JP7389739B2 - ウルトラキャパシタ用の電極アセンブリ - Google Patents
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Description
当業者に向けられた、本発明のベストモードを含む本発明の完全かつ実施可能な開示を、添付の図面を参照する本明細書の残りでより詳しく示す。
当業者であれば、この議論は、例示的な実施形態の説明にすぎず、本発明のより広い態様を限定することを意図するものではなく、そのより広い態様は例示的な構成において具現化されることを理解されたい。
I.電極アセンブリ:
A.電極:
上記に示したように、電極アセンブリは第1及び第2の電極を含んでおり、これはそれぞれ第1及び第2の集電体を含む。所望の場合、特にウルトラキャパシタが複数のエネルギー蓄積セルを含む場合には、追加の集電体を使用することもできることを理解すべきである。集電体は、同じか又は異なる材料から形成することができる。しかしながら、それぞれの集電体は、通常は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銀、パラジウム等のような導電性金属、並びにそれらの合金を含む基材から形成される。アルミニウム及びアルミニウム合金は、本発明において用いるのに特に適している。基材は、箔、シート、プレート、メッシュ等の形態であってよい。基材はまた、約200マイクロメートル以下、幾つかの実施形態においては約1~約100マイクロメートル、幾つかの実施形態においては約5~約80マイクロメートル、幾つかの実施形態においては約10~約50マイクロメートルのような比較的小さい厚さを有していてもよい。決して必須ではないが、基材の表面は、場合によっては洗浄、エッチング、ブラスト処理などによって粗面化することができる。
また、第1の電極と第2の電極との間にセパレータも配置される。所望の場合には、他のセパレータを電極アセンブリにおいて用いることもできる。例えば、1つ以上のセパレータを、第1の電極、第2の電極、又は両方の上に配置することができる。セパレータは、一方の電極を他方から電気的に絶縁して電気的短絡を阻止するのを助けるが、未だなお2つの電極間のイオンの輸送を可能にしている。例えば幾つかの実施形態においては、セルロース繊維材料(例えば、エアレイド紙ウエブ、ウェットレイド紙ウエブなど)、不織繊維材料(例えばポリオレフィン不織ウエブ)、織布、フィルム(例えばポリオレフィンフィルム)などを含むセパレータを使用することができる。天然繊維、合成繊維などを含むもののようなセルロース繊維材料は、ウルトラキャパシタにおいて用いるのに特に適している。セパレータにおいて用いるのに好適なセルロース繊維の具体例としては、例えば、硬木パルプ繊維、軟木パルプ繊維、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。使用される特定の材料にかかわらず、セパレータは、通常は約5~約150マイクロメートル、幾つかの実施形態においては約10~約100マイクロメートル、幾つかの実施形態においては約20~約80マイクロメートルの厚さを有する。
ウルトラキャパシタを形成するために、電極及びセパレータを組み立てて電極アセンブリを形成する前、その間、及び/又はその後に、電解質を、第1の電極及び第2の電極とイオン接触させて配置する。電解質は一般に非水性であり、したがって少なくとも1種類の非水溶媒を含む。ウルトラキャパシタの使用温度範囲を拡張するのを助けるために、通常は、非水溶媒は、約150℃以上、幾つかの実施形態においては約200℃以上、幾つかの実施形態においては約220℃~約300℃のような比較的高い沸点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、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレンなどのような環状カーボネート溶媒を挙げることができる。もちろん、他の非水溶媒を、単独か又は環状カーボネート溶媒と組み合わせて使用することもできる。こ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等)、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等)、ラクトン溶媒(例えば、ブチロラクトン、バレロラクトン等)、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等)、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、ニトロエタン等)、イオウ化合物(例えば、スルホラン、ジメチルスルホキシド等)などを挙げることができる。
を有する(例えば、ピロリジニウム又はピペリジニウム)。
ウルトラキャパシタにはまた、電極アセンブリ及び電解質がその中に保持され、場合によって気密封止されるハウジングも含ませることができる。ハウジングの性質は、所望に応じて変化させることができる。例えば一実施形態においては、ハウジングには、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)、それらの合金、それらの複合体(例えば導電性酸化物で被覆された金属)などから形成されるもののような金属容器(缶)を含ませることができる。アルミニウムは、本発明において用いるのに特に適している。金属容器は、円筒形、D字形等のような任意の種々の異なる形状を有していてよい。円筒形状の容器が特に好適である。
等価直列抵抗(ESR):
等価直列抵抗は、Keithley 3330 Precision LCZ計を使用して、0.0ボルト、1.1ボルト、又は2.1ボルト(0.5ボルトのピーク・ツー・ピーク正弦波信号)のDCバイアスを用いて測定することができる。動作周波数は100kHzである。種々の温度及び相対湿度レベルを試験することができる。例えば、温度は25℃、85℃、又は105℃であってよく、相対湿度は25%又は85%であってよい。
キャパシタンスは、Keithley 3330 Precision LCZ計を使用して、0.0ボルト、1.1ボルト、又は2.1ボルト(0.5ボルトのピーク・ツー・ピーク正弦波信号)のDCバイアスを用いて測定することができる。動作周波数は120Hzである。種々の温度及び相対湿度レベルを試験することができる。例えば、温度は25℃、85℃、又は105℃であってよく、相対湿度は25%又は85%であってよい。
本発明は以下の実施態様を含む。
[1]対向する第1の長手方向縁部と第2の長手方向縁部との間の長さを画定するウルトラキャパシタ用の電極アセンブリであって、前記電極アセンブリは、
第1の炭素質被覆に電気的に結合された第1の集電体を含む第1の電極であって、前記第1の集電体の少なくとも一部は前記第1の長手方向縁部を越えて突出して第1の突出部分を画定しており、前記第1の突出部分のオフセット比は約0.02~約0.3である上記第1の電極;
第2の炭素質被覆に電気的に結合された第2の集電体を含む第2の電極;及び
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置されたセパレータ;
を含む上記電極アセンブリ。
[2]前記第2の集電体の少なくとも一部が前記第2の長手方向縁部を越えて突出して第2の突出部分を画定しており、前記第2の突出部分のオフセット比が約0.02~約0.3である、[1]に記載の電極アセンブリ。
[3]前記第1の突出部分、前記第2の突出部分、又は両方の長さが、約1~約20ミリメートルである、[1]又は[2]に記載の電極アセンブリ。
[4]前記電極アセンブリの長さが約5~約100ミリメートルである、[1]に記載の電極アセンブリ。
[5]前記電極アセンブリがジェリーロール構造を有する、[1]に記載の電極アセンブリ。
[6]前記第1の集電体及び前記第2の集電体が、それぞれ導電性金属を含む基材を含む、[1]に記載の電極アセンブリ。
[7]前記導電性金属がアルミニウム又はその合金である、[6]に記載の電極アセンブリ。
[8]前記第1の炭素質被覆、前記第2の炭素質被覆、又は両方が活性炭粒子を含む、[1]に記載の電極アセンブリ。
[9]前記セパレータがセルロース繊維材料を含む、[1]に記載の電極アセンブリ。
[10][1]~[9]のいずれかに記載の電極アセンブリ、並びに前記第1の電極及び前記第2の電極とイオン接触している非水電解質を含むウルトラキャパシタ。
[11]前記非水電解質が非水溶媒中に溶解しているイオン液体を含み、前記イオン液体はカチオン種及び対イオンを含む、[10]に記載のウルトラキャパシタ。
[12]前記非水溶媒が、炭酸プロピレン、ニトリル、又はそれらの組み合わせを含む、[11]に記載のウルトラキャパシタ。
[13]前記カチオン種が有機第4級アンモニウム化合物を含む、[11]に記載のウルトラキャパシタ。
[14]前記有機第4級アンモニウム化合物が、次の構造:
を有する、[13]に記載のウルトラキャパシタ。
[15]前記イオン液体が約1.0M以上の濃度で存在する、[11]に記載のウルトラキャパシタ。
[16]前記ウルトラキャパシタが、100kHzの周波数及び25℃の温度で求めて約100ミリオーム以下のESRを示す、[10]に記載のウルトラキャパシタ。
[17]前記ウルトラキャパシタが、120Hzの周波数及び25℃の温度で求めて約6ファラド/平方センチメートル以上のキャパシタンス値を示す、[10]に記載のウルトラキャパシタ。
[18]前記ウルトラキャパシタが基部及び開放端を有する容器を含むハウジングを含み、蓋が前記開放端に隣接して配置されており、更に、前記電極アセンブリが、前記第1の突出部分が前記基部又は前記蓋と電気的に接触する位置となるように前記ハウジング内に配置されている、[10]に記載のウルトラキャパシタ。
[19]前記第2の集電体の少なくとも一部が前記第2の長手方向縁部を越えて突出して第2の突出部分を画定しており、前記第2の突出部分のオフセット比が約0.02~約0.3である、[18]に記載のウルトラキャパシタ。
[20]前記第1の突出部分が前記基部と電気的に接触しており、前記第2の突出部分が前記蓋と電気的に接触している、[19]に記載のウルトラキャパシタ。
[21]前記容器が金属から形成される、[18]に記載のウルトラキャパシタ。
[22]前記容器が円筒形状を有する、[18]に記載のウルトラキャパシタ。
Claims (17)
- 電極アセンブリ、並びに第1の電極及び第2の電極とイオン接触している非水電解質を含むウルトラキャパシタであって、
前記電極アセンブリは、対向する第1の長手方向縁部と第2の長手方向縁部との間の長さを画定し、
前記電極アセンブリは、
第1の炭素質被覆に電気的に結合された第1の集電体を含む第1の電極であって、前記第1の集電体の少なくとも一部は前記第1の長手方向縁部を越えて突出して第1の突出部分を画定しており、前記第1の突出部分のオフセット比は0.02~0.1である上記第1の電極;
第2の炭素質被覆に電気的に結合された第2の集電体を含む第2の電極;及び
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置されたセパレータ;
を含み、
前記電極アセンブリの長さが5~25ミリメートルであり、
前記第1の電極、前記第2の電極、及び前記セパレータは、中空コアを有するジェリーロール構造内に設けられており、
前記ウルトラキャパシタが基部及び開放端を有する容器を含むハウジングを含み、蓋が前記開放端に隣接して配置されており、更に、前記電極アセンブリが、前記第1の突出部分が前記基部又は前記蓋と電気的に接触する位置となるように前記ハウジング内に配置されており、
前記容器が金属から形成される、ウルトラキャパシタ。 - 前記第2の集電体の少なくとも一部が前記第2の長手方向縁部を越えて突出して第2の突出部分を画定しており、前記第2の突出部分のオフセット比が0.02~0.3である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記第1の突出部分、前記第2の突出部分、又は両方の長さが、1~20ミリメートルである、請求項1又は2に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記第1の集電体及び前記第2の集電体が、それぞれ導電性金属を含む基材を含む、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記導電性金属がアルミニウム又はその合金である、請求項4に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記第1の炭素質被覆、前記第2の炭素質被覆、又は両方が活性炭粒子を含む、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記セパレータがセルロース繊維材料を含む、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記非水電解質が非水溶媒中に溶解しているイオン液体を含み、前記イオン液体はカチオン種及び対イオンを含む、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記非水溶媒が、炭酸プロピレン、ニトリル、又はそれらの組み合わせを含む、請求項8に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記カチオン種が有機第4級アンモニウム化合物を含む、請求項8に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記有機第4級アンモニウム化合物が、次の構造:
を有する、請求項10に記載のウルトラキャパシタ。 - 前記イオン液体が1.0M以上の濃度で存在する、請求項8に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記ウルトラキャパシタが、100kHzの周波数及び25℃の温度で求めて100ミリオーム以下のESRを示す、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記ウルトラキャパシタが、120Hzの周波数及び25℃の温度で求めて6ファラド/平方センチメートル以上のキャパシタンス値を示す、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記第2の集電体の少なくとも一部が前記第2の長手方向縁部を越えて突出して第2の突出部分を画定しており、前記第2の突出部分のオフセット比が0.02~0.3である、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記第1の突出部分が前記基部と電気的に接触しており、前記第2の突出部分が前記蓋と電気的に接触している、請求項15に記載のウルトラキャパシタ。
- 前記容器が円筒形状を有する、請求項1に記載のウルトラキャパシタ。
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