JP2009188037A - 蓄電デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電デバイスの安全性を向上させる。
【解決手段】蓄電デバイス１０は正極１３とこれに対向する負極１４とを備える。正極１３と負極１４との間にはセパレータ１５が設けられる。また、正極外縁１３ｃと負極外縁１４ｃとが２ｍｍ以上離れるように、負極表面１４ｂは正極表面１３ｂよりも広く形成される。これにより、セパレータ１５の外周部にはイオン制限部１５ｂが形成される。矢印Ａで示すように、正極表面１３ｂから負極端面１４ａにリチウムイオンが到達するためには、リチウムイオンがイオン制限部１５ｂを通過する必要がある。しかしながら、幅広のイオン制限部１５ｂによってリチウムイオンの移動経路の抵抗が高く設定されることになる。したがって、大電流充電時に、負極端面１４ａに向かうリチウムイオンの移動を制限することができ、負極端面１４ａに対する金属リチウムの析出を防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電デバイスに適用して有効な技術に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等がある(たとえば、特許文献１参照)。リチウムイオン二次電池の正極には、正極活物質としてコバルト酸リチウム等が含まれている。リチウムイオン二次電池の負極には、負極活物質としてグラファイト等が含まれている。また、リチウムイオンキャパシタの正極には、正極活物質として活性炭が含まれている。リチウムイオンキャパシタの負極には、負極活物質としてＰＡＳ等が含まれている。これらの蓄電デバイスを充放電させる際には、対向する電極間でリチウムイオンが移動することになる。
特開２００６−２８６９１９号公報
ところで、蓄電デバイスの電極間にはセパレータが挟み込まれている。このセパレータにはリチウムイオンの移動経路となる電解液が含浸されている。このため、充放電時にはセパレータに接触する電極表面間でリチウムイオンが移動することになる。しかしながら、充放電電流の大きさによっては、電極端面にリチウムイオンが回り込んでしまう場合がある。
ここで、特許文献１に示されるように、蓄電デバイスの電極端面には金属製の集電体が露出している。したがって、電極端面にリチウムイオンが回り込んだ場合には、リチウムイオンが電極端面の集電体に対して吸着される。このとき、集電体はリチウムイオンを取り込めないため、集電体の露出面から金属リチウムが析出するおそれがある。この金属リチウムの析出は、電極間の短絡を招いて蓄電デバイスの安全性を低下させる要因となる。特に、高出力化が図られるリチウムイオンキャパシタ等においては、電極端面に対するリチウムイオンの回り込みを防止することが重要である。
本発明の目的は、蓄電デバイスの安全性を向上させることにある。
本発明の蓄電デバイスは、正極と、正極表面よりも広い負極表面を備える負極と、対向する前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを有する蓄電デバイスであって、前記セパレータに、前記正極表面と前記負極表面とに接触して前記表面間でのイオン移動を許容するイオン通過部と、前記イオン通過部の外側に位置して前記正極表面から負極端面へのイオン移動を制限するイオン制限部とが形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、正極外縁と負極外縁とは２ｍｍ以上離されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、セパレータ表面は、前記正極表面よりも広く、かつ前記負極表面よりも狭く形成され、セパレータ外縁が、正極外縁よりも外側に、かつ負極外縁よりも内側に配置されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、セパレータ表面は前記正極表面よりも広く形成され、セパレータ外周部に目留め加工が施されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方に接続され、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方にイオンをドーピングするイオン供給源を有することを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極との集電体には貫通孔が形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極とを短絡させたときの正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下であることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記負極に含まれる負極活物質は、前記正極に含まれる正極活物質に比べて活物質の単位重量当たりの静電容量が３倍以上であり、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きいことを特徴とする。
本発明では、セパレータに、正極表面と負極表面とに接触して表面間でのイオン移動を許容するイオン通過部を形成する。また、セパレータに、イオン通過部の外側に位置して正極表面から負極端面へのイオン移動を制限するイオン制限部を形成する。これにより、正極表面から負極端面へのイオン移動を制限することができ、負極端面に対する金属の析出を防止することができる。したがって、蓄電デバイスの安全性を向上させることが可能となる。
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０を示す斜視図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す断面図である。図１および図２に示すように、蓄電デバイス１０が備えるラミネートフィルム１１は外装容器を構成する。ラミネートフィルム１１内には電極積層ユニット１２が収容される。この電極積層ユニット１２は、交互に積層される正極１３と負極１４とにより構成される。正極１３と負極１４との間にはセパレータ１５が設けられる。また、電極積層ユニット１２の最外部には、リチウム極１６が負極１４に対向して配置される。負極１４とリチウム極１６との間にはセパレータ１５が設けられる。これら電極積層ユニット１２とリチウム極１６とにより三極積層ユニット１７が構成される。なお、ラミネートフィルム１１内には、セパレータ１５に浸透させるように電解液が注入される。この電解液はリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒によって構成される。
図３は蓄電デバイス１０の内部構造を部分的に示す断面図である。図３に示すように、正極１３は多数の貫通孔２０ａを備えた正極集電体(集電体)２０を有する。また、正極１３は正極集電体２０に塗工された正極合材層２１を有する。一方、負極１４は多数の貫通孔２２ａを備えた負極集電体(集電体)２２を有する。また、負極１４は負極集電体２２に塗工された負極合材層２３を有する。なお、正極端面１３ａや負極端面１４ａには正極集電体２０や負極集電体２２が露出した状態となる。これは、電極製造時に、長尺の集電体材料に対して合材層を塗工した後に、この集電体材料を所定形状に切断するためである。
複数の正極集電体２０は、互いに接続されるとともに正極端子２４に接続される。複数の負極集電体２２は、互いに接続されるとともに負極端子２５に接続される。正極端子２４と負極端子２５とは、ラミネートフィルム１１から外部に突出した状態となる。また、リチウム極１６は負極集電体２２に接続されたリチウム極集電体２６を有する。リチウム極１６はリチウム極集電体２６に圧着されたリチウムイオン供給源２７を有する。このリチウムイオン供給源２７は負極１４や正極１３へのイオン供給源として機能することになる。なお、リチウムイオン供給源２７としては金属リチウムを薄く延ばした金属リチウム箔が用いられる。
正極１３の正極合材層２１には正極活物質として活性炭が含まれる。この活性炭は、リチウムイオンやアニオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングすることが可能である。また、負極１４の負極合材層２３には負極活物質としてポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)が含まれる。このＰＡＳは、リチウムイオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングすることが可能である。さらに、負極１４とリチウム極１６とは電気的に接続される。これにより、電解液の注入に伴ってリチウム極１６から負極１４にリチウムイオンがドーピングされる。これにより、負極電位を低下させることが可能となり、蓄電デバイス１０のセル電圧を拡大することが可能となる。したがって、蓄電デバイス１０のエネルギー密度を向上させることが可能となる。
また正極集電体２０や負極集電体２２の貫通孔２０ａ，２２ａを通して、リチウムイオンを集電体２０，２２に垂直な方向に移動させることが可能となる。これにより、全ての負極１４に対してスムーズにリチウムイオンをドーピングすることが可能となる。なお、本発明において、ドーピング(ドープ)とは、吸蔵、担持、吸着、挿入等を意味している。すなわち、ドープとは、正極活物質や負極活物質に対してリチウムイオン等が入る状態を意味している。また、脱ドーピング(脱ドープ)とは、放出、脱離等を意味している。すなわち、脱ドープとは、正極活物質や負極活物質からリチウムイオン等が出る状態を意味している。
また、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、正極１３と負極１４とを短絡させた後の正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下となるように、負極１４に対するリチウムイオンのドープ量が設定される。このように、リチウムイオンのドープ量を設定することにより、正極電位が３Ｖ以下となる領域を使用することができる。すなわち、従来の電気二重層キャパシタを放電させたときには、正極電位が約３Ｖまで低下すると、負極電位が約３Ｖまで上昇することになっていた。したがって、従来の電気二重層キャパシタの放電は、正極電位が約３Ｖまで低下した時点で終了することになる。これに対し、蓄電デバイス１０は、負極１４に対するリチウムイオンのドープ量を調整することにより、正極電位が２Ｖ以下となる領域まで放電を継続させるようにしている。このように、正極電位が３Ｖ以下となる領域を使用することができ、蓄電デバイス１０の高容量化を達成することが可能となる。なお、正極電位が３Ｖより上の領域では、正極１３に対するアニオンのドープ・脱ドープによって電位が変化する。また、正極電位が３Ｖ以下の領域では、正極１３に対するリチウムイオンのドープ・脱ドープによって電位が変化する。
また、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が、正極活物質の単位重量当たりの静電容量の３倍以上に設定される。このように、負極活物質の単位重量当たりの静電容量を正極活物質に比べて大きく設定したので、充放電時における負極電位の変化量を抑えられるため、正極１３の電位変化量を大きくすることができる。そして、蓄電デバイス１０においては、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が大きいため、正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きくなるように、正極活物質の充填量を増加させる一方、負極活物質の充填量を減少させている。これにより、蓄電デバイス１０の大型化を抑制しながら、蓄電デバイス１０の静電容量およびセル容量を大きくすることが可能となる。
前述したように、蓄電デバイス１０は、正極活物質として活性炭を有しており、負極活物質としてＰＡＳを有している。このＰＡＳは活性炭よりも抵抗が高いことから、充電時の電流値によっては負極１４のＰＡＳに対するドープ速度が許容値を上回るおそれがある。このような許容速度を超えたリチウムイオンの急速なドープは、正極表面１３ｂから負極端面１４ａへのリチウムイオンの移動を招く要因となる。ここで、負極端面１４ａには負極集電体２２が露出するようになっている。このため、負極端面１４ａに移動するリチウムイオンは、金属製の負極集電体２２に対して電析されることになる。すなわち、許容速度を超えたリチウムイオンの急速なドープは、負極集電体２２から金属リチウムを析出させてしまう要因となっていた。そこで、本発明の蓄電デバイス１０は、金属リチウムの析出を防止するための電極構造を採用している。以下、本発明の蓄電デバイス１０が備える電極構造について説明する。
図４は蓄電デバイス１０を構成する正極１３、負極１４およびセパレータ１５を示す分解斜視図である。なお、図４の一点鎖線Ｌ１はセパレータ１５に正極１３を重ねたときの正極外縁１３ｃの位置を示している。また、図４の二点鎖線Ｌ２はセパレータ１５に負極１４を重ねたときの負極外縁１４ｃの位置を示している。また、図４においては、正極１３や負極１４から伸びる集電体の溶接部を省略して図示している。図４に示すように、負極表面１４ｂは正極表面１３ｂよりも広く形成されている。このため、正極１３と負極１４とを重ねたときには、負極外縁１４ｃが正極外縁１３ｃの外側に位置するようになっている。ここで、金属リチウムの析出を防止する観点から、正極外縁１３ｃと負極外縁１４ｃとの間隔Ｓ１，Ｓ２は２ｍｍ以上に設定されている。また、間隔Ｓ１，Ｓ２が大きすぎるとエネルギー密度が低下するため、蓄電デバイス１０のエネルギー密度の低下を抑える観点から、正極外縁１３ｃと負極外縁１４ｃとの間隔Ｓ１，Ｓ２は１５ｍｍ以下に設定されている。
このように、正極外縁１３ｃと負極外縁１４ｃとが２ｍｍ以上離れるように、負極表面１４ｂは正極表面１３ｂよりも広く形成されている。これにより、イオン制限部１５ｂがセパレータ１５に形成されることになる。そして、イオン制限部１５ｂは、正極表面１３ｂから負極端面１４ａに対するリチウムイオンの移動(イオン移動)を制限するように機能する。ここで、図５はセパレータ１５に形成されるイオン通過部１５ａとイオン制限部１５ｂとを示す説明図である。なお、図４と同様に、図５の一点鎖線Ｌ１はセパレータ１５に重なる正極外縁１３ｃの位置を示している。また、図４と同様に、図５の二点鎖線Ｌ２はセパレータ１５に重なる負極外縁１４ｃの位置を示している。
図５に白抜きで示すように、セパレータ１５には一点鎖線Ｌ１の内側にイオン通過部１５ａが区画されている。このイオン通過部１５ａは正極表面１３ｂと負極表面１４ｂとの双方に接触する部位である。そして、充放電時にはリチウムイオンがイオン通過部１５ａを厚み方向に通過することにより、正極表面１３ｂと負極表面１４ｂとの間でリチウムイオンが移動することになる。また、図５にハッチングで示すように、セパレータ１５には一点鎖線Ｌ１の外側にイオン制限部１５ｂが設けられている。このイオン制限部１５ｂはイオン通過部１５ａの外側に位置する。また、イオン制限部１５ｂは正極表面１３ｂと負極端面１４ａとの間に配置されている。そして、充電時にはイオン制限部１５ｂによって正極表面１３ｂから負極端面１４ａに対するリチウムイオンの移動が制限される。
すなわち、図３の拡大部分に矢印Ａで示すように、正極表面１３ｂから負極端面１４ａにリチウムイオンが到達するためには、リチウムイオンがイオン制限部１５ｂを通過する必要がある。しかしながら、イオン制限部１５ｂは２ｍｍ以上の幅で形成される。これは、セパレータ１５の厚さと比較して、非常に大きい。そのため、リチウムイオンの厚み方向の移動経路の抵抗と比較して、イオン制限部１５ｂでは、リチウムイオンの移動経路の抵抗が大幅に高くなる。したがって、蓄電デバイス１０が大電流で充電された場合であっても、イオン制限部１５ｂによって負極端面１４ａに対するリチウムイオンの移動を制限することが可能となる。これにより、負極端面１４ａの負極集電体２２に対する金属リチウムの析出を防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス１０の安全性や品質を向上させることが可能となる。なお、図３および図５に示した矢印Ａの×印は、この×印が位置するイオン制限部１５ｂにおいてリチウムイオンの移動が遮断されることを意味するものである。
また、前述の説明では、正極外縁１３ｃと負極外縁１４ｃとを２ｍｍ以上離すように、負極表面１４ｂを正極表面１３ｂよりも広く形成している。そして、この構成によって、正極表面１３ｂから負極端面１４ａに対するリチウムイオンの移動を制限している。しかしながら、前述した構成に限られることはなく、他の構造によっても正極表面１３ｂから負極端面１４ａに対するリチウムイオンの移動を制限することが可能である。続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。
図６は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス３０の内部構造を部分的に示す断面図である。図７は蓄電デバイス３０を構成する正極１３、負極１４およびセパレータ３１を示す分解斜視図である。なお、図３および図４に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図４と同様に、図７の一点鎖線Ｌ１はセパレータ３１に重なる正極外縁１３ｃの位置を示している。また、図４と同様に、図７の二点鎖線Ｌ２はセパレータ３１に重なる負極外縁１４ｃの位置を示している。また、図７においては、正極１３や負極１４から伸びる集電体の溶接部を省略して図示している。
図６および図７に示すように、負極表面１４ｂは正極表面１３ｂよりも広く形成されている。このため、正極１３と負極１４とを重ねたときには、負極外縁１４ｃが正極外縁１３ｃの外側に位置するようになっている。また、正極１３と負極１４との間にはセパレータ３１が設けられている。セパレータ表面３１ａは、正極表面１３ｂよりも広く、かつ負極表面１４ｂよりも狭く形成されている。すなわち、セパレータ外縁３１ｂは、正極外縁１３ｃよりも外側に、かつ負極外縁１４ｃよりも内側に配置されている。なお、前述した蓄電デバイス１０のセパレータ１５と同様に、蓄電デバイス３０のセパレータ３１においても、一点鎖線Ｌ１で囲まれた範囲がイオン通過部３１ｃとして機能している。
このように、セパレータ外縁３１ｂは、正極外縁１３ｃよりも外側に、かつ負極外縁１４ｃよりも内側に配置される。これにより、セパレータ外縁３１ｂをイオン制限部として機能させることが可能となる。すなわち、図６の拡大部分に示すように、セパレータ外縁３１ｂが負極端面１４ａに達しない構造である。これにより、負極端面１４ａの近傍に電解液を充満させることがない。したがって、図６に矢印Ｂで示すように、正極表面１３ｂと負極端面１４ａとの間におけるリチウムイオンの移動経路が、セパレータ外縁３１ｂで遮断される。これにより、蓄電デバイス３０が大電流で充電された場合であっても、イオン制限部として機能するセパレータ外縁３１ｂによってリチウムイオンの移動が制限されることになる。このイオン移動の制限により、負極端面１４ａの負極集電体２２に対する金属リチウムの析出を防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス３０の安全性や品質を向上させることが可能となる。なお、図６に示した矢印Ｂの×印は、この×印が位置するセパレータ外縁３１ｂにおいてリチウムイオンの移動が遮断されることを意味するものである。
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図８は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス４０の内部構造を部分的に示す断面図である。なお、図６に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図８に示すように、負極表面１４ｂは正極表面１３ｂよりも広く形成されている。このため、正極１３と負極１４とを重ねたときには、負極外縁１４ｃが正極外縁１３ｃの外側に位置するようになっている。また、正極１３と負極１４との間にはセパレータ４１が設けられている。このセパレータ４１は一辺が開口する袋状に形成され、セパレータ４１内には正極１３が収容されている。セパレータ４１に収容される正極１３の端子部分は、セパレータ４１の開口部から突出している。なお、袋状のセパレータ４１は、セパレータ材を２枚重ね合わせた後に、重ねたセパレータ材の３辺を綴じることによって作製される。また、１枚のセパレータ材を半分に折り返した後に、折り返したセパレータ材の２辺を綴じることにより、袋状のセパレータ４１を作製しても良い。さらに、予め袋状に成型されたセパレータ材を用いて、袋状のセパレータ４１を作製しても良い。
また、セパレータ表面４１ａは、正極表面１３ｂよりも広く、かつ負極表面１４ｂよりも狭く形成されている。すなわち、セパレータ外縁４１ｂは、正極外縁１３ｃよりも外側に、かつ負極外縁１４ｃよりも内側に配置されることになる。なお、前述した蓄電デバイス１０のセパレータ１５と同様に、蓄電デバイス４０のセパレータ４１においても、正極表面１３ｂと負極表面１４ｂの双方に接触する部位がイオン通過部４１ｃとして機能している。
上述したように、セパレータ外縁４１ｂは、正極外縁１３ｃよりも外側に、かつ負極外縁１４ｃよりも内側に配置されている。これにより、セパレータ外縁４１ｂをイオン制限部として機能させることが可能となっている。すなわち、図８の拡大部分に示すように、セパレータ外縁４１ｂが負極端面１４ａに達しない構造であるため、負極端面１４ａの近傍に電解液を充満させることがない。したがって、図８に矢印Ｃで示すように、正極表面１３ｂと負極端面１４ａとの間におけるリチウムイオンの移動経路が、セパレータ外縁４１ｂで遮断される。これにより、蓄電デバイス４０が大電流で充電された場合であっても、イオン制限部として機能するセパレータ外縁４１ｂによってリチウムイオンの移動を制限することが可能となる。このイオン移動の制限により、負極端面１４ａの負極集電体２２に対する金属リチウムの析出を防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス４０の安全性や品質を向上させることが可能となる。しかも、蓄電デバイス４０は、袋状のセパレータ４１を有している。したがって、セパレータ表面４１ａを負極表面１４ｂよりも小さく形成したとしても、正極１３と負極１４との短絡を確実に防止することが可能となる。なお、図８に示した矢印Ｃの×印は、この×印が位置するセパレータ外縁４１ｂにおいてリチウムイオンの移動が遮断されることを意味するものである。
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図９は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス５０の内部構造を部分的に示す断面図である。図１０は蓄電デバイス５０を構成する正極１３、負極１４およびセパレータ５１を示す分解斜視図である。なお、図３および図４に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図４と同様に、図１０の一点鎖線Ｌ１はセパレータ５１に重なる正極外縁１３ｃの位置を示している。また、図４と同様に、図１０の二点鎖線Ｌ２はセパレータ５１に重なる負極外縁１４ｃの位置を示している。また、図１０においては、正極１３や負極１４から伸びる集電体の溶接部を省略して図示している。
図９および図１０に示すように、正極１３と負極１４との間にはセパレータ５１が設けられている。セパレータ表面５１ａは、正極表面１３ｂよりも広く形成されている。また、図１０にハッチングで示すように、セパレータ外周部５１ｂには目留め加工が施されている。この目留め加工とは、セパレータ５１の貫通孔や空隙等を塞ぐことにより、リチウムイオンの移動抵抗を引き上げるための加工である。例えば、セパレータ５１の材料として、紙(セルロース)やガラス繊維等が用いられる場合には、セパレータ外周部５１ｂに樹脂材料を塗ることで目留め加工を行うことができる。なお、セパレータ外周部５１ｂに樹脂材料を塗る方法として、グラビア印刷を用いるようにしても良い。また、セパレータ５１の材料としてポリエチレンやポリプロピレン等の樹脂が用いられる場合には、セパレータ外周部５１ｂに対する加熱処理によって目留め加工を行うことができる。このような目留め加工を施すことにより、セパレータ外周部５１ｂの透気度は、セパレータ５１の他部位の透気度に比べて引き上げられる。なお、前述した蓄電デバイス１０のセパレータ１５と同様に、蓄電デバイス５０のセパレータ５１においても、一点鎖線Ｌ１で囲まれた範囲がイオン通過部５１ｃとして機能している。
図９に示すように、目留め加工が施されたセパレータ外周部５１ｂは、正極表面１３ｂと負極端面１４ａとの間に配置される。これにより、セパレータ外周部５１ｂをイオン制限部として機能させることが可能となる。すなわち、図９に矢印Ｄで示すように、正極表面１３ｂから負極端面１４ａにリチウムイオンが到達するためには、リチウムイオンがセパレータ外周部５１ｂを通過する必要がある。しかしながら、セパレータ外周部５１ｂには目留め加工が施される。これにより、正極表面１３ｂと負極端面１４ａとの間におけるリチウムイオンの移動経路が、セパレータ外周部５１ｂで遮断される。これにより、蓄電デバイス５０が大電流で充電された場合であっても、セパレータ外周部５１ｂにてリチウムイオンの移動を制限することが可能となる。このイオン移動の制限により、負極端面１４ａの負極集電体２２に対する金属リチウムの析出を防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス５０の安全性や品質を向上させることが可能となる。なお、図９に示した矢印Ｄの×印は、この×印が位置するセパレータ外周部５１ｂにおいてリチウムイオンの移動が遮断されることを意味するものである。
以下、前述した蓄電デバイスの構成要素について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］正極、［Ｂ］負極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］リチウム極、［Ｅ］セパレータ、［Ｆ］電解液、［Ｇ］外装容器。
［Ａ］正極
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有している。正極合材層に含まれる正極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を用いることが可能である。
例えば、活性炭は、アルカリ賦活処理され、かつ比表面積６００ｍ２／ｇ以上を有する活性炭粒子から形成することが好ましい。活性炭の原料としては、フェノール樹脂、石油ピッチ、石油コークス、ヤシガラ、石炭系コークス等が使用される。フェノール樹脂や石炭系コークスは比表面積を高くできるという理由から好適である。これらの活性炭のアルカリ賦活処理に使用されるアルカリ活性化剤は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属イオンの塩類または水酸化物が好ましい。中でも、水酸化カリウムが好適である。アルカリ賦活の方法は、例えば、炭化物と活性剤を混合した後、不活性ガス気流中で加熱することにより行う方法が挙げられる。また、活性炭の原材料に予め活性化剤を担持させた後加熱して、炭化および賦活の工程を行う方法が挙げられる。さらに、炭化物を水蒸気などのガス賦活法で賦活した後、アルカリ活性化剤で表面処理する方法も挙げられる。このようなアルカリ賦活処理が施された活性炭は、ボールミル等の既知の粉砕機を用いて粉砕される。活性炭の粒度としては、一般的に使用される広い範囲のものを使用することが可能である。例えば、Ｄ５０が２μｍ以上であり、好ましくは２〜５０μｍ、特に２〜２０μｍが最も好ましい。また、平均細孔径が好ましくは１０ｎｍ以下であり、比表面積が好ましくは６００〜３０００ｍ２／ｇである活性炭が好適である。中でも、８００ｍ２／ｇ以上、特には１３００〜２５００ｍ２／ｇであるのが好適である。
また、正極合材層の高容量化を図るために、正極活物質として五酸化バナジウム(Ｖ２Ｏ５)やコバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２)を用いるようにしても良い。この他にも、ＬｉＸＣｏＯ２、ＬｉＸＮｉＯ２、ＬｉＸＭｎＯ２、ＬｉＸＦｅＯ２等のＬｉＸＭＹＯＺ(ｘ，ｙ，ｚは正の数、Ｍは金属、２種以上の金属でもよい)の一般式で表されうるリチウム含有金属酸化物、あるいはコバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニッケル等の遷移金属酸化物または硫化物を用いることも可能である。特に、高電圧を求める場合には、金属リチウムに対して４Ｖ以上の電位を有するリチウム含有酸化物を用いることが好ましい。例えば、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、あるいはリチウム含有コバルト−ニッケル複合酸化物が特に好適である。
前述した活性炭等の正極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この正極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、正極活物質を含有するスラリーを正極集電体に塗工して乾燥させることにより、正極集電体上に正極合材層が形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダーやポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
［Ｂ］負極
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有している。負極合材層に含まれる負極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、グラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を用いることが可能である。グラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)は高容量化を図ることができるため負極活物質として好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は、高容量化を図ることができるため負極活物質として好適である。このＰＡＳはポリアセン系骨格構造を有する。このＰＡＳの水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)は０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがある。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
前述したＰＡＳ等の負極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この負極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、負極活物質を含有するスラリーを、負極集電体に塗工して乾燥させることにより、負極集電体上に負極合材層が形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダーとしては、例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)等のゴム系バインダーを用いることができる。これらの中でもフッ素系バインダーを用いることが好ましい。このフッ素系バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、エチレン−４フッ化エチレン共重合体、プロピレン−４フッ化エチレン共重合体等が挙げられる。また、負極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
正極集電体および負極集電体としては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適である。例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはない。アニオンやリチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、正極集電体および負極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタに提案されている種々の材料を用いることが可能である。例えば、正極集電体の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。負極集電体の材料として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。
［Ｄ］リチウム極
リチウム極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタの集電体として提案されている種々の材料を用いることが可能である。これらの材料としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、リチウム極集電体として、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等の表裏面を貫く貫通孔を備えているものを使用しても良い。また、リチウム極集電体に貼り付けられるリチウムイオン供給源の材料としては、リチウムイオンを放出することが可能な材料であれば良い。金属リチウム、あるいはリチウム−アルミニウム合金等が利用可能である。
［Ｅ］セパレータ
セパレータとしては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、「紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等」からなる「布、不織布あるいは多孔体」が用いられる。セパレータの厚みは、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。なお、セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましい。
［Ｆ］電解液
電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／Ｌ以上とすることが好ましい。更には、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内とすることが好ましい。
また、有機溶媒に代えてイオン性液体を用いても良い。イオン性液体は各種カチオン種とアニオン種の組み合わせが提案されている。カチオン種としては、例えば、ＮメチルＮプロピルピペリジニウム(ＰＰ１３)、１エチル３メチルイミダゾリウム(ＥＭＩ)、ジエチルメチル２メトキシエチルアンモニウム(ＤＥＭＥ)等が挙げられる。また、アニオン種としては、ビス(フルオロスルフォニル)イミド(ＦＳＩ)、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(ＴＦＳＩ)、ＰＦ６ −、ＢＦ４ −等が挙げられる。
［Ｇ］外装容器
外装容器としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができる。例えば、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良い。また、樹脂等のフィルム材料を使用しても良い。また、外装容器の形状についても特に限定されることはない。円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能である。蓄電デバイスの小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルムを用いたフィルム型の外装容器を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルムが用いられている。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、リチウム極と正極とを接続することにより、正極に対してリチウムイオンをドープするようにしても良い。また、正極と負極とのそれぞれに対してリチウム極を設けたり、ドープ中に正極と負極とを短絡させたりすることにより、正極と負極との双方に対してリチウムイオンをドープしても良い。さらに、積層型の蓄電デバイスだけでなく、捲回型の蓄電デバイスに対して本発明を適用しても良い。
本発明の一実施の形態である蓄電デバイスを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。 蓄電デバイスの内部構造を部分的に示す断面図である。 蓄電デバイスを構成する正極、負極およびセパレータを示す分解斜視図である。 セパレータに形成されるイオン通過部とイオン制限部とを示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を部分的に示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスを構成する正極、負極およびセパレータを示す分解斜視図である。 本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を部分的に示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を部分的に示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスを構成する正極、負極およびセパレータを示す分解斜視図である。
符号の説明
１０ 蓄電デバイス
１３ 正極
１３ａ 正極端面
１３ｂ 正極表面
１３ｃ 正極外縁
１４ 負極
１４ａ 負極端面
１４ｂ 負極表面
１４ｃ 負極外縁
１５ セパレータ
１５ａ イオン通過部
１５ｂ イオン制限部
２７ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
３０ 蓄電デバイス
３１ セパレータ
３１ａ セパレータ表面
３１ｂ セパレータ外縁(イオン制限部)
３１ｃ イオン通過部
４０ 蓄電デバイス
４１ セパレータ
４１ａ セパレータ表面
４１ｂ セパレータ外縁(イオン制限部)
４１ｃ イオン通過部
５０ 蓄電デバイス
５１ セパレータ
５１ａ セパレータ表面
５１ｂ セパレータ外周部(イオン制限部)
５１ｃ イオン通過部

Claims (8)

  1. 正極と、正極表面よりも広い負極表面を備える負極と、対向する前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを有する蓄電デバイスであって、
    前記セパレータに、前記正極表面と前記負極表面とに接触して前記表面間でのイオン移動を許容するイオン通過部と、前記イオン通過部の外側に位置して前記正極表面から負極端面へのイオン移動を制限するイオン制限部とが形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
  2. 請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
    正極外縁と負極外縁とは２ｍｍ以上離されることを特徴とする蓄電デバイス。
  3. 請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
    セパレータ表面は、前記正極表面よりも広く、かつ前記負極表面よりも狭く形成され、
    セパレータ外縁が、正極外縁よりも外側に、かつ負極外縁よりも内側に配置されることを特徴とする蓄電デバイス。
  4. 請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
    セパレータ表面は前記正極表面よりも広く形成され、
    セパレータ外周部に目留め加工が施されることを特徴とする蓄電デバイス。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
    前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方に接続され、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方にイオンをドーピングするイオン供給源を有することを特徴とする蓄電デバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
    前記正極と前記負極との集電体には貫通孔が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
    前記正極と前記負極とを短絡させたときの正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下であることを特徴とする蓄電デバイス。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
    前記負極に含まれる負極活物質は、前記正極に含まれる正極活物質に比べて活物質の単位重量当たりの静電容量が３倍以上であり、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きいことを特徴とする蓄電デバイス。
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