JP2014022585A - エネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイス - Google Patents

エネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイス Download PDF

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Abstract

【課題】内部抵抗を低減して、容量を大きくすることのできるエネルギーデバイス電極構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】集電極10と、集電極上に配置されたアンダーコート層12と、アンダーコート層上に配置され、2種類以上の粒径を有する活性炭を含む活物質電極層14とを備えることにより、内部抵抗を低減して、容量を大きくすることができるようにした。
【選択図】図4

Description

本発明は、エネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイスに係り、特に内部抵抗を低減して、容量を大きくすることのできるエネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイスに関する。
従来、エネルギーデバイスとしては、ラミネート型の蓄電デバイスや電気二重層キャパシタなどが知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
特開2000−12407号公報 特開2001−338848号公報 特開2003−217646号公報
従来の電気二重層キャパシタにおける正負極の活物質集電極は、電極箔の表面にエッチングによって凹凸を形成し、その上に、ゴム系のバインダに1種類の粒径の活性炭を混ぜた混合物を塗布して作製されていた。
この場合には、集電極箔表面の凹凸部の酸化被膜が比較的厚く形成されるため、内部抵抗が大きくなり易いという問題があった。
また、ゴム系のバインダは耐熱性が余り高くないため、活物質電極を作製する過程で高温乾燥による溶媒や水分等の除去が十分にできないという不都合もあった。
本発明の目的は、内部抵抗を低減して、容量を大きくすることのできるエネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイスを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、集電極と、前記集電極上に配置されたアンダーコート層と、前記アンダーコート層上に配置され、2種類以上の粒径を有する活性炭を含む活物質電極層とを備えるエネルギーデバイス電極構造が提供される。
本発明の他の態様によれば、集電極上にアンダーコート層用塗布液を塗布する工程と、前記アンダーコート層用塗布液を乾燥させて、アンダーコート層を形成する工程と、前記アンダーコート層上に2種類以上の粒径を有する活性炭と200℃以上の耐熱性を備えるバインダの混合物から成る活物質電極層用塗布液を塗布する工程と、前記活物質電極層用塗布液を200℃以上の温度で乾燥させて、活物質電極層を形成する工程と、前記集電極、前記アンダーコート層および前記活物質電極層からなる積層構造をロールプレスする工程とを有するエネルギーデバイス電極構造の製造方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、上記のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備える電気二重層キャパシタが提供される。
本発明の他の態様によれば、上記のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備えるリチウムイオンキャパシタが提供される。
本発明の他の態様によれば、上記のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備えるリチウムイオン電池が提供される。
本発明によれば、内部抵抗を低減して、容量を大きくすることのできるエネルギーデバイス電極構造およびその製造方法、およびエネルギーデバイスを提供することができる。
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の模式的断面構造図。 実施の形態の変形例1に係るエネルギーデバイス電極構造の模式的断面構造図。 比較例に係るエネルギーデバイス電極構造の模式的構造図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の模式的構造図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の実験結果を示す表。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造に適用可能な電極シートの断面SEM画像図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の活物質断面の1千倍に拡大された断面SEM画像図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の活物質断面の3千倍に拡大されたSEM画像図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の活物質断面の1万倍に拡大されたSEM画像図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法であって、(a)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その1)、(b)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その2)、(c)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その3)、(d)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その4)。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法であって、(a)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その5)、(b)製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図(その6)。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造であって、ロールプレス工程を説明する模式的断面構造図。 他の実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法であって、(a)製造方法の一工程を説明する模式的鳥瞰構造図(その1)、(b)製造方法の一工程を説明する模式的鳥瞰構造図(その2)、(c)製造方法の一工程を説明する模式的鳥瞰構造図(その3)、(d)製造方法の一工程を説明する模式的鳥瞰構造図(その4)。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用した電気二重層キャパシタの模式的断面構造図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオンキャパシタの模式的断面構造図。 実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオン電池の模式的断面構造図。
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[実施の形態]
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造2は、図1に示すように、集電極10と、集電極10上に配置されたアンダーコート層12と、アンダーコート層12上に配置され、2種類以上の粒径を有する活性炭200・201を含む活物質電極層14を備える。
実施の形態の変形例1に係るエネルギーデバイス電極構造2は、図2に示すように、集電極10と、集電極10上に配置されたアンダーコート層12と、アンダーコート層12上に配置され、アンダーコート層12上に配置され、2種類以上の粒径を有する活性炭200、201を含む活物質電極層14とを備え、アンダーコート層12は、第2バインダ24を含み、第1バインダ22aと第2バインダ24は、融点が異なっている。図1および図2に示すように、アンダーコート層12と活物質電極層14の積層構造により、活物質電極構造16が形成されている。
(比較例)
比較例に係るエネルギーデバイス電極構造2は、図3に示すように、ゴム系のバインダ22に1種類の粒径の活性炭100と、導電補助材101としてのカーボンを混ぜた混合物を塗布して作製されている。この場合には、集電極箔表面の酸化被膜が比較的厚く形成されるため、内部抵抗が大きくなり易い。
特に、活物質を比較的厚く塗布した場合には、微粒子の活性炭だけでは表面積が大きくなり過ぎるため、バインダ22の混合比を大きくする必要がある。そのため、内部抵抗が大きくなり、容量の低下を招いてしまう。
また、ゴム系のバインダ22は耐熱性が余り高くないため、活物質電極を作製する過程で高温乾燥による溶媒や水分等の除去が十分にできない。
そのため、比較例に係るエネルギーデバイス電極構造2は、剥がれ易く耐久性が低い。
(エネルギーデバイス電極構造)
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造2は、図4に示すように、2種類の粒径を有する活性炭200・201と、200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aと、導電補助材101としてのカーボンを混ぜた混合物を塗布して作製されている。
なお、バインダ22aは、アラミド系またはポリイミド系の樹脂で構成可能である。
アラミド系のバインダとしてはたとえばアミド結合の60%以上が芳香環に直接結合した線状高分子化合物が包含され、具体的には、例えば、ポリメタフェニレンイソフタルアミド及びその共重合体、ポリパラフェニレンテレフタルアミド及びその共重合体、ポリ(パラフェニレン)−コポリ(3,4−ジフェニルエーテル)テレフタールアミドなどが挙げられる。これらのアラミドは、例えば、イソフタル酸塩化物及びメタフェニレンジアミンを用いたそれ自体既知の界面重合法、溶液重合法等により工業的に製造されており、市販品として入手することができるが、これに限定されるものではない。これらのアラミドの中で、特に、ポリメタフェニレンイソフタルアミド(MPIA)が、良好な成型加工性、熱接着性、難燃性、耐熱性などの特性を備えている点で好ましく用いられる。また、本発明において、溶剤としては、アラミドを溶解することができるものであれば特に制限なく使用することができるが、なかでも、良溶媒であるN,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)のいずれかまたはその混合物が特に好ましい。
また、本実施の形態では、2種類の粒径を有する活性炭200・201としたが、2種類以上の粒径を有する活性炭を用いても良い。
2種類以上の粒径を有する活性炭は、球状の活性炭200と、球状以外の形状を呈する活性炭201との組み合わせとすることができる。
なお、球状以外の形状を呈する活性炭201は、その表面に破断面を有するようにできる。即ち、球状以外の形状を呈する活性炭201は、例えばミルなどによって粉砕されて形成されるため、その表面には球状の活性炭の表面とは異なる破断面が生じる。
また、球状以外の形状を呈する活性炭201は、最小外形寸法Aと、最大外形寸法aの比であるA/aが0.01〜0.8とされるようにできる。
また、球状以外の形状を呈する活性炭201の形状は、例えば、多面体、多面形状、鱗状、扁平状、不定形状などの非球形状に形成されることができ、望ましくは粉砕によってこれらの形状に成形される。
そして、このような非球形状に成形することによって比表面積を大きくすることができ、アンカー効果を得ることができる。
但し、粒子の最小外形寸法Aと、最大外形寸法aとの比A/aが大きいと、球形に近くなるため好ましくない。また一方、A/aが極端に小さいと活物質電極層用塗布液の流動性が極端に低下してしまうため、加工上好ましくない。そこで、A/aの好ましい範囲は、例えば0.01〜0.8程度であって、より好ましくは0.05〜0.5である。
また、球状以外の形状を呈する活性炭201は、所定の活性炭(例えば、粒径10μmの活性炭など)を粉砕したもので構成可能である。なお、所定の活性炭の粉砕は、ミルなどを用いて行われる。
また、球状の活性炭200の平均粒径は、例えば、約5μm以上とする。また、球状以外の形状を呈する活性炭201の平均粒径は、例えば、約1μm以上とする。
なお、このときの平均粒子径は走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察された粒子径を平均したものである。粒子が扁平である場合には長軸と短軸の平均値より粒子径として採用する。
このように、2種類の粒径を有する活性炭200・201を用いることにより、平均粒径の大きな球状の活性炭200の隙間に、平均粒径の小さな活性炭201が入り込むため、バインダ22aの混合比を大きくすることなく、導電パスを形成することができる。
また、200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aを用いているため、200℃以上の高温で乾燥させることができ、溶媒や残留水分等を十分に除去することができる。
これにより、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造2は、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
また、2種類の粒径を有する活性炭200・201を混合したことにより、アンカー効果を得ることができ、比較例に比べて剥がれ難く、耐久性を向上可能である。
(実験結果)
図5は、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の実験結果を示す表である。
ここで、内部抵抗は直流内部抵抗(Rdc)に対応する。ESR(Equivalent Series Resistance:等価直列抵抗)は1kHzの時の内部抵抗であり、交流インピーダンスに相当する。なお、条件A,B、Cの各サンプルによって容量値が異なるため、1Fあたりの抵抗値として比較するために、直流内部抵抗とESR(1kHz)の時定数で比較している。
条件Aでは、活性炭(粉砕)201が75%、活性炭(微粒子)200が25%とした。この場合の容量は17.96(F)、内部抵抗は41.0(mΩ)、ESR(1kHz)は24.0(mΩ)、時定数Rdcは0.736(Ω・F)、時定数ESRは0.431(Ω・F)であった。
条件Bでは、活性炭(粉砕)201が50%、活性炭(微粒子)200が50%とした。この場合の容量は17.68(F)、内部抵抗は17.0(mΩ)、ESR(1kHz)は16.0(mΩ)、時定数Rdcは0.301(Ω・F)、時定数ESRは0.283(Ω・F)であった。
条件Cでは、活性炭(粉砕)201が25%、活性炭(微粒子)200が75%とした。この場合の容量は15.47(F)、内部抵抗は27.0(mΩ)、ESR(1kHz)は18.0(mΩ)、時定数Rdcは0.418(Ω・F)、時定数ESRは0.278(Ω・F)であった。
時定数で比較した結果、図5から明らかなように、直流内部抵抗(Rdc)については条件Bが、ESR(1kHz)については条件Cが、抵抗値が小さいという結果を示している。また、総合的には条件Bが良い結果を示している。
(SEM画像)
図6〜図9に、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造に関するSEM画像を示す。
図6は、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造に適用可能な電極シート断面に関するSEM画像である。図6によれば、集電極を構成するアルミ箔の表裏に活物質が高密度に塗布されている状態が分かる。アルミ箔の表面側の活物質の厚さは、約60.0μm、アルミ箔の裏面側の活物質の厚さは、約58.0μmである。
図7〜図9は、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造に適用可能な活物質断面のSEM画像である。図7は103倍、図8は3×103倍、図9は104倍の拡大図である。図7〜図9によれば、活物質において、2種類の粒径を有する活性炭200、201やバインダ22a等が高密度に混合されている状態が分かる。
(製造方法)
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法は、
(a)集電極10上にアンダーコート層用塗布液120を塗布する工程と、
(b)アンダーコート層用塗布液120を乾燥させて、アンダーコート層12を形成する工程と、
(c)アンダーコート層12上に2種類以上の粒径を有する活性炭と200℃以上の耐熱性を備えるバインダの混合物から成る活物質電極層用塗布液140を塗布する工程と、
(d)活物質電極層用塗布液140を200℃以上の温度で乾燥させて、活物質電極層14を形成する工程と、
(e)集電極、アンダーコート層および活物質電極層からなる積層構造をロールプレスする工程とを有する。
即ち、図10に示すように、まず、集電極10を用意(図10(a))し、次いで、集電極10上にアンダーコート層用塗布液120を塗布する(図10(b))。
なお、図10(b)においてアンダーコート層用塗布液120には、残留水分34が存在する。
次いで、アンダーコート層用塗布液120を乾燥させ、残留水分34を除去してアンダーコート層12を形成する(図10(c))。
次に、アンダーコート層12上に2種類の粒径を有する活性炭200・201と200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aの混合物から成る活物質電極層用塗布液140を塗布する(図10(d))。
なお、バインダ22aは、アラミド系またはポリイミド系の樹脂で構成することができる。
2種類の粒径を有する活性炭200・201は、球状の活性炭と、球状以外の形状を呈する活性炭との組み合わせとすることができる。
また、球状以外の形状を呈する活性炭201は、所定の活性炭(例えば、粒径10μmの活性炭など)を粉砕したもので構成されるようにできる。所定の活性炭の粉砕は、ミルなどを用いて行われる。
また、球状の活性炭200の平均粒径は、例えば、約5μm以上、球状以外の形状を呈する活性炭201の平均粒径は、例えば、約1μm以上とすることができる。
次に、図11(a)に示すように、活物質電極層用塗布液140を200℃以上の温度で乾燥させて、図11(b)に示すように、集電極10上のアンダーコート層12上に活物質電極層14を形成する。図11(b)に示すように、アンダーコート層12と活物質電極層14の積層構造により、活物質電極構造16が形成されている。
ここで、2種類の粒径を有する活性炭200・201を用いることにより、平均粒径の大きな球状の活性炭200の隙間に、平均粒径の小さな活性炭201が入り込むので、バインダ22aの混合比を大きくすることなく、導電パスを形成することができる。
また、200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aを用いているので、200℃以上の高温で乾燥させることができ、溶媒や残留水分等を十分に除去することができる。
これにより、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
また、2種類の粒径を有する活性炭200・201を混合したことにより、アンカー効果を得ることができ、比較例に比べて剥がれ難く、耐久性を向上させることができる。
なお、乾燥後の活物質電極層14の厚さはd2、乾燥後のアンダーコート層12の厚さはd1となる。ここで、具体的な数値例としては、乾燥前の活物質電極層14の厚さD2は、例えば、約50μmに対して、乾燥後の活物質電極層14の厚さd2は、例えば、約35μmである。
次に、図12に示すように、集電極10、アンダーコート層12および活物質電極層14からなる積層構造をロールプレス機18のロール18u・18dを用いてロールプレスする。ロールプレス機18は、作業台20上に配置され、下ロール18dに対して上ロール18uの高さを調節することによって、ロール18u・18d間の幅を調整可能である。なお、このロールプレス工程は、ヒータなどを用いた加熱工程を併用しても良い。
図13には、他の実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法を示す。
図13に示すエネルギーデバイス電極構造の製造方法においては、集電極10上にアンダーコート層12u・12dを形成する工程は、集電極10の表裏両面に実施する。
また、アンダーコート層12u・12d上に第1バインダを含む活物質電極層14u・14dを形成する工程は、集電極10の表裏両面に形成されたアンダーコート層12u・12d上に実施する。
以下、図13を参照して他の実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造の製造方法の各工程を説明する。
まず、図13(a)に示すように、集電極10を準備する。集電極10は、例えば、アルミ箔、銅箔などを用いて形成することができる。
次に、図13(b)に示すように、集電極10の表裏両面上の一部分にアンダーコート層用塗布液120u・120dを塗布する。アンダーコート層用塗布液120u・120dの成分は、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの導電助剤と、アラミドバインダ等のバインダと、これらの溶剤とを含む。図13(b)から明らかなように、集電極10上のアンダーコート層用塗布液120u・120dの未塗布部分は、集電極10が露出している。アンダーコート層用塗布液120u・120dには、図13(b)に示すように、残留水分34が含まれている。
次に、図13(c)に示すように、アンダーコート層用塗布液120u・120dを乾燥させて、集電極10上にアンダーコート層12u・12dを形成する。図13(c)に示す乾燥工程では、上記の溶剤の除去と残留水分34の低減化が実施される。
次に、図13(d)に示すように、アンダーコート層12u・12d上に、活物質電極層用塗布液140u・140dを塗布する。
活物質電極層用塗布液140u・140dは、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの導電助剤と、2種類の粒径を有する活性炭200・201と200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aとの混合物から成る。
なお、バインダ22aは、アラミド系またはポリイミド系の樹脂で構成することができる。
2種類の粒径を有する活性炭200・201は、球状の活性炭と、球状以外の形状を呈する活性炭との組み合わせとすることができる。
また、球状以外の形状を呈する活性炭201は、所定の活性炭(例えば、粒径10μmの活性炭など)を粉砕したもので構成されるようにできる。所定の活性炭の粉砕は、ミルなどを用いて行われる。
また、球状の活性炭200の平均粒径は、例えば、約5μm以上、球状以外の形状を呈する活性炭201の平均粒径は、例えば、約1μm以上とすることができる。
次いで、図示は省略するが、活物質電極層用塗布液140を200℃以上の温度で乾燥させて、集電極10上のアンダーコート層12u・12d上に活物質電極層14u・14dを形成する。
ここで、2種類の粒径を有する活性炭200・201を用いることにより、平均粒径の大きな球状の活性炭200の隙間に、平均粒径の小さな活性炭201が入り込むので、バインダ22aの混合比を大きくすることなく、導電パスを形成することができる。
また、200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aを用いているので、200℃以上の高温で乾燥させることができ、溶媒や残留水分等を十分に除去することができる。
これにより、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
また、2種類の粒径を有する活性炭200・201を混合したことにより、アンカー効果を得ることができ、比較例に比べて剥がれ難く、耐久性を向上させることができる。
次に、図12の場合と同様に、集電極10、アンダーコート層12u・12dおよび活物質電極層14u・14dからなる積層構造をロールプレス機を用いてロールプレスする。
また、熱を加えながらロールプレスすることで、より残留水分量を低減化可能である。
(エネルギーデバイス)
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用した電気二重層キャパシタ4の模式的断面構造は、図14に示すように表される。
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオンキャパシタ6の模式的断面構造は、図15に示すように表される。
実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオン電池8の模式的断面構造は、図16に示すように表される。
図14〜図16を参照して、実施の形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したエネルギーデバイス(例えば、蓄電デバイス)の基本構造を説明する。
図14〜図16においては、電解液が浸漬され、セパレータ30を通じてイオンが充放電移動するが、電解液については、図示を省略している。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備える電気二重層キャパシタ4は、活物質電極層14aと活物質電極層14bとの間に、電解液とイオンが通過可能なセパレータ30を介在させている。集電極10a・10b上には、アンダーコート層12a・12bを介して活物質電極層14a・14bが配置されている。集電極10a・10bは電源電圧Vに接続されている。図14においては、アンダーコート層12aと活物質電極層14aの積層構造、およびアンダーコート層12bと活物質電極層14bの積層構造により、それぞれ活物質電極構造が形成される。
活物質電極層14a・14bは、上述のように2種類の粒径を有する活性炭200・201と200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22aとを有している。
これにより、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
セパレータ30は、耐熱性が必要ない場合にはポリプロピレン等を、耐熱性が必要な場合にはセルロース系のものを用いることができる。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用した電気二重層キャパシタ4は、電解液が含侵されており、セパレータ30を通して、電解液のイオンが充放電時に移動する。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用した電気二重層キャパシタは、LEDフラッシュ、モータ駆動用パワー電源(例えば、玩具向け)、電気自動車用蓄電素子(例えば、回生、スタータ用として)、太陽電池や振動発電からのエネルギー蓄電素子、高出力通信向けパワー蓄電素子、耐環境性蓄電素子(例えば、道路、鉄道、自転車用ライトの蓄電素子)などに適用できる。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオンキャパシタ6は、活物質電極層36と活物質電極層14b間に、電解液とイオンが通過可能なセパレータ30を介在させている。集電極11a・10b上には、アンダーコート層12a・12bを介して活物質電極層36・14bが配置されている。集電極10a・10bは電源電圧Vに接続されている。ここで、集電極11aは、例えば、銅箔から形成され、集電極10bは、例えば、アルミ箔から形成される。図15においては、アンダーコート層12aと活物質電極層36の積層構造およびアンダーコート層12bと活物質電極層14bの積層構造により、それぞれ活物質電極構造が形成される。
活物質電極層14bは、例えば、2種類の粒径を有する活性炭200・201および200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22a等から形成される。
これにより、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
負極側の活物質電極層36は、例えば、アラミドバインダ等のバインダ22を含有するLiドープカーボン(活性炭)から形成される。
リチウムイオンキャパシタ6には、電解液が含侵されており、セパレータ30を通して、電解液のイオンが充放電時に移動する。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオンキャパシタは、太陽電池や風力発電からのエネルギー蓄電素子、モータ駆動用パワー電源などに適用できる。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオン電池8は、活物質電極層36と活物質電極層38間に、電解液とイオンが通過可能なセパレータ30を介在させている。集電極11a・10b上には、アンダーコート層12a・12bを介して活物質電極層36・38が配置されている。集電極11a・10bは電源電圧Vに接続されている。ここで、集電極11aは、例えば、銅箔から形成され、集電極10bは、例えば、アルミ箔から形成される。
図16においては、アンダーコート層12aと活物質電極層36の積層構造およびアンダーコート層12bと活物質電極層38の積層構造により、それぞれ活物質電極構造が形成される。
正極側の活物質電極層38は、例えば、アラミドバインダ等のバインダ22を含有するLiCoOから形成される。
負極側の活物質電極層36は、例えば、2種類の粒径を有する活性炭200・201および200℃以上の耐熱性を備えるバインダ22a等から形成される。
これにより、内部抵抗を下げることができ、容量が低下することを防止することができる。
リチウムイオン電池8には、電解液が含侵されており、セパレータ30を通して、電解液のイオンが充放電時に移動する。
実施形態に係るエネルギーデバイス電極構造を適用したリチウムイオン電池は、携帯機器用のバッテリー、電気自動車用蓄電素子(定常運転時)、大規模蓄電素子(一般家庭向け)などに適用できる。
本発明によれば、内部抵抗を低減して、容量を大きくすることのできるエネルギーデバイス電極構造およびその製造方法を提供することができる。
また、このエネルギーデバイス電極構造を適用したエネルギーデバイスを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明のエネルギーデバイスは、LED−フラッシュモジュール、通信(高出力)モジュール、太陽電池モジュール、電源モジュール、玩具等のバックアップ用電源などとして適用可能である。また、LSI、時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、パソコン、携帯電話、玩具等のバックアップ用電源として、太陽光発電、ダイナモ発電、振動発電、熱電素子や発電等からの低出力エネルギーを蓄えるマイクロエナジー用蓄電素子として、カップリング用コンデンサとして、または平滑用コンデンサなどとして適用可能である。
2…エネルギーデバイス電極構造
4…電気二重層キャパシタ
6…リチウムイオンキャパシタ
8…リチウムイオン電池
10、10a、10b、11a…集電極
12、12u、12d、12a、12b…アンダーコート層
14、14u、14d、14a、14b、36、38…活物質電極層
16…活物質電極構造
18…ロールプレス機
18u、18d…ロール
20…作業台
22、22a、24、26、28、30、32…バインダ
34…残留水分
40…電解液
120、120u、120d…アンダーコート層用塗布液
140、140u、140d…活物質電極層用塗布液
200、201…活性炭

Claims (13)

  1. 集電極と、
    前記集電極上に配置されたアンダーコート層と、
    前記アンダーコート層上に配置され、2種類以上の粒径を有する活性炭を含む活物質電極層と
    を備えることを特徴とするエネルギーデバイス電極構造。
  2. 前記活物質は、200℃以上の耐熱性を備えるバインダが混合されることを特徴とする請求項1に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  3. 前記バインダは、アラミド系またはポリイミド系の樹脂で構成されることを特徴とする請求項2に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  4. 前記2種類以上の粒径を有する活性炭は、球状の活性炭と、球状以外の形状を呈する活性炭との組み合わせであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  5. 前記球状以外の形状を呈する活性炭は、その表面に破断面を有することを特徴とする請求項4に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  6. 前記球状以外の形状を呈する活性炭は、最小外形寸法Aと、最大外形寸法aの比であるA/aが0.01〜0.8とされることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  7. 前記球状以外の形状を呈する活性炭は、所定の活性炭を粉砕したもので構成されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  8. 前記球状の活性炭の平均粒径は5μm以上であることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  9. 前記球状以外の形状を呈する活性炭の平均粒径は1μm以上であることを特徴とする請求項4〜8のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造。
  10. 集電極上にアンダーコート層用塗布液を塗布する工程と、
    前記アンダーコート層用塗布液を乾燥させて、アンダーコート層を形成する工程と、
    前記アンダーコート層上に2種類以上の粒径を有する活性炭と200℃以上の耐熱性を備えるバインダの混合物から成る活物質電極層用塗布液を塗布する工程と、
    前記活物質電極層用塗布液を200℃以上の温度で乾燥させて、活物質電極層を形成する工程と、
    前記集電極、前記アンダーコート層および前記活物質電極層からなる積層構造をロールプレスする工程と
    を有することを特徴とするエネルギーデバイス電極構造の製造方法。
  11. 請求項1〜9のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
  12. 請求項1〜9のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備えることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
  13. 請求項1〜9のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス電極構造を正負極の活物質電極構造に備えることを特徴とするリチウムイオン電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101810625B1 (ko) * 2016-03-18 2018-01-25 삼화전기 주식회사 전기 이중층 커패시터의 전극 제조방법
CN113963958A (zh) * 2021-10-21 2022-01-21 海南大学 一种梯度电极及其制备方法及超级电容

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