JP5394941B2 - リチウムイオンキャパシタ用電極群、その製造方法及びリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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(構成)
<全体構成>
図1に示すように、本実施の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2および負極板3が第1のセパレータ4Aまたは第2のセパレータ4Bを介して捲回されて配置された電極群7が収容されている。図9〜図11に示すように、ドーピング前の電極群7内には、n枚(本例では1枚:n=1)の金属リチウム板W5が配置されている。正極板2は、n+1枚(本例では2枚)の分割正極板2A,2Bから構成されている。なお、本例では、容器8の外径は40mm、内径は39mmである。
<正極板>
前述したように、正極板2は、捲回方向に並ぶ2枚の分割正極板2A,2Bから構成されている。分割正極板2A,2Bは、長さ寸法を除いて同じ構造を有している。図2(A),(B)及び図3に示すように、分割正極板2A,2B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が塗着されて構成されている(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。
<負極板>
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。
<リチウム積層体>
ここで、負極板3の負極活物質(本例では非晶質炭素)にリチウムイオンをドーピングさせるためのリチウム積層体20について説明する。なおリチウム積層体20は、本発明を実施する場合に、必ず使用することが必要なものではなく、任意に使用が選択できるものである。
<電極群>
図9〜図11に示すように、正極板2(分割正極板2A,2B)と負極板3とが、両極板が直接接触しないように、厚さ50μmの2枚の第1のセパレータ4Aまたは第2のセパレータ4Bを介して、軸芯1を中心として断面渦巻き状に捲回されて、電極群7が構成されている。そして、図9に示すように、電極群7の径方向の中央領域において、金属リチウム板W5の捲回層が位置するように金属リチウム板W5が負極板3上に配置されている。なお、金属リチウム板W5は粘性を持つため、負極板3に固定される。もちろん、金属リチウム板W5を負極板3に圧接して固定してもよい。
<キャパシタ構造>
図1に示すように、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の下部は有底筒状部となっており、その底部と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。
(製造方法)
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。
<活物質合剤の調製>
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。
<塗工>
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W1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。
<乾燥>
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W1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W1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)。
<リード片形成>
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W1の部分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W1の部分c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。
<プレス>
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W1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。
<分離>
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W1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W1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。
<巻取>
切断装置26の下流側には、幅方向で4枚分の正極板に分離されたフープ状の正極板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。
<捲回>
電極群7は、図9に示すように、負極板3と、第1のセパレータ4Aと、正極板2(分割正極板2A,2B)と、第2のセパレータ4Bとを順次重なるように軸芯1を中心として捲回して構成される。
<組立>
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、リチウム積層体20を使用する場合には、リチウム積層体20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。リチウム積層体20を用いずに金属リチウム板W5を負極板3の側面に直接添わせる場合には、特にタブ20aに相当するものを設ける必要はない。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。
(負極活物質へのリチウムのドーピング)
次に、本実施形態のキャパシタ30において、金属リチウム板W5の負極活物質(非晶質炭素)へのドーピング(吸蔵)方法について説明する。なお説明の都合上、前述のリチウム積層体20を用いる場合を例として説明する。
(作用等)
次にキャパシタ30の作用等について説明する。
2A,2B 分割正極板
3 負極板
4A,4B セパレータ
7 電極群
20 リチウム積層体
27 捲回装置
W1 アルミニウム箔(金属箔)
W3 銅箔(金属箔)
W5 金属リチウム
Claims (12)
- 負極板と、第1のセパレータと、正極板と、第2のセパレータとが、順次重なるように軸芯を中心として捲回してリチウムイオンキャパシタ用電極群を製造する方法において、
複数枚の分割正極板からなる前記正極板を用意し、
前記軸芯に前記第1及び第2のセパレータのそれぞれの一方の端部を固定して捲回を開始し、
その後、前記第1及び第2のセパレータの間に前記負極板を挿入して前記負極板の捲回を開始し、捲回の途中で前記第1のセパレータと前記負極板との間にドーピング用の1枚以上の金属リチウム板を挿入し、
前記金属リチウムの上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように前記複数枚の分割正極板を捲回方向に所定の間隔をあけて、前記第2及び第1のセパレータの間に順次挿入して捲回することによりドーピング前の電極群を形成することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ用電極群の製造方法。 - 負極板と、第1のセパレータと、正極板と、第2のセパレータとを、順次重なるように軸芯を中心として捲回してリチウムイオンキャパシタ用電極群を製造する方法において、
極板面上に1枚以上の所定の長さを有するドーピング用の金属リチウム板を備えた前記負極板を用意し、
複数枚の分割正極板からなる前記正極板を用意し、
前記軸芯に前記第1及び第2のセパレータのそれぞれの一方の端部を固定して捲回を開始し、
その後、前記第1のセパレータに前記金属リチウム板が接触するように、前記第1及び第2のセパレータの間に前記負極板を挿入して前記負極板の捲回を開始し、
前記金属リチウム板の上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように前記複数枚の分割正極板を捲回方向に所定の間隔をあけて、前記第2及び第1のセパレータの間に順次挿入して捲回することによりドーピング前の電極群を形成することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ用電極群の製造方法。 - 前記電極群の径方向の中央領域に前記金属リチウム板の捲回層が位置するように前記金属リチウム板が前記負極板上に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオンキャパシタ用電極群の製造方法。
- 前記金属リチウム板がイオン透過性を有する金属箔によって包まれていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオンキャパシタ用電極群の製造方法。
- 前記金属リチウム板は、1周以下の捲回層を形成する捲回方向長さを有していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記第1及び第2のセパレータを、前記電極群の最外周を構成するように捲回するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 負極板と、前記負極板の上に配置されて前記負極板よりも長さが短いn枚(nは1以上の整数)の金属リチウム板と、第1のセパレータと、複数枚の分割正極板からなる正極板と、第2のセパレータとが、順次重なるように軸芯を中心として捲回されて構成され、
前記金属リチウム板の上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように前記n+1枚の分割正極板が捲回方向に所定の間隔をあけて、前記第1及び第2のセパレータの間に挿入配置されていることを特徴とするドーピング前のリチウムイオンキャパシタ用電極群。 - 前記負極板の捲回方向両端部に、表面上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように更に金属リチウム板が配置されていることを特徴とする請求項7に記載のリチウムイオンキャパシタ用電極群。
- 前記金属リチウム板がイオン透過性を有する金属箔によって包まれていることを特徴とする請求項7に記載のリチウムイオンキャパシタ用電極群。
- 金属製有底円筒状の容器に、セパレータを介して正極板及び負極板が捲回された電極群が収容されたリチウムイオンキャパシタであって、
前記電極群は、負極板と、前記負極板の上に配置されて前記負極板よりも長さが短いn枚(nは1以上の整数)の金属リチウム板と、第1のセパレータと、複数枚の分割正極板からなる正極板と、第2のセパレータとが、順次重なるように軸芯を中心として捲回されて構成され、前記金属リチウム板の上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように前記n+1枚の分割正極板が捲回方向に所定の間隔をあけて、前記第1及び第2のセパレータの間に挿入配置され、
前記電極群の一方は、前記負極板に接続される負極集電リングを介して前記容器に接続され、
前記電極群の他方は、前記正極板に接続される正極集電リングを介して容器蓋に接続され、
ていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 前記負極板の捲回方向両端部に、表面上に前記第1及び第2のセパレータが直接重なるように更に金属リチウム板が配置されていることを特徴とする請求項10に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記金属リチウム板が、イオン透過性を有する金属箔によって包まれていることを特徴とする請求項10に記載のリチウムイオンキャパシタ。
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