JP2011176137A - 電気化学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 インピーダンス特性に優れた巻回型の電気化学デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】 アノード電極Aを構成する帯状電極は、帯状の主金属箔A1及び主金属箔A1の両面にそれぞれ設けられた一対の活物質層AE1,AE2を有している。カソード電極Kを構成する帯状電極は、帯状の主金属箔K2及び主金属箔K2の両面にそれぞれ設けられた一対の活物質層KE1,KE2を有している。主金属箔A1の露出領域の上面に、帯状の補助金属箔T1が設けられ、主金属箔K2の露出領域の上面に、帯状の補助金属箔T2が設けられている。補助金属箔T1,T2の単独の厚みは、活物質層の単独の厚みよりも薄い。
【選択図】図6

Description

本発明は、電池や電気二重層キャパシタ(EDLC)などの電気化学デバイスに関する。
従来の巻回電極を用いた電気化学デバイス(電池、EDLC)に関する技術は、特許文献1〜11に開示されている。特許文献1は金属箔スペーサに関する技術について開示し、特許文献2は樹脂スペーサに関する技術について開示し、特許文献3は絶縁テープの貼付に関する技術について開示し、特許文献4は巻回端面への端子取付に関する技術について開示し、特許文献5は保護層形成に関する技術について開示し、特許文献6は金属帯取付に関する技術について開示し、特許文献7は絶縁スペーサ膜取付に関する技術について開示し、特許文献8はセパレータをスペーサで隔離する技術について開示し、特許文献9は絶縁スペーサ層を用いた技術について開示し、特許文献10、特許文献11は金属スペーサ帯を用いた技術について開示している。
多くの巻回型の電気化学デバイスでは、一対の帯状電極と、一対の帯状のセパレータを交互に重ねて配置する。1つの帯状電極の上下面には活性炭がバインダ樹脂によって塗布されている。重ねられたものを巻芯の周囲に巻きつけ、巻きつけられた電極の幅方向の端部同士を直接溶着してそのまま取出電極として用いている。ここで、帯状電極を直接溶着するのは、余分な端子をこれに取り付けると、インピーダンスが高くなるからである。
特開2002−298921号公報 特開2000−021436号公報 特開2005−235414号公報 特開2005−347608号公報 特開2007−095656号公報 特開2007−335814号公報 特開2008−193010号公報 特開平05−109435号公報 特開平07−130389号公報 特開平11−135100号公報 特開平11−283606号公報
しかしながら、単純に巻回体の幅方向端部を取出電極とする場合、帯状電極の幅方向端部間に隙間ができてしまう。この隙間の存在により、帯状電極が変形してインピーダンス特性が劣化したり、ばらつくことになる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、インピーダンス特性と放熱特性とに優れた巻回型の電気化学デバイスを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る電気化学デバイスは、巻回された帯状の積層体と、前記積層体を電解液と共に収納する包囲体とを備え、前記帯状の積層体が、一対の帯状電極と前記帯状電極の一方を挟む一対のセパレータとを有し、それぞれの前記帯状電極は、帯状の主金属箔及び前記主金属箔に設けられた活物質層を有する巻回型の電気化学デバイスにおいて、帯状の前記主金属箔の隣接するもの同士の位置は幅方向に沿ってずれており、これらが重なっていない領域に前記活物質層が形成されていない露出領域が設定され、この露出領域には、帯状の補助金属箔が前記主金属箔の長手方向に沿って設けられており、前記補助金属箔の単独の厚みは、前記活物質層の単独の厚みよりも薄いことを特徴とする。
本発明によれば、補助金属箔が、主金属箔の露出領域における径方向の可動範囲を狭めるので、主金属箔の位置ずれによるインピーダンス変化を抑制することができるが、補助金属箔は、その幅方向から導入される電解液の活物質層への流入を阻害する傾向がある。そこで、前記補助金属箔の単独の厚みは、前記活物質層の単独の厚みよりも薄いこととし、補助金属層の幅方向から電解液が活物質層に容易に流入することとした。これにより、電解液の活物質層内での含浸の度合いの相違に起因するインピーダンスのばらつきを抑制することができる。したがって、本発明の電気化学デバイスは、インピーダンス特性に優ることとなる。
また、前記補助金属箔の単独の厚みは、前記活物質層の単独の厚みの最大値の1/3以上であることが好ましい。この場合、活物質層のみならず補助金属層が主金属箔の強度増加に対して大きく寄与することとなり、この補助金属箔を設けた主金属箔が著しく変形しにくくなる。
また、前記補助金属箔の材料は、前記主金属箔の材料と同一であることが好ましい。この場合、双方の材料は容易に溶接することができ、また、接触時に材料間の電位差も発生しないため、特性が安定するという利点もある。
また、本発明の電気化学デバイスでは、活物質層は、厚い領域と、薄い領域とを有しており、薄い領域は、厚い領域よりも補助金属箔側に位置し、薄い領域とセパレータとは接触していないことが好ましい。これにより、補助金属箔を溶接時に加熱する場合において、薄い領域を介した熱がセパレータに直接伝導しないため、セパレータの損傷を抑制することができる。
本発明の電気化学デバイスは、インピーダンス特性と放熱特性に優ることとなる。
巻回型の電気化学デバイスに用いられる積層体の分解斜視図である。 巻回型の電気化学デバイスに用いられる積層体の斜視図である。 巻芯に巻きつけられた積層体の斜視図である。 蓋となる電極板取付前の電気化学デバイスの縦断面図である。 蓋となる電極板取付時の電気化学デバイスの斜視図である。 蓋となる電極板取付後の電気化学デバイスの縦断面図である。 積層構造を詳細に説明するための積層体の断面図である。 実際の活物質層の分布を説明するための積層体の断面図である。
以下、実施の形態に係る電気化学デバイスについて説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図1は、巻回型の電気化学デバイスに用いられる積層体の分解斜視図であり、図2は、巻回型の電気化学デバイスに用いられる積層体の斜視図である。この電気化学デバイスは、電気二重層キャパシタ(EDLC)であるが、この構造は通常の電池にも適用できる。
この積層体は、帯状であり、一対の帯状電極(アノード電極A、カソード電極K)と、帯状電極の一方(本図ではカソード電極K)を挟む一対のセパレータS1,S2とを有している。以下の説明では、三次元直交座標系が設定されており、帯状電極の幅方向をZ軸方向とし、厚み方向をX軸方向とし、これらの双方に垂直な長手方向をY軸とする。
アノード電極Aを構成する帯状電極は、帯状の主金属箔A1及び主金属箔A1の両面にそれぞれ設けられた一対の活物質層AE1,AE2を有している。カソード電極Kを構成する帯状電極は、帯状の主金属箔K2及び主金属箔K2の両面にそれぞれ設けられた一対の活物質層KE1,KE2を有している。帯状の主金属箔A1,K2の隣接するもの同士の位置は幅方向(Z軸方向)に沿ってずれており、これらが重なっていない領域に活物質層AE1,AE2、KE1,KE2が形成されていない露出領域(図7の寸法Z3で示される)が設定されている。
アノード電極Aにおいては、その主金属箔A1の上記露出領域の上面に、帯状の補助金属箔T1が、主金属箔A1の長手方向(Y軸)に沿って設けられている。同様に、カソード電極Kにおいては、その主金属箔K2の上記露出領域の上面に、帯状の補助金属箔T2が、主金属箔K2の長手方向(Y軸)に沿って設けられている。これらの補助金属箔T1と補助金属箔T2とは、Z軸方向に沿って離間している。
セパレータS1,S2の幅は等しく、活物質層AE1,AE2、KE1,KE2の幅も等しいが、セパレータの幅の方が、活物質層の幅よりも若干広い。補助金属箔T1,T2の単独の厚みは、活物質層AE1,AE2、KE1,KE2の単独の厚みよりも薄い。上述の関係は、積層体の巻回後においても保持されるが、巻回後においては、補助金属箔T1,T2は、幅方向(Z軸方向)の両端に設けられる蓋となる電極板L1,L2とそれぞれ接触する(図6参照)。なお、補助金属箔T1,T2は、それぞれ主金属箔A1,K2と共に、電極板L1,L2に対して溶接され、特に、レーザ溶接される(図6参照)。
なお、上述のセパレータS1,S2、活物質層AE1,AE2、KE1,KE2、金属箔A1,K2の材料としては、公知のものを用いればよい。これらの材料について、以下に一例を示すが、本発明は、これらの材料に限定されるものではない。
セパレータS1,S2は、例えば重量比10%以上のポリオレフィン系樹脂を含有した不織布または多孔質フィルムからなる。ポリオレフィン系樹脂の軟化点温度以上の温度環境下で、一対の分極性電極に圧力を加えることにより、分極性電極とセパレータとは接着することもできる。セパレータとして、セルロース不織布やアラミド繊維の不織布を用いることもできる。
活物質層AE1,AE2、KE1,KE2は分極性電極である。この分極性電極は、多孔質材料からなり、活性炭にバインダ樹脂を混ぜて製造する。バインダ樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素を含む高分子化合物、又は、スチレンブタジエンゴムのようなゴム系の高分子化合物が挙げられる。必要に応じてカーボンブラック、カーボンナノチューブ、又は黒鉛の微粒子、微細繊維を導電助剤として配合することもできる。製造時においては、これらの材料を、ノズルから出射して、主金属箔の両面に塗布する。
主金属箔A1、K2は集電体であり、アルミニウム箔や銅箔の表面をエッチングによって表面を荒く加工したもの使用することができる。なお、電極製造方法として、活性炭に導電補助剤とバインダを加えてシート状にして集電極に接着する方法のほか、活性炭をスラリー状にして集電極に塗工する方法なども無数に存在する。
図3は、巻芯に巻きつけられた積層体の斜視図である。
外面が円筒面を有する巻芯Bの周囲に、図1及び図2に示した積層体が巻きつけられ、これらから電気化学デバイス本体10が構成される。巻芯Bの中心軸はZ軸であり、積層体はZ軸回りに巻回されることになる。軸芯から離れるに従って、アノード電極Aとカソード電極Kとが交互に積層されており、これらの間にはセパレータS1,S2が介在している。Z軸方向に端部には、補助金属箔T1、T2が位置している。Z軸の正方向端部においては、XZ平面内において、補助金属箔T1が径方向に沿って隣接して配置されている。Z軸の負方向端部においては、XZ平面内において、補助金属箔T2が径方向に沿って隣接して配置されている。補助金属箔T1,T2の厚みは、端部において対向する主金属箔間の隙間の距離よりも小さい。
補助金属箔T1,T2の単独の厚み(図7のX4)は、活物質層の単独の厚み(図7のX2)よりも薄い。
図4は、蓋となる電極板取付前の電気化学デバイスの縦断面図(XZ断面図)である。
補助金属箔T1,T2が薄い場合、補助金属層T1,T2の幅方向(Z軸方向)から電解液LQが、活物質層AE1,AE2、KE1,KE2(図2参照)内に容易に流入することができる。これにより、電解液LQの活物質層内での含浸の度合いの相違に起因する端子間のインピーダンスのばらつきを抑制することができ、インピーダンス特性に優ることとなる。
なお、この電気化学デバイスの製造においては、電気化学デバイス本体10を、筒体Hの内部に、それぞれの軸を一致させて挿入し、筒体Hの両端開口部を蓋である電極板L1,L2によって順次封止するが、一方の電極板L1の封止前に電解液LQを包囲体内部に導入する。この封止には接着剤を用いることもできる。筒体H及び電極板L1,L2から包囲体が構成される。筒体Hの形状は円筒形の他、角筒形とすることもできる。また、巻芯Bの外面形状を角筒面とすることも可能である。巻芯B及び筒体Hの材料としては、アノード電極とカソード電極間の短絡を防止できるものであれば、各種材料を用いることができるが、例えば、絶縁体を用いることができる。巻芯B或いは筒体Hの構造は、絶縁体筒の両端に、金属筒を接合したものであってもよい。
図5は、蓋となる電極板取付時の電気化学デバイスの斜視図であり、図6は、蓋となる電極板取付後の電気化学デバイスの縦断面図(XZ断面図)である。
この電気化学デバイスは、巻回された帯状の積層体と、積層体を電解液LQと共に収納する包囲体とを備えている。上述のように、包囲体は筒体Hと電極板L1,L2からなる。電極板L1,L2と、補助金属箔T1,T2(主金属箔A1,K2:図1参照)とをそれぞれ電気的に接続するため、電極板L1,L2に外側からレーザビームLBを照射し、照射位置を溶解し、これらの内側にそれぞれ位置する補助金属箔T1,T2と電極板L1,L2とを接合する。レーザビームLBの照射位置には、凹部Dが形成される。複数の凹部DはXY平面内において放射状に形成されている。なお、レーザビームLBに代えて、高圧で電流を電極板L1,L2に与えることで、電流供給部位を溶解し、同様に、これらの内側にそれぞれ位置する補助金属箔T1,T2と電極板L1,L2とを接合することもできる。なお、包囲体の内部には電解液LQが封入されている。
電解液LQとしては水溶液系と有機系のものが知られている。有機系の電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート、アセトニトリルなどあり、溶質としては、アンモニウム塩、アミン塩、或いはアミジン塩などが知られている。
図7は、積層構造を詳細に説明するための積層体の断面図である。
Z軸方向に関する寸法について説明すると、寸法Z1は主金属箔A1,K2の幅、寸法Z2は活物質層AE1,AE2,KE1,KE2の幅、寸法Z3は露出領域の幅(Z1−Z2)、寸法Z4は活物質層からセパレータがZ方向に突出した距離、寸法Z5は補助金属箔T1,T2の幅、寸法Z6はセパレータS1,S2の幅を示している。
X軸方向に関する寸法について説明すると、寸法X1は、主金属箔A1,K2の厚み、寸法X2は、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2の厚み、寸法X3は、セパレータS1,S2の厚み、寸法X4は補助金属箔T1,T2の厚みである。
それぞれの寸法の好適範囲は以下の通りである。
10≦Z1≦1000mm
5mm≦Z2≦995mm
2mm≦Z3≦50mm
1mm≦Z4≦10mm
1mm≦Z5≦49mm
7mm≦Z6≦997mm
10μm≦X1≦200μm
X4<X2≦500μm
10μm≦X3≦50μm
10μm≦X4<X2
上述の範囲に関して、Z1の範囲は電極箔の現実的な幅を示している。Z2の範囲は実際的に塗布可能な活物質層の幅(電極幅)を示している。Z3で規定される領域は素子機能に影響を与えないので、小型化の観点からは小さい方が好ましく、帯状電極の巻回後に幅方向両端をZ軸に垂直に切断することで、切断面をフラットにし、幅を任意に設定することができる。但し、下限値を下回ると有効に機能する活物質層を溶接時に損傷する虞があるため、下限値以上であることが好ましく、上限値を超える場合には装置が大型化するため、上限値以下であることが好ましい。
また、Z4はセパレータはみ出し量を規定するものであり、この範囲は電気特性に影響を与るものではなく、分離した金属箔が接触しない程度のマージンを有している。Z6はセパレータの幅であるため、Z2に2mmを加えた値として設定した。
また、Z5は、補助金属箔T1,T2の幅を規定するものであり、露出領域の幅Z3−1mmに設定した。
X1の範囲は、集電体である主金属箔の現実的な厚みの範囲であり、厚い方が、抵抗が低くなり、且つ、強度も高くなるという観点から好ましいが、単位体積当たりの集積度は低くなり多くの電荷を蓄積することができなくなる。比較的低抵抗で損傷にしくいためには、下限値以上の厚みが好適であり、集積度を大きく劣化させることなく、低抵抗で強度が十分に保持できる厚みは上述の上限値以下の値である。
X2の範囲は、活物質層の現実的な厚み範囲を規定しており、電極活性炭粒子の接触抵抗が減るので、薄いほど厚み方向の内部抵抗は低くなる利点があるため、上記の上限値以下であることが好ましいが、薄すぎる場合には、活物質層としての機能が十分でなくなるため、相対的にはX4を下限値とし、この下限値よりも大きいことが好ましい。
X3の範囲は、セパレータの現実的な厚み範囲であり、薄いほうが厚み方向の内部抵抗が小さくなるという利点があるため、上記の上限値以下であることが好ましいが、薄すぎる場合には、セパレータとしての機能が十分ではなく、セパレータで分離された活物質層が実効的に短絡してしまうため、上記の下限値以上であることが好ましい。
X4の範囲に関して、補助金属箔の厚みX4は活物質層の厚みX2よりも小さく、その厚みは内部応力を低減するという観点から10μm以上であることが好ましい。
上述の電気化学デバイスによれば、補助金属箔T1,T2が、主金属箔A1,K2の露出領域における径方向(図7ではX軸方向)の可動範囲を若干狭めるので、主金属箔A1,K2のX軸方向の位置ずれによるインピーダンス変化を若干抑制することができる。補助金属箔T1,T2は厚みX4を有するので、補助金属箔T1.T2の側面(XY平面)と上述の電極板との接触面積を増加させ、これらの接触抵抗を減少させることができる。このように、接触抵抗が低減されると、素子の内部抵抗を抑えることができ、出力が向上する。また、かかる接触部位を介して放熱を行うことができる。したがって、本発明の電気化学デバイスは、インピーダンス特性と放熱特性に優ることとなる。なお、厚みX4は、上記観点から、可能な限り大きな方が好ましいが、上述の如く、活物質層よりも薄い場合には、電解液が容易に活物質層内に導入され、端子間のインピーダンスのばらつきが抑制され、インピーダンス特性が向上することとなる。
また、補助金属箔T1,T2の単独の厚みX4は、露出領域(寸法Z3の領域)において対向する主金属箔A1(或いはK2)間の隙間の距離L(=4×X2+2×X3+X1)よりも小さい。この場合には、補助金属箔T1,T2が、主金属箔間A1,K2の距離Lを幅方向(Z軸方向)端部において押し広げることにはならず、径方向寸法の大型化を抑制することができる。
また、補助金属箔T1,T2の材料は、主金属箔A1,K2の材料と同一であることが好ましい。例えば、双方ともアルミニウム或いは銅からなる。この場合、双方の材料は容易に溶接することができ、また、接触時に材料間の電位差も発生しないため、特性が安定するという利点もある。補助金属箔T1,T2と、主金属箔A1,K2とは、電気的に接続されており、レーザ光などで溶着(溶接)されていることが好ましいが、この溶接は、上記積層体を巻回しながら逐次行うことが好ましい。なぜならば、これらの間に応力が発生しにくいからである。
また、補助金属箔T1.T2が、主金属箔A1,K2の長手方向(巻回後には周方向となる)に沿って、主金属箔A1,K2に連続的又は断続的に溶接されている場合には、これらを強固に固定することができる。
なお、上記では、補助金属箔は主金属箔の片面に設けられたが、これは両面に設けられていても良い。補助金属箔の厚みX4が、活物質層(電極層)の厚みX2よりも小さいので、巻回時に内部に蓄積される応力は小さくなり、主金属箔の歪が少なくなり、形状のばらつきが少なくなる。なお、積層体の製造時には一定の圧力が厚み方向に印加される。
また、補助金属箔T1,T2の単独の厚みX4は、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2の単独の厚みX2の最大値の1/3以上であることが好ましい。すなわち、(1/3)×X2≦X4<X2である。この場合、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2のみならず補助金属層T1,T2が主金属箔A1,K2の強度増加に対して大きく寄与することとなり、この補助金属箔T1,T2を設けた主金属箔A1,K2が著しく変形しにくくなる。
図8は、実際の活物質層AE1,AE2,KE1,KE2の分布を説明するための積層体の断面図である。活物質層AE1,AE2,KE1,KE2は、最大値として一定の厚みを有する領域と、Z軸方向の一方向に向かうにしたがって徐々に薄くなっている領域を有している。この積層体は厚み方向(X軸方向)に沿ってプレスされるが、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2が補助金属箔T1,T2よりも厚いために、これらの補助金属箔T1,T2には圧力はかからず、一定の厚みが保持される。したがって、補助金属箔T1,T2の位置における端子断面積(XY断面)のばらつきは小さくなり、上述の電極板との接触抵抗のばらつきも小さくなり、端子間のインピーダンス特性に優れることになる。なお、Z軸方向の一端側の活物質層の厚みが最大値となっているのは、活物質層の塗布の後に、帯状電極のZ軸方向の一端を、XY平面に平行に切断したためである。
活物質層AE1,AE2,KE1,KE2と、補助金属箔T1,T2とは物理的に離間していてもよいが、これらは若干接触していてもよい。同図では、補助金属箔T1,T2の一部分が、活物質層の裾野部分に若干乗り上げている場合を示している。また、逆に、補助金属箔T1,T2の一部分の上に、活物質層の裾野部分が乗り上げていてもよい。また、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2の薄い領域は、セパレータS1とは接触しておらず、したがって、レーザ光による溶接時において、補助金属箔T1,T2から活物質層の薄い部分に伝播してきた熱によって、セパレータS1(S2)が損傷しにくいという利点がある。
このように、本発明の電気化学デバイスでは、活物質層AE1,AE2,KE1,KE2は、厚い領域と、薄い領域とを有しており、薄い領域は、厚い領域よりも補助金属箔T1,T2側に位置し、薄い領域とセパレータS1(S2)とは接触していない。これにより、補助金属箔T1,T2を溶接時に加熱する場合において、薄い領域を介した熱がセパレータS1(S2)に直接伝導しないため、セパレータS1(S2)の損傷を抑制することができる。
A・・・アノード電極、A1,K2・・・主金属箔、AE1,AE2,KE1,KE2・・・活物質層、K・・・カソード電極、T1,T2・・・補助金属箔。

Claims (4)

  1. 巻回された帯状の積層体と、前記積層体を電解液と共に収納する包囲体とを備え、前記帯状の積層体が、一対の帯状電極と前記帯状電極の一方を挟む一対のセパレータとを有し、それぞれの前記帯状電極は、帯状の主金属箔及び前記主金属箔に設けられた活物質層を有する巻回型の電気化学デバイスにおいて、
    帯状の前記主金属箔の隣接するもの同士の位置は幅方向に沿ってずれており、これらが重なっていない領域に前記活物質層が形成されていない露出領域が設定され、この露出領域には、帯状の補助金属箔が前記主金属箔の長手方向に沿って設けられており、
    前記補助金属箔の単独の厚みは、前記活物質層の単独の厚みよりも薄い、
    ことを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記補助金属箔の単独の厚みは、前記活物質層の単独の厚みの最大値の1/3以上である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記補助金属箔の材料は、前記主金属箔の材料と同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記活物質層は、
    厚い領域と、
    薄い領域と、
    を有しており、
    前記薄い領域は、前記厚い領域よりも前記補助金属箔側に位置し、
    前記薄い領域と前記セパレータとは接触していない、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。



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