JP5343598B2 - リチウムイオンキャパシタの製造方法 - Google Patents
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Description
<全体構成>
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオンキャパシタ30(以下、キャパシタ30と略称する。)は、ニッケルメッキが施されたスチール製有底円筒状の容器(缶)8を有している。容器8内には、中空円筒状で縦方向に複数本(本例では3本)のスリットが形成されたポリプロピレン製軸芯1に帯状の正極板および負極板がセパレータを介して配置された電極群7が収容されている。なお、本例では、容器8の外径は40mm、内径は39mmである。
図2(A)、(B)に示すように、正極板2は、例えば、厚さ20μmのアルミニウム箔(正極集電体)W1の両面に、正極活物質として活性炭を含む正極活物質合剤W2が塗着されている(図1も参照)。アルミニウム箔W1は、長手方向に沿う一側が櫛状に切り欠かれており、この切り欠き残部からなる正極リード片2aと、正極リード片2aに隣接して多数の貫通孔が形成された孔明き形成部とで構成されている。また、孔明き形成部は、長手方向に沿ってリード片形成部に隣接する箇所に貫通孔が形成されていない貫通孔未形成部を有している。この孔明き形成部に該孔明き形成部の幅方向の長さに満たない長さで上述した正極活物質合剤W2が塗着されている。
一方、負極板3も正極板2とほぼ同じ構造を有している。すなわち、負極板3は、例えば、厚さ16μmの銅箔(負極集電体)W3の両面に、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質合剤W4が塗着されている。銅箔W3は、長手方向に沿う一側が櫛状に切り欠かれており、この切り欠き残部からなる負極リード片3aと、負極リード片3aに隣接して配置され多数の貫通孔が形成された孔明き形成部とで構成されている。また、孔明き形成部は、長手方向に沿ってリード片形成部に隣接する箇所に貫通孔が形成されていない貫通孔未形成部を有している。この孔明き形成部に該孔明き形成部の幅方向の長さに満たない長さで上述した負極活物質合剤W4が塗着されている。
図1に示すように、正極板2と負極板3とは、両極板が直接接触しないように、厚さ50μmの2枚の紙セパレータ4を介して、軸芯1を中心として断面渦巻き状に捲回され、電極群7が構成されている。なお、電極群7内には、積層体(図10の符号20A、20B参照)が捲回されているが、その内容については後述する。上述した正極リード片2aと負極リード片3aとは、それぞれ電極群7の互いに反対側に配置されており、セパレータ4の端から所定長さ(例えば、4mm)はみ出している。電極群7は、正極板2、負極板3、セパレータ4等の長さを調整することで、所定の内直径(例えば、9mm)および所定の外直径(例えば、38±0.1mm)に設定されている。なお、電極群7の捲回終端部は、巻き解けを防止するために、粘着テープを貼り付けることで固定されている。
電極群7の下側には、電極群7の下端側端面に対向するように、負極板3からの電位を集電するための銅製の負極集電リング6が配置されている。負極集電リング6の内周面には軸芯1の下端部外周面が嵌着されている。負極集電リング6の外周縁には、負極板3から導出された負極リード片3aの先端部が超音波溶接で接合されている。負極集電リング6の下部には電気的導通のための銅製の負極リード板9が配置されており、負極リード板9は負極外部端子を兼ねる容器8の内底部に抵抗溶接で接合されている。負極集電リング6および負極リード板9はエポキシ樹脂等の樹脂製絶縁材11で覆われ、絶縁材11は負極集電リング6の上部から容器8の内底面まで配されている構成を採用することができる。この場合、容器8の底部は絶縁材11により詰め物がなされた状態となっている。
ここで、負極板2の負極活物質(本例では非晶質炭素)にリチウムイオンを吸蔵させるための積層体について説明する。
次に、本実施形態のキャパシタ30の量産方式による製造方法を中心に説明する。
まず、正極活物質合剤および負極活物質合剤を調製する。正極活物質合剤は、例えば、正極活物質として比表面積が1000m2/g以上の活性炭と、結着剤としてアクリル系バインダと、分散剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)と、導電助材としてアセチレンブラック等の導電性炭素粉末とを重量(質量)比で85:7:3:5となるように混合し、これに水(分散溶媒)を添加、混練して正極スラリを作製する。
次に、集電体へのスラリの塗工について説明する。以下、説明を簡単にするために、アルミニウム箔W1へのスラリの塗工について例示するが、銅箔W3についても同じである。図4(B)に示すように、アルミニウム箔Wへの塗工は、それぞれ塗工口を有する4つの塗工ヘッド21A、21B、22A、22Bと、攪拌機(不図示)を有し各塗工ヘッドにスラリを供給するスラリ貯留槽21C、21Dと、を備えた塗工装置21により行われる。上述したように作製された正極スラリは、スラリ貯留槽21C、21Dに一時的に貯留される。
図6に示すように、塗工装置21の下流側には乾燥機29が配置されている。アルミニウム箔Wに塗工されたスラリ(分散溶媒を含む)は、塗工装置21を経て乾燥機29に至るまで、略垂直方向に搬送され、塗工装置21によるスラリ塗工幅2eから、スラリが乾燥する前に、上述したように、貫通孔未形成部に最も近い貫通孔まで流動して該貫通孔に入り込む(図3も参照)ことで、アルミニウム箔Wへのスラリ塗工幅は2(e+α)となり、2α分塗工幅が広がる(図7も参照)。
乾燥機29を出てロール状に巻き取られた正極板をリード片形成装置に移して引出し、スラリが塗工されていないアルミニウム箔W部分cを切り欠くことにより所定間隔で正極リード片2aを形成する。上述した切り欠きは、金属ローラに所定形状の刃物を埋め込んだ専用ローラ対23を配置し、専用ローラ対23を構成する2本のローラはともに駆動ローラであり、正極板をこのローラ対に通過させることにより、スラリを塗工していないアルミニウム箔W部分に所定間隔で複数の正極リード片2aを形成する。この工程は専用ローラ対23に代え、所定形状に刃物を埋め込んだ打ち抜き体を装着したプレス装置を、正極板の間欠送りと連動して作動させる工程でもよい。
専用ローラ対23の下流側には、正極活物質合剤が塗着されたアルミニウム箔Wの両面を所定の線圧でプレスするヒートローラ対24が配置されている。ヒートローラ対24を構成する2本のローラはともに駆動ローラであり、ローラ内には、ニクロム線やヒートランプ等の熱源が内蔵されている。正極活物質合剤が塗着されたアルミニウム箔は、ヒートローラ対24間を搬送され、上述した厚さおよびかさ密度に設定される。なお、以上の乾燥、プレス工程を経ることにより、正極スラリに対し正極活物質合剤の比重は1.25、固形分は30%、負極スラリに対し負極活物質合剤の比重は1.30、固形分は50%となる。
ヒートローラ対24の下流側には、ループ機構25および切断装置26が配設されている。ループ機構25は、正極活物質合剤が塗着されたアルミニウム箔Wの切断装置26への搬送を調整するものであり、切断装置26は、正極活物質合剤が塗着されたアルミニウム箔Wを切断することにより幅方向で4枚分の正極板2に分離するものである。
切断装置26の下流側には、幅方向で4枚分の正極板2に分離されたフープ状の正極板2を巻き取る正極板巻取リールが所定間隔隔てて配設されている。正極板巻取リールは上述した駆動ローラの回転と同期して回転を開始し、分離された4倍幅分の正極板2はロール状にそれぞれ正極板巻取リールを中心として巻き取られる。これにより、ロール状に巻き取られた(フープ状の)正極板2を得ることができる。
電極群7は、軸芯1を捲回中心として、2枚のセパレータ4を介して、正極板2および負極板3が直接接触せず、かつ、正極板2と2枚の積層体20が直接接触しないように捲回されることで構成される。以下、便宜上、電極群7の最内周に配置される(軸芯1の周面に当接する)セパレータを4A、電極群7の最外周に配置されるセパレータを4B、電極群7の内周部に配置される積層体を20A、電極群7の外周部に配置される積層体を20Bとして説明する。
図1に示すように、正極リード片2aを変形させ、その全てを、電極群7の軸芯1のほぼ延長線上にある正極集電リング5の周面付近に集合させ、接触させた後、正極リード片2aの先端部と周面とを超音波溶接して正極リード片2aを周面に接合する。一方、負極集電リング6と負極リード片3aとの接続操作も、正極集電リング5と正極リード片2aとの接合操作と同様に接合する。また、積層体20A、20Bのタブ20aの先端部も同様に負極集電リング6に接合する。なお、タブ20aおよび負極リード片3aの負極集電リング6への接合は同時に行われる。
(1)負極板3の捲回開始部分(捲回群の内側にあたる)に、積層体20を溶接またはリベット、または圧着して接続する。
(2)負極板3の捲回終り部分(捲回群の外側にあたる)に、積層体20を溶接またはリベット、または圧着して接続する。
(3)捲回途中で正負極板を切断し積層体20を溶接またはリベット、または圧着して負極板の端に接続する、さらに、捲回を続ける新たな負極板の端に、前記積層体20の反対端側を溶接またはリベット、または圧着して接続し、さらに捲回を行う。この操作中、セパレータは捲回終了まで切断しない。前記正負極板の切断は複数回行ってもよい。
(4)上記(1)から(3)の少なくとも一つ以上の操作を組み合わせる。
(5)捲回開始部分、捲回終り部分、捲回途中部分の少なくとも一箇所で、積層体20を負極板に直接接触するように配置する。正負極板、セパレータのいずれも途中で切断することはない。
(6)捲回開始部分、又は捲回終り部分、捲回途中部分の負極板に、活物質層非形成部(集電体剥き出しの部分)を予め形成しておき、該活物質層非形成部に積層体20を直接接触するように配置する。正負極板、セパレータのいずれも途中で切断することはない。
次に、本実施形態のキャパシタ30において、積層体20A、20Bの金属リチウムW5の負極活物質(非晶質炭素)への吸蔵方法について説明する。
次に、本実施形態の積層体20ならびにキャパシタ30の作用等について説明する。
2 正極板
3 負極板
4 セパレータ
5 正極集電リング(正極集電部材)
6 負極集電リング(負極集電部材)
7 電極群
8 容器
20 積層体
20a タブ
W1 アルミニウム箔(第1の金属箔)
W2 正極活物質合剤
W3 銅箔(第2の金属箔、第3の金属箔)
W4 負極活物質合剤
W5 金属リチウム
Claims (11)
- 長手方向に沿う一側にタブが形成された第1の金属箔に活物質合剤が塗着された正極板と長手方向に沿う一側にタブが形成された第2の金属箔に活物質合剤が塗着された負極板とをセパレータを介して捲回した電極群と、前記電極群の一側端面に対向配置され前記正極板のタブの先端部が接合された正極集電部材と、前記電極群の他側端面に対向配置され前記負極板のタブの先端部が接合された負極集電部材と、非水電解液と、前記各部材を収容する容器と、を備えたリチウムイオンキャパシタの製造方法において、
(A)前記第1および第2の金属箔に形成されたタブの導出方向が互いに反対側となるように前記セパレータを介して前記正負極板を捲回するとともに、薄板状の金属リチウムを多数の貫通孔が形成された孔明き形成部とリード片に隣接する箇所に形成された貫通孔未形成部とを有する2枚の第3の金属箔の前記孔明き形成部間で保持した積層体を、前記第3の金属箔が前記セパレータを介して前記正極板と絶縁するように捲回して電極群を形成し、前記孔明き形成部の面積は前記金属リチウムの面積より大きく設定されており、
(B)前記第2の金属箔に形成されたタブの先端部を前記負極集電部材に、前記第1の金属箔に形成されたタブの先端部を前記正極集電部材にそれぞれ接合し、
(C)前記電極群および正負極集電部材を前記容器に収容して前記非水電解液を注液した後密封し、
(D)前記金属リチウムが溶解して前記負極板の活物質合剤を構成する負極活物質に吸蔵されるように所定期間放置する、
ステップを含み、前記電極群を形成するステップおよび前記接合するステップのいずれかにおいて、前記第3の金属箔と前記第2の金属箔とを導電接続することを特徴とする製造方法。 - 前記接合するステップにおいて、前記第3の金属箔を前記第2の金属箔の活物質合剤の未塗着部に直接導電接続することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記第3の金属箔にはタブが形成されており、前記電極群を形成するステップにおいて、前記第3の金属箔に形成されたタブの導出方向が前記負極板と同方向となり、かつ、前記セパレータを介して前記正極板と絶縁するように捲回して電極群を形成し、前記接合するステップにおいて、前記第2および第3の金属箔に形成されたタブの先端部を前記負極集電部材に接合することにより、前記第3の金属箔と前記第2の金属箔とを導電接続することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記電極群を形成するステップにおいて、前記積層体の捲回を、前記負極板の捲回開始前、捲回途中、捲回終了後のうち少なくとも1つの工程で行なうことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記電極群を形成するステップにおいて、前記積層体を1周以下で捲回することを特徴とする請求項4に記載の製造方法。
- 前記電極群を形成するステップにおいて、前記積層体を、前記負極板が挟まれた前記セパレータの2面間で前記負極板の捲回延長線上に配置されるように捲回することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の製造方法。
- 前記電極群を形成するステップにおいて、前記セパレータを、捲回開始から捲回終了まで切断されることなく連続して軸芯を中心として捲回することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記電極群を形成するステップにおいて、前記セパレータを、前記電極群の最外周を構成するように捲回することを特徴とする請求項7に記載の製造方法。
- 前記負極板の長手方向の長さが前記正極板の長手方向の長さより大きいことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記電極群は円筒状の軸芯を中心として前記正負極板が前記セパレータを介して捲回されたものであり、前記軸芯には周面に貫通穴が形成されており、前記容器は有底缶であり、
前記非水電解液を注液した後密封するステップにおいて、
前記電極群および正負極集電部材を前記容器に収容し、
前記軸芯の周面に形成された貫通穴を介して、樹脂製材を、前記負極集電部材を覆うように前記容器の内底面まで注入して固化し、
その後、前記非水電解液を注液した後密封する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記積層体の外周に2枚の前記セパレータをそれぞれ2周以上捲回することで前記電極群の最外周部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の製造方法。
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