JP2008117861A - セパレータシートおよびこれを用いた蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡便な構造を有するセパレータシートを採用することにより、安価に信頼性の高いキャパシタセルを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明によれば、集電体本体およびこれと一体に形成された引出し電極を有する集電体と、所定の折り返し線上に沿って形成されたスリットを有し、折り返し線上に沿って２つ折り可能なセパレータシートとを備え、セパレータシートが２つ折りにされたとき、集電体本体を覆うように挟み込み、引出し電極をスリット内に挿通させていることを特徴とする蓄電素子を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、セパレータシートおよびこれを用いた蓄電素子に関する。

石油資源の乏しい我が国において、代替エネルギの開発が急務であると叫ばれて久しいが、現在なお有効なエネルギ源が模索されている。一方、化石燃料を燃やした際に生じる二酸化炭素による地球温暖化および大気汚染などの社会問題は昨今いっそう深刻化している。このような状況にあって、太陽光、風力、地熱などのエネルギで得られた電気エネルギを必要なタイミングで有効活用するために、さまざまな蓄電装置及び蓄電システムが提案されている。

こうした蓄電装置の中でも、とりわけ電気二重層キャパシタは、サイクル寿命が長い、急速に充放電が可能、充放電効率が高い、環境にやさしい、などの他の二次電池にはない優れた特性を有する。そのため、電気二重層キャパシタは、メモリおよびマイコンのバックアップ電源としての利用に止まらず、電気自動車あるいはハイブリッド自動車のモータ駆動用電源や風力発電システムの無停電電源などとして、さまざまな分野において現在活用されている。

一般に、電気二重層キャパシタは、基本的な構成要素である複数の電気二重層キャパシタセル（以下単に「キャパシタセル」という）からなり、キャパシタセルの具体的構成が、例えば特許文献１に教示されている。

添付図面を参照しながら、特許文献１に開示されたキャパシタセルについて以下説明する。図５に示すように、特許文献１に記載のキャパシタセル１１は、概略、同数の正極および負極の集電体１３，１４と、これを覆うように挟み込むセパレータシート１５とを備え、セパレータシート１５を介して、正極および負極の集電体１３，１４を交互に積層することにより構成される。

また、正極および負極の集電体１３，１４は、図６（ａ）に示すように、矩形形状を有するアルミニウム箔などの金属箔からなり、集電体本体１６と、集電体本体１６から延び、これと一体に形成された引出し電極（リード部）１７とを有する。集電体本体１６の表面および裏面上には、結着剤を含むペースト状の活性炭（スラリ）を塗布またはスクリーン印刷することにより、分極性電極（斜線で示す領域１６ａ）が積層されている。また正極および負極の集電体１３，１４は、表裏反転させた構造を有する。

一方、特許文献１に記載のセパレータシート１５は、図６（ｂ）に示すように、同様に矩形形状を有するポリイミドやテフロン（登録商標）等の耐久性の高い多孔質膜からなる。また、このセパレータシート１５は、ほぼ中央に折り返し線（図６（ｂ）の一点鎖線）１８が形成されており、矢印で示すように、２つ折りにすることができる。

正極および負極の集電体１３，１４のそれぞれは、図６（ａ）〜（ｃ）および図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、折り返されたセパレータシート１５の間に挟み込まれ、集電体本体１６（分極性電極）が覆われ、引出し電極１７だけがセパレータシート１５から突出するように構成されている。

さらに、セパレータシート１５で挟み込まれた同数の正極および負極の集電体１３，１４を交互に積層し（図５）、同極の集電体１３，１４の引出し電極１７をそれぞれ電気的に接続（並列接続）し、セパレータシート１５に電解液を含浸させて、例えばアルミニウム箔の両面にポリエチレン樹脂層が被膜形成されたラミネートフィルム構造体（図示せず）の中に挿入した後、これを封止することにより、キャパシタセル１１が組み立てられる。

特開２００３−１２４０８０号公報

しかし、上記の一連の組み立て作業を行う通常の製造装置（図示せず）がロータリテーブルを採用して高い量産性を実現することに関連して、集電体１３，１４がセパレータシート１５に対して位置がずれやすいという問題が生じる。すなわち、図８（ａ）において、セパレータシート１５の間に挟み込まれた集電体１３は、ロータリテーブルの半径方向に沿って配置されるため、ロータリテーブルの高速回転に伴う遠心力により、集電体１３がセパレータシート１５から逸脱して露出するおそれがある（図８（ｂ）および（ｃ）の斜線で示す領域）。このとき、露出した集電体１３の表面および裏面上に積層された活性炭が集電体本体１６から欠落し、電解液内を浮遊すると、リーク電流が発生し、自己放電率が著しく低下する（自己放電特性が悪化する）可能性がある。高い量産性を得るためにロータリテーブルの回転速度を上げるほど、集電体１３がセパレータシート１５から露出する傾向はより強くなる。

そこで特許文献１によれば、図８（ｄ）に示すように、折り返し線１８と直交する方向に別の折り曲げ線１９ａ，１９ｂでセパレータシート１５を折り曲げることを提案している。しかしながら、折り曲げ線１９ａ，１９ｂを追加すると、セパレータシート１５の図８（ｄ）のように左右方向の寸法が大きくなり、キャパシタセル１１自体の小型化を阻害することになる。また、折り曲げ線１９ａ，１９ｂで折り曲げられたセパレータシート１５は、取り扱いが煩わしく、上記製造装置の組み立て作業に支障を来すことがある。

そこで本発明は、これらの問題を解消するためになされたもので、簡便な構造を有するセパレータシートを採用することにより、安価で信頼性の高いキャパシタセルを提供することを目的とする。
具体的に、本発明の第１の態様によれば、集電体本体およびこれと一体に形成された引出し電極を有する集電体と、所定の折り返し線上に沿って形成されたスリットを有し、該折り返し線上に沿って２つ折り可能なセパレータシートとを備え、セパレータシートは、２つ折りにされたとき、集電体本体を覆うように挟み込み、引出し電極をスリット内に挿通させていることを特徴とする蓄電素子を提供することができる。

好適には、集電体は、正極および負極の集電体からなり、セパレータシートは、正極および負極の集電体のいずれか一方または両方の集電体本体を挟み込み、引出し電極をスリット内に挿通させ、正極および負極の集電体の集電体本体は、セパレータシートを介して交互に積層されている。

択一的には、集電体は、正極の集電体およびこれより１つ多い数の負極の集電体からなり、セパレータシートは、負極の集電体のみの集電体本体を挟み込み、引出し電極をスリット内に挿通させ、正極および負極の集電体の集電体本体は、セパレータシートを介して交互に積層されている。

集電体本体は少なくとも１つの直線的な辺を有し、集電体本体の辺がセパレータシートの所定の折り返し線に位置合わせされていることが好ましい。さらに好適には、所定の折り返し線に沿ったスリットの長さは、これを挿通する引出し電極の幅とほぼ等しくなるように設計されている。

また、本発明の第２の態様によれば、所定の折り返し線上に沿って形成されたスリットを有し、折り返し線上に沿って２つ折り可能なセパレータシートを提供することができる。

また、このセパレータシートは、２つ折りにされたとき、蓄電素子の集電体本体を覆うように挟み込み、集電体本体から延びる引出し電極をスリット内に挿通させてなる。

本発明によれば、簡便な構造を有するセパレータシートを採用することにより、安価に信頼性の高いキャパシタセルを実現することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係るセパレータシート、およびこれを用いた蓄電素子の好適な実施形態を説明する。なお、セパレータシートを用いた蓄電素子として、電気二重層キャパシタセル（キャパシタセル）を用いて説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、セパレータシートを用いる任意の蓄電素子に適用することができる。
また、実施の形態の説明において、図面を参照した発明の理解を容易にするために、必要に応じて、例えば「上」、「下」、「左」、「右」又はそれらの用語を含む別の用語を用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

［第１の実施形態］
図１〜図４を参照しながら、本発明に係るキャパシタセルの第１の実施形態について以下に説明する。第１の実施形態によるキャパシタセル１は、図１に示すように、概略、少なくとも１つの（好適には図示のように複数の）正極および負極の集電体３，４と、これを覆うように挟み込むセパレータシート５とを備え、セパレータシート５を介して、正極および負極の集電体３，４を交互に積層することにより構成される。

正極の集電体３は、図２（ａ）に示すように、矩形形状を有するアルミニウム箔などの金属箔からなり、集電体本体６と、集電体本体６から延び、これと一体に形成された引出し電極（リード部）７とを有する。集電体本体６の表面および裏面上には、結着剤を含むペースト状の活性炭（スラリ）を塗布またはスクリーン印刷することにより、分極性電極（斜線で示す領域）が積層されている。負極の集電体４は、同様に構成されるが、正極の集電体３を表裏反転させた構造を有する。すなわち、正極の集電体３が左右中央よりも左側に偏った位置に配置された引出し電極７を有するのに対し（図２（ａ））、負極の集電体４の引出し電極７は左右中央より右側に偏った位置に配置される（図示せず）。

一方、本発明に係るセパレータシート５は、図２（ｂ）に示すように、同様に矩形形状を有するポリイミドやテフロン（登録商標）等の耐久性の高い多孔質膜からなり、ほぼ上下中央にある折り返し線（図２（ｂ）の一点鎖線）８に沿って形成されたスリット９を有する。また、このセパレータシート５は、矢印で示すように、この折り返し線８で２つ折りにすることができる。

正極および負極の集電体３，４のそれぞれは、図２（ａ）に示すように、引出し電極７を設けた直線的な辺６ａがセパレータシート５の折り返し線８と位置合わせされ、集電体本体６（分極性電極）が覆われ、さらに引出し電極７がセパレータシート５のスリット９を挿通するように、折り返されたセパレータシート５の間に挟み込まれる（図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）参照）。
このように、セパレータシート５のスリット９および集電体３，４の引出し電極７は、規制部材（位置合わせ部材）として機能し、図２（ｃ）における左右方向の位置ずれを防止し、集電体本体６上の分極性電極がセパレータシート５から露出することを回避することができる。

引出し電極７の左右方向の幅Ｌ_１（図２（ａ））は、セパレータシート５のスリット９の折り返し線８に沿ったスリット９の長さＬ_２（図２（ｂ））とほぼ等しくなるように設計される。あるいは、集電体本体６がセパレータシート５から露出しない程度にスリット９の長さＬ_２を引出し電極７の幅Ｌ_１より若干大きく形成して、引出し電極７をスリット９に挿入する際の作業性を向上させてもよい。

さらに、セパレータシート５で挟み込まれた正極および負極の集電体３，４を交互に積層し、正極および負極の集電体３，４の引出し電極７をそれぞれ電気的に接続し、セパレータシート５に電解液を含浸させて、例えばアルミニウム箔の両面にポリエチレン樹脂層が被膜形成されたラミネートフィルム構造体（図示せず）の中に挿入した後、これを封止する。こうして、本発明のキャパシタセル１が構成される。

以上のように、本発明によれば、引出し電極７およびスリット９が図２（ｃ）の左右方向の位置ずれを防止し、集電体本体６（分極性電極）がセパレータシート５から露出することを回避することができるので、集電体３，４の表面および裏面上に積層された活性炭が集電体本体６から欠落し、電解液内を浮遊して、リーク電流の発生を防止することができる。すなわち本発明によれば、極めて簡便な構成を有するセパレータシート５のスリット９に集電体３，４の引出し電極７を挿通させることにより、自己放電率が低下しない信頼性の高いキャパシタセル１を実現することができる。同様に、本発明によれば、集電体本体６がセパレータシート５から露出することを防止できるので、製造装置のロータリテーブルの回転速度を上げて、生産収量を向上させ、生産コストを低減することができる。

ところで、一般的なキャパシタセルにおいて、最も外側に配置された集電体が正極の集電体である場合、充放電を繰り返すうちに、正極の集電体とラミネートフィルム構造体の間に介在するセパレータシートが炭化し得ることが分かってきた。その結果、炭化したセパレータシートが電解液中を浮遊して、リーク電流を生じるために、自己放電率が低下し、キャパシタセルの信頼性を損なう虞がある。

これを未然に防止するために、本発明のキャパシタセル１は、好適にも、負極の集電体４が正極の集電体３よりも１つ数多く、最も外側に配置されるように構成されている。こうして、負極の集電体４とラミネートフィルム構造体の間に介在するセパレータシート５を炭化させることなく、自己放電率を高く維持し、さらに信頼性の高いキャパシタセル１を実現することができる。

［第２の実施形態］
図４を参照しながら、本発明に係るキャパシタセル第２の実施形態について以下説明する。第２の実施形態に係るキャパシタセルは、負極の集電体４のみの集電体本体６をセパレータシート５により挟み込み、引出し電極７をスリット９内に挿通させる点を除いて、第１の実施形態と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、第１の実施形態と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

上述のように、図４のキャパシタセル２は、第１の実施形態と同様、正極および負極の集電体３，４を有するが、負極の集電体４が正極の集電体３よりも１つ多く積層され、かつ負極の集電体４だけが、その集電体本体６がセパレータシート５で挟み込まれ、引出し電極７がスリット９に挿通されるように構成されている。すなわち、正極の集電体３は、負極の集電体４を挟み込むセパレータシート５を介して、負極の集電体４上に積層されている。

このように、第１の実施形態によるキャパシタセル１を二重セパレータ方式、第２の実施形態によるキャパシタセル２を一重セパレータ方式と位置付けることができ、一重セパレータ方式のキャパシタセル２は、二重セパレータ方式のキャパシタセル１に比して、セパレータの数を減らし（部品点数を削減し）、正極の集電体３をセパレータシート５で挟む製造ステップを省略できるので、より安価に製造することができる。

本発明に係る第１の実施形態による電気二重層キャパシタセルの概略的な構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の電気二重層キャパシタセルに用いられる集電体、セパレータシート、およびこれらをアセンブリした後の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の電気二重層キャパシタセルに用いられる集電体、セパレータシート、およびこれらをアセンブリした後の斜視図である。 本発明に係る第２の実施形態による電気二重層キャパシタセルの概略的な構成を示す図である。 従来技術による電気二重層キャパシタセルの概略的な構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図５の電気二重層キャパシタセルに用いられる集電体、セパレータシート、およびこれらをアセンブリした後の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図５の電気二重層キャパシタセルに用いられる集電体、セパレータシート、およびこれらをアセンブリした後の斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図５電気二重層キャパシタセルにおいて、セパレータシートに対する集電体の位置ずれがない状態、位置ずれが生じた状態、およびこれを対処するための従来技術による解決手段を示す平面図である。

符号の説明

１，２ 電気二重層キャパシタセル（蓄電素子）
３，４ 集電体、
５ セパレータシート
６ 集電体本体
７ 引出し電極（リード部）
８ 折り返し線
９ スリット

Claims (7)

1. 集電体本体およびこれと一体に形成された引出し電極を有する集電体と、
   所定の折り返し線上に沿って形成されたスリットを有し、該折り返し線上に沿って２つ折り可能なセパレータシートとを備え、
   前記セパレータシートは、２つ折りにされたとき、前記集電体本体を覆うように挟み込み、前記引出し電極を前記スリット内に挿通させていることを特徴とする蓄電素子。
2. 前記集電体は、正極および負極の集電体からなり、
   前記セパレータシートは、前記正極および負極の集電体のいずれか一方または両方の前記集電体本体を挟み込み、前記引出し電極を前記スリット内に挿通させ、
   前記正極および負極の集電体の前記集電体本体は、前記セパレータシートを介して交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記集電体は、正極の集電体およびこれより１つ多い数の負極の集電体からなり、
   前記セパレータシートは、前記負極の集電体のみの前記集電体本体を挟み込み、前記引出し電極を前記スリット内に挿通させ、
   前記正極および負極の集電体の前記集電体本体は、前記セパレータシートを介して交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
4. 前記集電体本体は少なくとも１つの直線的な辺を有し、
   前記集電体本体の辺が前記セパレータシートの所定の折り返し線に位置合わせされていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
5. 所定の折り返し線に沿った前記スリットの長さは、これを挿通する前記引出し電極の幅とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
6. 所定の折り返し線上に沿って形成されたスリットを有し、該折り返し線上に沿って２つ折り可能なセパレータシート。
7. ２つ折りにされたとき、蓄電素子の集電体本体を覆うように挟み込み、該集電体本体から延びる引出し電極を前記スリット内に挿通させてなることを特徴とする請求項６に記載のセパレータシート。

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