JP2012182343A - 蓄電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気を外部に取り出すための十分な導電経路を確保するとともに、電極面全面に速やかに電解液を浸透させることができ、さらに電極面で発生したガスを速やかに放出する経路を確保することで、安定した性能を発揮できる蓄電デバイスを得る。
【解決手段】蓄電デバイスは、正極活物質層が正極集電箔の表面に形成された正極と、負極活物質層が負極集電箔の表面に形成された負極とがセパレータを介して扁平に巻回された巻回体を有する蓄電デバイスにおいて、上記正極集電箔には上記正極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、上記負極集電箔には上記負極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、上記正極と上記負極は、上記正極集電箔の側縁部と上記負極集電箔の側縁部とが重ならないように巻回され、上記正極集電箔と上記負極集電箔は、それぞれ楕円状に巻回されて重なった上記側縁部の一部の弧が接合された。
【選択図】図１

Description

この発明は、非水電解液の浸透、発生ガスの排出を円滑に行うための蓄電デバイスおよびその製造方法に関するものである。

従来の蓄電デバイスでは、正極活物質と負極活物質とをそれぞれアルミニウムまたは銅の集電箔シート表面に側端部を一部残して形成し、イオン導電性の絶縁材シートであるセパレータを介して重ねたシート群を巻回してセルを構成している。そして、このセルを包むように外装で覆い、内部に電解液を注入し、充放電できる状態にする。また、正極と負極それぞれの集電箔シートの活物質が形成されてない側端部全体と、外部に電気を取り出すための正極と負極それぞれの端子部材を接合し、外装の外部に導いている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００５−２１６８２５号公報 特開２００５−２０３１９２号公報

この蓄電デバイスでは、電解液を注入する際、電極全面に電解液が浸透する必要があり、その経路は巻回軸方向側端部から活物質、セパレータおよびその層間を通して浸透することになる。一方、電極面から電気を取り出すために集電箔シート両側端部が端子部材である集電端子と接合されているため、側端部の層間からの電解液の浸透を妨げたり、電極面の一部に浸透しなかったり、浸透させるために長い時間を要するという問題点がある。
また、集電箔シートの両側端部がそれぞれ集電端子と接合されているため、充放電や高電位にすることによって発生するガスが排出されにくいという問題点がある。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電気を外部に取り出すための十分な導電経路を確保するとともに、電極面全面に速やかに電解液を浸透させることができ、さらに電極面で発生したガスを速やかに放出する経路を確保することで、安定した性能を発揮できる蓄電デバイスおよびその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る蓄電デバイスは、正極活物質層が正極集電箔の表面に形成された正極と、負極活物質層が負極集電箔の表面に形成された負極とがセパレータを介して扁平に巻回された巻回体を有する蓄電デバイスにおいて、上記正極集電箔には上記正極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、上記負極集電箔には上記負極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、上記正極と上記負極は、上記正極集電箔の側縁部と上記負極集電箔の側縁部とが重ならないように巻回され、上記正極集電箔と上記負極集電箔は、それぞれ楕円状に巻回されて重なった上記側縁部の一部の弧が接合された。

この発明に係る蓄電デバイスは、巻回した集電箔とセパレータの層間は巻回軸方向の両側端のうち一方は必ず開放されているため、注入した電解液が開放している部分から電極に浸透し、浸透箇所に偏りがなく、短時間に全領域の電極に電解液を浸透することが可能となる。
また、電極面で発生したガスは開放端から排出されるため、セル内部に滞留することがなく、安定した蓄電性能を発揮することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る蓄電デバイスの外装を施す前の扁平巻回セルを示す斜視図である。 図１に示す扁平巻回セルを巻回軸を含む平面で短辺方向に切った断面図である。 正極、負極及びセパレータの位置関係を示す部分断面図である。 超音波溶接機により巻回体の集電箔に集電端子を接合する様子を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る蓄電デバイスの外装を施す前の扁平巻回セルを示す斜視図である。

以下、本発明の蓄電デバイスの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る蓄電デバイスの外装を施す前の扁平巻回セル１を示す斜視図である。図２は、図１に示す扁平巻回セル１を巻回軸Ｌを含む平面で短辺方向に切った断面図である。図３は、正極２ａ、負極２ｂ及びセパレータ２ｃの位置関係を示す部分断面図である。
この発明の実施の形態１に係る蓄電デバイスは、扁平巻回セル１と、扁平巻回セル１を収納する外装８と、扁平巻回セル１内に充填される図示しない電解液から構成される。尚、以下の説明では、断面が扁平な略長方形であり、長辺が１０ｃｍ程度、短辺が２ｃｍ程度、高さが１０ｃｍ程度の扁平巻回セル１を例として上げるが、これに限るものではない。

扁平巻回セル１は、正極活物質層４ａを正極集電箔３ａの幅方向の一方の帯状の左側縁部５ａを除いて両側の表面に形成された正極２ａと、負極活物質層４ｂを負極集電箔３ｂの幅方向の一方の帯状の右側縁部５ｂを除いて両側の表面に形成された負極２ｂとを、セパレータ２ｃを介して扁平に巻回された巻回体６を有する。尚、正極集電箔３ａに正極活物質層４ａを塗工されない左側縁部５ａと、負極集電箔３ｂに負極活物質層４ｂを塗工されない右側縁部５ｂとは、正極２ａと負極２ｂとを巻回したときに、巻回体６の巻回軸Ｌに対して異なる端部に位置している。

正極集電箔３ａの厚みは２０〜５０μｍ、材質はアルミニウム、負極集電箔３ｂの厚みは２０〜５０μｍ、材質は銅またはアルミニウムである。セパレータ２ｃの厚みは２０〜５０μｍであり、材質はミクロン級の孔を多数有する紙、またはＰＴＦＥであり、その気孔率は、４０〜８０％程度である。尚、電気二重層キャパシタでは、電極は正負極とも約５０〜１００μｍ程度の厚みを有する活性炭で主成分として形成される。

巻回体６は、負極活物質層４ｂより幅が数ｍｍ〜１ｃｍ程度大きいセパレータ２ｃの上に負極活物質層４ｂが重なるように負極２ｂを重ね、その負極２ｂの負極活物質層４ｂ上にセパレータ２ｃを重ね、さらに正極活物質層４ａが重なるように正極２ａを重ね、これらを扁平状に巻回して形成される。尚、セパレータ２ｃの幅は正極活物質層４ａの幅よりも広いが、正極集電箔３ａと負極集電箔３ｂの幅に対して左側縁部５ａと右側縁部５ｂの幅分位小さくしている。

そして、巻回した状態では、正極集電箔３ａと負極集電箔３ｂはセパレータ２ｃにより正極活物質層４ａ、負極活物質層４ｂの周囲を含み絶縁される。一方、巻回軸方向の一方に向かって正極集電箔３ａの左側縁部が数ミリから１ｃｍ程度突出し、巻回軸方向の他方に向かって負極集電箔３ｂの右側縁部が数ミリから１ｃｍ程度突出している。

正極集電箔３ａの左側縁部５ａの端部は、正極２ａ、負極２ｂ、セパレータ２ｃを扁平に巻回した後では、巻回軸Ｌを中心として扁平状の周上にある。また、負極集電箔３ｂの右側縁部５ｂの端部も、正極２ａ、負極２ｂ、セパレータ２ｃを扁平に巻回した後では、巻回軸Ｌを中心として扁平状の周上にある。
そして、正極集電箔３ａの左側縁部５ａの扁平状の周のうち一方の長辺の左側縁部５ａを正極集電端子７ａに接合する。また、負極集電箔３ｂの右側縁部５ｂの扁平状の周のうち、巻回軸方向に向かって正極集電端子７ａが接合された左側縁部５ａとは反対の長辺の右側縁部５ｂを負極集電端子７ｂに接合する。

正極集電端子７ａ、負極集電端子７ｂの材質はアルミニウムまたは銅で、その寸法は設計電流によって異なるが、１００〜２００Ａ程度を定格とする場合、厚み０．５ｍｍ、幅５０ｍｍ程度が妥当である。正極集電端子７ａ、負極集電端子７ｂは、外装８の外までの長さを有し、外装８の外で外部導線と接合される。従って正極集電端子７ａ、負極集電端子７ｂの外装外部の長さは２０ｍｍ程度あれば十分である。
外装８は、表面に樹脂をコーティングしたアルミラミネートシートを袋状にしたものである。

このように、巻回体６の巻回軸Ｌに対して一方の端面には、正極集電端子７ａと接合されずに互いに隣接する正極集電箔３ａの左側縁部５ａとの間に隙間が空いており、その隙間は少なくとも４層の活物質層４ａ、４ｂの厚みであり、その隙間には注液した電解液がほぼ均一に溜まるので、その隙間に面した活物質層４ａ、４ｂに均一に浸透し、活物質層４ａ、４ｂへの電解液の浸透にムラが発生しない。

また、巻回体６の巻回軸Ｌに対して反対方向の端面には、負極集電端子７ｂと接合されずに互いに隣接する負極集電箔３ｂの右側縁部５ｂとの間に隙間が空いており、その隙間は少なくとも４層の活物質層４ａ、４ｂの厚みであり、その隙間には注液した電解液がほぼ均一に溜まるので、その隙間に面した活物質層４ａ、４ｂに均一に浸透し、活物質層４ａ、４ｂへの電解液の浸透にムラが発生しない。
また、活物質層４ａ、４ｂで発生したガスは、巻回体６の内部に溜まることなく、開放端から外部に放出される。

実施の形態２．
図４は、超音波溶接機により巻回体６の集電箔３ａ、３ｂに集電端子７ａ、７ｂを接合する様子を示す図である。
この発明の実施の形態２においては、巻回体６の集電箔３ａ、３ｂに集電端子７ａ、７ｂを接合する工程を説明する。
まず、集電箔３ａ、３ｂに集電端子７ａ、７ｂを接合する前に正極２ａと負極２ｂとをセパレータ２ｃを介して、図３に示すように重ね、厚み２ｍｍ程度の板に扁平状に巻回して、その後板を抜き取って巻回体６を準備する。板を抜き取った後には板の形状の隙間が存在するので、短辺方向に押しつぶして隙間を消滅させる。

巻回体６の巻回軸方向の一方の端部には正極集電箔３ａの左側縁部５ａが周回して突出しており、その周回している左側縁部５ａのうち、一方の長辺側の左側縁部５ａを正極集電端子用接合箇所とする。
また、巻回体６の巻回軸方向の他方の端部には負極集電箔３ｂの右側縁部５ｂが周回して突出しており、その周回している右側縁部５ｂのうち、正極集電箔３ａの左側縁部５ａの接合箇所とした長辺に対向する長辺側の右側縁部５ｂを負極集電端子用接合箇所とする。

集電端子７ａ、７ｂと集電箔３ａ、３ｂの接合は、超音波溶接機１１のホーン１２とアンビル１３で挟む超音波溶接で行う。そして、この発明で使用する超音波溶接機１１のアンビル１３は、受圧部分が受圧方向とほぼ直角方向に突起し、集電箔３ａ、３ｂの端部の一部のみを溶接する。
その厚みが、巻回体６の巻回軸方向の端部に突出している集電箔３ａ、３ｂの側縁部５ａ、５ｂに囲まれた隙間に挿入でき、且つホーン１２から加わる振動を受けることができる強度を有し、厚みが５ｍｍ程度である。

そして、正極集電端子用接合箇所の左側縁部５ａを正極集電端子７ａと正極接合補助部材９ａで挟み、挟んだままで超音波溶接機１１のホーン１２とアンビル１３の間に挟み込み、超音波振動を加えて接合する。
次に、巻回体６の向きを巻回軸Ｌに対して手前側と向う側とをひっくり返す。すると、巻回体６の手前の端部には負極集電箔３ｂの右側縁部５ｂが周回しており、この周回している右側縁部５ｂのうち、正極集電端子７ａが接合された長辺と対向する長辺側の右側縁部５ｂを接合箇所とする。
正極側と同様にして、接合箇所の右側縁部５ｂを負極集電端子７ｂと負極接合補助部材９ｂで挟み、挟んだままで超音波溶接機１１のホーン１２とアンビル１３の間に挟み込み、超音波振動を加えて接合する。

従来のアンビルは直方体で構成されているため、溶接しない集電端子部分が干渉し、巻回部全体を挟み込むかまたは、不要な部分を接合前に切断する必要があったが、この発明のアンビル１３は、突起を形成しているため、干渉しないで溶接することが可能となる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る蓄電デバイスの外装を施す前の扁平巻回セル１Ｂを示す斜視図である。
この発明の実施の形態３に係る蓄電デバイスの扁平巻回セル１Ｂは、この発明の実施の形態１に係る蓄電デバイスの扁平巻回セル１と正極集電端子７ａと負極集電端子７ｂの引き出される方向が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分には同じ符号を付記し説明を省略する。

この発明の実施の形態１に係る正極集電端子７ａと負極集電端子７ｂは、巻回軸方向に引き出されているのに対して、この発明の実施の形態３に係る正極集電端子７ａと負極集電端子７ｂは、巻回軸に対して垂直な方向に引き出されている。
このように巻回軸に対して垂直な方向に正極集電端子７ａと負極集電端子７ｂを引き出すことにより、コンパクトな蓄電デバイスを得ることが可能となる。

１、１Ｂ 扁平巻回セル、２ａ 正極、２ｂ 負極、２ｃ セパレータ、３ａ 正極集電箔、３ｂ 負極集電箔、４ａ 正極活物質層、４ｂ 負極活物質層、５ａ 左側縁部、５ｂ 右側縁部、６ 巻回体、７ａ 正極集電端子、７ｂ 負極集電端子、８ 外装、９ａ 正極接合補助部材、９ｂ 負極接合補助部材、１１ 超音波溶接機、１２ ホーン、１３ アンビル。

Claims (4)

1. 正極活物質層が正極集電箔の表面に形成された正極と、負極活物質層が負極集電箔の表面に形成された負極とがセパレータを介して扁平に巻回された巻回体を有する蓄電デバイスにおいて、
   上記正極集電箔には上記正極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、
   上記負極集電箔には上記負極活物質層が形成されない帯状の側縁部が形成され、
   上記正極と上記負極は、上記正極集電箔の側縁部と上記負極集電箔の側縁部とが重ならないように巻回され、
   上記正極集電箔と上記負極集電箔は、それぞれ楕円状に巻回されて重なった上記側縁部の一部の弧が接合されたことを特徴とする帯電デバイス。
2. 上記正極集電箔の上記楕円状に重なった側縁部を上記負極集電箔の上記楕円状に重なった側縁部に巻回軸に沿って投影したとき、上記正極集電箔の接合された側縁部が上記負極集電箔の接合された側縁部に重ならないことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 上記接合された側縁部に集電端子を接合することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイス。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の蓄電デバイスの重なった側縁部を接合する蓄電デバイスの製造方法において、
   上記重なった側縁部を受圧方向とほぼ直角の方向に突起した受圧部分を少なくとも有するホーンとアンビルとで挟んで超音波溶接を行うことを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。

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