JP2005045180A - Electrochemical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電気化学素子に関し、より詳しくは、電気二重層キャパシタをはじめとする電気化学キャパシタ、及び、リチウムイオン2次電池をはじめとする電池を含む電気化学素子に関する。 The present invention relates to an electrochemical element, and more particularly to an electrochemical element including an electrochemical capacitor including an electric double layer capacitor and a battery including a lithium ion secondary battery.
電気二重層キャパシタをはじめとする電気化学キャパシタ、及び、リチウムイオン2次電池をはじめとする電池は、容易に小型化、軽量化が可能な電気化学素子であるため、例えば、携帯機器(小型電子機器)等の電源或いはバックアップ用電源、電気自動車又はハイブリッド車向けの補助電源として期待されている。 Electrochemical capacitors such as electric double layer capacitors and batteries such as lithium ion secondary batteries are electrochemical elements that can be easily reduced in size and weight. It is expected as an auxiliary power source for a power source such as a device) or a backup power source, an electric vehicle or a hybrid vehicle.
上記の電気化学素子は、1つのケースの中に、2以上の素体を電気的に直列につないで積層させた構成とする場合、1つの素体に含まれる電解質(例えば、電解質溶液)が隣接する他の素体に含まれる電解質(例えば、電解質溶液)と接触しないように、素体を1つづつ独立に密封する構成が採用されている(例えば、下記特許文献1及び2を参照。)。但し、各素体は電気的には直列に接続されている。このような構成とするのは、電気化学素子の耐電圧は電解質(例えば、電解質溶液)の分解電圧でほぼ決定されており、素体間で電解質が接触すると、電圧印加時に電解質の分解電圧以上の電圧が該電解質に印加され、電解質の分解反応が進行してしまうからである。
In the case where the above electrochemical element has a configuration in which two or more element bodies are electrically connected in series and stacked in one case, an electrolyte (for example, an electrolyte solution) contained in one element body is included. The structure which seals an element | base_element independently one by one is employ | adopted so that it may not contact the electrolyte (for example, electrolyte solution) contained in another adjacent element | base_body (for example, refer the following
ここでいう「素体」とは、互いに対向する第1の電極及び第2の電極と、これら第1の電極と第2の電極との間に配置される絶縁性材料から形成された多孔質のセパレータとからなる積層体を示す。 The “element body” as used herein refers to a first electrode and a second electrode facing each other, and a porous material formed from an insulating material disposed between the first electrode and the second electrode. The laminated body which consists of this separator is shown.
より詳しく説明すると、図10に示すように、ケース500の内部に3つの素体(素体601、素体602及び素体603)を電気的に直列に接続した構成を有する電気化学素子800(例えば、電気二重層キャパシタ)の場合、各素体間には、フィルム700(例えば、合成樹脂からなるフィルム)が配置されている。
More specifically, as shown in FIG. 10, an
なお、3つの素体601、602及び素体603はぞれぞれ互いに対向した状態で配置される第1の電極100及び第2の電極200、並びに、第1の電極100と第2の電極200との間に配置されるセパレータ400とから構成されている。そして、第1の電極100、第2の電極200及びセパレータ400はそれぞれ多孔質の構成材料含んで構成されており、内部には電解質(例えば、電解質溶液)が含まれている。
しかしながら、特許文献1及び2をはじめとする従来の電気化学素子は、上述したように素体を1つづつ独立に密封する構成が採用されている構成を有するため、製造工程が煩雑で、容易に製造することができなかった。
However, since the conventional electrochemical elements including
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、素体を1つづつ独立に密封する構成としなくても素体間の電解質の接触を十分に防止可能であり、かつ、容易に製造可能な構成を有する電気化学素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and can sufficiently prevent electrolyte contact between element bodies without using a structure in which element elements are sealed individually one by one, and An object of the present invention is to provide an electrochemical device having a structure that can be easily manufactured.
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、以下の条件を満たす電気化学素子の構成を採用することが極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that it is extremely effective to adopt an electrochemical element configuration that satisfies the following conditions, and have reached the present invention.
すなわち、本発明は、互いに対向する板状の第1の電極及び板状の第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に配置される板状のセパレータと、を含む構成を有する2以上の素体と、
2以上の素体間にそれぞれ配置される板状の集電体と、
電解質溶液と、
2以上の素体、集電体及び電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、
を有しており、
第1の電極及び第2の電極は多孔体からなる多孔体層からなり、
セパレータは絶縁性の多孔体からなり、
電解質溶液は、少なくともその一部が第1の電極及び第2の電極、及びセパレータの内部に含有されており、
2以上の素体は電気的に直列に接続されており、
ケース内に充填される電解質溶液の25℃、1atmにおける体積Aと、2以上の素体の第1の電極中の空隙体積の総和Xと、2以上の素体の第2の電極中の空隙体積の総和Yと、2以上の素体のセパレータ中の空隙体積の総和Zとが、下記式(1)で表される条件を満たしていること、
を特徴とする電気化学素子を提供する。
0.95≦{A/(X+Y+Z)}≦1.05…(1)
That is, the present invention includes a plate-like first electrode and a plate-like second electrode facing each other, and a plate-like separator disposed between the first electrode and the second electrode. Two or more elementary bodies having a configuration;
A plate-like current collector disposed between two or more element bodies;
An electrolyte solution;
A case containing two or more element bodies, a current collector and an electrolyte solution in a sealed state;
Have
The first electrode and the second electrode are composed of a porous layer composed of a porous body,
The separator is made of an insulating porous material,
At least part of the electrolyte solution is contained in the first electrode and the second electrode, and the separator,
Two or more element bodies are electrically connected in series,
The volume A of the electrolyte solution filled in the case at 25 ° C. and 1 atm, the total sum X of the void volumes in the first electrode of two or more element bodies, and the void in the second electrode of two or more element bodies The total volume Y and the total volume Z of the void volume in the separator of two or more element bodies satisfy the condition represented by the following formula (1),
An electrochemical device is provided.
0.95 ≦ {A / (X + Y + Z)} ≦ 1.05 (1)
ここで、本発明において、「素体」とは、互いに対向する第1の電極及び第2の電極とを少なくとも有しており、これら第1の電極と第2の電極との間に、絶縁性材料から形成された多孔質のセパレータが配置された構成を有する積層体を示す。また、第1の電極、第2の電極及びセパレータの内部には電解質溶液が含有されている。更に、第1の電極、第2の電極及びセパレータの内部には固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されている構成を有していてもよい。また、第1の電極及び第2の電極は、多孔体からなる多孔体層からなる。 Here, in the present invention, the “element body” includes at least a first electrode and a second electrode facing each other, and an insulation is provided between the first electrode and the second electrode. The laminated body which has the structure by which the porous separator formed from the property material is arrange | positioned is shown. In addition, an electrolyte solution is contained inside the first electrode, the second electrode, and the separator. Further, the first electrode, the second electrode, and the separator may have a structure containing a solid electrolyte (a solid polymer electrolyte or an electrolyte made of an ion conductive inorganic material). Further, the first electrode and the second electrode are formed of a porous layer made of a porous body.
更に、本発明において、「電気化学素子」とは、上記素体を2以上有しており、該2以上の素体が電気的に直列に接続された状態で積層されている構成を有する素子を示す。 Furthermore, in the present invention, an “electrochemical element” means an element having two or more element bodies and a structure in which the two or more element bodies are stacked in a state of being electrically connected in series. Indicates.
より具体的には、「電気化学素子」とは、好ましくは2次電池又は電気化学キャパシタを示す。2次電池としては好ましくは、リチウムイオン2次電池等の非水電解質を使用する非水電解質2次電池、電解質水溶液を使用する2次電池等が挙げられる。電気化学キャパシタとしては、電気二重層キャパシタ、擬似容量キャパシタ、レドックスキャパシタ等が挙げられる。 More specifically, the “electrochemical element” preferably represents a secondary battery or an electrochemical capacitor. Preferably, the secondary battery includes a non-aqueous electrolyte secondary battery using a non-aqueous electrolyte such as a lithium ion secondary battery, a secondary battery using an aqueous electrolyte solution, and the like. Examples of the electrochemical capacitor include an electric double layer capacitor, a pseudo capacitance capacitor, and a redox capacitor.
本発明者らは、各素体中に含有される電解質溶液の液量を式(1)で表される条件を満たすように調節することにより、素体を1つづつ独立に密封する構成としなくても素体間の電解質の接触を十分に防止できることを見出した。そのため、本発明の電気化学素子は、各素体間には集電体を配置するのみでよく、容易に製造可能な構成となる。 The inventors of the present invention have a configuration in which the element bodies are sealed individually one by one by adjusting the amount of the electrolyte solution contained in each element body so as to satisfy the condition represented by the formula (1). It has been found that the electrolyte contact between the element bodies can be sufficiently prevented even without this. Therefore, the electrochemical device of the present invention only needs to arrange a current collector between each element body, and can be easily manufactured.
ここで、本発明において、{A/(X+Y+Z)}の値が1.05を超える範囲で電解質溶液を各素体中に充填すると、素体間の電解質の接触を防止することができなくなる。また、{A/(X+Y+Z)}の値が0.95未満となる範囲で電解質溶液を各素体中に充填すると、各素体の電極中の細孔内に電解質溶液が充分に行き渡らず、充分な大きさの電気二重層界面を形成できず電極の電気伝導度が低下する。その結果、内部抵抗が増大し、充分な充放電特性を得ることができなくなる。本発明の効果をより確実にえる観点から、{A/(X+Y+Z)}の値は0.98〜1.0であることが好ましい。 Here, in the present invention, if the electrolyte solution is filled in each element body in a range where the value of {A / (X + Y + Z)} exceeds 1.05, it becomes impossible to prevent the electrolyte contact between the element bodies. Further, when each element body is filled with an electrolyte solution in a range where the value of {A / (X + Y + Z)} is less than 0.95, the electrolyte solution does not sufficiently spread into the pores in the electrodes of each element body, A sufficiently large electric double layer interface cannot be formed, and the electric conductivity of the electrode is lowered. As a result, the internal resistance increases and sufficient charge / discharge characteristics cannot be obtained. From the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, the value of {A / (X + Y + Z)} is preferably 0.98 to 1.0.
また、本発明において、「2以上の素体の第1の電極中の空隙体積の総和X」とは、各素体の第1の電極毎の全細孔容積の値を計測し、全ての第1の電極について足し合わせた総和である。ただし、第1の電極中に、電極の構成材料となる粒子間に形成される空隙又は電極の構成材料の微細なクラックが存在する場合には、この空隙の体積及びクラックの体積も加えて算出される値である。 Further, in the present invention, “the total sum X of void volumes in the first electrode of two or more element bodies” means the value of the total pore volume for each first electrode of each element body, This is the total sum of the first electrodes. However, when there are voids formed between the particles constituting the electrode constituent material or fine cracks in the electrode constituent material in the first electrode, the calculation is performed by adding the volume of the void and the volume of the crack. Is the value to be
更に、本発明において、「2以上の素体の第2の電極中の空隙体積の総和Y」とは、各素体の第2の電極毎の全細孔容積の値を計測し、全ての第2の電極について足し合わせた総和である。ただし、第2の電極中に、電極の構成材料となる粒子間に形成される空隙又は電極の構成材料の微細なクラックが存在する場合には、この空隙の体積及びクラックの体積も加えて算出される値である。 Furthermore, in the present invention, “the total sum Y of void volumes in the second electrode of two or more element bodies” means the value of the total pore volume for each second electrode of each element body, This is the total sum of the second electrodes. However, if there are voids formed between the particles constituting the electrode constituent material or fine cracks in the electrode constituent material in the second electrode, the volume of the void and the volume of the crack are also added to the calculation. Is the value to be
更に、本発明において、「2以上の素体のセパレータ中の空隙体積の総和Z」とは、各素体のセパレータ毎の全細孔容積の値を計測し、全てのセパレータについて足し合わせた総和である。ただし、セパレータ中に、セパレータの構成材料となる粒子間に形成される空隙又はセパレータの構成材料の微細なクラックが存在する場合には、この空隙の体積及びクラックも加えて算出される値である。 Furthermore, in the present invention, “the total sum Z of void volumes in the separators of two or more element bodies” is a total sum of all the separators measured by measuring the value of the total pore volume for each separator of each element body. It is. However, when there are voids formed between the particles constituting the separator or fine cracks in the separator material in the separator, the value is calculated by adding the volume of the voids and cracks. .
本発明によれば、素体を1つづつ独立に密封する構成としなくても素体間の電解質の接触を十分に防止可能であり、かつ、容易に製造可能な構成を有する電気化学素子を提供することができる。 According to the present invention, there is provided an electrochemical element having a configuration that can sufficiently prevent electrolyte contact between element bodies and can be easily manufactured without having to separately seal the element bodies one by one. Can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の電気化学素子を電気二重層キャパシタに適用した場合について、その好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the case where the electrochemical element of the present invention is applied to an electric double layer capacitor will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は本発明の電気化学素子の好適な一実施形態(電気二重層キャパシタ)を示す正面図である。また、図2は図1に示す電気化学素子の内部をアノード集電体15の表面の法線方向からみた場合の展開図である。更に、図3は図1に示す電気化学素子を図1のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。また、図4は図1に示す電気化学素子を図1のX2−X2線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。更に、図5は図1に示す電気化学素子を図1のY−Y線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。また、図6は図4に示した領域Rの部分の拡大図である。
FIG. 1 is a front view showing a preferred embodiment (electric double layer capacitor) of the electrochemical device of the present invention. FIG. 2 is a development view when the inside of the electrochemical device shown in FIG. 1 is viewed from the normal direction of the surface of the anode
図1〜図5に示すように、電気二重層キャパシタ1は、主として、3つの素体(素体61、素体62及び素体63)と、素体61と素体62との間に配置される板状の集電体16と、素体62と素体63との間に配置される板状の集電体17と、各素体中に含有される電解質溶液(図示せず)と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、から構成されている。
As shown in FIGS. 1 to 5, the electric
また、電気二重層キャパシタ1のケース50の内面と素体61との間には、板状の集電体15(以下、「アノード集電体15」という)が配置されている。更に、ケース50の内面と素体63との間には、板状の集電体18(以下、「カソード集電体18」という)が配置されている。
A plate-like current collector 15 (hereinafter referred to as “anode
また、電気二重層キャパシタ1のアノード集電体15には、該アノード集電体15に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース50の外部に突出されるアノード用リード12と、カソード集電体18に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース50の外部に突出されるカソード用リード22が設けられている。
Further, the anode
また、3つの素体(素体61、素体62及び素体63)は、それぞれ、互いに対向する板状のアノード10(第1の電極)及び板状のカソード20(第2の電極)と、アノード10とカソード20との間に隣接して配置される板状のセパレータ40とから構成されている。なお、電気二重層キャパシタ1の説明で使用する「アノード」及び「カソード」は説明の便宜上、電気二重層キャパシタ1の放電時の極性を基準に決定したものである。
The three element bodies (
そして、電気二重層キャパシタ1は、先に述べた本発明の目的を達成するために、以下に説明する構成を有している。
And the electric
以下に図1〜図8に基づいて本実施形態の各構成要素の詳細を説明する。 Details of each component of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
先ず、ケース50について説明する。ケース50は、互いに対向する第1のフィルム51及び第2のフィルム52とを有している。ここで、図2に示すように、本実施形態における第1のフィルム51及び第2のフィルム52は連結されている。すなわち、本実施形態におけるケース50は、一枚の複合包装フィルムからなる矩形状のフィルムを、図2に示す折り曲げ線X3−X3において折り曲げ、矩形状のフィルムの対向する1組の縁部同士(図中の第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52B)を重ね合せて接着剤を用いるか又はヒートシールを行うことにより形成されている。
First, the
そして、第1のフィルム51及び第2のフィルム52は、1枚の矩形状のフィルムを上述のように折り曲げた際にできる互いに対向する面(F51及びF52)を有する該フィルムの部分をそれぞれ示す。ここで、本明細書において、ケース50の材料となる2枚の第1のフィルム51及び第2のフィルム52のそれぞれのヒートシール(熱融着)又は接着剤を用いて接着される側の面(以下、各フィルムの「内面」という)の縁部の領域、又は、第1のフィルム51及び第2のフィルム52が接合された後の第1のフィルム51及び第2のフィルム52のそれぞれの縁部を「シール部」という。
And the
これにより、折り曲げ線X3−X3の部分に第1のフィルム51と第2のフィルム52とを接合させるためのシール部を設ける必要がなくなるため、ケース50におけるシール部をより低減することができる。その結果、電気二重層キャパシタ1の設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度をより向上させることができる。
Thereby, since it becomes unnecessary to provide the seal part for joining the
ここで、「体積エネルギー密度」とは、本来、電気二重層キャパシタ(電気化学素子)の容器を含む全体積に対する全出力エネルギーの割合で定義されるものである。これに対して、「設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度」とは、電気二重層キャパシタ(電気化学素子)の最大縦、最大横、最大厚さに基づいて求められる見かけ上の体積に対する電気二重層キャパシタ(電気化学素子)の全出力エネルギーの割合を意味する。実際に、電気二重層キャパシタ(電気化学素子)を小型電子機器に搭載する場合、上述した本来の体積エネルギー密度の向上とともに、設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度を向上させることが、小型電子機器内の限られたスペースをデッドスペースを充分に低減した状態で有効利用する観点から重要となる。 Here, the “volume energy density” is originally defined by the ratio of the total output energy to the total volume including the container of the electric double layer capacitor (electrochemical element). On the other hand, “volume energy density based on the volume of the space to be installed” is an apparent requirement calculated based on the maximum vertical, maximum horizontal, and maximum thickness of an electric double layer capacitor (electrochemical element). The ratio of the total output energy of the electric double layer capacitor (electrochemical element) to the volume of. When an electric double layer capacitor (electrochemical element) is actually mounted on a small electronic device, the volume energy density based on the volume of the space to be installed should be improved in addition to the improvement of the original volume energy density described above. However, it is important from the viewpoint of effectively using a limited space in a small electronic device in a state where the dead space is sufficiently reduced.
ここで、第1のフィルム51と第2のフィルム52は、可とう性を有している。
Here, the
そして、本実施形態の場合、図1及び図2に示すように、アノード集電体15に接続されたアノード用リード12及び、カソード集電体18に接続されたカソード用リード22のそれぞれの一端が上述の第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52Bシール部とを接合したシール部から外部に突出するように配置されている。
In the case of this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, one end of each of the
また、第1のフィルム51及び第2のフィルム52を構成するフィルムは先に述べたように、可とう性を有するフィルムである。フィルムは軽量であり薄膜化が容易なため、電気二重層キャパシタ1自体の形状を薄膜状とすることができる。そのため、本来の体積エネルギー密度を容易に向上させることができるとともに、電気二重層キャパシタ1の設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度も容易に向上させることができる。
Moreover, the film which comprises the
このフィルムは可とう性を有するフィルムであれば特に限定されないが、ケースの十分な機械的強度と軽量性を確保しつつ、ケース外部からケース内部への水分や空気の侵入及びケース内部からケース外部への電解質成分の逸散を効果的に防止する観点から、電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と、最内部の層の上方に配置される金属層とを少なくとも有する「複合包装フィルム」であることが好ましい。
第1のフィルム51及び第2のフィルム52として使用可能な複合包装フィルムとしては、例えば、図7及び図8に示す構成の複合包装フィルムが挙げられる。
図7示す複合包装フィルム53は、その内面F50aにおいて電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層50aと、最内部の層50aのもう一方の面(外側の面)上に配置される金属層50cと有する。また、図8示す複合包装フィルム54は、図7示す複合包装フィルム53の金属層50cの外側の面に更に合成樹脂製の最外部の層50bが配置された構成を有する。
This film is not particularly limited as long as it is a flexible film. However, while ensuring sufficient mechanical strength and light weight of the case, moisture and air can enter from the outside of the case to the inside of the case and from the inside of the case to the outside of the case. From the standpoint of effectively preventing the electrolyte component from escaping, the “composite packaging” has at least an innermost layer made of synthetic resin in contact with the electrolyte solution and a metal layer disposed above the innermost layer. A “film” is preferred.
Examples of the composite packaging film that can be used as the
The
第1のフィルム51及び第2のフィルム52として使用可能な複合包装フィルムは、上述の最内部の層をはじめとする1以上の合成樹脂の層、金属箔などの金属層を備えた2以上の層を有する複合包装材であれば特に限定されないが、上記と同様の効果をより確実に得る観点から、図7に示した複合包装フィルム54のように、最内部の層と、最内部の層から最も遠いケース50の外表面の側に配置される合成樹脂製の最外部の層と、最内部の層と最外部の層との間に配置される少なくとも1つの金属層とを有する3層以上の層から構成されていることがより好ましい。
The composite packaging film that can be used as the
最内部の層は可とう性を有する層であり、その構成材料は上記の可とう性を発現させることが可能であり、かつ、使用される電解質溶液に対する化学的安定性(化学反応、溶解、膨潤が起こらない特性)、並びに、酸素及び水(空気中の水分)に対する化学的安定性を有している合成樹脂であれば特に限定されないが、更に酸素、水(空気中の水分)及び電解質溶液の成分に対する透過性の低い特性を有している材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン酸変成物、ポリプロピレン酸変成物、ポリエチレンアイオノマー、ポリプロピレンアイオノマー等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。 The innermost layer is a layer having flexibility, and the constituent material can express the above-mentioned flexibility, and chemical stability (chemical reaction, dissolution, It is not particularly limited as long as it is a synthetic resin having a characteristic that does not cause swelling) and chemical stability to oxygen and water (water in the air), but oxygen, water (water in the air) and electrolyte Materials having low permeability to the components of the solution are preferred. Examples thereof include thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyethylene acid modified product, polypropylene acid modified product, polyethylene ionomer, and polypropylene ionomer.
また、上述した図7に示した複合包装フィルム54のように、最内部の層50a以外に、最外部の層50b等のような合成樹脂製の層を更に設ける場合、この合成樹脂製の層も、上記最内部の層と同様の構成材料を使用してよい。更に、この合成樹脂製の層としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(ナイロン)等のエンジニアリングプラスチックからなる層を使用してもよい。
Further, when a synthetic resin layer such as the
また、ケース50における全てのシール部のシール方法は、特に限定されないが、生産性の観点から、ヒートシール法であることが好ましい。
Moreover, the sealing method of all the sealing parts in the
金属層としては、酸素、水(空気中の水分)及び電解質溶液に対する耐腐食性を有する金属材料から形成されている層であることが好ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、クロム等からなる金属箔を使用してもよい。 The metal layer is preferably a layer formed of a metal material having corrosion resistance against oxygen, water (water in the air) and an electrolyte solution. For example, a metal foil made of aluminum, aluminum alloy, titanium, chromium, or the like may be used.
次に、図4〜図6を用いて素体61、素体62及び素体63について説明する。
Next, the
素体61、素体62及び素体63のそれぞれのアノード10は、電子伝導性の多孔体からなる多孔体層とからなる。また、カソード20は、電子伝導性の多孔体からなる多孔体層28とからなる。
The
アノード10及びカソード20の構成材料としては、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている炭素電極等の分極性電極を構成する多孔体層に使用されているものと同様の材料を使用することができる。例えば、原料炭(例えは、石油系重質油の流動接触分解装置のボトム油や減圧蒸留装置の残さ油を原料油とするディレードコーカーより製造された石油コークス等)を賦活処理することにより得られる炭素材料(例えば、活性炭)を構成材料の主成分としているものを使用することができる。その他の条件(バインダー等の炭素材料以外の構成材料の種類とその含有量)は特に限定されるものではない。例えば、炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤(カーボンブラック等)と、例えばバインダー(ポリテトラフルオロエチレン,以下、PTFEという)とが添加されていてもよい。
The constituent materials of the
ただし、電解質溶液との接触界面を充分に確保する観点から、各アノード10中の空隙体積の総和Xは、多孔体層体積100mLのときに、60〜80μLであることが好ましく、65〜75μLであることがより好ましい。また、各カソード20中の空隙体積の総和Yは、多孔体層体積100mLのときに、60〜80μLであることが好ましく、65〜75μLであることがより好ましい。なお、空隙体積の総和X及び空隙体積の総和Yはエタノール含浸法により求めることができる。
However, from the viewpoint of sufficiently ensuring the contact interface with the electrolyte solution, the total sum X of the void volumes in each
アノード10とカソード20との間に配置されるセパレータ40は、絶縁性の多孔体から形成されていれば特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられているセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
The
ただし、電解質溶液との接触界面を充分に確保する観点から、各セパレータ40の空隙体積の総和Zは、多孔体層体積100μLの時に50〜75μLであることが好ましく、60〜70μLであることがより好ましい。なお、空隙体積の総和Zを求める方法は特に限定されず、公知の方法により求めることができる。
However, from the viewpoint of sufficiently ensuring the contact interface with the electrolyte solution, the total sum Z of the void volumes of each
次に、集電体16及び集電体17並びにアノード集電体15及びカソード集電体18は、多孔体層18及び多孔体層28への電荷の移動を充分に行うことができる良導体であれば特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている集電体を使用することができる。例えば、アルミニウムなどの金属箔等が挙げられる。
Next, the
また、カソード集電体18は、例えばアルミニウムからなるカソード用リード22の一端に電気的に接続され、カソード用リード22の他端はケース50の外部に延びている。一方、アノード集電体15も、例えば、銅又はニッケルからなるアノード用リード導体12の一端に電気的に接続され、アノード用リード導体12の他端は封入袋14の外部に延びている。
The cathode
電解質溶液は、アノード10及びカソード20、及びセパレータ40の内部に含有されている。そして、ケース50の内部空間に充填される電解質溶液の量は、先に述べた本発明の効果を得るために、以下の条件を満たすように調節されている。
The electrolyte solution is contained inside the
すなわち、ケース50内に充填される電解質溶液の25℃、1atmにおける体積A[μL]と、各素体61〜63の各アノード10中の空隙体積の総和X[μL]と、各素体61〜63の各カソード20中の空隙体積の総和Y[μL]と、各素体61〜63の各セパレータ40中の空隙体積の総和Z[μL]とが、下記式(1)で表される条件を満たしている。
0.95≦{A/(X+Y+Z)}≦1.05…(1)
これにより、各素体61〜63を1つづつ独立に密封する構成としなくても素体間の電解質の接触を十分に防止することができる。そして、容易に製造可能な構成を有する電気二重層キャパシタ1を構成することができる。
That is, the volume A [μL] at 25 ° C. and 1 atm of the electrolyte solution filled in the
0.95 ≦ {A / (X + Y + Z)} ≦ 1.05 (1)
Thereby, even if it is not set as the structure which seals each element | base_body 61-63 independently one by one, the contact of the electrolyte between element | base_elements can fully be prevented. And the electric
電解質溶液は、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている電解質溶液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、キャパシタの耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水電解質溶液)であることが好ましい。 The electrolyte solution is not particularly limited, and an electrolyte solution (electrolyte aqueous solution, electrolyte solution using an organic solvent) used in a known electric double layer capacitor can be used. However, the electrolyte aqueous solution is preferably an electrolyte solution (non-aqueous electrolyte solution) that uses an organic solvent because the electrochemical breakdown voltage is low, which limits the capacitor withstand voltage.
更に、電解質溶液の種類は特に限定されないが、一般的には溶質の溶解度、解離度、液の粘性を考慮して選択され、高導電率でかつ高電位窓(分解開始電圧が高い)の電解質溶液であることが望ましい。例えば、代表的な例としては、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレイトのような4級アンモニウム塩を、プロピレンカーボネイト、ジエチレンカーボネイト、アセトニトリルなどの有機溶媒に溶解したものが使用される。なお、この場合、混入水分を厳重に管理する必要がある。 Furthermore, the type of the electrolyte solution is not particularly limited, but is generally selected in consideration of the solubility of solute, the degree of dissociation, and the viscosity of the solution. A solution is desirable. For example, as a typical example, a quaternary ammonium salt such as tetraethylammonium tetrafluoroborate dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate, diethylene carbonate, or acetonitrile is used. In this case, it is necessary to strictly manage the moisture content.
ここで、本発明において、「電解質溶液」は液状の状態以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。 Here, in the present invention, the “electrolyte solution” may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to the liquid state.
また、本発明の効果をより確実に得る観点から、電気二重層キャパシタ1の各素体61〜63は、図6に示す構成を有している。図6は図4に示した領域Rの部分の拡大図である。
Moreover, from the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, each
すなわち、アノード10(第1の電極)及びカソード20(第2の電極)が同一の形状及び大きさを有しており、アノード10の主面F1の面積S1と、カソード20の主面F2の面積S2と、セパレータ40の主面F3の面積S3とが下記式(2)で表される条件を満たしており、かつ、各素体61〜63において主面F1又は主面F2の縁部よりも外部に突出している主面F3の縁部の最大幅Wsと、アノード10及びカソード20の厚さT1と集電体16(又は集電体17)の厚さT2とが下記式(3)で表される条件を満たしている。
S3>S1=S2・・・(2)
Ws≧(T1+T2/2)・・・(3)
なお、「アノード10の主面F1(第1の電極の主面F1)」とは、アノード10の面のうちセパレータ40に接触する側の面を示す。また、「カソード20の主面F2(第2の電極の主面F2)」とは、カソード20の面のうちセパレータ40に接触する側の面を示す。更に、「セパレータ40の主面F3」とは、セパレータ40の面のうちアノード10の主面F1に接触する側の面及びカソード20の主面F2に接触する側の面をしめす。
That is, the anode 10 (first electrode) and the cathode 20 (second electrode) have the same shape and size, and the area S1 of the main surface F1 of the
S3> S1 = S2 (2)
Ws ≧ (T1 + T2 / 2) (3)
Note that “the main surface F1 of the anode 10 (the main surface F1 of the first electrode)” indicates a surface of the surface of the
式(2)及び(3)の条件を同時に満たす範囲でセパレータ40をアノード10及びカソード20よりも大きくすることにより、同一の素体(例えば、素体61)中におけるアノード10とカソード20との短絡をより確実に防止することができる。また、この場合、セパレータ40の突出部が折れ曲がったとしても、隣り合う素体間でセパレータ40同士が接触することを確実に防止することができる。例えば、素体61のセパレータ40と素体62のセパレータ40が、それぞれの先端部で接触することを確実に防止することができる。
By making the
また、図4及び図5に示すように、素体61〜63を含む積層体と、ケース50の内面との間に隙間ができる場合には、その隙間の形状及び大きさに適合する形状及び大きさを有するスペーサ30(例えば、接着剤等の合成樹脂製のスペーサ)が配置される。
In addition, as shown in FIGS. 4 and 5, when a gap is formed between the laminated body including the
更に、図1及び図2に示すように、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52Bからなる封入袋のシール部に接触するアノード用リード12の部分の部分には、アノード用リード12と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体14が被覆されている。更に、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52Bからなる封入袋のシール部に接触するカソード用リード22の部分には、カソード用リード22と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体24が被覆されている。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the
これら絶縁体14及び絶縁体24の構成は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていてもよい。なお、アノード用リード12及びカソード用リード22のそれぞれに対する複合包装フィルム中の金属層の接触が充分に防止可能であれば、これら絶縁体14及び絶縁体24は配置しない構成としてもよい。
The configurations of the
また、携帯用の小型電子機器内の限られた狭い設置スペースにも設置可能とする観点から、電気二重層キャパシタ1は、その厚さ(電気二重層キャパシタ1全体の厚さ)が0.2〜2.0mmであることが好ましく、0.2〜1.0mmであることがより好ましい。
Further, from the viewpoint of enabling installation in a limited installation space within a portable small electronic device, the electric
更に、携帯用の小型電子機器内の限られた狭い設置スペースにも設置可能とする観点から、素体61〜63のそれぞれの厚さが、0.1〜0.4mmであることが好ましく、0.1〜0.3mmであることがより好ましい。
Furthermore, from the viewpoint of enabling installation in a limited installation space within a portable small electronic device, it is preferable that each thickness of the
次に、上述したケース50及び電気二重層キャパシタ1の作製方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the
素体61(アノード10、セパレータ40及びカソード20がこの順で順次積層された積層体)の製造方法は、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタ1の製造に採用されている公知の薄膜製造技術を用いることができる。
The manufacturing method of the element body 61 (a laminated body in which the
アノード10及びカソード20となる電極(多孔体層)が炭素電極(分極性電極)の場合、例えば、公知の方法により賦活処理済みの活性炭等の炭素材料を用いてシート状の電極を作製することができる。この場合、例えば、炭素材料を5〜100μm程度に粉砕し粒度を整えた後、例えば炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤(カーボンブラック等)と、例えば結着剤(ポリテトラフルオロエチレン,以下、PTFEという)とを添加して混練し、混練物を圧延伸してシート状に成形して製造することができる。
When the electrode (porous body layer) to be the
ここで、上記の導電性補助剤としては、カーボンブラックの他、粉末グラファイトなどを用いることができ、また、結着剤としては、PTFEの他、PVDF、PE、PP、フッ素ゴムなどを使用することができる。 Here, as the conductive auxiliary agent, in addition to carbon black, powdered graphite or the like can be used, and as the binder, in addition to PTFE, PVDF, PE, PP, fluorine rubber, or the like is used. be able to.
次に、アノード10及びカソード20のそれぞれに対して、アノード用リード導体12及びカソード用リード22をそれぞれ電気的に接続する。セパレータ40をアノード10とカソード20との間に接触した状態(非接着状態)で配置し、素体61〜63を完成する。
Next, the
次に、素体61、素体62及び素体63、並びに、アノード集電体15、集電体16、集電体17、及び、カソード集電体18を図4に示した配置条件で配置し、これらの積層体(以下、「積層体A」という)を形成する。
Next, the
また、アノード10及びカソード20となる電極を形成するための構成材料を含む塗布液(スラリー)を調製し、これを用いて上述の積層体Aを形成してもよい。例えば、カソード集電体18上に塗布液を塗布し、乾燥させてカソード20を形成する。次に、カソード20上にセパレータ40を配置し、セパレータ40上に塗布液を塗布し、乾燥させてアノード10を形成し、素体63を形成する。以下同様にして素体62、素体61を順次形成し、積層体Aすることができる。
Moreover, the above-mentioned laminated body A may be formed using a coating liquid (slurry) containing a constituent material for forming electrodes to be the
次に、ケース50の作製方法の一例について説明する。まず、第1のフィルム及び第2のフィルムを先に述べた複合包装フィルムから構成する場合には、ドライラミネ−ション法、ウエットラミネ−ション法、ホットメルトラミネ−ション法、エクストル−ジョンラミネ−ション法等の既知の製造法を用いて作製する。
Next, an example of a method for manufacturing the
例えば、複合包装フィルムを構成する合成樹脂製の層となるフィルム、アルミニウム等からなる金属箔を用意する。金属箔は、例えば金属材料を圧延加工することにより用意することができる。 For example, a film that is a synthetic resin layer that constitutes the composite packaging film, and a metal foil made of aluminum or the like are prepared. The metal foil can be prepared, for example, by rolling a metal material.
次に、好ましくは先に述べた複数の層の構成となるように、合成樹脂製の層となるフィルムの上に接着剤を介して金属箔を貼り合わせる等して複合包装フィルム(多層フィルム)を作製する。そして、複合包装フィルムを所定の大きさに切断し、矩形状のフィルムを1枚用意する。 Next, a composite packaging film (multilayer film) is preferably obtained by laminating a metal foil via an adhesive on a film that becomes a layer made of a synthetic resin so as to have a configuration of a plurality of layers described above. Is made. Then, the composite packaging film is cut into a predetermined size to prepare one rectangular film.
次に、先に図2を参照して説明したように、1枚のフィルムを折り曲げて、第1のフィルム51のシール部51B(縁部51B)と第2のフィルムのシール部52B(縁部52B)を、例えば、シール機を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。このとき、積層体Aをケース50中に導入するための開口部を確保するために、一部のヒートシールを行わない部分を設けておく。これにより開口部を有した状態のケース50が得られる。
Next, as described above with reference to FIG. 2, one film is folded, and the
そして、開口部を有した状態のケース50の内部に、アノード用リード導体12及びカソード用リード22が電気的に接続された積層体Aを挿入する。そして、電解質溶液を注入する。続いて、アノード用リード12、カソード用リード22の一部をそれぞれケース50内に挿入した状態で、シール機を用いて、ケース50の開口部をシールする。このようにしてケース50及び電気二重層キャパシタ1の作製が完了する。
Then, the laminate A in which the
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、上記実施形態の説明においては、主として、本発明を電気二重層キャパシタに適用した場合に好適な構成について説明したが、本発明の電気化学素子は電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、例えば、シュードキャパシタ、レドックスキャパシタ等の電気化学素子に適用可能である。 For example, in the description of the above embodiment, a configuration suitable for the case where the present invention is applied to an electric double layer capacitor has been mainly described. However, the electrochemical element of the present invention is not limited to an electric double layer capacitor. For example, the present invention can be applied to electrochemical elements such as pseudo capacitors and redox capacitors.
また、上記実施形態の説明においては、積層される素体が3つの態様について説明したが、本発明の電気化学素子における素体の数は上記実施形態に限定されるものではなく、素体の数は2以上であればよい。 Further, in the description of the above embodiment, the three stacked element bodies have been described. However, the number of element bodies in the electrochemical element of the present invention is not limited to the above embodiment. The number may be two or more.
更に、上記実施形態の説明においては、主として、本発明を電気化学キャパシタ(特に電気二重層キャパシタ)に適用した場合に好適な構成について説明したが、本発明の電気化学素子はこれに限定されるものではなく、リチウムイオン2次電池等の2次電池にも適用可能である。この場合には、第1の電極(アノード)となる多孔体層には、リチウムイオン2次電池等の2次電池のアノードに使用可能な電極活物質が含有される。また、第2の電極(カソード)となる多孔体層には、リチウムイオン2次電池等の2次電池のカソードに使用可能な電極活物質が含有される。 Furthermore, in the description of the above-described embodiment, a configuration suitable for the case where the present invention is applied to an electrochemical capacitor (especially an electric double layer capacitor) has been described. However, the electrochemical device of the present invention is limited to this. However, the present invention can also be applied to a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. In this case, the porous layer serving as the first electrode (anode) contains an electrode active material that can be used for the anode of a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. In addition, the porous layer serving as the second electrode (cathode) contains an electrode active material that can be used for the cathode of a secondary battery such as a lithium ion secondary battery.
また、本発明においては、ケースは、上述の複合包装フィルムから形成されるもの以外に、金属製の部材から形成された缶状の外装体(金属製のケース)であってもよい。これにより、ケースに対して複合包装フィルムよりも高い機械的強度が要求される場合等の用途に適用できる。 In the present invention, the case may be a can-shaped exterior body (metal case) formed from a metal member in addition to the above-described composite packaging film. Thereby, it can apply to uses, such as a case where mechanical strength higher than a composite packaging film is requested | required with respect to a case.
このような金属製の部材から形成された缶状の外装体を有する電気化学素子の一実施形態としては、図9に示す電気化学素子1Aが挙げられる。図9は本発明の電気化学素子の別の一実施形態を示す模式断面図である。
As an embodiment of an electrochemical element having a can-shaped exterior body formed from such a metal member, there is an
図9は、本発明の実施形態に係る電気化学デバイスとしてのコイン型の電気化学素子1A(電気二重層キャパシタ)である。
FIG. 9 shows a coin-type
この電気化学素子1Aは、主として、3つの素体(素体61、素体62及び素体63)と、素体61と素体62との間に配置される板状の集電体16と、素体62と素体63との間に配置される板状の集電体17と、各素体中に含有される電解質溶液(図示せず)と、これらを密閉した状態で収容するケース50A(金属製の缶状の外装体)と、から構成されている。また、電気二重層キャパシタ1のケース50Aの内面と素体61との間には、板状のアノード集電体15が配置されている。更に、ケース50Aの内面と素体63との間には、板状のカソード集電体18というが配置されている。
The
そして、図9に示す電気化学素子1Aは、ケース50A(金属製の缶状の外装体)以外は図1〜図8を用いて説明した電気二重層キャパシタ1と同様の構成を有している。
The
ケース50A(金属製の缶状の外装体)は3つの素体(素体61、素体62及び素体63)を上下から挟んで密閉する容器であり、上蓋(金属製の部材の一方)53及び下蓋(金属製の部材の他方)54と、上蓋53と下蓋54とを電気的に絶縁するガスケット70と、を有している。
The
上蓋53及び下蓋54は、3つの素体(素体61、素体62及び素体63)、アノード集電体15及びカソード集電体18からなる積層体(以下、「積層体A1」という)を上下方向から挟み、該積層体A1を取り囲んでいる。
The
下蓋54は、アルミニウム等の金属箔から形成されている。この下蓋54は、下端が閉じられ上端が開放された円筒状の円筒部54aと、この円筒部54aの上端部から外側に突出するように円環状に形成された鍔部54b(端部)と、を有している。下蓋54の円筒部54aの底部はカソード集電体18と接している。
The
上蓋53は、アルミニウム等の金属箔から形成されており、下蓋54の開口部を覆うと共にアノード集電体15と接する板状の中央部53aと、この中央部53aの周縁沿って設けられ、下蓋の鍔部54bを上下方向から挟みつけてかしめるカシメ部(端部)53bとを有している。
The
詳しくは、上蓋53のカシメ部53bは、下蓋54の鍔部54bとの間に絶縁性のガスケット70を介在させつつ、下蓋54の鍔部54bの図示上面に沿って外側に延び、鍔部54bの外側端で下方に折り曲げられ、さらに、鍔部54bの下面に沿って内側に延びている。そして、このカシメ部53bは、鍔部54bとの間にガスケット70を介在させつつ、鍔部54bを上下から挟み込むように鍔部54bに対してかしめられている。このようにして、積層体A1が、上蓋53と下蓋54とにより形成される外装体の内部に密閉されている。
Specifically, the
そして、上蓋53の中央部53aが、アノード集電体15を介して積層体A1のアノード10と電気的に接続されることにより、上蓋53は、電気化学素子1Aのアノードとして機能する。また、下蓋54の円筒部54aの底部が、カソード集電体18を介して積層体A1のカソード20と電気的に接続されることにより、下蓋54は、電気化学素子1Aのカソードとして機能する。ガスケット70は、上蓋53と下蓋54との間を電気的に絶縁している。
The
そして、特に、本実施形態において、上蓋53のカシメ部53bと、下蓋54の鍔部54bとが、ガスケット70によって接着されている。
In particular, in this embodiment, the
このようなガスケット70としては、金属と接着する樹脂を利用できる。例えば、酸変性ポリプロピレン、酸変性ポリエチレン等の樹脂が好ましい。これらのような、加熱されることにより金属と接着する樹脂をガスケット70として用いると、ガスケット70を介在させて上蓋53のカシメ部53bを下蓋54の鍔部54bに対してかしめた後に、このガスケット70を外部から加熱することにより、容易にガスケット70によって上蓋53及び下蓋54とを接着させることができる。また、ガスケット70として、エポキシ樹脂等の接着剤を利用し、かしめと接着とを同時に行ってもよい。
As such a
なお、上記実施形態では、加熱により金属との接着性を発現するガスケット70を用い、カシメ後に熱処理を行って接着を行っているが、例えば、鍔部54bの上下面に接着性を呈する電気絶縁性の樹脂をガスケットとして塗布した後、上蓋を載置してかしめてもよい。
In the above-described embodiment, the
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の電気化学素子の内容をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the contents of the electrochemical device of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
(実施例1)
以下の手順により、図1〜図8に示した電気二重層キャパシタ1と同様の構成を有する電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 1)
An electric double layer capacitor having the same configuration as that of the electric
(1)電極の作製
アノード(分極性電極)及びカソード(分極性電極)は以下の手順により作製した。先ず、賦活処理を施した活性炭素材料(比表面積:2000m2/g、クラレケミカル社製、商品名:「BP−20」)と、バインダー{フッ素ゴム、デュポン社製、商品名:「Viton-GF」}と、導電助剤(アセチレンブラック、電気化学工業社製、商品名:「DENKABLACK」)とを、これらの質量比が炭素材料:バインダー:導電助剤=80:10:10となるように配合し、これを溶媒であるMIBK(メチルイソブチルケトン)中に投入して混練することにより、電極形成用の塗布液(以下、「塗布液L1」という)を調製した。
(1) Production of electrode An anode (polarizable electrode) and a cathode (polarizable electrode) were produced by the following procedure. First, an activated carbon material subjected to activation treatment (specific surface area: 2000 m 2 / g, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., trade name: “BP-20”) and a binder {fluororubber, manufactured by DuPont, trade name: “Viton- GF "} and a conductive additive (acetylene black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., trade name:" DENKABLACK "), the mass ratio of which is carbon material: binder: conductive auxiliary agent = 80: 10: 10 Was added to a solvent MIBK (methyl isobutyl ketone) and kneaded to prepare a coating liquid for electrode formation (hereinafter referred to as “coating liquid L1”).
次に、アルミニウム箔からなる集電体(厚さ:50μm)を4つ(図4におけるアノード集電体15、集電体16、集電体17、カソード集電体18に相当するもの)用意した。次に、そのうちの2つ(アノード集電体15及びカソード集電体18に相当するもの)については塗布液L1をそれぞれの一方の面上に均一に塗布した。また、残りの2つ(集電体16及び集電体17に相当するもの)については塗布液L1をそれぞれの両面に均一に塗布した。
Next, four current collectors (thickness: 50 μm) made of aluminum foil (corresponding to the anode
更に、その後、乾燥処理により、塗膜からMIBKを除去し、更に圧延ロールを用いて集電体と乾燥後の塗膜とからなる積層体をプレスし、集電体の一方の面に電子伝導性の多孔体層(厚さ:37μm)が形成された電極(以下、「電極E1」という)及び集電体の両面に電子伝導性の多孔体層(厚さ:37μm)が形成された電極(以下、「電極E2」という)をそれぞれ2つずつ作製した。 Then, MIBK is removed from the coating film by a drying treatment, and a laminate comprising the current collector and the dried coating film is pressed using a rolling roll, and electron conduction is performed on one surface of the current collector. Electrode having a porous layer (thickness: 37 μm) formed thereon and an electrode having an electron conductive porous layer (thickness: 37 μm) formed on both sides of the current collector (Hereinafter, referred to as “electrode E2”), two each were prepared.
次に、この電極E1及び電極E2を矩形(大きさ:8mm×8mm)状を呈するように切断した。更に、150℃〜175℃の温度で真空乾燥を12時間以上行うことにより、電子伝導性の多孔体層の表面に吸着した水分を除去し電極と集電体とが一体化したもの(電極E1から作製した2つを「電極E10」という。また、電極E2から作製した2つを「電極E20」という。)を作成した。
そして、図4に示したように、3つの素体及びのアノード及びカソードをそれぞれ作製した。
Next, the electrode E1 and the electrode E2 were cut so as to have a rectangular shape (size: 8 mm × 8 mm). Furthermore, by performing vacuum drying at a temperature of 150 ° C. to 175 ° C. for 12 hours or more, moisture adsorbed on the surface of the electron conductive porous body layer is removed, and the electrode and the current collector are integrated (electrode E1 The two manufactured from the above are referred to as “electrode E10”, and the two manufactured from the electrode E2 are referred to as “electrode E20”).
Then, as shown in FIG. 4, three element bodies and anodes and cathodes were produced.
(2)電気二重層キャパシタ1の作製
作製した2つの電極E10と、2つの電極E20と、3つの再生セルロース不織布からなるセパレータ(8.1mm×8.1mm、厚さ:0.05mm、ニッポン高度紙工業製、商品名:「TF4050」)を用い、これらを積層させることにより、図4に示した「積層体A」を作製した。
(2) Production of Electric
次に、積層体Aの両端に配置されている、集電体(図4におけるアノード集電体15及びカソード集電体18に相当するもの)の面(多孔体層の形成されていない側の面)の外縁部にアルミニウム箔からなるリード部(幅2mm、長さ10mm)をそれぞれ配設した。
Next, the surfaces of the current collectors (corresponding to the anode
次に、タブ部にシーラント材を熱圧着した。次に、上記積層体(素体)を可とう性を有する複合包装フィルムから形成されたケース中へ入れ、タブ部同士をヒートシールした。可とう性を有する複合包装フィルムとしては、電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層(変性ポリプロピレンからなる層)、アルミニウム箔からなる金属層、ポリアミドからなる層がこの順で順次積層された積層体を使用した。そして、この複合包装フィルムを2枚重ね合せてその縁部をヒートシールして作製した。 Next, a sealant material was thermocompression bonded to the tab portion. Next, the laminated body (element body) was put into a case formed of a composite packaging film having flexibility, and the tab portions were heat sealed. As a flexible composite packaging film, the innermost layer made of synthetic resin (a layer made of modified polypropylene) in contact with the electrolyte solution, a metal layer made of aluminum foil, and a layer made of polyamide are sequentially laminated in this order. A laminate was used. And two sheets of this composite packaging film were piled up, and the edge part was heat-sealed and produced.
上記ケース内へ電解質溶液(1.8mol/Lの四フッ化トリエチルメチルアンモニウム塩のプロピレンカーボネート溶液)を注入した後、真空シールすることにより電気二重層キャパシタの作製を完了した。このとき、{A/(X+Y+Z)}=1.00となるように、ケース中に注入する電解質溶液の体積A[μL]を調節した。 After the electrolyte solution (1.8 mol / L propylene carbonate solution of triethylmethylammonium tetrafluoride) was injected into the case, vacuum sealing was completed to complete the production of the electric double layer capacitor. At this time, the volume A [μL] of the electrolyte solution injected into the case was adjusted so that {A / (X + Y + Z)} = 1.00.
なお、各素体において、S1=64.0mm2、S2=64.0mm2、S3=65.61mm2であった。また、Ws=50μm、T1=37μm、T2=50μmであった。 In each body was S1 = 64.0mm 2, S2 = 64.0mm 2, S3 = 65.61mm 2. Ws = 50 μm, T1 = 37 μm, and T2 = 50 μm.
(実施例2)及び(実施例3)
{A/(X+Y+Z)}の値を、表1に示した値となるように、ケース中に注入する電解質溶液の体積A[μL]を調節したこと以外は、実施例1の電気二重層キャパシタと同様の手順及び条件により電気二重層キャパシタを作製した。
(Example 2) and (Example 3)
The electric double layer capacitor of Example 1 except that the volume A [μL] of the electrolyte solution injected into the case is adjusted so that the value of {A / (X + Y + Z)} becomes the value shown in Table 1. An electric double layer capacitor was produced by the same procedure and conditions as in Example 1.
(比較例1)及び(比較例2)
{A/(X+Y+Z)}の値を、表1に示した値となるように、ケース中に注入する電解質溶液の体積A[μL]を調節したこと以外は、実施例1の電気二重層キャパシタと同様の手順及び条件により電気二重層キャパシタを作製した。
(Comparative Example 1) and (Comparative Example 2)
The electric double layer capacitor of Example 1 except that the volume A [μL] of the electrolyte solution injected into the case is adjusted so that the value of {A / (X + Y + Z)} becomes the value shown in Table 1. An electric double layer capacitor was produced by the same procedure and conditions as in Example 1.
[電気二重層キャパシタの特性評価試験]
実施例1〜実施例3並びに比較例1及び比較例2の各電気二重層キャパシタについて以下の諸特性を測定した。
[Characteristic evaluation test of electric double layer capacitor]
The following various characteristics were measured for each of the electric double layer capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
充放電の測定は、充放電試験装置(北斗電工(株)製、HJ−101SM6)を使用した。先ず、0.5Cの低電流充電を行い、電気二重層キャパシタに電荷が蓄積していくに従って電圧が上昇するのをモニタし、電位が2.5Vに達したのち、定電圧充電(緩和充電)に移行し、電流が充電電流の1/10になった時に充電を終了させた。なお、このときのトータルの充電時間(つまり、充電時間+緩和充電時間)は、セルの静電容量に依存する。そして、放電も0.5Cの定電流放電を行い終止電圧を0Vとした。この試験後、1Cの電流で充電を行い、電位が2.5Vに達した後、定電圧充電に移行し、電流が充電電流の1/10になったときに充電を終了させた。そして、放電も1Cの定電流放電を行い終止電圧を0Vとした。再び充電を開始させ、これを10回繰り返した。 For the measurement of charge / discharge, a charge / discharge test apparatus (HJ-101SM6, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) was used. First, charge at a low current of 0.5C and monitor the voltage rise as the electric charge accumulates in the electric double layer capacitor. After the potential reaches 2.5V, constant voltage charge (relaxation charge) The charging was terminated when the current became 1/10 of the charging current. Note that the total charging time (that is, charging time + relaxation charging time) at this time depends on the capacitance of the cell. The discharge was also a constant current discharge of 0.5 C, and the final voltage was set to 0V. After this test, the battery was charged with a current of 1 C. After the potential reached 2.5 V, the charging was switched to constant voltage charging, and the charging was terminated when the current became 1/10 of the charging current. The discharge was also a constant current discharge of 1 C, and the final voltage was set to 0V. Charging was started again and this was repeated 10 times.
キャパシタ容量(電気二重層キャパシタのセルの静電容量)は次のようにして求めた。すなわち、放電曲線(放電電圧−放電時間)から放電エネルギー(放電電圧×電流(=10mA)の時間積分として合計放電エネルギー[W・s]を求め、キャパシタ容量[F]=2×合計放電エネルギー[W・s]/(放電開始電圧[V])2の関係式を用いて評価セルのキャパシタ容量[F]を求めた。 The capacitor capacity (electrostatic capacity of the electric double layer capacitor cell) was determined as follows. That is, the total discharge energy [W · s] is obtained as a time integral of discharge energy (discharge voltage × current (= 10 mA)) from the discharge curve (discharge voltage−discharge time), and capacitor capacity [F] = 2 × total discharge energy [ The capacitor capacity [F] of the evaluation cell was determined using the relational expression of W · s] / (discharge start voltage [V]) 2 .
次に、各電気二重層キャパシタの内部抵抗(インピーダンス)は以下の方法で求めた。すなわち、測定環境温度25℃、相対湿度60%において、Solartron(東陽テクニカ社製,商品名)を用いて測定した1KHzの周波数における値を示した。 Next, the internal resistance (impedance) of each electric double layer capacitor was determined by the following method. That is, a value at a frequency of 1 KHz measured using Solartron (trade name, manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) at a measurement environment temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 60% is shown.
表1に、実施例1〜実施例3並びに比較例1及び比較例2の各電気二重層キャパシタのキャパシタ容量(電気二重層キャパシタのセルの静電容量)と、内部抵抗値(インピーダンス)とを示す。 Table 1 shows the capacitance of each electric double layer capacitor of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 (the capacitance of the electric double layer capacitor cell) and the internal resistance (impedance). Show.
電気化学素子は、電気二重層キャパシタをはじめとする電気化学キャパシタ、及び、リチウムイオン2次電池をはじめとする電池に利用することができ、例えば、携帯機器(小型電子機器)等の電源のバックアップ用電源、ハイブリッド車向けの補助電源として利用することができる。 The electrochemical element can be used for an electrochemical capacitor including an electric double layer capacitor and a battery including a lithium ion secondary battery. For example, a backup of a power source of a portable device (small electronic device) or the like. It can be used as a power source for vehicles and an auxiliary power source for hybrid vehicles.
1,1A…電気化学素子(電気二重層キャパシタ)、10…アノード、12…アノード用リード線、14…絶縁体、20…カソード、22…カソード用リード線、15・・・アノード集電体、16,17・・・集電体、18・・・カソード集電体、24…絶縁体、30…スペーサ、40…セパレータ、50,50A…ケース、61,62,63…素体、70・・・ガスケット。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記2以上の素体間にそれぞれ配置される板状の集電体と、
電解質溶液と、
前記2以上の素体、前記集電体及び前記電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、
を有しており、
前記第1の電極及び前記第2の電極は多孔体からなる多孔体層からなり、
前記セパレータは絶縁性の多孔体からなり、
前記電解質溶液は、少なくともその一部が前記第1の電極及び前記第2の電極、及び前記セパレータの内部に含有されており、
前記2以上の素体は電気的に直列に接続されており、
前記ケース内に充填される前記電解質溶液の25℃、1atmにおける体積Aと、前記2以上の素体の前記第1の電極中の空隙体積の総和Xと、前記2以上の素体の前記第2の電極中の空隙体積の総和Yと、前記2以上の素体の前記セパレータ中の空隙体積の総和Zとが、下記式(1)で表される条件を満たしていること、
を特徴とする電気化学素子。
0.95≦{A/(X+Y+Z)}≦1.05…(1) 2 having a configuration including a plate-like first electrode and a plate-like second electrode facing each other, and a plate-like separator disposed between the first electrode and the second electrode. With the above body,
A plate-like current collector disposed between each of the two or more element bodies;
An electrolyte solution;
A case containing the two or more element bodies, the current collector, and the electrolyte solution in a sealed state;
Have
The first electrode and the second electrode are composed of a porous layer made of a porous body,
The separator is made of an insulating porous body,
The electrolyte solution is at least partially contained in the first electrode, the second electrode, and the separator,
The two or more element bodies are electrically connected in series;
The volume A at 25 ° C. and 1 atm of the electrolyte solution filled in the case, the total X of the void volumes in the first electrode of the two or more element bodies, and the first of the two or more element bodies. The sum Y of the void volume in the electrode of 2 and the sum Z of the void volume in the separator of the two or more element bodies satisfy the condition represented by the following formula (1):
An electrochemical element characterized by the above.
0.95 ≦ {A / (X + Y + Z)} ≦ 1.05 (1)
前記第2の電極の前記多孔体層には、2次電池のカソードに使用される電極活物質が含まれていること、
を特徴とする請求項1〜4のうちの何れか1項に記載の電気化学素子。 The porous layer of the first electrode contains an electrode active material used for an anode of a secondary battery, and
The porous layer of the second electrode contains an electrode active material used for a cathode of a secondary battery;
The electrochemical element according to any one of claims 1 to 4, wherein
前記第1の電極の主面F1の面積S1と、前記第2の電極の主面F2の面積S2と、前記セパレータの主面F3の面積S3とが下記式(2)で表される条件を満たしており、かつ、
前記各素体において前記主面F1又は前記主面F2の縁部よりも外部に突出している前記主面F3の縁部の最大幅Wsと、前記第1の電極及び前記第2の電極の厚さT1と前記集電体の厚さT2とが下記式(2)で表される条件を満たしていること、
を特徴とする請求項1〜5のうちの何れか1項に記載の電気化学素子。
S3>S1=S2・・・(2)
Ws≧(T1+T2/2)・・・(3)
The first electrode and the second electrode have the same shape and size;
The area S1 of the main surface F1 of the first electrode, the area S2 of the main surface F2 of the second electrode, and the area S3 of the main surface F3 of the separator are expressed by the following formula (2). Meets and
In each element body, the maximum width Ws of the edge of the main surface F3 projecting outside from the edge of the main surface F1 or the main surface F2, and the thicknesses of the first electrode and the second electrode The thickness T1 and the thickness T2 of the current collector satisfy the condition represented by the following formula (2);
The electrochemical element according to any one of claims 1 to 5, wherein:
S3> S1 = S2 (2)
Ws ≧ (T1 + T2 / 2) (3)
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---|---|---|---|---|
US7268995B2 (en) | 2005-09-26 | 2007-09-11 | Nisshinbo Industries, Inc. | Electric double layer capacitor |
JP2015191943A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | Fdkリチウムイオンキャパシタ株式会社 | Lithium ion capacitor, power storage module, and method of manufacturing lithium ion capacitor |
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2003
- 2003-07-25 JP JP2003280244A patent/JP2005045180A/en active Pending
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