JP2006324328A - 電極素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高い寸法精度を実現することができる構造を有した電極素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、集電箔２ａ上にリード部２ｃ（集電部）を残して電極層２ｂが形成された複数の電極シート２と、前記電極シート２間に配置されるセパレータ４と、前記リード部２ｃ（集電部）間に配置されたシム５とを備える電気二重層キャパシタ２（電極素子）であって、前記リード部２ｃ（集電部）および前記シム５には、相互に連通する孔２ｆ，５ｆが形成されており、前記孔２ｆ，５ｆには軸部材７が挿通されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の電極シートと複数のセパレータが積層されて構成される電極素子およびその製造方法に関するものである。

一般に、四角形のシート状の集電箔の両面に電極層が形成された電極シートを、絶縁性のセパレータを介して交互に積層することで、各電極シートに負または正の電荷を交互に貯めることができる電極素子が知られている。そして、このような電極素子としては、従来、負の電荷を貯める電極シートの一辺を前記電極層やセパレータよりも外側に突き出すとともに、正の電荷を貯める電極シートの前記一辺とは反対側の辺を前記電極層やセパレータよりも外側に突き出すことで、負の電荷の取出口と正の電荷の取出口とを互いに逆方向に向けて、構造の簡易化を図ったものが知られている（特許文献１参照）。具体的に、この構造では、突き出した部分のそれぞれの隙間に導電性のシム（スペーサ）を挟んだ状態で、これらをコ字形状となる導電性の「たが」により挟み込むことで、各電極シートに貯めた電荷を集めるようになっている。
特開平１１−２７４００４号公報（段落００３５、図３）

しかしながら、従来技術における「たが」は、コ字形状であるため、積層した電極シートに対して積層方向において適度な加圧力を与えて保持することができなかった。そのため、複数の電極シート、セパレータおよびシムの各部材を積層して接合する際に、各部材間にズレを生じる場合があった。また、接合後においてもこの積層体に掛かる荷重によって、あるいは積層体に熱が加えられた際に、各部材が変位する場合があった。その結果、従来の電極素子では、高い寸法精度を実現することが困難であった。

そこで、本発明では、高い寸法精度を実現することができる構造を有した電極素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、集電箔上に集電部を残して電極層が形成された複数の電極シートと、前記電極シート間に配置されるセパレータと、前記集電部間に配置されたシムとを備える電極素子であって、前記集電部および前記シムには、相互に連通する孔が形成されており、前記孔には軸部材が挿通されていることを特徴とする。
この電極素子では、電極シートの集電部とシムとに相互に連通する孔が形成されており、この孔に軸部材が挿通されるようになっているので、複数の電極シート、セパレータおよびシムの各部材を積層して接合する際に、各部材間にズレを生じることが回避される。また、接合後においてもこの積層体に掛かる荷重によって、あるいは積層体に熱が加えられた際に、各部材が変位することが回避される。

また、このような電極素子においては、前記軸部材が導電性材料で形成されていてもよい。
このような電極素子では、軸部材を介しての電流経路を確保することが可能となる。

また、このような電極素子においては、前記孔の周面が、前記軸部材との拡散接合に適するように表面処理が施されているものが好ましい。
このような電極素子では、軸部材と孔の周面との電気的な接合が良好となる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電極素子の製造方法であって、前記電極シート間に前記セパレータを配置する工程と、前記集電部間に前記シムを配置する工程と、前記孔の内径よりも大きい外径を有する前記軸部材を前記孔に挿通する工程とを備えることを特徴とする。
この製造方法では、例えば、シム材料の酸化物等の絶縁性被膜が孔内に形成されている場合に、電極シートの集電部とシムとに相互に連通する孔に軸部材が挿通される際に、孔の内径よりも軸部材の外径が大きいので、絶縁性被膜が剥離して孔内から取り除かれる。その結果、軸部材を前記したような電流経路として利用する場合には、電気素子の抵抗値が低減される。

また、このような製造方法においては、前記軸部材の材質は、前記集電箔および前記シムの材質と比較して硬質であるものが好ましい。

請求項１に記載の発明によれば、電極シート、セパレータおよびシムの各部材のズレや変位が防止されるので、高い寸法精度を実現することができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果を奏する電極素子を製造することができるとともに、軸部材を介しての電流経路を低い抵抗値で確保した電極素子を製造することができる。

次に、本発明の電極素子の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、電極素子の一例としての電気二重層キャパシタについて説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの内部構造を示す断面図、図２は、電気二重層キャパシタの電極シート組立体の構造を示す分解斜視図、図３は、電気二重層キャパシタの積層体の構造を示す分解斜視図である。

図１に示すように、電気二重層キャパシタ１０（以下、単に「キャパシタ１０」ともいう。）は、ケーシング１と、このケーシング１の中に電解液とともに収容される電極シート組立体ＥＡとを備えて構成されている。

ケーシング１は、角形筒状の筒体１１と、この筒体１１の上下開口部に取り付けられる蓋体１２とで構成されている。そして、このケーシング１は、筒体１１の上下開口部の縁部に蓋体１２の縁部を、曲げ加工やカシメ加工、あるいは溶着（融着）などによって取り付けることで、密閉されるようになっている。

図２に示すように、電極シート組立体ＥＡは、複数の電極シート２が主に積層されて構成される積層体ＬＡと、この積層体ＬＡを積層方向において挟み込む２つのＬ形リードプレート３とを備えて構成されている。

積層体ＬＡは、図３に示すように、電荷を貯めるための複数の電極シート２と、各電極シート２の間に設けられるセパレータ４と、所定の電極シート２の間または電極シート２とＬ形リードプレート３との間（図１参照）に設けられるシム５とを備えて構成されている。

電極シート２は、略四角形状の集電箔２ａと、この集電箔２ａの両面に形成される電極層２ｂとで構成されている。集電箔２ａは、アルミニウム箔などの導電性を有する材料で形成されている。電極層２ｂは、活性炭を主成分としており、集電箔２ａの一辺部分を除いた略全面にわたって略四角形状に形成されている。そして、電極層２ｂが形成されていない集電箔２ａの一辺部分は、各電極層２ｂに貯めた電荷の取出口としてのリード部２ｃとなっている。このリード部２ｃは、特許請求の範囲にいう「集電部」に相当する。

また、電極シート２の中央部には、電解液注入用の貫通孔２ｄが形成されるとともに、そのリード部２ｃには、軽量化および電解液の浸透に寄与する２つの長孔２ｅと、後記する軸部材７（図２参照）が挿通される２つの円形の孔２ｆが貫通するように形成されている。つまり、後記するように正の電荷を貯める電極シート２と負の電荷を貯める電極シート２とが所定の向きに揃えて重ねられた際に、シム５側の孔５ｆと連通するように形成されている。この孔２ｆは、特許請求の範囲にいう「集電部」側の「孔」に相当する。さらに、電極シート２のリード部２ｃの端縁（詳しくは、４つの孔２ｅ，２ｆの間）には、主に軽量化に寄与する切欠部２ｇが形成されている。そして、このように形成される複数の電極シート２は、正の電荷を貯めるものと負の電荷を貯めるものとが交互に積層されるようになっているとともに、正の電荷を貯める電極シート２のリード部２ｃが所定の向きに揃えられ、この所定の向きとは逆の向き（異なる向き）に負の電荷を貯める電極シート２のリード部２ｃが揃えられるようになっている。

セパレータ４は、略四角形のシート状に形成される絶縁部材であり、隣り合う異極の電極シート２（リード部２ｃが互いに逆方向を向く一対の電極シート２）を絶縁している。また、このセパレータ４は、電極シート２の電極層２ｂの周縁から少しはみ出る程度の大きさで、かつ、前記長孔２ｅおよび孔２ｆを塞がない程度の大きさに形成されるとともに、その中央部に電解液注入用の貫通孔４ｄが前記電極シート２の貫通孔２ｄよりも小さな大きさで形成されている（図１参照）。

シム５は、導電性を有する略短冊状の部材であり、その角部が適宜Ｒ形状に面取りされるとともに、前記した電極シート２の切欠部２ｇに対応した切欠部５ｇを両側縁に有するような形状に形成されている。また、このシム５には、前記した電極シート２の各長孔２ｅおよび各孔２ｆに対応した２つの長孔５ｅおよび２つの孔５ｆが適宜形成されている。なお、孔５ｆは、特許請求の範囲にいう「シム」側の「孔」に相当する。そして、このシム５は、隣り合う同極の電極シート２（リード部２ｃが互いに同一方向を向く一対の電極シート２）のリード部２ｃの間や、端から２番目に位置する電極シート２のリード部２ｃとＬ形リードプレート３との間（図１参照）に配設されるようになっている。ここで、端から２番目に位置する電極シート２とＬ形リードプレート３との間の距離は、同極の電極シート２のリード部２ｃ間の距離に対して短いため、実際には、厚さの異なる２種類のシム５（以下、「第１シム５Ａ」、「第２シム５Ｂ」ともいう。）が設けられている。なお、積層体ＬＡでは、前記した電極シート２の長孔２ｅと、前記したシム５の長孔５ｅとが連通することによって空間が形成される。この空間は、電解液の分解などでガスが生じた場合に、体積増加分を受け持つバッファ部として機能させることができる。

図２に示すように、Ｌ形リードプレート３は、導電性を有する部材であり、同極の電極シート２から正または負の電流（電荷）を集電する集電壁３１と、積層された電極シート２のうち端の電極シート２を保持する保持壁３２とによって、略Ｌ字形状に形成されている。

集電壁３１は、電極シート２よりも小さな幅となる四角い板状に形成されており、その中央部に電極シート２の積層方向に延びる所定のビード部３１ａが電極シート２側へ向かって凸となるように形成されるとともに、その側縁部に電極シート２側および外側へ向かって略Ｌ字状に折り曲げられた屈曲部３１ｂが形成されている。なお、集電壁３１に形成されるビード部３１ａおよび屈曲部３１ｂは、平面状の集電壁３１の剛性を向上する役割を果たすとともに、前記した電極シート２およびシム５の各切欠部２ｇ，５ｇと係合することで、各電極シート２および各シム５をその面方向（詳しくは、シム５の長手方向）において位置決めする役割も果たすようになっている。そして、このように形成される集電壁３１は、その屈曲部３１ｂの縁部が、同極の各電極シート２および各シム５に溶接により接合されており、これにより各電極シート２から流れてくる電流を集電するようになっている。

保持壁３２は、電極シート２よりも大きな面積となる四角い板状に形成されており、その中央部に集電壁３１で集電した電流を外部から取り出すための端子接続プラグ６が設けられるとともに、集電壁３１側の辺縁の二隅に後記する軸部材７（図２参照）が挿通される孔３２ｆが形成されている。
ここで、端子接続プラグ６は、図１に示すように、雄型プラグ６１と雌型プラグ６２とをそれらの間に保持壁３２を介在させた状態で螺合させることによって、保持壁３２に固定される構造となっている。そのため、これに対応すべく、保持壁３２には、雄型プラグ６１の雄ねじ部６１ａを挿通させるための取付孔３２ａと、雄型プラグ６１のフランジ部６１ｂ側の端面と保持壁３２の電極シート２側の端面を面一にするための段差状の取付部３２ｂが形成されている。

また、保持壁３２の電極シート２側の面（端子接続プラグ６が取り付けられた状態となる面）には、絶縁膜３２ｃによる絶縁処理が施されている。絶縁膜３２ｃは、絶縁の機能の他に、保持壁３２の表面形状（端子接続プラグ６周りの微小な凹凸）によって電極シート２が傷つくのを防止する機能も有する。また、この絶縁膜３２ｃには、端子接続プラグ６の雄型プラグ６１に形成される電解液注入・排出用の孔６１ｃに対応した孔３２ｄが形成されている。

さらに、保持壁３２の集電壁３１側の端部には、前記したシム５の代わりとなる段差部３２ｅが形成されている。すなわち、段差部３２ｅを設けない場合には、保持壁３２とこれに隣接する電極シート２のリード部２ｃとの間に、絶縁膜３２ｃの厚さと電極層２ｂの厚さを足した厚さの導電性のシム（第１シム５Ａや第２シム５Ｂとは厚さの異なるシム）を新たに設ける必要があるが、本実施形態では、段差部３２ｅを設けることによって、そのシムを無くして、部品点数の削減を図ることが可能となっている。

本実施形態に係るキャパシタ１０では、図２に示すように、Ｌ形リードプレート３に形成された孔３２ｆ、電極シート２のリード部２ｃに形成された孔２ｆ、およびシム５に形成された孔５ｆを貫通するように導電性の軸部材７が挿通されている。そして、この軸部材７は、各Ｌ形リードプレート３，３側から積層体ＬＭに向かって２本ずつ挿通されている。そして、図１に示すように、各軸部材７の先端部は、絶縁膜３２ｃまで延びて止まっている。つまり、各Ｌ形リードプレート３，３の間の軸部材７による短絡は防止されている。

ここで、前記した孔３２ｆ，２ｆ，５ｆと、軸部材７との関係について説明すると、軸部材７の外径は、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内径よりも大きく設定されている。孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内径に対する軸部材７の外径の比（外径／内径）は、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆに軸部材７が挿通可能であれば特に制限はないが、１．００３〜１．０１０程度が好ましい。

軸部材７の材質は、集電箔２ａおよびシム５の材質と比較して硬質であるものが好ましい。また、軸部材７の材質は、Ｌ形リードプレート３の材質と比較しても硬質であるものが好ましい。つまり、集電箔２ａ、シム５およびＬ形リードプレート３が例えばアルミニウムで形成されている場合は、軸部材７は、例えば鋼や銅で形成すればよい。

また、このような軸部材７が挿通される孔３２ｆおよび孔５ｆは、少なくともその内壁が軸部材７との拡散接合が容易となるように表面処理されていることが望ましい。そして、孔２ｆの内壁も前記表面処理されていることがさらに望ましい。この表面処理は、集電箔２ａ、シム５およびＬ形リードプレート３を形成する材質の表面活性が向上するような処理であれば特に制限はなく、例えば、集電箔２ａ、シム５およびＬ形リードプレート３を形成する材質の酸化物からなる絶縁被膜を除去する処理が挙げられる。

次に、本実施形態に係るキャパシタ１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、まず、隣り合う電極シート２のリード部２ｃの向きが互い違いに逆方向となるように、電極シート２とセパレータ４を交互に積層していく。また、このように積層していく際には、各電極シート２のリード部２ｃに対して適宜シム５を配設していく。

そして、図２に示すように、予め端子接続プラグ６および絶縁膜３２ｃ（図１参照）を取り付けたＬ形リードプレート３で、積層体ＬＡを積層方向において挟持する。このとき、Ｌ形リードプレート３のビード部３１ａおよび屈曲部３１ｂを、適宜電極シート２およびシム５の各切欠部２ｇ，５ｇと係合させるとともに、Ｌ形リードプレート３の集電壁３１の面で各電極シート２および各シム５を揃えることで、各部品３，２，５の孔３２ｆ，２ｆ，５ｆが同軸上で連通することとなる。その後は、これらの孔３２ｆ，２ｆ，５ｆに導電性の軸部材７が挿通される。この際、軸部材７の外径が孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内径より大きくなっているので、軸部材７は、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁との間で大きな摩擦力を生じながら挿通されていく。そして、軸部材７は、図１に示すように、その先端部が絶縁膜３２ｃに到達するまで差し込まれる。その結果、各電極シート２および各シム５は軸部材７を介して互いに変位不能に支持されるとともに、Ｌ形リードプレート３の保持壁３２で積層体ＬＡが保持されることとなる。次いで、Ｌ形リードプレート３の集電壁３１の側縁部（屈曲部３１ｂ）と、各電極シート２および各シム５とを溶接することで、電極シート組立体ＥＡの製造が完了する。その後は、図１に示すように、この電極シート組立体ＥＡをケーシング１内に収容させた後、端子接続プラグ６の孔６１ｃから電解液を注入することで、各電極シート２の電極層２ｂと各セパレータ４に電解液を含浸させる。そして、最後に、端子接続プラグ６の孔６１ｃを図示せぬ栓で封止することで、キャパシタ１０の製造が完了する。

次に、キャパシタ１０の作用効果について主に図１を参照しながら説明する。このキャパシタ１０では、各端子接続プラグ６，６を介して充放電が行われる。つまり、図示しない所定の電源および負荷が各端子接続プラグ６，６に接続されることによって、集電箔２ａ（図３参照）、リード部２ｃ、シム５、ならびにＬ形リードプレート３の集電壁３１および保持壁３２を経由する電流経路が形成される。さらに、このキャパシタ１０は、集電箔２ａ（図３参照）、リード部２ｃ、シム５、軸部材７、およびＬ形リードプレート３の保持壁３２を経由する電流経路をも形成する。つまり、このキャパシタ１０では、２系統の電流経路が確立されることによって低抵抗が実現される。

また、このキャパシタ１０では、軸部材７の外径が孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内径より大きくなっているので、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆ内に挿通された軸部材７は、各電極シート２および各シム５を強固に支持する。その結果、電極シート２、セパレータ４およびシム５を積層してこれらの部材を接合する際に、これらの部材が相互にずれることが回避される。また、これらの部材がケーシング１に収納されたキャパシタ１０は、例えば充電時の電解質の膨張等によって積層体ＬＡに負荷が掛かったり、あるいはキャパシタ１０の外部から荷重が掛かった場合であっても各部材の変位は防止される。また、充電時に発生する熱が電極シート２、セパレータ４およびシム５に加えられたとしても、これらの各部材の変位は防止される。その結果、このキャパシタ１０によれば、高い寸法精度を実現することができる。

また、このキャパシタ１０では、前記したように、軸部材７が、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁との間で大きな摩擦力を生じながら挿通されていく。したがって、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁に前記した絶縁被膜が形成されている場合には、軸部材７が絶縁被膜を削り取りながら孔３２ｆ，２ｆ，５ｆ内に挿通されていくので、軸部材７と、保持壁３２、リード部２ｃおよびシム５との間の電気的接続は良好となる。また、絶縁被膜が取り除かれた孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁は表面活性が向上するので、軸部材７との強い摩擦力によって、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁は軸部材７の外周壁と拡散接合する。その結果、軸部材７と、保持壁３２、リード部２ｃおよびシム５との間の電気的接続はさらに良好となる。また、孔３２ｆ，２ｆ，５ｆの内壁に、拡散接合が容易になるように前記した表面処理が施されている場合には、電気的接続はより一層良好となる。したがって、このようなキャパシタ１０によれば、電気抵抗をより低くすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、製造コスト上の観点から、同じ材料で第１シム５Ａおよび第２シム５Ｂを形成したが、本発明はこれに限定されず、第１シム５Ａを絶縁性の材料で形成してもよい。これによれば、図１に示すように、第１シム５Ａに隣接する電極シート２から流れてくる電流が第１シム５Ａ側には行かずに、その反対側（電流が取り出される側）のみに向かって流れるようになるので、集電をより良好に行うことができる。また、本実施形態とは逆に、Ｌ形リードプレートとこれに隣接する電極シートとが異極である場合にも、この異極の電極シートのリード部とＬ形リードプレートとの間に絶縁性のシムを設けることで、前記と同様の効果を奏することができる。

また、前記実施形態では、軸部材７の先端部が絶縁膜３２ｃで止まっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、その先端部が絶縁膜３２ｃおよびＬ形リードプレートの保持壁３２を貫通する軸部材７であって、保持壁３２との接触部分に絶縁処理したものであってもよい。このような軸部材７を使用する場合には、その端部をかしめ、あるいはねじ切りしたその端部にナットを螺合させることによって電極シート２、シム５等の組み付けがより強固になる。

また、前記実施形態では、集電壁３１を有するＬ形リードプレート３を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、集電壁３１を有しないリードプレートを使用したものであってもよい。このようなキャパシタ１０によれば、製造コストが低減されるとともに、軽量化を図ることができる。

また、前記実施形態では、各電極シート２および各シム５が集電壁３１の屈曲部３１ｂを介して溶接接合されているが、本発明は各電極シート２および各シム５の積層面側で屈曲部３１ｂを介さずに相互に溶接接合されていてもよい。

本実施形態では、電極素子として電気二重層キャパシタ１０を示したが、本発明はこれに限定されず、例えばリチウムイオン二次電池等の電池に適用してもよい。

実施形態の電気二重層キャパシタ（電極素子）の内部構造を示す断面図である。 電気二重層キャパシタ（電極素子）の電極シート組立体の構造を示す分解斜視図である。 電気二重層キャパシタ（電極素子）の積層体の構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

２ 電極シート
２ａ 集電箔
２ｂ 電極層
２ｃ リード部（集電部）
２ｆ 孔
４ セパレータ
５ シム
５ｆ 孔
１０ 電気二重層キャパシタ（電極素子）

Claims (2)

1. 集電箔上に集電部を残して電極層が形成された複数の電極シートと、
   前記電極シート間に配置されるセパレータと、
   前記集電部間に配置されたシムとを備える電極素子であって、
   前記集電部および前記シムには、相互に連通する孔が形成されており、
   前記孔には軸部材が挿通されていることを特徴とする電極素子。
2. 請求項１に記載の電極素子の製造方法であって、
   前記電極シート間に前記セパレータを配置する工程と、
   前記集電部間に前記シムを配置する工程と、
   前記孔の内径よりも大きい外径を有する前記軸部材を前記孔に挿通する工程とを備えることを特徴とする電極素子の製造方法。

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