JP4979465B2 - 非水系蓄電デバイス及びその製造方法、組電池 - Google Patents

Description

本発明は、大容量・高電圧の非水系蓄電デバイス及びその製造方法、並びに当該非水系蓄電デバイスを用いて構成された組電池に関するものである。

太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされる。そして、このような用途に有望な蓄電デバイスの一種として、近年、非水系蓄電デバイスが注目されている（例えば、特許文献１参照）。

現在、この種の蓄電デバイスの主流は、電気二重層機能を使用したキャパシタ（いわゆる電気二重層キャパシタ）である。しかしながら、電気二重層キャパシタは、容量が小さくて電圧が低いため、大容量・高電圧を実現しようとすると装置全体が大型化するという問題がある。そこで、この問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、リチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このタイプのリチウムイオンキャパシタでは、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を用い、その負極電極にリチウムをプレドープすることにより、負極電位を下げている。その結果、電池として高い電圧を得ることができ、これによりエネルギー容量も大きくすることができるようになっている。

上記従来のリチウムイオンキャパシタは、正極、負極及びセパレータを積層してなる電極積層体を備えている。電流集中によるリチウム金属の析出を避けるため、一般的に負極は正極よりも大きく形成される。かかる電極積層体は例えば柔らかいアルミラミネート箔からなるバッグ内に収容され、そのバッグ内はリチウムイオンを含んだ有機電解質で満たされている。上記バッグの代わりに例えば金属等のような硬質の材料からなる有底のカップ状ケースを用い、このケース内に電極積層体を収容して蓋をしたものも従来提案されている（例えば、特許文献２参照）。ちなみに、カップ状ケースは金型成形等によって製造される。
特許第３８５９３５号公報（図１等参照） 特開２００６−２８６９１９号公報（図１等参照）

しかしながら、上記従来のリチウムイオンキャパシタには下記の問題点があった。

例えば、アルミラミネート箔からなるバッグを収容体として用いる従来技術の場合、負極外縁部と正極外縁部との位置が大きく異なっていて段差が生じているので、電極積層体の収容時に積層体外周部に応力が集中し、そこが大きく歪んでしまう。そのため、電極間でショートが発生する可能性があり、信頼性が低かった。

また、有底のカップ状ケースを収容体として用いる従来技術の場合、金型成形の特性上、ケース側壁及び底部の境界にアール部が生じ、丸みを帯びたものとなる。そしてこのアール部が大きいと、積層体外周部への応力集中によって上記同様に歪みが発生してしまう。ゆえに、この場合においても電極間でショートが発生する可能性があり、信頼性が低かった。しかも、このような場合には、積層体上下方向に押圧力を加えたとしても、その押圧力が積層体全体に確実にかつ均等に作用しないため、大容量・高電圧のデバイスの実現が難しくなる。

さらに、上記従来のリチウムイオンキャパシタを複数個積層配置して組電池を構成しようとしても、柔らかいラミネート箔を用いたものの場合には、キャパシタ同士を安定的に固定することができなかった。これに対して、有底のカップ状ケースを用いたものの場合、ラミネート箔を用いたものに比べていくぶん固定状態はよくなるが、安定的と言える程度ではなかった。従って、信頼性の高い組電池を実現することができなかった。

また、これら複数のキャパシタの安定的な固定を図ろうとするならば、固定用構造を備えた大きな収容体を別に用意しておき、その大型収容体内に複数のキャパシタを収容した状態でそれら同士を固定する必要がある。よって、装置の大型化、構造複雑化、高コスト化などが避けられない。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極間ショートが起こりにくく信頼性に優れるとともに、大容量・高電圧が実現しやすい非水系蓄電デバイス及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、各デバイスの固定安定性が高くて信頼性に優れた組電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記負極及び前記正極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータを積層してなる電極積層体がケース内に収容され、前記ケース内にリチウムイオンを含んだ有機電解質が注入されている非水系蓄電デバイスにおいて、前記ケースは、上側開口及び下側開口を有する箱状であってかつ前記電極積層体の側面を包囲する硬質のケース本体と、前記ケース本体とは別に作製され前記下側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された下蓋と、前記ケース本体とは別に作製され前記上側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された上蓋とを含んで構成され、前記電極積層体は、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、前記ケース本体に突設形成された鍔部は、凹部が設けられていない縁部と、それよりも幅広に形成されかつ前記凹部が設けられている縁部とを有し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子の一部は、前記凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定され、前記上蓋または前記下蓋が前記鍔部に前記接着剤で接合されるとともに、前記下蓋と前記上蓋とにより前記電極積層体の積層方向に押圧力が加えられていることを特徴とする非水系蓄電デバイスをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、電極積層体の側面を包囲するケース本体が硬質であるため、電極積層体上下方向に押圧力を加えても、ケース内の電極積層体外周部への応力集中が回避され、その部分の潰れが未然に防止される。また、ケース本体と下蓋と上蓋とを別に作製しておく本発明によると、その構造上、ケース側壁及び底部の境界にアール部ができないため、アール部に起因する電極積層体外周部への応力集中も未然に回避される。以上の結果、信頼性低下の原因となる電極間ショートが起こりにくくなる。しかも、ケース本体と下蓋と上蓋とを接合して１つのケースを構成しているため、個々のケース構成部品を単純形状とすることができ、結果的に構造が簡単で安価なケースとすることができる。また、本発明によると、電極積層体上下方向に加えた押圧力が電極積層体全体に確実にかつ均等に作用しやすくなるため、大容量・高電圧のデバイスが実現しやすくなる。
なお、本発明では、前記ケース本体は、前記上蓋または前記下蓋が接合される鍔部を有している。従って、ケース本体と下蓋との接合面積あるいはケース本体と上蓋との接合面積が大きくなるため、下蓋や上蓋がケース本体に確実に固定される。よって、より信頼性を向上させることができる。
また、本発明では、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、それらの一部が前記ケース本体の前記鍔部に設けられた凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定されている。鍔部はケース本体の一部であって硬質であることに加え、ある程度の広さを有しているため、そこに設けた凹部に正極外部端子及び負極外部端子を支持固定することにより、正極外部端子及び負極外部端子の強度を向上させることができる。なお、鍔部における凹部形成部位を他の部位よりも幅広に形成されているため、さらに強度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記負極及び前記正極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータを積層してなる電極積層体がケース内に収容され、前記ケース内にリチウムイオンを含んだ有機電解質が注入されている非水系蓄電デバイスにおいて、前記ケースは、側壁及び前記側壁と一体成形された底部を有する箱状であってかつ前記電極積層体の側面及び下面を包囲する硬質のケース本体と、前記ケース本体とは別に作製され前記上側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された上蓋とを含んで構成され、前記側壁及び前記底部の境界に存在するアール部の高さに相当する厚さの底上げシートが、前記底部と前記電極積層体との間に配置され、前記電極積層体は、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、前記ケース本体に突設形成された鍔部は、凹部が設けられていない縁部と、それよりも幅広に形成されかつ前記凹部が設けられている縁部とを有し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子の一部は、前記凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定され、前記上蓋が前記鍔部に前記接着剤で接合されるとともに、前記底上げシートと前記上蓋とにより前記電極積層体の積層方向に押圧力が加えられていることを特徴とする非水系蓄電デバイスをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、電極積層体の側面を包囲するケース本体が硬質であるため、電極積層体上下方向に押圧力を加えても、ケース内の電極積層体外周部への応力集中が回避され、その部分の潰れが未然に防止される。また、底部と電極積層体との間に底上げシートを配置したことにより、電極積層体がアール部の影響を受けなくなり、アール部に起因する電極積層体外周部への応力集中も未然に回避される。以上の結果、信頼性低下の原因となる電極間ショートが起こりにくくなる。また、本発明によると、電極積層体上下方向に加えた押圧力が電極積層体全体に確実にかつ均等に作用しやすくなるため、大容量・高電圧のデバイスが実現しやすくなる。
なお、本発明では、前記ケース本体は、前記上蓋または前記下蓋が接合される鍔部を有している。従って、ケース本体と下蓋との接合面積あるいはケース本体と上蓋との接合面積が大きくなるため、下蓋や上蓋がケース本体に確実に固定される。よって、より信頼性を向上させることができる。
また、本発明では、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、それらの一部が前記ケース本体の前記鍔部に設けられた凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定されている。鍔部はケース本体の一部であって硬質であることに加え、ある程度の広さを有しているため、そこに設けた凹部に正極外部端子及び負極外部端子を支持固定することにより、正極外部端子及び負極外部端子の強度を向上させることができる。なお、鍔部における凹部形成部位を他の部位よりも幅広に形成されているため、さらに強度を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記鍔部には、固定穴が貫通形成されていることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、固定穴が硬質のケース本体の一部に形成されているため、例えばこの固定穴を用いることでデバイスを安定的に固定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記下蓋と前記電極積層体との間または前記上蓋と前記電極積層体との間に、前記電極積層体よりも外形寸法が大きくて前記下蓋及び前記上蓋よりも剛性の高い補強板が配置されていることをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、下蓋及び上蓋よりも剛性の高い補強板を配置したことにより、電極積層体上下方向に押圧力を確実にかつ均等に作用させることができ、大容量・高電圧のデバイスがいっそう実現しやすくなる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記ケース本体には、防爆機構が設けられていることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、硬質のケース本体に防爆機構を設けた構成であるため、不必要時には作動せず必要時にのみ確実に作動しうる防爆機構とすることができ、デバイスの信頼性が向上する。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法であって、電解質注入口及び真空引き口を設けた前記ケース本体内に前記電極積層体を収容するとともに、前記ケース本体の上側開口を塞ぐように前記ケース本体に前記上蓋を接合する第１工程と、前記第１工程の後、前記電解質注入口を介して前記有機電解質を注入するとともに、前記真空引き口を介して前記ケース内の真空引きを行う第２工程と、前記第２工程の後、前記電解質注入口及び前記真空引き口を塞いで前記ケースを密閉する第３工程とを含むことを特徴とする非水系蓄電デバイスの製造方法をその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、硬質のケース本体に電解質注入口及び真空引き口を設けているため、その電解質注入口及び真空引き口を利用してケース内部に確実に有機電解質を注入でき、電極積層体を有機電解質に確実に浸漬させることができる。ゆえに、リチウムイオンのプレドープを確実に進行させることができ、高品質なデバイスを比較的簡単にかつ効率よく得ることができる。

請求項７に記載の発明は、複数個積層配置された請求項３乃至５のいずれか１項に記載のデバイスを互いに電気的に接続し、前記鍔部に貫通形成された前記固定穴に固定具を挿通することで前記デバイスを互いに固定してなることを特徴とする組電池をその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によると、剛性の高い鍔部に貫通形成された固定穴に固定具を挿通するとともに、その固定具を締結すること等によって、各デバイス同士を安定的に固定することができる。ゆえに、信頼性に優れた組電池とすることができる。また、この構成によれば、固定用構造を備えた大きな収容体を別に用意しておく必要がないので、装置の大型化、構造複雑化、高コスト化といった問題が解消される。

以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、電極間ショートが起こりにくく信頼性に優れるとともに、大容量・高電圧が実現しやすい非水系蓄電デバイスを提供することができる。また、請求項６に記載の発明によれば、上記の優れた非水系蓄電デバイスを比較的簡単にかつ効率よく得ることができる製造方法を提供することができる。また、請求項７に記載の発明によれば、各デバイスの固定安定性が高くて信頼性に優れた組電池を提供することができる。

［第１の実施形態］

以下、本発明の非水系蓄電デバイスを、リチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタに具体化した一実施の形態を図１〜図４に基づき詳細に説明する。図１は本実施形態のリチウムイオンキャパシタ１１の斜視図、図２はそれを構成するケース本体７１の斜視図、図３は上記リチウムイオンキャパシタ１１の断面図、図４は分解断面図である。

図３，図４等に示されるように、本実施形態のリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタ１１は、正極２１、負極３１及びセパレータ４１を積層してなる電極積層体５１を備えている。なお、正極２１（負極３１）の枚数は図示されたものに限定されず、これよりも多くても少なくてもよい。

正極２１は、炭素材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している。

正極電極２２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料に黒鉛化処理を施した合成黒鉛材料、またはこれらの混合物等が挙げられる。これらの炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。

上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。

上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。

上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。

正極集電体２３はケース６１内に収容可能な大きさであれば基本的に任意の平面視形状とすることができるが、通常はケース６１の外形形状と同様の形状とされる。例えば、平面視矩形状のケース６１を使用する場合には、それに合わせて正極集電体２３も平面視矩形状とされる。正極集電体２３の外周部には、接続部としてのタブが一体的に突設形成されていてもよい。このようなタブは、導電性金属材料からなる正極外部端子２５に対して接合される。

負極３１は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。ここで、リチウムイオンを供給する金属としては、リチウム金属単体のみを指すばかりでなく、リチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することができる物質全てを広く指している。

負極電極３２はリチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料によって形成される。その具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ_２ＳｎＯ_３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ_０．４Ｂ_０．６Ｏ_２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。

負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。

負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータ４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。

かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ_６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。

負極集電体３３は負極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。負極集電体３３はケース６１内に収容可能な大きさであれば基本的に任意の平面視形状とすることができるが、通常はケース６１の外形形状と同様の形状とされる。例えば、平面視矩形状のケース６１を使用する場合には、それに合わせて負極集電体３３も平面視矩形状とされる。負極集電体３３の外周部には、接続部としてのタブ３４が一体的に突設形成されていてもよい。このようなタブ３４は、導電性金属材料からなる負極外部端子３５に対して接合される。

次に、上記のように構成された電極積層体５１を収容するためのケース６１について説明する。
図１〜図４に示されるように、本実施形態のケース６１は、硬質のケース本体７１と下蓋８１と上蓋９１とにより構成され、その内部に電極積層体５１よりも若干大きな収容空間を有している。ケース本体７１は、上側開口７２及び下側開口７３を有する平面視矩形の箱状を呈している。電極積層体５１の収容時には、ケース本体７１によって電極積層体５１の側面が全体的に包囲される。ケース本体７１の上側開口７２のある側には、上蓋９１が接合される上側鍔部７４が突設形成されている。ケース本体７１の下側開口７３のある側には、下蓋８１が接合される下側鍔部７５が突設形成されている。矩形状に形成された下蓋８１は、ケース本体７１の下側鍔部７５の下面側に接着剤で接合されることにより、下側開口７３を塞いでいる。矩形状に形成された上蓋９１は、ケース本体７１の上側鍔部７４の上面側に接着剤で接合されることにより、上側開口７２を塞いでいる。このとき使用する接着剤は、有機電解質の溶媒に不溶性であることが好ましい。

ケース本体７１の形成材料としては、ある程度硬質なものであれば従来公知の任意の材料が使用可能であり、例えば、樹脂材料、金属材料、セラミック材料などの中から任意に選択することが可能である。ただし、少なくとも従来のアルミラミネート箔より硬質の材料を使用することが必要とされる。樹脂材料の例としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、フッ素系樹脂などが使用可能である。この場合、水分を通さない、あるいは水分を通しにくい樹脂材料を使用することが好ましい。金属材料の例としては、アルミニウムやステンレスなどが好適である。金属材料を用いるメリットは高温時の耐久性を向上できる点である。かかるケース本体７１は、例えば金属材料を成形素材としこれを金型でプレス成形（例えばインパクト成形等）することにより、作製することができる。樹脂材料を成形素材としこれを射出成形してケース本体７１を作製してもよい。これらの成形法を行ったとしても、ケース本体７１の内面側にアール部が生じることはない。なお、導電性金属材料を選択してケース本体７１を作製した場合、その内側面には絶縁コートを施しても施さなくてもよいが、施すことで信頼性が高くなる。

ケース本体７１において電極積層体５１の側面を包囲している部分（側壁７８）には、電解質注入口６３、真空引き口６４及び防爆機構６５が設けられている。電解質注入口６３及び真空引き口６４は、完成品となった状態では既に密閉されている。電解質注入口６３及び真空引き口６４は、本実施形態のように個別に設けてもよいが、共通化してもよい。防爆機構６５は他の部位に比べて破断しやすい構造（例えば肉薄構造等）になっている。かかる防爆機構６５は、ケース本体７１の側壁７８における任意の位置に設置可能であるが、正極外部端子２５及び負極外部端子３５のある側に設置されていることがよい。即ち、上記のような端子設置部は、組電池を構成した場合でも空気の流れがあるので、防爆機構６５を確実に作動させることが可能だからである。

下蓋８１及び上蓋９１の形成材料は、従来公知の任意の材料が使用可能であり、例えば、樹脂材料、金属材料、セラミック材料などの中から任意に選択することが可能である。下蓋８１及び上蓋９１は、例えば板材を所定形状にカットすることにより容易に作製することが可能である。なお、ケース本体７１とは異なり硬さに関する制約がないので、例えば、樹脂材料にアルミニウム等の金属箔をラミネートしてなる従来公知のラミネート箔を使用することも勿論許容される。なお、ケース本体７１を金属製とし、かつ、下蓋８１及び上蓋９１も金属製とした場合には、溶接によって三者を接合することが可能である。このように接合すれば、確実に耐久性を向上させることができる。

ケース本体７１の上側鍔部７４及び下側鍔部７５には、それぞれの表裏面を貫通する固定穴７７が形成されている。固定穴７７には、ボルト等の固定具（図示略）が挿通される。固定穴７７の数及び位置は特に限定されず任意であるが、離間した複数箇所に複数個設けられることがよい。例えば本実施形態では、固定穴７７をケース対角線上の２箇所に形成している。そのため、固定具により安定的に固定を行うことができる。固定穴７７はケース本体７１の各コーナー部（即ち四隅）に形成してもよい。

さらに、下蓋８１及び上蓋９１においてケース本体７１側の固定穴７７に対応する位置にも、同様の固定穴８７，９７がそれぞれ形成されている。本実施形態の場合、固定穴８７，９７は、ケース本体７１側の固定穴７７の位置に対応して、下蓋８１及び上蓋９１の対角線上の２箇所にそれぞれ形成されている。

正極外部端子２５及び負極外部端子３５は略Ｌ字状に屈曲形成されていて、その一端はケース６１の外部に突出している。上側鍔部７４においてこれら外部端子２５，３５がある位置には、凹部７４ａが形成されている。そして、正極外部端子２５及び負極外部端子３５は、凹部７４ａに配置されるとともに、そこに接着剤で固定されている。凹部７４ａの深さは、正極外部端子２５及び負極外部端子３５の厚さと同等以上に設定されているため、端子配置状態であっても上側鍔部７４の上面から正極外部端子２５及び負極外部端子３５が突出しない。ゆえに、上側鍔部７４の上面に上蓋９１を接合するときに有利である。凹部７４ａに接着された結果、正極外部端子２５及び負極外部端子３５は横ズレ不能となる。

上側鍔部７４において凹部７４ａを設けた縁部については、他の３つの縁部よりも幅広に形成することが好適である。この構成によれば、接着剤固定部である凹部７４ａが長くなる結果、正極外部端子２５及び負極外部端子３５の固定強度をいっそう向上させることができる。

次に、本実施形態のリチウムイオンキャパシタ１１を製造する方法の一例を説明する。

まず、ケース本体７１、下蓋８１及び上蓋９１を準備しておく。上述したようにケース本体７１は金型成形法により作製可能であるが、その際に電解質注入口６３、真空引き口６４、固定穴７７、凹部７４ａ及び防爆機構６５を形成してもよい。あるいは、金型成形後に穴明け加工を行って電解質注入口６３等を形成してもよい。下蓋８１及び上蓋９１は、板材を所定形状にカットした後に固定穴８７，９７を形成することで、それぞれ作製可能である。さらに本実施形態では、ケース本体７１の下側鍔部７５の下面側に下蓋８１を接着し、下側開口７３を塞ぐことで、有底の箱状にしておく。有底の箱状であると、電極積層体５１を収容する際に底部（即ち下蓋８１）に電極積層体５１を載せられるので、作業が行いやすくなるからである。

また、正極２１、負極３１及びセパレータ４１を積層してなる電極積層体５１を準備しておく。正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、所定サイズに裁断して、正極２１とする。負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、所定サイズに裁断して、負極３１とする。なお、負極集電体３３における所定箇所には、プレドープ用のリチウム金属箔（図示略）を貼り付けておく。セパレータ４１は正極２１及び負極３１とほぼ同じ大きさ及び形状にカットしたものを用いる。そして、正極２１及び負極３１間にセパレータ４１を介在させて積層した後、各正極集電体２３の各タブを正極外部端子２５に超音波溶接し、かつ、各負極集電体３３の各タブ３４を負極外部端子３５に超音波溶接する。

次に、下蓋８１を接着済みのケース本体７１の中に、端子付きの電極積層体５１を収容する。このとき、正極外部端子２５及び負極外部端子３５を凹部７４ａに配置し、接着剤で固定する。

そして、ケース本体７１の上側鍔部７４の上面側に上蓋９１を接着し、上側開口７２も塞ぐようにする（第１工程）。その結果、電極積層体５１がケース６１内に完全に収容された状態となる。かかる第１工程の後、電解質注入口６３を介して有機電解質を注入するとともに、真空引き口６４を介してケース６１内の真空引きを行う（第２工程）。すると、ケース６１内の収容空間が有機電解質で確実に満たされ、電極積層体５１が有機電解質に確実に浸漬される。かかる第２工程の後、電解質注入口６３及び真空引き口６４を溶接または接着剤により塞いでケース６１を密閉する（第３工程）。この状態で所定時間保持すると、有機電解質中をリチウムイオンが移動してプレドープが進行する。以上の結果、図１に示すリチウムイオンキャパシタ１１が完成する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）このリチウムイオンキャパシタ１１の場合、電極積層体５１の側面を包囲するケース本体７１が硬質であるため、電極積層体５１の上下方向に押圧力を加えても、ケース６１内の電極積層体５１の外周部への応力集中が回避される。よって、その部分の潰れを未然に防止することができる。また、ケース本体７１と下蓋８１と上蓋９１とを別に作製しておき、組み立てて１つのケース６１とする構造であるため、ケース６１の側壁７８及び底部の境界にアール部ができない。そのため、アール部に起因する電極積層体５１の外周部への応力集中も未然に回避される。以上の結果、電極間ショートが起こりにくくなり、信頼性に優れたリチウムイオンキャパシタ１１を実現することができる。

（２）本実施形態では、ケース本体７１と下蓋８１と上蓋９１とを接合して１つのケース６１を構成しているため、個々のケース構成部品を単純形状とすることができ、結果的に構造が簡単で安価なケース６１とすることができる。

（３）本実施形態によると、電極積層体５１の上下方向に加えた押圧力が電極積層体５１の全体に確実にかつ均等に作用しやすくなるため、大容量・高電圧のリチウムイオンキャパシタ１１が実現しやすくなる。

（４）本実施形態では、ケース本体７１に設けた下側鍔部７５に下蓋８１を接着し、上側鍔部７４に下蓋８１を接着した構造を採用している。このため、ケース本体７１と下蓋８１との接合面積及びケース本体７１と上蓋９１との接合面積を大きくすることができ、下蓋８１や上蓋９１がケース本体７１に対して確実に固定される。よって、より信頼性を向上させることができる。

（５）上述した本実施形態の製造方法によれば、硬質のケース本体７１に電解質注入口６３及び真空引き口６４を設けているため、その電解質注入口６３及び真空引き口６４を利用してケース６１内部に確実に有機電解質を注入でき、電極積層体５１を有機電解質に確実に浸漬させることができる。ゆえに、リチウムイオンのプレドープを確実に進行させることができ、高品質なリチウムイオンキャパシタ１１を比較的簡単にかつ効率よく得ることができる。
［第２の実施形態］

次に、本発明を具体化した第２の実施形態を説明する。ここでは、第１の実施形態と共通する事項についてはその詳細な説明を省き、相違する事項を中心に説明する。図５は本実施形態のリチウムイオンキャパシタ１１１の斜視図、図６はそれを構成するケース本体１７１の斜視図、図７は上記リチウムイオンキャパシタ１１１の断面図、図８は分解断面図である。

本実施形態のリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタ１１１は、ケース１６１の構造が第１実施形態のものと異なっている。即ち、ケース本体１７１は、側壁７８及び側壁７８と一体成形された底部７９を有する箱状となっている。よって、このケース本体１７１は、上側開口７２のみを有しており、下側開口７３を有していない。ゆえに、下側開口７３を塞ぐための下蓋８１は省略されている。本実施形態のケース本体１７１の場合、側壁７８及び底部７９の境界にアール部が存在している。アール部の高さに相当する厚さの底上げシート１２１が、底部７９と電極積層体５１との間に配置されている。底上げシート１２１の形成材料は特に限定されないが、ここでは樹脂製シートを用いている。底上げシート１２１の外形寸法は、電極積層体５１の外形寸法よりも小さくなるように設計されている。

本実施形態のリチウムイオンキャパシタ１１１の製造手順を簡単に述べる。

まず、ケース本体１７１、上蓋９１及び電極積層体５１を各々準備しておき、ケース本体１７１の中に端子付きの電極積層体５１を収容する。そして、ケース本体１７１の上側鍔部７４の上面側に上蓋９１を接着し、上側開口７２を塞ぐようにする（第１工程）。その後、電解質注入口６３を介して有機電解質を注入するとともに、真空引き口６４を介してケース１６１内の真空引きを行う（第２工程）。さらにその後、電解質注入口６３及び真空引き口６４を溶接または接着剤により塞いでケース１６１を密閉し（第３工程）、プレドープを進行させる。その結果、図５に示すリチウムイオンキャパシタ１１１が完成する。

そして、以上のような構造のリチウムイオンキャパシタ１１１では、底部７９と電極積層体５１との間に底上げシート１２１を配置したことにより、電極積層体５１がアール部の影響を受けなくなる。よって、アール部を原因とする電極積層体５１の外周部への応力集中が未然に回避される。このため、電極間ショートが起こりにくくなり、信頼性の高いリチウムイオンキャパシタ１１１を実現することができる。また、本実施形態によると、電極積層体５１の上下方向に加えた押圧力が電極積層体５１の全体に確実にかつ均等に作用しやすくなるため、大容量・高電圧のリチウムイオンキャパシタ１１１が実現しやすくなる。
［第３の実施形態］

次に、本発明を具体化した第３の実施形態を説明する。ここでは、第１の実施形態と共通する事項についてはその詳細な説明を省き、相違する事項を中心に説明する。図９は本実施形態のリチウムイオンキャパシタ２１１の断面図、図１０は分解断面図、図１１はそれを複数用いた組電池２２１の断面図である。

本実施形態のリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタ２１１は、ケース２６１の構造が第１実施形態のものと異なっている。即ち、ケース本体２７１において上側開口７２のある側に上側鍔部７４が突設形成されている反面、下側開口７３のある側には下側鍔部７５が突設形成されていない。従って、下蓋８１は幅の狭いケース本体２７１の下側開口７３の縁に接合されている。

上記構造のリチウムイオンキャパシタ２１１を複数個（ここでは３個）作製しておき、これらを積層して配置する。この場合、後に行う電気的接続の便宜上、同じ方向に正極外部端子２５及び負極外部端子３５が突出するような配置態様を採ることがよい。そして、上側鍔部７４、上蓋９１及び下蓋８１に貫通形成された固定穴７７，８７，９７に棒状の固定具８０（例えばボルト等）を挿通する。この状態で固定具８０にナット等を締結すること等によって、各リチウムイオンキャパシタ２１１同士が安定的に固定される。また、各リチウムイオンキャパシタ２１１の正極外部端子２５同士を互いに電気的に接続し、負極外部端子３５同士を互いに電気的に接続する。その結果、図１１に示す組電池２２１が完成する。

本実施形態では、硬質で剛性の高い鍔部７４に固定穴７７を貫通形成し、その固定穴７７に固定具８０を挿通して固定を図っているため、各リチウムイオンキャパシタ２１１同士を安定的に固定することができる。従って、信頼性に優れた組電池２２１とすることができる。また、ケース構成部品にこのような固定穴７７，８７，９７があると、各部品の製造時や組立時に位置決め等を容易に図ることができて、ハンドリング性が向上するので、生産性の向上につながる。さらに、この構成によれば、各リチウムイオンキャパシタ２１１同士を固定する場合であっても、固定用構造を備えた大きな収容体を別に用意しておく必要がないので、装置の大型化、構造複雑化、高コスト化といった問題が解消される。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・下蓋８１と電極積層体５１との間または上蓋９１と電極積層体５１との間に、電極積層体５１よりも外形寸法が大きくて下蓋８１及び上蓋９１よりも剛性の高い補強板を配置してもよい。この構成によれば、電極積層体５１の上下方向に押圧力を確実にかつ均等に作用させることができる。ゆえに、大容量・高電圧のリチウムイオンキャパシタがいっそう実現しやすくなる。

・上記実施形態では、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタ１１，１１１，２１１に具体化したが、リチウム以外のアルカリ金属をプレドープさせるタイプのアルカリ金属イオンキャパシタに具体化することもできる。あるいは、本発明を非水系二次電池や電気二重層キャパシタなどに具体化することもできる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項６において、前記鍔部において前記凹部が形成されている部位は、前記凹部が形成されていない他の部位よりも幅広に形成されていることを特徴とする非水系蓄電デバイス。

（２）請求項１乃至７のいずれか１項において、前記ケース本体は導電性金属製でありかつその内側面に絶縁コートが施されていることを特徴とする非水系蓄電デバイス。

第１実施形態のリチウムイオンキャパシタの斜視図。 上記リチウムイオンキャパシタを構成するケース本体の斜視図。 上記リチウムイオンキャパシタの断面図。 上記リチウムイオンキャパシタの分解断面図。 第２実施形態のリチウムイオンキャパシタの斜視図。 上記リチウムイオンキャパシタを構成するケース本体の斜視図。 上記リチウムイオンキャパシタの断面図。 上記リチウムイオンキャパシタの分解断面図。 第３実施形態のリチウムイオンキャパシタの断面図。 上記リチウムイオンキャパシタの分解断面図。 上記リチウムイオンキャパシタを複数用いた組電池の断面図。

符号の説明

１１，１１１，２１１…非水系蓄電デバイスとしてのリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタ
２１…正極電極
２２…正極
２３…正極集電体
２５…正極外部端子
３１…負極電極
３２…負極
３３…負極集電体
３５…負極外部端子
４１…セパレータ
５１…電極積層体
６１，１６１，２６１…ケース
６３…電解質注入口
６４…真空引き口
６５…防爆機構
７１，１７１，２７１…ケース本体
７２…上側開口
７３…下側開口
７４…（上側）鍔部
７４ａ…凹部
７５…（下側）鍔部
７７…固定穴
７８…側壁
７９…底部
８０…固定具
８１…下蓋
９１…上蓋
１２１…底上げシート
２２１…組電池

Claims (7)

1. 炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記負極及び前記正極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータを積層してなる電極積層体がケース内に収容され、前記ケース内にリチウムイオンを含んだ有機電解質が注入されている非水系蓄電デバイスにおいて、
   前記ケースは、上側開口及び下側開口を有する箱状であってかつ前記電極積層体の側面を包囲する硬質のケース本体と、前記ケース本体とは別に作製され前記下側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された下蓋と、前記ケース本体とは別に作製され前記上側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された上蓋とを含んで構成され、
   前記電極積層体は、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、
   前記ケース本体に突設形成された鍔部は、凹部が設けられていない縁部と、それよりも幅広に形成されかつ前記凹部が設けられている縁部とを有し、
   前記正極外部端子及び前記負極外部端子の一部は、前記凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定され、
   前記上蓋または前記下蓋が前記鍔部に前記接着剤で接合されるとともに、前記下蓋と前記上蓋とにより前記電極積層体の積層方向に押圧力が加えられている
   ことを特徴とする非水系蓄電デバイス。
2. 炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記負極及び前記正極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータを積層してなる電極積層体がケース内に収容され、前記ケース内にリチウムイオンを含んだ有機電解質が注入されている非水系蓄電デバイスにおいて、
   前記ケースは、側壁及び前記側壁と一体成形された底部を有する箱状であってかつ前記電極積層体の側面及び下面を包囲する硬質のケース本体と、前記ケース本体とは別に作製され前記上側開口を塞ぐように前記ケース本体に接合された上蓋とを含んで構成され、前記側壁及び前記底部の境界に存在するアール部の高さに相当する厚さの底上げシートが、前記底部と前記電極積層体との間に配置され、
   前記電極積層体は、前記正極集電体に接続された正極外部端子と、前記負極集電体に接続された負極外部端子とを備え、
   前記ケース本体に突設形成された鍔部は、凹部が設けられていない縁部と、それよりも幅広に形成されかつ前記凹部が設けられている縁部とを有し、
   前記正極外部端子及び前記負極外部端子の一部は、前記凹部に配置されるとともに前記凹部に対して接着剤で固定され、
   前記上蓋が前記鍔部に前記接着剤で接合されるとともに、前記底上げシートと前記上蓋とにより前記電極積層体の積層方向に押圧力が加えられている
   ことを特徴とする非水系蓄電デバイス。
3. 前記鍔部には、固定穴が貫通形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の非水系蓄電デバイス。
4. 前記下蓋と前記電極積層体との間または前記上蓋と前記電極積層体との間に、前記電極積層体よりも外形寸法が大きくて前記下蓋及び前記上蓋よりも剛性の高い補強板が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非水系蓄電デバイス。
5. 前記ケース本体には、防爆機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非水系蓄電デバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法であって、
   電解質注入口及び真空引き口を設けた前記ケース本体内に前記電極積層体を収容するとともに、前記ケース本体の上側開口を塞ぐように前記ケース本体に前記上蓋を接合する第１工程と、
   前記第１工程の後、前記電解質注入口を介して前記有機電解質を注入するとともに、前記真空引き口を介して前記ケース内の真空引きを行う第２工程と、
   前記第２工程の後、前記電解質注入口及び前記真空引き口を塞いで前記ケースを密閉する第３工程と
   を含むことを特徴とする非水系蓄電デバイスの製造方法。
7. 複数個積層配置された請求項３乃至５のいずれか１項に記載のデバイスを互いに電気的に接続し、前記鍔部に貫通形成された前記固定穴に固定具を挿通することで前記デバイスを互いに固定してなることを特徴とする組電池。

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