JP2012199006A - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】セパレートシートの両電極シートに挟まれた部分に電解液量減少の現象を生じた場合でも該現象を迅速、且つ、確実に解消できる電気化学デバイスを提供する。
【解決手段】電気化学デバイス１０は、第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂと両電極シート１３ａ及び１３ｂの間に介装されたセパレートシート１３ｃとから構成された蓄電素子１３を備え、該セパレートシート１３ｃは、両電極シート１３ａ及び１３ｂに挟まれた高吸液度部１３ｃ１と、該高吸液度部１３ｃ１よりも吸液度が低く、且つ、両電極シート１３ａ及び１３ｂから外側に張り出した低吸液度部１３ｃ２とを連続して有しており、低吸液度部１３ｃの厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２は高吸液度部１３ｃ１の厚さＴｃ１よりも大きい。
【選択図】図２
【解決手段】電気化学デバイス１０は、第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂと両電極シート１３ａ及び１３ｂの間に介装されたセパレートシート１３ｃとから構成された蓄電素子１３を備え、該セパレートシート１３ｃは、両電極シート１３ａ及び１３ｂに挟まれた高吸液度部１３ｃ１と、該高吸液度部１３ｃ１よりも吸液度が低く、且つ、両電極シート１３ａ及び１３ｂから外側に張り出した低吸液度部１３ｃ２とを連続して有しており、低吸液度部１３ｃの厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２は高吸液度部１３ｃ１の厚さＴｃ１よりも大きい。
【選択図】図２
Description
本発明は、充放電可能な蓄電素子を封入した電気化学デバイスに関する。
携帯電話やノートパソコンやビデオカメラやデジタルカメラ等の電子機器には、メモリバックアップ等の用途に適した電源として、表面実装可能な電気化学デバイス、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等が用いられている。
この電気化学デバイスは、一般に、上面開口の凹部を有する絶縁性ケースと、該ケースの凹部を水密及び気密に閉塞した導電性リッドと、該閉塞凹部内に封入された充放電可能な蓄電素子及び電解液と、ケースの実装面に設けられた正極端子及び負極端子と、該正極端子と蓄電素子の正極側とを電気的に接続するための正極配線と、該負極端子と蓄電素子の負極側とを電気的に接続するための負極配線とを備えている（特許文献１を参照）。
前記蓄電素子は、活物質から成る所定サイズの第１電極シートと、活物質から成る所定サイズの第２電極シートと、イオン透過シートから成る所定サイズのセパレートシートとを、第１電極シート、セパレートシート、第２電極シートの順に積み重ねて構成されている。セパレートシートには両電極シートの外形寸法よりも僅かに大きい外形寸法を有するものが用いられているため、該セパレートシート１３の外周部分は両電極シートから外側に僅かに張り出している。因みに、第１電極シートと第２電極シートの材料は、電気化学デバイスの種類によって同じ場合と異なる場合とがある。
また、前記セパレートシートは、第１電極シートと第２電極シートの短絡を防止する役割と、第１電極シートと第２電極シートの対向面間に電解液を保持する役割と、保持された電解液中のイオン移動を許容する役割を担うことから、これら役割を果たすのに適した厚さを有する繊維系多孔質シートが一般に用いられている。
ところで、前記電気化学デバイスにあっては、電解液は主に第１電極シート、第２電極シート及びセパレートシートに含浸されており、該電解液は充放電過程において大きく流動することは無いが、該過程で両電極シート中の電解液に分解や劣化等を生じると、これに伴ってセパレートシートの両電極シートに挟まれた部分に含浸している電解液が両電極シートに引き込まれて該部分の電解液量が極めて微量ではあるが減少する現象を生じることがある。
このような現象を生じた場合、セパレートシートの両電極シートに挟まれた部分は、両電極シートに引き込まれた分に相当する電解液を、セパレートシートの両電極シートから外側に張り出した部分から引き込もうとする。しかしながら、セパレートシートの両電極シートから外側に張り出した部分の厚さは両電極シートに挟まれた部分の厚さと同じで、且つ、吸液度も同じであるため、両電極シートから外側に張り出した部分から両電極シートに挟まれた部分に電解液を直ぐに引き込むことは難しい。また、両電極シートから外側に張り出した部分に含浸している電解液量が微量であることも相俟って、前記現象がたびたび生じると、セパレートシートの両電極シートに挟まれた部分の電解液量の減少を解消できなくなり、該現象の累積によって充放電特性の低下を招来する。
尚、前記「吸液度」の用語は、明細書の［背景技術］以外の項目で使用した「吸液度」、特許請求の範囲で使用した「吸液度」、及び要約書で使用した「吸液度」の用語を含めて、ＪＩＳ−Ｌ−１９０７に規定されたバイレック法による吸水速度に相当する。また、明細書の［発明を実施するための形態］では、前記「吸液度」の単位としてｍｍ／１０ｍｉｎを用いている。
本発明の目的は、セパレートシートの両電極シートに挟まれた部分に電解液量減少の現象をたびたび生じた場合でも該現象を迅速、且つ、確実に解消できる電気化学デバイスを提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明は、上面開口の凹部を有するケースと、該ケースの凹部を水密及び気密に閉塞したリッドと、該閉塞凹部内に封入された充放電可能な蓄電素子及び電解液とを備え、該蓄電素子が第１電極シートと第２電極シートと両電極シートの間に介装されたセパレートシートとから構成された電気化学デバイスにおいて、前記セパレートシートは、前記両電極シートに挟まれた高吸液度部と、該高吸液度部よりも吸液度が低く、且つ、前記両電極シートから外側に張り出した低吸液度部とを連続して有しており、前記低吸液度部の厚さは、前記高吸液度部の厚さよりも大きい、ことをその特徴とする。
充放電過程で両電極シート中の電解液に分解や劣化等を生じると、これに伴ってセパレートシートの両電極シートに挟まれた高吸液度部に含浸している電解液が両電極シートに引き込まれて該部分の電解液量が極めて微量ではあるが減少する現象を生じるが、本発明によれば、このような現象を生じても、低吸液度部に含浸している電解液が吸液度差に応じて高吸液度部に直ぐに引き込まれて、該高吸液度部への電解液補充が即座に行われる。また、低吸液度部には相当量の電解液が含浸しているため、前記現象がたびたび生じても、その都度、高吸液度部への電解液補充が即座に行われる。つまり、セパレートシートの両電極シートに挟まれた部分（高吸液度部）に電解液量減少の現象をたびたび生じた場合でも該現象を迅速、且つ、確実に解消でき、該現象の累積によって生じ得る充放電特性の低下も未然に回避できる。
本発明の前記目的とそれ以外の目的と、構成特徴と、作用効果は、以下の説明と添付図面によって明らかとなる。
［第１実施形態］
図１〜図５は、本発明を適用した電気化学デバイス（第１実施形態）を示す。図１及び図２に示した電気化学デバイス１０は、絶縁性ケース１１と、導電性リッド１２と、蓄電素子１３と、正極端子１４と、負極端子１５と、正極配線１６と、負極配線１７と、を具備しており、ケース１１には正極端子１４と負極端子１５と正極配線１６と負極配線１７が設けられている他、結合リング１８と集電膜１９が設けられている。
図１〜図５は、本発明を適用した電気化学デバイス（第１実施形態）を示す。図１及び図２に示した電気化学デバイス１０は、絶縁性ケース１１と、導電性リッド１２と、蓄電素子１３と、正極端子１４と、負極端子１５と、正極配線１６と、負極配線１７と、を具備しており、ケース１１には正極端子１４と負極端子１５と正極配線１６と負極配線１７が設けられている他、結合リング１８と集電膜１９が設けられている。
<ケースの構成>
ケース１１は、アルミナ等の絶縁体材料から成り、所定の長さ、幅及び高さを有する直方体形状を成すように形成されている。また、ケース１１の上面には、上面視輪郭が矩形で所定の深さを有する上面開口の凹部１１ａが形成されている。つまり、ケース１１はその下面が実装面として利用される。さらに、ケース１１を上から見たときの４つの角部には、上面視輪郭が略１／４円を成す切り欠き１１ｂが上下方向に形成されている。このケース１１には、正極端子１４と負極端子１５と正極配線１６と負極配線１７が設けられている他、結合リング１８と集電膜１９が設けられている。
ケース１１は、アルミナ等の絶縁体材料から成り、所定の長さ、幅及び高さを有する直方体形状を成すように形成されている。また、ケース１１の上面には、上面視輪郭が矩形で所定の深さを有する上面開口の凹部１１ａが形成されている。つまり、ケース１１はその下面が実装面として利用される。さらに、ケース１１を上から見たときの４つの角部には、上面視輪郭が略１／４円を成す切り欠き１１ｂが上下方向に形成されている。このケース１１には、正極端子１４と負極端子１５と正極配線１６と負極配線１７が設けられている他、結合リング１８と集電膜１９が設けられている。
正極端子１４は、金等の導電体材料から成り、ケース１１の長さ方向の一端面の中央から下面に及ぶ断面Ｌ字形を成すように、且つ、所定の幅を有するように形成されている。負極端子１５は、金等の導電体材料から成り、ケース１１の長さ方向の他端面の中央から下面に及ぶ断面Ｌ字形を成すように、且つ、正極端子１４と略同じ幅を有するように形成されている。
図示を省略したが、ケース１１の材料等を原因として、該ケース１１の側面及び下面に正極端子１４及び負極端子１５を直接形成しても十分な密着力が得られない場合には、該側面及び下面に対する正極端子１４及び負極端子１５の密着力を高めるための密着補助層（例えば、ケース側から順にタングステン膜とニッケル膜とが並ぶもの等）を予めケース１１の側面及び下面に形成しておくと良い。
正極配線１６は、タングステン等の導電体材料から成り、ケース１１の長さ方向の一端面の中央から集電膜１９の下面に至るように該ケース１１の内部に形成されている。詳しくは、図３に示したように、正極配線１６は、正極端子１４と略同じ幅を有する部分（符号無し）と、該部分から内側に延びる計３本の帯状部１６ａと、各帯状部１６ａの端から集電膜１９に向かって延びる計３個の柱状部１６ｂとを有している。各柱状部１６ｂの位置はケース１１の凹部１１ａの底面において異なっており、該各柱状部１６ｂの上面は該凹部１１ａの底面で露出している。また、正極配線１６のケース１１の長さ方向の一端面から露出する部分は、正極端子１４の側面部分に電気的に接続されている。
負極配線１７は、タングステン等の導電体材料から成り、ケース１１の長さ方向の他端面の中央から該ケース１１の上面に至るようにその一部がケース１１の内部に形成され他部がケース１１の側面及び上面に形成されている。詳しくは、図３に示したように、負極配線１７は、負極端子１５と略同じ幅を有しケース１１内に位置する部分（符号無し）と、該部分から外側に延びケース１１内に位置する計２本の帯状部１７ａと、各帯状部１７ａと連続してケース１１の２つの切り欠き１１ｂの内面上に位置する計２本の帯状部１７ｂと、各帯状部１７ｂと連続してケース１１の上面上に位置する計２個の扇状部１７ｃとを有している。また、負極配線１７のケース１１の長さ方向の他端面から露出する部分は、負極端子１５の側面部分に電気的に接続されており、該負極配線１７のケース１１の上面に存する各扇状部１７ｃは、結合リング１８の下面に電気的に接続されている。
結合リング１８は、コバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）等の導電体材料から成り、ケース１１の上面視輪郭よりも僅かに小さな上面視輪郭の矩形状を成すように形成されている。また、結合リング１８の内孔１８ａの上面視輪郭は、ケース１１の凹部１１ａの上面視輪郭と略一致している。この結合リング１８は、内孔１８ａが凹部１１ａと整合するようにケース１１の上面に接合材を介して結合されているため、該内孔１８ａは凹部１１ａとの協働によって実質的な凹部を構成することになる。
図示を省略したが、ケース１１の材料等を原因として、該ケース１１の上面に結合リング１８を接合材、例えば、金−銅合金等のロウ材を用いて直接結合しても十分な結合力が得られない場合には、該上面に対する結合リング１８の結合力を高めるための結合補助層（例えば、上面側から順にタングステン膜とニッケル膜とが順に並ぶもの等）を予めケース１１の上面に形成しておくと良い。また、結合リング１８が電解液に対する耐食性が低い材料から成る場合には、電解液に対する耐食性を高めるための耐食性膜（例えば、表面側からニッケル膜と金膜が順に並ぶものや、この金膜を白金や銀やパラジウム等の他の金属膜に変えたもの等）を結合リング１８の表面（少なくとも上下面と内孔１８ａの内面）に形成しておくと良い。
集電膜１９は、アルミニウム等の導電体材料から成り、ケース１１の凹部１１ａの底面に該底面の上面視輪郭よりも僅かに小さな上面視輪郭をもって形成されている。また、ケース１１の凹部１１ａの底面に形成された集電膜１９は、正極配線１６の各柱状部１６ｂの露出部分に電気的に接続されている。
図示を省略したが、正極配線１６の各柱状部１６ｂの材料等を原因として、ケース１１の凹部１１ａの底面に集電膜１９を形成しても該各柱状部１６ｂの露出部分とに十分な電気伝導が得られない場合には、該各柱状部１６ｂの露出部分と集電膜１９の電気伝導を高めるための導電補助層（例えば、突出部分の表面側から順にニッケル膜と金膜が並ぶもの等）を予め該露出部分の表面に形成しておくと良い。
<リッドの構成及び結合方法>
リッド１２は、コバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）等の導電体材料から、好ましくは、コバール母材の上下面にニッケル膜を有するクラッド材やコバール母材の下面にニッケル膜を有するクラッド材や、これらのニッケル膜を白金や銀や金やパラジウム等の金属膜に変えたクラッド材等から成り、結合リング１８の上面視輪郭と略一致した上面視輪郭を有する矩形状に形成されている。図面には、リッド１２の中央部分が矩形状に盛り上がったものをリッド１２として示してあるが、平板形状を成すものを該リッド１２として用いても良い。
リッド１２は、コバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）等の導電体材料から、好ましくは、コバール母材の上下面にニッケル膜を有するクラッド材やコバール母材の下面にニッケル膜を有するクラッド材や、これらのニッケル膜を白金や銀や金やパラジウム等の金属膜に変えたクラッド材等から成り、結合リング１８の上面視輪郭と略一致した上面視輪郭を有する矩形状に形成されている。図面には、リッド１２の中央部分が矩形状に盛り上がったものをリッド１２として示してあるが、平板形状を成すものを該リッド１２として用いても良い。
このリッド１２は、ケース１１の凹部１１ａ（結合リング１８の内孔１８ａを含む）の内側に蓄電素子１３を配置した後に、その下面の外周部分を結合リング１８の上面に電気的に導通するように結合され、該結合によってケース１１の各凹部１１ａ（結合リング１８の内孔１８ａを含む）は水密及び気密に閉塞される。因みに、結合リング１８に対するリッド１２の結合には、シーム溶接やレーザ溶接等の直接接合法を利用できる他、導電性接合材を介在した間接接合法を利用できる。
<蓄電素子の構成及び配置方法>
蓄電素子１３は、矩形状の第１電極シート１３ａと、矩形状の第２電極シート１３ｂと、両電極シート１３ａ及び１３ｂの間に介装された矩形状のセパレートシート１３ｃと、から構成されている。第１電極シート１３ａ及び第２電極シート１３ｂはケース１１の凹部１１ａの上面視輪郭よりも小さな上面視輪郭を有し、セパレートシート１３ｃは両電極シート１３ａ及び１３ｂの上面視輪郭よりも僅かに大きく、且つ、ケース１１の凹部１１ａの上面視輪郭よりも僅かに小さな上面視輪郭を有している。
蓄電素子１３は、矩形状の第１電極シート１３ａと、矩形状の第２電極シート１３ｂと、両電極シート１３ａ及び１３ｂの間に介装された矩形状のセパレートシート１３ｃと、から構成されている。第１電極シート１３ａ及び第２電極シート１３ｂはケース１１の凹部１１ａの上面視輪郭よりも小さな上面視輪郭を有し、セパレートシート１３ｃは両電極シート１３ａ及び１３ｂの上面視輪郭よりも僅かに大きく、且つ、ケース１１の凹部１１ａの上面視輪郭よりも僅かに小さな上面視輪郭を有している。
第１電極シート１３ａ及び第２電極シート１３ｂは活性炭やＰＡＳ（ポリアセン系半導体）等の活物質から成り、セパレートシート１３ｃはガラス繊維やセルロース繊維やプラチック繊維等を主材料とした繊維系多孔質シートから成る。因みに、第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂの材料は、電気化学デバイス１０の種類によって同じ場合と異なる場合とがある。
セパレートシート１３ｃは、両電極シート１３ａ及び１３ｂに挟まれた高吸液度部１３ｃ１と、該高吸液度部１３ｃ１よりも吸液度が低く、且つ、両電極シート１３ａ及び１３ｂから外側に張り出した低吸液度部１３ｃ２とを連続して有している。また、低吸液度部１３ｃ２の厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２は高吸液度部１３ｃ１の厚さＴｃ１よりも大きく、好ましくは厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２は０．３〜０．８の範囲にある。後に説明するように、高吸液度部１３ｃ１は、図４に示したセパレートシート母材ＲＭ１３ｃの押し潰された中央部分から成り、低吸液度部１３ｃ２は、該セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの押し潰されていない外周部分から成る。さらに、低吸液度部１３ｃ２の表面における両電極シート１３ａ及び１３ｂに近い領域、要するに、低吸液度部１３ｃ２の表面の少なくとも一部は、両電極シート１３ａ及び１３ｂの外側面に接している。
この蓄電素子１３は、リッド１２によって閉塞された凹部１１ａ（結合リング１８の内孔１８ａを含む）の内側に、図示省略の電解液と一緒に封入されている。電解液には、公知の電解液、即ち、溶媒に電解質塩が溶解した溶液の他、溶媒不使用のイオン性液体が適宜使用できる。前者の電解液（溶液）の具体例としては、溶媒が鎖状スルホン、環状スルホン、鎖状カーボネート、環状カーボネート、鎖状エステル、環状エステル、ニトリル等で、リチウムイオン、四級アンモニウムイオン、イミダゾリウムイオン等のカチオンを含み、ＢＦ４、ＰＦ６、ＴＦＳＡ等のアニオンを含むものが挙げられる。また、後者の電解液（イオン性液体）の具体例としては、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、四級アンモニウムイオン等のカチオンを含み、ＢＦ４、ＰＦ６、ＴＦＳＡ等のアニオンを含むものが挙げられる。
また、図２に示したように、蓄電素子１３の第１電極シート１３ａの下面は導電性接着層２０を介して集電膜１９の上面に電気的に接続され、第２電極シート１３ｂの上面は導電性接着層２１を介してリッド１２の下面に電気的に接続されている。この導電性接着層２０及び２１は導電性接着剤の硬化物であり、該導電性接着剤には、好ましくは、導電性粒子を含有した熱硬化性接着剤、例えば、グラファイト粒子を含有したエポキシ系接着剤等が利用できる。
ここで、蓄電素子１３の配置方法を配置前の構成と併せて説明する。図４は蓄電素子１３の配置前の構成を示すもので、図中の１３ａは第１電極シート、１３ｂは第２電極シート１３ｂ、ＲＭ１３ｃはセパレートシート母材である。
第１電極シート１３ａは所定の長さＬａ及び幅Ｗａを有し、第２電極シート１３ｂは第１電極シート１３ａと略同じ長さＬｂ及び幅Ｗｂを有している。第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂの材料は先に説明した通りであり、また、各々の厚さは、電気化学デバイス１０の種類によって同じ場合と異なる場合とがある。
セパレートシート母材ＲＭ１３ｃは、所定の長さＬｃ、幅Ｗｃ及び厚さＴｃと所定の空隙率及び吸液度（平均値）を有し、両電極シート１３ａ及び１３ｂによる押し潰しが可能な硬度（柔らかさ）を有している。セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの長さＬｃは両電極シート１３ａ及び１３ｂの長さＬｃよりも好ましくは２０〜４０％程度長く、幅Ｗｃは両電極シート１３ａ及び１３ｂの幅Ｗａ及びＷｂよりも好ましくは２０〜４０％程度広い。また、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの材料は先に説明したセパレートシート１３ｃと材料と同じである。
蓄電素子１３を配置するときには、図５に示したように、先ず、集電膜１９の表面に未硬化の導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤に第１電極シート１３ａの下面を相対的に押し当てて密着させ、該導電性接着剤を硬化させた後に該第１電極シート１３ａに電解液を注液して含浸させる（ステップＳＴ１を参照）。次いで、第１電極シート１３ａの上面にセパレートシート母材ＲＭ１３ｃを載置し、該セパレートシート母材ＲＭ１３ｃに電解液を注液して含浸させる（ステップＳＴ２を参照）。これに前後して、リッド１２の下面に前記と同じ未硬化の導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤に第２電極シート１３ｂの上面を相対的に押し当てて密着させ、該導電性接着剤を硬化させた後に該第２電極シート１３ｂに電解液を注液して含浸させる。次いで、リッド１２の下面の外周部分を結合リング１８の上面に重ねると同時に、第２電極シート１３ｂの下面をセパレートシート１３ｃの上面に押し付ける（ステップＳＴ３を参照）。次いで、リッド１２を結合リング１８に結合する。
因みに、蓄電素子１３を構成する第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂに使用極性が予め定まっている場合には、ケース１１の各凹部１１ａ（結合リング１８の内孔１８ａを含む）の内側に蓄電素子１３を配置するときにその挿入順序に注意する。例えば、第１電極シート１３ａの使用極性が正極に定められ、且つ、第２電極シート１３ｂの使用極性が負極に定められている場合には、正極側の第１電極シート１３ａが集電膜１９の上面と向き合い、且つ、負極側の第２電極シート１３ｂがリッド１２の下面と向き合うようにする。
前記ステップＳＴ３では、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの中央部分が第１電極シート１３ａの上面と第２電極シート１３ｂの下面によって押し潰され、この押し潰された部分は、厚さＴｃ１の高吸液度部１３ｃ１となる（図２を参照）。セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの外周部分は押し潰されないことから、該押し潰されていない部分は厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２の低吸液度部１３ｃ２となり（図２を参照）、その厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２はセパレートシート母材ＲＭ１３ｃの厚さＴｃと変わらない。
<セパレートシートの空隙率及び吸液度>
ここで、前記セパレートシート１３ｃの高吸液度部１３ｃ１及び低吸液度部１３ｃ２の空隙率及び吸液度について具体例を挙げて説明する。
ここで、前記セパレートシート１３ｃの高吸液度部１３ｃ１及び低吸液度部１３ｃ２の空隙率及び吸液度について具体例を挙げて説明する。
実験によれば、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が８５％で電解液（ここでは溶媒が環状スルホランでカチオンがＴＥＭＡでアニオンがＢＦ４の溶液を使用）に対する吸液度（平均値）が１０ｍｍ／１０ｍｉｎのものを用いて、高吸液度部１３ｃ１の厚さＴｃ１と低吸液度部１３ｃ２の厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２との厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２が０．５のセパレートシート１３ｃを得た場合、高吸液度部１３ｃ１の空隙率は約７０％で低吸液度部１３ｃ２は約８４％であり、高吸液度部１３ｃ１の吸液度（平均値）は１６ｍｍ／１０ｍｉｎで低吸液度部１３ｃ２の吸液度（平均値）は１０．５ｍｍ／１０ｍｉｎであった。
この場合、先の押し潰しによって形成された高吸液度部１３ｃ１の空隙率（約７０％）が、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの空隙率（８５％）、並びに、低吸液度部１３ｃ２の空隙率（約８４％）と比較して大きく低下しない理由は、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が高いものを使用していることにある。他の実験によれば、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が８５〜９５％のものを用いれば、厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２が０．５の場合において、高吸液度部１３ｃ１に７０〜９０％の空隙率を確保できることが確認されている。加えて、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が８５〜９５％のものを用いれば、厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２が０．３〜０．８の範囲において、高吸液度部１３ｃ１の空隙率が、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの空隙率、並びに、低吸液度部１３ｃ２の空隙率と比較して大きく低下しないことも確認されている。
また、先の押し潰しによって形成された高吸液度部１３ｃ１の吸液度（平均値：１６ｍｍ／１０ｍｉｎ）がセパレートシート母材ＲＭ１３ｃの吸液度（平均値：１０ｍｍ／１０ｍｉｎ）、並びに、低吸液度部１３ｃ２の吸液度（平均値：１０．５ｍｍ／１０ｍｉｎ）と比較して大きく向上する理由は、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃ内の空隙の断面形が先の押し潰しによって小さくなることにある。他の実験によれば、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が８５〜９５％で、且つ、電解液に対する吸液度（平均値）が５〜３０ｍｍ／１０ｍｉｎのものを用いれば、厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２が０．５の場合において、高吸液度部１３ｃ１に７〜５２ｍｍ／ｍｉｎの吸液度を確保できることが確認されている。加えて、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃとして空隙率が８５〜９５％のものを用いれば、厚さ比Ｔｃ１／Ｔｃ２が０．３〜０．８の範囲において、高吸液度部１３ｃ１の吸液度が、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの吸液度、並びに、低吸液度部１３ｃ２の吸液度と比較して大きく向上することも確認されている。
<電気化学デバイス（第１実施形態）によって得られる効果>
前記電気化学デバイス１０にあっては、電解液は主に第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃに含浸されている。セパレートシート１３ｃは、両電極シート１３ａ及び１３ｂから外側に張り出し、且つ、高吸液度部１３ｃ１よりも厚さが大きな低吸液度部１３ｃ２を有しているため、該低吸液度部１３ｃ２には相当量の電解液が含浸されている。
前記電気化学デバイス１０にあっては、電解液は主に第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃに含浸されている。セパレートシート１３ｃは、両電極シート１３ａ及び１３ｂから外側に張り出し、且つ、高吸液度部１３ｃ１よりも厚さが大きな低吸液度部１３ｃ２を有しているため、該低吸液度部１３ｃ２には相当量の電解液が含浸されている。
第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃに含浸されている電解液は充放電過程において大きく流動することは無いが、該過程で両電極シート１３ａ及び１３ｂ中の電解液に分解や劣化等を生じると、これに伴ってセパレートシート１３ｃの両電極シート１３ａ及び１３ｂに挟まれた部分（高吸液度部１３ｃ１）に含浸している電解液が両電極シート１３ａ及び１３ｂに引き込まれて該部分の電解液量が極めて微量ではあるが減少する現象を生じることがある（図２の上下向きの実線矢印を参照）。
このような現象を生じても、前記電気化学デバイス１０によれば、低吸液度部１３ｃ２に含浸している電解液が吸液度差に応じて高吸液度部１３ｃ１に直ぐに引き込まれて、該高吸液度部１３ｃ１への電解液補充が即座に行われる（図２の左右向きの実線矢印を参照）。また、低吸液度部１３ｃ２には相当量の電解液が含浸しているため、前記現象がたびたび生じても、その都度、高吸液度部１３ｃ１への電解液補充が即座に行われる。つまり、セパレートシート１３ｃの両電極シート１３ａ及び１３ｂに挟まれた部分（高吸液度部１３ｃ１）に電解液量減少の現象をたびたび生じた場合でも該現象を迅速、且つ、確実に解消でき、該現象の累積によって生じ得る充放電特性の低下も未然に回避できる。
また、低吸液度部１３ｃ２の表面の少なくとも一部が両電極シート１３ａ及び１３ｂの外側面に接しているため、両電極シート１３ａ及び１３ｂ中の電解液に分解や劣化等を生じることに伴う電解液の引き込みが、高吸液度部１３ｃ１から両電極シート１３ａ及び１３ｂのルートでは無く、低吸液度部１３ｃ２から両電極シート１３ａ及び１３ｂへのルートにて直接に行われる（図２の破線矢印を参照）。つまり、高吸液度部１３ｃ１に含浸している電解液が両電極シート１３ａ及び１３ｂに引き込まれて該高吸液度部１３ｃ１の電解液量が減少する現象を、低吸液度部１３ｃ２から両電極シート１３ａ及び１３ｂへの電解液補充作用によって抑制できる。
［第２実施形態］
図６及び図７は、本発明を適用した電気化学デバイス（第２実施形態）を示す。この電気化学デバイスが、前記［第１実施形態］で説明した電気化学デバイス１０と異なるところは、
・蓄電素子１３のセパレートシート１３ｃ’として、高吸液度部１３ｃ１’と低吸液度部 １３ｃ２’が予め整形されたものを用いた点
にある。他の構成は前記［第１実施形態］で説明した電気化学デバイス１０と同じであるためその説明を省略する。
図６及び図７は、本発明を適用した電気化学デバイス（第２実施形態）を示す。この電気化学デバイスが、前記［第１実施形態］で説明した電気化学デバイス１０と異なるところは、
・蓄電素子１３のセパレートシート１３ｃ’として、高吸液度部１３ｃ１’と低吸液度部 １３ｃ２’が予め整形されたものを用いた点
にある。他の構成は前記［第１実施形態］で説明した電気化学デバイス１０と同じであるためその説明を省略する。
図６に示したセパレートシート１３ｃ’は、図４に示したセパレートシート母材ＲＭ１３ｃをプレス加工して高吸液度部１３ｃ１’と低吸液度部１３ｃ２’を予め整形したものである。詳しくは、第１電極シート１３ａの上面と同じ形状の上型と第２電極シート１３ｂの下面と同じ形状の下型を用い、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの中央部分を両型でプレスし押し潰して、厚さＴｃ１’の高吸液度部１３ｃ１’を形成する。セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの外周部分は押し潰されないことから、該押し潰されていない部分は厚さ（最大厚さ）Ｔｃ２’の低吸液度部１３ｃ２’となる。高吸液度部１３ｃ１’の厚さＴｃ１’は図２に示した厚さＴｃ１と同じであり、低吸液度部１３ｃ２’の厚さＴｃ２’は図２に示した厚さＴｃ２と同じである。
先に説明したように、セパレートシート母材ＲＭ１３ｃは押し潰しが可能な硬度（柔らかさ）を有しているが、該セパレートシート母材ＲＭ１３ｃの弾性力が強いと、押し潰しにより形成された高吸液度部１３ｃ１’の厚さＴｃ１’が押し潰し後に増加することもある。このような場合には、高吸液度部１３ｃ１’をプレスにより形成するときにその可塑に必要な熱を同時に加えて、押し潰し後の冷却によって高吸液度部１３ｃ１’の厚さＴｃ１’を維持できるようにすると良い。
蓄電素子１３を配置するときには、図７に示したように、先ず、集電膜１９の表面に未硬化の導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤に第１電極シート１３ａの下面を相対的に押し当てて密着させ、該導電性接着剤を硬化させた後に該第１電極シート１３ａに電解液を注液して含浸させる（ステップＳＴ１１を参照）。次いで、第１電極シート１３ａの上面にセパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の下面を互いが整合するように載置し、該セパレートシート１３ｃ’に電解液を注液して含浸させる（ステップＳＴ１２を参照）。これに前後して、リッド１２の下面に前記と同じ未硬化の導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤に第２電極シート１３ｂの上面を相対的に押し当てて密着させ、該導電性接着剤を硬化させた後に該第２電極シート１３ｂに電解液を注液して含浸させる。次いで、リッド１２の下面の外周部分を結合リング１８の上面に重ねると同時に、セパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の上面に第２電極シート１３ｂの上面を互いが整合するように載置する（ステップＳＴ１３を参照）。次いで、リッド１２を結合リング１８に結合する。
因みに、蓄電素子１３を構成する第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂに使用極性が予め定まっている場合には、ケース１１の各凹部１１ａ（結合リング１８の内孔１８ａを含む）の内側に蓄電素子１３を配置するときにその挿入順序に注意する。例えば、第１電極シート１３ａの使用極性が正極に定められ、且つ、第２電極シート１３ｂの使用極性が負極に定められている場合には、正極側の第１電極シート１３ａが集電膜１９の上面と向き合い、且つ、負極側の第２電極シート１３ｂがリッド１２の下面と向き合うようにする。
蓄電素子１３を配置した後のセパレートシート１３ｃ’の断面形状は図２に示したセパレートシート１３ｃの断面形状と同じであり、該セパレートシート１３ｃ’の空隙率及び吸液度も図２に示したセパレートシート１３ｃの空隙率及び吸液度と同じである。
<電気化学デバイス（第２実施形態）によって得られる効果>
前記電気化学デバイスによれば、前記［第１実施形態］の<電気化学デバイス（第１実施形態）によって得られる効果>で説明した効果と同じ効果が得られる。加えて、セパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の下面側には窪みが存在し、且つ、その下面形状は第１電極シート１３ａの上面形状と整合していると共に、該高吸液度部１３ｃ１’の上面側には窪みが存在し、且つ、その上面形状は第２電極シート１３ｂの下面形状と整合しているため、第１電極シート１３ａの上面にセパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の下面を載置する過程で両者の位置合わせを簡単、且つ、的確に行えると共に、セパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の上面に第２電極シート１３ｂの上面を載置する過程で両者の位置合わせを簡単、且つ、的確に行える。
前記電気化学デバイスによれば、前記［第１実施形態］の<電気化学デバイス（第１実施形態）によって得られる効果>で説明した効果と同じ効果が得られる。加えて、セパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の下面側には窪みが存在し、且つ、その下面形状は第１電極シート１３ａの上面形状と整合していると共に、該高吸液度部１３ｃ１’の上面側には窪みが存在し、且つ、その上面形状は第２電極シート１３ｂの下面形状と整合しているため、第１電極シート１３ａの上面にセパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の下面を載置する過程で両者の位置合わせを簡単、且つ、的確に行えると共に、セパレートシート１３ｃ’の高吸液度部１３ｃ１’の上面に第２電極シート１３ｂの上面を載置する過程で両者の位置合わせを簡単、且つ、的確に行える。
本発明は、充放電可能な蓄電素子を用いた各種電気化学デバイス、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタやレドックスキャパシタやリチウムイオン電池等に広く適用でき、該適用によって前記［発明を解決しようとする課題］に記した目的を達成できる。
１０…電気化学デバイス、１１…ケース、１１ａ…凹部、１２…リッド、１３…蓄電素子、１３ａ…第１電極シート、１３ｂ…第２電極シート、１３ｃ，１３ｃ’…セパレートシート、１３ｃ１，１３ｃ１’…高吸液度部、１３ｃ２，１３ｃ２’…低吸液度部、ＲＭ１３ｃ…セパレートシート母材。
Claims (3)
- 上面開口の凹部を有するケースと、該ケースの凹部を水密及び気密に閉塞したリッドと、該閉塞凹部内に封入された充放電可能な蓄電素子及び電解液とを備え、該蓄電素子が第１電極シートと第２電極シートと両電極シートの間に介装されたセパレートシートとから構成された電気化学デバイスにおいて、
前記セパレートシートは、前記両電極シートに挟まれた高吸液度部と、該高吸液度部よりも吸液度が低く、且つ、前記両電極シートから外側に張り出した低吸液度部とを連続して有しており、前記低吸液度部の厚さは、前記高吸液度部の厚さよりも大きい、
ことを特徴とする電気化学デバイス。 - 前記高吸液度部は、所定の厚さ及び空隙率を有するセパレートシート母材の押し潰された中央部分から成り、前記低吸液度部は、該セパレートシート母材の押し潰されていない外周部分から成る、
ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。 - 前記低吸液度部の表面の少なくとも一部は、前記両電極シートの外側面に接している、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
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