JP2009503840A - 多層電気化学エネルギー貯蔵装置およびその製造方法 - Google Patents

多層電気化学エネルギー貯蔵装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

1つまたは複数のセルを含むエネルギー貯蔵装置であって、各セルが1対の電極とその間に配置されたセパレータとによって画定され、各セルが2つの集電板によって境界を画され、前記セパレータの幾何学的形状およびサイズが、前記集電板の形状およびサイズと同じであり、各セルにおいて、一方の電極が前記2つの集電板の一方にプリントされ、他方の電極がセパレータの片面にプリントされ、2つの電極が前記セパレータによって電気的に絶縁され、セパレータ上にプリントされた電極を取り囲む、セパレータの周辺領域が封止される、エネルギー貯蔵装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エネルギー貯蔵装置に関し、詳細には、多層電気化学エネルギー貯蔵装置およびそれを製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、プリント可能な電極を備える多層電気化学キャパシタまたは電池を製造する方法に関する。
単一セルのエネルギー貯蔵装置は一般に、2つの導電板(以下、集電板(current collector))と、その間に配置された電気絶縁層(誘電体、以下、セパレータ)とで構成される。電極は一般に、集電板とセパレータの間に配置され、その中に含まれる液体電解質(例えば硫酸)は、電荷蓄積インタフェース(charge accumulation interface)として使用される。
電気化学エネルギー貯蔵装置(例えば、一次電池または二次電池、燃料電池などの電気化学セル)は一般に、電極を調製するために使用される電解質のタイプに応じて、2つの異なるカテゴリに分けられ、水性電解質溶液または有機電解質溶液のいずれかのタイプとすることができる。前者のタイプは、セル当たり最高1.2ボルトを生成することができ、後者のタイプは、典型的にはセル当たり約2.5〜4.0ボルトを生成する。電気化学エネルギー貯蔵装置の動作電圧は、当技術分野でバイポーラセル(bipolar cell)(例えばバイポーラキャパシタ(bipolar capacitor))として知られている構成を得るには、複数の上述した個別のセルを直列に組み立てることによって、増大させればよい。
米国特許第6,212,062号は、炭素電極がセルの集電板上に配置された多層キャパシタセルの構造を開示している。
国際公開WO03/071,563号は、2層の電気化学セルから成る電気化学エネルギー貯蔵装置およびその製造方法について記述している。この電気化学エネルギー貯蔵装置では、電極がセルの集電板上にプリントされ、その間に分離媒体が配置され、集電板上の非プリント領域に対応する(すなわち、プリント電極を含む領域に相補的な)領域内の前記分離媒体の細孔が、接着剤または他のポリマーの層によってふさがれる。
これらの方法によれば、エネルギー貯蔵セルのスタックで構成されたバイポーラエネルギー貯蔵装置(bipoar energy storage device)の構造は、スタック内の各内部集電板の両面上の電極と、2つの外部集電板(スタックの上部および下部に配置された集電板)の内面と接触する1つの電極とを設けたものである。この電極構成は、バイポーラエネルギー貯蔵装置の各内部集電板の両面上に2つの電極が設けられたものであるため、この構造では扱いにくい。さらに、そのようなセルスタックの封止および実装は簡単な作業ではない上、それらの多層構造の幅は比較的大きい。
本発明の一目的は、電極が各集電板の片面にプリントされうる簡略化された多層エネルギー貯蔵装置構造を提供することである。
本発明の他の目的は、多層スタックをベースとするバイポーラエネルギー貯蔵装置を製造するための改善されたプロセスを提供することである。
本発明の他の目的は、個々のエネルギー貯蔵装置をはさみまたはナイフあるいは他の機械的手段で容易に切り取ることができる、複数のエネルギー貯蔵装置スタックを製造する方法を提供することである。
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかになるであろう。
「セパレータ」または「分離媒体」という用語は、本明細書では、電気化学セル内の電極を電気的に分離するために一般的に使用されているすべての薄い多孔質フィルムまたは膜を表現するために、同義で用いられる。次に、セパレータの周辺領域内の細孔を封止して、セパレータ上に所望のパターンに従って1つまたは複数の非封止領域を形成し、次いで、セパレータの前記1つまたは複数の非封止領域上に電極を直接プリントすることが可能であることが見出されている。得られた構造、すなわち、各電極がセパレータの封止領域によって取り囲まれるように1つまたは複数の電極がプリントされたセパレータは、とりわけバイポーラ電気化学キャパシタ(bi-polar electrochemical capacitor)として働くことができる多層構造の調製に効果的に使用されうる。
したがって、本発明は、1つまたは複数のセルを含むエネルギー貯蔵装置であって、各セルが1対の電極とその間に配置されたセパレータとによって画定され、各セルが2つの集電板によって境界を画され、前記セパレータの幾何学的形状およびサイズが、前記集電板の形状およびサイズと同じであり、各セルにおいて、一方の電極が前記2つの集電板の一方にプリントされ、他方の電極がセパレータの片面にプリントされ、2つの電極が前記セパレータによって電気的に絶縁され、セパレータ上にプリントされた電極を取り囲む、セパレータの周辺領域が封止される、エネルギー貯蔵装置を提供する。
「封止される(sealed)」という用語は、領域が電極内に含まれる電解質に対して非透過性であることを示すために用いられ、セパレータ上にプリントされた電極を取り囲む封止領域は、電極からセルの周辺領域への電解質の浸透を阻止する。好ましい一実施形態によれば、セパレータ上にプリントされた電極を取り囲む、セパレータの封止される周辺領域が、非導電性材料、好ましくは接着剤で含浸され、それが前記領域内のセパレータの細孔をふさぎ、集電板にセパレータを取り付けることも可能になる。
エネルギー貯蔵装置内のセルの数は、以下にnと示されることがあり、1以上の整数であり、好ましくは2〜100であり、より好ましくは3〜20であり、最も好ましくは3〜10である。本発明のエネルギー貯蔵装置が複数のセルを含む場合、前記セルは、隣接するセルが同じ集電板を共有した状態で、スタック構造の形で電気的に直列接続される。したがって、この構成では、集電板の数はn+1に等しく、そのうちの2つを外部集電板と称する場合がある。外部集電板は、組成および厚みが、内部に配置された集電板と異なっていてもよく、かつは相互に異なっていてもよい。
現在、各セル内に配置された2つの電極の一方が、セパレータの表面上に直接プリントされうることを考慮して、上述した構成(例えばバイポーラ電気化学キャパシタ)を有するエネルギー貯蔵装置の構造を大幅に簡略化することが可能になってきている。したがって、本発明は、上述したように、それぞれがn個のセルを含む1つまたは複数のエネルギー貯蔵装置を備える多層構造を調製する方法も対象としており、その方法は、
n+1個の集電板およびn個のセパレータを用意すること、前記n個のセパレータそれぞれの周辺領域内の細孔を封止すること、それによって、前記セパレータそれぞれに1つまたは複数の分離した非封止領域を形成すること、前記セパレータそれぞれの前記1つまたは複数の非封止領域上に電極をプリントすること、n+1個の集電板から選択されたn個の集電板それぞれの片側に1つまたは複数の電極をプリントして、前記n個の集電板それぞれの片面だけが、その上に堆積された電極を有するようにすること、および、前記n+1個の集電板と前記n個のセパレータとを交互に配置して多層構造を形成することを含む。この多層構造では、電極が堆積されていない集電板は、最も簡単に外部から配置される。
n個のセパレータそれぞれにプリントされた分離した電極領域は、数量、サイズ、形状および位置に関して、n個の集電板それぞれにプリントされた電極に対応し、従って前記多層構造が前記電極の並置によって構成されることが最も好ましい。
封止することは、前記n個のセパレータそれぞれの片面上に非導電性材料を塗布し、従って、前記非導電性材料が、その周辺領域内の前記セパレータの細孔を封止し、それによって1つまたは複数の非封止領域が、前記セパレータに形成されることによって達成されることが最も好ましい。上記で説明したとおり、電極は、セパレータのこれらの非封止領域の上にプリントされる。
上述の方法によって得られた多層構造は、典型的には直方体形状を有する空間体である。この空間体の高さは、垂直配向層の数(n+1個の集電板およびn個のセパレータ)によって決定される。多層構造から分離されうる個々のエネルギー貯蔵装置の数は、n個の集電板の表面上に分散された分離した電極の数と、セパレータの表面上にプリントされた分離した電極の対応する数とに依存する。したがって、複数の個々のエネルギー貯蔵装置は、そのそれぞれがn個の垂直配向セルを含むものであり、はさみ、カッター、ナイフ、または他の機械的手段によって、多層構造から普通に分離することができる。
方法は、最初に各セパレータを支持体上に取り付けてから、その上に封止およびプリントを行い、その支持体は、多層構造内に前記セパレータを配置した後でセパレータから取り外されることをさらに含むことが好ましい。
方法は、プリントされた電極から余分な電解質を除去するステップをさらに含むことができ、前記除去は、好ましくは、電極を乾燥させること、および/または、電極から前記余分な電解質を、電極上に置かれた吸収剤を用いて吸収することによって達成される。プリントされた電極から余分な電解質を吸収するのを容易にするために、わずかな圧力を加えることができる。
本明細書で用いられている「プリントする(printing)」、「プリントされる(printed)」などの用語は、限定するものではないが、スクリーンプリント、ステンシルプリント、インクジェットプリント、ペースト状材料またはインク状材料を基板上に転写する他の形態などの既知のプリント技術を意味する。
本発明は、多層エネルギー貯蔵装置およびその製造方法を対象とする。より詳細には、本発明は、n+1個の集電板とその間に配置されたn個のセパレータとのスタックで構成されたバイポーラキャパシタであって、スタックのn個の集電板とn個のセパレータ(nは1以上の整数)に電極が取り付けられている、バイポーラキャパシタを対象とする。
本発明に従って使用されるべき集電板は、電極に含まれる水性電解質に対して化学的に不活性である導電材料で製作される。集電板には、アルミ箔、めっき金属、保護酸化物でコーティングされた金属などの金属箔の形で設けることができる。あるいは、集電板は、カーボンブラック粒子、黒鉛粒子、金属粒子、めっき金属粒子などの導電性粒子が詰め込まれた、ポリエチレンやポリテトラフルオロエチレン(テフロン（登録商標）)などのポリマーシートまたはコポリマーシート、ゴム、あるいはPVC(ポリ塩化ビニル)である。他の実施形態では、集電板は、適切なポリマーと金属箔と炭素または黒鉛とが交互に重なった層、あるいは類似の組合せを含む多層構造を有する。集電板の厚みは、10μm〜150μmであることが好ましい。
外部集電板(多層構造における最上部および最下部の集電板)は、少なくとも1つの耐食層(例えば、炭素および/または適切な導電性ポリマー組成物)によって覆われた金属箔で製作されることが好ましい。金属箔の表面は、(例えば、金属堆積、スパッタリング、電子堆積、あるいは機械的ラフニングまたは化学的エッチングによって)粗くされることが好ましい。「粗面」という用語は、金属箔とそれに付着された耐食層との間の接触を最大にするためのものである、表面の小さな凹凸による粗さを示すために、本明細書を通じて用いられる。内部集電板は、上述のように、金属とすることができ、あるいはポリマーでコーティングされたポリマーシートまたは金属シートで製作することができる。
電極は、炭素、黒鉛、炭素ナノ粒子、フラーレン、中空黒鉛チューブ、金属粒子、金属酸化物および/または金属塩の粒子、導電性ポリマー、キノンおよびその誘導体、ケトン化合物、多価酸化化合物(multivalent oxidation compound)、粘土、インターカレーション化合物(intercelation compound)、セラミック酸化物、それらの混合物などを含むことができる。電極は、水性電解質(酸性、アルカリ性、または中性)、結着剤(有機または無機)、および他の添加物を含有することができる。電極は、箔、布または高密度粉末構造の形をとることができる。
図3Aは、図1A〜1Cおよび2A〜2Dにも概略的に示したように、本発明のバイポーラキャパシタの集電板およびセパレータを調製する予備ステップを示すフローチャートである。プロセスは、n個のセパレータ15がn個のライナ5上に取り付けられる(図2A)ステップ30で始まる。セパレータ15は、透過性膜(例えば、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、オレフィン、ポリフッ化ビニリデン(カイナー(Kynar)(登録商標)として市販されている)で形成されうる。最も好ましくは、セパレータは、多孔質フィルムで形成される。例えば、好ましい一実施形態によれば、取り付けられたセパレータ3は、25ミクロン厚のテフロン（登録商標）系材料から調製され、150ミクロン厚のシリコンライナ上に従来の積層技術を用いて取り付けられる。プロセスのその後のステップの間にセパレータの折重なりおよび/または崩壊が発生しないようにするために、ライナ上にセパレータ媒体15を取り付ける必要がある。
次に、ステップ31では、取り付けられたセパレータ3は、セパレータ15がライナ5と接着剤層16との間に挟まれるように、接着剤層16でコーティングされる。接着剤層16は、取り付けられたセパレータ3の周辺領域を接着剤で完全に覆うとともに、セパレータ領域7にアクセスできるようにする接着剤のない領域17を残すために、テンプレート(図示せず)を介して付着されることが好ましい(図2B)。このようにして、接着剤層16が付着されたセパレータ媒体15の領域の細孔は、接着剤でふさがれる。
このステップは、国際公開WO03/071,563号に記載されているように、プリント技術を利用して実施されうる。セパレータ15をコーティングするために使用される接着剤は、一種の溶剤系感圧接着剤、UV系感圧接着剤、UV系加熱活性化接着剤(UV based heat activated adhesive)、溶剤系加熱活性化感圧接着剤、溶融感圧接着剤(molten pressure sensitive adhesive)、溶融加熱活性化接着剤、または接着特性を有する他のポリマーとすることができる。例えば、接着剤は、コーツ(Coates)によって製造されたC-70とすることができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、7行8列の(例えば長方形の)約6〜100mm2の接着剤のない領域17を設けるために、15〜30ミクロン厚の接着剤層が、スクリーンプリントを用いて適切なテンプレートを介して、120×105mmの取り付けられたセパレータ3に塗布される。次いで、コーティング済みセパレータ4の接着溶剤を乾燥させる。乾燥は、例えば、それを一般的な熱乾燥トンネルに通すか、あるいは室温または高温で静的乾燥プロセスや対流乾燥プロセスなどの他の乾燥プロセスによって行うことができる。ステップ31は、コーティング済みセパレータ4上により厚い接着剤層16を実現するために、追加の接着剤層が必要とされる場合、繰り返すことができる。
ステップ32では、水性ポリマー18(図2C)が、コーティング済みセパレータ4の接着剤のない領域17に塗布される。水性ポリマー18は、最終製品の貯蔵寿命を延ばすことができる。水性ポリマー18は、PVA(ポリビニルアルコール)、PAA(ポリアクリル酸)、PEO(ポリエチレンオキシド)、PEI(ポリエチレンイミド)、イミダゾールなどのシングルブレンドまたはマルチブレンドの水性ポリマー、あるいは他の水性ポリマーまたはコポリマーとすることができる。水溶性ポリマーを保持するために使用される媒体は、界面活性剤や増粘剤などの有機添加剤または無機添加剤をさらに含むことができる。このステップで使用される溶液は、水性のものまたは水と有機溶液の組成物とすることができ、あるいはエタノール、イソプロパノール、その組合せなどの有機溶液とすることもできる。水性ポリマー18は、スクリーンプリントによって塗布することができる。好ましくは、10〜30ミクロン厚の水性ポリマー18の層が、接着剤のない領域17内にプリントされ、それによって、アクセス可能なセパレータ領域7の細孔をふさぐ。必要に応じて、塗布された水性ポリマー18は、例えば、それを一般的な熱乾燥トンネルに通すか、あるいは室温または高温で静的乾燥プロセスや対流乾燥プロセスなどの他の乾燥プロセスによって乾燥させる。このステップ(32)は、追加のポリマー組成物18をアクセス可能なセパレータ領域7の細孔内に供給するために、必要に応じて繰り返すことができる。
次に、またはステップ30〜32と同時に、ステップ33では、各集電板10の片側の面9が、接着剤層11によってコーティングされる(図1Aおよび1B)。接着剤層11は、集電板10の周辺領域を接着剤で完全に覆うとともに、集電板領域2がそれを通じてアクセスすることができる接着剤のない領域12を残すために、テンプレート(図示せず)を介して塗布されることが好ましい(図1B)。コーティング済み集電板6の接着剤のない領域12の位置および面積は、コーティング済みセパレータ4の接着剤のない領域17の位置および面積に実質的に対応する。
同様に、このステップは、一般的なプリント技術を利用して実施されうる。集電板10をコーティングするために使用される接着剤は、一種の溶剤系感圧接着剤、UV系感圧接着剤、UV系加熱活性化接着剤、溶剤系加熱活性化感圧接着剤、溶融感圧接着剤、溶融加熱活性化接着剤、または接着特性を有する他のポリマーとすることができる。例えば、接着剤は、コーツによるC-70とすることができる。
セパレータ媒体15および集電板10は、実質的に同じ空間寸法である。
例えば、本発明の好ましい一実施形態では、外部集電板は、4〜100ミクロンの金属箔で製造される。
各外部集電板は、別の材料で製造することができ、外部集電板の一方または両方の幅は、内部集電板の幅よりも厚くすることができる。別法としてまたは追加として、上述したような任意の適当な導電材料で製造された外部集電板の少なくとも一方の内面(すなわち、セパレータ媒体と向き合う面)は、その表面を電解質の浸透に対してより耐水性を持たせるために、1つまたは複数の材料で覆うことができる。例えば、外部集電板の内面は、非金属であるが導電性のポリマー材料(例えば、バイトロン(Baytron)(登録商標))または酸化チタンで覆うことができる。
内部集電板(例えば、図4内の45-2)は、炭素およびポリマー板、または適切な耐腐食性金属箔で製造されうる。外部集電板は、1つまたは複数の厚みが30〜150ミクロンの耐食層(炭素および/または適切なポリマー組成物で製作される)で覆われた、銅、ニッケルまたはニッケル被覆銅(市販されている)で製作された約6〜20ミクロン厚の金属箔の形をとることが最も好ましく、約100ミクロン厚の層が、前記箔に塗布されることが好ましい。耐食層は、耐食導電性接着剤層(例えば5〜40ミクロン)によって金属箔に付着されうる。金属箔の表面は、耐食層と金属箔の表面との間の接触を最大にするために、粗くされることが好ましい。金属箔表面のラフニングは、例えば、金属堆積、スパッタリング、電子堆積、あるいは機械的ラフニングまたは化学的エッチングによって得ることができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、15〜30ミクロン厚の接着剤層が、12行12列の(例えば長方形の)約10×10mmの接着剤のない領域12を設けるために、スクリーンプリントを用いて適切なテンプレートを介して、約30〜70ミクロンの厚みを有する約10.5×15mmの集電板10に塗布される。次いで、コーティング済み集電板6の接着溶剤を乾燥させる。乾燥は、例えば、それを一般的な熱乾燥トンネルに通すか、あるいは室温または高温で静的乾燥プロセスや対流乾燥プロセスなどの他の乾燥プロセスによって行うことができる。このステップ(33)は、コーティング済み集電板6上により厚い接着剤層11を実現するために、追加の接着剤層が必要とされる場合、繰り返すことができる。
図3Bは、図4にも示されている、本発明によるエネルギー貯蔵装置を構成するステップを示すフローチャートである。ステップ34では、スタックの第1の層が配置され、外部集電板であるスタックの最下層45-1(図4)が、そのコーティング面9が上方を向くように配置される。ステップ35では、電極19(図2D)が、コーティング済みセパレータ4の接着剤のない領域17に塗布される。電極19は、従来の適切な電極組成物、例えば、国際公開WO03/071,563号に記載されている炭素系組成物(水性電解質を含有する)を利用して調製することができ、それらは、スクリーンプリント技法、またはステンシル技法などの他の技法を用いて、適切なメッシュNo.40〜200(例えば、限定するものではないが、ステンレス鋼メッシュ、コーティング済みステンレス鋼メッシュ、ポリエステルメッシュなど)を介して塗布されることが好ましい。そのようなメッシュは、当業者には知られているように、適切な感光乳剤または他のマスキング技法を用いて現像することができる。
セパレータ層46の調製は、コーティング済みセパレータ4に電極19を塗布して完了する。ステップ36では、ブロッティングまたは他の乾燥プロセスが(選択的に)行われ、電極が圧縮され、余分な電解質が吸収材料によって吸収される。例えば、ブロッティング材料(図示せず)が電極19の上に置かれ、ブロッティング材料に吸収された余分な電解質を除去するために、ブロット法によって圧力が加えられる。次いで、ブロッティング材料は、電極19から除去され、廃棄される。ステップ37では、セパレータ(例えば、第1のセル48-1のセパレータ46-1)は、電極19を含む面が、以前に配置された集電板(例えば45-1)の上側を覆うように、スタック上に配置される。次いで、セパレータ46は、集電板45に、例えばそれらを高温高圧で、あるいは部分真空または完全真空で一体に溶接することによって取り付けられる。溶接は、層の熱溶接(heat welding)、またはインパルス熱溶接(impulse heat welding)、あるいは他の溶接技術によって行うことができる。セパレータ46を集電板45に取り付けた後、ライナ5は、セパレータの上側から除去される。
ステップ38では、前のステップ(37)で最後のセパレータ層(46-n)がスタック内に配置されたと判断されると、プロセスは、ステップ42〜44を実行することによって終了する。ステップ42では、電極13(図1C)が、コーティング済み集電板6の接着剤のない領域12に塗布される。電極13は、電極19と同じ成分を含むことが好ましく、ステップ35と同様に適切なメッシュを介して塗布されることが好ましい。最上位(外部)の集電板45-(n+1)の調製は、上記ステップ36と同様に、(オプションの)ブロッティング(または乾燥)ステップ43を行い、余分な電解質が圧力を受けてブロッティング材料に吸収されて(図示せず)、完了する。最後にステップ44で、最上位の集電板45-(n+1)は、電極13を含む最上位の集電板45-(n+1)の面が、以前に配置されたセパレータ層46-nの上側を覆うように、スタックの最後のセパレータ層46-n上に配置される。
次いで、最上位の集電板45-(n+1)は、以前に配置されたセパレータ層46-nに、例えばそれらを高温高圧で、部分真空または完全真空で一体に溶接することによって取り付けられる。溶接は、層の熱溶接、またはインパルス熱溶接、あるいは他の溶接技術によって行うことができる。
ステップ38において、追加のセル層がスタックに付加されるべきであると判断された場合、ステップ39〜41において、内部集電板が調製され配置され、次いで、制御をステップ35に移すことによって、新しいセルが付加される。内部集電板(例えば45-2)の調製は、電極13をコーティング済み集電板6の接着剤のない領域12に塗布すること(ステップ39)、(オプションの)ブロッティングまたは乾燥ステップ40で余分な電解質を除去すること、および、ステップ41において、内部集電板を以前に配置されたセパレータ(例えば46-1)に接続して、電極13を含む集電板の面が以前に配置されたセパレータ層の上側を覆うようにすることを含む。次いで、内部集電板は、以前に配置されたセパレータ層に、例えばそれらを高温高圧で、部分真空または完全真空で一体に溶接することによって取り付けられる。溶接は、層の熱溶接、またはインパルス熱溶接、あるいは他の溶接技術によって行うことができる。
図5は、多数のエネルギー貯蔵装置50を備えるスタック55の多層構造を示す。この実施例では、各エネルギー貯蔵装置50は、5個のセル(n=5)、48-1、48-2、〜、48-5で構成される。かかるスタック55の幅wは、約50〜90ミクロンのグルー層でコーティングされた10〜30ミクロン厚のセパレータ媒体15と、約5〜40ミクロンのグルー層でコーティングされた40〜70ミクロン厚の集電板15とを使用したときに、約1〜1.2mmである。上記に例示したように、この多層構造は、5個のセパレータと、それぞれが電極を含む4個の内部集電板と、最上位の外部集電板だけが電極を含む2個の外部集電板とを備える。エネルギー貯蔵装置50は、はさみまたはナイフあるいは他の器具によって、スタック55から容易に切り取ることができる。
もちろん、電極がスタックの底部の外部集電板上にも配置される類似の多層スタックを構成することも可能である。この場合、スタックの底部の外部集電板の上に配置されたセパレータは、ステップ35を実施せずに、すなわちセパレータの接着剤のない領域に電極を塗布せずに、調製し配置することができる。
図6Aは、単一セルのキャパシタ製品60を示す。キャパシタ60は、多層エネルギー貯蔵装置50と、好ましくは溶接によって、または導電性エポキシ接着剤を用いることによって、多層エネルギー貯蔵装置50の外部集電板に取り付けられた2つのリード線またはフラットケーブルリード61とを備える。図6Bは、m個の多層エネルギー貯蔵装置50-1、50-2、50-3、〜、50-mのスタックが、並列キャパシタ製品62を形成するように直列に積層された、mセルのキャパシタ製品62を示す。並列キャパシタ製品62では、リード線61は、多層エネルギー貯蔵装置50-1の(底部)外部集電板と、多層エネルギー貯蔵装置50-mの(上部)外部集電板とに取り付けられる。
図6Cは、m個の多層エネルギー貯蔵装置50-1、50-2、50-3、〜、50-mが、直列キャパシタ製品66を形成するように直列に接続された、mセルのキャパシタ製品66を示す。図示されているように、m-1個の導電性媒体65(例えば金属箔)が、多層エネルギー貯蔵装置50-1、50-2、50-3、〜、50-mを直列に接続し、多層エネルギー貯蔵装置50-1および50-mの集電板にリード線61が接続される。
上述のパラメータはすべて、単に例として与えられ、本発明の様々な実施形態の異なる要件に従って変更されうる。したがって、上述のパラメータは、決して本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。
上記の実施例および記述は、もちろん説明だけのために提供されており、本発明を何ら限定するものではない。当業者なら理解するように、本発明は、本発明の範囲を超えることなく、上述の技法から複数の技法を用いて様々な方法で実施されうる。
図1Aは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置スタックの内部集電板および上部(外部)集電板の調製を概略的に示す図である。 図1Bは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置スタックの内部集電板および上部(外部)集電板の調製を概略的に示す図である。 図1Cは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置スタックの内部集電板および上部(外部)集電板の調製を概略的に示す図である。 図2A〜2Dは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置のセパレータの調製を概略的に示す図である。 図2Bは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置のセパレータの調製を概略的に示す図である。 図2Cは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置のセパレータの調製を概略的に示す図である。 図2Dは、本発明のバイポーラエネルギー貯蔵装置のセパレータの調製を概略的に示す図である。 集電板およびセパレータの調製プロセスと、それらをバイポーラ構造の形で積層するプロセスとを示すフローチャートである。 n個のセルを含むバイポーラエネルギー貯蔵装置の構造を概略的に示す図である。 それぞれが5個の電気化学セルを含む複数のエネルギー貯蔵装置を備える構造を概略的に示す図である。 図6Aは、単一セルキャパシタ製品、複数並列セルキャパシタ製品、および複数直列セルキャパシタ製品を示す図である。 図6Bは、単一セルキャパシタ製品、複数並列セルキャパシタ製品、および複数直列セルキャパシタ製品を示す図である。 図6Cは、単一セルキャパシタ製品、複数並列セルキャパシタ製品、および複数直列セルキャパシタ製品を示す図である。

Claims (15)

1つまたは複数のセルを含むエネルギー貯蔵装置であって、各セルが、1対の電極とその間に配置されたセパレータとによって画定され、各セルが、2つの集電板によって境界を画され、前記セパレータの幾何学的形状およびサイズが、前記集電板の形状およびサイズと同じであり、各セルにおいて、一方の電極が前記2つの集電板の一方にプリントされ、他方の電極が前記セパレータの片面にプリントされ、前記2つの電極が前記セパレータによって電気的に絶縁され、前記セパレータ上にプリントされた前記電極を取り囲む、前記セパレータの周辺領域が封止される、エネルギー貯蔵装置。
前記セパレータ上にプリントされた前記電極を取り囲む、前記セパレータの前記封止される周辺領域が、非導電性接着剤で含浸される、請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。
2つの外部集電板の間に位置する、スタック構造の形で電気的に直列接続された複数のセルを備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置。
バイポーラ電気化学キャパシタである、請求項3に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記外部集電板が、選択的に1つまたは複数の耐食層によって覆われた金属箔で製作される、請求項3に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記耐食層のうちの1つまたは複数が、炭素および/または導電性ポリマーを含む、請求項5に記載のエネルギー貯蔵装置。
前記金属箔の表面が、増大した接触表面積を有する粗面である、請求項5に記載のエネルギー貯蔵装置。
内部集電板が、導電性ポリマーシート、金属シート、または導電性ポリマーでコーティングされた金属シートで製作される、請求項3に記載のエネルギー貯蔵装置。
1つまたは複数の請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置を含む多層構造を調製する方法であって、
n+1個の集電板およびn個のセパレータを用意すること、前記n個のセパレータそれぞれの周辺領域内の細孔を封止すること、それによって、前記セパレータそれぞれに1つまたは複数の分離した非封止領域を形成すること、前記セパレータそれぞれの前記1つまたは複数の非封止領域上に電極をプリントすること、前記n+1個の集電板から選択されたn個の集電板それぞれの片側に1つまたは複数の電極をプリントして、前記n個の集電板それぞれの片面だけが、その上に堆積された電極を有するようにすること、および、前記n+1個の集電板と前記n個のセパレータとを交互に配置して多層構造を形成することを含む
方法。
前記n個のセパレータそれぞれにプリントされた前記分離した電極領域が、数量、サイズ、形状および位置に関して、n個の集電板それぞれにプリントされた電極に対応する、請求項9に記載の方法。
前記封止することが、前記n個のセパレータそれぞれの片面上に非導電性材料を塗布し、従って、前記非導電性材料が、その周辺領域内の前記セパレータの細孔を封止し、それによって1つまたは複数の分離した非封止領域が、前記セパレータに形成されることを含む、請求項9に記載の方法。
最初に前記セパレータそれぞれを支持体上に取り付けてから、その上に前記封止およびプリントを行い、前記支持体が、前記多層構造内に前記セパレータを配置した後で前記セパレータから取り外されることをさらに含む、請求項9に記載の方法。
前記プリントされた電極から余分な電解質を除去することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
前記除去することが、前記電極を乾燥させること、および/または、前記電極から前記電解質を、前記電極上に置かれた吸収剤を用いて選択的に加圧下で吸収することを含む、請求項13に記載の方法。
電気化学セル内での使用に適したセパレータであって、1つまたは複数の電極がプリントされた薄い多孔質フィルムまたは膜を含み、それぞれの電極が、前記セパレータの封止領域によって取り囲まれ、前記封止領域内の細孔が、非導電性接着剤で含浸される、セパレータ。
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