JP5589602B2 - リチウムイオンキャパシタおよび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で貫通孔が形成されておらず正極リード片として機能する貫通孔未形成部2aと、貫通孔未形成部2a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2bとで構成されている。この孔明き形成部2bに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で貫通孔が形成されておらず負極リード片として機能する貫通孔未形成部3aと、貫通孔未形成部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3bとで構成されている。この孔明き形成部3bに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。上述した貫通孔未形成部2aと貫通孔未形成部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、3mm)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。また、電極群7および正極集電板5の周面全周には、電極群7と容器8との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。
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で円形状の負極集電板6が配置されている。負極集電板6の上面には、負極板3から導出された貫通孔未形成部3aの先端部が半導体レーザ溶接により接合されている。負極集電板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。負極集電板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は負極集電板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へのスラリ塗工幅が広がる。
乾燥機29を出てロール状(フープ状)に巻き取られた正極板は、正極板繰出供給部23に改めて装着され、その下流側には、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、リード片として機能する貫通孔未形成部2aを、電極群7の軸芯1のほぼ延長線上にある正極集電板5の下面に位置付け、接触させた後、貫通孔未形成部2aの先端部と周面とを半導体レーザ溶接により接合する。一方、負極集電板6とリード片として機能する貫通孔未形成部3aとの接続操作も、正極集電板5と貫通孔未形成部2aとの接合操作と同様に接合する。また、積層体20A、20Bの貫通孔未形成部20aの先端部も同様に負極集電板6に接合する。なお、貫通孔未形成部20aおよび貫通孔未形成部3aの負極集電板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。
2a 貫通孔未形成部(未塗着部)
2b 孔明き形成部(塗着部)
3 負極板
3a 貫通孔未形成部(未塗着部)
3b 孔明き形成部(塗着部)
4 セパレータ
5 正極集電板(正極集電部材)
6 負極集電板(負極集電部材)
7 電極群
8 容器
20 積層体
20a 貫通孔未形成部
20b 孔明き形成部
W1 アルミニウム箔(第1の金属箔)
W3 銅箔(金属箔、第2の金属箔、第3の金属箔)
W5 金属リチウム
Claims (14)
- 第1の金属箔に活物質合剤が塗着された塗着部と前記第1の金属箔の長手方向に沿う一側に形成され前記活物質合剤が未塗着の未塗着部とを有する正極板と、第2の金属箔に活物質合剤が塗着された塗着部と前記第2の金属箔の長手方向に沿う一側に形成され前記活物質合剤が未塗着の未塗着部と有する負極板とを、セパレータを介して捲回した電極群と、
前記正極板が接合された正極集電部材と、
前記負極板が接合された負極集電部材と、
非水電解液と、
上記各部材を収容する容器と、
を備え、
前記正極板および負極板の未塗着部はそれぞれ前記正極集電部材および負極集電部材に直接接合されており、
前記電極群は、前記正極板が長手方向で少なくとも2つに分割されているとともに、前記セパレータが捲回途中で切断されておらず、
多数の貫通孔が形成された孔明き形成部と前記孔明き形成部に隣接する箇所に前記貫通孔が形成されていない貫通孔未形成部とを有する第3の金属箔と、前記第3の金属箔の孔明き形成部に少なくとも片面が当接して保持された薄板状の金属リチウムとを有し、前記負極板の活物質合剤を構成する負極活物質にリチウムイオンを吸蔵させるためのリチウムイオンキャパシタ用積層体を、前記分割された正極板の間に該分割された正極板と絶縁した状態で予め捲回するとともに、前記貫通孔未形成部を前記負極集電体に直接接合しておき、前記積層体は、前記金属リチウムが前記負極活物質に吸蔵されることで前記第3の金属箔のみが残存配置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。 - 前記第3の金属箔の孔明き形成部に形成された貫通孔の各面積が8×10−7m2以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記貫通孔未形成部は、前記第3の金属箔の長手方向に沿う一側に形成されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記孔明き形成部の面積が前記金属リチウムの面積より大きい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項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記金属リチウムが、2枚の前記第3の金属箔の孔明き形成部に当接して挟持されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記第3の金属箔は、銅、ニッケル、銅合金およびニッケル合金からなる群のいずれかから選択されたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記正極集電部材および負極集電部材は円形状、三角形状または多角形状から選ばれるとともに、前記容器は円筒状であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記セパレータは、捲回開始端が前記軸芯に固定されているとともに、捲回終端が前記電極群の外周を構成していることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記電極群は、前記積層体が1周以下で捲回されたことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記積層体は前記負極板に対向するように配置されたことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記積層体は両面とも前記セパレータを介して前記負極板に対向するように配置された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。
- 前記第2の金属箔と前記第3の金属箔とが同一の材質で構成されたことを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法であって、前記積層体を前記分割された正極板の間に該分割された正極板と絶縁した状態で予め捲回するとともに、前記貫通孔未形成部を前記負極集電体に直接接合しておき、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ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記積層体の第3の金属箔は前記負極板の活物質合剤が塗着された負極集電体と導通していることを特徴とする請求項13に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
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