JP2014146686A - 蓄電デバイスの製造方法及び蓄電デバイス製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極板の製造のみならず、電極構造体を有する蓄電デバイス全体の製造において、簡便かつ効率良く、短時間で製造が可能である蓄電デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、正極シートと、負極シートと、一対のセパレータシートとを、正極シート及び負極シートがセパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、電源を配備し、該電源の正極を前記リチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行する蓄電デバイスの製造方法である。
【選択図】図１
【解決手段】長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、正極シートと、負極シートと、一対のセパレータシートとを、正極シート及び負極シートがセパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、電源を配備し、該電源の正極を前記リチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行する蓄電デバイスの製造方法である。
【選択図】図１
Description
本発明は、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスの製造方法及び蓄電デバイス製造装置に関する。
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。
そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオンキャパシタが提唱されている。
リチウムイオン二次電池は、正極にコバルト酸リチウムなどリチウム金属酸化物を用い、リチウムイオンをリチウム金属酸化物として電荷を蓄える。また負極では、炭素材料などに金属リチウムとして蓄えることができ、大きな容量を蓄えることができる。非水電解液を用い、電極間の電位差を大きくとることができ、蓄えるエネルギーを大きくすることができる。
リチウムイオンキャパシタは、正極側では、多孔質の炭素材料を用い、アニオンあるいはリチウムの吸脱着により電荷を蓄える。正極の電気二重層は、多孔質炭素材料の表面に形成される分子一層分程度の薄い層であるので、多くの電荷をたくわえることができ、大きな容量を得ることができる。また負極では、炭素材料などに金属リチウムとして蓄えることができ、大きな容量を蓄えることができる。
リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタのいずれも正極、負極間のリチウムイオンの受け渡しによって充放電が行われる。リチウムイオンキャパシタでは、電池の製造段階では、正極、負極のいずれにも充放電に関与するリチウム（リチウムイオンまたは金属リチウム）を蓄えていないので、あらかじめ、リチウムを蓄えておく必要がある。これは、正極にコバルト酸リチウムなどリチウム金属酸化物として正極に蓄えているリチウムイオン二次電池とは異なる原理のリチウムイオンキャパシタでは必ず必要である。
充放電に関与するリチウムを蓄える手段として、負極へのプレドープという方法が知られている。初回充電の前に、充放電に関与するリチウムを、炭素材料などからなる負極にあらかじめ金属リチウムとしてドープしておく方法である。
充放電に関与するリチウムを蓄える手段として、負極へのプレドープという方法が知られている。初回充電の前に、充放電に関与するリチウムを、炭素材料などからなる負極にあらかじめ金属リチウムとしてドープしておく方法である。
リチウムイオンキャパシタとしては、板状の電極を積層して構成する積層タイプと、電極をロール状に巻いて構成する捲回タイプとが知られている。プレドープは、電極を積層あるいは巻回する前の段階、積層あるいは巻回した後の段階いずれでも行うことができ、様々な方法が提唱されている。
捲回タイプのリチウムイオンキャパシタは、１枚の正極シートと１枚の負極シートとをセパレータシートを介して重ね合わせ、それらをロール状に巻くことで電極構造体が製造される。そして、その電極構造体は、有機電解質で満たされた有底筒状の容器本体内に装填され、その容器本体の開口部は蓋部材で密閉されている。なお、容器を構成する容器本体及び蓋部材は、例えば硬い金属材料を用いて形成される。
巻回タイプのリチウムイオンキャパシタに使用する電極の製造方法として、以下に示す方法が知られている（特許文献１参照）。
従来の電極製造方法は、エネルギー貯蔵装置の電極を製造する方法において、電極板を待機させる段階；リチウムイオンを含んだドーピング板を用いて、前記電極板にリチウムイオンをドーピングする段階；及び前記電極板を回収する段階を含み、前記電極板を待機させる段階、前記電極板にリチウムイオンをドーピングする段階、そして前記電極板を回収する段階はイン−サイチュで遂行される。
さらに前記リチウムドーピング工程が遂行された後の前記電極板を乾燥させる段階を含む。ことが記載されている。
このような製造方法によって、電極板の待機工程、リチウムイオンのドーピング工程、電極板の乾燥工程、そして電極板の回収工程を一つのドーピング装置でイン−ライン方式に自動化して処理して遂行することにより、エネルギー貯蔵装置の電極製造の工程時間を短縮し、生産量を向上させることができることが記載されている。
従来の電極製造方法は、エネルギー貯蔵装置の電極を製造する方法において、電極板を待機させる段階；リチウムイオンを含んだドーピング板を用いて、前記電極板にリチウムイオンをドーピングする段階；及び前記電極板を回収する段階を含み、前記電極板を待機させる段階、前記電極板にリチウムイオンをドーピングする段階、そして前記電極板を回収する段階はイン−サイチュで遂行される。
さらに前記リチウムドーピング工程が遂行された後の前記電極板を乾燥させる段階を含む。ことが記載されている。
このような製造方法によって、電極板の待機工程、リチウムイオンのドーピング工程、電極板の乾燥工程、そして電極板の回収工程を一つのドーピング装置でイン−ライン方式に自動化して処理して遂行することにより、エネルギー貯蔵装置の電極製造の工程時間を短縮し、生産量を向上させることができることが記載されている。
しかしながら、前記記載された蓄電デバイスの電極の製造方法は、電極板の工程時間を短縮し、生産量を向上させることはできるが、電極板の製造工程に効果のある範囲が限定されている。本発明では、さらに電極板の製造のみならず、電極構造体を有する蓄電デバイス全体の製造において、簡便かつ効率良く、短時間で製造が可能である蓄電デバイスの製造方法、及び該蓄電デバイスの製造方法を実行し得る蓄電デバイス製造装置を提供することにある。
前記課題を解決する本発明は以下の通りである。
（１）長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、
正極シート供給ロールから供給される正極シートと、負極シート供給ロールから供給される負極シートと、一対のセパレータシート供給ロールから供給される一対のセパレータシートとを、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、
電源を配備し、該電源の正極をリチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、
前記工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行することを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
（１）長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、
正極シート供給ロールから供給される正極シートと、負極シート供給ロールから供給される負極シートと、一対のセパレータシート供給ロールから供給される一対のセパレータシートとを、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、
電源を配備し、該電源の正極をリチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、
前記工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行することを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
（２）リチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極を、前記負極シート供給ロールと前記捲回ロールとの間に位置する負極シートの少なくとも一方の面に対向するように配置することを特徴とする前記（１）に記載の蓄電デバイスの製造方法。
（３）リチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極を、前記捲回ロールに対向する位置に配置することを特徴とする前記（１）に記載の蓄電デバイスの製造方法。
（４）さらに、以下の工程Ｃ又は工程Ｄを含むことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
工程Ｃ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなく電解液が満たされたケースに装填する
工程Ｄ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなくケースに装填し、次いで該ケースに電解液を注液する
工程Ｃ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなく電解液が満たされたケースに装填する
工程Ｄ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなくケースに装填し、次いで該ケースに電解液を注液する
（５）長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスを製造する蓄電デバイス製造装置であって、
前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回する捲回ロールと、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極とが、電解液が満たされた一の槽内に配備され、
さらに、外部又は内蔵の電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されていることを特徴とする蓄電デバイス製造装置。
前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回する捲回ロールと、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極とが、電解液が満たされた一の槽内に配備され、
さらに、外部又は内蔵の電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されていることを特徴とする蓄電デバイス製造装置。
（６）前記槽内に、正極シートを供給するための正極シート供給ロールと、負極シートを供給するための負極シート供給ロールと、一対のセパレータシートを供給するための一対のセパレータシート供給ロールとが配備されていることを特徴とする前記（５）に記載の蓄電デバイス製造装置。
（７）前記リチウム電極が、前記負極シート供給ロールと前記捲回ロールとの間にある負極シートの少なくとも一方の面に対向するように配置されていることを特徴とする前記（６）に記載の蓄電デバイス製造装置。
（８）前記リチウム電極が、前記捲回ロールに対向する位置に配置されていることを特徴とする前記（６）に記載の蓄電デバイス製造装置。
本発明によれば、長尺状の正極シート、負極シート及びセパレータシートを介して捲回してなり、プレドープされた電極構造体を、簡便かつ効率良く、短時間で製造が可能であるので、蓄電デバイスの全体の製造工程を、簡便かつ効率良く、短時間で製造が可能とすることができる。また蓄電デバイスの全体の製造工程を、簡便かつ効率良く、短時間で製造が可能とすることができる蓄電デバイス製造装置を提供することができる。
本発明の蓄電デバイスの製造方法は、長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、正極シート供給ロールから供給される正極シートと、負極シート供給ロールから供給される負極シートと、一対のセパレータシート供給ロールから供給される一対のセパレータシートとを、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、電源を配備し、前記負極シートに該電源の正極をリチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、前記工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行することを特徴としている。
また、本発明の蓄電デバイス製造装置は、上記本発明の蓄電デバイスの製造方法を実行し得る装置であり、長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスを製造する蓄電デバイス製造装置であって、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回する捲回ロールと、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極とが、電解液が満たされた一の槽内に配備され、さらに、外部又は内蔵の電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記直流電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されていることを特徴としている。
以下、本発明の蓄電デバイス製造方法及び蓄電デバイス製造装置について図面を参照して説明する。
また、本発明の蓄電デバイス製造装置は、上記本発明の蓄電デバイスの製造方法を実行し得る装置であり、長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスを製造する蓄電デバイス製造装置であって、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回する捲回ロールと、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極とが、電解液が満たされた一の槽内に配備され、さらに、外部又は内蔵の電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記直流電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されていることを特徴としている。
以下、本発明の蓄電デバイス製造方法及び蓄電デバイス製造装置について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の蓄電デバイスの製造方法を実行するための装置（本発明の蓄電デバイス製造装置）を概念的に示す図である。
図１に示す蓄電デバイス製造装置１０は、電解液が満たされた電解液槽１２内に、正極シート１４を供給するための正極シート供給ロール１６と、負極シート１８を供給するための負極シート供給ロール２０と、一対のセパレータシート２２、２６を供給するための一対のセパレータシート供給ロール２４、２８と、正極シート１４、負極シート１８、セパレータシート２２、２６を捲回する捲回ロール３０と、が配備されている。正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、及びセパレータシート供給ロール２４、２８は、それぞれ、電解液槽１２の底に回転可能に立設されたスプールに長尺状の正極シート１４、負極シート１８、セパレータシート２２、２６が捲回されてなる。また同様に、捲回ロール３０は、電解液槽１２の底に回転可能に立設されたスプールにより、正極シート、負極シート、及びセパレータシートを捲回するものであり、捲回ロール３０のスプールは図示しないモータ等の駆動手段によりその軸を中心に回転するように構成されている。また、正極シート１４及び負極シート１８がセパレータシート２２、２６を介して交互に配置された状態で捲回されるように、換言すると、正極シート、セパレータシート、負極シート、及びセパレータシートの４枚がこの順に重ね合わされた状態で捲回されるように、正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、一対のセパレータシート供給ロール２４、２８は図１に示すように電解液槽１２の手前から順に正極シート供給ロール１６、セパレータシート供給ロール２８、負極シート供給ロール２０、セパレータシート供給ロール２４が配置されている。
図１に示す蓄電デバイス製造装置１０は、電解液が満たされた電解液槽１２内に、正極シート１４を供給するための正極シート供給ロール１６と、負極シート１８を供給するための負極シート供給ロール２０と、一対のセパレータシート２２、２６を供給するための一対のセパレータシート供給ロール２４、２８と、正極シート１４、負極シート１８、セパレータシート２２、２６を捲回する捲回ロール３０と、が配備されている。正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、及びセパレータシート供給ロール２４、２８は、それぞれ、電解液槽１２の底に回転可能に立設されたスプールに長尺状の正極シート１４、負極シート１８、セパレータシート２２、２６が捲回されてなる。また同様に、捲回ロール３０は、電解液槽１２の底に回転可能に立設されたスプールにより、正極シート、負極シート、及びセパレータシートを捲回するものであり、捲回ロール３０のスプールは図示しないモータ等の駆動手段によりその軸を中心に回転するように構成されている。また、正極シート１４及び負極シート１８がセパレータシート２２、２６を介して交互に配置された状態で捲回されるように、換言すると、正極シート、セパレータシート、負極シート、及びセパレータシートの４枚がこの順に重ね合わされた状態で捲回されるように、正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、一対のセパレータシート供給ロール２４、２８は図１に示すように電解液槽１２の手前から順に正極シート供給ロール１６、セパレータシート供給ロール２８、負極シート供給ロール２０、セパレータシート供給ロール２４が配置されている。
電解液槽１２内には、さらに、負極シート供給ロール２０と、捲回ロール３０との間に位置する負極シート１８に対向するようにリチウム電極３２が配備されている。リチウム電極３２は、負極シート１８の対向する領域に電気化学的にリチウムイオンをドーピングするための役割を果たす。図１においては、負極シートの両面側にリチウム電極を配備しているが、負極シートにリチウムイオンが表裏を通過する無数の孔を有していれば一方の面側のみにリチウム電極を配備してもよい。
電解液槽１２に満たす電解液は、負極シートにリチウムイオンをドーピングする際のイオン移動を担う役割を果たし、蓄電デバイスに使用される非水系の電解液をそのまま使用してもよいし、それとは異なる電解液を使用してもよい。本発明においては、リチウムイオンのドーピングの後、乾燥工程を経ずに蓄電デバイスが製造されることから、電解液槽１２に満たす電解液は、蓄電デバイスを構成する電解液としてケースに注液される電解液と同一とすることが好ましい。
また、電解液は電解液槽１２内において循環させることが好ましい。電解液を循環させることで、負極シート表面の反応抵抗を低減することができ、ドーピング効率を向上させることができる。
なお、電解液の具体的な成分については後述する。
また、電解液は電解液槽１２内において循環させることが好ましい。電解液を循環させることで、負極シート表面の反応抵抗を低減することができ、ドーピング効率を向上させることができる。
なお、電解液の具体的な成分については後述する。
以上の構成の蓄電デバイス製造装置１０において、正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、及びセパレータシート供給ロール２４、２８を、図１に示すようにセッティングし、各シートの一端を捲回ロール３０のスプールに固定し、捲回ロール３０のスプールを図１において時計回りに回転させる。すると、各シートが捲回ロール３０に向けて走行し、正極シート１４、セパレータシート２６、負極シート１８、及びセパレータシート２２の順に４枚が重ね合わせられた状態で捲回される。
一方、上記のような捲回の途中、負極シート１８は、リチウム電極３２に対向する領域を通過する際、その領域にリチウムイオンがドーピングされる。すなわち、前記工程Ａと、前記工程Ｂとが電解液槽１２内で同時に実行される。ここで、「工程Ａと工程Ｂとが同時に実行される」とは、文字通り、工程Ａと工程Ｂとが完全に同じ時刻に実行されることを意味するのではなく、工程Ａが実行される一連の流れの中で工程Ｂが実行されることを意味する。
一方、上記のような捲回の途中、負極シート１８は、リチウム電極３２に対向する領域を通過する際、その領域にリチウムイオンがドーピングされる。すなわち、前記工程Ａと、前記工程Ｂとが電解液槽１２内で同時に実行される。ここで、「工程Ａと工程Ｂとが同時に実行される」とは、文字通り、工程Ａと工程Ｂとが完全に同じ時刻に実行されることを意味するのではなく、工程Ａが実行される一連の流れの中で工程Ｂが実行されることを意味する。
一方、図示はしていないが、図１に示す蓄電デバイス製造装置１０は電源を有し、該電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記直流電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されている。リチウム電極では、リチウムから電子が引き抜かれイオン化し電解液中に溶出する反応が起きると共に、負極シートでは、電解液中のリチウムイオンに電子を与え、金属リチウムが生成する。負極シートでは、炭素材料などの活物質内に吸蔵される。
電源は、直流成分を有する電源であればよく、特に限定されない。直流電源、直流成分と交流成分を有する複合的な電源、パルス状に与えられる直流電源などでも利用することができる。また、電源としては、上記のような内蔵電源に限定されることはなく、外部電源を用いてもよい。
なお、負極シート１８が高速で走行すると、リチウムイオンのドーピングが不十分になってしまうため、十分なドーピングを実行できる時間を考慮して負極シート１８の走行速度、つまり捲回ロール３０のスプールの回転速度が設定される。あるいは、十分なドーピングが実行されるように所定時間停止させるなど、負極シート１８を断続的に走行させることもできる。
電源は、直流成分を有する電源であればよく、特に限定されない。直流電源、直流成分と交流成分を有する複合的な電源、パルス状に与えられる直流電源などでも利用することができる。また、電源としては、上記のような内蔵電源に限定されることはなく、外部電源を用いてもよい。
なお、負極シート１８が高速で走行すると、リチウムイオンのドーピングが不十分になってしまうため、十分なドーピングを実行できる時間を考慮して負極シート１８の走行速度、つまり捲回ロール３０のスプールの回転速度が設定される。あるいは、十分なドーピングが実行されるように所定時間停止させるなど、負極シート１８を断続的に走行させることもできる。
捲回ロール３０による各シートの捲回が所望の量に達したら、捲回ロール３０の稼働を停止することで長尺状の正極シート１４及び負極シート１８がセパレータシート２２、２６を介して捲回してなる電極構造体が得られる。電極構造体は、柱状のスプールで捲回するのであれば、円柱ロール状の捲回物となるが、スプールを板状のものとすれば扁平状の捲回物とすることができる。
次いで、上記の捲回完了後の電極構造体を電解液槽１２から取り出し、乾燥することなく電解液が満たされたケースに装填するか（工程Ｃ）、又は、空のケースに装填し、その後電解液を注液する（工程Ｄ）。
次いで、上記の捲回完了後の電極構造体を電解液槽１２から取り出し、乾燥することなく電解液が満たされたケースに装填するか（工程Ｃ）、又は、空のケースに装填し、その後電解液を注液する（工程Ｄ）。
図２は電極構造体を電解液の満たされたケースに装填する工程（工程Ｃ）を示す模式図である。例えば電解液の満たされた円筒状のケース６０を準備し、外部へ電流を導く端子６２Ａ、６２Ｂを有する蓋６２の端子６２Ａ、６２Ｂと電極構造体６４の電極タブ６６、６８を接続し、電極構造体６４をケース６０内の電解液に浸すと共に蓋６２を閉鎖し、蓄電デバイスを得ることができる。なお、空のケースに電極構造体を装填すると共に蓋を閉鎖し、後から電解液を注入してもよい。
以上のように、本発明においては、負極シートへのリチウムイオンのドーピングと、電極構造体の作製とを同時に実行し、リチウムイオンのドーピングから電極構造体をケースに装填するまでの過程において乾燥工程を経ることがないため、短時間で効率良く蓄電デバイスを製造することができる。また、乾燥工程を経る場合には、電解液（洗浄工程を経る場合には洗浄液）の蒸発により電極シートが変形したり、リチウム塩が析出したりして性能に影響する懸念があるが、本発明においては乾燥工程を経ないためそのようなことが生じることがない。また、負極シートはリチウムイオンのドーピングにより体積膨張し硬化する傾向にあるが、乾燥工程を経ていないでのさらに硬化することなく、柔軟性が残っている段階であるので容易に電極構造体を作成することができる。
また、電極構造体をケースに装填する際、各電極シートに電解液が浸透しており、かつ負極シートのドーピングが完了しているため、内部の気泡残存を低減することができる。さらに、電極構造体をケースに装填した後も、ガス発生が少なく、ひいては電極内への気泡介在が少なく、電池の内部抵抗の上昇が抑えられる。
また、電極構造体をケースに装填する際、各電極シートに電解液が浸透しており、かつ負極シートのドーピングが完了しているため、内部の気泡残存を低減することができる。さらに、電極構造体をケースに装填した後も、ガス発生が少なく、ひいては電極内への気泡介在が少なく、電池の内部抵抗の上昇が抑えられる。
図１においては、リチウム電極３２は負極シート１８に対向するように配備したが、図３に示すように、負極シートにリチウムイオンが表裏を通過する無数の孔を有していれば捲回ロール３０の近傍に配備してもよい。負極シートはリチウムイオンのドーピングにより硬化する傾向にあり、ドーピング後に捲回すると硬化に起因する影響が懸念されるが、リチウム電極を捲回ロールの近傍に配備すると負極シートが捲回された後にドーピングされるため、上記影響を低減することができる。なお、図３において、図１に示す部材と実質的に同じ部材には同じ符号を付し説明を省略する。
また、図４に示すように、電池（直流電源）３４を配備し、電池３４の正極をリチウム電極３２に接続し、かつ電池３４の負極を負極シート１８と導通するように接続することにより、負極シート１８へのリチウムイオンのドーピング速度を向上させることができる。この場合、ドープ量のバラツキを小さくする観点から直流電源からの供給電流は単位面積当たり１．０Ｃ未満とすることが好ましい。また、当該電流をモニターすることによりドープ量をコントロールすることもできる。例えば、単位時間当たりのドープ量をより多くする場合には電流を大きく、同様にドープ量をより少なくするには電流を小さくすればよい。
なお、「直流電源の負極を負極シートと導通するように接続する」とは、直流電源の負極を負極シートに直接接続することの他、例えば負極シート供給ロールのスプールが導電性の場合、当該スプールに直流電源の負極を接続することをも含む。
なお、「直流電源の負極を負極シートと導通するように接続する」とは、直流電源の負極を負極シートに直接接続することの他、例えば負極シート供給ロールのスプールが導電性の場合、当該スプールに直流電源の負極を接続することをも含む。
図１〜図４に示した蓄電デバイス製造装置においては、正極シート供給ロール１６、負極シート供給ロール２０、及び一対のセパレータシート供給ロール２４、２８のいずれの部材も電解液槽１２内に配備したが、上記各部材に限っては電解液槽１２外に配備してもよい。つまり、本発明の蓄電デバイス製造装置においては、少なくとも捲回ロール及びリチウム電極を電解液槽中に配備すればよく、その他の部材は電解液槽の内外のいずれに配置してもよい。なお、正極シート供給ロール、負極シート供給ロール、及びセパレータシート供給ロールの各部材を電解液層外に配備する場合、例えば、電解液面の上方に上記各部材を配備し、その鉛直方向下方に各シートを走行させて電解液の液面下に配備された捲回ロールにより捲回する構成とすることができる。
以上の説明は、負極シート、正極シートに形成される活物質層を無視したものであり、実際には、各シートには活物質層が形成される。負極シートに形成される活物質層に用いられる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出が可能な炭素材料、金属材料、合金、酸化物などが挙げられる。具体的には、炭素材料としては黒鉛（グラファイト）、ハードカーボンなどが挙げられ、金属材料としてはシリコンやスズなどが挙げられ、合金としてはシリコン合金やスズ合金などが挙げられ、酸化物としては酸化シリコン、酸化スズ、酸化チタンなどが挙げられる。これらの材料は混合して用いてもよい。
一方、正極シートに形成される活物質層に用いられる正極活物質は、本発明に係る蓄電デバイスをリチウムイオンキャパシタに適用する場合と、リチウムイオン二次電池に適用する場合とで異なる。
リチウムイオンキャパシタに適用する場合の正極活物質は、活性炭、ポリアセン系物質、などが挙げられる。また、リチウムイオン二次電池に適用する場合の正極活物質は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）などが挙げられる。
リチウムイオンキャパシタに適用する場合の正極活物質は、活性炭、ポリアセン系物質、などが挙げられる。また、リチウムイオン二次電池に適用する場合の正極活物質は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）などが挙げられる。
負極活物質層及び正極活物質層のいずれの場合も、活物質層の形成は、負極活物質又は正極活物質の粉末及びバインダーを分散媒に分散してスラリーを調製し、そのスラリーを負極シート表面に塗布し、乾燥させることで得られる。
また、活物質層は、各シート表面にベタ状に形成してもよいし、図５に示す正極シート５０、負極シート５２のように、断続的に形成してもよい。図５において、ハッチングで示した領域が活物質層の形成領域である。
また、活物質層は、各シート表面にベタ状に形成してもよいし、図５に示す正極シート５０、負極シート５２のように、断続的に形成してもよい。図５において、ハッチングで示した領域が活物質層の形成領域である。
蓄電デバイスを構成する電解液の成分としては、リチウムイオンを安定に存在させるため、非水電解液であって、リチウム塩を溶媒に溶解したものを用いることが好ましい。リチウム塩としては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２ＮＬｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ等やこれらの混合物を用いることができる。これらは単独使用しても、複数種類を併用してもよい。中でも、ＬｉＰＦ６やＬｉＢＦ４が特に好ましく使用される。
溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＭＥＣ）等の鎖状カーボネート、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネート、アセトニトリル（ＡＮ）、１,２-ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、１,３-シオキソラン（ＤＯＸＬ）、ジメチルスホキシド（ＤＭＳＯ）、スルホラン（ＳＬ）、プロピオニトリル（ＰＮ）等の比較的分子量の小さい溶媒、又はこれらの混合物を使用することができる。
なお、既述の通り、以上の蓄電デバイスを構成する電解液と、電解液槽１２内の電解液とは同一とすることが好ましい。
溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＭＥＣ）等の鎖状カーボネート、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネート、アセトニトリル（ＡＮ）、１,２-ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、１,３-シオキソラン（ＤＯＸＬ）、ジメチルスホキシド（ＤＭＳＯ）、スルホラン（ＳＬ）、プロピオニトリル（ＰＮ）等の比較的分子量の小さい溶媒、又はこれらの混合物を使用することができる。
なお、既述の通り、以上の蓄電デバイスを構成する電解液と、電解液槽１２内の電解液とは同一とすることが好ましい。
電極構造体を装填するケースとしては、特に限定はなく、キャパシタや電池に一般に使用されているものを使用することができる。ケースの材質としては、鉄やアルミニウムなどの金属や、ラミネートフィルムなどの樹脂を用いることができる。また、ケースの形状は円筒形状、角型形状など、使用形態に応じて適宜選定することができる。
１０ 蓄電デバイス製造装置
１２ 電解液槽
１４ 正極シート
１６ 正極シート供給ロール
１８ 負極シート
２０ 負極シート供給ロール
２２ ２６ セパレータシート
２４ ２８ セパレータシート供給ロール
３０ 捲回ロール
３２ リチウム電極
３４ 電池（直流電源）
１２ 電解液槽
１４ 正極シート
１６ 正極シート供給ロール
１８ 負極シート
２０ 負極シート供給ロール
２２ ２６ セパレータシート
２４ ２８ セパレータシート供給ロール
３０ 捲回ロール
３２ リチウム電極
３４ 電池（直流電源）
Claims (8)
- 長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスの製造方法であって、
正極シート供給ロールから供給される正極シートと、負極シート供給ロールから供給される負極シートと、一対のセパレータシート供給ロールから供給される一対のセパレータシートとを、前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回ロールにより捲回する工程Ａと、
電源を配備し、該電源の正極をリチウム電極に接続し、かつ前記電源の負極を前記負極シートと導通するように接続し、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングする工程Ｂと、を含み、
前記工程Ａ及び工程Ｂを、電解液が満たされた一の槽内で同時に実行することを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。 - リチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極を、前記負極シート供給ロールと前記捲回ロールとの間に位置する負極シートの少なくとも一方の面に対向するように配置することを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの製造方法。
- リチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極を、前記捲回ロールに対向する位置に配置することを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの製造方法。
- さらに、以下の工程Ｃ又は工程Ｄを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの製造方法。
工程Ｃ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなく電解液が満たされたケースに装填する
工程Ｄ：捲回ロールにより捲回された捲回完了後の電極構造体を前記槽内の電解液から取り出し、乾燥することなくケースに装填し、次いで該ケースに電解液を注液する - 長尺状の正極シート及び負極シートをセパレータシートを介して捲回してなる電極構造体を有する蓄電デバイスを製造する蓄電デバイス製造装置であって、
前記正極シート及び前記負極シートが前記セパレータシートを介して交互に配置されるように捲回する捲回ロールと、前記負極シートにリチウムイオンをドーピングするためのリチウム電極とが、電解液が満たされた一の槽内に配備され、
さらに、外部又は内蔵の電源の正極が前記リチウム電極に接続され、かつ前記電源の負極が前記負極シートと導通するように接続されていることを特徴とする蓄電デバイス製造装置。 - 前記槽内に、正極シートを供給するための正極シート供給ロールと、負極シートを供給するための負極シート供給ロールと、一対のセパレータシートを供給するための一対のセパレータシート供給ロールとが配備されていることを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイス製造装置。
- 前記リチウム電極が、前記負極シート供給ロールと前記捲回ロールとの間にある負極シートの少なくとも一方の面に対向するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の蓄電デバイス製造装置。
- 前記リチウム電極が、前記捲回ロールに対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の蓄電デバイス製造装置。
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