專利名稱：雙電層電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于各種電子設備的雙電層電容器。
背景技術：
雙電層電容器具備電容器元件，所迷電容器元件具有一對可極化電極 和設置在該一對可極化電極之間的隔膜。電容器元件與電解液一起插入并 密封在殼體內?？蓸O化電極具有集電體。雙電層電容器與二次電池相比輸 出密度更大，可瞬時流通大電流，從而應用于電動汽車等的動力輔助單元、 不斷電電源裝置等。對于雙電層電容器，迫切希望能夠獲得更大的輸出密 度和能量密度，提高對連續(xù)施加電壓的可靠性以及對反復進行充放電循環(huán) 的耐久性。尤其對于面向汽車應用的雙電層電容器而言，獲得大的輸出密 度和能量密度是非常重要的。
雙電層電容器中，是通過電解質離子吸附到電極上和從電極脫離而蓄 積和釋放電荷，所以與伴有化學反應的電池相比，具有更高的輸出密度和
優(yōu)異的低溫特性。該輸出密度取決于雙電層電容器中的內阻與電壓，為了 提高輸出密度，必須降低內阻。為了降低內阻，關鍵在于增大電極體與集 電體的接觸面積，為了抑制內阻隨著時間降低，必須提高電極體與集電體 的接合強度。而且，為了獲得高能量密度，有效的是使集電體較薄，從而
提高在單體(cdl)內的電極層占有率，而為了使集電體較薄，期望具有大 的強度的集電體。
專利文獻l中揭示了由鋁網構成的集電體、和由具有粗糙化了的表面 的鋁箔構成的集電體。專利文獻2中揭示了由鋁多孔金屬板(alurainum expanded metal)制成的集電體。在這些集電體中，接觸面積的增大、接合強度的增大以及集電體的薄化對于汽車等所規(guī)定的應用領域而言仍不夠 充分。在如金屬網那樣僅具有開口部的集電體中，通過擴大開口部，可以 使設置在集電體兩側的電極體相互接合，從而可以增大接合強度。然而， 一旦擴大開口部，集電體的強度就會降低，所以無法使集電體較薄，而且， 因為集電體的有效面積變小，所以集電體與電極體的接觸面積變小，雙電 層電容器的內阻增大。
專利文獻1:日本特開平4-162510號z^才艮 專利文獻2:美國專利第4，327，400號

發(fā)明內容
雙電層電容器具備殼體、填充到殼體內的電解液和浸漬在電解液中的
電極箔。電極箔具有集電體和覆蓋集電體的電極層。集電體具有第l面和
在該第1面相反側的第2面。在集電體上，形成有貫通第1面與第2面之
間的多個開口部。集電體具有突起部，所述突起部位于多個開口部中的至 少一個開口部的邊緣，從第i面突出且插入到電極層中。
該雙電層電容器可以增大電極層與集電體的接觸面積和它們的接合強 度，且可以使集電體較薄，所以能夠獲得高能量密度和高輸出密度。


圖l是本發(fā)明實施方式的雙電層電容器的立體圖。 圖2是實施方式的雙電層電容器的局部剖切立體圖。 圖3A是實施方式的雙電層電容器的電極箔的剖面圖。 圖3B是實施方式的雙電層電容器的另一電極箔的剖面圖。 圖4A是實施方式的雙電層電容器的集電體的平面圖。 圖4B是實施方式的雙電層電容器的另一集電體的平面圖。 圖5表示實施方式的雙電層電容器的特性的評價結果。 圖6是實施方式的雙電層電容器的又一電極箔的剖面圖。 圖7是實施方式的雙電層電容器的又一集電體的平面圖。圖8是圖7所示集電體沿線8-8的剖面圖。 圖9是圖7所示集電體的放大平面圖。
附圖標記說明
21殼體
22電解液
31集電體(第1集電體、第2集電體)
25電極層(第1電極層、第2電極層)
23電極箔(第1電極箔、第2電極箔)
33開口部(第1開口部、第2開口部)
33A開口部的邊纟彖
32突起部(第1突起部、第3突起部)
52底涂層
123電極箔(第1電極箔、第2電極箔)
131集電體(第1集電體、第2集電體)
132突起部(第1突起部、第3突起部)
133開口部(第1開口部、第2開口部)
133A開口部的邊緣
232突起部(第2突起部、第4突起部)
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明實施方式的雙電層電容器1001的立體圖。圖2是雙電層 電容器1001的局部剖切立體圖。雙電層電容器1001具備鋁制的殼體21; 填充到殼體21內的電解液22;浸漬在電解液22中的兩片電極箔23;絕緣 性的兩片隔膜24;以及密封殼體21的密封橡膠27。如圖2所示，電極箔 23與隔膜24交替重疊并被巻繞。即，兩片電極箔23利用配置在它們之間 的隔膜24而相互絕緣。兩片電極箔23上分別連接有鋁制的引線26。引線 26貫通密封橡膠27而引出到殼體21之外。電極箔23具有鋁制的集電體31和覆蓋集電體31的兩面且含活性炭的電極層25。電極層25由活性炭、 導電性碳、羥曱基纖維素和聚四氟乙烯構成。電解液22含有電解質和溶劑， 所述電解質包含四乙基銨四氟硼烷，所述溶劑包含聚碳酸酯。
圖3A是電極箔23的剖面圖。集電體31由鋁制的金屬箔構成，且具 有面31A和在面31A相反側的面31B。集電體31的面31A、 31B由電極 層25覆蓋。在集電體31上形成有貫通面31A、 31B的多個開口部33,集 電體31具有突起部32，該突起部32在開口部33的邊緣33A處從面31A 突出。突起部32利用通過侵入電極層25內而獲得的錨固效果，即使開口 部33不擴大也可以增大集電體31與電極層25的粘合強度。而且，因為即 使擴大開口部33也可以增大集電體31的表面積，所以可減小雙電層電容 器1001的內阻。通過突起部32，可以縮短電極層25中所含的活性物質與 集電體31的距離，因此可以降低內阻。如圖2所示，通過巻繞電極箔23 而產生的張力會施加到集電體31上，但可利用突起部32來增大集電體31 的強度，從而獲得對該張力的較大抗性。突起部32侵入電極層25的深度 取決于突起部32的高度D2，突起部32的高度D2取決于開口部33的徑 Dl。在開口部33的徑D1較小、突起部32的高度D2較低的情況下，所 述的效果較小。因此，開口部33的徑D1優(yōu)選為20 ium以上，突起部32 的高度D2優(yōu)選為10pm以上。
圖3B是實施方式的另一電極箔123的剖面圖。電極箔123具備具有 面131A、 131B的集電體131。電極層25設置在面131A、 131B上。在集 電體131上形成有貫通面131A、 131B的多個開口部133,集電體131具 有突起部132和突起部232,所述突起部132在開口部133的邊緣133A處 從面131A突出，所述突起部232在開口部133的邊緣133A處從面131B 突出。集電體131具有與圖3A所示的集電體31相同的效果。多個開口部 中，設置有突起部132的開口部133與形成有突起部232的開口部133相 鄰。
圖4A是集電體31的平面圖。形成在集電體31上的正方形的多個開 口部33按照失見定的MJ'J而配置。多個開口部33的總面積Sp相對于包括開口部33在內的集電體31的面積SA1之比R (%)規(guī)定為如下 R ( % ) = Sp Alxl00
比率R優(yōu)選在10%以上且在卯％以下。當比率R小于10%時，突起 部32變小而難以獲得錨固效果，從而無法大幅增大接合強度且無法大幅減 小內阻。當比率R大于90。/。時，集電體31的強度無法經受住巻繞電極箔 23時產生的張力，所以不適合。
圖4B是另一集電體331的平面圖。集電體331形成有正六邊形的開 口部333，且具有蜂窩構造。在將某個面劃分成面積相等且圖形相同的區(qū) 域時，當該圖形為圓、八邊形、五邊形時，會在各區(qū)域間產生無用的空隙， 而且在區(qū)域間有不同的各種形狀的壁，從而造成材料的浪費。如果劃分為 三角形、四邊形、六邊形的區(qū)域，則相互相鄰的各區(qū)域間的壁具有相同的 形狀且不會造成無用的空隙。當劃分為相同面積時，在這些圖形中區(qū)域的 邊長總計最短的是六邊形。即，具有六邊形的開口部的集電體可以由最少 的材料構成。另外，四邊形的開口部對來自斜方向的力較弱，而六邊形的 開口部即使受到來自各個方向的較大力也不會變形，抗伸縮和扭曲。即，
與圖4A所示的四邊形的開口部相比，正六邊形的開口部可以增大集電體 的強度，所以能夠使集電體較薄，因而優(yōu)選正六邊形的開口部。
圖5表示雙電層電容器1001的特性的評價結果。所評價的特性是作為 接合強度指標的電極箔23的撓性和雙電層電容器1001的內阻。另外，電 極箔23的撓性，是用將電極箔23巻繞在圓柱上并且未發(fā)現(xiàn)電極箔23有裂 紋等異常情況時的圓柱的最小直徑來表示。該直徑越小，則電極箔23所具 有的撓性越大，集電體31與電極層25的接合強度越大。
比較例的雙電層電容器具備具有集電體的電極箔，所述集電體不具有 開口部和突起部。
實施例l是具備圖3A所示的集電體31的雙電層電容器。與比較例相 比，具備集電體31的實施例1中，電極箔23的集電體31與電極層25的 接合強度和電極箔23的撓性大，且內阻降低到70.8 mQ。
實施例2是具備圖3B所示的集電體131的雙電層電容器。與實施例1相比，實施例2的集電體131與電極層25的接合強度和電極箔的撓性更大， 且電容器的內阻降低到47.2 mQ。
實施例3是具備圖4B所示的蜂窩構造的集電體331的雙電層電容器。 利用具有正六邊形開口部的集電體，增大集電體與電極層的接合強度，使 集電體的厚度薄至15 nm，且撓性增大。實施例3的雙電層電容器的內阻 降{氐到45.8 mQ。
集電體31、 131、 331可以使用作為通過陽極氧化而形成鈍態(tài)皮膜的金 屬的鋁、鈦、鈮、鉭、鉿、鋯、鋅、鵠、鉍、銻、鎂或者它們的混合物等。
集電體31、 131、 331的厚度優(yōu)選在15 pm以上且在100 |um以下。如 杲集電體31、 131、 331的厚度小于15pm，則有時會因巻繞時產生的張力 而導致電極箔23、 123被切斷。如果集電體31、 131、 331的厚度大于100 )nm，則難以巻繞電極箔23、 123。
圖6是實施方式的雙電層電容器1001的又一電極箔223的剖面圖。電 極箔223具備圖3B所示的集電體131和覆蓋集電體131且以碳為主成分 的底涂層52，電極層25覆蓋底涂層52。集電體131與底涂層52作為集電 體431發(fā)揮作用。因為底涂層52與電極層25牢固地接合，所以能夠使集 電體131與電極層25牢固地接合在一起。
圖5所示的實施例4是具有底涂層52的雙電層電容器。利用底涂層 52，集電體131與電極層25的接合強度增加，電極箔223的撓性大，且可 利用底涂層52的高導電性來使內阻降低到43.3 mQ。
圖5的實施例5是將實施例4的集電體的開口部形狀設為圖4B所示 的正六邊形的雙電層電容器。通過將開口部的形狀設為正六邊形，集電體 與電極層的接合強度進一步增加，且使集電體的厚度薄至15 iam,此外還 增大了撓性，且可使內阻降低到41.8mQ。
圖7是實施方式的又一集電體61的平面圖。圖8是圖7所示集電體 61沿線8-8的剖面圖。集電體61由鋁構成，且形成有開口部62。在開口 部62的周圍，形成有集電體61的材料重疊而成的重疊部63。圖3A所示 的突起部32通過輥壓而彎曲，可形成重疊部63。開口部62的徑D3為5 nm。集電體61的厚度為15pm。
開口部62具有為多邊無定形形狀的星型形狀。所謂多邊無定形形狀， 是指難以用四邊形、六邊形、圃形和橢圓形等幾何形狀來描述的形狀，是 由混合著直線與曲線的封閉線形成。多邊無定形形狀的開口部62，例如可 以通過對圖3A和圖3B所示的集電體31、 131進行輥壓而獲得。在輥壓前 從集電體31、 131突出的突起部32、 132，會在輥壓后向與集電體31、 131 平行的方向彎折，從而形成重疊部63。重疊部63的高度大致為0，但由于 加工偏差而難以完全為0。利用這樣低的重疊部63,可以在將電極層25 涂布到集電體61上時很容易地控制集電體61的位置，從而可以提高涂布 的精度。通過集電體61,可以提高實質生產率，并且可以降低雙電層電容 器的內阻。
圖9是集電體61的放大平面圖，表示了開口部62。按如下方式來定 義多邊無定形形狀的開口部62的徑D3。定義直線362，該直線362與通 過開口部62的邊緣162上的點82的切線262成直角，且經過點82。定義 直線362與邊緣162相交并且不同于點82的點83。將點82到點83為止 的距離中的最小距離定義為開口部62的徑D3。徑D3優(yōu)選為0.01 ~ 50 iam。實施方式中徑D3為5pm。如果開口部62的徑D3小于0.01 nm，則 電解質離子難以移動通過開口部62，因而內阻會增高。如果徑D3超過50 !im，那么一旦為了形成電極層25而涂布在集電體61上的液體的粘度不高， 則該液體就會從開口部62漏出，所以無法高精度地涂布該液體。然而，如 果電解質離子的徑較小，則即使開口部62的徑D3小于0.01 )im，有時內
阻也不會上升。
圖5的實施例6是具備圖7~圖9所示的集電體61的雙電層電容器。 開口部62的徑D3為5 |im，可以利用形成實施例1~5的電極層的液體來 形成電極層25。實施例6中，可以使集電體61的厚度薄至15 jLim，撓性 較大，且可將內阻降低到41.6mQ。
實施例6中，集電體61是通過對圖3A所示的集電體31進行壓制而 形成，重疊部63僅形成于集電體61的單面。為了容易進行開口加工，也可以通過對圖3B所示的集電體131進行壓制而形成集電體61，此時重疊 部63^殳置于集電體的兩面。
集電體31、 61、 131、 331是鋁制的。當電解液22包含鋰時，集電體 可以由銅、鎳等難以與鋰合金化的金屬形成。由此，可以防止在電極箔的 電位降低時集電體與鋰合金化。此時，集電體成為負極，而成為正極的集 電體也可以是鋁制的。即，此時，成為正極的集電體與成為負極的集電體 可以由不同的材料形成。
當電極層25包含鋰時，通過實施例6的集電體61的開口部62，電解 液中的鋰離子容易擴散到電極箔中，從而可以縮短鋰離子嵌入電極箔的時 間。
成為正極的集電體的開口部的形狀也可以與成為負極的集電體的開口 部的形狀不同。
另外，成為正極的集電體的開口部的徑也可以與成為負極的集電體的 開口部的徑不同。
另外，成為正極的集電體的多個開口部的總面積相對于成為正極的集 電體的包括多個開口部在內的面積之比，也可以與成為負極的集電體的多 個開口部的總面積相對于成為負極的集電體的包括多個開口部在內的面積 之比不同。
另外，開口部也可以僅設置在成為正極的集電體和成為負極的集電體 中的任一方上。
即，如上所述，有關開口部的形狀、徑、面積、是否設置等方面，在 正極與負極中也可以不同。嵌入或者吸附在正極和負極上的離子類中各自 的包括溶劑化物在內的離子徑不同。如上所述，有關開口部的形狀、直徑、 面積、是否設置等方面在正極與負極中不同，由此離子可以高效地移動， 離子可以高效地嵌入或吸附到正極和負極上。
另外，成為正極的集電體的突起部的高度也可以與成為負極的集電體
的突起部的高度不同。
在雙電層電容器1001中，有時為了將正極與負極的電容比設為最佳而使電極層的厚度在正極與負極中不同。此時，在正極與負極的其中一方上， 突起部有時會從電極層的表面突出，從而導致正極與負極有時發(fā)生短路。 如果集電體的突起部沒有到達電極層的表面附近，則無法降低內阻。根據 經過設計的電極層的厚度，使成為正極的集電體的突起部的高度與成為負 極的集電體的突起部的高度不同，由此可以防止其短路及內阻變高。
實施方式的雙電層電容器1001中，內阻較低，且內阻不會隨時間增大。 而且，電容器1001具有高輸出密度和高能量密度，所以具有大電容量。
在實施方式中對雙電層電容器進行了說明，但對于通過物理或電化學 的離子吸附脫離或離子嵌入脫離來蓄積、釋放電能的器件，例如被稱為電 化學電容器、有機電解質電池、非對稱電容器、有機電解質電容器、超級 電容器等的蓄電器件而言，通過使之也具備實施方式所述的具有突起部的
集電體，能夠獲得同樣的效果。 工業(yè)利用可能性
本發(fā)明的雙電層電容器，內阻低，內阻不會隨時間增大，且具有大電 容量，可用于各種電子設備的電源等中。
本發(fā)明中表示數(shù)值范圍的"以上"和"以下"均包括本數(shù)。
權利要求
1、一種雙電層電容器，具備殼體、填充到所述殼體內的電解液、以及具有第1集電體和覆蓋所述第1集電體的第1電極層、且浸漬在所述電解液中的第1電極箔，所述第1集電體具有第1面和在所述第1面相反側的第2面，在所述第1集電體上，形成有貫通所述第1面與所述第2面之間的多個第1開口部，所述第1集電體具有第1突起部，所述第1突起部位于所述多個第1開口部中的至少一個開口部的邊緣，從所述第1面突出，并且插入到所述第1電極層中。
2、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中，所述第1集電體還具有第2突起部，所述笫2突起部位于所述多個第 1開口部中的其他的至少一個開口部的邊緣，從所述第2面突出，并且插入到所述第1電極層中。
3、 根據權利要求2所述的雙電層電容器，其中， 所述至少一個開口部與所述其他的至少一個開口部相互相鄰。
4、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中，所述第1集電體由鋁、銅、鈦、鈮、鉭、鎳、鉿、鋯、鋅、鎢、鉍、 銻、鎂、它們的混合物之中的任一種制成。
5、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中，所述第l集電體的所述多個第l開口部的徑為20 iim以上。
6、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中，所述多個第l開口部的總面積相對于所述第l集電體的包括所述多個 笫1開口部在內的面積之比為10%~90%。
7、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中，所述多個第l開口部的形狀是正六邊形。
8、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中， 所述笫1集電體的厚度為15 [Am ~ 100 jam。
9、 根據權利要求l所迷的雙電層電容器，其中， 所述第1集電體的所述第1突起部的高度為10 nm以上。
10、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，還具備第2電極箔，其具有第2集電體和覆蓋所述第2集電體的第2電極層，并且浸漬在所述電解液中，所迷笫2集電體具有第3面和在所述第3面相反側的第4面， 在所述第2集電體上，形成有貫通所述第3面與所述第4面之間的多個第2開口部。
11、 根據權利要求10所述的雙電層電容器，其中， 所述多個第2開口部的形狀與所述多個第l開口部的形狀不同。
12、 根據權利要求10所述的雙電層電容器，其中， 所述多個第2開口部的徑與所述多個第1開口部的徑不同。
13、 根據權利要求10所述的雙電層電容器，其中，所述多個第l開口部的總面積相對于所述第1集電體的包括所述多個 第i開口部在內的面積之比，與所述多個笫2開口部的總面積相對于所述 第2集電體的包括所述多個第2開口部在內的面積之比不同。
14、 根據權利要求10所述的雙電層電容器，其中， 所述第1集電體的材料與所述第2集電體的材料不同。
15、 根據權利要求10所述的雙電層電容器，其中，所述第2集電體具有第2突起部，所述第2突起部位于所述多個第2 開口部中的至少一個開口部的邊緣，從所述第3面突出，并且插入到所述第2電極層中。
16、 根據權利要求15所述的雙電層電容器，其中， 所述第1突起部的高度與所迷笫2突起部的高度不同。
17、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，還具備底涂層，其設置在所述第1集電體與所述第1電極層之間且設置在所 述集電體上，并以碳為主成分。
18、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中， 所述第1電極層含有碳作為主成分。
19、 根據權利要求l所述的雙電層電容器，其中， 所述多個第l開口部具有多邊無定形形狀。
20、 根據權利要求19所述的雙電層電容器，其中， 所述第1開口部的徑為0.01 |im~50 nm。
21、 一種雙電層電容器，具備 殼體、填充到所述殼體內的電解液、以及具有集電體和覆蓋所迷集電體的電極層、且浸漬在所述電解液中的電 極箔，所述集電體具有第1面和在所述第1面相反側的第2面， 在所述集電體上形成有多個開口部，所述多個開口部貫通所述第1面 與所述笫2面之間，且具有多邊無定形形狀。
22、 根據權利要求21所述的雙電層電容器，其中， 所述集電體由鋁、銅、鈦、鈮、鉭、鎳、鉿、鋯、鋅、鎢、鉍、銻、鎂、它們的混合物之中的任一種制成。
全文摘要
一種雙電層電容器，具備殼體、填充到殼體內的電解液和浸漬在電解液中的電極箔。電極箔具有集電體和覆蓋集電體的電極層。集電體具有第1面和在該第1面相反側的第2面。在集電體上，形成有貫通第1面與第2面之間的多個開口部。集電體具有突起部，所述突起部位于多個開口部中的至少一個開口部的邊緣，從第1面突出，并且插入到電極層中。該雙電層電容器可以增大電極層與集電體的接觸面積和它們的接合強度，且可以使集電體較薄，所以能夠獲得高能量密度和高輸出密度。
文檔編號H01G9/016GK101305432SQ20068004193
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月13日 優(yōu)先權日2005年11月14日
發(fā)明者坂田基浩, 島本秀樹, 近藤敬一 申請人:松下電器產業(yè)株式會社