JP2007165669A - 電気化学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】分極性電極層の膨張を集積固定板によって効果的に抑制しつつ、電解質溶液が積層体の内部まで行き渡りやすい構造を有する電気化学デバイスを提供する。
【解決手段】表面に分極性電極層が形成された複数の集電体及び隣接する分極性電極層を分離する複数のセパレータが交互に配置されてなる積層体110と、積層体110の積層方向における両側に配置された一対の集積固定板121,122とを備える。一対の集積固定板121,122は、積層体110を押圧する凹部121a,122aと、積層体110との間に隙間を形成する凸部121b,122bを有している。凸部121b,122bは集積固定板121,122の周縁部にて終端しており、これにより、積層体110と集積固定板121,122との間には隙間が形成される。この隙間が電解質溶液の滲入口となる。
【選択図】図1

Description

本発明は電気化学デバイスに関し、特に、本体となる積層体の積層方向における両側に配置された一対の集積固定板を有する電気化学デバイスに関する。
近年、小型・軽量で比較的大容量が得られるバッテリとして、電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイスが注目されている。電気二重層キャパシタは、通常の2次電池のように化学反応を利用するのではなく、電極に電荷を直接蓄積するタイプのバッテリであることから、極めて高速な充放電が可能であるという特徴を有している。このような特徴を活かして、例えば、携帯機器(小型電子機器)等のバックアップ用電源、電気自動車やハイブリッド車向けの補助電源等としての利用が期待されており、その性能向上のための様々な検討がなされている。
電気二重層キャパシタの基本構造としては、分極性電極層が形成された複数の集電体と、隣接する分極性電極層を分離する複数のセパレータとが交互に配置された構造を有しており、この積層体内には電解質溶液が充填されている。しかしながら、分極性電極層の材料として炭素質材料などを用いた電気二重層キャパシタにおいては、充電に伴って分極性電極層が厚さ方向に約10%程度膨張するという性質を有している。このため、電圧を印加すると電気二重層キャパシタが積層方向に膨張してしまうという問題があった。
このような膨張が発生すると、変形によって筐体にストレスがかかるだけでなく、電気二重層キャパシタの内部抵抗が増大するという問題が生じる。このため通常は、キャパシタ本体となる積層体の積層方向に一対の集積固定板などを設け、これによって膨張を押さえつける方法が採用されている(特許文献1〜3参照)。
特開平3−80519号公報 特開平7−263029号公報 特開平11−73937号公報
しかしながら、集積固定板を積層体の両側に配置すると、電解質溶液の滲入経路がほとんど塞がれるため、電解質溶液が積層体の内部まで行き渡りにくいという問題があった。この問題を解消するためには、集積固定板に電解質溶液滲入用の大きな穴を広範囲に形成したり、集積固定板自体を網目状とする方法が考えられるが、この場合には、集積固定板の強度が大幅に低下するため、分極性電極層の膨張を十分に押さえつけることができなくなってしまう。
このような問題は、電気二重層キャパシタだけでなく、炭素質材料などからなる分極性電極層を有する他の電気化学デバイスにおいても同様に生じる問題である。
本発明はこのような課題を解決すべくなされたものであって、分極性電極層の膨張を集積固定板によって効果的に抑制しつつ、電解質溶液が積層体の内部まで行き渡りやすい構造を有する電気化学デバイスを提供することを目的とする。
本発明による電気化学デバイスは、表面に分極性電極層が形成された複数の集電体及び隣接する分極性電極層を分離する複数のセパレータが交互に配置されてなる積層体と、前記積層体の積層方向における両側に配置された一対の集積固定板とを備え、前記一対の集積固定板の少なくとも一方は、前記積層体を押圧する凹部と、前記積層体との間に隙間を形成する凸部を有しており、前記隙間が開放されていることを特徴とする。
このように、本発明による電気化学デバイスでは、集積固定板に凹凸が設けられていることから、集積固定板自体の機械的強度が高められるとともに、凸部によって形成される積層体と集積固定板との隙間が開放されていることから、この隙間が電解質溶液の滲入口となる。したがって、分極性電極層の膨張が効果的に押さえつけられるとともに、電解質溶液が積層体の内部まで行き渡りやすくなる。
本発明において、前記凸部の一部は集積固定板の周縁部にて終端しており、これにより、隙間の少なくとも一部が集積固定板の周縁部にて開放されていることが好ましい。このように、集積固定板の周縁部にて隙間を開放する構造とすれば、集積固定板に電解質溶液滲入用の穴を開ける必要がなくなることから、集積固定板の強度の低下を防止することができる。
この場合、前記隙間は、2箇所以上で開放されていることが好ましく、集積固定板の各周縁部にてそれぞれ開放されていることが好ましい。このように、一つの隙間を2箇所以上で開放すれば、電解質溶液がより滲入しやすくなる。
さらにこの場合、前記隙間は、集積固定板の周縁部に沿った環状部と、環状部と集積固定板の各周縁部との間に設けられた流入部とを含んでいることが好ましく、複数の流入部間を環状部の内側領域にて繋ぐ接続部をさらに含んでいることがより好ましい。このような環状部や接続部を設ければ、隙間に滲入した電解質溶液が積層体の内部に行き渡りやすくなる。
本発明において、集積固定板の凹部及び集積体には貫通孔が設けられており、貫通孔に挿入された固定ピンによって、一対の集積固定板が固定されていることが好ましい。このように、集積固定板の凹部を貫通する貫通孔を用いて一対の集積固定板を固定すれば、集積体の押圧をより確実に行うことができる。この場合、集積体に設けられた貫通孔は、セパレータを貫通する部分よりも、集電体及び分極性電極層を貫通する部分の方が径が大きいことが好ましい。これによれば、固定ピンの挿入によって生じうる電極間の短絡を防止することが可能となる。
本発明において、一対の集積固定板の形状は、互いに同一であることが好ましい。これによれば、上下方向から電解質溶液が滲入することから、電解質溶液が積層体の内部に行き渡りやすくなるだけでなく、一対の集積固定板の形状が同一であることから、生産性を高めることも可能となる。
このように、本発明によれば、分極性電極層の膨張を集積固定板によって効果的に抑制しつつ、電解質溶液が積層体の内部まで行き渡りやすい構造を得ることが可能となる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態による電気二重層キャパシタの構造を示す略分解斜視図である。
図1に示すように、本実施形態による電気二重層キャパシタ100は、キャパシタの本体である積層体110と、積層体110の積層方向における両側に配置された一対の集積固定板121,122と、積層体110の両側面に接続された一対の集電バー131,132とを備えて構成されている。
積層体110は、模式的な断面図である図2に示すように、両表面に分極性電極層112が形成された複数の集電体111と、隣接する分極性電極層112を分離する複数のセパレータ113とが交互に配置された構造を有している。図2に示すように、集電体111には分極性電極層112が形成されていない引き出し部111aが設けられており、この引き出し部111aの引き出し方向は交互とされている。したがって、引き出し部111aのうち、例えば図2における右側に位置する引き出し部111aを正極とすれば、左側に位置する引き出し部111aは負極となる。
このような引き出し部111aは正極側及び負極側で束ねられ、それぞれ対応する集電バー131,132に接続される。したがって、実使用状態においては、集電バー131,132の一方が正極端子、他方が負極端子として用いられる。
集電体111は、分極性電極層112への電荷の移動を十分に行うことができる良導体であればその材料としては特に制限されず、公知の電気二重層キャパシタ用電極に用いられる集電体材料、例えばアルミニウム(Al)を用いることができる。特に限定されるものではないが、集電体111の表面は粗面化されていることが好ましく、これによれば、集電体111と分極性電極層112との密着性を高めることが可能となる。集電体111の表面を粗面化する方法としては、特に限定されないが、酸などの薬品による化学的なエッチングによって粗面化することができる。
集電体111の厚さについても特に限定されないが、製造される電気二重層キャパシタをより小型化するためには、機械的強度が十分に確保される限度においてできる限り薄く設定することが好ましい。具体的には、集電体111の材料としてアルミニウム(Al)を用いた場合、その厚さを10μm以上、100μm以下に設定することが好ましく、15μm以上、50μm以下に設定することがより好ましい。アルミニウム(Al)からなる集電体111の厚さをこの範囲に設定すれば、十分な機械的強度を確保しつつ、最終的に作製される電気二重層キャパシタの小型化を達成することが可能となる。
分極性電極層112は、電荷の蓄電と放電に寄与する層であり、集電体111の表面に塗布により形成することが好ましい。分極性電極層112は、その構成材料として電子伝導性を有する多孔体粒子と、多孔体粒子を結着可能なバインダーとを少なくとも含有している。また、分極性電極層112は、多孔体粒子及びバインダーの他に、電子伝導性を有する導電助剤を含むことが好ましい。
分極性電極層112に含有される多孔体粒子は、電荷の蓄電と放電に寄与する電子伝導性を有する多孔体粒子であれば特に制限はなく、例えば、粒状又は繊維状の賦活処理済みの活性炭等が挙げられる。これら活性炭としては、フェノール系活性炭や、椰子ガラ活性炭等を用いることができる。この多孔体粒子の平均粒径は、好ましくは3〜20μmであり、窒素吸着等温線からBET等温吸着式を用いて求められるBET比表面積としては好ましくは1500m/g以上、より好ましくは2000〜2500m/gである。このような多孔体粒子を用いれば、高い体積容量を得ることが可能となる。
また、分極性電極層112に含有されるバインダーは、上記多孔体粒子を結着可能なバインダーであれば特に制限されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等のフッ素系バインダーを用いる必要がある。これは、C−FとC−Hの結合エネルギーの違いなどにより、セルロース系バインダーやアクリル系バインダーは、電気化学的にフッ素系バインダーよりも劣るからである。フッ素系バインダーの中でも、フッ素ゴムを用いることが好ましい。これは、フッ素ゴムを用いれば少ない含有量であっても多孔体粒子を十分に結着することが可能となり、これにより分極性電極層112の塗膜強度が向上するとともに、二重層界面の大きさが向上し、体積容量を向上させることができるからである。また、フッ素ゴムは、電気化学的にも安定だからである。
フッ素ゴムとしては、例えば、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン(VDF−HFP−TFE)系共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(VDF−HFP)系共重合体、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン(VDF−PFP)系共重合体、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン(VDF−PFP−TFE)系共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン(VDF−PFMVE−TFE)系共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン(VDF−CTFE)系共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体等が挙げられる。これらの中でも、VDF、HFP及びTFEからなる群から選択される少なくとも2種が共重合してなるフッ素ゴムが好ましく、密着性や耐薬品性がより向上する傾向があることから、上記群の3種が共重合してなるVDF−HFP−TFE系共重合体が特に好ましい。
更に、分極性電極層112に必要に応じて含有される上記導電助剤は、集電体111と分極性電極層112との間での電荷の移動を十分に進行させることが可能な電子伝導性を有するものであれば特に制限はなく、例えば、カーボンブラックやグラファイトを用いることが好ましい。
カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等が挙げられ、中でも、アセチレンブラックが好ましく用いられる。カーボンブラックの平均粒径としては、好ましくは25〜50nmであり、BET比表面積としては、好ましくは50m/g以上、より好ましくは50〜140m/gである。
また、グラファイトとしては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト、膨張グラファイト等が挙げられ、特に人造グラファイトが好ましく用いられる。また、グラファイトの平均粒径としては、好ましくは4〜6μmであり、BET比表面積としては、好ましくは10m/g以上、より好ましくは15〜30m/gである。
セパレータ113は、隣り合う分極性電極層112間における電解質溶液の移動を可能としつつ、隣り合う分極性電極層112を物理的に分離するための膜である。セパレータ113は絶縁性の多孔体から形成されていることが好ましく、例えば、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等を用いることができる。セパレータ113の厚さは、特に限定されるものではないが、15μm以上、200μm以下とすることが好ましく、30μm以上、100μm以下とすることがより好ましい。
集積固定板121,122は、積層体110の積層方向における両側に配置されており、充電に伴う分極性電極層112の膨張を押さえつける役割を果たす。図1に示すように、集積固定板121,122には互い同一の凹凸パターンが設けられている。これにより、集積固定板121,122によって積層体110を挟み込むと、略側面図である図3に示すように、凹部121a,122aにおいて積層体110と接触する一方、凸部121b,122bにおいては積層体110と接触せず、隙間129が形成される。集積固定板121,122に設けられた凹凸は、集積固定板121,122の機械的強度を高める役割を果たし、凸部121b,122bによって形成される隙間129は、後述する電解質溶液の流路となる。
図1に示すように、凸部121b,122bの一部は、集積固定板121,122の各周縁部にて終端している。これにより、集積固定板121,122によって積層体110を挟み込むと、凸部121b,122bによって形成される隙間129は、集積固定板121,122の各周縁部にて合計4箇所で開放されることになる。隙間129の開放部分は、後述する電解質溶液の滲入口となる。
集積固定板121,122の凹凸形状についてさらに詳細に説明すると、凸部121b,122bは、集積固定板121,122の周縁部に沿った環状部141と、環状部141と集積固定板121,122の各周縁部との間に設けられた流入部142と、対向する2つの流入部142間を環状部141の内側領域にて繋ぐ2つの接続部143によって構成されている。2つの接続部143は、集積固定板121,122の略中央部分で交差しており、これにより、環状部141及び接続部143は、略「田」の字状となっている。但し、接続部143を設ける位置はこれに限定されず、環状部141の内側領域を繋ぐものであれば他の位置に設けても構わない。
隙間129の高さについては特に限定されないが、一例として、凸部121b,122bの幅Wが約8mmであるとすれば、隙間129の高さは0.5mm程度に設定すればよい。隙間129の高さは、高くなるほど電解質溶液が滲入しやすくなるものの、隙間129の高さが高すぎると電気二重層キャパシタ100全体の厚みが大きくなってしまう。したがって、隙間129の高さについては、電解質溶液の滲入のしやすさと、電気二重層キャパシタ100に許容される厚みを考慮して設定する必要がある。
また、集積固定板121,122の凹部121a,122aには、4つの貫通孔150が設けられており、これら貫通孔には絶縁材料からなる固定ピン151が挿入される。図1に示すように、貫通孔150が形成されている位置は、凸部121b,122bに囲まれた4つの領域である。これら貫通孔150を凹部121a,122aに設けているのは、凹部121a,122aが積層体110に対する押圧面となるからである。尚、これら貫通孔150は、径を十分に小さくすることができ、且つ、数も少ないことから、これによって集積固定板121,122の強度が低下することはほとんどない。
固定ピン151は、集積固定板121,122に設けられた貫通孔150及び積層体110に設けられた貫通孔152を貫通し、図4に示すように、径が拡大された両頭部151aによって集積固定板121,122に固定される。これにより、一対の集積固定板121,122は、固定ピン151によって押さえつけられ、その結果、積層体110の膨張が抑制される。
積層体110に設けられた貫通孔152は、分極性電極層112が形成された集電体111及びセパレータ113を貫通して設けられているが、図4に示すとおり、貫通孔152のうち、集電体111及び分極性電極層112を貫通する部分152aよりも、セパレータ113を貫通する部分152bの方が径が小さく設定されている。セパレータ113を貫通する部分152bの径は、固定ピン151の径とほぼ等しく、したがって、固定ピン151とセパレータ113は、ほぼ全周に亘って接触した状態となっている。
これに対し、集電体111及び分極性電極層112を貫通する部分152aは、固定ピン151よりも径が十分に大きく、且つ、セパレータ113を貫通する部分152bとほぼ同心円となる位置に配置されていることから、集電体111及び分極性電極層112の内壁部分と固定ピン151とは、全周に亘ってほぼ等間隔に離間することになる。つまり、固定ピン151と集電体111及び分極性電極層112とは、実質的に接触しない。これは、固定ピン151と集電体111及び分極性電極層112とが接触すると、固定ピン151を挿入する際、貫通孔152内に分極性電極層112を構成する材料などが侵入し、その結果、セパレータ113によって分離すべき一対の電極間が短絡するおそれがあるからである。
このような構造を有する電気二重層キャパシタ100は、図5に示すように、電解質溶液の入った密封袋160に収められ、集電バー131,132の一部が露出するような状態で封止される。密封袋160としては、アルミラミネートなどを用いることができる。
電解質溶液としては、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、電気二重層キャパシタに用いられる電解質溶液は、電気化学的に分解電圧が低いため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。具体的な電解質溶液の種類は特に限定されないが、溶質の溶解度、解離度、液の粘性を考慮して選択することが好ましく、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特に望ましい。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ート、ジエチレンカーボネート、アセトニトリル等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。
電解質溶液の入った密封袋160に本実施形態による電気二重層キャパシタ100が収められると、凸部121b,122bによって形成された隙間129の開放部分から、電解質溶液が容易に滲入する。隙間129に滲入した電解質溶液は、隙間129のうち、流入部142から環状部141及び接続部143へと流入し、積層体110の内部へとスムーズに行き渡る。
その後、電気二重層キャパシタ100を密封袋160ごと、図示しない筐体(プラスチックケースなど)に収容すれば、最終製品となる。そして、実使用状態においては、充放電を繰り返すことにより分極性電極層112が膨張し、これにより、積層体110が積層方向に膨らもうとする。しかしながら、集積固定板121,122が固定ピン151によって押さえつけられているため、積層体110の膨張が押さえつけられ、その結果、変形を防止することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態による電気二重層キャパシタ100は、積層体110を押さえつける集積固定板121,122に凹凸パターンが設けられていることから、高い機械的強度を得ることが可能となる。しかも、凸部121b,122bによって形成された隙間129が端部で開放されていることから、電解質溶液が容易に滲入し、積層体110の内部まで電解質溶液が行き渡りやすくなる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、凸部121b,122bによって形成される隙間129が、集積固定板121,122の各周縁部にて合計4箇所で開放されているが、本発明がこれに限定されるものではなく、少なくとも1箇所で開放されていればよい。但し、上記実施形態のように、一つの隙間を2箇所以上で開放すれば、電解質溶液がより滲入しやすくなる。
また、隙間129を形成する凸部121b,122bの形状についても、上記実施形態で示した形状に限定されず、図6に示すように接続部143を省略した形状であっても構わないし、図7に示すように、環状部141を省略した形状であっても構わない。
また、上記実施形態では、凸部121b,122bが集積固定板121,122の周縁部にて終端しており、これにより、隙間129が集積固定板121,122の周縁部にて開放されているが、隙間129の開放位置についてはこれに限定されず、例えば、図8に示すように、凸部に貫通孔144を設けることによって隙間129を開放しても構わない。但し、この場合は、集積固定板121,122の加工が複雑となるとともに、貫通孔144の径によっては集積固定板121,122の強度が低下することから、上記実施形態のように、凸部121b,122bを集積固定板121,122の周縁部にて終端させることによって隙間129を開放することが好ましい。
また、上記実施形態では、一対の集積固定板121,122が互いに同一形状を有しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、集積固定板121,122の一方については単なる平板形状であっても構わない。但し、本実施形態のように、一対の集積固定板121,122を互いに同一形状とすれば、上下方向から電解質溶液が滲入するため、電解質溶液が積層体110の内部に行き渡りやすくなるだけでなく、部品の種類が減ることから、生産性を高めることも可能となる。
また、本発明は、電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、擬似容量キャパシタ、シュードキャパシタ、レドックスキャパシタ等の種々の電気化学キャパシタに応用することが可能である。
本発明の好ましい実施形態による電気二重層キャパシタの構造を示す略分解斜視図である。 積層体110の構造を説明するための模式的な断面図である。 積層体110と集積固定板121,122との関係を説明するための略側面図である。 貫通孔152の形状を説明するための略断面図である。 電気二重層キャパシタ100及びこれを封入する密封袋160を示す図である。 一変形例による集積固定板121の構造を示す略斜視図である。 他の変形例による集積固定板121の構造を示す略斜視図である。 さらに他の変形例による集積固定板121の構造を示す略斜視図である。
符号の説明
100 電気二重層キャパシタ
110 積層体
111 集電体
111a 引き出し部
112 分極性電極層
113 セパレータ
121,122 集積固定板
121a,122a 凹部
121b,122b 凸部
129 隙間
131,132 集電バー
141 環状部
142 流入部
143 接続部
144,150,152 貫通孔
151 固定ピン
151a 両頭部
152a 集電体及び分極性電極層を貫通する部分
152b セパレータを貫通する部分
160 密封袋

Claims (9)

  1. 表面に分極性電極層が形成された複数の集電体と、隣接する前記分極性電極層を分離する複数のセパレータとが交互に配置されてなる積層体と、
    前記積層体の積層方向における両側に配置された一対の集積固定板とを備え、
    前記一対の集積固定板の少なくとも一方は、前記積層体を押圧する凹部と、前記積層体との間に隙間を形成する凸部を有しており、前記隙間が開放されていることを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記凸部の一部は前記集積固定板の周縁部にて終端しており、これにより、前記隙間の少なくとも一部が前記集積固定板の周縁部にて開放されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記隙間は、2箇所以上で開放されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記隙間は、前記集積固定板の各周縁部にてそれぞれ開放されていることを特徴とする請求項3に記載の電気化学デバイス。
  5. 前記隙間は、前記集積固定板の周縁部に沿った環状部と、前記環状部と前記集積固定板の各周縁部との間に設けられた流入部とを含んでいることを特徴とする請求項4に記載の電気化学デバイス。
  6. 前記隙間は、複数の流入部間を前記環状部の内側領域にて繋ぐ接続部をさらに含んでいることを特徴とする請求項5に記載の電気化学デバイス。
  7. 前記集積固定板の前記凹部及び前記集積体には貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿入された固定ピンによって、前記一対の集積固定板が固定されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
  8. 前記集積体に設けられた貫通孔は、前記セパレータを貫通する部分よりも、前記集電体及び前記分極性電極層を貫通する部分の方が径が大きいことを特徴とする請求項7に記載の電気化学デバイス。
  9. 前記一対の集積固定板の形状が同一であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
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