JP2010010381A

JP2010010381A - 蓄電ユニット及びその製造方法

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Publication number: JP2010010381A
Application number: JP2008167717A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suzuki; 靖生鈴木
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP5172496B2

Abstract

【課題】振動や衝撃に強く信頼性に優れた蓄電ユニットを提供すること。
【解決手段】蓄電ユニット１０において、３つの蓄電セル１１が積層配置されかつ互いに直列の関係で電気的に接続されている。蓄電セル１１は、正極と負極とをセパレータを介して積層してなる電極積層体を備え、その電極積層体を電解液とともに容器６１内に密封封止してなり、正極または負極に連結された外部端子２５，３５が容器６１から突出して露呈している。蓄電ユニット１０において、容器６１の電極突出端部６２，６３及び外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７が絶縁樹脂の硬化物からなるカバー１２で被覆されることにより、複数の蓄電セル１１同士が固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、エネルギー容量が大きく、かつ急速充放電が可能な蓄電ユニット及びその製造方法に関するものである。

太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電ユニットが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。

現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、例えば、リチウムイオンキャパシタが提案されている（特許文献１，２等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極を巻いて構成するタイプと電極を積層して構成するタイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電ユニットを構成するためには、特許文献１，２等に開示されている積層タイプのキャパシタが用いられる。

リチウムイオンキャパシタの蓄電セルは、平板状の正極と負極とをセパレータを介して交互に積層してなる電極積層体を備えている。その電極積層体は、アルミニウム・ラミネートフィルム等の気密性軟包装材を用いたソフト容器内に電解液とともに密閉収納されている。そして、それら蓄電セルを並列または直列につなぐことで、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電ユニットが構成される。また、蓄電セルの容器としてアルミニウム・ラミネートフィルムを用いることにより、蓄電ユニットの薄型化や軽量化が図られている。
特開２００８−６０４０７号公報特開２００８−９８３６１号公報

ところが、上述した従来の蓄電セルでは、電極積層体がソフト容器に収容されているため、その固定が困難であることに加え、振動や衝撃に弱くなっている。特に、ソフト容器から外部端子が露呈している部分では、段差があるため熱融着による封止部の機械的強度が弱くなる。このため、外部端子に加わる振動や衝撃によって封止部が破れ、容器内から電解液が漏れてしまうおそれがある。従って、ソフト容器を用いた蓄電セルは、自動車などの移動車両等の蓄電システムに利用することが困難となっている。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動や衝撃に強く信頼性に優れた蓄電ユニットを提供することにある。また、別の目的は、振動や衝撃に強く信頼性に優れた蓄電ユニットを確実にかつ効率よく製造することができる蓄電ユニットの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、リチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な正極と、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極とをセパレータを介して対向配置してなる発電要素を１単位として、少なくとも１単位以上の発電要素を積層してなる電極積層体を、リチウム塩を含む電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極または前記負極に連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している蓄電素子を備える蓄電ユニットであって、少なくとも前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び前記外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されていることを特徴とする蓄電ユニットをその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、少なくとも金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されることで補強されているので、外部端子が振動や衝撃を受けてもガタつかなくなる。また、外部端子の露呈部分における金属ラミネートフィルム材の封止部がカバーによって密閉されるので、電解液の液漏れを確実に防止することができ、蓄電ユニットの耐振性を高めることができる。さらに、硬化したカバーで被覆することにより、外形形状が安定化するため、蓄電ユニットの設置を容易に行うことができる。従って、移動車両等のように、頻繁に振動する場所に設置される蓄電システムに、本発明の蓄電ユニットを用いることが可能となる。

請求項２に記載の発明は、リチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な正極と、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極とをセパレータを介して対向配置してなる発電要素を１単位として、少なくとも１単位以上の発電要素を積層してなる電極積層体を、リチウム塩を含む電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極または前記負極に連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している複数の蓄電セルを備える蓄電ユニットであって、前記複数の前記蓄電セルが隣接して配置されかつ互いに直列または並列の関係で電気的に接続されるとともに、少なくとも前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び前記外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されることにより、前記複数の蓄電セル同士が固定されていることを特徴とする蓄電ユニットをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、複数の蓄電セルが隣接して配置されかつ互いに直列または並列の関係で電気的に接続されるので、エネルギー容量が大きく、急速充放電が可能な蓄電ユニットを実現することができる。また、少なくとも金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されることにより、複数の蓄電セル同士が固定されているので、各外部端子が振動や衝撃を受けてもガタつかなくなる。また、各外部端子の露呈部分における金属ラミネートフィルム材の封止部がカバーによって密閉されるので、電解液の液漏れを確実に防止することができ、蓄電ユニットの耐振性を高めることができる。さらに、硬化したカバーで被覆することにより、外形形状が安定化するため、蓄電ユニットの設置を容易に行うことができる。従って、移動車両等のように、頻繁に振動する場所に設置される蓄電システムに、本発明の蓄電ユニットを用いることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記蓄電セルの厚さ方向からみて、前記カバーは前記正極及び前記負極と重なり合う位置関係にあり、かつ、前記カバーの面積のほうが前記正極及び前記負極の面積よりも大きいことをその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、正極及び負極をカバーで確実に保護、補強することができ、蓄電ユニットの製品信頼性を十分に高めることができる。また、そのカバーを介して正極及び負極に対してその厚さ方向から圧力を加えるような場合に、有利な構造となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記正極及び前記負極と重なり合う位置関係にある前記カバーの表面は、平坦面であることをその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、正極及び負極と重なり合う位置関係にあるカバーの表面が平坦面であるので、そのカバーを介して正極及び負極に対してその厚さ方向から圧力を均等に加えることができる。この結果、正極及び負極間の距離が短くなり、良好な蓄電性能を得ることができるとともに、製品品質のばらつきを抑えて良品率を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部と直交する位置関係にある端部は、少なくともその一部が前記カバーで被覆されておらず露呈していることをその要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、例えば何らかの要因によって蓄電セル内にガスが発生して圧力が増加したとしても、カバーで被覆されていない露呈部分については金属ラミネートフィルム材が変形等することが可能である。よって、当該部分にガス圧を逃がすことができる。

請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか１項において、前記カバーは、前記蓄電セル間を電気的に接続する内部接続用導体を完全に被覆していることをその要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、蓄電セル間を電気的に接続する内部接続用導体がカバーで被覆されるので、電気の流れる部分の露呈が少なくなる。よって、蓄電ユニットの取り扱い性が向上し、該蓄電ユニットの設置を容易に行うことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか１項において、前記カバーは、前記蓄電セル間を電気的に接続する内部接続用導体をその一部を露呈させた状態で被覆していることをその要旨とする。

請求項７に記載の発明によれば、各蓄電セルで発生した熱が内部接続用導体を伝わり、内部接続用導体の露呈部分から効率よく放散される。よって、各蓄電セルの充放電性能を良好に維持することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記カバーは、絶縁樹脂材料中に高熱伝導性の絶縁無機材料からなるフィラーを分散させてなるものであることをその要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、カバー自体の熱伝導性が向上するため、各蓄電セルで発生した熱がカバーを伝わりやすくなり、カバー表面から効率よく放散される。よって、各蓄電セルの充放電性能を良好に維持することができる。ここで「高熱伝導性の絶縁無機材料」とは、少なくともカバーを形成する絶縁樹脂材料よりも熱伝導性が高い絶縁無機材料のことを意味する。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項において、前記カバーは、前記蓄電セルの外形に沿った形状の凹部を有する樹脂成形体を複数組み合わせてなるものであり、前記樹脂成形体同士の隙間及び前記樹脂成形体と前記蓄電セルとの隙間が接着用樹脂で埋められていることをその要旨とする。

請求項９に記載の発明によれば、複数の樹脂成形体を組み合わせてカバーを構成しているにもかかわらず、接着用樹脂で部材間の隙間が埋められているため、部材同士を確実に固定することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の蓄電ユニットの製造方法であって、蓄電セルの外形に沿った形状の凹部を有する樹脂成形体間に前記蓄電セルを挟み込んで配置するとともに、前記樹脂成形体同士の隙間及び前記樹脂成形体と前記蓄電セルとの隙間を接着用樹脂で埋めた状態にする配置工程と、前記配置工程の後、１００℃以下の温度条件で前記蓄電セル内の電極積層体の積層方向に圧力を加えながら前記接着用樹脂を硬化させる加圧硬化工程と、前記加圧硬化工程の後、内部接続用導体を介して外部端子同士を連結することにより前記蓄電セル同士を電気的に接続する接続工程とを含むことを特徴とする蓄電ユニットの製造方法をその要旨とする。

請求項１０に記載の発明によれば、加圧硬化工程において、接着用樹脂を硬化させる際に、蓄電セルが１００℃を超えて加熱されることがないため、蓄電セル内において電解液が熱分解してガスが発生するといった問題を防止することができる。また、蓄電セル内の電極積層体の積層方向に圧力を加えながら接着用樹脂を硬化させているので、正極及び負極間のセパレータが適度に圧縮されて正極及び負極間の距離が短くなり、良好な蓄電性能を得ることができる。さらに、本発明では、樹脂成形体を予め成形しておき、樹脂成形体同士の隙間及び樹脂成形体と蓄電セルとの隙間を接着用樹脂で埋めているので、１００℃以下の比較的に低い温度条件であっても、接着用樹脂を迅速に硬化させてカバーを形成することができる。従って、蓄電セルとカバーとを樹脂で一体的にモールド成形する場合とは異なり、加熱及び冷却プロセスを経る必要がなく、比較的短時間で確実にかつ効率よく蓄電ユニットを製造することができる。

以上詳述したように、請求項１〜９に記載の発明によると、振動や衝撃に強く信頼性に優れた蓄電ユニットを提供することができる。また、請求項１０に記載の発明によると、振動や衝撃に強く信頼性に優れた蓄電ユニットを確実にかつ効率よく製造することができる蓄電ユニットの製造方法を提供することができる。

以下、本発明を蓄電ユニットに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態における蓄電ユニットを示す斜視図であり、図２は、その蓄電ユニットを示す平面図である。また、図３は、蓄電ユニットの概略構成を示す断面図である。

図１〜図３に示されるように、本実施の形態の蓄電ユニット１０は、リチウムプレドープ型リチウムイオン電池の蓄電セル１１が直列の関係で電気的に接続されたユニットである。この蓄電ユニット１０では、３つの蓄電セル１１がその厚さ方向に積層配置され、絶縁樹脂製のカバー１２で被覆されることにより、各蓄電セル１１同士が固定されている。

図４には、蓄電セル１１の平面図を示し、図５には、蓄電セル１１の断面図を示す。図４及び図５に示されるように、本実施の形態の蓄電セル１１は、正極２１、負極３１及びセパレータ４１を積層してなる電極積層体５１を備えている。この電極積層体５１では、正極２１と負極３１とをセパレータ４１を介して対向配置してなる発電要素を１単位として、複数単位の発電要素を積層している。

正極２１は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している。正極電極２２の形成材料の具体例としては、活性炭、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料に黒鉛化処理を施した合成黒鉛材料、またはこれらの混合物等が挙げられる。これらの炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。

上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。

上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。

上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。

正極集電体２３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からは、接続部としてのタブ２４が突出している。このタブ２４は、導電性金属材料からなる正極外部端子２５に接続されている。

負極３１は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。負極電極３２の形成材料の具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ_２ＳｎＯ_３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ_０．４Ｂ_０．６Ｏ_２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。

負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。

負極集電体３３は負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。負極集電体３３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からは、接続部としてのタブ３４が突出している。このタブ３４は、導電性金属材料からなる負極外部端子３５に対して溶接により接合される。

負極集電体３３において、対向する二辺の近傍に帯状のリチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部には帯状にカットされたプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。

負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、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４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。

かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ_６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。

本実施の形態の蓄電セル１１では、電極積層体５１が電解液とともに容器６１内に密閉収納されている。この容器６１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルム（金属ラミネートフィルム材）を用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極外部端子２５及び負極外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。

このようにして容器６１内に電極積層体５１を収容した場合、容器６１における一方の端部６２（図５では右側の電極突出端部）から正極外部端子２５が突出し、他方の端部６３（図５では左側の電極突出端部）から負極外部端子３５が突出している。また、容器６１において、電極積層体５１の収容部６４の周縁には熱融着による封止部６５が形成されている。なお、容器６１としては、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて形成してもよい。

図１〜図３に示されるように、カバー１２は、容器６１における電極積層体５１の収容部６４に加えて、容器６１（金属ラミネートフィルム材）の電極突出端部６２，６３及び外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７を覆っている。蓄電セル１１の厚さ方向から見て、カバー１２は、電極積層体５１の正極２１及び負極３１と重なり合う位置関係にあり、かつカバー１２の面積のほうが正極２１及び負極３１の面積よりも大きくなっている。

図３に示されるように、本実施の形態のカバー１２は、熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）の硬化物からなる４つの樹脂スペーサ７１〜７４（樹脂成形体）を組み合わせて形成されている。各樹脂スペーサ７１〜７４は、蓄電セル１１の平面視形状に合わせて矩形板状に成形されており、蓄電セル１１の表裏面の外形に沿った形状の凹部７１ａ〜７４ａを有している。具体的には、最上部に設けられる樹脂スペーサ７１は、一方の面（図３では下面）に凹部７１ａが形成され、他方の面（図３では上面）は平坦に形成されている。また、中間部に配置される樹脂スペーサ７２，７３は、両面に凹部７２ａ，７３ａが形成されている。最下部に配置される樹脂スペーサ７４は一方の面（図３では上面）に凹部７４ａが形成され、他方の面（図３では下面）は平坦に形成されている。そして、樹脂スペーサ７１〜７４においてその凹部７１ａ〜７４ａの表面に接着用樹脂７５（例えば、エポキシ系接着剤）が設けられている。この接着用樹脂７５を設けることにより各樹脂スペーサ７１〜７４間の隙間や樹脂スペーサ７１〜７４と蓄電セル１１との隙間を埋めるとともに、各蓄電セル１１と各樹脂スペーサ７１〜７４とを接着固定している。

このように各樹脂スペーサ７１〜７４を組み合わせて形成したカバー１２において、正極２１及び負極３１に重なり合う位置関係にあるカバー１２の表面（図３では上面１３ａ及び下面１３ｂ）は、平坦面となっている。ここで、カバー１２を介して所定の圧力を加えた状態で蓄電ユニット１０を設置することにより、正極２１及び負極３１に対してその厚さ方向から圧力が均等に加わるようになっている。このため、振動やガスの発生時に正極２１及び負極３１間の距離が大きくなるといった問題が回避される。

さらに、容器６１において電極突出端部６２，６３と直交する位置関係にある端部６８，６９は、カバー１２で被覆されておらず露呈している。この容器６１の露呈部分は、蓄電セル１１内にガスが発生して圧力が増加したときに材料に膨らむように変形することが可能である。よって、当該部分にガス圧を逃がすことができる。あるいは、ガス発生時に膨らんで破れることでガスの逃げ道を形成することができる。

また、本実施の形態のカバー１２は、蓄電セル１１間を電気的に接続する内部接続用導体１４を露呈した状態で蓄電ユニット１０を被覆している。従って、蓄電ユニット１０において、各蓄電セル１１で発生した熱が内部接続用導体１４を伝わり、内部接続用導体１４の露呈部分から効率よく放散される。なお、本実施形態における内部接続用導体１４は、銅やニッケルのような導電金属板からなり、それらは略コ字状に屈曲形成された状態で取り付けられている。

次に、本実施の形態における蓄電ユニット１０の製造方法の一例を説明する。

まず、蓄電セル１１を製造するために、正極２１、負極３１及びセパレータ４１を積層してなる電極積層体５１と、その電極積層体５１を収容するための容器６１とを準備しておく。

正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、正極２１とする。

負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。ただし、その際にはスラリーを塗らない部分を外周部に設定しておき、そこをリチウム貼付部とする。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、負極３１とする。リチウム貼付部には、あらかじめリチウム金属箔を接合しておく。

そして、正極２１及びリチウム金属箔付きの負極３１間にセパレータ４１を介在させて積層し、電極積層体５１とする。その後、各正極集電体２３の各タブ２４を正極外部端子２５に超音波溶接し、かつ、各負極集電体３３の各タブ３４を負極外部端子３５に超音波溶接する。

次に、容器６１の中に端子付きの電極積層体５１を収容して開口部を閉じる。この後、真空引きを行いつつ有機電解質を注入し、容器６１内の収容空間を有機電解質で確実に満たすようにする。さらに、容器６１を熱融着により密閉して所定時間保持し、プレドープを進行させる。以上の結果、図４及び図５に示す蓄電セル１１が完成する。

上記工程を行って３つの蓄電セル１１を準備するとともに、４つの樹脂スペーサ７１〜７４を準備する。各樹脂スペーサ７１〜７４は、周知の手法に従ってモールド成形される。

そして、図６に示されるように、各樹脂スペーサ７１〜７４の凹部７１ａ〜７４ａの表面に未硬化状態の接着用樹脂７５を塗布する。その後、各樹脂スペーサ７１〜７４間に蓄電セル１１を挟み込んで配置するとともに、樹脂スペーサ７１〜７４同士の隙間及び樹脂スペーサ７１〜７４と蓄電セル１１との隙間を接着用樹脂７５で埋めた状態にする（配置工程）。

その後、蓄電セル１１内の電解液に悪影響を与えない６０℃以下の温度条件（具体的には４５℃程度）で蓄電セル１１内の電極積層体５１の積層方向に圧力を加えながら接着用樹脂７５を硬化させる（加圧硬化工程）。このとき、セパレータ４１が圧縮されるため正極２１及び負極３１間の距離も短くなる。次いで、溶接やはんだ付け等により内部接続用導体１４を介して外部端子２５，３５同士を連結することにより、蓄電セル１１同士を電気的に接続する（接続工程）。以上の工程を経ることで図１に示す蓄電ユニット１０が完成する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の蓄電ユニット１０では、複数の蓄電セル１１が積層配置されかつ互いに直列の関係で電気的に接続されるので、エネルギー容量が大きく、急速充放電が可能な蓄電ユニットを実現することができる。また、アルミニウム・ラミネートフィルムからなる容器６１の電極突出端部６２，６３及び外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７が絶縁樹脂製のカバー１２で被覆されることにより、複数の蓄電セル１１同士が固定されているので、各外部端子２５，３５が振動や衝撃を受けてもガタつかなくなる。また、容器６１における各外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７がカバー１２によって密閉されるので、電解液の液漏れを確実に防止することができ、蓄電ユニット１０の耐振性を高めることができる。さらに、硬化したカバー１２で被覆することにより、外形形状が安定化するため、蓄電ユニット１０の設置を容易に行うことができる。従って、移動車両等のように、設置されるエネルギー回生用の蓄電システムに蓄電ユニット１０を用いることが可能となる。

（２）本実施の形態の蓄電ユニット１０では、蓄電セル１１の厚さ方向からみて、カバー１２は正極２１及び負極３１と重なり合う位置関係にあり、かつ、カバー１２の面積のほうが正極２１及び負極３１の面積よりも大きくなっている。このようにすれば、蓄電セル１１の電極積層体５１（正極２１及び負極３１）をカバー１２で確実に保護、補強することができ、蓄電ユニット１０の製品信頼性を十分に高めることができる。

（３）本実施の形態の蓄電ユニット１０では、正極２１及び負極３１と重なり合う位置関係にあるカバー１２の表面１３ａ，１３ｂが平坦面であるので、そのカバー１２を介して正極２１及び負極３１に対してその厚さ方向から圧力を均等に加えることができる。この結果、正極２１及び負極３１間のセパレータ４１が適度に圧縮されて正極２１及び負極３１間の距離が短くなり、良好な蓄電性能を得ることができるとともに、製品品質のばらつきを抑えて良品率を向上させることができる。

（４）本実施の形態の蓄電ユニット１０では、容器６１において、電極突出端部６２，６３と直交する位置関係にある端部６８，６９の一部がカバー１２で被覆されておらず露呈している。このため、ガス発生時には露呈部分の材料が変形または破損することで、ガス圧を逃がすことができる。

（５）本実施の形態の蓄電ユニット１０では、蓄電セル１１間を電気的に接続する内部接続用導体１４がカバー１２から露呈させた状態となっている。この場合、各蓄電セル１１で発生した熱が内部接続用導体１４を伝わり、内部接続用導体１４の露呈部分から効率よく放散される。よって、各蓄電セル１１の放電性能を良好に維持することができる。なお、蓄電ユニット１０において放熱性能が不足する場合には、放熱フィンを内部接続用導体１４の露呈部分に設置して、放熱面積を増大させてもよい。

（６）本実施の形態の蓄電ユニット１０において、カバー１２は、蓄電セル１１の外形に沿った形状の凹部７１ａ〜７４ａを有する樹脂スペーサ７１〜７４を複数組み合わせてなるものであり、樹脂スペーサ７１〜７４同士の隙間及び樹脂スペーサ７１〜７４と蓄電セル１１との隙間が接着用樹脂７５で埋められている。このようにすると、蓄電セル１１とカバー１２との間に隙間がなくなり、部材同士を確実に固定することができる。

（７）本実施の形態の場合、加圧硬化工程において、接着用樹脂７５を硬化させる際に、蓄電セル１１が６０℃以上に加熱されることがないため、蓄電セル１１内において電解液が分解してガスが発生するといった問題を防止することができる。また、蓄電セル１１内の電極積層体５１の積層方向に圧力を加えながら接着用樹脂７５を熱硬化させているので、正極２１及び負極３１間のセパレータ４１が適度に圧縮されて正極２１及び負極３１間の距離が短くなり、良好な蓄電性能を得ることができる。さらに、樹脂スペーサ７１〜７４を予め成形しておき、樹脂スペーサ７１〜７４同士の隙間及び樹脂スペーサ７１〜７４と蓄電セル１１との隙間を接着用樹脂７５で埋めているので、４５℃程度の比較的に低い温度条件であっても、接着用樹脂７５を迅速に硬化させてカバー１２を形成することができる。従って、蓄電セル１１とカバー１２とを樹脂で一体的にモールド成形する場合とは異なり、加熱及び冷却プロセスを経る必要がなく、比較的短時間で確実にかつ効率よく蓄電ユニット１０を製造することができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の蓄電ユニット１０では、蓄電セル１１間にカバー１２（樹脂スペーサ７２，７３）が介在する構成であったが、図７に示す蓄電ユニット１０Ａのように、蓄電セル１１間に樹脂スペーサが介在しないように構成してもよい。なおこの場合、蓄電ユニット１０Ａのカバー１２Ａは、樹脂モールド成形によって一体的に成形する。このようにしても、蓄電ユニット１０Ａの耐振性を高めることができるとともに、蓄電ユニット１０Ａの設置を容易に行うことができる。さらに、蓄電セル１１間に樹脂スペーサが介在しないため、蓄電ユニット１０Ａの薄型化を図ることができる。

また、蓄電ユニット１０,１０Ａにおいて、蓄電セル１１間を接続する内部接続用導体１４がカバー１２，１２Ａから露呈していたが、図８に示す蓄電ユニット１０Ｂのように、内部接続用導体１４を完全に被覆するようカバー１２Ｂを構成してもよい。このように、蓄電セル１１間の内部接続用導体１４をカバー１２Ｂで覆うことにより、ショート等が起こりにくくなり、蓄電ユニット１０Ｂの取り扱い性が向上され、蓄電ユニット１０Ｂの設置を容易に行うことができる。

・上記実施の形態の蓄電ユニット１０において、カバー１２は、容器６１における電極積層体５１の収容部６４と外部端子２５，３５の基端側（電極突出端部６２，６３及び外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７）とを覆うよう平面視で長方形状に成形されていたが、この形状に限定されるものではない。例えば、図９に示す蓄電ユニット１０Ｃのように、外部端子２５，３５の基端側の幅を電極積層体５１の収容部６４側の幅よりも幅広となるようにカバー１２Ｃを形成してもよい。このように、カバー１２Ｃを形成することにより、外部端子２５，３５の振動をより確実に抑えることができる。また、図１０に示す蓄電ユニット１０Ｄのように、電極積層体５１の収容部６４における中央部分の幅を他の部分よりも幅広となるようカバー１２Ｄを形成してもよい。このようにすれば、カバー１２Ｄの強度を十分に高めることができる。さらに、図９の蓄電ユニット１０Ｃや図１０の蓄電ユニット１０Ｄの場合、カバー１２Ｃ,１２Ｄの幅広の部分を利用すれば、蓄電ユニット１０Ｃ，１０Ｄの固定を容易に行うことができる。具体的には、カバー１２Ｃ,１２Ｄの幅広の部分に、例えば、固定用のボルト穴を形成してボルト締めによって蓄電ユニット１０Ｃ,１０Ｄを設置することにより、位置ズレがなく正確に蓄電ユニット１０Ｃ,１０Ｄを固定することができる。

・上記実施の形態の蓄電ユニット１０において、カバー１２は、容器６１における電極積層体５１の収容部６４と外部端子２５，３５の基端側とを覆うものであったが、図１１及び図１２に示す蓄電ユニット１０Ｅのように、外部端子２５，３５の基端側のみを覆うようにカバー１２Ｅを形成してもよい。また、このカバー１２Ｅは、その表面が蓄電セル１１の容器６１表面と面一となるように形成されている。このように蓄電ユニット１０Ｅを構成しても、蓄電セル１１の容器６１における電極突出端部６２，６３及び外部端子２５，３５の露呈部分６６，６７をカバー１２Ｅで密閉できるため、電解液の漏れを防止することができるとともに、カバー１２Ｅによって外部端子２５，３５を補強することができる。

・上記実施の形態において、カバー１２,１２Ａ〜１２Ｅは、エポキシ樹脂の硬化物から形成されるものであったが、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂等の別の熱硬化性樹脂を用いて形成してもよく、さらには紫外線硬化性樹脂などを用いて形成してもよい。また、カバー１２,１２Ａ〜１２Ｅは、絶縁樹脂材料中にその樹脂材料よりも熱伝導性が高い高熱伝導性の絶縁無機材料からなるフィラーを分散させて成形してもよい。この絶縁無機材料のフィラーとしては、セラミックフィラーが好ましく、具体例としてはアルミナフィラーやシリカフィラー等がある。このようにすれば、カバー１２,１２Ａ〜１２Ｅの熱伝導性が高まるため、蓄電セル１１内で発生した熱がカバー１２,１２Ａ〜１２Ｅを伝わり、カバー１２,１２Ａ〜１２Ｅの表面から効率よく放散することができる。よって、蓄電セル１１の充放電性能を良好な状態で維持することができる。

・上記実施の形態では、３つの蓄電セル１１をその厚さ方向に積層して蓄電ユニット１０,１０Ａ〜１０Ｅを構成するものであったが、積層するセル数は適宜変更してもよい。また、蓄電セル１１を平面方向に複数配置して薄型の蓄電ユニットを構成してもよい。

・上記実施の形態の蓄電ユニット１０,１０Ａ〜１０Ｅでは、複数の蓄電セル１１同士をカバー１２，１２Ａ〜１２Ｅで固定して補強するものであったが、図１３に示す蓄電ユニット１０Ｆように、１つの蓄電セル１１にカバー１２Ｆを設けてその補強を行ってもよい。このカバー１２Ｆは、蓄電セル１１における電極積層体５１の収容部６４及び外部端子２５，３５の基端側を被覆している。このようにしても、蓄電セル１１における容器６１の封止部をカバー１２Ｆで密閉できるため、電解液の漏れを防止することができるとともに、カバー１２Ｆによって外部端子２５，３５を補強することができる。

また、図１４に示す蓄電ユニット１０Ｇのように、放熱部材８１上に、カバー１２Ｇを用いて蓄電セル１１を固定するように構成してもよい。このカバー１２Ｇは、蓄電セル１１における外部端子２５，３５の基端側を被覆するとともに、蓄電セル１１を放熱部材８１上に固定している。具体的には、放熱部材８１としては、アルミニウム板などの金属板やセラミック板が用いられ、放熱部材８１の表面積は、蓄電セル１１における電極積層体５１の表面積よりも大きくなっている。また、カバー１２Ｇは下部材７７と上部材７８とによって形成されており、各部材７７，７８は、例えば、エポキシ樹脂中にシリカフィラーなどの高熱伝導性の絶縁無機フィラーを分散させて成形されている。そして、図１５に示されるように、カバー１２Ｇの下部材７７を放熱部材８１の上面に予め接着固定しておき、その下部材７７に外部端子２５，３５の基端側が配置するよう蓄電セル１１を設置する。さらに、カバー１２Ｇの上部材７８をかぶせ、その上部材７８と下部材７７とで蓄電セル１１における外部端子２５，３５の基端側を挟み込むとともにその隙間を接着用樹脂７９で埋めて接着固定する。これにより、図１４の蓄電ユニット１０Ｇが完成する。このように蓄電ユニット１０Ｇを構成すれば、蓄電セル１１における容器６１の封止部をカバー１２Ｇで密閉できるため、電解液の漏れを防止することができるとともに、カバー１２Ｇによって外部端子２５，３５を補強することができる。また、放熱部材８１を設けることにより、放熱性能を高めることができる。さらに、放熱部材８１が補強板の機能を果たすため、信頼性の高い蓄電ユニット１０Ｇを実現することができる。

・上記実施の形態では、３つの蓄電セル１１を直列の関係で接続した蓄電ユニット１０に具体化していたが、複数の蓄電セル１１を並列の関係で接続した蓄電ユニットに本発明を具体化してもよい。

・上記実施の形態において、蓄電ユニット１０，１０Ａ〜１０Ｇを構成する蓄電セル１１は、容器６１の対向する一方の端部６２から正極外部端子２５が突出し、他方の端部６３から負極外部端子３５が突出するものであったが、容器６１における同一端部から正極外部端子２５及び負極外部端子３５が突出する蓄電セルを用いて蓄電ユニットを構成してもよい。

・上記実施の形態では、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタの蓄電セル１１に具体化したが、リチウム以外のアルカリ金属をプレドープさせるタイプのアルカリ金属イオンキャパシタの蓄電セルに具体化することもできる。あるいは、本発明を非水系二次電池や電気二重層キャパシタの蓄電セルなどに具体化することもできる。

本発明を具体化した一実施の形態の蓄電ユニットを示す斜視図。一実施の形態の蓄電ユニットを示す平面図。一実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。一実施の形態の蓄電セルを示す平面図。一実施の形態の蓄電セルを示す断面図。一実施の形態の蓄電ユニットの製造方法を示す分解断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す平面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す平面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す平面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットを示す断面図。別の実施の形態の蓄電ユニットの製造方法を示す分解断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ〜１０Ｇ…蓄電ユニット
１１…蓄電セル
１２,１２Ａ〜１２Ｇ…カバー
１３ａ，１３ｂ…カバーの表面
１４…内部接続用導体
２１…正極
２５…外部端子としての正極外部端子
３１…負極
３５…外部端子としての負極外部端子
４１…セパレータ
５１…電極積層体
６１…金属ラミネートフィルムからなる容器
６２，６３…電極突出端部
６６，６７…外部端子の露呈部分
６８，６９…電極突出端部と直交する位置関係にある端部
７１〜７４…樹脂成形体としての樹脂スペーサ
７１ａ〜７４ａ…凹部
７５…接着用樹脂

Claims

リチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な正極と、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極とをセパレータを介して対向配置してなる発電要素を１単位として、少なくとも１単位以上の発電要素を積層してなる電極積層体を、リチウム塩を含む電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極または前記負極に連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している蓄電素子を備える蓄電ユニットであって、
少なくとも前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び前記外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されていることを特徴とする蓄電ユニット。
リチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な正極と、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極とをセパレータを介して対向配置してなる発電要素を１単位として、少なくとも１単位以上の発電要素を積層してなる電極積層体を、リチウム塩を含む電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極または前記負極に連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している複数の蓄電セルを備える蓄電ユニットであって、
前記複数の前記蓄電セルが隣接して配置されかつ互いに直列または並列の関係で電気的に接続されるとともに、少なくとも前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部及び前記外部端子の露呈部分が絶縁樹脂の硬化物からなるカバーで被覆されることにより、前記複数の蓄電セル同士が固定されていることを特徴とする蓄電ユニット。
前記蓄電セルの厚さ方向からみて、前記カバーは前記正極及び前記負極と重なり合う位置関係にあり、かつ、前記カバーの面積のほうが前記正極及び前記負極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電ユニット。
前記正極及び前記負極と重なり合う位置関係にある前記カバーの表面は、平坦面であることを特徴とする請求項３に記載の蓄電ユニット。
前記金属ラミネートフィルム材の電極突出端部と直交する位置関係にある端部は、少なくともその一部が前記カバーで被覆されておらず露呈していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電ユニット。
前記カバーは、前記蓄電セル間を電気的に接続する内部接続用導体を完全に被覆していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の蓄電ユニット。
前記カバーは、前記蓄電セル間を電気的に接続する内部接続用導体をその一部を露呈させた状態で被覆していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の蓄電ユニット。
前記カバーは、絶縁樹脂材料中に高熱伝導性の絶縁無機材料からなるフィラーを分散させてなるものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の蓄電ユニット。
前記カバーは、前記蓄電セルの外形に沿った形状の凹部を有する樹脂成形体を複数組み合わせてなるものであり、前記樹脂成形体同士の隙間及び前記樹脂成形体と前記蓄電セルとの隙間が接着用樹脂で埋められていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の蓄電ユニット。
請求項９に記載の蓄電ユニットの製造方法であって、
蓄電セルの外形に沿った形状の凹部を有する樹脂成形体間に前記蓄電セルを挟み込んで配置するとともに、前記樹脂成形体同士の隙間及び前記樹脂成形体と前記蓄電セルとの隙間を接着用樹脂で埋めた状態にする配置工程と、
前記配置工程の後、１００℃以下の温度条件で前記蓄電セル内の電極積層体の積層方向に圧力を加えながら前記接着用樹脂を硬化させる加圧硬化工程と、
前記加圧硬化工程の後、内部接続用導体を介して外部端子同士を連結することにより前記蓄電セル同士を電気的に接続する接続工程と
を含むことを特徴とする蓄電ユニットの製造方法。