JP3953327B2 - 電池および電気二重層コンデンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂シートで包装された電池および電気二重層コンデンサに関する。
【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・軽量化が進んでおり、これに対応して小型・軽量で且つ急速充放電可能な電池および電気二重層コンデンサの開発が盛んに行われている。
【０００３】
電池および電気二重層コンデンサの小型化・軽量化のための解決策として、外装材に高分子膜層と金属箔層から構成されるラミネートフィルムを用いることが提案されている。また、急速充放電特性の向上のためには、端子に導電抵抗の小さい銅などの金属板が用いられている。
【０００４】
特開平８−８３５９６号公報には、ラミネートフィルムよりなる密閉型電池容器内に、積層された正極、セパレータ及び負極、並びに電解液を収容した薄型カード電池が開示されている。しかしながら、この電池は、正極と負極とがセパレータを介して対向配置された基本セルを一つのみ有するものであるため、電圧の増加に対応する際は、複数のセルを容器外部で直列に接続する必要があり、製品の小型化が困難である。さらに、この電池では、電解液が酸性であり、端子が銅などの金属板である場合、内部抵抗が増大するという問題がある。これは、金属端子板が酸性電解液と接触するために腐食されることが原因として挙げられる。
【０００５】
特開平６−２９１５４号公報には、腐蝕性の強い電解液が含浸された分極性電極に接触して外部への端子となる電気二重層コンデンサの出力端子が開示されている。この出力端子は、金属端子板の外部へのリード部を除く外面が耐蝕性の導電シートで被覆された構成を有している。しかしながら、このような端子を用いて電気二重層コンデンサを製造すると、金属端子板の両面が導電シートで被覆されているためその厚さ分だけ製品の外径が大きくなる。
【０００６】
特開平４−２３７１０９号公報には、ガスケットを用いた素子を複数個積層した構成を有し、二つの素子間に一枚の集電体を備えた電気二重層コンデンサが開示され、このような構造にすることにより、耐電圧を増大させるとともに、集電体の数を少なくすることができ、その分だけ背高を低くすることができることが記載されている。しかし、この構造ではガスケットを有しているため、依然、製品の外径が大きく、十分な小型化を図ることはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、先に、特願２００１−１０３６２９号において、金属端子板がリード部を除き導電性ゴムと外装ラミネート材とで熱融着により密閉化された構成を有する電池および電気二重層コンデンサを提案している。この構成によれば、電解液が酸性の場合においても金属端子板の腐食を防止することができるとともに、ガスケットを有しないため製品を小型化することができる。しかしながら、この電池および電気二重層コンデンサは、一対の電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを一つのみ有するものであるため、電圧の増加に対応する際は、複数の電池又はコンデンサを密閉容器外部で直列に接続する必要がある。そのため、所望の電圧あるいは耐電圧を有する電池またはコンデンサを得ようとする場合、製品の小型化の点で改善の余地があった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、十分なセル電圧あるいはコンデンサ耐電圧を有しながら小型であり、また電解液が酸性の場合でも端子の腐食による性能劣化が防止された電池および電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された正極および負極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電池であって、前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電池に関する。
【００１０】
また本発明は、前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている上記の電池に関する。
【００１１】
また本発明は、前記樹脂シートが、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである上記の電池に関する。
【００１２】
また本発明は、セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された一対の分極性電極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電気二重層コンデンサであって、前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電気二重層コンデンサに関する。
【００１３】
また本発明は、前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている上記の電気二重層コンデンサに関する。
【００１４】
また本発明は、前記樹脂シートが、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである上記の電気二重層コンデンサに関する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
図１に、一対の電極がセパレータを介して対向配置された基本セルの構造を示す。符号１は正極、符号２は負極（電気二重層コンデンサの場合は、両極ともに分極性電極）、符号３は多孔性のセパレータを示す。正極１と負極２はセパレータを介して対向配置され、内部に電解液を含有する。
【００１７】
電極の活物質は、電池用としては、酸化還元反応を起こし得る公知の有機材料や無機材料を用いることができ、電気二重層コンデンサとしては、電解液と接触して蓄電能力を有する材料、例えば活性炭粉末や活性炭繊維、固体状活性炭、活性炭／ポリアセン複合材などを用いることができる。
【００１８】
例えば、正極活物質としては、下記化学式（１）で示されるインドール３量体
【００１９】
【化１】
（式中のＲは、それぞれ独立に、Ｈ、ＣＮ、ＮＯ2、Ｆ、ＣＯＯＨ等を示す。）を用いることができる。
【００２０】
一方、負極活物質としては、下記化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリン
【００２１】
【化２】
を用いることができる。
【００２２】
本発明に用いられる電極は、例えば、電極材料を所定のサイズおよび形状の金型に入れ、熱プレス機で成形することにより、所望の電極密度および膜厚を有する固体電極を得ることができる。あるいは、電極材料を溶剤にてペースト化し、これを集電体状に印刷法にて成膜して形成することもできる。
【００２３】
セパレータは、一対の電極が接触により短絡することを防ぐとともに、電解質イオンを通すものであり、電解液を含浸し得る不織布や多孔質フィルムを使用することができる。
【００２４】
電解液としては、硫酸等の酸性水溶液や、水酸化カリウム等のアルカリ性水溶液、プロピレンカーボネート等の有機溶媒と４級アンモニウム塩等の電解質を用いた非水電解液を用いることができる。
【００２５】
図２に、本発明の一実施形態として、図１に示す基本セルを３個直列に積層した積層構造体を有する電池の概略断面図を示す。図２においては、金属端子板６はそのリード部６aのみ示し、他の部分は省略している。金属端子板６は、後述するように例えば図３に示すように設置することができる。
【００２６】
本発明において、基本セルはシート状集電体４bを介して直列に積層され、樹脂シート５で包装されている。
【００２７】
この樹脂シート５は、その縁部の貼り合わせ部で接着あるいは融着されて液密に封止され、外装容器を形成している。図２中の符号７は融着部を示す。この外装容器は、一対の樹脂シートを重ね合わせて、その縁部の重ね合わせ部で接着あるいは融着したものでもよいし、一枚の樹脂シートを折り重ねてその縁部の重ね合わせ部で接着あるいは融着したものでもよい。
【００２８】
樹脂シートとしては、ラミネートシートが好ましく、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートを用いることができる。例えば、外装用樹脂フィルムと金属フィルムと融着用樹脂フィルムからなる３層構造のラミネートシートを用いることができ、短絡防止等を目的として４層以上の構造としてもよい。樹脂フィルムとしてはポリエチレン樹脂やエチレン共重合樹脂、ポリプロピレン樹脂等が用いられ、金属フィルムとしてはアルミニウムやアルミニウム合金等が用いられる。特に融着用樹脂フィルムとしては、ヒートシール性や金属との接着に優れた樹脂が好ましく、ポリプロピレン樹脂やエチレン共重合樹脂の一種であるアイオノマー樹脂が好適なものとして挙げられる。
【００２９】
本発明に用いられる集電体としては、カーボン等を添加して導電性を付与したゴムシートを用いることができる。
【００３０】
本発明における基本セル間に介在する集電体４bは、外装容器内において、基本セルが液密に分離されるように設置されている。すなわち、基本セル間に介在する集電体４bは、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、その縁部にて樹脂シート容器に接着あるいは融着されている。例えば、外装容器の形成に際して、樹脂シートの縁部の重ね合わせ部を融着するときに、集電体の延在部の縁部を樹脂シートの縁部に重ね合わせて同時に融着し、一体化することができる。その際、基本セルが３個以上積層され、基本セル間に介在する集電体が２枚以上である場合は、これらの集電体が互いに接触しないように集電体間に絶縁性の樹脂を介在させることが好ましい。集電体間に介在させる樹脂としては前記の融着用樹脂フィルムを用いることができ、集電体間の絶縁を確保できるとともに、樹脂シート縁部の融着時に、樹脂シート縁部と重ね合わせた集電体縁部を十分に融着することが可能となる。
【００３１】
本発明において、電解液に酸性電解液を用いる場合は、基本セルが積層された積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体４aを配置し、これらのシート状集電体４aがそれぞれ、図３に示すように、金属端子板６をそのリード部６aを除いて被覆するように樹脂シート容器の内面５に接着あるいは融着されていることが好ましい。これによって金属端子板と酸性電解液との接触による金属端子板の腐食を防止することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明について実施例を挙げてさらに説明する。
【００３３】
（実施例１）
本実施例では、基本セルを３個直列に積層した構造を有する図２に示す電池を作製した。
【００３４】
正極１としては、化学式（１）で示されるインドール３量体（インドール単位の５位のＲが−ＣＮ、他のＲが−Ｈ：５−シアノインドールの３量体）を正極活物質とし、これに導電補助剤と結着剤を加え、ブレンダーで攪拌・混合した電極粉末を０．５ｇ秤量して金型に入れ、熱プレス機で１０ｃｍ2の固体電極を形成した。
【００３５】
負極２としては、化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリンを負極活物質とし、これに導電補助剤を加え、ブレンダーで攪拌・混合した電極粉末を、０．５ｇ秤量して金型に入れ、熱プレス機で１０ｃｍ2の固体電極を形成した。
【００３６】
集電体４a、４bには導電性ゴムシートを用い、ラミネートシート５にはアルミ箔と樹脂フィルムを貼り合わせ積層したものを用いた。
【００３７】
金属端子板６は、図３に示すように、そのリード部６aを除く表面をラミネートシート５と導電性ゴムシートからなる集電体４aで液密に包装した。これによって金属端子板と酸性電解液との接触による金属端子板の腐食を防止することができる。この金属端子板６と集電体４aとラミネートシート５とが一体化されたシートを２枚用意した。
【００３８】
上記の２枚用意した一方のラミネートシート５の集電体４a上に、３個の基本セルを集電体４bを介して直列に積層配置し、その上に他方の集電体４ａが配置されるようにラミネートシート５を包装した。その後に、電解液として２０wt％硫酸水溶液を所定量添加して、事前に真空減圧することにより、電解液を含浸させた。その後、融着部７となる封止部位を真空熱融着によって封止した。この融着部７の一部からリード部６aが外部へ導かれる。
【００３９】
導電性ゴムシートからなる集電体４bは、ラミネートシートの包装体（外装容器）の縁部まで存在し得るサイズとし、２枚のラミネートシートの縁部、すなわち封止部位において重ね合わせた。その際、集電体間にはアイオノマーフィルムを介在させ、これらを一体に融着した。
【００４０】
本実施例の構造において、隣接する基本セル同士は介在する集電体４bによって完全に分離され、電解液は基本セル間の集電体４bで完全に遮蔽されている。
【００４１】
本実施例の電池の体積効率（ラミネートシートからなる外装容器の容積に対する基本セル積層体の体積の割合）は６２．５％であった。また、電池のＥＳＲ（等価直列抵抗）は６０mΩであった。また、電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。
【００４２】
本実施例の構成では、ガスケットが不要なため、体積効率が向上した。また、基本セルを１枚の集電体を介して直に積層することができ、ガスケットを用いた電池を積層した場合に対して集電体の枚数を削減できるため、その分の抵抗が低減できた（ＥＳＲの低減）。また、ガスケットに係る工程（加硫接着や冷却等）が不要であるため製造時間が短縮できた。
【００４３】
（実施例２）
電極重量を正極、負極ともに１．０ｇとした以外は実施例１と同様な電池を作製した。
【００４４】
実施例２の電池の体積効率は８７．５％であった。電池のＥＳＲは１２０mΩであった。また、電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、セルのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００４５】
（実施例３）
基本セルを１０個直列に積層して封止した以外は実施例１と同様な電池を作製した。
【００４６】
実施例３の電池の体積効率は９０．５％であった。また電池のＥＳＲは２００mΩであった。また電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、セルのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００４７】
（実施例４）
実施例１の電池における基本セルに代えて、分極性電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを用いた以外は実施例１と同様な構造を有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００４８】
分極性電極は、活性炭に導電補助剤であるカーボン粉末およびバインダーを適量混合し、溶剤にてペースト化したものを印刷方法によって集電体上に所定のサイズおよび膜厚に成膜し、１２０℃で１時間乾燥して作製した。
【００４９】
集電体４aは片面のみ分極性電極を成膜し、集電体４bは両面に分極性電極を成膜した。分極性電極が成膜されたこれら集電体を、分極性電極がセパレータを介して対向するように積層し、基本セル間に集電体４bを介して基本セルが３個直列に積層された積層構造体を形成した。次いで、この積層構造体をラミネートシートで包装した。その後に、電解液として２０wt％硫酸水溶液を所定量添加して、事前に真空減圧することにより、電解液を含浸させた。その後、融着部７となる封止部位を真空熱融着によって封止した。この融着部７の一部からリード部６aが外部へ導かれる。
【００５０】
導電性ゴムシートからなる集電体４bは、ラミネートシートの包装体（外装容器）の縁部まで存在し得るサイズとし、２枚のラミネートシートの縁部、すなわち封止部位において重ね合わせた。その際、集電体間にはアイオノマーフィルムを介在させ、これらを一体に融着した。
【００５１】
実施例４の電気二重層コンデンサの体積効率は６２．５％であった。また電気二重層コンデンサのＥＳＲは４５mΩであった。また製造において封止までの所用時間は１１０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、コンデンサのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００５２】
（比較例１）
本比較例では、基本セルを１個有する素電池（図４）を３個直列に積層した電池（図５）を作製した。
【００５３】
正極１としては、化学式（１）で示されるシアノインドール三量体（インドール単位の５位のＲは−ＣＮ、他のＲは−Ｈ：５−シアノインドールの３量体）を正極活物質とし、これに導電補助剤であるカーボン粉末を適量混合し、この粉末０．５ｇを１０ｃｍ2のサイズに熱プレス成形した。
【００５４】
負極２としては、化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリンを負極活物質とし、これに導電補助剤であるカーボン粉末を適量混合し、この粉末０．５ｇを１０ｃｍ2のサイズに熱プレス成形した。
【００５５】
枠状のガスケット８と導電性ゴムシートからなる一方の集電体４とを圧着させ、その内部で正極１と負極２をセパレータ３を介して対向配置させ、その上部から導電性ゴムシートからなる他方の集電体４を圧着して密閉化した。このとき、後に電解液を注液するための注入孔が形成された状態で密閉した。これを１２０℃で３kgf/cm2（2.94×105Ｐａ）の圧力下で２時間、加硫接着をおこなった。次に、電解液として２０wt％硫酸水溶液の注入を行い、事前に真空減圧することにより電解液を含浸させた。その後、注入孔をプラスチック材で封止した。
【００５６】
このようにして得られた素電池を３個直列に積層し、その積層体の両側に金属端子板を配置し、ラミネートシートにて包装し、アイオノマー融着フィルムを用いて真空熱融着によって封止した。この融着部の一部からリード部（不図示）が外部へ導かれる。
【００５７】
比較例１の電池の体積効率は３３．１％であった。また電池のＥＳＲは６８mΩであった。また、製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００５８】
（比較例２）
電極重量を正極、負極ともに１．０ｇとした以外は比較例１と同様な電池を作製した。
【００５９】
比較例２の電池の体積効率は３９．７％であった。電池のＥＳＲは１３６mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６０】
（比較例３）
素電池を１０個直列に積層して封止した以外は比較例１と同様な電池を作製した。
【００６１】
比較例３の電池の体積効率は３９．７％であった。また電池のＥＳＲは２１２mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６２】
（比較例４）
比較例１の電池における基本セルに代えて、分極性電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを用いた以外は比較例１と同様な構造を有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００６３】
分極性電極は、活性炭に導電補助剤であるカーボン粉末およびバインダーを適量混合し、溶剤にてペースト化したものを印刷方法によって集電体上に所定のサイズおよび膜厚に成膜し、１２０℃で１時間乾燥して作製した。
【００６４】
その後は、比較例１に示した製法に従い、ガスケットと集電体を加硫接着した後、電解液として４０wt％硫酸水溶液の注入をおこない、基本セルを１個有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００６５】
この電気二重層コンデンサを３個直列に積層し、両外側に金属端子板を入れ、ラミネートシートにて包装し、アイオノマー融着フィルムを用いて真空熱融着によって封止した。この融着部の一部からリード部が外部へ導かれる。
【００６６】
比較例５の電池の体積効率は３３．１％であった。また、電気二重層コンデンサのＥＳＲは５３mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６７】
以下に示す表に、各実施例および比較例の結果をまとめた。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
【表４】
【００７２】
【表５】
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、ガスケットを用いず、複数の基本セルを集電体を介して電気的に直列に積層し、この積層構造体をラミネートシートを外装材として包装し密閉することができる。基本セルの積層数は任意に設定できるため、必要に応じたセル電圧の電池あるいはコンデンサ耐電圧を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。また、ガスケットを有しないため、体積効率が向上し、デバイスの小型化が可能である。また、酸性の電解液を用いた場合であっても端子の腐食が防止されるため、性能低下も抑制できる。さらに、ガスケットに係る製造工程が不要であるため製造時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における基本セルの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である電池の概略断面図である。
【図３】本発明の電池の内部構造を示す図である。
【図４】従来の電池における基本セルの構造を示す概略断面図である。
【図５】従来の電池の内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４、４a、４b 集電体
５ ラミネートシート
６ 金属端子板
６ａ リード部
７ 融着部
８ ガスケット
９ 素電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂シートで包装された電池および電気二重層コンデンサに関する。
【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・軽量化が進んでおり、これに対応して小型・軽量で且つ急速充放電可能な電池および電気二重層コンデンサの開発が盛んに行われている。
【０００３】
電池および電気二重層コンデンサの小型化・軽量化のための解決策として、外装材に高分子膜層と金属箔層から構成されるラミネートフィルムを用いることが提案されている。また、急速充放電特性の向上のためには、端子に導電抵抗の小さい銅などの金属板が用いられている。
【０００４】
特開平８−８３５９６号公報には、ラミネートフィルムよりなる密閉型電池容器内に、積層された正極、セパレータ及び負極、並びに電解液を収容した薄型カード電池が開示されている。しかしながら、この電池は、正極と負極とがセパレータを介して対向配置された基本セルを一つのみ有するものであるため、電圧の増加に対応する際は、複数のセルを容器外部で直列に接続する必要があり、製品の小型化が困難である。さらに、この電池では、電解液が酸性であり、端子が銅などの金属板である場合、内部抵抗が増大するという問題がある。これは、金属端子板が酸性電解液と接触するために腐食されることが原因として挙げられる。
【０００５】
特開平６−２９１５４号公報には、腐蝕性の強い電解液が含浸された分極性電極に接触して外部への端子となる電気二重層コンデンサの出力端子が開示されている。この出力端子は、金属端子板の外部へのリード部を除く外面が耐蝕性の導電シートで被覆された構成を有している。しかしながら、このような端子を用いて電気二重層コンデンサを製造すると、金属端子板の両面が導電シートで被覆されているためその厚さ分だけ製品の外径が大きくなる。
【０００６】
特開平４−２３７１０９号公報には、ガスケットを用いた素子を複数個積層した構成を有し、二つの素子間に一枚の集電体を備えた電気二重層コンデンサが開示され、このような構造にすることにより、耐電圧を増大させるとともに、集電体の数を少なくすることができ、その分だけ背高を低くすることができることが記載されている。しかし、この構造ではガスケットを有しているため、依然、製品の外径が大きく、十分な小型化を図ることはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、先に、特願２００１−１０３６２９号において、金属端子板がリード部を除き導電性ゴムと外装ラミネート材とで熱融着により密閉化された構成を有する電池および電気二重層コンデンサを提案している。この構成によれば、電解液が酸性の場合においても金属端子板の腐食を防止することができるとともに、ガスケットを有しないため製品を小型化することができる。しかしながら、この電池および電気二重層コンデンサは、一対の電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを一つのみ有するものであるため、電圧の増加に対応する際は、複数の電池又はコンデンサを密閉容器外部で直列に接続する必要がある。そのため、所望の電圧あるいは耐電圧を有する電池またはコンデンサを得ようとする場合、製品の小型化の点で改善の余地があった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、十分なセル電圧あるいはコンデンサ耐電圧を有しながら小型であり、また電解液が酸性の場合でも端子の腐食による性能劣化が防止された電池および電気二重層コンデンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された正極および負極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電池であって、前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電池に関する。
【００１０】
また本発明は、前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている上記の電池に関する。
【００１１】
また本発明は、前記樹脂シートが、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである上記の電池に関する。
【００１２】
また本発明は、セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された一対の分極性電極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電気二重層コンデンサであって、前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電気二重層コンデンサに関する。
【００１３】
また本発明は、前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている上記の電気二重層コンデンサに関する。
【００１４】
また本発明は、前記樹脂シートが、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである上記の電気二重層コンデンサに関する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
図１に、一対の電極がセパレータを介して対向配置された基本セルの構造を示す。符号１は正極、符号２は負極（電気二重層コンデンサの場合は、両極ともに分極性電極）、符号３は多孔性のセパレータを示す。正極１と負極２はセパレータを介して対向配置され、内部に電解液を含有する。
【００１７】
電極の活物質は、電池用としては、酸化還元反応を起こし得る公知の有機材料や無機材料を用いることができ、電気二重層コンデンサとしては、電解液と接触して蓄電能力を有する材料、例えば活性炭粉末や活性炭繊維、固体状活性炭、活性炭／ポリアセン複合材などを用いることができる。
【００１８】
例えば、正極活物質としては、下記化学式（１）で示されるインドール３量体
【００１９】
【化１】
【００２０】
一方、負極活物質としては、下記化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリン
【００２１】
【化２】
【００２２】
本発明に用いられる電極は、例えば、電極材料を所定のサイズおよび形状の金型に入れ、熱プレス機で成形することにより、所望の電極密度および膜厚を有する固体電極を得ることができる。あるいは、電極材料を溶剤にてペースト化し、これを集電体状に印刷法にて成膜して形成することもできる。
【００２３】
セパレータは、一対の電極が接触により短絡することを防ぐとともに、電解質イオンを通すものであり、電解液を含浸し得る不織布や多孔質フィルムを使用することができる。
【００２４】
電解液としては、硫酸等の酸性水溶液や、水酸化カリウム等のアルカリ性水溶液、プロピレンカーボネート等の有機溶媒と４級アンモニウム塩等の電解質を用いた非水電解液を用いることができる。
【００２５】
図２に、本発明の一実施形態として、図１に示す基本セルを３個直列に積層した積層構造体を有する電池の概略断面図を示す。図２においては、金属端子板６はそのリード部６aのみ示し、他の部分は省略している。金属端子板６は、後述するように例えば図３に示すように設置することができる。
【００２６】
本発明において、基本セルはシート状集電体４bを介して直列に積層され、樹脂シート５で包装されている。
【００２７】
この樹脂シート５は、その縁部の貼り合わせ部で接着あるいは融着されて液密に封止され、外装容器を形成している。図２中の符号７は融着部を示す。この外装容器は、一対の樹脂シートを重ね合わせて、その縁部の重ね合わせ部で接着あるいは融着したものでもよいし、一枚の樹脂シートを折り重ねてその縁部の重ね合わせ部で接着あるいは融着したものでもよい。
【００２８】
樹脂シートとしては、ラミネートシートが好ましく、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートを用いることができる。例えば、外装用樹脂フィルムと金属フィルムと融着用樹脂フィルムからなる３層構造のラミネートシートを用いることができ、短絡防止等を目的として４層以上の構造としてもよい。樹脂フィルムとしてはポリエチレン樹脂やエチレン共重合樹脂、ポリプロピレン樹脂等が用いられ、金属フィルムとしてはアルミニウムやアルミニウム合金等が用いられる。特に融着用樹脂フィルムとしては、ヒートシール性や金属との接着に優れた樹脂が好ましく、ポリプロピレン樹脂やエチレン共重合樹脂の一種であるアイオノマー樹脂が好適なものとして挙げられる。
【００２９】
本発明に用いられる集電体としては、カーボン等を添加して導電性を付与したゴムシートを用いることができる。
【００３０】
本発明における基本セル間に介在する集電体４bは、外装容器内において、基本セルが液密に分離されるように設置されている。すなわち、基本セル間に介在する集電体４bは、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、その縁部にて樹脂シート容器に接着あるいは融着されている。例えば、外装容器の形成に際して、樹脂シートの縁部の重ね合わせ部を融着するときに、集電体の延在部の縁部を樹脂シートの縁部に重ね合わせて同時に融着し、一体化することができる。その際、基本セルが３個以上積層され、基本セル間に介在する集電体が２枚以上である場合は、これらの集電体が互いに接触しないように集電体間に絶縁性の樹脂を介在させることが好ましい。集電体間に介在させる樹脂としては前記の融着用樹脂フィルムを用いることができ、集電体間の絶縁を確保できるとともに、樹脂シート縁部の融着時に、樹脂シート縁部と重ね合わせた集電体縁部を十分に融着することが可能となる。
【００３１】
本発明において、電解液に酸性電解液を用いる場合は、基本セルが積層された積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体４aを配置し、これらのシート状集電体４aがそれぞれ、図３に示すように、金属端子板６をそのリード部６aを除いて被覆するように樹脂シート容器の内面５に接着あるいは融着されていることが好ましい。これによって金属端子板と酸性電解液との接触による金属端子板の腐食を防止することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明について実施例を挙げてさらに説明する。
【００３３】
（実施例１）
本実施例では、基本セルを３個直列に積層した構造を有する図２に示す電池を作製した。
【００３４】
正極１としては、化学式（１）で示されるインドール３量体（インドール単位の５位のＲが−ＣＮ、他のＲが−Ｈ：５−シアノインドールの３量体）を正極活物質とし、これに導電補助剤と結着剤を加え、ブレンダーで攪拌・混合した電極粉末を０．５ｇ秤量して金型に入れ、熱プレス機で１０ｃｍ2の固体電極を形成した。
【００３５】
負極２としては、化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリンを負極活物質とし、これに導電補助剤を加え、ブレンダーで攪拌・混合した電極粉末を、０．５ｇ秤量して金型に入れ、熱プレス機で１０ｃｍ2の固体電極を形成した。
【００３６】
集電体４a、４bには導電性ゴムシートを用い、ラミネートシート５にはアルミ箔と樹脂フィルムを貼り合わせ積層したものを用いた。
【００３７】
金属端子板６は、図３に示すように、そのリード部６aを除く表面をラミネートシート５と導電性ゴムシートからなる集電体４aで液密に包装した。これによって金属端子板と酸性電解液との接触による金属端子板の腐食を防止することができる。この金属端子板６と集電体４aとラミネートシート５とが一体化されたシートを２枚用意した。
【００３８】
上記の２枚用意した一方のラミネートシート５の集電体４a上に、３個の基本セルを集電体４bを介して直列に積層配置し、その上に他方の集電体４ａが配置されるようにラミネートシート５を包装した。その後に、電解液として２０wt％硫酸水溶液を所定量添加して、事前に真空減圧することにより、電解液を含浸させた。その後、融着部７となる封止部位を真空熱融着によって封止した。この融着部７の一部からリード部６aが外部へ導かれる。
【００３９】
導電性ゴムシートからなる集電体４bは、ラミネートシートの包装体（外装容器）の縁部まで存在し得るサイズとし、２枚のラミネートシートの縁部、すなわち封止部位において重ね合わせた。その際、集電体間にはアイオノマーフィルムを介在させ、これらを一体に融着した。
【００４０】
本実施例の構造において、隣接する基本セル同士は介在する集電体４bによって完全に分離され、電解液は基本セル間の集電体４bで完全に遮蔽されている。
【００４１】
本実施例の電池の体積効率（ラミネートシートからなる外装容器の容積に対する基本セル積層体の体積の割合）は６２．５％であった。また、電池のＥＳＲ（等価直列抵抗）は６０mΩであった。また、電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。
【００４２】
本実施例の構成では、ガスケットが不要なため、体積効率が向上した。また、基本セルを１枚の集電体を介して直に積層することができ、ガスケットを用いた電池を積層した場合に対して集電体の枚数を削減できるため、その分の抵抗が低減できた（ＥＳＲの低減）。また、ガスケットに係る工程（加硫接着や冷却等）が不要であるため製造時間が短縮できた。
【００４３】
（実施例２）
電極重量を正極、負極ともに１．０ｇとした以外は実施例１と同様な電池を作製した。
【００４４】
実施例２の電池の体積効率は８７．５％であった。電池のＥＳＲは１２０mΩであった。また、電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、セルのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００４５】
（実施例３）
基本セルを１０個直列に積層して封止した以外は実施例１と同様な電池を作製した。
【００４６】
実施例３の電池の体積効率は９０．５％であった。また電池のＥＳＲは２００mΩであった。また電池の製造において封止までの所用時間は２０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、セルのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００４７】
（実施例４）
実施例１の電池における基本セルに代えて、分極性電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを用いた以外は実施例１と同様な構造を有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００４８】
分極性電極は、活性炭に導電補助剤であるカーボン粉末およびバインダーを適量混合し、溶剤にてペースト化したものを印刷方法によって集電体上に所定のサイズおよび膜厚に成膜し、１２０℃で１時間乾燥して作製した。
【００４９】
集電体４aは片面のみ分極性電極を成膜し、集電体４bは両面に分極性電極を成膜した。分極性電極が成膜されたこれら集電体を、分極性電極がセパレータを介して対向するように積層し、基本セル間に集電体４bを介して基本セルが３個直列に積層された積層構造体を形成した。次いで、この積層構造体をラミネートシートで包装した。その後に、電解液として２０wt％硫酸水溶液を所定量添加して、事前に真空減圧することにより、電解液を含浸させた。その後、融着部７となる封止部位を真空熱融着によって封止した。この融着部７の一部からリード部６aが外部へ導かれる。
【００５０】
導電性ゴムシートからなる集電体４bは、ラミネートシートの包装体（外装容器）の縁部まで存在し得るサイズとし、２枚のラミネートシートの縁部、すなわち封止部位において重ね合わせた。その際、集電体間にはアイオノマーフィルムを介在させ、これらを一体に融着した。
【００５１】
実施例４の電気二重層コンデンサの体積効率は６２．５％であった。また電気二重層コンデンサのＥＳＲは４５mΩであった。また製造において封止までの所用時間は１１０分であった。本実施例の構成では体積効率が向上し、コンデンサのＥＳＲを低減することができ、さらに製造時間が短縮できた。
【００５２】
（比較例１）
本比較例では、基本セルを１個有する素電池（図４）を３個直列に積層した電池（図５）を作製した。
【００５３】
正極１としては、化学式（１）で示されるシアノインドール三量体（インドール単位の５位のＲは−ＣＮ、他のＲは−Ｈ：５−シアノインドールの３量体）を正極活物質とし、これに導電補助剤であるカーボン粉末を適量混合し、この粉末０．５ｇを１０ｃｍ2のサイズに熱プレス成形した。
【００５４】
負極２としては、化学式（２）で示されるポリフェニルキノキサリンを負極活物質とし、これに導電補助剤であるカーボン粉末を適量混合し、この粉末０．５ｇを１０ｃｍ2のサイズに熱プレス成形した。
【００５５】
枠状のガスケット８と導電性ゴムシートからなる一方の集電体４とを圧着させ、その内部で正極１と負極２をセパレータ３を介して対向配置させ、その上部から導電性ゴムシートからなる他方の集電体４を圧着して密閉化した。このとき、後に電解液を注液するための注入孔が形成された状態で密閉した。これを１２０℃で３kgf/cm2（2.94×105Ｐａ）の圧力下で２時間、加硫接着をおこなった。次に、電解液として２０wt％硫酸水溶液の注入を行い、事前に真空減圧することにより電解液を含浸させた。その後、注入孔をプラスチック材で封止した。
【００５６】
このようにして得られた素電池を３個直列に積層し、その積層体の両側に金属端子板を配置し、ラミネートシートにて包装し、アイオノマー融着フィルムを用いて真空熱融着によって封止した。この融着部の一部からリード部（不図示）が外部へ導かれる。
【００５７】
比較例１の電池の体積効率は３３．１％であった。また電池のＥＳＲは６８mΩであった。また、製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００５８】
（比較例２）
電極重量を正極、負極ともに１．０ｇとした以外は比較例１と同様な電池を作製した。
【００５９】
比較例２の電池の体積効率は３９．７％であった。電池のＥＳＲは１３６mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６０】
（比較例３）
素電池を１０個直列に積層して封止した以外は比較例１と同様な電池を作製した。
【００６１】
比較例３の電池の体積効率は３９．７％であった。また電池のＥＳＲは２１２mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６２】
（比較例４）
比較例１の電池における基本セルに代えて、分極性電極がセパレータを介して対向配置された基本セルを用いた以外は比較例１と同様な構造を有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００６３】
分極性電極は、活性炭に導電補助剤であるカーボン粉末およびバインダーを適量混合し、溶剤にてペースト化したものを印刷方法によって集電体上に所定のサイズおよび膜厚に成膜し、１２０℃で１時間乾燥して作製した。
【００６４】
その後は、比較例１に示した製法に従い、ガスケットと集電体を加硫接着した後、電解液として４０wt％硫酸水溶液の注入をおこない、基本セルを１個有する電気二重層コンデンサを作製した。
【００６５】
この電気二重層コンデンサを３個直列に積層し、両外側に金属端子板を入れ、ラミネートシートにて包装し、アイオノマー融着フィルムを用いて真空熱融着によって封止した。この融着部の一部からリード部が外部へ導かれる。
【００６６】
比較例５の電池の体積効率は３３．１％であった。また、電気二重層コンデンサのＥＳＲは５３mΩであった。また製造において封止までの所用時間は２０５分であった。
【００６７】
以下に示す表に、各実施例および比較例の結果をまとめた。
【００６８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、ガスケットを用いず、複数の基本セルを集電体を介して電気的に直列に積層し、この積層構造体をラミネートシートを外装材として包装し密閉することができる。基本セルの積層数は任意に設定できるため、必要に応じたセル電圧の電池あるいはコンデンサ耐電圧を有する電気二重層コンデンサを提供することができる。また、ガスケットを有しないため、体積効率が向上し、デバイスの小型化が可能である。また、酸性の電解液を用いた場合であっても端子の腐食が防止されるため、性能低下も抑制できる。さらに、ガスケットに係る製造工程が不要であるため製造時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における基本セルの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である電池の概略断面図である。
【図３】本発明の電池の内部構造を示す図である。
【図４】従来の電池における基本セルの構造を示す概略断面図である。
【図５】従来の電池の内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４、４a、４b 集電体
５ ラミネートシート
６ 金属端子板
６ａ リード部
７ 融着部
８ ガスケット
９ 素電池
Claims (6)
- セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された正極および負極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電池であって、
前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、
前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電池。 - 前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている請求項１記載の電池。 - 前記樹脂シートは、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである請求項１又は２記載の電池。
- セパレータと該セパレータを挟んで対向して積層された一対の分極性電極と電解液とを有する基本セルが樹脂シート容器内に包装された電気二重層コンデンサであって、
前記基本セルはシート状集電体を介して直列に積層され、
前記シート状集電体は、その両側に積層された基本セルの周囲にわたって樹脂シート容器の縁部まで延在し、該縁部の樹脂シート容器の重ね合わせ部で接着あるいは融着され、前記シート状集電体を介して隣接する基本セルが樹脂シート容器内で液密に分離されている電気二重層コンデンサ。 - 前記基本セルが積層された積層構造体の最上層側および最下層側にそれぞれ、樹脂シート容器外へのリード部を備えた金属端子板を有し、
前記積層構造体の最上層および最下層の電極上にそれぞれシート状集電体が配置され、これらのシート状集電体はそれぞれ、前記金属端子板をそのリード部を除いて被覆するように樹脂シート容器の内面に接着あるいは融着されている請求項４記載の電気二重層コンデンサ。 - 前記樹脂シートは、樹脂フィルムと金属フィルムの積層構造を有するラミネートシートである請求項４又は５記載の電気二重層コンデンサ。
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