JP4941245B2 - 電力貯蔵デバイスセルおよび電力貯蔵デバイスモジュール - Google Patents

電力貯蔵デバイスセルおよび電力貯蔵デバイスモジュール Download PDF

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Description

この発明は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどの扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルに関し、またその複数のセルを直列に接続したモジュールに関する。
扁平巻回形で容器に収納された電力貯蔵デバイスセルとしては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどがある。
電気二重層キャパシタは、セパレータを挟んで互いに対向する分極性電極（正極および負極）を設け、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用したものである。
また、リチウムイオン電池は、正極にコバルト、ニッケル、マンガンなどの酸化物を、負極にカーボンを用いたものであり、リチウムをカーボン負極に安定に充電貯蔵できることが特長である。
さらに、新しい電気二重層キャパシタとして、リチウムイオンキャパシタが開発されている。このリチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタの負極にリチウムイオンをドープしたもので、電気二重層キャパシタよりも高い上限電圧が得られるが、下限電圧を０Ｖにまでできないという特性をもつものである。
これらの電力貯蔵デバイスセルは、アルミラミネート容器や金属容器などの密閉容器に収納されているので、安価でコンパクトに構成できるが、出力電圧が３〜４Ｖ程度と、アルミ電解コンデンサの出力電圧の４００Ｖに比べて低いので、直列に接続することでモジュール化して出力電圧を上げて使用されるのが一般的である。
扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルに用いられる電極は、厚さが１０〜３０μｍ程度の帯状の正極集電箔および負極集電箔の上に正極電極層および負極電極層を塗布してセルロースやオレフィン系の樹脂繊維などでできた多孔質な帯状のセパレータを介して、扁平形状の巻回軸芯を中心として数ｍ〜数十ｍも巻回されたものである。このように構成された扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルは、短冊状の電極を数十枚積み重ねられた積層形の電力貯蔵デバイスセルに比べて、短時間で巻回することができるので量産性や、低コストの点で有利である。なお、巻回軸芯としては、扁平巻回するときにのみ用いて、完成セルの時点で抜かれてしまう場合が多いが、巻回軸芯を残す場合には、アルミニウムなどの金属製や樹脂製の中空パイプ状のものなどが用いられている。
このような扁平巻回形の電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタは、省エネルギーの観点からモータの回生エネルギーを貯蔵する応用が期待されており、サーボモータやエレベータの巻き上げ機、電鉄のブレーキ回生、ハイブリッド自動車などのモータの回生に用いる場合には、１００Ａを超える大電流の充放電の繰り返し特性が求められている。大電流が流れると電流の二乗と内部抵抗に比例して電力損失が発生し、充放電効率が悪化する。また、この電力損失がそのまま発熱となるため、熱伝導体である集電箔から速やかに放熱しないと、電力貯蔵デバイスセル内部の温度が上昇し、性能が急速に低下して寿命劣化などを引き起こす。とくに、充電時には、電極が膨らんで電解液が取り込まれるので、電解液の不足が生じやすく劣化を加速する要因になっていた。したがって、扁平巻回形の電力貯蔵デバイスにおいて、急速な充放電を実現するには、集電箔からの放熱性を大幅に上げると共に、発熱を防ぐためにも集電抵抗を大幅に低減する必要があった。ここで、集電抵抗とは、正極および負極の集電箔からそれぞれの電流端子に至るまでに電気抵抗を意味する。
従来の扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルでは、集電箔の数箇所に金属製のタブを超音波溶接して、これを容器外にまで引き出す電流端子につなぐ構造が一般的であり、また、セパレータの軸方向の長さを集電箔よりも長くして、軸方向からセパレータに電解液が浸透するように構成されている。例えば、セパレータが軸方向の外側にまで張り出して、電極に取り付けたタブを電流端子とした一般的な扁平巻回形のリチウムイオン電池の構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、他の扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルでは、正極および負極に、巻回軸長方向に沿って互いに反対方向にセパレータから突出した電極層が塗布されていない辺縁部を設け、この辺縁部でそれぞれ正極端子および負極端子と溶接した構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２６５９８９号公報（７頁、図３） 特開２０００−４０５０１号公報（２頁、図１）
しかしながら、集電箔の数箇所に金属製のタブを超音波溶接して、これを容器外にまで引き出す電流端子につなぐ構造では、金属製のタブが限られた面積でしか集電箔に溶接されていないので、集電抵抗を小さくできないという問題とともに、集電箔の熱を外部に効率よく放熱できないという問題があった。また、セパレータが軸方向の外側にまで張り出した構造では、セパレータの熱伝導性が集電箔の熱伝導性より低いので、集電箔の熱を外部に効率よく放熱できないという問題があった。さらには、セパレータから突出した電極層が塗布されていない辺縁部を設け、これを電流端子に接続した構成では、放熱と接続抵抗は改善されるものの、電解液の移動が困難になり、内部のセパレータに電解液の不足する部分が生じて、劣化が早まるという問題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第一の目的は、セルの放熱を容易にし、集電抵抗を下げると共に、セル内部での電解液の移動が容易で、セパレータの電解液が部分的に不足しにくい構成の扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルを提供するものである。
また、第二の目的は、扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルを直列に接続した電力貯蔵デバイスモジュールにおいて、セル間の接続抵抗を低減するとともに、セルの放熱特性を向上させた電力貯蔵デバイスモジュールを提供することものである。
本発明の電力貯蔵デバイスセルは、正極集電箔に正極電極層が形成された帯状の正極と負極集電箔に負極電極層が形成された帯状の負極との間に電気絶縁性を有する帯状のセパレータを挟んで扁平な形状に巻回された扁平巻回電極部と、この扁平巻回電極部に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器と、この密封容器と電気的に絶縁されて前記正極集電箔および前記負極集電箔にそれぞれ接続された正極端子および負極端子とを備えた電力貯蔵デバイスセルにおいて、前記正極集電箔および前記負極集電箔を、巻回された軸方向に対して互いに反対方向に前記セパレータより突出させ、かつ前記正極電極層および前記負極電極層を形成していない辺縁部を備え、この辺縁部は、前記セパレータが露出するように一部を削除した切欠部と突出端部とで構成しており、前記突出端部において、前記正極集電箔および前記負極集電箔はそれぞれを積層方向に電気的に接続するとともに前記正極端子および負極端子をそれぞれ電気的に接続しており、前記切欠部において、露出した前記セパレータと接する電解液リザーバを備えたものである。
また、本発明の電力貯蔵デバイスモジュールにおいては、本発明の電力貯蔵デバイスセルを、正極端子と隣接する他の電力貯蔵デバイスセルの負極端子とが近接するように複数個配列し、前記正極端子と前記負極端子とを電気伝導性の放熱板で接続したものである。
本発明の形電力貯蔵デバイスセルでは、突出端部において、正極集電箔および負極集電箔はそれぞれを積層方向に電気的に接続しているので、集電抵抗を下げることができるとともに、集電箔から電極端子を介して内部の熱を効率よく外部に放熱することができる。さらに、切欠部において、露出した前記セパレータと接する電解液リザーバを備えているので、電解液のセパレータへの移動を容易にするとともに、電解液リザーバによってセパレータの電解液の過不足を補償し、セパレータが常に電解液で満たされた状態を維持することができる。
また、本発明の電力貯蔵デバイスモジュールにおいては、隣接する電力貯蔵デバイスセルの正極端子と負極端子とを電気伝導性の放熱板で接続しているので、セル間の接続抵抗を低減するとともに、セルの放熱特性を向上させることができる。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係わる電力貯蔵デバイスセルの一部切断平面模式図である。本実施の形態に係わる電力貯蔵デバイスセルとして、電気二重層キャパシタを例にして説明するが、これに限るものではなく、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタなどであっても同様である。
本実施の形態の電力貯蔵デバイスセル１は２つの正極端子４と２つの負極端子５とを備えており、セルの放熱性および集電性を改善している。正極集電箔切欠部２と負極集電箔切欠部３とは、切断プレス機で正極集電箔の辺縁部６の一部と負極集電箔の辺縁部７の一部とがそれぞれ切断され、セパレータが露出した部分である。正極集電箔の辺縁部６と負極集電箔の辺縁部７とは、それぞれ積層方向に超音波溶接で接続されており、さらには正極端子４と負極端子５とが超音波溶接で接続されている。
図１において、正極集電箔に塗布された正極電極層８と負極集電箔の裏面に塗布された負極触媒層９とは、分かりやすいように表面に図示したもので、実際にはセパレータ１０と対峙している。集電箔間電解液リザーバ１１は、正極電極層８および負極電極層９の存在しない正極集電箔と負極集電箔との面に挟持されている。
１２の両端矢印は正極電極層８の塗工部幅、１３の両端矢印は負極電極層９の塗工部幅、１４の両端矢印はセパレータ１０および集電箔間電解液リザーバ１１の幅、１５の両端矢印は正極集電箔の幅、１６の両端矢印は負極集電箔の幅を示している。このような構成部材を含めて扁平巻回電極部が構成され、密閉容器１８に収納される。本実施の形態では、巻回外周電解液リザーバ１９とガス放出弁２０が取り付けられているが、これらの部品は必ずしも必要ではないが、後述する効果が得られる。
正極集電箔としては厚さ２０〜３０μｍ程度のアルミ箔が、負極集電箔としては、厚さ２０μｍ程度のアルミ箔もしくは厚さ１０〜２０μｍ程度の銅箔などが用いられる。正極端子４としては、厚さ１ｍｍ程度のアルミやステンレスが、負極端子５としては、厚さ１ｍｍ程度のアルミやニッケルメッキした銅が用いられる。これらの金属箔や電流端子の厚さについては、取り出す電流の大きさによって選択され、電流が大きくなるほど厚い素材が用いられる。
セパレータ１０、集電箔間電解液リザーバ１１および巻回外周電解液リザーバ１９としては、天然パルプ、天然セルロース、溶剤紡糸セルロース、バクテリアセルロースなどのセルロース系や、ガラス繊維、非フィブリル化有機繊維を含有する不織布のほか、芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルアミド、全芳香族ポリエーテル、全芳香族ポリアゾ化合物、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＺＴ）、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフィリル化フォルムあるいは多孔質フィルムが用いられる。厚さとしては、１５μｍから５０μｍ程度、気孔率（空隙率）は６０体積％から８０体積％程度で、平均気孔径が数μｍから数十μｍのものが用いられている。平均気孔径については様々なものがあり、同じ材料でも目付け密度で簡単に変化させることができる。平均気孔径については、市販の水銀圧入式のポロシメーターやガス吸着などの分析機器を用いて、簡単に測定することができる。
正極電極層および負極電極層の材料については、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタによって異なるが、一般的に用いられている材料をそのまま用いることができ、電気二重層キャパシタの場合には、活性炭微粒子に導電材としてカーボンブラックを添加し、増粘剤とバンダーを添加してペースト化して塗布し乾燥したものを用いることができる。その厚さは、用途によって異なるが、１０〜１００μｍ程度である。
セパレータや電解液リザーバに含浸される電解質については、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタによって異なるが、一般的に用いられている材料をそのまま用いることができ、電気二重層キャパシタの場合には、例えばカチオンとアニオンの組み合わせで、カチオンが４級アンモニウム、１，３−ジアルキルイミダゾリウム、または１，２，３−トリアルキルイミダゾリウムで、アニオンがＢＦ４ −、ＰＦ６ −、ＣｌＯ４ −、またはＣＦ３ＳＯ３ −の塩や、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム（ＤＭＰＩ）のＡｌＣｌ４ −やＢＦ４ −などの塩などが用いられており、溶媒として炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、スルフォラン、炭酸ジエチル、ジメトキシメタン、ジエトキシエタン、γ−ブチルラクトン、アセトニトリル、プロピオニトリルから選ばれる一種またはこれらの二種以上の混合溶媒などが用いられている。なお、本実施の形態において電解液とは、これらを含んだ液状の電解質溶液のことを意味する。
電力貯蔵デバイスセル１の大きさについては、使用目的によって異なるが、本実施の形態においては、扁平巻回電極部の縦が約１５０ｍｍ、横が約１００ｍｍ、厚さが約１０ｍｍで、電気二重層キャパシタの静電容量で約２０００Ｆである。
図２は、図１には省略した電解液リザーバの構造について示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。２つの巻回軸芯２１の周りに正極、負極およびセパレータを扁平形状に巻回して扁平巻回電極部１７を構成しており、中央部には集電箔切欠部電解液リザーバ２２を備えている。巻回軸芯２１は、扁平巻回するときにのみ用いてセル完成時には抜いてしまう場合が多いが、巻回軸芯を残す場合には、中空のアルミニウムなどの金属製パイプや、樹脂製のものが用いられている。また、巻回軸芯２１を電解液リザーバに差し替えることも可能である。このように巻回軸芯を電解液リザーバに差し替えた場合、軸芯電解液リザーバと呼ぶ。この軸芯電解液リザーバは、多孔質な材料で構成される。セルロースや多孔質な樹脂など、セパレータに用いられる材料であってもよいし、発泡アルミニウムや発泡ニッケル、ニッケルメッシュなど、多孔質な金属で構成されていてもよい。この軸芯電解リザーバは、正極集電箔切欠部２および負極集電箔切欠部３に露出したセパレータと接触するように構成されている。本実施の形態においては、これ以降巻回軸芯部分には、軸芯電解液リザーバ２１を備えたものとして説明する。
図３は、帯状の正極２３、負極２４およびセパレータ１０の配置と大きさを示した模式図である。本実施の形態において、これらの電極およびセパレータの長さは約８ｍである。正極２３は、正極集電箔２５の表面に右端に余白を残した状態で正極電極層８が形成されている。負極２４は、負極集電箔２６の表面に右端に余白を残した状態で負極電極層９が形成されている。そして、負極２４、セパレータ１０、正極２３の順に重ねられている。このとき、正極集電箔２５の右余白部分および負極集電箔２６の左余白部分が露出した部分を残すようにずらして重ねられている。セパレータ１０は、正極電極層８および負極電極層９より幅および長さとも広くしている。また、正極電極層よりも負極電極層が一回り大きくしている。これは、負極電極層に対峙していない正極電極層で特異的な腐食と劣化が起こることを防ぐためである。電気二重層キャパシタに限らず、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタでも同様の構成が用いられる。
図４は、本実施の形態における電力貯蔵デバイスセルの一部の断面模式図であり、正極集電箔２５の一方の面に正極電極層８が形成されており、他方の面に集電箔間電解液リザーバ１１が形成されている。同様に、負極集電箔２６の一方の面に負極電極層９が形成されており、他方の面に集電箔間電解液リザーバ１１が形成されている。負極集電箔２６には孔２７が設けられている。
図４において実線矢印は、充電時の電解液の移動を示したものである。この実線矢印は、充電時に正極電極層８と負極電極層９とが膨張してセパレータ１０から電解液が正極電極層８および負極電極層９に移動した場合に、集電箔間電解液リザーバ１１から負極集電箔２６に設けられた孔２７を介して、負極電極層９に直接供給されるときの電解液の移動を示している。孔２７は、負極電極層９にまで達していることが望ましく、電解液の浸透が速くなる効果がある。負極電極層９に浸透した電解液は、セパレータ１０を介して正極電極層８までにも供給され、充電による電解液不足が速やかに解消される。なお、図４における破線矢印は、集電箔間電解液リザーバ１１に、他の電解液リザーバ、例えば軸芯電解液リザーバから電解液が供給された場合の集電箔間電解液リザーバ１１内部での電解液の移動を示したものである。
放電時には、これとは逆に電解液が移動し、集電箔間電解液リザーバ１１に回収される。集電箔間電解液リザーバ１１に回収しきれない電解液は、他の集電箔間電解液リザーバ１１に吸収されるが、切欠部に集電箔切欠部電解液リザーバがあれば、さらに速やかに余剰の電解液が回収される。
図５は、扁平巻回電極部１７の製造工程を示す模式図である。巻回装置で形成された扁平巻回電極部１７の軸芯近くの集電箔の辺縁部６、７をプレス機によって切断し、プレス切断部３０を分離して正極電極切欠部２および負極電極切欠部３を作製する。これらの切欠部の切断面に、セパレータ１０が露出するように加工する。プレス切断部３０は金属（アルミや銅）として回収される。残った辺縁部６、７の部分が、４つの突出端部３１となる。次に、この４つの突出端部３１にそれぞれ正極端子４と負極端子５とを軸心方向から積層された集電箔の間に挿入し、超音波溶接によって溶接する。このとき、積層された集電箔と電極端子とがすべて電気的に接続されるように複数回超音波溶接する。そのため、超音波溶接部３２には接痕が残る。
このように、それぞれの突出部において、積層された集電箔と電極端子とがすべて電気的に接続されているので、集電抵抗が低下するとともに、内部の集電箔で発生した熱が速やかに電極端子を経由して電力貯蔵デバイスセルの外部へ伝達することができるので、セルの放熱特性を向上させることができる。
図６は、扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセル１の製造工程を示す模式図である。扁平巻回電極部１７に集電箔切欠部電解液リザーバ２２を挿入し、密閉容器１８に収納する。本実施の形態においては、密閉容器１８はアルミラミネートフィルムで構成されており、電流端子を取り出す部分およびガス放出弁２０を装着する開口部分３３以外は予め封止されて袋状に加工されている。下側の電流端子は、熱融着して熱融着シール部３３とすることで、電解液が下から漏れないようにしている。熱融着シール材料として、ポリエチレンやポリプロピレンフィルムが用いられる。
密閉容器１８の内部を開口部分３３から真空に引いて扁平巻回電極部１７に含まれていた水分などを除去した後、開口部分３３から電解液を密閉容器１８の内部に注入する。電気二重層キャパシタの場合には、予備充電回路３５を用いて、正極端子４と負極端子５との間に動作電圧よりも高い電圧を印加して、さらに水分などを除去する。ガス放出弁２０を取り付けて封止し、上部の２箇所の電流端子を封止して電力貯蔵デバイスセルを完成させる。
このように構成された扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルにおける電解液の移動について図１〜３と図７を用いて説明する。
図７は、電極層、セパレータおよび解液リザーバの気孔分布を模式的に示した特性図である。図７において、横軸は気孔径、縦軸は気孔体積を定性的に示したものであり、各曲線はそれぞれ電極層の気孔体積分布３６、セパレータの気孔体積分布３７および電解液リザーバの気孔体積分布３８を示している。また、ハッチング部分は、電解液で満たされた気孔体積分布を示している。電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタのいずれの場合も、充電時には電極層のカーボンや活物質にイオンが溶媒を伴って入り込むために膨張し、電解液が不足する。この不足分は、セパレータから吸収される。したがって、セパレータの電解液は充電時に不足する。逆に、放電時には電極層のカーボンや活物質からイオンが溶媒を伴って抜け出すので、電極層が収縮し、電解液が電極層から溢れる。溢れた電解液はセパレータに放出される。したがって、セパレータの電解液は放電時に溢れる。充放電の時間が短くて、大きな電流が流されると、電解液の供給排出が間に合わなくなり、電解液リザーバがない場合には、セパレータから容器の余剰部分に排出され、重力によって、容器の下の方に溜まるなどして、セパレータに回収できなくなる。とくに、巻回形では、急速な充放電を繰り返した場合に、温度分布が生じ、電流分布が大きくなるなどの原因によって、セパレータの部位によって、電解液が不足する部分と電解液が過剰になる部分とが生じる。
このとき、従来の扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルのように、セパレータが軸方向の外側にまで張り出した構成の場合、巻回された全てのセパレータが軸方向の外部で接触しているので、電解液が溢れたセパレータから電解液が不足したセパレータへ電解液が移動することになる。一方、セパレータを軸方向の外側にまで張り出さない構成では、セパレータを介して巻回されたセルの内部で軸方向から電解液の授受を行うことが困難となる。
これに対して、本実施の形態においては、集電箔切欠部までセパレータが存在するので、集電箔切欠部電解液リザーバを介して、巻回されたセルの内部で軸方向から電解液の授受を行うことができる。集電箔切欠部電解液リザーバの平均気孔径は、セパレータの平均気孔径よりも大きいことが望ましく、これによって、ポア吸引力の差異が生まれ、セパレータへの電解液の供給が優先されるので、集電箔切欠部電解液リザーバに電解液が残留している限り、セパレータの電解液が保たれる。また、セパレータから電解液が溢れだした場合にも、集電箔切欠部電解液リザーバに電解液が受け止められて吸収され、容器の下方に漏れ出す心配がない。
本実施の形態においては、セパレータの材料として、ニッポン高度紙工業（株）製の電気二重層キャパシタ用セパレータ紙、ＴＦ４０を用い、集電箔切欠部電解液リザーバの材料として、厚さ０．３ｍｍのポリプロピレン製の多孔質膜（ポリプロピレン不織布（ＭＰＦ４５ＡＣ：ニッポン高度紙工業（株））を巻いて用いた。ＴＦ４０は溶剤紡糸再生セルロース繊維で、平均気孔径は０．３μｍ、気孔率７３体積％。ＭＰＦ４５ＡＣはポリプロピレン繊維で、平均気孔径は４μｍ、気孔率７５体積％である。このように、セパレータと集電箔切欠部電解液リザーバの平均気孔径が約１０倍以上異なるので、ポア吸引力の大きなセパレータに優先的に電解液が占有される。このような材料以外に、セパレータや電解質リザーバの材料としては、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス繊維紙などを用いることができ、様々な平均気孔径と厚さのものが市販されているので、セパレータや集電箔切欠部電解液リザーバには、用途に応じて自由に選択することができる。
次に、図２に示すように巻回軸芯に、軸芯電解液リザーバを用いた場合には、電解液貯蔵量が増えるので、集電箔切欠部電解液リザーバのリザーブ機能、すなわち、セパレータの電解液が不足した場合に、軸方向からセパレータに電解液を供給し、セパレータの電解液が溢れた場合に、この溢れた電解液を吸収して保持する機能が向上する。
なお、軸芯電解液リザーバの平均気孔径は、集電箔切欠部電解液リザーバよりも大きいことが望ましく、集電箔切欠部電解液リザーバの電解液が不足した場合には、軸芯電解液リザーバから電解液が供給され、集電箔切欠部電解液リザーバの電解液が溢れた場合には、軸芯電解液リザーバに電解液が保持される。
さらに、図７に示すように、集電箔間電解液リザーバの平均気孔径は、セパレータよりも大きいことが望ましく、面内方向の電解液の移動速度を飛躍的に高めることができると共に、負極集電箔に設けられた孔を介して、電解液がセパレータに供給され、セパレータに溢れた電解液を集電箔間電解液リザーバに吸収させることができる。なお、本実施の形態においては、集電箔間電解液リザーバに対して負極集電箔に孔を設けたが、正極集電箔に孔を形成してもよいし、両方の集電箔に孔を設けてもよい。
これによって、セパレータの気孔径をより細かくして、セパレータと集電箔切欠部電解液リザーバとの電解液の授受を、集電箔間電解液リザーバを介してより迅速に行うことができ、電解液リザーブ機能を強化することができる。
また、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタのように、セル面内のリチウムイオン分布を均一にしなければならない電力貯蔵デバイスセルにおいては、集電箔間電解液リザーバを介して、リチウムイオンのセル面内での分布の均一化を図ることができ、寿命特性を高め、充放電深度を大きく保つことができる。
さらに、本実施の形態のように、巻回外周電解液リザーバを設けることで、密閉容器の外部に電解液が溢れることを防止することができる。巻回外周電解液リザーバの平均気孔径としては、セパレータよりも大きく、集電箔切欠部電解液リザーバよりも大きいことが望ましい。
なお、一般に電気二重層キャパシタではガス放出弁が取り付けられており、高電圧になった場合や高温になった場合に、セル内部からのガス発生に伴って容器内の内圧が高まると、このガス放出弁が開いて内部のガスを外部に逃がして、容器が破裂するのを防止するように構成されている。従来の巻回形の電気二重層キャパシタでは、容器内に液状の電解液が存在し、ガスと共にガス放出弁から吹き出し、周辺の電気回路をショートさせてしまう心配があった。このため、ガス放出弁が上になるように、電気二重層キャパシタの置き方が決められていて、キャパシタセルやキャパシタモジュールの配置に自由度がなかった。しかしながら、本実施の形態では、電極やセパレータに収納しきれなかった液体の電解液は、全て電解液リザーバに吸収して収納されるので、ガス放出弁を下向きに設置しても問題なく、電気二重層キャパシタの配置の自由度が増す効果が得られる。
また、本実施の形態において、セパレータと、集電箔切欠部電解液リザーバ、集電箔間電解液リザーバ、軸芯電解液リザーバおよび巻回外周電解液リザーバの４種類の電解液リザーバとの平均気孔径の理想的な関係は、次のようになる。
［セパレータ＜集電箔間電解液リザーバ＜集電箔切欠部電解液リザーバ＜軸芯電解液リザーバ＜巻回外周電解液リザーバ］
ただし、セパレータの平均気孔径を最も小さく保っていれば、不具合が起こることはなく、いずれかの電解液リザーバで電解液の授受を行うことができる。
なお、電解液リザーバとしては、本実施の形態で説明した４種類の電解液リザーバのいずれか１種類を用いるだけでも有効であり、複数種類の電解液リザーバを備えることで電解液リザーバのリザーブ機能が向上するとともに、ガス放出弁の配置の自由度も広くなる。なお、集電箔間電解液リザーバを採用しない場合は、負極集電箔あるいは正極集電箔に形成した孔は不要となる。
次に、熱の動きと集電抵抗とについて説明する。充電時には、ｉＲ損による発熱のほかに、イオンが活性炭や黒鉛などのカーボンに侵入する際に生じる発熱がある。この熱は、集電箔に伝えられ、集電箔に直結した正極端子と負極端子によって外部に取り出される。端子が４箇所にあり、巻回された全ての集電箔の層が正極、負極いずれかの端子に直結しているので、熱は速やかに排出される。集電抵抗についても、巻回された全ての集電箔の層が正極、負極いずれかの端子に直結しており、しかも、正極、負極共に、２箇所から集電されるので、集電抵抗は従来に比べて低く保つことができる。
実施の形態２．
次に、この発明の電力貯蔵デバイスセルを用いた電力貯蔵デバイスモジュールについて図８と図９を用いて説明する。図８は、実施の形態２における、扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルを用いた３セルモジュールの平面図（ａ）およびＡ−Ａ’の断面図（ｂ）である。本実施の形態で用いる扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルは、実施の形態１で説明したものである。アルミニウムの絞り加工で製造したモジュール容器４０の内部に３個の電力貯蔵デバイスセル１を並べ、１つの電力貯蔵デバイスセル１の正極端子４同士と隣接する負極端子５同士とを銅板で構成した放熱板４１で接続し、同一の電力貯蔵デバイスセル１の正極端子と負極端子との間には、例えばチェナーダイオードなどの保護回路４４を接続している。さらに、正極端子および負極端子と電力貯蔵デバイスセル１の扁平巻回電極部との間には、電気的絶縁のためにフェノール樹脂板で構成された絶縁板４２を挿入している。モジュール容器蓋４３は、アルミニウム板で構成されており、放熱を容易にする効果がある。モジュール容器蓋４３は、アルミニウムの絞り加工で製造したモジュール容器４０と嵌合する形で、３個の電力貯蔵デバイスセル１を収納する。その際に、モジュール容器蓋４３には、正極端子および負極端子に触れないように、それらに対応した位置に穴が開けられている。正極端子と負極端子とは、このモジュール容器蓋４３に設けられた穴を通った後、さらに絶縁板４２に設けられた穴を通り、超音波溶接などによって放熱板４１に電気的に接続される。モジュール容器蓋４３に設けられた穴の縁には電気絶縁性のフィルムもしくはゴムが装着されていることが望ましい。これによって、正極端子と負極端子とが外力によって変形した場合でも、モジュール容器蓋４３との直接の接触を防ぐことができるので、電極とモジュール容器蓋４３との短絡を防ぐことができる。
このように構成された電力貯蔵デバイスモジュールにおいては、高い放熱特性が得られる。図９は、本実施の形態における３セル構成の電力貯蔵デバイスモジュールの放熱現象を矢印で模式的に描いた特性図であり、平面図（ａ）およびＢ−Ｂ’の断面図（ｂ）である。曲線の矢印が放熱を示している。合計４箇所の端子を放熱板４１に接続することで、セル内部の熱が、４箇所の端子を通じて放熱板４１に伝えられ、効果的に外部へ放熱できる。
また、放熱板４１は、隣接するセル間の直列接続を担う役割を果たしており、モジュールでセルを直列に接続する時の抵抗を小さく保つことができる。
さらには、モジュール容器４０とモジュール容器蓋４３で各セルを挟むことで、セルの面からの放熱も効果的に外部へ放出させることができる。
図８において、保護回路４４は、セルが満充電になった場合に、安全のため電流を迂回させるためのものであるが、本実施の形態では、正極電流端子４と負極電流端子５を、絶縁板４２上で近接距離にまで近づけた上で、保護回路４４に接続している。これによって、保護回路での接続距離を最短に保ち、保護回路に大電流が流れることによる熱の発生を最低限に保つことが可能になる。また、接続距離が短いので、保護回路で大電流を流すことも可能になる。
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係わる扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルの平面図である。実施の形態１と異なる点は、集電箔切欠部電解液リザーバ２２を軸芯に貫通させていないことでそれ以外の構成は同様である。本実施の形態においては、集電箔切欠部電解液リザーバ２２を軸芯に貫通させていないが、正極集電箔切欠部２および負極集電箔切欠部３で集電箔から露出したセパレータと集電箔切欠部電解液リザーバ２２とを接触させているので、電解液の授受は充分に可能である。
また、軸芯電解液リザーバ２１を設置すること、セパレータから集電箔切欠部電解液リザーバ２２に放出された電解液は、軸芯電解液リザーバ２１にも吸収され、より多くの電解液を電力貯蔵デバイスセル内に保持できるので、電解液が不足した場合には、逆に軸芯電解液リザーバ２１から集電箔切欠部電解液リザーバ２２を介してセパレータに供給することができる。
このような構造でも集電箔切欠部電解液リザーバ２２とセパレータとの接触を確保することができ、リザーブ機能は維持される。また、巻外周電解液リザーバ１９とも接触させることで、より強固な電解液のリザーブ機能が発揮できる。
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係わる扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルの平面図である。実施の形態１と異なる点は、端子を合計４個ではなく合計２個にしたことと、集電箔切欠部電解液リザーバ２２を１箇所ではなく２箇所に設けたことであり、それ以外の構成は実施の形態１と同様である。
電力貯蔵デバイスセルの面積が小さい場合では、正極および負極の電極端子を必ずしも２箇所設ける必要はなく１箇所でよいが、その場合には中央部に設けることが望ましい。電極端子を中央部に一対設ける場合は、中央部に集電箔切欠部電解液リザーバ２２を設けることができないので、本実施の形態では、両端部に設けている。また、電解液リザーブ機能をさらに強化する目的で、軸芯電解液リザーバ２１を追加している。軸芯電解液リザーバ２１については必ずしも必要ではないが、集電箔切欠部電解液リザーバ２２と連携して、さらに電解液のリザーブ機能が強化される効果がある。
このように構成された扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルにおいては、実施の形態１に比べて、端子が少ないために集電抵抗と放熱に不利ではあるが、端子を広くすることで、集電抵抗と放熱を改善できる。また、集電箔切欠部電解液リザーバ２２が２箇所に増えたことで、リザーブ機能が強化されるメリットがある。
この発明の実施の形態１に係わる電力貯蔵デバイスセルの平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる電力貯蔵デバイスセルの模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる帯状の正極負極およびセパレータの配置と大きさを示した模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる扁平巻回電極部の製造工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる電力貯蔵デバイスセルの製造工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係わる電極層、セパレータおよび解液リザーバの気孔分布を模式的に示した特性図である。 この発明の実施の形態２に係わる電力貯蔵デバイスモジュールの模式図である。 この発明の実施の形態２に係わる電力貯蔵デバイスモジュールの特性図である。 この発明の実施の形態３に係わる電力貯蔵デバイスセルの模式図である。 この発明の実施の形態４に係わる電力貯蔵デバイスセルの平面模式図である。
符号の説明
１ 電力貯蔵デバイスセル、２ 正極集電箔切欠部、３ 負極集電箔切欠部
４ 正極端子、５ 負極端子、６ 辺縁部、７ 辺縁部、８ 正極電極層
９ 負極電極層、１０ セパレータ、１１ 集電箔間電解液リザーバ
１２ 正極電極層の塗工部幅、１３ 負極電極層の塗工部幅、１４ セパレータの幅
１５ 正極集電箔の幅、１６ 負極集電箔の幅、１７ 扁平巻回電極部
１８ 密閉容器、１９ 巻外周電解液リザーバ、２０ ガス放出弁
２１ 巻回軸芯、２２ 集電箔切欠部電解液リザーバ、２３ 正極
２４ 負極、２５ 正極集電箔、２６ 負極集電箔、２７ 孔
３０ プレス切断部、３１ 突出端部、３２ 超音波溶接部、３３ 熱融着シール部
３４ 開口部分、３５ 予備充電回路、３６ 電極層の気孔体積分布
３７ セパレータの気孔体積分布、３８ 電解液リザーバの気孔体積分布
４０ モジュール容器、４１ 放熱板、４２ 絶縁板、４３ モジュール容器蓋
４４ 保護回路

Claims (7)

  1. 正極集電箔に正極電極層が形成された帯状の正極と負極集電箔に負極電極層が形成された帯状の負極との間に電気絶縁性を有する帯状のセパレータを挟んで扁平な形状に巻回された扁平巻回電極部と、
    この扁平巻回電極部に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器と、
    この密封容器と電気的に絶縁されて前記正極集電箔および前記負極集電箔にそれぞれ接続された正極端子および負極端子と
    を備えた電力貯蔵デバイスセルにおいて、
    前記正極集電箔および前記負極集電箔は、巻回された軸方向に対して互いに反対方向に前記セパレータより突出し、かつ前記正極電極層および前記負極電極層が形成されていない辺縁部を備え、
    この辺縁部は、前記セパレータが露出するように一部が削除された切欠部と突出端部とで構成されており、
    前記突出端部において、前記正極集電箔および前記負極集電箔はそれぞれが積層方向に電気的に接続されるとともに前記正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続されており、
    前記切欠部において、露出した前記セパレータと接する電解液リザーバを備えたことを特徴とする電力貯蔵デバイスセル。
  2. 切欠部を辺縁部の中央部に設け、突出端部を前記切欠部の両端に２箇所備え、この２箇所の突出端部にそれぞれ正極端子および負極端子を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵デバイスセル。
  3. 電解液リザーバの気孔径が、セパレータの気孔径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵デバイスセル。
  4. 電解液リザーバが、巻回された軸芯部を貫通するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵デバイスセル。
  5. 正極集電箔の一方の面に正極電極層が形成された帯状の正極と負極集電箔の一方の面に負極電極層が形成された帯状の負極との間に電気絶縁性を有する帯状のセパレータを挟んで扁平な形状に巻回された扁平巻回電極部と、
    この扁平巻回電極部に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器と、
    この密封容器と電気的に絶縁されて前記正極集電箔および前記負極集電箔にそれぞれ接続された正極端子および負極端子と
    を備えた電力貯蔵デバイスセルにおいて、
    前記正極集電箔および前記負極集電箔は、巻回された軸方向に対して互いに反対方向に前記セパレータより突出し、かつ前記正極電極層および前記負極電極層が形成されていない辺縁部を備え、
    この辺縁部において、前記正極集電箔および前記負極集電箔はそれぞれが積層方向に電気的に接続されるとともに前記正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続されており、
    前記正極集電箔の他方の面および前記負極集電箔の他方の面に集電箔間電解液リザーバが形成されており、
    前記集電箔間電解液リザーバの気孔径は、前記セパレータの気孔径よりも大きく、
    前記正極集電箔および前記負極集電箔の少なくとも一方には貫通孔が設けられていることを特徴とする電力貯蔵デバイスセル。
  6. 請求項２記載の電力貯蔵デバイスセルが、正極端子と隣接する他の電力貯蔵デバイスセルの負極端子とが近接するように複数個配列され、前記正極端子と前記負極端子とを電気伝導性の放熱板で接続されたことを特徴とする電力貯蔵デバイスモジュール。
  7. 同じ電力貯蔵デバイスセルの正極端子と負極端子との間に保護回路が接続されたことを特徴とする請求項６記載の電力貯蔵デバイスモジュール。
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