JP2018067595A - 電気化学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムイオンがより均一に負極にドープされる電気化学デバイスを提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、捲回構造体と、負極端子と、正極端子と、第１保護テープと、第２保護テープと、電解液とを具備する。捲回構造体は、負極と、正極と、セパレータと、を有する。負極、正極及びセパレータは積層されて捲回され、負極と正極とがセパレータにより隔てられている。負極端子は、負極集電体に電気的に接続される。正極端子は、正極集電体に電気的に接続される。正極端子は、負極端子とは第１の距離で隔てられている。第１保護テープは、負極端子及び負極活物質層を被覆する。第２保護テープは、正極端子及び正極活物質層を被覆する。捲回構造体の捲回方向に沿った第１保護テープの第１の幅に、捲回方向に沿った第２保護テープの第２の幅を足し合わせた幅は、第１の距離に円周率を乗算した値よりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、集電体、活物質及び電極端子を具備した電気化学デバイスに関する。
電気化学デバイスの代表例としてリチウムイオンキャパシタがある。リチウムイオンキャパシタの中には、負極、正極、負極と正極とを絶縁するセパレータ、負極に接続された電極端子及び正極に接続された電極端子が捲回された蓄電素子が筒状の収容ケースに収容されたものがある。
このようなリチウムイオンキャパシタでは、使用前に、予め負極にリチウムイオンがプレドープされる。プレドープは、例えば、負極端子及び正極端子の外側にリチウムイオン供給源が設けられ、蓄電素子が収容ケース内において電解質に浸漬される。そして、電解質にリチウムイオンが溶解すると、このリチウムイオンが蓄電素子の負極にドープされる。
また、リチウムイオンキャパシタでは、セパレータと負極端子（または正極端子）との直接的な接触を避けたり、または、プレドープの際に負極端子上のリチウム析出を抑制したりするために、負極端子を保護テープで被覆する場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２−１１４１６１号公報
しかしながら、電気化学デバイスの小型化が進行するほど、保護テープがプレドープに影響を与える。例えば、プレドープの際、リチウムイオンが保護テープによって遮蔽され易くなり、プレドープ後にリチウムイオンが負極に均一にドープされなくなる可能性がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、電気化学デバイスの小型化が進行しても、プレドープ後にリチウムイオンがより均一に負極にドープされる電気化学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、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、捲回構造体と、負極端子と、正極端子と、第１保護テープと、第２保護テープと、電解液とを具備する。
前記捲回構造体は、負極と、正極と、セパレータと、を有する。前記負極は、負極集電体と前記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する。前記正極は、正極集電体と前記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する。セパレータは、前記負極と前記正極を絶縁する。前記負極、前記正極及び前記セパレータは積層されて捲回され、前記負極と前記正極とが前記セパレータにより隔てられている。
前記負極端子は、前記負極集電体に電気的に接続される。前記負極端子は、前記捲回構造体の捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸する。前記負極端子は、前記捲回構造体から突出する。
前記正極端子は、前記正極集電体に電気的に接続される。前記正極端子は、前記捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸する。前記正極端子は、前記捲回構造体から突出する。前記正極端子は、前記負極端子とは第１の距離で隔てられている。
前記第１保護テープは、前記負極端子及び前記負極活物質層を被覆する。
前記第２保護テープは、前記正極端子及び前記正極活物質層を被覆する。
前記電解液は、前記正極、前記負極及び前記セパレータを浸漬する。
前記捲回構造体の捲回方向に沿った前記第１保護テープの第１の幅に、前記捲回方向に沿った前記第２保護テープの第２の幅を足し合わせた幅は、前記第１の距離に円周率を乗算した値よりも小さい。
このような電気化学デバイスによれば、プレドープの際、リチウムイオンが第１保護テープまたは第２保護テープによって遮られ難くなる。これにより、リチウムイオンが負極により均一にドープされる。
上記の電気化学デバイスにおいては、前記負極活物質層に、リチウムイオンのプレドープがなされてもよい。
これにより、リチウムイオンは、プレドープによって負極により均一にドープされる。
上記の電気化学デバイスにおいては、前記捲回中心軸から前記捲回構造体の外周に向かう方向において、前記第１保護テープは、前記第２保護テープと重ならなくてもよい。
これにより、リチウムイオンは、プレドープの際、第１保護テープと第２保護テープとの間を通過し、負極により均一にドープされる。
上記の電気化学デバイスにおいては、前記第１の距離は、８ｍｍ以下であってもよい。
これにより、電気化学デバイスにおいて第１の距離が８ｍｍ以下となっても、リチウムイオンは、プレドープの際、第１保護テープまたは第２保護テープによって遮られ難く、負極により均一にドープされる。
上記の電気化学デバイスにおいては、前記捲回構造体の外径は、３０ｍｍ以下であってもよい。
これにより、電気化学デバイスにおいて捲回構造体の外径が３０ｍｍ以下となっても、リチウムイオンは、プレドープの際、第１保護テープまたは第２保護テープによって遮られ難く、負極により均一にドープされる。
上記の電気化学デバイスにおいては、前記第１の幅は、前記値のＸ％（Ｘ≧１２．０）であり、前記第２の幅は、（１００−Ｘ）％未満である。
このような数値範囲の保護テープによれば、リチウムイオンは、プレドープの際、第１保護テープまたは第２保護テープによって遮られ難く、負極により均一にドープされる。
以上述べたように、本発明によれば、電気化学デバイスにおいて、その小型化が進行しても、プレドープ後にリチウムイオンがより均一に負極にドープされる。
本実施形態に係る電気化学デバイス１００の外観を示す模式的斜視図である。 図（ａ）は、本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａを示す模式的斜視図である。図（ｂ）は、本実施形態に係る負極端子１３１及び保護テープ１６１を示す模式的側面図である。図（ｃ）は、本実施形態に係る正極１４０、正極端子１４１及び保護テープ１７１を示す模式的側面図である。 本実施形態に係る蓄電素子１１０ＡのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 図（ａ）は、図３におけるＡ１−Ａ２線における模式的断面図である。図（ｂ）は、図３に例示された負極端子１３１付近を拡大した模式的断面図である。図（ｃ）は、図３に例示された正極端子１４１付近を拡大した模式的断面図である。 図（ａ）及び図（ｂ）は、比較例に係る蓄電素子２１０Ａの作用を示す模式的断面図である。 図（ａ）及び図（ｂ）は、別の比較例に係る蓄電素子２１０Ｂの作用を示す模式的断面図である。 図（ａ）及び図（ｂ）は、本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を示す模式的断面図である。 本実施形態の変形例に係る蓄電素子１１０Ｂを示す模式的断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。
[電気化学デバイスの概要]
本実施形態に係る電気化学デバイス１００の概要を以下に説明する。本実施形態で例示される電気化学デバイスは、リチウムイオンキャパシタである。電気化学デバイス１００に含まれる蓄電素子１１０Ａの詳細については、後述する。
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の外観を示す模式的斜視図である。
図１に示す電気化学デバイス１００においては、蓄電素子１１０Ａが収容ケース１２０に収容されている。収容ケース１２０内には、蓄電素子１１０Ａと共に電解液が充填されている。電気化学デバイス１００においては、蓄電素子１１０Ａが電解液に浸漬されている。蓄電素子１１０Ａの上には、蓋（不図示）が設けられ、電解液は、収容ケース１２０及び蓋により封止されている。
蓄電素子１１０Ａが電解液に浸漬された電気化学デバイス１００ではプレドープが終了している。例えば、電解液に浸漬される前の蓄電素子１１０Ａは、リチウムイオン供給源を具備する（後述）。そして、蓄電素子１１０Ａが電解質に浸漬されると、リチウムイオン供給源から電解質にリチウムイオンが溶け、リチウムイオンが蓄電素子１１０Ａの負極にドープされる。
[蓄電素子の構成]
図２（ａ）は、本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａを示す模式的斜視図である。図２（ｂ）は、本実施形態に係る負極１３０、負極端子１３１及び保護テープ１６１を示す模式的側面図である。図２（ｃ）は、本実施形態に係る正極１４０、正極端子１４１及び保護テープ１７１を示す模式的側面図である。
図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）には、電解液に浸漬されていないプレドープ前の蓄電素子１１０Ａの状態が示されている。
図２（ａ）に示すように、蓄電素子１１０Ａは、負極１３０、正極１４０、負極端子１３１、正極端子１４１、捲回芯１１２、セパレータ１５０及びリチウム極１８０を具備する。図２（ａ）に例示された蓄電素子１１０Ａは、プレドープ前の蓄電素子である。負極１３０は、リチウムイオンが吸蔵可能な電極である。正極１４０は、分極性電極である。このような蓄電素子では、プレドープ後、リチウムイオンがより均一に負極にドープされることが望ましい。
本実施形態では、捲回芯１１２が延伸する方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な方向である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に垂直な方向である。捲回芯１１２が延伸する方向（捲回中心軸Ｃ１に平行な方向）は、負極端子１３１及び正極端子１４１が延伸する方向でもある。また、蓄電素子１１０Ａにおいては、捲回中心軸Ｃ１から蓄電素子１１０Ａの外周に向かう方向を外側方向、その逆方向を内側方向とする。本実施形態において、蓄電素子１１０Ａが捲回芯１１２を設けない構造も含まれる。
負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０は、捲回芯１１２から外側に向かって積層されている。セパレータ１５０は、正極１４０と負極１３０とを隔てる。セパレータ１５０は、負極１３０と正極１４０とを絶縁する。負極１３０及び正極１４０は、ともに捲回芯１１２の回りに捲回されている。セパレータ１５０は、負極１３０と正極１４０との間に配置され、捲回芯１１２の回りに捲回されている。本実施形態では、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を含む構造体を捲回構造体１１１とする。捲回構造体の外径Ｒは、例えば、３０ｍｍ以下である。捲回構造体の外径Ｒは、３０ｍｍよりも大きくてもよい。
例えば、図２（ｂ）には、捲回構造体１１１を捲回する前の負極１３０、負極端子１３１及び保護テープ１６１が表されている。負極１３０は、負極集電体１３２及び負極活物質層１３３を有する。負極端子１３１は、負極１３０の負極集電体１３２に電気的に接続されている。負極端子１３１は、負極活物質層１３３が設けられていない負極集電体１３２に、例えば、ピン部材１３１ｐによる針かしめにより接続されている。負極端子１３１は、捲回構造体１１１の捲回中心軸Ｃ１に沿って捲回構造体１１１内を延伸する。負極端子１３１は、捲回構造体１１１から突出している。
保護テープ１６１（第１保護テープ）は、負極端子１３１を被覆する。保護テープ１６１は、負極端子１３１及び負極活物質層１３３を被覆する。保護テープ１６１は、捲回方向Ｄｒに沿って幅１６１ｗ（第１の幅）を有する。捲回方向Ｄｒは、捲回中心軸Ｃ１の周りに、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０が捲回されている方向である。
また、図２（ｃ）には、捲回構造体１１１を捲回する前の正極１４０、正極端子１４１及び保護テープ１７１が表されている。正極１４０は、正極集電体１４２及び正極活物質層１４３を有する。正極端子１４１は、正極１４０の正極集電体１４２に電気的に接続される。正極端子１４１は、正極活物質層１４３が設けられていない正極集電体１４２に、例えば、ピン部材１４１ｐによる針かしめにより接続されている。正極端子１４１は、捲回中心軸Ｃ１に沿って捲回構造体１１１内を延伸する。正極端子１４１は、捲回構造体１１１から突出する。正極端子１４１は、例えば、負極端子１３１と同じ向きに捲回構造体１１１から突出している。
保護テープ１７１（第２保護テープ）は、正極端子１４１を被覆する。保護テープ１７１は、正極端子１４１及び正極活物質層１４３を被覆する。保護テープ１７１は、捲回方向Ｄｒに沿って幅１７１ｗ（第２の幅）を有している。
負極端子１３１及び正極端子１４１は、例えば、銅、アルミニウム、鉄等の少なくとも１つを含む。負極端子１３１は、例えば、銅端子である。正極端子１４１は、例えば、アルミニウム端子である。
図２（ａ）に示すように、正極端子１４１は、負極端子１３１とは距離Ｄ（第１の距離）で隔てられている。距離Ｄは、Ｘ−Ｙ平面における正極端子１４１の中心と負極端子１３１の中心との間の距離で定義される。距離Ｄは、例えば、８ｍｍ以下である。距離Ｄは、８ｍｍよりも大きくてもよい。
蓄電素子１１０Ａにおいては、保護テープ１６１の幅１６１ｗに、保護テープ１７１の幅１７１ｗを足し合わせた幅は、距離Ｄに円周率πを乗算した値よりも小さい（（幅１６１ｗ＋幅１７１ｗ）＜Ｄ×π・・・（１））。Ｄ×πは、直径がＤである円の円周に相当する。幅１６１ｗ及び幅１７１ｗのそれぞれは、可変である。但し、幅１６１ｗ及び幅１７１ｗは、上記（１）式の関係を満たす。また、幅１６１ｗは、幅１７１ｗと異なってもよい。例えば、幅１６１ｗは、（Ｄ×π）値のＸ％（Ｘ≧１２．０）であり、幅１７１ｗは、（１００−Ｘ）％未満である。さらに、保護テープ１６１は、捲回中心軸Ｃ１から捲回構造体１１１の外周に向かう方向において、保護テープ１７１と重なっていない。
また、図２（ａ）の例では、保護テープ１７１の中心、捲回芯１１２（捲回中心軸Ｃ１）及び保護テープ１６１の中心がこの順に一列状に並んでいる。さらに、図２（ａ）の例では、幅１６１ｗは、幅１７１ｗと同じである。なお、保護テープ１７１の中心、捲回芯１１２（捲回中心軸Ｃ１）及び保護テープ１６１の中心は、一列状に並ばなくてもよい。例えば、捲回中心軸Ｃ１から保護テープ１７１の中心に引いた線と、捲回中心軸Ｃ１から保護テープ１６１の中心に引いた線とがなす角度は、１８０度より小さくてもよい。
リチウム極１８０は、負極１３０に電気的に接続されている。リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側に配置されている。図２（ａ）の例では、リチウム極１８０によって捲回構造体１１１が囲まれている。リチウム極１８０は、例えば、金属箔と、リチウム層とを有する。リチウム極１８０が配置される位置は、図２（ａ）の例に限らない。また、セパレータ１５０が配置される位置は、図２の例に限らない。例えば、図２（ａ）の例では、リチウム極１８０がセパレータ１５０から露出されているが、リチウム極１８０がセパレータ１５０によって囲まれてもよい。
蓄電素子１１０ＡをＸ−Ｙ平面で切断した断面構造をさらに詳細に説明する。
図３は、本実施形態に係る蓄電素子１１０ＡのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。
図３には、蓄電素子１１０ＡをＸ−Ｙ平面で切断したときの蓄電素子１１０Ａを下から見たときの断面の様子が表されている。
図４（ａ）は、図３におけるＡ１−Ａ２線における模式的断面図である。図４（ｂ）は、図３に例示された負極端子１３１付近を拡大した模式的断面図である。図４（ｃ）は、図３に例示された正極端子１４１付近を拡大した模式的断面図である。
負極１３０において、負極活物質層１３３は、負極集電体１３２の主面１３２ａ及び主面１３２ｂに設けられている。負極活物質層１３３の一部は、負極集電体１３２の主面１３２ａから剥離されている。負極端子１３１は、この剥離した部分の負極集電体１３２に接続されている。
負極端子１３１及び負極端子１３１付近の負極活物質層１３３は、保護テープ１６１により被覆されている。これにより、負極活物質層１３３が剥離して表出した負極集電体１３２は、保護テープ１６１により封止される。
保護テープ１６１は、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を介して捲回芯１１２に対向する。プレドープの際に負極端子１３１が保護テープ１６１で被覆されていないと、リチウムが負極端子１３１に優先的に析出する場合がある。このため、負極端子１３１は、電解液から遮断されるように保護テープ１６１により被覆されていることが好ましい。
正極１４０において、正極活物質層１４３は、正極集電体１４２の主面１４２ａと主面１４２ｂとに設けられている。正極集電体１４２には、正極端子１４１が電気的に接続されている。例えば、正極活物質層１４３の一部は、正極集電体１４２の主面１４２ａから剥離されている。正極端子１４１は、この剥離した部分の正極集電体１４２に接続されている。
正極端子１４１及び正極端子１４１付近の正極活物質層１４３は、保護テープ１７１により被覆されている。保護テープ１７１は、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を介して捲回芯１１２に対向する。
負極端子１３１の幅１３１ｗは、負極端子１３１の加工限界または機械的強度を確保するために、２ｍｍ以上になっている。同様に、正極端子１４１の幅１４１ｗは、正極端子１４１の加工限界または機械的強度を確保するために、２ｍｍ以上になっている。また、負極端子１３１を覆う保護テープ１６１の幅１６１ｗは、３ｍｍ以上になっている。正極端子１４１を覆う保護テープ１７１の幅１７１ｗは、３ｍｍ以上になっている。但し、幅１６１ｗと幅１７１ｗとを足し合わせた値は、上記の式（１）を満たす。
セパレータ１５０は、セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂを有する。セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂは、負極１３０と正極１４０とを絶縁する。セパレータ１５０ａとセパレータ１５０ｂは、負極１３０と正極１４０を隔て、電解液中に含まれるイオンを透過することができる。また、セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂは、連続した一体のセパレータであってもよい。
負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０が捲回された蓄電素子１１０Ａにおいては、負極集電体１３２の主面１３２ａと、正極集電体１４２の主面１４２ａとが捲回内側の面になっている。また、負極集電体１３２の主面１３２ｂと正極集電体１４２の主面１４２ｂとが捲回外側の面になっている。図３、図４（ａ）及び図４（ｂ）の例では、捲回内側に、保護テープ１６１、１７１が配置されている。
リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側に配置されている。図３に例示する捲回構造体１１１においては、最も捲回外側（最外周）の電極が負極１３０となり、この最も捲回外側の負極集電体１３２にリチウム極１８０が接続されている。リチウム極１８０は、例えば、捲回構造体１１１を囲むように配置されている。リチウム極１８０は、金属箔１８１と、リチウム層１８３とを有する。金属箔１８１は、例えば、銅箔である。リチウム層１８３は、例えば、リチウム箔である。リチウム層１８３の量は、リチウムイオンのプレドープにおいて負極活物質層１３３にドープ可能な程度に調整される。リチウム層１８３は、金属箔１８１の全面に設けられてもよく、金属箔１８１に選択的に設けられてもよい。
金属箔１８１は、負極集電体１３２に電気的に接続されている。例えば、金属箔１８１は、負極集電体１３２に針かしめ、溶接等により接合されている。金属箔１８１は、捲回構造体１１１の外側において、捲回構造体１１１を一周りするように配置されている。金属箔１８１においては、その主面１８１ａが捲回内側の面になり、主面１８１ｂが捲回外側の面になっている。金属箔１８１のＺ軸方向における幅は、例えば、負極集電体１３２のＺ軸方向における幅と同じである。
リチウム層１８３は、負極活物質層１３３にリチウムイオンをプレドープする際のリチウムイオン供給源として機能する。このため、リチウム層１８３は、捲回外側の主面１８１ｂに設けられるよりも、捲回内側の主面１８１ａに設けられた方が好ましい。これにより、プレドープの際、リチウムイオンが金属箔１８１によって遮られることなく、金属箔１８１の主面１８１ａから電解液を通じて捲回構造体１１１内に拡散する。なお、リチウム層１８３を主面１８１ｂに設ける場合は、リチウムイオンが金属箔１８１を貫通すように金属箔１８１に複数の貫通孔を形成してもよい。
リチウム極１８０と正極１４０との間には、セパレータ１５０ａが配置されている。これにより、リチウム極１８０は、正極１４０から絶縁されている。また、本実施形態においては、リチウム極１８０が必ずしも捲回構造体１１１を囲むように配置されている必要はない。例えば、リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側であれば、捲回構造体１１１中に配置されてもよい。この場合も、リチウム極１８０は、負極１３０に電気的に接続される。このような蓄電素子１１０Ａが電解液に浸漬されると、負極活物質層１３３に、リチウムイオンのプレドープがなされる。
蓄電素子１１０Ａの材料の具体例について説明する。
負極集電体１３２は、例えば、金属箔でよい。金属箔には、複数の貫通孔が設けられてもよい。負極集電体１３２は、例えば、銅箔等でもよい。負極活物質層１３３に含まれる負極活物質は、電解液中のリチウムイオンを吸蔵可能な材料であり、例えば難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、グラファイトやソフトカーボン等の炭素系材料でもよい。負極活物質層１３３は、負極活物質がバインダ樹脂と混合されたものでもよく、さらに導電助剤を含んでもよい。例えば、負極活物質層１３３は、上記の活物質、導電助剤及び合成樹脂のスラリー状の混合物を下地に塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。
バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂でよい。バインダ樹脂は、例えば、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させるものでよい。導電助剤は、例えば、アセチレンブラックや黒鉛、高導電性カーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
正極集電体１４２の材料は、負極集電体１３２の材料と同じであってもよく、異なってもよい。正極活物質層１４３に含まれる正極活物質は、例えば、活性炭、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）等の活物質少なくともいずれかを含む。正極活物質層１４３は、上記の活物質、導電助剤（例えば、高導電性カーボンブラック）及び合成樹脂（例えば、ＰＴＦＥ等）のスラリー状の混合物を下地に塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。また、正極活物質層１４３の材料は、負極活物質層１３３の材料と同じであってもよい。
セパレータ１５０（１５０ａ、１５０ｂ）は、電解質イオンを透過させ、負極１３０と正極１４０とを絶縁するシート材でもよい。セパレータ１５０は、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等でもよい。セパレータ１５０は、ガラス繊維、セルロース繊維、プラスチック繊維等からなる多孔質シートでもよい。
電解液は、任意に選択することが可能である。例えば、電解液において、カチオンとしては、リチウムイオンを少なくとも含み、テトラエチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、５−アゾニアスピロ［４．４］ノナンイオン、エチルメチルイミダゾリウムイオン等を混合して使用してもよい。アニオンとしてはＢＦ４ −（四フッ化ホウ酸イオン）、ＰＦ６ −（六フッ化リン酸イオン）、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−（ＴＦＳＡイオン）等のアニオンを含み、溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、スルホラン、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、エチルイソプロピルスルホン等を含むものとすることができる。具体的には、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）または、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）のプロピレンカーボネート溶液等でもよい。
保護テープ１６１、１７１の材料は、耐熱性かつ電解液に対して耐性を有するものが適用される。例えば、保護テープ１６１、１７１は、ポリイミド、ポリプロピレン及びポリフェニレンサルファイド等のいずれかを含んでもよい。
[蓄電素子の作用]
本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を説明する前に、比較例に係る蓄電素子の作用を説明する。蓄電素子では、その小型化が進行し、保護テープの幅をこの小型化に合わせて狭めないと、蓄電素子内における保護テープの幅が相対的に広くなる。この例を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例に係る蓄電素子２１０Ａの作用を示す模式的断面図である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）では、保護テープ２６１、２７１とリチウム層２８３との配置関係を明確にするために、蓄電素子の一部が略され、蓄電素子が簡略化して示されている。図５（ａ）は、リチウムイオンが負極にプレドープされる前の蓄電素子２１０Ａの状態が示され、図５（ｂ）は、蓄電素子２１０Ａが収容ケース２２０内で電解液に浸漬され、リチウムイオンが負極にドープされた後の状態が示されている。
図５（ａ）に示す蓄電素子２１０Ａにおいては、保護テープ２６１の幅２６１ｗに、保護テープ２７１の幅２７１ｗを足し合わせた幅が直径Ｄの円２１５の円周以上になっている（（幅２６１ｗ＋幅２７１ｗ）≧Ｄ×π）。このような構造は、蓄電素子の小型化が進行しつつも、保護テープ２６１、２７１の幅をこの小型化の流れに合わせて調整しない場合に形成され得る。例えば、小型化とは、距離Ｄが８ｍｍ以下または捲回構造体２１１の外径が３０ｍｍ以下になった場合が相当する。この場合、保護テープ２６１、２７１の幅を外径Ｒに合わせて狭めないと、蓄電素子２１０Ａのように、保護テープ２６１、２７１が円２１５を囲む構成になる。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）の例では、符号「２８１」が金属箔に対応し、符号「２３１」が負極端子に対応し、符号「２４１」が正極端子に対応している。
蓄電素子２１０Ａが電解液に浸漬されると、リチウム層２８３から電解液にリチウムイオンが溶け、リチウムイオンが蓄電素子２１０Ａの負極にドープされる。例えば、リチウムイオンは、リチウム層２８３から捲回中心軸Ｃ１に向かって拡散する。
しかし、捲回構造体２１１の外周と捲回中心軸Ｃ１との間には、保護テープ２６１、２７１が存在している。そして、保護テープ２６１の幅２６１ｗに保護テープ２７１の幅２７１ｗを足し合わせた値は、円２１５の円周以上になっている。すなわち、捲回構造体２１１においては、円２１５の内側の領域が保護テープ２６１、２７１によって画定されている。
これにより、蓄電素子２１０Ａでは、リチウムイオンのプレドープの際に、リチウムイオンが保護テープ２６１、２７１によって遮られ、リチウムイオンが円２１５の内側に十分に行き渡らなくなる。例えば、図５（ｂ）には、捲回構造体２１１内にドープされたリチウムイオンが模式的にドットで表されている。図５（ｂ）には、リチウムイオンの濃度が保護テープ２６１、２７１の外側で相対的に高くなっている様子が表されている。
また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、別の比較例に係る蓄電素子２１０Ｂの作用を示す模式的断面図である。
図６（ａ）は、リチウムイオンが負極にプレドープされる前の状態が示され、図６（ｂ）は、リチウムイオンが負極にドープされた後の状態が示されている。
図６（ａ）に示す蓄電素子２１０Ｂにおいては、保護テープ２６１の幅２６１ｗに、保護テープ２７１の幅２７１ｗを足し合わせた幅が直径Ｄの円２１５の円周より小さくなっている。しかし、蓄電素子２１０Ｂにおいては、保護テープ２６１の一部が保護テープ２７１の一部に重なっている。このような構成も、蓄電素子２１０Ｂの小型化が進行しつつ、保護テープ２６１、２７１の幅をこの小型化の流れに合わせて調整しない場合に形成され得る。
蓄電素子２１０Ｂでは、例えば、プレドープの際に、リチウムイオンが保護テープ２６１、２７１が重なっていない部分から円２１５内に入り込む（図６（ｂ））。しかし、リチウムイオンは、保護テープ２６１、２７１の重なった部分によって遮られ、リチウムイオンが円２１５の内側に均一に行き渡らなくなる。例えば、保護テープ２６１、２７１の外側に、リチウムイオンの高濃度領域２８３Ｈが局所的に形成される場合がある。または、保護テープ２６１、２７１の内側に、リチウムイオンの低濃度領域２８３Ｌが局所的に形成される場合がある。
このように、比較例に係る蓄電素子２１０Ａ、２１０Ｂにおいては、リチウムイオンが負極に均一にドープされない可能性がある。
これに対して、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を示す模式的断面図である。
図７（ａ）は、リチウムイオンが負極１３０にプレドープされる前の状態が示され、図７（ｂ）は、リチウムイオンが負極１３０にドープされた後の状態が示されている。
蓄電素子１１０Ａにおいては、保護テープ１６１の幅１６１ｗに、保護テープ１７１の幅１７１ｗを足し合わせた幅が直径Ｄの円１１５の円周より短くなっている（（幅１６１ｗ＋幅１７１ｗ）＜Ｄ×π）。さらに、捲回中心軸Ｃ１から捲回構造体１１１の外周に向かう方向において、保護テープ１６１は、保護テープ１７１に重なっていない。
このような構造であれば、リチウムイオンのプレドープの際に、リチウムイオンが保護テープ１６１、１７１によって遮られ難くなる。例えば、リチウムイオンが保護テープ１６１と保護テープ１７１との間を通過できる隙間は、蓄電素子２１０Ｂでは、１箇所であったのに対し、蓄電素子１１０Ａでは、２箇所になっている。さらに、保護テープ１７１、捲回中心軸Ｃ１及び保護テープ１７１が列状に並んだ場合、この２つの隙間は、捲回中心軸Ｃ１を中心に点対称に配置されている。これにより、リチウムイオンは、円１１５の内側及び外側により均一に拡散することができる（図７（ｂ））。この結果、蓄電素子１１０Ａにおいては、リチウムイオンが負極１３０により均一にドープされる。
このように、蓄電素子１１０Ａでは、距離Ｄが８ｍｍ以下、または、捲回構造体１１１の外径が３０ｍｍ以下となっても、上記の式（１）を満たし、さらに保護テープ１６１と保護テープ１７１とが重ならない構造とすることで、リチウムイオンが負極１３０により均一にドープされる。
［電気デバイスの変形例］
図８は、本実施形態の変形例に係る蓄電素子１１０Ｂを示す模式的断面図である。
図８に示す蓄電素子１１０Ｂは、保護テープ１６２と、保護テープ１７２とをさらに具備する。
負極端子１３１は、捲回中心軸Ｃ１とは反対側から保護テープ１６２で覆われている。保護テープ１６２は、負極端子１３１と負極集電体１３２とを介して保護テープ１６１に対向している。保護テープ１６１は、保護テープ１６２と捲回中心軸Ｃ１との間に位置している。保護テープ１６２は、捲回方向Ｄｒにおいて幅１６２ｗを有する。さらに、保護テープ１６２は、捲回中心軸Ｃ１から捲回構造体１１１の外周に向かう方向において、保護テープ１７２と重なっていない。また、保護テープ１７２、捲回芯１１２（捲回中心軸Ｃ１）及び保護テープ１６２がこの順に一列状に並んでいる。
例えば、負極端子１３１が負極集電体１３２に針かしめによって接合され、針部材が負極集電体１３２の裏側及び裏側に設けられた負極活物質層１３３を突き抜ける場合がある。この場合、この突き抜けた部分の針部材を保護テープ１６２によって被覆することにより、突き抜けた針部材へのリチウム析出が抑えられる。また、保護テープ１６２は、突き抜けた針部材が隣り合うセパレータに接触することを防止する。または、保護テープ１６２は、針部材がセパレータを突き破った場合、正極活物質層１４３に直接接触することを防止する。
また、正極端子１４１は、捲回中心軸Ｃ１とは反対側から保護テープ１７２で覆われている。保護テープ１７２は、正極端子１４１と正極集電体１４２とを介して保護テープ１７１に対向している。保護テープ１７１は、保護テープ１７２と捲回中心軸Ｃ１との間に位置している。保護テープ１７２は、捲回方向Ｄｒにおいて幅１７２ｗを有する。図８の例では、幅１６２ｗは、幅１７２ｗと同じである。なお、保護テープ１７２、捲回芯１１２（捲回中心軸Ｃ１）及び保護テープ１６２は、一列状に並ばなくてもよい。さらに、幅１６２ｗは、幅１７２ｗと異なってもよい。
例えば、正極端子１４１が正極集電体１４２に針かしめによって接合され、針部材が正極集電体１４２の裏側及び裏側に設けられた正極活物質層１４３を突き抜ける場合がある。この場合、この突き抜けた部分の針部材を保護テープ１７２によって被覆することにより、突き抜けた針部材が隣り合う負極活物質層１３３に直接当接することが回避される。
さらに、保護テープ１６２の幅１６２ｗに、保護テープ１７２の幅１７２ｗを足し合わせた幅は、距離Ｄに円周率πを乗算した値よりも小さくてもよい（（幅１６２ｗ＋幅１７２ｗ）＜Ｄ×π・・・（２））。幅１６２ｗ及び幅１７２ｗのそれぞれは、可変である。但し、幅１６２ｗ及び幅１７２ｗは、上記（２）式の関係を満たす。幅１６２ｗは、（Ｄ×π）値のＸ％（Ｘ≧１２．０）である。幅１７２ｗは、（１００−Ｘ）％未満である。
このような構造であれば、距離Ｄが８ｍｍ以下、または、捲回構造体１１１の外径が３０ｍｍ以下となっても、上記の式（２）を満たし、さらに保護テープ１６２と保護テープ１７２とが重ならない構造とすることで、リチウムイオンが負極１３０により均一にドープされる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
１００…電気化学デバイス
１１０Ａ、１１０Ｂ、２１０Ａ、２１０Ｂ…蓄電素子
１１１、２１１…捲回構造体
１１２…捲回芯
１１５、２１５…円
１２０、２２０…収容ケース
１３０…負極
１３１、２３１…負極端子
１３１ｗ…幅
１３１ｐ…ピン部材
１３２…負極集電体
１３２ａ、１３２ｂ…主面
１３３…負極活物質層
１４０…正極
１４１、２４１…正極端子
１４１ｗ…幅
１４２…正極集電体
１４２ａ、１４２ｂ…主面
１４３…正極活物質層
１５０、１５０ａ、１５０ｂ…セパレータ
１６１、１６２、１７１、１７２、２６１，２７１…保護テープ
１６１ｗ、１６２ｗ、１７１ｗ、１７２ｗ、２６１ｗ、２７１ｗ…幅
１８０…リチウム極
１８１、２８１…金属箔
１８１ａ、１８１ｂ…主面
１８３、２８３…リチウム層
２８３Ｈ…高濃度領域
２８３Ｌ…低濃度領域
Ｃ１…捲回中心軸

Claims (6)

  1. 負極集電体と前記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する負極と、正極集電体と前記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する正極と、前記負極と前記正極を絶縁するセパレータと、を有し、前記負極、前記正極及び前記セパレータは積層されて捲回され、前記負極と前記正極とが前記セパレータにより隔てられた捲回構造体と、
    前記負極集電体に電気的に接続され、前記捲回構造体の捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出する負極端子と、
    前記正極集電体に電気的に接続され、前記捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出し、前記負極端子とは第１の距離で隔てられた正極端子と、
    前記負極端子及び前記負極活物質層を被覆する第１保護テープと、
    前記正極端子及び前記正極活物質層を被覆する第２保護テープと、
    前記正極、前記負極及び前記セパレータを浸漬する電解液と
    を具備し、
    前記捲回構造体の捲回方向に沿った前記第１保護テープの第１の幅に、前記捲回方向に沿った前記第２保護テープの第２の幅を足し合わせた幅が前記第１の距離に円周率を乗算した値よりも小さい
    電気化学デバイス。
  2. 請求項１に記載された電気化学デバイスであって、
    前記負極活物質層に、リチウムイオンのプレドープがなされている
    電気化学デバイス。
  3. 請求項１または２に記載された電気化学デバイスであって、
    前記捲回中心軸から前記捲回構造体の外周に向かう方向において、
    前記第１保護テープは、前記第２保護テープと重ならない
    電気化学デバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載された電気化学デバイスであって、
    前記第１の距離は、８ｍｍ以下である
    電気化学デバイス。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載された電気化学デバイスであって、
    前記捲回構造体の外径は、３０ｍｍ以下である
    電気化学デバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載された電気化学デバイスであって、
    前記第１の幅は、前記値のＸ％（Ｘ≧１２．０）であり、前記第２の幅は、（１００−Ｘ）％未満である
    電気化学デバイス。
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