JP3794569B2 - 蓄電素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池や電気二重層コンデンサ等の蓄電素子およびその製造方法に関し、特に蓄電素子を構成するガスケット構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信の分野では携帯機器の小型化・軽量化が進んでいる。二次電池や電気二重層コンデンサにおいてもこれに対応して、小型化・軽量化の開発が盛んに行われており、外装材においては、ラミネート材やコイン型の金属ケースを使用した電池や電気二重層コンデンサが使用されている。
【０００３】
その製造方法においては、外装ケース内に、電極を所定の位置に固定し、二枚の電極を正確に対向させ収納する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電極を所定の位置に固定し、二枚の電極を正確に対向させる方法は従来から幾つかの方法がある。例えば、特開平８−２７３７０１公報に開示の二次電池では、電極板と電池ケースの間に金属リングを介することで、電極板の固定及び対向する電極板を所定の位置に固定する技術が開示されている。しかしながら、電極板と電池ケースの間に金属リングを介するために、電極板と電池ケース間に十分な電解液を保持できず、且つ製品重量が増加し軽量化を阻害するという問題があった。
【０００５】
本発明は、電極の位置ずれ防止によるESRの低下、及び融着面積の増加、セル内の電解液量の保持による封止不良の改善が実現できる二次電池・電気二重層コンデンサの提供を目的とする。ガスケットに二層以上の内径の異なるものを用いることで、製品体積を変えることなく、電極の位置ずれ防止、電解液量の保持、封止不良の改善が実現できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の蓄電素子は、ガスケット部材として二層以上の内径の異なるものを用い、その上層部（セパレータ側）はガスケット内径と固体電極外径が同じものを、下層部（集電板側）は固体電極外径よりガスケット内径が大きいものを用いることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による、電池、電気二重層コンデンサの製造方法は、ガスケットに二層以上の内径の異なるものを用い、その上層部（セパレータ側）はガスケット内径と固体電極外径が同じものを、下層部（集電板側）は固体電極外径よりガスケット内径が大きいものを用いることを特徴とする。
【０００８】
とくに本発明によれば、固体電極の一方の面が集電板に接続され、前記固体電極がガスケットに内包されたものの一対を、セパレータを介して前記固体電極の他方の面同士が対向するように配置して構成した蓄電素子において、前記ガスケットは、前記セパレータ側のガスケット内径が前記集電板側のガスケット内径より小さいことを特徴とする蓄電素子が得られる。
【０００９】
とくに、前記セパレータ側のガスケット内径は前記固体電極の外径と実質的に同じであることをも特徴とする蓄電素子が得られる。
【００１０】
本発明における前記セパレータ側のガスケットと前記集電板側のガスケットとは、積層一体化された二層構造であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明によれば、固体電極の一方の面が集電板に接続され、前記固体電極がガスケットに内包されたものの一対を、セパレータを介して前記固体電極の他方の面同士が対向するように配置して構成した蓄電素子の製造方法において、前記ガスケットが、前記セパレータ側に位置するガスケットの内径が前記固体電極の外径と同じガスケット部材と、前記集電板側に位置するガスケットの内径が前記セパレータ側に位置するガスケットの内径より大きな部材とを積層一体化する工程を有することを特徴とする蓄電素子の製造方法も得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態の動作について図面を参照して説明する。本発明の電極構造体および蓄電素子の構成は以下の通りである。
【００１３】
図1に基本セルの内部断面構造を示す。1は負極、２は正極（電気二重層コンデンサの場合は両極共に分極性電極）、３は微多孔性のセパレータである。負極１および正極２をそれぞれ保持するガスケット４１および４２のセパレータとは反対側には集電板５１および５２が配置されている。負極側ガスケット４１について詳述すると、セパレータ側に位置するセパレータ側ガスケット４１３と集電板側に位置するガスケット４１５との二層構造を有している。セパレータ側に位置するガスケット４１３はその内径が負極１を保持できるように負極１の外径と実質的に同一内径であり、セパレータ３の外径より小さく選定される。一方、集電板側に位置する集電板側ガスケット４１５は、電解液を保持できる電解液保持空間６１を負極１とガスケットとの間に確保できるように、その内径は負極１の外径より大きく、集電板５１の外径より小さく選定される。
【００１４】
正極側ガスケット４２も負極側と同様な構成である。すなわち、セパレータ側に位置するガスケット４２３と集電板側に位置する集電板側ガスケット４２５との二層構造を有している。セパレータ側に位置するセパレータ側ガスケット４２３はその内径が正極２を保持できるように正極２の外径と実質的に同一内径であり、セパレータ３の外径より小さく選定される。一方、集電板側に位置するガスケット４２５は、電解液を保持できる電解液保持空間６２を正極２とガスケットとの間に確保できるように、その内径は正極２の外径より大きく、集電板５２の外径より小さく選定される。
【００１５】
負極側ガスケット４１および正極側ガスケット４２には、導電性ゴムなどからなる集電板５１および５２がそれぞれ熱融着されて、内部に電解液が注入される。電解液を注入する際は、図示の正極側ガスケット４２の集電板５２が下側になっていることは言うまでもない。また、電解液の注入量は、電極搭載時や、基本セルの積層時に電解液が漏れ出ない程度にしておく。
【００１６】
次に、内部に電解液が含有された負極１および正極２をそれぞれのガスケット４１および４２へ搭載する。いずれか一方の側、図示の例では正極側ガスケット４２とセパレータ３とを熱圧着して、図示のように逆さにしても正電極２が落ちないような封止構造とする。封止構造とされた側と、他方、図示の例では負極側ガスケット４１とをセパレータ３を介して対向配置させ、負極側のガスケット４１と正極側のガスケット４２とを熱融着させることにより、基本セルが構成される。二層構成の各ガスケット４１および４２は、内径の異なるガスケットを積層熱圧着することにより、あらかじめ一体化しておいてもよいし、集電板との熱圧着時に一体化しても構わない。本発明のガスケット材料に適するものとしては、アイオノマーがある。
【００１７】
本発明の蓄電素子によれば、基本セルは、二枚の電極（電池の場合は正極及び負極のことであり、電気二重層コンデンサの場合は分極性電極のことである）の位置がガスケットにより確保されるとともに、電解液を保持する空間も確保されるので、基本セルの組立時のみならず、複数の基本セルを積層する場合にも、圧縮された電極から電解液がしみ出しても、電解液保持空間内に電解液を留めさせることができるので、電解液漏れ事故の発生を防止できる。
【００１８】
本発明の主な効果として2点挙げられる。１つ目は電極の位置ずれ防止によるESRの低下、2つ目は融着面積の増加、及びセル内の電解液量の保持による封止不良の防止である。
【００１９】
１つ目のESRの低下が得られる理由としては、異なる内径のガスケットを使用していることが挙げられる。上層（セパレータ側）はガスケット内径と固体電極外径が同じものを用い、下層（集電板側）は上層ガスケット内径より大きいものを用いる。上層はガスケット内径と固体電極の外径が同じものを用いているため、電極の位置ずれを防ぐことができる。その結果ESRが低下する。また電極を固定するだけではなく、下層部と電極間の空間に電解液を溜めることができ、上層部の径が小さいために下層部と電極間の電解液が蒸発することを防ぐ。その結果、電解液をセル内に保持することができ、液量の減少によるESRの増加を防ぐことができる。
【００２０】
2つ目の封止不良の防止が得られる理由としては、上層の内径が小さいために融着面積が増加すること、下層は固体電極外径よりガスケット内径が大きいためにガスケットと電極の間に電解液を保持することができ、電解液が上層部の融着部分に付着することがなくなることが挙げられる。
【００２１】
（実施例１）
ガスケット４１および４２の材質としてアイオノマーを使用した。二層のガスケットのうち、セパレート側のガスケット４１３および４２３は厚み150μm、内径13.0mm、外径16.0mmのリング状シートを使用した。集電板側のガスケット４１５および４２５は厚み150μm、内径14.0mm、外径16.0mmのリング状シートを使用した。
【００２２】
負極１は負極活物質、導電補助剤、バインダー樹脂で構成される。負極活物質はポリキノキサリン、導電性補助剤は気相成長カーボン、バインダー樹脂はポリフッ化ビニリデン（平均分子量：１１００）を用い、それぞれ重量比75：20：5の割合で自動乳鉢を用いて3時間攪拌した。この粉末をそれぞれ50mg秤量し、電極の直径を13mmに加圧成型したものを負極電極として用いた。
【００２３】
正極は正極活物質、導電補助剤、バインダー樹脂で構成される。正極活物質はポリシアノインドール、導電性補助剤は気相成長カーボン、バインダー樹脂はポリフッ化ビニリデン（平均分子量：１１００）を用い、それぞれ重量比75：20：5の割合で自動乳鉢を用いて3時間攪拌した。この粉末をそれぞれ50mg秤量し、電極の直径を13mmに加圧成型したものを正極電極として用いた。
【００２４】
セパレータは、ポリエチレンの多孔質ポリフィルムを使用した。電解液には、40%硫酸水溶液を用いた。
【００２５】
作製した実施例1のポリマー電池の封止不良数及び封止不良のないセルのESR（等価直列抵抗）を測定した。その結果、実施例1では封止不良数は1000個中0個であった。またESRの平均値は3.2Ωであった。
【００２６】
（比較例1）
比較例１の基本セルの内部構造を図2に示す。１は負極、２は正極（電気二重層コンデンサの場合は両極共に分極性電極）、３は微多孔性のセパレータ、４はガスケット、５は集電板（導電性ゴム）である。二枚の電極をセパレータに介して対向配置させた電極をガスケット内に入れ、ガスケット４と集電板５を熱融着させ、電解液を注入し、正極側のガスケットと負極側のガスケットを熱融着させたものを基本セルとする。ガスケット４が厚み300μm、内径14.0mmである点が実施例１と異なる以外は、実施例と同一条件である。
【００２７】
比較例１では封止不良数は1000個中381個であった。ESRの平均値は5.1Ωであった。
【００２８】
表１に実施例1および比較例1における封止不良数およびESR平均値を示す。
【００２９】
【表１】
Figure 0003794569
【００３０】
比較例１では、封止不良数は1000個中381個であったものが、実施例１では0個であった。つまり実施例1の電池は、封止不良の発生を防止できる作製方法であることがわかる。これは上層部（セパレータ側）ガスケット厚み150μm、内径13.0mm下層部（集電板側）ガスケットを厚み150μm、内径14.0mmを使用したことにより、融着面積が増加し、且つ上層の径が下層の径より小さいために、電解液が融着部に付着しなくなったためである。またESRの平均値は比較例1では5.1Ωに対して実施例1では3.2Ωであった。これは電極位置が固定され、正極負極の相対位置のずれが解消されたためである。
【００３１】
（実施例2）
電極に活性炭を用いた他は、実施例1と同じ構成をもつ電気二重層コンデンサを作製した。
【００３２】
実施例2の電気二重層コンデンサの封止不良数及びESRを測定した。その結果、実施例2では封止不良数は1000個中0個であった。ESRの平均値は41mΩであった。
【００３３】
（比較例2）
電極に活性炭を用いた他は、比較例1と同じ構成をもつ電気二重層コンデンサを作製した。比較例２では封止不良数は1000個中359個であった。ESRの平均値は83mΩであった。
【００３４】
実施例２と比較例2とを比較すると、実施例2のコンデンサは、封止不良の発生を防止できる作製方法であることがわかる。またESRの平均値は比較例2では83mΩに対して実施例2では41mΩと大幅に低下している。これは電極位置が固定され、正極負極の相対位置のずれが解消されたためである。
【００３５】
（実施例3）
二層のガスケットのうち、上層部のガスケット厚み50μm、内径13.0mm、下層部のガスケットは厚み350μm、内径14.0mmを使用した他は、実施例1と同じ構成をもつポリマー電池を作製した。
【００３６】
作製した実施例3のポリマー電池の封止不良数及びESRを測定した。その結果、実施例3では封止不良数は1000個中0個であった。ESRの平均値は1.2Ωであった。
【００３７】
ESRの平均値が実施例１より大幅に低下したのは、セル内部の電解液量が増加したためである。
【００３８】
（実施例4）
下層のガスケットをφ15.0にした他は、実施例3と同じ構成をもつポリマー電池を作製した。
【００３９】
作製した実施例4のポリマー電池の封止不良数及びESRを測定した。その結果、実施例3では封止不良数は1000個中0個であった。ESRの平均値は0.67Ωであった。
【００４０】
実施例4ではESRの平均値がさらに低下している。これは電極位置が固定され、正極負極の相対位置のずれが解消されたこと、セル内の液量が増加したことが挙げられる。
【００４１】
本発明は、上述した実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。実施例１では活物質としてポリキノキサリン、ポリシアノインドール、電解液として硫酸水溶液を用いたが、これらに限定されるものではない。使用できる正極活物質として高分子材料、低分子材料、無機材料、金属材料等が挙げられる。導電補助剤としては、結晶性カーボン・カーボンブラック・グラファイト等の導電材料が挙げられる。バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデンを用いたが電解液に腐食されない限り、これに限定されるものではない。
【００４２】
電極の構成比は任意であるが、効率を考慮すると、活物質が30〜95 wt%、導電補助剤が5〜50 wt%、バインダーが0〜20 wt%の範囲が望ましい。
【００４３】
ガスケットとしては、アイオノマーを用いたが、これらに限定されるものではない。使用できるガスケットとしては、ブチルゴム、ポリプロピレン樹脂、ABS樹脂等が挙げられる。また、セパレート側のガスケット４１３および４２３の上記内径の値は、電極の外径が13.0mmの場合の例であるが、電極の搭載を容易にするためには、その内径は13.0〜13.2μmの範囲とすることが好ましい。
【００４４】
セパレータとしては、電気的絶縁性を持ち、イオン導電性を有するものであれば、使用可能である。電解液として酸水溶液、アルカリ水溶液、有機溶媒等が挙げられる。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明では電極のずれが防止でき、且つガスケット内径を部分的に大きくすることにより、電解液量を増加させESRを低下させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本セルの内部構造を模式的に示す断面図。
【図２】従来の基本セルを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１ 負極
２ 正極
３ セパレータ
４ ガスケット
５ 集電板
４１ 負極側ガスケット
４２ 正極側ガスケット
４１３、４２３ セパレータ側ガスケット
４１５、４２５ 集電板側ガスケット
５１、５２ 集電板
６１、６２ 電解液保持空間

Claims (6)

  1. 固体電極の一方の面が集電板に接続され、前記固体電極がガスケットに内包されたものの一対を、セパレータを介して前記固体電極の他方の面同士が対向するように配置して構成した蓄電素子において、前記ガスケットは、前記セパレータ側のガスケット内径が前記集電板側のガスケット内径より小さいことを特徴とする蓄電素子。
  2. 前記セパレータ側のガスケット内径は前記固体電極の外径と実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記セパレータ側のガスケットと前記集電板側のガスケットとは、積層一体化された二層構造であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
  4. 前記固体電極の一方は正極であり、他方が負極であり、二次電池を構成することを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
  5. 前記蓄電素子が電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
  6. 固体電極の一方の面が集電板に接続され、前記固体電極がガスケットに内包されたものの一対を、セパレータを介して前記固体電極の他方の面同士が対向するように配置して構成した蓄電素子の製造方法において、前記ガスケットが、前記セパレータ側に位置するガスケットの内径が前記固体電極の外径と同じガスケット部材と、前記集電板側に位置するガスケットの内径が前記セパレータ側に位置するガスケットの内径より大きな部材とを積層一体化する工程を有することを特徴とする蓄電素子の製造方法。
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