JP2015216156A - 蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
第1セパレータを介して正極と負極とが第1の方向に積層され且つ前記正極及び負極上に形成された極活物質層の前記第1の方向に直交する第2の方向の端部の位置がそれぞれ一致して配置された電極積層体と、前記電極積層体の正極及び負極の少なくとも一方にイオンを供給するためのイオン供給源と、前記電極積層体と前記イオン供給源とを第2セパレータを介して前記第1の方向に積層した状態で内部に収容するケースと、前記ケース内に充填される電解液とを備える蓄電デバイスであって、
前記第2セパレータは、前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向を折り目方向とする折り目にて屈曲されて形成された複数の屈曲部によってつづら折りに形成され、
前記複数の屈曲部のうちの一部の屈曲部である第1の屈曲部は、前記第1セパレータの前記第2の方向の端部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記複数の屈曲部のうちの他の屈曲部である第2の屈曲部は、前記正極及び負極の前記極活物質層の前記第2の方向の端部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記イオン供給源は、その一端が前記第2の屈曲部に当接した状態に配置された、
ことを特徴とする。
正極活物質層を形成した正極と負極活物質層を形成した負極とを第1セパレータを介して第1の方向に積層した電極積層体と、前記正極及び前記負極の少なくとも一方にイオンを供給するためのイオン供給源とを第2セパレータを介して前記第1の方向積層した状態でケース内に収容した蓄電デバイスの製造方法であって、
前記第1セパレータにおける、前記第1の方向に直交する第2の方向の両端のうち一方の端部を基準に、前記正極活物質層の前記第2の方向の両端の位置と前記負極活物質層の前記第2の方向の両端の位置とを揃えて前記正極と前記負極とを前記第1セパレータを介して前記第1の方向に積層して前記電極積層体を作製する電極積層体作製ステップと、
前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向を折り目方向とする折り目にて屈曲されて形成された複数の屈曲部によってつづら折りの第2セパレータを形成する第2セパレータ形成ステップと、
前記イオン供給源の先端が、前記複数の屈曲部のうちの一部の屈曲部である第1の屈曲部以外の第2の屈曲部に当接するように前記イオン供給源を前記第2の屈曲部に挿入するリチウム極挿入ステップと、
前記第1の屈曲部と、前記第1セパレータの前記第2の方向の端部との前記第2の方向の位置を揃えるとともに、前記第2の屈曲部と、前記正極及び負極の前記第2の方向の端部との前記第2の方向の位置を揃えて、前記電極積層体と前記イオン供給源とを前記第1の方向に積層する積層ステップと、
を備えることを特徴とする。
本発明の実施の形態1に係る蓄電デバイス100は、図1に示すように、それぞれ複数の正極1と負極3とを第1セパレータ5を介して交互に積層した電極積層体6と、負極3にリチウムイオンを供給するためのイオン供給源であるリチウム極10と、電極積層体6とリチウム極10とを第2セパレータ20を介して積層した状態で内部に収容する外装部材7と、外装部材7内に充填される非水電解液9とを備えるリチウムイオンキャパシタである。
実施の形態2の蓄電デバイス100は、図3に示すように、第2セパレータ20の屈曲部21、23に対してX方向の他方の端部26と第1セパレータ5のX方向の他方の端部5bとのX方向の位置が揃う点が、実施の形態1と異なる。それ以外は、実施の形態1と同様である。図3に示すように、第1セパレータ5のX方向の他方の端部5bと第2セパレータ20のX方向の端部26とが位置L3で揃っている。
実施の形態3の蓄電デバイス100では、第2セパレータ20は、図4、図5に示すように、位置決め用の屈曲部22に当接したリチウム極10の横方向(Y方向)の位置を規制する位置規制部27を備える点が、実施の形態1又は2と異なる。それ以外は、実施の形態1又は2と同様である。
ここで、各実施の形態に係る蓄電デバイス100と従来型の蓄電デバイス200との性能を比較した。詳しくは、図1に示す実施の形態1に係る蓄電デバイス100と、図3に示す実施の形態2に係る蓄電デバイス100と、図4に示す実施の形態3に係る蓄電デバイス100と、整合用の屈曲部21、23及び位置決め用の屈曲部22を備えない図6に示す比較例の従来型の蓄電デバイス200との電気性能の優劣を、次に示す実験により確認した。
<正極1の作製>
正極1は、具体的に次のようにして作製される。まず、バインダであるポリフッ化ビニリデンを溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンに溶解した溶液を作製する。この溶液に、比表面積が2000m2/gである活性炭と比表面積が70m2/gであるアセチレンブラックとを分散させ、正極用スラリー溶液を得る。なお、活性炭:アセチレンブラック:ポリフッ化ビニルデンの重量比は87:6:7である。この正極用スラリー溶液を、正極集電体2としての多孔アルミニウム箔(市販品;厚さ20μm、開口率20%)上に両面塗布し、乾燥させる。乾燥後の塗布層(つまり、正極活物質層1a)の層厚さは片面0.15mmである。その乾燥後のものを規定の大きさに切り出して正極1が作製される。
負極3は、具体的に次のようにして作製される。まず、バインダであるポリフッ化ビニリデンを溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンに溶解した溶液を作製する。この溶液に、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる数平均粒子径D50が20μmの人造黒鉛、アセチレンブラックを分散させ、負極用スラリー溶液を得る。なお、人造黒鉛:アセチレンブラック:ポリフッ化ビニルデンの重量比は87:6:7である。この負極用スラリー溶液を、負極集電体4である多孔銅箔(市販品;厚さ15μm、開口率40%)上に両面塗布し、乾燥させる。乾燥後の塗布層(つまり、負極活物質層3a)の層厚さは片面0.07mmである。その乾燥後のものを規定の大きさに切り出して負極3が作製される。
リチウム極10は、厚みが例えば15μmである金属箔11上に、厚みが例えば40μmである金属リチウム12を形成して作製される。
非水電解液9は、混合溶媒に、リチウムヘキサフルオロフォスフェート(LiPF6)を1.5mol/L(1.5M)の電解質濃度となるように溶解して作製される。混合溶媒は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを重量比1:1で混合したものである。
電極積層体6は、正極1及び負極3のX方向の両端がそれぞれ一致した状態で、第1セパレータ5を介して正極1と負極3とが積層されて作製される。
第2セパレータ20は、セルロース系の重合体からなる多孔質の膜であり、外四つ折りに形成される。実施の形態1の第2セパレータ20の整合用の屈曲部21、23が第1セパレータ5の端部5aとのX方向の位置に揃う。実施の形態2では、さらに第2セパレータ20のX方向の他方の端部26と第1セパレータ5のX方向の他方の端部5bが揃う。実施の形態3の第2セパレータ20は、さらに位置規制部27を備える。
蓄電デバイス100は、ドライ雰囲気下で作製される。まず、第2セパレータ20の位置決め用の屈曲部22にリチウム極10を挿入し、リチウム極10の先端10bを位置決め用の屈曲部22に当接させる。リチウム極10が挿入された第2セパレータ20の整合用の屈曲部21、23と、電極積層体6の第1セパレータ5の−X方向の端部5aとを揃えて、第2セパレータ20を介してリチウム極10上に電極積層体6を積層する。
比較例の蓄電デバイス200は、第2セパレータ30が各実施の形態1〜3の整合用の屈曲部21、23及び位置決め用の屈曲部22を備えない点を除いて、前記と同様の工程により、作製される。詳しくは、比較例の蓄電デバイス200は、リチウム極10が、二つ折りの第2セパレータ30の屈曲部31内の大凡の位置に挿入され、リチウム極10が挿入された二つ折りの第2セパレータ30上に電極積層体6を積層して構成される。このため、二つ折りの第2セパレータ30内のリチウム極10の先端10bと負極3の端部3bとがX方向に位置ずれして挿入されうる。
実施の形態に係る蓄電デバイス100では、第1セパレータ5は、図2に示すように薄板形状としているが、つづら折り形状としてもよい。第1の変形例に係る蓄電デバイス100では、図8に示すようにつづら折り形状の第1セパレータ40、50を備える。第1セパレータ40は、3箇所の屈曲部42、43、44によってつづら折りに形成され、負極3が挿入される。第1セパレータ50は、3箇所の屈曲部52、53、54によってつづら折りに形成され、正極1が挿入される。屈曲部42、43、44は、Y方向を折り目方向とする折り目41により形成される。屈曲部52、53、54は、Y方向を折り目方向とする折り目51により形成される。
第2の変形例に係る蓄電デバイス100の第1セパレータ40は、図9に示すように、位置決め用の屈曲部43に挿入される負極3の横方向(Y方向)の位置を規制する位置規制部47を備える。第1セパレータ50は、位置決め用の屈曲部53に挿入される正極1の横方向(Y方向)の位置を規制する位置規制部57を備える。
第3の変形例に係る蓄電デバイス100は、図10に示すように、第1セパレータ40、50と第2セパレータ20とが一体に形成される。
前述した各実施の形態では、リチウム極10は、負極3と同一平面形状で且つ同一面積を有しているが、これに限定されない。例えば、第4の変形例の蓄電デバイス100では、リチウム極10は、平面形状が負極3と相似形であって、図11に示すように負極3よりも小さい面積のものとしている。この場合には、第2セパレータ20の位置決め用の屈曲部22は、第1セパレータ5のX方向の一方の端部5aと第2セパレータ20の整合用の屈曲部21、23とのX方向の位置を揃えた状態において、リチウム極10の挿入された先端10bのX方向の位置が、負極3の端部3bよりも手前部位のX方向の位置L4となるようにX方向の位置を定めたものとする。また、電極積層体6のY方向の両端と、第2セパレータ20のY方向の両端とのY方向の位置をそれぞれ揃えた状態において、リチウム極10のY方向の両端位置が、負極3のY方向の両端位置に至らない内側部位のY方向の位置となるようにY方向の位置を定めたものとする。
前述した各実施の形態では、第2セパレータ20は、外4つ折り(蛇腹折り3山)の形状としているが、外4つ折り以外の外複数折り(例えば、外3つ折り、外5つ折りなど)の形状としてもよい。例えば、第5の変形例の蓄電デバイス100では、図12に示すように、第2セパレータ20は、外3つ折りの形状に構成されている。外3つ折りの第2セパレータ20の場合であっても、第2セパレータ20の整合用の屈曲部21と、第1セパレータ5のX方向の一方の端部5aとのX方向の位置が位置L1で揃えることにより、リチウム極10の先端10bのX方向の位置が、負極3の先端側の端部3aのX方向の位置に揃う。よって、リチウム極10の電極に対する位置ズレの程度が改善できる。位置ズレによる性能低下が改善された蓄電デバイスを提供することができる。
実施の形態2の蓄電デバイス100では、第2セパレータ20は、図3に示すように、3つの屈曲部21、22、23のうち真ん中に位置する屈曲部を位置決め用の屈曲部22とするものとしているが、これに限定されない。例えば、第6の変形例の蓄電デバイス100では、第2セパレータ20は、図13に示すように、3つの屈曲部21、22、23のうち真ん中以外に位置する屈曲部を位置決め用の屈曲部22とし、端側に位置する屈曲部を整合用の屈曲部21、23としている。整合用の屈曲部23は、第1セパレータ5のX方向の他方の端部5bのX方向の位置が一致する。この場合でも、リチウム極10の電極に対する位置ズレの程度が改善できる。位置ズレによる性能低下が改善された蓄電デバイスを提供することができる。
1a 正極活物質層
1b 端部
1c 先端
2 正極集電体
3 負極
3a 負極活物質層
3b 端部
3c 後端
4 負極集電体
5 第1セパレータ
5a 端部
5b 端部
6 電極積層体
7 外装部材(ケース)
9 非水電解液(電解液)
10 リチウム極(イオン供給源)
10b 先端
11 金属箔
12 金属リチウム
14 取り出し電極部
15 取り出し電極部
16 正極用外部端子
17 取り出し電極部
18 負極用外部端子
19 接合部
20 第2セパレータ
21 屈曲部(整合用の屈曲部)
22 屈曲部(位置決め用の屈曲部)
23 屈曲部(整合用の屈曲部)
24 折り目
25 面体
26 端部
27 位置規制部
28 中央部
29 側位部
40 第1セパレータ
41 折り目
42 屈曲部(整合用の屈曲部)
43 屈曲部(位置決め用の屈曲部)
44 屈曲部(整合用の屈曲部)
45 面体
47 位置規制部
48 中央部
49 側位部
50 第1セパレータ
51 折り目
52 屈曲部(整合用の屈曲部)
53 屈曲部(位置決め用の屈曲部)
54 屈曲部(整合用の屈曲部)
55 面体
57 位置規制部
58 中央部
59 側位部
100 蓄電デバイス
Claims (7)
- 第1セパレータを介して正極と負極とが第1の方向に積層され且つ前記正極及び負極上に形成された極活物質層の前記第1の方向に直交する第2の方向の端部の位置がそれぞれ一致して配置された電極積層体と、前記電極積層体の正極及び負極の少なくとも一方にイオンを供給するためのイオン供給源と、前記電極積層体と前記イオン供給源とを第2セパレータを介して前記第1の方向に積層した状態で内部に収容するケースと、前記ケース内に充填される電解液とを備える蓄電デバイスであって、
前記第2セパレータは、前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向を折り目方向とする折り目にて屈曲されて形成された複数の屈曲部によってつづら折りに形成され、
前記複数の屈曲部のうちの一部の屈曲部である第1の屈曲部は、前記第1セパレータの前記第2の方向の端部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記複数の屈曲部のうちの他の屈曲部である第2の屈曲部は、前記正極及び負極の前記極活物質層の前記第2の方向の端部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記イオン供給源は、その一端が前記第2の屈曲部に当接した状態に配置された、
ことを特徴とする蓄電デバイス。 - 前記第2セパレータは、前記第2の屈曲部に当接した前記イオン供給源の前記第3の方向の位置を規制する位置規制部を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス。 - 前記第1セパレータは、前記第3の方向を折り目方向とする折り目にて屈曲されて形成された複数の屈曲部によってつづら折りに形成され、
前記第1セパレータの前記複数の屈曲部のうちの一部の屈曲部である第3の屈曲部は、前記第2セパレータの前記第1の屈曲部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記第1セパレータの前記複数の屈曲部のうちの他の屈曲部である第4の屈曲部は、前記イオン供給源の前記第2の方向の端部と前記第2の方向の位置が揃っており、
前記正極又は前記負極は、その一端が前記第4の屈曲部に当接した状態に配置された、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。 - 前記第1セパレータは、前記第4の屈曲部に当接した前記正極又は前記負極の前記第3の方向の位置を規制する位置規制部を備える、
ことを特徴とする請求項3に記載の蓄電デバイス。 - 前記第1セパレータと前記第2セパレータとが一体に形成されている、
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の蓄電デバイス。 - 前記イオン供給源は、その平面積が前記正極及び前記負極よりも小さく、
前記第2セパレータの前記第2の屈曲部は、前記正極又は前記負極の端部よりも手前部位の前記第2の方向の位置に位置する、
ことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の蓄電デバイス。 - 正極活物質層を形成した正極と負極活物質層を形成した負極とを第1セパレータを介して第1の方向に積層した電極積層体と、前記正極及び前記負極の少なくとも一方にイオンを供給するためのイオン供給源とを第2セパレータを介して前記第1の方向積層した状態でケース内に収容した蓄電デバイスの製造方法であって、
前記第1セパレータにおける、前記第1の方向に直交する第2の方向の両端のうち一方の端部を基準に、前記正極活物質層の前記第2の方向の両端の位置と前記負極活物質層の前記第2の方向の両端の位置とを揃えて前記正極と前記負極とを前記第1セパレータを介して前記第1の方向に積層して前記電極積層体を作製する電極積層体作製ステップと、
前記第1の方向及び前記第2の方向に直交する第3の方向を折り目方向とする折り目にて屈曲されて形成された複数の屈曲部によってつづら折りの第2セパレータを形成する第2セパレータ形成ステップと、
前記イオン供給源の先端が、前記複数の屈曲部のうちの一部の屈曲部である第1の屈曲部以外の第2の屈曲部に当接するように前記イオン供給源を前記第2の屈曲部に挿入するリチウム極挿入ステップと、
前記第1の屈曲部と、前記第1セパレータの前記第2の方向の端部との前記第2の方向の位置を揃えるとともに、前記第2の屈曲部と、前記正極及び負極の前記第2の方向の端部との前記第2の方向の位置を揃えて、前記電極積層体と前記イオン供給源とを前記第1の方向に積層する積層ステップと、
を備えることを特徴とする、蓄電デバイスの製造方法。
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