JP2020161670A - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性に優れ、電極活物質層の脱落が生じにくい電極を備える電気化学デバイスを提供すること。【解決手段】本発明に係る電気化学デバイスは、電極と、電解液とを具備する。上記電極は、金属箔である集電体と、上記集電体の主面上に形成され、凹凸を有する下塗り層と、上記下塗り層上に形成され、活物質を含む活物質層とを有する。上記電解液は、上記電極が浸漬される。【選択図】図５
Description
本発明は、蓄電及び放電が可能な電気化学デバイスに関する。
ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor）キャパシタ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池等の電気化学デバイスは正極と負極を、セパレータを介して交互に積層した蓄電素子を備える。
正極と負極は、金属箔である集電体の表面に電極活物質を積層した構造を有する。製造工程や充放電中にこの電極活物質が集電体から脱落すると、所望の電気特性を得られないため、集電体からの電極活物質の脱落が発生しないように検討が行われてきた。
例えば特許文献１には、集電体に貫通孔を設け、アンカー効果により集電体と電極活物質をつなぎとめる方法が開示されている。また、特許文献２には、平坦な集電体に下塗り層を形成し、その上に電極活物質層を積層することで、電極活物質の脱落を防止する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、集電体に貫通孔を形成することが困難であり、加工工数の増加が否めない。また、特許文献２に記載の方法では、均一な厚みの下塗り層を設けることが推奨されているが、下塗り層の表面が平滑であると下塗り層と電極活物質層の物理的なつながりが弱く、長期信頼性が問題となるおそれがある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、生産性に優れ、電極活物質層の脱落が生じにくい電極を備え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、電極と電解液とを具備する。
上記電極は、金属箔である集電体と、上記集電体の主面上に形成され、凹凸を有する下塗り層と、上記下塗り層上に形成され、活物質を含む活物質層とを有する。
上記電解液は、電極が浸漬される。
上記電極は、金属箔である集電体と、上記集電体の主面上に形成され、凹凸を有する下塗り層と、上記下塗り層上に形成され、活物質を含む活物質層とを有する。
上記電解液は、電極が浸漬される。
この構成によれば、凹凸を有する下塗り層と活物質層の間にアンカー効果が生じ、物理的なつながりが強化される。これにより、活物質層の脱落が防止されている。
上記下塗り層の中心表面粗さは３．０μｍ以上あってもよい。
上記電気化学デバイスは、ポリアセンキャパシタであってもよい。
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、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを具備する。
上記正極は、金属箔である正極集電体と、上記正極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する正極下塗り層と、上記正極下塗り層上に形成され、正極活物質を含む正極活物質層とを有する。
上記負極は、金属箔である負極集電体と、上記負極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する負極下塗り層と、上記負極下塗り層上に形成され、負極活物質を含む負極活物質層とを有する。
上記セパレータは、上記正極と上記負極を絶縁する。
上記電解液は、上記正極、上記負極及び上記セパレータが浸漬される。
上記正極は、金属箔である正極集電体と、上記正極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する正極下塗り層と、上記正極下塗り層上に形成され、正極活物質を含む正極活物質層とを有する。
上記負極は、金属箔である負極集電体と、上記負極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する負極下塗り層と、上記負極下塗り層上に形成され、負極活物質を含む負極活物質層とを有する。
上記セパレータは、上記正極と上記負極を絶縁する。
上記電解液は、上記正極、上記負極及び上記セパレータが浸漬される。
以上のように本発明によれば、生産性に優れ、電極活物質層の脱落が生じにくい電極を備える電気化学デバイスを提供することが可能である。
本発明の実施形態に係る電気化学デバイスについて説明する。
本実施形態に係る電気化学デバイスは、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor）キャパシタ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池等の充放電が可能なデバイスであり、その種類は特に限定されない。なお、以下の図において、Ｘ、Ｙ及びＺ方向は相互に直交する３方向である。
[電気化学デバイスの構成]
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の構成を示す斜視図である。同図に示すように電気化学デバイス１００は、蓄電素子１１０が容器１２０（蓋及び端子は図示略）に収容されている。容器１２０内には、蓄電素子１１０と共に電解液が収容されている。なお、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の構成は、図１をはじめ、以降の図に示す構成に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の構成を示す斜視図である。同図に示すように電気化学デバイス１００は、蓄電素子１１０が容器１２０（蓋及び端子は図示略）に収容されている。容器１２０内には、蓄電素子１１０と共に電解液が収容されている。なお、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の構成は、図１をはじめ、以降の図に示す構成に限定されるものではない。
図２は蓄電素子１１０の斜視図であり、図３は蓄電素子１１０の拡大断面図である。図２及び図３に示すように、蓄電素子１１０は、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を有し、これらが積層された積層体が捲回芯Ｃの回りに捲回されて構成されている。なお、捲回芯Ｃは必ずしも設けられなくてもよい。
蓄電素子１１０を構成する負極１３０、正極１４０、セパレータ１５０の積層順は、図２に示すように、捲回芯Ｃ側に向かって（捲回外側から）セパレータ１５０、負極１３０、セパレータ１５０、正極１４０の順となる。また、蓄電素子１１０は、図２に示すように負極端子１３１と正極端子１４１を有する。負極端子１３１は負極１３０、正極端子１４１は正極１４０に接続され、図２に示すように、それぞれ蓄電素子１１０の外部に引き出されている。
負極１３０は、図３に示すように、負極集電体１３２、負極下塗り層１３３及び負極活物質層１３４を備える。負極集電体１３２は金属箔であり、負極下塗り層１３３は負極集電体１３２の表裏両面に形成されている。負極活物質層１３４は、負極下塗り層１３３上に形成されている。
正極１４０は、図３に示すように、正極集電体１４２、正極下塗り層１４３及び正極活物質層１４４を備える。正極集電体１４２は金属箔であり、正極下塗り層１４３は正極集電体１４２の表裏両面に形成されている。正極活物質層１４４は、正極下塗り層１４３上に形成されている。
負極１３０と正極１４０のいずれか一方又は両方は、後述するように活物質層の脱落が防止された構造を有する。
セパレータ１５０は負極１３０と正極１４０を絶縁し、図３に示すように、第１セパレータ１５１及び第２セパレータ１５２を含む。
第１セパレータ１５１と第２セパレータ１５２は、負極１３０と正極１４０を隔て、後述する電解液中に含まれるイオンを透過する。具体的には、第１セパレータ１５１及び第２セパレータ１５２は、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、例えばセルロース系樹脂を主材料としたものとすることができる。また、第１セパレータ１５１及び第２セパレータ１５２は連続した一枚のセパレータであってもよい。
容器１２０は、蓄電素子１１０を収容する。容器１２０の上面及び下面は図示しない蓋によって閉塞されるものとすることができる。容器１２０の材質は、特に限定されず、例えばアルミニウム、チタン、ニッケル、鉄を主成分とする金属又はステンレス等からなるものとすることができる。
蓄電素子１１０は、電解液と共に容器１２０に収容される。電解液は特に限定されないが、ＥＤＭＩ（エチルジメチルイミダゾリウム）・ＢＦ４のポリカーボネート溶液等とすることができる。
［電極の構造について］
上記負極１３０及び正極１４０として利用することが可能な電極１６０について説明する。図４は電極１６０の断面図であり、図５は図４の一部の拡大図である。
上記負極１３０及び正極１４０として利用することが可能な電極１６０について説明する。図４は電極１６０の断面図であり、図５は図４の一部の拡大図である。
図４に示すように、電極１６０は、集電体１６２、下塗り層１６３及び活物質層１６４を備える。
集電体１６２は、アルミニウム等の金属からなる金属箔である。集電体１６２の一方の主面を第１主面１６２ａとし、その反対側の主面を第２主面１６２ｂとする。集電体の厚みは例えば２０μｍとすることができる。
下塗り層１６３は、第１主面１６２ａ及び第２主面１６２ｂ上に形成され、活物質層１６４を集電体１６２に密着させる。下塗り層１６３の厚みは例えば３μｍとすることができる。下塗り層１６３は、導電性を有する材料からなり、例えば高分子、無機粒子及び導電助剤を混合した材料からなるものとすることができる。
高分子は、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリアクリルアミド、エポキシ樹脂、ポリエチレンイミン又はポリアクリル酸エステルが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
無機粒子は、シリカ、チタニア、酸化スズ、アルミナ、水酸化鉄、水酸化マンガン、水酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化アルミ、ジルコニア、チタン酸バリウム又は炭酸ストロンチウムが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属粉末、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料、導電性高分子が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
下塗り層１６３は、図５に示すように、活物質層１６４側の表面に凹凸が設けられている。この凹凸は中心表面粗さ（Ｒａ）が３．０μｍ以上が好適である。なお、中心表面粗さはデジタルマイクロスコープ（キーエンス社製 VHX-5000）で撮影し、解析することによって測定することができる。
活物質層１６４は、下塗り層１６３上に形成されている。活物質層１６４の厚みは例えば１０μｍとすることができる。活物質層１６４の材料は、活物質がバインダ樹脂と混合されたものとすることができ、さらに導電助材を含んでもよい。
活物質は、例えば、ポリアセン炭化物、活性炭、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や、Ｓｉ、ＳｉＯなどの合金系材料、または、それらの複合材料を用いることができる。
バインダ樹脂は、活物質を接合する合成樹脂であり、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、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。導電助剤は、例えば、黒鉛や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。
電極１６０は以上のような構成を有する。なお、図５では、電極１６０の第１主面１６２ａ側を示すが、第２主面１６２ｂ側も同様に下塗り層１６３に凹凸が形成されているものとすることができる。また、第１主面１６２ａ側と第２主面１６２ｂ側のどちらか一方にのみ下塗り層１６３に凹凸が形成されていてもよい。
電極１６０では上記のように下塗り層１６３に凹凸を設けることにより、下塗り層１６３と活物質層１６４の間にアンカー効果が生じ、物理的なつながりが強化されている。これにより、活物質層１６４の脱落が防止されている。
また、集電体１６２に貫通孔等を形成する必要がないため、工数の増加が発生せず、生産性に優れている。
電極１６０の製造方法としては、集電体１６２の表面にグラビア印刷により下塗り層１６３を形成する。この際グラビア印刷の型に、凹凸を設けておくことにより、下塗り層１６３に凹凸を形成することが可能である。活物質層１６４は、材料を混合したスラリーをダイから下塗り層１６３上に吐出させることにより形成することが可能である。
電極１６０は、蓄電素子１１０負極１３０及び正極１４０（図３参照）のいずれか一方又は両方として用いることが可能である。なお、下塗り層１６３及び活物質層１６４は集電体１６１の表裏面のうち一方にのみ形成されてもよい。
また、蓄電素子１１０は図２に示すような捲回型のものに限られず、負極１３０と正極１４０が積層された積層型のものであってもよい。
１００・・・電気化学デバイス
１１０・・・蓄電素子
１２０・・・容器
１３０・・・負極
１３２・・・負極集電体
１３３・・・負極下塗り層
１３４・・・負極活物質層
１４０・・・正極
１４２・・・正極集電体
１４３・・・正極下塗り層
１４４・・・正極活物質層
１５０・・・セパレータ
１６０・・・電極
１６２・・・集電体
１６３・・・下塗り層
１６４・・・活物質層
１１０・・・蓄電素子
１２０・・・容器
１３０・・・負極
１３２・・・負極集電体
１３３・・・負極下塗り層
１３４・・・負極活物質層
１４０・・・正極
１４２・・・正極集電体
１４３・・・正極下塗り層
１４４・・・正極活物質層
１５０・・・セパレータ
１６０・・・電極
１６２・・・集電体
１６３・・・下塗り層
１６４・・・活物質層
Claims (4)
- 金属箔である集電体と、前記集電体の主面上に形成され、凹凸を有する下塗り層と、前記下塗り層上に形成され、活物質を含む活物質層とを有する電極と、
前記電極が浸漬される電解液と
を具備する電気化学デバイス。 - 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記下塗り層の中心表面粗さは３．０μｍ以上である
電気化学デバイス。 - 請求項１又は２に記載の電気化学デバイスであって、
ポリアセンキャパシタである
電気化学デバイス。 - 金属箔である正極集電体と、前記正極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する正極下塗り層と、前記正極下塗り層上に形成され、正極活物質を含む正極活物質層とを有する正極と、
金属箔である負極集電体と、前記負極集電体の主面上に形成され、凹凸を有する負極下塗り層と、前記負極下塗り層上に形成され、負極活物質を含む負極活物質層とを有する負極と、
前記正極と前記負極を絶縁するセパレータと、
前記正極、前記負極及び前記セパレータが浸漬される電解液と
を具備する電気化学デバイス。
Priority Applications (2)
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| PCT/JP2020/012259 WO2020196241A1 (ja) | 2019-03-27 | 2020-03-19 | 電気化学デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019060208A JP2020161670A (ja) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | 電気化学デバイス |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019060208A Pending JP2020161670A (ja) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | 電気化学デバイス |
Country Status (2)
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|---|---|
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-
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2020196241A1 (ja) | 2020-10-01 |
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