JP4974856B2 - 電力貯蔵デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
キャパシタの1つとして知られる積層型の電気二重層キャパシタは、例えば、収納容器内に収納された複数個のセルを備えている。複数個のセルは、互いに並列接続されて積層されている。各セルは、正極電流端子部を有する正極側電極と、負極電流端子部を有する負極側電極と、電解液が含浸された多孔質のセパレータとを有している。
正極側電極と負極側電極とは、セパレータを介して対向配置され、正極電流端子部と負極電流端子部とは、平面的に重ならないように配置されている。電気二重層キャパシタは、正極側電極または負極側電極と、電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積している。
そこで、電気二重層キャパシタは、家電機器やハイブリッド自動車の電源等、省エネルギーや炭酸ガスの排出量削減を実現するためのキーデバイスとして注目されている。
しかしながら、集電箔の幅方向へのずれや塗布後のペーストの液だれ等が発生することを考慮すると、ロール状の集電箔に塗布されるペーストの位置を上記所定位置に精密に制御することは、非常に困難である。集電箔のずれやペーストの液だれ等が発生すると、電極層が電流端子部上にはみ出して形成される可能性がある。
また、腐食に起因して発生するガスの気泡が正極電極層に付着すると、電気二重層キャパシタの充放電特性が劣化することが知られている。
そのため、正極電極層が正極電流端子部上にはみ出して形成された正極側電極は、使用することができず、歩留まりが悪くなってコストが高くなるという問題点があった。
このとき、正極電極層と対向しない負極電極層、すなわち、正極電極層の外周部分に相当する負極電極層は、電荷を蓄積することができず、電気二重層キャパシタとしての機能を果たさない。
そのため、電気二重層キャパシタとして機能しない負極電極層と、この部分の負極電極層が形成された負極集電箔との分だけ電気二重層キャパシタの重量が増すとともに、大きさが大きくなる。
上記特許文献2に記載の電気二重層キャパシタでは、余分な負極集電箔および負極電極層によって重量が増すとともに、大きさが大きくなるので、重量エネルギー密度および体積エネルギー密度が低下するという問題点があった。
なお、このような問題点は、電気二重層キャパシタに限られず、電極層が塗布形成された正極側電極と負極側電極とが対向配置され、正極電流端子部と負極電流端子部とが平面的に重ならないように配置された構造を有する電力貯蔵デバイスに共通の問題点である。
そのため、正極電流端子部上に形成された正極電極層(正極電極層突出部)の腐食を防止するとともに、高い重量エネルギー密度および体積エネルギー密度を実現することができる。
なお、以下の実施の形態では、電力貯蔵デバイスのうち、電気二重層キャパシタを例に挙げて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る電気二重層キャパシタの積層体1を概略的に示す斜視図である。
図1において、電気二重層キャパシタは、複数個のセルが互いに並列接続されて積層された積層体1を有している。積層体1の各セルは、正極側の分極性電極2(以下、「正極側電極2」と称する)と負極側の分極性電極3(以下、「負極側電極3」と称する)とが、セパレータ4を介して対向配置された構成を有している。
図2および図3において、積層体1は、収納容器11に収納されている。
正極側電極2は、端部に正極電流端子部5が形成された正極集電箔12と、正極集電箔12の両面に塗布形成された正極電極層13とを含んでいる。また、負極側電極3は、端部に負極電流端子部6が形成された負極集電箔14と、負極集電箔14の片面または両面に塗布形成された負極電極層15とを含んでいる。
各セルの正極電流端子部5は、それぞれ正極電流端子16側に曲げられて、スポット溶接により正極電流端子16と接続されている。また、各セルの負極電流端子部6は、それぞれ負極電流端子17側に曲げられて、スポット溶接により負極電流端子17と接続されている。
また、セパレータ4は、短絡を防止するために、正極電極層13および後述する正極電極層突出部の全面を覆う大きさを有している。すなわち、セパレータ4の互いに対向する2面は、正極電極層13および正極電極層突出部を内包するように配置されている。
図4は、この発明の実施の形態1に係る電気二重層キャパシタの正極側電極2を示す正面図である。
図4において、正極側電極2は、正極集電箔12と、正極電流端子部5と、正極電極層13と、正極電極層突出部21とを含んでいる。
正極電極層13は、正極集電箔12の片面または両面に、後述する電極層材料のペースト(以下、「電極層ペースト」と略称する)が塗布されて形成されている。正極電極層突出部21は、正極集電箔12に電極層ペーストを塗布する際に、正極電流端子部5上に正極電極層13とともに形成される。
図5において、負極側電極3は、負極集電箔14と、負極電流端子部6と、負極電極層15と、負極電極層突出部22と、負極集電箔張り出し部23と、負極電極層延長部24とを含んでいる。
負極電極層15は、負極集電箔14の片面または両面に、電極層ペーストが塗布されて形成されている。負極電極層突出部22は、負極集電箔14に電極層ペーストを塗布する際に、負極電流端子部6上に負極電極層15とともに形成される。
負極電極層延長部24は、負極集電箔14に電極層ペーストを塗布する際に、負極集電箔張り出し部23上に負極電極層15および負極電極層突出部22とともに形成される。
また、負極集電箔張り出し部23に形成された負極電極層延長部24と、正極電流端子部5に形成された正極電極層突出部21とは、セパレータ4を介して互いに対向している。また、負極電極層延長部24は、正極電極層突出部21よりも面積が大きく、正極電極層突出部21の全面を覆うように形成されている。
まず、図6および図7を参照しながら、正極側電極2および負極側電極3の製造方法について説明する。
図6は、この発明の実施の形態1に係る電気二重層キャパシタの正極側電極2の製造方法を示す説明図である。また、図7は、この発明の実施の形態1に係る電気二重層キャパシタの負極側電極3の製造方法を示す説明図である。
正極側電極2は、送り出されたアルミ箔ロール32に切断用の金型(図示せず)をプレス機(図示せず)で押し付けて、正極集電箔12、正極電流端子部5、正極電極層13および正極電極層突出部21を一体的に打ち抜くことにより製造される。
負極側電極3は、送り出されたアルミ箔ロール33に金型をプレス機で押し付けて、負極集電箔14、負極電流端子部6、負極集電箔張り出し部23、負極電極層15、負極電極層突出部22および負極電極層延長部24を一体的に打ち抜くことにより製造される。
充放電電流が大電流の場合には、内部抵抗を少なくするために、厚い集電箔が選択される。また、充放電電流が小さな場合、すなわち充放電時間が長くてもよい場合には、電気二重層キャパシタを小型化するために、薄い集電箔が選択される。
なお、集電箔の材料としては、アルミニウム以外にも、銅、ステンレスまたはニッケル等、他の導電性材料を用いてもよい。
すなわち、正極電極層13および負極電極層15の外形形状は、正極集電箔12および負極集電箔14と同一の形状となる。
なお、電極層の形成方法としては、塗布する方法の他に、圧延法やモールド成形法等がある。
しかしながら、前述したように、アルミ箔ロールの幅方向へのずれや塗布後の電極層ペーストの液だれ等が発生することを考慮すると、アルミ箔ロールの全長にわたって塗工幅を一定の幅に保つことは困難である。また、塗工ペーストダムの位置ずれや塗工ペーストダムとアルミ箔ロールとの接触面からの電極層ペーストの浸みだし等の発生により、塗工幅を一定の幅に保つことがさらに困難になる。
このような傾向は、量産化および低コスト化のために塗工速度を増せば増すほど顕著になり、塗工幅のムラが大きくなる。
正極電流端子部上に電極層が形成された場合、および負極電極層の面積が不足した場合には、負極電極層に覆われていない正極電極層が存在することとなり、前述したように、この部分で正極電極層の腐食が発生する。また、正極電極層の面積が不足した場合には、電気二重層キャパシタとして機能する正極電極層の面積が減少するので、電気二重層キャパシタとしての性能を損なうこととなる。
そのため、アルミ箔ロール32の幅方向へのずれ等が発生した場合であっても、正極電極層13の面積が不足する可能性が低減される。
そのため、アルミ箔ロール33の幅方向へのずれ等が発生した場合であっても、負極電極層15の面積が不足する可能性が低減される。
また、アルミ箔ロール33に対する塗工幅がアルミ箔ロール32に対する塗工幅よりも10mm広く設定されている。
そのため、アルミ箔ロール32が幅方向に最大で5mm程度左右にずれた場合であっても、負極電極層延長部24によって正極電極層突出部21の全面を覆うことができ、負極電極層15に覆われていない正極電極層13をなくすことができる。
なお、セパレータ4の材料としては、天然パルプ、天然セルロースおよび溶剤紡糸セルロース等のセルロース系、ガラス繊維、不織布の他に、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)またはシリカ混合ポリエチレン等のフィブリル化フィルムまたは多孔質フィルムが用いられる。ここでは、例えばポリプロピレン製で厚さが25μmの多孔質フィルムを用いる。
電解液は、電解質を溶媒に溶かしたものや、イオン液体(イオン性液体)等である。
また、溶媒としては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、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類の溶媒、または二種類以上の溶媒を混合した混合溶媒等が用いられる。
ここで、積層体1を形成する際に、複数の正極側電極2および負極側電極3が互いに平面的にずれて積層された場合には、負極電極層15に覆われていない正極電極層13が存在することとなる。
しかしながら、正極電極層13および負極電極層15は、互いに同一の形状を有しているので、正極電流端子部5および負極電流端子部6をそれぞれ基準にして位置合わせをすることにより、正極側電極2および負極側電極3を容易に揃えることができる。また、このとき、負極集電箔張り出し部23を位置合わせに用いることにより、より容易に正極側電極2および負極側電極3を揃えることができる。
なお、収納容器11は、アルミラミネートフィルム、プラスチック、または各種金属等で形成されている。
これにより、正極電極層13および正極電極層突出部21の全面は、負極電極層15、負極電極層突出部22および負極電極層延長部24によって覆われる。
そのため、正極電流端子部5上に形成された正極電極層突出部21における電圧の異常上昇を防止して、正極電極層突出部21の腐食を防止することができる。
これにより、正極電極層突出部21に電荷を蓄積することができ、正極電極層突出部21を電気二重層キャパシタの有効面積として活用することができる。
そのため、例えば負極電極層の面積を正極電極層の面積よりも大きくする場合と比較して、高い重量エネルギー密度および体積エネルギー密度を実現することができる。
これにより、アルミ箔ロール32の幅方向のずれによって正極電極層突出部21がずれて形成された場合であっても、負極電極層延長部24によって正極電極層突出部21の全面を覆うことができる。
そのため、正極電極層突出部21がずれて形成された正極側電極2を廃棄する必要がないので、歩留まりを向上させてコストダウンを実現することができる。
上記実施の形態1では、負極電流端子部6に負極電極層突出部22が形成されている。負極電極層突出部22は、存在していても腐食に繋がることはない。しかしながら、負極電極層突出部22には、電荷を蓄積することができないので、電気二重層キャパシタとしての機能を果たさない。
そこで、負極電極層突出部22を電気二重層キャパシタの有効面積として活用することを考える。
図8において、正極側電極2Aは、正極集電箔張り出し部41と、正極電極層延長部42とを含んでいる。
正極集電箔張り出し部41は、セパレータ4を介して負極電流端子部6と対向するように、正極集電箔12から延びて形成されている。
正極電極層延長部42は、正極集電箔12に電極層ペーストを塗布する際に、正極集電箔張り出し部41上に正極電極層13および正極電極層突出部21とともに形成される。
その他の構成については、前述の実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
図9は、この発明の実施の形態2に係る電気二重層キャパシタの正極側電極2Aの製造方法を示す説明図である。
正極側電極2Aは、送り出されたアルミ箔ロール32に金型をプレス機で押し付けて、正極集電箔12、正極電流端子部5、正極集電箔張り出し部41、正極電極層13、正極電極層突出部21および正極電極層延長部42を一体的に打ち抜くことにより製造される。
これにより、負極電極層15に覆われていない正極電極層13を存在させることなく、負極電極層突出部22に電荷を蓄積することができ、負極電極層突出部22を電気二重層キャパシタの有効面積として活用することができる。
そのため、より高い重量エネルギー密度および体積エネルギー密度を実現することができる。
上記実施の形態1、2では、正極集電箔12および負極集電箔14について、それぞれ同一の辺に正極電流端子部5および負極電流端子部6が形成されていた。しかしながら、これに限定されず、正極集電箔および負極集電箔について、互いに相対する辺に正極電流端子部および負極電流端子部が形成されてもよい。
以下、正極電流端子部および負極電流端子部を、正極集電箔および負極集電箔の互いに相対する辺に形成した場合について説明する。
図10において、正極側電極2Bは、図4に示した正極電流端子部5および正極電極層突出部21に代えて、正極電流端子部5Bおよび正極電極層突出部21Bを含んでいる。
正極電流端子部5Bは、正極集電箔12から延びて形成されている。また、正極電極層突出部21Bは、正極集電箔12に電極層ペーストを塗布する際に、正極電流端子部5B上に正極電極層13とともに形成される。
図11おいて、負極側電極3Bは、図5に示した負極電流端子部6、負極電極層突出部22、負極集電箔張り出し部23および負極電極層延長部24に代えて、負極電流端子部6B、負極電極層突出部22B、負極集電箔張り出し部23Bおよび負極電極層延長部24Bを含んでいる。
また、負極集電箔張り出し部23Bは、セパレータ4を介して正極電流端子部5Bと対向するように、負極集電箔14から延びて形成されている。
負極電極層延長部24Bは、負極集電箔14に電極層ペーストを塗布する際に、負極集電箔張り出し部23B上に負極電極層15および負極電極層突出部22Bとともに形成される。
その他の構成については、前述の実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
図12は、この発明の実施の形態3に係る電気二重層キャパシタの負極側電極3Bの製造方法を示す説明図である。
このとき、負極集電箔張り出し部23Bおよび負極電極層突出部22Bは、アルミ箔ロール33の幅方向の中心付近に位置することになる。
そのため、負極電極層突出部22Bを容易に形成することができる。
この場合も、上記実施の形態1〜3と同様の効果を奏することができる。
この発明は、電流端子部が正極側と負極側とで分けられた積層型の電力貯蔵デバイスに適用することができる。電力貯蔵デバイスとして、例えば、ハイブリッドキャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、ナノストレージキャパシタ、およびナノゲートキャパシタ等のキャパシタや、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
これらの電力貯蔵デバイスに適用した場合であっても、上記実施の形態1〜3と同様の効果を奏することができる。
Claims (3)
- 正極電流端子部を有する正極側電極と負極電流端子部を有する負極側電極とがセパレータを介して対向配置され、前記正極電流端子部と前記負極電流端子部とが平面的に重ならないように配置された電力貯蔵デバイスであって、
前記正極側電極は、
導体で形成された正極集電箔と、
前記正極集電箔から延びて形成された前記正極電流端子部と、
前記正極集電箔上に形成された正極電極層と、
前記正極電極層から延びて前記正極電流端子部上に形成された正極電極層突出部とを含み、
前記負極側電極は、
導体で形成された負極集電箔と、
前記負極集電箔から延びて形成された前記負極電流端子部と、
前記負極集電箔上に形成された負極電極層と、
前記正極電流端子部と対向するように、前記負極集電箔から延びて形成された負極集電箔張り出し部と、
前記負極電極層から延びて前記負極集電箔張り出し部上に形成された負極電極層延長部とを含み、
前記正極電極層および前記負極電極層は、互いに同一の形状および面積を有し、前記負極電極層延長部は、前記正極電極層突出部の全面を覆うように形成されていることを特徴とする電力貯蔵デバイス。 - 前記正極側電極は、
前記負極電流端子部と対向するように、前記正極集電箔から延びて形成された正極集電箔張り出し部と、
前記正極電極層から延びて前記正極集電箔張り出し部上に形成された正極電極層延長部とを含み、
前記負極側電極は、前記負極電極層から延びて前記負極電流端子部上に形成された負極電極層突出部を含み、
前記負極電極層突出部は、前記正極電極層延長部の全面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電力貯蔵デバイス。 - 正極電流端子部を有する正極側電極と負極電流端子部を有する負極側電極とがセパレータを介して対向配置され、前記正極電流端子部と前記負極電流端子部とが平面的に重ならないように配置され、
前記正極側電極は、
導体で形成された正極集電箔と、
前記正極集電箔から延びて形成された前記正極電流端子部と、
前記正極集電箔上に形成された正極電極層と、
前記正極電極層から延びて前記正極電流端子部上に形成された正極電極層突出部とを含み、
前記負極側電極は、
導体で形成された負極集電箔と、
前記負極集電箔から延びて形成された前記負極電流端子部と、
前記負極集電箔上に形成された負極電極層と、
前記正極電流端子部と対向するように、前記負極集電箔から延びて形成された負極集電箔張り出し部と、
前記負極電極層から延びて前記負極集電箔張り出し部上に形成された負極電極層延長部とを含み、
前記正極電極層および前記負極電極層は、互いに同一の形状および面積を有し、前記負極電極層延長部は、前記正極電極層突出部の全面を覆うように形成されている電力貯蔵デバイスの製造方法であって、
導体製の第1集電箔ロールに、第1の塗工幅で前記正極側電極の電極層材料を塗布するステップと、
導体製の第2集電箔ロールに、前記第1の塗工幅よりも広い第2の塗工幅で前記負極側電極の電極層材料を塗布するステップと、
前記電極層材料が塗布された前記第1集電箔ロールから前記正極側電極を打ち抜くステップと、
前記電極層材料が塗布された前記第2集電箔ロールから前記負極側電極を打ち抜くステップと、
打ち抜かれた前記正極側電極と打ち抜かれた前記負極側電極とを対向配置させるステップと
を備えたことを特徴とする電力貯蔵デバイスの製造方法。
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