JP2010232265A - 蓄電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蓄電デバイスはジグザグ状に折り返されるセパレータ17を有する。セパレータ17には、電極ユニット12を収容するユニット収容部33と、リチウム極16を収容するリチウム収容部34とが交互に形成される。さらに、セパレータ17の幅方向の両端部37は折り返された状態で電極素子13の厚さ方向に閉じられる。これにより、リチウム極16はリチウム収容部34内に密閉されるため、リチウム極16から金属リチウムが脱落しても、蓄電デバイス内への金属リチウムの拡散が防止される。よって、蓄電デバイス内に拡散する金属リチウムが原因となる外装材の腐食およびショートを防止することが可能となる。
【選択図】図5
Description
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。蓄電デバイスをリチウムイオンキャパシタとして機能させる場合には、正極合材層に含まれる正極活物質として、リチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質を採用することが可能である。すなわち、リチウムイオンとアニオンとの少なくともいずれか一方を可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、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。
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、リチウム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、錫、ケイ素等の合金系材料やケイ素化合物、錫酸化物、チタン酸リチウム、バナジウム酸化物等の酸化物や、グラファイト(黒鉛)、易黒鉛化性炭素やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)等の種々の炭素材料、ポリアセン系物質を用いることが可能である。チタン酸リチウムは優れたサイクル特性を有するために負極活物質として好ましい。錫、錫酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、グラファイト等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。なお、上記にて例示した負極活物質は適宜用途に応じて単独で使用しても良く、複数種混合して使用しても良い。
正極集電体および負極集電体の材料としては、一般に電池や電気二重層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。また、正極集電体や負極集電体に貫通孔を形成する場合において、貫通孔の開口率としては通常40〜60%である。なお、リチウムイオンの移動を阻害しないものであれば、貫通孔の大きさ、個数、形状等について特に限定されることはない。
リチウム極は、リチウム極集電体とこれに貼り付けられる金属リチウム箔とによって構成されているが、金属リチウム箔に代えてリチウム−アルミニウム合金等を用いても良い。また、金属リチウムを圧延した金属リチウム箔を用いるだけでなく、蒸着処理を施してリチウム極集電体上に金属リチウム層を形成しても良い。なお、リチウム極集電体の材料としては、一般的に正極集電体や負極集電体用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。また、リチウム極を蓄電デバイスの最外部に配置する場合には、貫通孔を持たないリチウム極集電体を用いることが可能であるが、リチウム極集電体に貫通孔を形成しても良いことはいうまでもない。
セパレータとしては、大きなイオン透過度(透気度)、所定の機械的強度、および電解液、正極活物質、負極活物質等に対する耐久性を有し、かつ連通気孔を有する絶縁性の多孔質体等を用いることができる。例えば、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンジフルオライド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン等からなる隙間を有する布、不織布あるいは微多孔体が用いられる。
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極性溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性極性溶媒としては、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、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、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。充放電特性に寄与する比誘電率、蓄電デバイスの作動温度範囲に寄与する凝固点および沸点、そして安全性に寄与する引火点の観点からはプロピレンカーボネートを用いることが好ましい。しかし、負極の活物質に黒鉛を用いる場合においては、負極の電位が約0.8V(vs.Li/Li+)においてプロピレンカーボネートは黒鉛上で分解してしまうために代替溶媒としてエチレンカーボネートを使用することが好ましい。エチレンカーボネートの融点は36℃であり、常温では固体である。このため、エチレンカーボネートを電解液の溶媒として用いる場合には、エチレンカーボネート以外の非プロトン性極性溶媒と混合させることが必須となる。さらに、エチレンカーボネートと併用する非プロトン性極性溶媒には、充放電特性および蓄電デバイスの作動温度範囲の観点から、ジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネート等に代表される低粘度かつ凝固点の低い非プロトン性極性溶媒を選択することが好ましい。しかしながら、溶媒がジエチルカーボネート等の低粘度かつ凝固点の低い非プロトン性極性溶媒とエチレンカーボネートからなる電解液は、雰囲気温度が約−10℃以下になることでエチレンカーボネートの凝固にともなう急激なイオン伝導度の低下を引き起こすために低温特性が優れない。そのため、低温特性を改善するには電解液の溶媒に上述したプロピレンカーボネートを含むことが好ましく、負極の活物質および導電性材料に黒鉛を用いる場合にはプロピレンカーボネートの還元分解性が低い黒鉛を用いることが好ましい。
外装材としては、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、外装材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材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。
12 電極ユニット
14 正極
15 負極
16 リチウム極(イオン供給源)
17 セパレータ(帯状のセパレータ)
20 正極集電体
20a 貫通孔
21 正極合材層
23 負極集電体
23a 貫通孔
24 負極合材層
32 折り返し部(折り曲げ部)
33 ユニット収容部(第1収容部,袋状のセパレータ)
33a 開口部
34 リチウム収容部(第2収容部,袋状のセパレータ)
34a 開口部
35 ラップ部
36 一端部
37 両端部
40 蓄電デバイス
41 セパレータ(帯状のセパレータ)
42 ユニット収容部(第1収容部,袋状のセパレータ)
43 リチウム収容部(第2収容部,袋状のセパレータ)
44 折り返し部(折り曲げ部)
45 ラップ部
50 蓄電デバイス
51 セパレータ(帯状のセパレータ)
52 ユニット収容部(第1収容部,袋状のセパレータ)
53 リチウム収容部(第2収容部,袋状のセパレータ)
54 折り返し部(折り曲げ部)
55 ラップ部
60 蓄電デバイス
61 セパレータ(帯状のセパレータ)
62 ユニット収容部(第1収容部,袋状のセパレータ)
63 リチウム収容部(第2収容部,袋状のセパレータ)
64 折り返し部(折り曲げ部)
65 ラップ部
70 蓄電デバイス
72 電極ユニット
73 正極
74 負極
80 蓄電デバイス
81 電極素子
82 セパレータ(帯状のセパレータ)
82a 両端部
83 ユニット収容部(第1収容部,袋状のセパレータ)
84 リチウム収容部(第2収容部,袋状のセパレータ)
90 蓄電デバイス
92 袋状のセパレータ
92c 開口部
93 袋状のセパレータ
93c 開口部
Claims (9)
- 捲回または積層された正極および負極を備える電極ユニットと、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るイオン供給源とを備える蓄電デバイスであって、
前記電極ユニットおよび前記イオン供給源は、それぞれ袋状のセパレータに収容されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項1記載の蓄電デバイスにおいて、
前記電極ユニットを収容する前記袋状のセパレータの一端は開口され、
前記イオン供給源を収容する前記袋状のセパレータの一端は開口され、
前記電極ユニットを収容する前記袋状のセパレータの開口部と、前記イオン供給源を収容する前記袋状のセパレータの開口部とは、逆向きに配置されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項1または2記載の蓄電デバイスにおいて、
帯状のセパレータを、前記電極ユニットと前記イオン供給源との間を仕切るように折り曲げ、前記電極ユニットを収容する第1収容部と前記イオン供給源を収容する第2収容部とを交互に形成し、前記帯状のセパレータの幅方向の両端部を閉じることにより、前記帯状のセパレータによって前記袋状のセパレータを構成することを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項3記載の蓄電デバイスにおいて、
前記帯状のセパレータは、前記第1収容部と前記第2収容部とを形成する折り曲げ部と、前記折り曲げ部に連なって前記電極ユニットおよび前記イオン供給源を包むラップ部とを備えることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項3または4記載の蓄電デバイスにおいて、
前記第1収容部および前記第2収容部に設けられる開口部の少なくともいずれか一方は、前記ラップ部によって塞がれることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項3〜5のいずれか1項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記帯状のセパレータの長手方向の一端部は前記ラップ部によって覆われることを特徴とする蓄電デバイス。 - 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、
複数の前記イオン供給源が分散して配置されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 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、
前記正極は正極集電体および正極合材層を備え、前記負極は負極集電体および負極合材層を備え、
前記正極集電体および前記負極集電体には複数の貫通孔が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 捲回または積層された正極および負極を備える電極ユニットと、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るイオン供給源とを備える蓄電デバイスの製造方法であって、
一端が開口される袋状のセパレータに前記電極ユニットを収容し、
一端が開口される袋状のセパレータに前記イオン供給源を収容し、
前記電極ユニットを収容する前記袋状のセパレータの開口部と、前記イオン供給源を収容する前記袋状のセパレータの開口部とを、逆向きに配置することを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
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