円盤2114は、中空芯2160の第一端部と一列になって並んでおり、第一スタッド/コレクタ円盤2114のスタッド部分2136は、中空芯2160の第一端部の開口中へ挿入されている。
【0162】
第一スタッド/コレクタ円盤2114のスタッド部分2136を中空芯2160の第一端部の開口中に挿入した時、第一スタッド/コレクタ円盤2114の円盤状部分2134(即ち、コレクタ円盤部分2134)が、「ゼリーロール」型電極組立体2108の第一端部の第一接触縁部2110上の第一及び第二アルミニウム被覆領域(図12に示したもと同様)を含む「ゼリーロール」型電極組立体2108の第一端部に対して座り、「ゼリーロール」型電極組立体2108の第一端部の第一接触縁部2110及び第一及び第二アルミニウム領域にレーザー溶接されている。
【0163】
次に蓋2118を第一端子ポスト2116に溶接し、例えば、ネジ山付きソケットを第一スタッド/コレクタ円盤2114上の留め具2138に、第一端子ポスト2116を第一スタッド/コレクタ円盤2114の上にネジで止めるなどして結合する。
【0164】
次に、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120を、中空芯2160の第二端部と一列に並べる。第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120は、スタッド部分2140、円盤状部分2142(即ち、コレクタ円盤部分2142)、及び端子ポスト部分2144(即ち、第二端子ポスト2144)を有する。第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120のスタッド部分2140を、中空芯2160の第二端部の開口中へ挿入し、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120のコレクタ円盤部分2142を、「ゼリーロール」型電極組立体2108の第二端部の第二接触縁部2112上の第一及び第二アルミニウム領域(図12に示したもと同様)を含む「ゼリーロール」型電極組立体2108の第二端部に対して座らせる。第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120のコレクタ円盤部分2142を、「ゼリーロール」型電極組立体2108の第二端部の第二接触縁部2112及び第一及び第二アルミニウム領域を含む「ゼリーロール」型電極組立体2108の第二端部にレーザー溶接する。
【0165】
次に、缶2122を、「ゼリーロール」型電極組立体2108の上に被せ、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120を先ず缶2122中へ入れ、第一絶縁ワッシャー2124に通す。第一絶縁ワッシャー2124は、テフゼルから作ってもよい。次に第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120を、缶2122の端部の軸穴に通し、第二絶縁ワッシャー2126に通す。第二絶縁性ワッシャー2126もテフゼルから作られていてもよい。
【0166】
第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120を、次に平らなワッシャー2128及び皿型ワッシャー2130に通す。次に止めナット2132を皿型ワッシャー2130の上で締め付け、それにより皿型ワッシャー2130を平らなワッシャー2128に対して押し付け、それが今度は第二絶縁ワッシャー2126に対して押し付けられる。第二絶縁ワッシャー2126を、缶2122の軸穴の外周に対して押し付け、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120がこの軸穴の方へこの押し付け力により引張られた時、第一絶縁ワッシャー2124が、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120と、缶2122の軸穴の内側周辺との間で圧縮される。第一絶縁ワッシャー2124のフランジは、第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120と、軸穴のリムとの間の電気的接触を防ぐ。
【0167】
同時に蓋2118が缶2122の開口中へ引張られ、蓋2118のリムが、缶2122の開口の縁の直ぐ内側に座るようになる。次に蓋2118のリムを、缶2122の開口の縁に溶接する。
【0168】
止めナット2132を皿型ワッシャー2130に対して締め付けると、軸穴、第一絶縁ワッシャー2124、第二絶縁ワッシャー2126、及び第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120の間に気密な密封が形成される。
【0169】
同様に、缶2122縁へ蓋2118の溶接、及び第一端子ポスト2116に対する蓋2118の溶接により、別の気密な密封が形成される。
【0170】
蓋2118の穴2146はそのまま残り、電解質溶液を充填するための入口として働き、その溶液は上に記載したように溶媒及び塩から構成されていてもよい。電解質溶液を缶中に入れたならば(即ち、上に記載したように、真空により缶中へ引き込んだならば)、次に穴2146中へ套管2148を入れ、穴2146の内側端部にあるフランジ2150に対して座らせる。套管2148は中空円筒の形をしており、プラグ2152を挿入するのに適合する。
【0171】
次に円柱の形をしたプラグ2152を套管2148の中心部中へプレスし、それにより套管2148を穴2146の内側へ押し付け、穴2146、套管2148、及びプラグ2152の間に気密な密封を形成する。
【0172】
プラグ2152及び套管2148は、電気化学的二重層キャパシタ内部の圧力が規定されたレベルに到達した時に外れるように選択し、それにより過剰圧力安全機構を形成する。
【0173】
図22は、図21の変更による第二端子組立体2104の第二スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120の上面図である。
【0174】
コレクタ円盤部分2142、ネジ山付き部分2406、及び端子ポスト部分2144が示されている。端子ポスト部分2144は、止めナット2132(図21)を嵌め込むためのネジ山付き部分を有し、それにより、上に記載したように、組立中、端子ポスト部分2144上に止めナット2132(図21)を締め付けることができるようになっている。
【0175】
スタッド部分2140(図21)、コレクタ円盤部分2142、及び端子ポスト部分2144を単一のユニットとして形成することにより、本発明の態様の電気化学的二重層キャパシタを製造するのに必要な組立工程及び部品数が少なくなり、それによりコスト及び複雑性が少なくなり、有利である。
【0176】
図23は、図21の変更による第二端子組立体2104のスタッド/コレクタ円盤/端子ポスト2120の側面図である。
【0177】
スタッド部分2140、ネジ山付き部分2406、コレクタ円盤部分2142、及び端子ポスト部分2144が示されている。端子ポスト部分2144は、止めナット2132(図21)を嵌め込むためのネジ山付き部分を有し、それにより、上に記載した組立中、端子ポスト部分2144上に止めナット2132(図21)を締め付けることができるようになっている。
【0178】
図24は、図21の変更による第一端子のスタッド/コレクタ円盤2400の側面図である。
【0179】
スタッド部分2402(図21のスタッド部分2136としても示されている)、コレクタ円盤部分2404(図21のコレクタ円盤部分2134としても示されている)、及びネジ山付き部分2406が示されている。ネジ山付き部分2406は、上で述べたように、組立中、第一端子ポスト(図示されていない)中のネジ山付き穴中へ挿入される。
【0180】
図25は、図21の変更による第一端子のスタッド/コレクタ円盤2400の上面図である。
【0181】
コレクタ円盤部分2404、及びネジ山付き部分2406が、ノッチ付き円筒状部分2502と共に示されている。ネジ山付き部分を、ノッチ付き円筒状部分2502のノッチの平らな表面と嵌合する道具を用いるなどして、第一端子ポスト(図示されていない)と組合せる時、ノッチ付き円筒状部分2502を用いてネジ山付き部分2406へ回転力を適用する。ノッチ付き円筒状部分2502のノッチは、「ゼリーロール」の第二端部の所で第二電極と接触するコレクタ円盤の表面積に影響を与えない。
【0182】
図26に関し、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の、修正した第二電極組立体中の缶にポケット2602を用いた別の変更したものの側断面図が示されている。
【0183】
図13の「ゼリーロール」型電極組立体1200、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、蓋2606、第一絶縁ワッシャー1702、第二絶縁ワッシャー1802、平らなワッシャー1804、皿型ワッシャー1806、止めナット1808、蓋2606の穴1902、第二コレクタ円盤1604、第二端子ポスト1504、缶2604、及び缶2604のポケット2602が示されている。
【0184】
「ゼリーロール」型電極組立体1200は、上に記載した本発明の方法に従って製造され、第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を、上に記載したように、レーザー溶接又はアークスプレーによるなどして「ゼリーロール」型電極組立体1200に固定する。次に、夫々の第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を有する「ゼリーロール」型電極組立体1200を、缶2604中へ滑り込ませる(第二端子ポスト1606を、最初に缶2604中へ入れる)。「ゼリーロール」型電極組立体1200を缶2604中に滑り込ませた時、第二端子ポスト1606が缶2604のポケット2602の内部に入り、ポケット2602が第二端子ポスト1606に対しクリンプし、第二端子ポスト1606をポケット2602の内部に電気的及び機械的に結合する。ポケットの外部は、電気化学的二重層キャパシタ1200の第一端子として働く。
【0185】
次に、第一絶縁ワッシャー1702を第一端子ポスト1504の上に通し、次に蓋2606を第一端子ポスト1504を通って缶2604中へ挿入する。蓋2606のリムは、上に記載したように、缶2604の縁に溶接し、気密な密封を形成する。第二絶縁ワッシャー1802、平らなワッシャー1804、及び皿型ワッシャー1806を第一端子ポスト1504の上に通し、止めナット1808を皿型ワッシャー1806の上に締め付け、更に別の気密な密封を形成する。
【0186】
次に電解質溶液を、上に記載したように蓋の穴1902を通って缶中へ導入し、套管(図示されていない)、及びプラグ(図示されていない)を用いて蓋の穴1902所の気密な密封を形成する。
【0187】
図27に関し、クリンプ蓋2702を缶2604に固定するためにクリンプシールを用い、修正した第一電極組立体中の蓋2702にポケット2704を用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の、別の変更したものの側断面図が示されている。
【0188】
図13の「ゼリーロール」型電極組立体1200、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、クリンプ蓋2702、第二コレクタ円盤1604、第二端子ポスト1606、缶2604、及び缶2604のポケット2602、及びクリンプ蓋2702のポケット2704が示されている。
【0189】
上に記載した本発明の方法に従って製造された「ゼリーロール」型電極組立体1200、及び第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を、上に記載したように、レーザー溶接又はアークスプレーによるなどして「ゼリーロール」型電極組立体1200に固定する。次に、夫々の第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を有する「ゼリーロール」型電極組立体1200を、缶2604中へ滑り込ませる(第二端子ポスト1606を、最初に缶2604中へ入れる)。「ゼリーロール」型電極組立体1200が缶2604中に滑り込ませた時、第二端子ポスト1606が缶2604のポケット2602の内側に入り、缶2604のポケット2602が第二端子ポスト1606に対しクリンプし、第二端子ポスト1606をポケット2602の内部へ電気的及び機械的に結合する。ポケットの外部は、電気化学的二重層キャパシタの第二端子として働く。
【0190】
次に、上に記載したように、電解質溶液を缶中へ導入する。
【0191】
次に、缶2604の縁の上にシール2706を置き、クリンプ蓋2702を缶2604の開口中へ入れ、クリンプ蓋2702のリムをシール2706に嵌め込む。クリンプ蓋2702を缶2604の開口中へ入れた時、第一端子ポスト1504が、クリンプ蓋2702のポケット2704の内部に入る。
【0192】
缶2604の縁をクリンプ蓋2704のリムの上にクリンプさせ、シール2706をそれらの間に介在させ、クリンプ蓋2704と缶2604との間に気密な密封を形成する。
【0193】
次にクリンプ蓋2702のポケット2704の内部を第一端子ポスト1504に対しクリンプさせ、第一端子ポスト1504をクリンプ蓋2702のポケット2704へ電気的及び機械的に結合する。クリンプ蓋2702のポケット2704の外部は、電気化学的二重層キャパシタの第一端子として働く。
【0194】
図28に関し、小型(low profile)「二重缶(can-within-a-can)」組立体及び修正した第一及び第二電極組立体を用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の別の変更したものの側断面図が示されている。
【0195】
図13の「ゼリーロール」型電極組立体1200、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、第二コレクタ円盤1604、第二端子ポスト1606、内側缶2802、外側缶2804、内側缶2802のポケット2806、及び外側缶2804のポケット2808が示されている。
【0196】
「ゼリーロール」型電極組立体1200は、上に記載した本発明の方法に従って製造され、第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を、上に記載したように、レーザー溶接又はアークスプレーによるなどして「ゼリーロール」型電極組立体1200に固定する。
【0197】
次にシール2810を、外側缶2804の内部基底端部の周辺の所に配置する。
【0198】
次に、夫々の第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を有する「ゼリーロール」型電極組立体1200を、外側缶2804中へ滑り込ませる(第二端子ポスト1606を、最初に外側缶2804中へ入れる)。「ゼリーロール」型電極組立体1200を外側缶2804中に滑り込ませた時、第二端子ポスト1606が外側缶2804のポケット2808の内部に入り、ポケット2808が第二端子ポスト1606に対しクリンプし、第二端子ポスト1606を外側缶2804のポケット2808へ電気的及び機械的に結合する。ポケットの外部は、電気化学的二重層キャパシタの第二端子として働く。
【0199】
次に内側缶2802を外側缶2804中へ滑り込ませ、内側缶2802の蓋が外側缶2804の内部基底端部周辺のシール2810と嵌合する。内側缶2802を外側缶2804中へ滑り込ませた時、内側缶2802のポケット2806の内部が第一端子ポスト1504と嵌合する。
【0200】
次に外側缶2804の蓋を内側缶2802の外部基底端部の周辺に対してクリンプさせ、外側缶2804の内部基底端部の周辺の所で、内部缶2802の縁と、シール2810により気密な密封を形成する。
【0201】
次に内側缶2802のポケット2806を第一端子ポスト1504に対してクリンプさせ、内側缶2802のポケット2806に第一端子ポスト1504を電気的及び機械的に結合する。内側缶2802のポケット2806の外部は、電気化学的二重層キャパシタの第一端子として働く。
【0202】
次に電解質溶液を内側及び外側缶2802、2804中へ、外側缶2804の端部の穴2812を通って導入し、套管(図示されていない)及びプラグ(図示されていない)を用いて、上に記載したように、外側缶1804の穴1812の所に気密な密封を形成する。
【0203】
図29に関し、蓋2904と第一端子組立体との間にセラミックシール2902を用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の、別の変更したものの側断面図が示されている。
【0204】
図13の「ゼリーロール」型電極組立体1200、第一コレクタ円盤1404、第一端子ポスト1504、蓋2904、セラミックシール2902、第二コレクタ円盤1604、第二端子ポスト1606、缶2604、及び缶2604のポケット2602が示されている。
【0205】
「ゼリーロール」型電極組立体1200は、上に記載した本発明の方法に従って製造される。
【0206】
次に、拡散結合などにより、セラミックシール2902を第一端子ポスト1504へ結合し、蓋2904をセラミックシール2902に結合し、セラミックシール2902と第一端子ポスト1404との間、及びセラミックシール2902と蓋2904との間に、気密な絶縁性シールを形成する。
【0207】
次に第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を、上に記載したように、レーザー溶接又はアークスプレーによるなどして「ゼリーロール」型電極組立体1200に固定する。
【0208】
次に、夫々の第一及び第二コレクタ円盤1404、1604、及び第一及び第二端子ポスト1504、1606を有する「ゼリーロール」型電極組立体1200を、缶2604中へ滑り込ませる(第二端子ポスト1606を、最初に缶2604中へ入れる)。「ゼリーロール」型電極組立体1200を缶2604中に滑り込ませた時、第二端子ポスト1606が缶2604のポケット2602の内側に入り、そのポケットを第二端子ポスト1606に対してクリンプさせ、第二端子ポスト1606をポケット2602に電気的及び機械的に結合する。ポケットの外部は、電気化学的二重層キャパシタの第二端子として働く。
【0209】
蓋2904のリムを、上に記載したように缶2604の縁に溶接し、気密な密封を形成する。
【0210】
次に電解質溶液を、上に記載したように、蓋2904の穴(図示されていない)を通って缶2604中へ導入し、套管(図示されていない)、及びプラグ(図示されていない)を用いて缶2604の穴(図示されていない)の所に気密な密封を形成する。
【0211】
ここに開示した本発明を、その特別な態様及び用途により記述してきたが、それに対し、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から離れることなく、多くの修正及び変更を当業者は行うことができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0212】
【図1】図1は、本発明の一つの態様に従う、箔コレクタ、伝導性炭素の第一層、及び活性炭の第二層を有する炭素電極の断面図である。
【図2】図2は、伝導性炭素粉末スラリー又は活性炭粉末スラリーのような炭素粉末スラリーを箔の表面に適用し、箔の表面上に伝導性炭素の第一層又は活性炭の第二層を形成し、図1の箔電極を形成するスラリー転写装置及び方法を例示する模式的図面である。
【図3】図3は、箔、炭素粉末スラリー、及び一列のワイパーで、箔が図2のスラリー転写装置を通過する時に、その箔の三つの帯(又はレーン)から炭素粉末スラリーを除去し、図1の箔電極の接触縁部を形成するワイパーの上面図である。
【図4】図4は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を被覆した領域によって分離された箔の三つのレーン(炭素粉末スラリーが図3のワイパーにより除去された所)を有する箔の上面図である。
【図5】図5は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を被覆した領域によって分離された箔の三つのレーンを有する、図4の箔の側断面図である。
【図6】図6は、図1の箔電極のような、二つ箔電極に切断した、図4の箔の上面図である。
【図7】図7は、二つ箔電極で、多孔質セパレータに対して並置された活性炭の夫々第二層を有し、前記多孔質セパレータにより互いに電気的に(イオン的にではない)分離された第一及び第二炭素電極を形成する二つ箔電極の側断面図である。
【図8】図8は、図4の箔の側断面図であり、この場合、箔の第一及び第二の側の両方が、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を有し、更に伝導性炭素の第一層と活性炭の第二層とにより被覆された領域によって分離された箔の三つのレーンを有する。
【図9】図9は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を有する第一及び第二の側を有する、図8に示したような四つ箔電極で、第一多孔質セパレータの夫々の側に対し並置された箔電極の第一及び第二のものの活性炭の一つの第二層、及び第二多孔質セパレータの夫々の側に対し並置された箔電極の第二及び第三のものの活性炭の別の第二層を有し、前記第一及び第二多孔質セパレータにより互いに電気的に(イオン的にではない)分離された第一、第二、及び第三の炭素電極を形成した箔電極の側断面図である。
【図10】図10は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を有する第一及び第二の側を有し、多孔質セパレータにより分離された、図8に示したような一対の炭素電極を有する、巻きを例示する部分的上面図である。
【図11】図11は、伝導性炭素の第一層及び活性炭の第二層を有する第一及び第二の側を有し、図10の巻き層を具体化した「ゼリーロール」型態様に従って、第一及び第二多孔質セパレータにより分離された、図8のような一対の炭素電極を有する「ゼリーロール」型電極組立体の組立体端部断面図である。
【図12】図12は、第一炭素電極の接触縁部間に低抵抗路を与えるように「ゼリーロール」型電極組立体の端部の所にあるアルミニウム・アークスプレーした領域を有し、第二炭素電極の接触縁部間に別の低抵抗路を与えるように「ゼリーロール」型電極組立体の反対側の端部の所にある更に別のアークスプレーした領域を有する、図10の「ゼリーロール」型電極組立体の斜視図である。
【図13】図13は、図11の巻き層を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体の側断面図である。
【図14】図14は、図11の巻き層を有し、更に第一プラグを有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体の側断面図である。
【図15】図15は、図11の巻き層及び図14の第一プラグを有し、更に第一端子組立体の残余を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体の側断面図である。
【図16】図16は、図11の巻き層、図14の第一プラグ、及び図15の第一端子組立体の残余を有し、更に第二プラグ、第二コレクタ円盤、及び第二端子ポストを有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体の側断面図である。
【図17】図17は、図11の巻き層、図14の第一プラグ、図15の第一端子組立体の残余、及び図16の第二プラグ、第二コレクタ円盤、及び第二端子ポストを有し、更に第一絶縁ワッシャー、及び缶を有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体のばらばらにした側断面図である。
【図18】図18は、図16の第二端子ポスト1606、図17の第一絶縁ワッシャー1702及び缶1704を有し、更に第二絶縁ワッシャー1802、平らなワッシャー1804、皿型ワッシャー1806、及び止めナット1808を有するものの部分的側断面図である。
【図19】図19は、図11の巻き層、図14の第一プラグ、図15の第一端子組立体の残余、図16の第二プラグ、第二コレクタ円盤、及び第二端子ポスト、図17の第一絶縁ワッシャー、及び缶、図18の第二絶縁ワッシャー、平らなワッシャー、皿型ワッシャー、及び止めナットを有する、図12の「ゼリーロール」型電極組立体の側断面図である。
【図20】図20は、図19の「ゼリーロール」型態様に従って作られた電気化学的二重層キャパシタの斜視図である。
【図21】図21は、改良されたコレクタ板を有し、第一端子組立体及び第二端子組立体の部品の数が減少した、図12〜図20の「ゼリーロール」型態様の変更したものの側断面図である。
【図22】図22は、図21の変更したものの第二端子のスタッド/コレクタ円盤/端子ポストの上面図である。
【図23】図23は、図21の変更したものの第二端子の、図22の場合のような、スタッド/コレクタ円盤/端子ポストの側面図である。
【図24】図24は、図21の変更したものの第一端子のスタッド/コレクタ円盤の側面図である。
【図25】図25は、図21の変更したものの第一端子のスタッド/コレクタ円盤の上面図である。
【図26】図26は、修正した第二電極組立体の缶にポケットを用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の別の変更したものの側断面図である。
【図27】図27は、缶に蓋を固定するためにクリンプシールを用い、修正した第一電極組立体の蓋にポケットを用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の別の変更したものの側断面図である。
【図28】図28は、小型「二重缶」型組立体、及び修正した第一及び第二電極組立体を用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の別の変更したものの側断面図である。
【図29】図29は、蓋と、第一端子組立体との間にセラミックシールを用いた、図12〜20の「ゼリーロール」型態様の別の変更したものの側断面図である。
【符号の説明】
【0213】
100、902、904、906、907、1002、1004、1102、1104 電極
102、204、302 箔コレクタ
104、502、814、920 伝導性炭素第一層
106、504、816、922 活性炭第二層
200 スラリー転写装置及び方法
202、304 炭素スラリー
206 輸送ローラー
208 転写ローラー
212、306 ワイパー
308、310、321 レーン
406、408、410 切断線
602、604 箔電極
606、608、940、941、1012、1014、1020、1206、1208、2110、2112、1302、1304、2110 接触端部
702、928、935、1006、1008、1106、1108 セパレータ
1200、2108 「ゼリーロール」型電極組立体
1306、2160 中空芯
1402 第一スタッド
1406 第一ポスト
1404 第一コレクタ円盤
1502 第一端子組立体
1504、2116 第一端子ポスト
1506、2118、2002、2606、2904 蓋
1602 第二スタッド
1604 第二コレクタ円盤
1606 第二端子ポスト
1702、2124、1702 第一絶縁ワッシャー
1704、2122、2604 缶
1802、2126、1802 第二絶縁ワッシャー
1804、2128、1804 平らなワッシャー
1806、2130、1806 皿型ワッシャー
1808、2132、1808 止めナット
1902、2146 穴
2006、2148 套管
2004、2152 ブラグ
2104 第二端子組立体
2106 「ゼリーロール」型巻き
2114 第一スタッド/コレクタ円盤
2120 第一スタッド/コレクタ円盤/端子ポスト
2136、2402 スタッド部分
2142、2404 コレクタ円盤部分
2144 端子ポスト部分
2502 ノッチ付き円筒状部分
2602、2704、2806、2808 ポケット
2702 クリンプ蓋
2706 シール
2802 内側缶
2804 外側缶
2902 セラミックシール
Claims (20)
- 二重層キャパシタで用いられる電極構造体を製造する方法において、伝導性炭素粉末及び結合剤を含む第一スラリーを電流コレクタ板へ適用し、前記適用した第一スラリーを硬化して主被覆を形成し、活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含む第二スラリーを前記主被覆に適用し、前記適用した第二スラリーを硬化して副被覆を形成し、それにより第一電極を形成する工程を包含する、電極構造体製造方法。
- 第一スラリー中の伝導性炭素粉末の割合が、第一スラリーの約25%〜約90%である、請求項1に記載の方法。
- 第二スラリー中の活性炭粉末の割合が、重量で、第二スラリーの約5%〜約40%である、請求項1に記載の方法。
- 活性炭粉末の比表面積が、500〜2500m2/gである、請求項1に記載の方法。
- 活性炭粉末の粒径が、3〜30nmである、請求項1に記載の方法。
- 活性炭粉末の気孔孔径が、60〜500nmである、請求項1に記載の方法。
- 第一電極のキャパシタンスが22〜35F/gである、請求項1に記載の方法。
- 第一スラリーが活性炭を含まない、請求項1に記載の方法。
- 第二スラリーが、更に伝導性炭素粉末を含む、請求項1に記載の方法。
- 第二スラリー中の伝導性炭素粉末が、第二スラリーの約0.01%〜約5%である、請求項9に記載の方法。
- 更に、適用した第一スラリーを硬化する前に、その適用した第一スラリーの一部分を除去して、電流コレクタ板の接触部分を形成する、請求項1に記載の方法。
- 更に、第一スラリーを適用する工程の前に、電流コレクタ板を処理して第一スラリーとの濡れ性及び付着性を向上させることを行う、請求項1に記載の方法。
- 第一電流コレクタ箔、前記第一電流コレクタ箔の一部分の上に形成した第一主被覆、及び前記第一主被覆上に形成した第一副被覆を有する第一電極構造体;第二電流コレクタ箔、前記第二電流コレクタ箔の一部分の上に形成された第二主被覆、及び前記第二主被覆上に形成された第二副被覆を有する第二電極構造体;を具え、然も、前記第一及び第二の主被覆は伝導性炭素粉末を含み、前記第一及び第二副被覆は活性炭粉末を含み、更に、前記第一と第二の電極構造体の間に配置された多孔質セパレータで、前記第一と第二の副被覆と接触し、それらを分離する多孔質セパレータ;及び前記多孔質セパレータ及び前記第一及び第二の電極構造体を、規定された電解質溶液で飽和するための手段;を具えた二重層キャパシタ。
- 更に、第一キャパシタ端子及び第二キャパシタ端子を具え、然も、第一電流コレクタ箔の一部分が前記第一キャパシタ端子に結合されており、第二電流コレクタ箔の一部分が前記第二キャパシタ端子に結合されている、請求項10に記載の二重層キャパシタ。
- 二重層キャパシタで用いられる電極構造体を製造する方法において、伝導性炭素粉末及び結合剤を含む第一スラリーを電流コレクタ板の一方の側へ適用し;前記適用した第一スラリーを硬化して第一主被覆を形成し;活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含む第二スラリーを前記第一主被覆に適用し;前記適用した第二スラリーを硬化して第一副被覆を形成し;前記電流コレクタ板の前記一方の側とは反対側にある、前記電流コレクタ板の他方の側に第一スラリーを適用し;前記適用した第一スラリーを硬化して、前記電流コレクタ板の前記他方の側の上に第二主被覆を形成し;前記第二主被覆に前記第二スラリーを適用し;前記適用した第二スラリーを硬化して前記第二主被覆上に第二副被覆を形成し、それにより第一電極を形成する工程を包含する、電極構造体製造方法。
- 更に、適用した第一スラリーの一部分を除去した後、前記適用した第一スラリーを硬化して第一主被覆を形成し;電流コレクタ板の他方の側に適用した第一スラリーの一部分を除去した後、前記適用した第一スラリーを硬化して第二主被覆を形成することを行う、請求項15に記載の方法。
- 二重層キャパシタで用いられる電極構造体において、電流コレクタ箔;前記電流コレクタ箔の第一側及び第二側の夫々の上に形成された主被覆;を具え、然も、前記主被覆の各々は、伝導性炭素及び結合剤を含有し、更に、前記主被覆の各々の上に形成され副被覆を具え、然も、前記副被覆の各々は活性炭粉末、溶媒、及び結合剤を含有する、電極構造体。
- 電流コレクタ箔が、或る長さ、幅、及び厚さを有し、前記長さの全体及び前記幅の一部に亘って前記電流コレクタ箔の各側の領域を主被覆が覆い、前記主被覆によって覆われていない前記電流コレクタ箔の部分が接触部分になっている、請求項17に記載の構造体。
- 第一電流コレクタ箔、前記第一電流コレクタ箔の各側の上に形成された第一主被覆、及び前記第一主被覆の各々の上に形成された第一副被覆を有する第一電極構造体;第二電流コレクタ箔、前記第二電流コレクタ箔の各側の上に形成された第二主被覆、及び前記第二主被覆の各々の上に形成された第二副被覆を有する第二電極構造体;を具え、然も、前記第一及び第二主被覆が伝導性炭素粉末を含み、前記第一及び第二副被覆が活性炭粉末を含み;更に、前記第一と第二の電極構造体の間に配置され多孔質セパレータで、互いに向き合った前記第一及び第二電極構造体の前記第一及び第二副被覆と接触し、電気的にそれらを分離している多孔質セパレータ;及び前記多孔質セパレータ及び前記第一及び第二の電極構造体を、規定された電解質溶液中で飽和する手段;を具えた二重層キャパシタ。
- 第一及び第二副被覆が、更に伝導性炭素粉末を含む、請求項19に記載のキャパシタ。
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