JP5791613B2 - 梨地コーティングを有する電流コレクタ - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、２００９年９月２４日に出願された、名称を「梨地コーティングを有する電流コレクタ（CURRENT COLLECTORS HAVING TEXTURED COATING）」とする、米国特許出願第１２/５６６１４７号の優先権を主張する。

本発明は全般的には電流コレクタに関し、さらに詳しくは、電流コレクタの表面構造に関する。

電流コレクタは、電池及び燃料電池のような電気化学電池、及び電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）及びハイブリッドコンデンサのようなコンデンサを含む、様々なデバイスに用いられる。効率的態様で作成することができ、そのようなデバイスの性能を向上させる、電流コレクタを提供することは有益であろう。

本発明の課題は、効率的態様で作成することができ、電気化学電池及びコンデンサを含む様々なデバイスの性能を向上させる、電流コレクタを提供することにある。

電流コレクタは導電層を備え、導電層は対電極表面及び対電極表面の裏側の第２の表面を有し、それぞれの表面は面積を有し、梨地コーティングが対電極表面の面積の大半に重ねて形成されて対電極表面の面積の少なくとも大半に接しており、梨地コーティングはピーク及びバレーを有する。

電流コレクタを形成する方法は、
対電極表面及び対電極表面の裏側の第２の表面を有する導電層を提供する工程であって、それぞれの表面は面積を有するものである工程、及び
対電極表面の面積の少なくとも大半に重なり、対電極表面の面積の少なくとも大半に接触している、梨地コーティングを形成する工程であって、梨地コーティングはピーク及びバレーを有するものである工程、
を含む。

電気二重層コンデンサは、
第１の電極と電気的に接触している第１の電流コレクタ、
第２の電極と電気的に接触している第２の電流コレクタ、
第１の電極と第２の電極の間に配置されて第１の電極及び第２の電極のそれぞれと物理的に接しているセパレータ、及び
第１の電極、第２の電極及びセパレータの全体にわたって取り込まれた電解質、
を備え、
第１の電流コレクタ及び第２の電流コレクタの内の少なくとも一方は、
対電極表面及び対電極表面の裏側の第２の表面を有する導電層であって、それぞれの表面は面積を有するものである導電層、及び
対電極表面の面積の少なくとも大半に重ねて形成されて対電極表面の面積の少なくとも大半に接している梨地コーティングであって、ピーク及びバレーを有する梨地コーティング、
を有する。

ＥＤＬＣアセンブリを形成する方法は、
対電極表面及び対電極表面の裏側の第２の表面を有する第１の導電層を提供する工程であって、それぞれの表面は面積を有するものである工程、
第１の導電層の対電極表面の少なくとも大半に重なり、対電極表面の面積の少なくとも大半と物理的に接触している、第１の梨地コーティングを形成する工程であって、第１の梨地コーティングはピーク及びバレーを有するものである工程、
第１の電流コレクタ-電極アセンブリを形成するために、第１の梨地コーティングに重なり、第１の梨地コーティングと実質的に連続して物理的に接触している、第１の電極を形成する工程、
第１の電極に重なり、第１の電極と物理的に接触している、セパレータ層を形成する工程、
対電極表面及び対電極表面の裏側の第２の表面を有する第２の導電層を提供する工程であって、それぞれの表面は面積を有するものである工程、
第２の導電層の対電極表面の少なくとも大半に重なり、対電極表面の面積の少なくとも大半と接触している、第２の梨地コーティングを形成する工程であって、第２の梨地コーティングはピーク及びバレーを有するものである工程、
第２の電流コレクタ-電極アセンブリを形成するために、第２の梨地コーティングに重なる、第２の梨地コーティングと実質的に連続して物理的に接触している、第２の電極を形成する工程、及び
ＥＤＬＣアセンブリを形成するために、第２の電極を、セパレータ層に重ね、セパレータ層と物理的に接触させて、配置する工程、
を含む。

本開示は、以下の様々な実施形態の詳細な説明を添付図面と合わせて考察することで、さらに完全に理解することができる。

図１Ａは様々な実施形態にしたがう電流コレクタの一例の略図である。 図１Ｂは様々な実施形態にしたがう電流コレクタの別の例の略図である。 図１Ｃは様々な実施形態にしたがう電流コレクタの別の例の略図である。 図２は本開示の実施形態にしたがう梨地コーティングの一部の略図である。 図３Ａは本開示の実施形態にしたがう電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の略図である。 図３Ｂは本開示の実施形態にしたがう電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の略図である。 図４は厚さ方向面積比抵抗を測定するための実験装置構成の略図である。 図５は梨地コーティングの光学顕微鏡写真である。

本開示は、電流コレクタ、電流コレクタを作成する方法及びそのような電流コレクタを備えるデバイスに関する。電流コレクタは、電池及び燃料電池のような電気化学電池、及び電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）及びハイブリッドコンデンサのようなコンデンサを含む、数多くのデバイスに用いられる。電流コレクタは一般に、電極によって蓄積されるかまたは転送される電流を収集及び／または分配するために機能する。

少なくとも１つの電流コレクタを備えるデバイスは、電流コレクタと電極の間の界面抵抗を下げることによって性能を向上させることができる。電流コレクタ／電極界面の界面抵抗の降下はデバイスの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を下げ、したがって、電力密度を高めることができる。実用的には、これによって大電力デバイスの作成が可能になる。

本明細書に開示される様々な実施形態にしたがう電流コレクタは改善された界面抵抗を提供することができ、同時に、電極と電流コレクタの間の良好な密着性を提供することができる。界面導電度と密着性の同時の向上は少なくとも１つの梨地コーティングを有する電流コレクタの使用によって達成される。

電流コレクタの例が図１Ａ〜１Ｃに簡略に示される。図１Ａは電流コレクタ１００を示す。電流コレクタ１００は、対電極表面１１３及び、第２の、対電極表面１１３の裏側の表面１１４を有する、導電層１１２を有する。梨地コーティング１１６が対電極表面１１３の面積の少なくとも大半を覆うことができる。実施形態において、梨地コーティング１１６は対電極表面１１３の実質的に全てを覆うことができる。

実施形態において、図１Ｂに示されるように、導電層１１２及び梨地コーティング１１６は、梨地コーティング１１６が電極１１２に直接に接触するように、構成される。実施形態において、電極１２２は梨地コーティング１１６に重ねて形成され、実質的に連続して物理的に梨地コーティング１１６と接触している。

図１Ｃは別の実施形態にしたがう電流コレクタ１５０の例を示す。電流コレクタ１５０は、対電極表面１５３及び対電極表面１５３の裏側の第２の表面１５４を有する、導電層１５２を有する。図１Ｃの実施形態においては、第１の梨地コーティング１５６ａが対電極表面１５３に重ねて形成され、第２の梨地コーティング１５６ｂが裏側表面１５４に重ねて形成される。第１の梨地コーティング１５６ａは対電極表面１５３の少なくとも大半の上に存在することができ、第２の梨地コーティング１５６ｂは裏側表面１５４ｂの少なくとも大半の上に存在することができる。電極１２２が第１の梨地コーティング１５６ａに重ねて形成され、実質的に連続して物理的に第１の梨地コーティング１５６ｂと接触している。

導電層１１２，１５２は一般にいずれかの導電材料で作成することができる。実施形態において、導電層１１２，１５２は、導電金属ホイルのような、導電金属材料で作成することができる。金属材料の特定の例には、例えば、白金、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼があり、これらの合金及び組合せもある。

デバイスが１つより多くの電流コレクタを有する実施形態において、それぞれの導電層は同じ材料で、あるいは異なる材料から、作成することができる。実施形態において、導電層の平均厚は約５μｍから１００μｍ（例えば、約２５μｍのように、約１５μｍから３５μｍ）とすることができる。

導電層の少なくとも１つの表面に重ねて、少なくとも１つのピーク及び少なくとも１つのバレーを有する梨地コーティングが形成される。実施形態において、梨地コーティングは複数のピーク及びバレーを有する。ピークは梨地コーティングの平均厚より大きな厚さを有するコーティング部分と表すことができ、バレーは梨地コーティングの平均厚より小さい厚さを有するコーティング部分と表すことができる。すなわち、ピークは一般に梨地コーティングの厚い部分に対応するであろうし、バレーは梨地コーティングの薄い部分に対応するであろう。

ピーク及びバレーのいずれも有するように梨地コーティングを構成することにより、梨地コーティングは、無地の厚いコーティング及び薄いコーティング（すなわち、平滑コーティング）の利点と欠点の間のバランスを提供することができる。例えば、電極と電流コレクタの間の無地コーティングが薄すぎると、デバイス内で電流コレクタは電解質に直接に（例えばコーティングのピンホールを介して）さらされ得る。これは電流コレクタの腐蝕を生じさせ、この結果望ましくない電気化学反応がおこり得るであろう。他方で、電極と電流コレクタの間の無地コーティングが厚すぎると、総合デバイスＥＳＲが高くなり、この結果望ましくないデバイスパッキング効率の低下がおこる。梨地コーティングは、本質的に、薄い無地コーティングと厚い無地コーティングの特徴を単一のコーティングに複合することによって、これらの両極端の間のバランスを提供することができる。

梨地コーティングのバレーは、電極内の活性炭粒子のような粒子が、導電層上に直接に当たり、電極と電流コレクタの間の電気接続を形成することを可能にし得るから、有用であり得る。ピーク及びバレーはともに、電極表面と導電層表面の間の密着を強め、よってデバイスの機械的安定性を高め、耐熱頑健性に寄与する、電極と導電層の間の表面積（例えば接触面積）を増大させるために協働することができるから、有用であり得る。

実施形態において、梨地コーティングは、それぞれが平均高（すなわち局所厚）を有する、ピーク及びバレーを有する。梨地コーティングは、それぞれのピーク及びバレーの高さに加えて、総合平均厚も同様に有し得ることに注意すべきである。実施形態において、梨地コーティングは少なくとも約１μｍ（例えば２〜５μｍ）の平均厚を有することができる。そのような平均厚範囲は、ＥＳＲ増大とパッキング効率の間の良好な折衷を提供することができる。

それぞれのピーク高は梨地コーティングの平均厚より大きいであろうし、それぞれのバレー高は梨地被覆の平均厚より小さいであろう。梨地コーティング内の高さは、直接に測定するかまたは経験的に決定することができる。図２は導電層２１２上の一例の梨地コーティング２１５を示す。２つのピーク２０５ａ及び２０５ｂと２つのバレー２１０ａ及び２１０ｂが示されている。ピーク２０５ａは高さｈ１及び長さｘを有する。バレー２１０ｂは高さｈ２及び長さｙを有する。梨地コーティングの平均厚はｈ_平均である。図から分かるように、ピーク２０５ａ及び２０５ｂは平均高（ｈ_平均）より大きい高さ（ｈ１）を有し、バレー２１０ａ及び２１０ｂは平均高（ｈ_平均）より小さい高さ（ｈ２）を有する。

実施形態において、ピークは約２μｍから２０μｍ（例えば５μｍから１０μｍ）の平均高を有することができる。実施形態において、バレーは約０.３μｍから３μｍ（例えば、約０.３μｍから２μｍ、約１μｍから３μｍ、または約２μｍから３μｍ）の平均高を有することができる。

実施形態において、平均ピーク高は梨地コーティングの平均厚の少なくとも１５０％である（例えば平均厚より少なくとも１.５倍ないし２倍大きい）。別の実施形態において、平均バレー高は梨地コーティングの平均厚の７５％より小さい（例えば平均厚の１/２より小さい）。実施形態において、平均ピーク高は平均バレー高の少なくとも約２倍（例えば、少なくとも３倍、５倍、１０倍または４０倍）である。

梨地コーティングはピーク及び／またはバレーを有するコーティング面積の相対分率を定量化することで特徴を表すことができる。一例の梨地被覆は１００％のピーク及びバレーを有する。実施形態において、梨地被覆は約３０％から７０％のピークで覆われた面積を有し、約７０％から３０％のバレーで覆われた面積を有する。実施形態において、梨地コーティングは約６０％のバレー及び約４０％のピークを有する。

図２を再び参照すれば、梨地コーティング２１５のピーク面積及びバレー面積の分率は１つの次元に沿うピーク及びバレーの長さから推定することができる。詳しくは、ピークの分率は全てのピークの長さ（ｘ）の総合計をピークの総合長とバレーの総合長の和で割ることで決定することができる。同様に、バレーの分率は全てのバレーの長さ（ｙ）の総合計をピークの総合長とバレーの総合長の和で割ることで決定することができる。これらの計算において、非ピーク及び非バレーの寄与は無視される。

梨地コーティングはピーク及び／またはバレーのパターンを有することができ、あるいは梨地コーティングにわたって無秩序または不規則に分布したピーク及び／またはバレーを有することができる。パターンの例には、リブ状パターン、菱形パターン、綾目パターン、ドット入りパターン、窪み入りパターン、ジグザグパターン、螺旋パターン、円パターン、正方パターン、三角パターン、六角パターン、矩形パターンまたはこれらの組合せがある。一般に、パターン付コーティングは当業者には知られているように作成することができる。無秩序または不規則なパターンは、例えば、形成されて間もないコーティングの表面に沿って空気を吹き付けることで、作成することができる。

本開示の梨地コーティングは、梨地コーティングの表面に形成された規則的または不規則な分布のピーク及びバレーによって無地コーティングから容易に弁別することができる。同様に、梨地コーティングは、例えばコーティング材料内の粒子の存在による、表面粗さを有するだけのコーティングから弁別することができる。本開示において、梨地コーティングは、表面粗さとして現れる第２の相の粒子をコーティング材料内に含めることでコーティング材料を内部から操作することによるのではなく、コーティングを形成する材料をコーティング表面にピーク及びバレーを与えるために外部から操作することにより、形成される。

梨地コーティングは導電性または電気絶縁性の材料から形成することができる。実施形態において、導電性材料は、用いられる場合は、２５μｍの乾燥厚において約５０Ω/□未満の抵抗を有する。

実施形態において、導電度向上剤を梨地コーティングに添加することができる。導電度向上剤は、そのままでは電気絶縁性の材料を導電性にすることができる。導電度向上剤の例には、カーボンブラック、天然または人工の黒鉛、黒鉛状炭素、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイア、金属繊維、金属ナノワイア及びこれらの組合せを含めることができる。

梨地コーティングは高分子成分及び導電度向上剤を含むことができる。高分子成分の例は、カルボキシルメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニールアルコールゴム化ポリマー及びポリビニルピロリドンのような、高分子結合剤である。高分子成分及び導電度向上剤は個別の成分を混合するか、または市販混合物として入手することができる。高分子成分及び導電度向上剤を含む市販組成物の例には、Acheson Industries, Inc.（米国ミシガン州マジソンハイツ（Madison Heights））から販売されている、ＤＡＧ（登録商標）ＥＢ-０１２，ＤＡＧ ＥＢ-０２３またはＤＡＧ ＥＢ-８１５がある。

梨地コーティングは、グラビア塗布法、スロットダイ塗布法、スプレー塗布法、浸漬塗布法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法及びテープキャスティング法のような、既知の方法を用いて形成することができる。梨地コーティングは、適する導電層上に直接に形成することができ、あるいは別の基板上に形成して適する導電層上に移載することができる。

有利なことに、梨地コーティングをその上に形成する前に導電層の前処理（例えばクリーニング及び／またはエッチング）が必要とされることが多い、従来利用されていたコーティングとは対照的に、導電層を前処理する必要がない。梨地コーティングを有する電流コレクタの開示される形成方法には、いかなる前処理工程も必要とされない。

コーティング材料が導電層に与えられると、コーティング材料を硬化させることができる。硬化条件は、少なくともある程度は、コーティング材料の組成に依存する。いくつかの実施形態において、硬化は室温でコーティングを乾燥させることによって達成することができる。別の実施形態において、硬化は高温で加熱することによって達成することができる。実施形態において、硬化はコーティングされた導電層をオーブン内で高温、例えば１００℃に加熱することによって実施することができる。

導電層及び梨地コーティングを有する電流コレクタは厚さ方向面積比抵抗で特徴を表すことができる。厚さ方向面積比抵抗測定は当業者には知られているように行うことができる。測定方法の一例が実施例１に説明される。電流コレクタを備えるデバイスの総合電力密度への電流コレクタの効果は測定された抵抗から決定することができる。

電流コレクタへの梨地コーティングの組込みにより電流コレクタと活性材料（電極）の間の界面抵抗を下げることができ、したがって電流コレクタを備えるデバイスの効率を向上させることができる。とりわけ、電流コレクタ／電極界面の界面抵抗の低下によってデバイスのＥＳＲが下がり、したがってデバイスの電力密度が高くなるであろう。したがって、梨地コーティングにより、エネルギー密度が高く、電力密度が高いデバイスの生産が可能になり得る。

梨地コーティングにより電流コレクタ及び得られるデバイスの高温安定性も向上し得る。高温における安定性は、作成中に電流コレクタに高温にかけ得ることを意味する。これにより、例えば、最終デバイスの集成前に高温で乾燥されるべき材料でデバイスを作成することが可能になる。高温乾燥は、デバイス性能に悪影響を及ぼし得る、吸収された水の存在を最小限に抑えることによって、デバイスの長期安定性を助長することができる。

梨地コーティングを有する電流コレクタの使用が有益であり得るデバイスの一例が電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）である。ＥＤＬＣはウルトラコンデンサとも称される。実施形態において、ＥＤＬＣは２つの電流コレクタを備えることができ、それぞれの電流コレクタはそれぞれの電極に付帯する。２つの電極は多孔質のセパレータによって隔てられ、電解質溶液が電極及びセパレータの全体にわたって取り込まれる。ＥＤＬＣに電位が印加されると、正電極への陰イオンの、及び負電極への陽イオンの、引付けによりイオン電流が流れる。イオン電流はそれぞれの有極電極と電解質溶液の間の界面に蓄えられる電荷を発生する。

ＥＤＬＣの特定の構造は目的用途に依存して変わり得るし、そのような構造には、例えば、ゼリーロール型または円柱形の構造、三角柱構造、蜂の巣型構造、ハイブリッドまたは擬似容量性構造、スーパーコンデンサ型またはウルトラコンデンサ型の構造、及び技術上既知の構造がある。

図３ＡはＥＤＬＣアセンブリの一例における要素の配置を示す。デバイスアセンブリ３００は第１の電極３２１及び３２２を備える。第１の電極３２１と第２の電極３２２の間にセパレータ３４０が配される。実施形態において、セパレータ３４０は第１の電極３２１及び第２の電極３２２のいずれとも物理的に接触する。セパレータ３４０は一般に、電解質と反応せず、得られるデバイスの内部抵抗を最小限に抑えるために比較的薄い、多孔質の電気絶縁性材料である。セパレータを形成するために用いることができる材料の例には、布、不織材料、あるいは、ガラスファイバ、ポリエチレン、ポリプロピレン及び／またはセルロースでつくられた多孔質体がある。実施形態において、セルロース紙を用いることができる。

第１の導電層３１１及び第２の導電層がそれぞれ第１の電極３２１及び第２の電極３２２に近接している。それぞれの導電層は表裏をなす一対の表面、対電極表面３１１ａ及び３１２ａと第２の表面３１１ｂ及び３１２ｂを有する。図３Ａに示されるように、第１の梨地コーティング３１が、第１の導電層３１１の対電極表面３１１ａに重ねて形成されて対電極表面３１１ａに接触しており、第２の梨地コーティング３１６が、第２の導電層３１２の対電極表面３１１ｂに重ねて形成されて対電極表面３１１ｂに接触している。実施形態において、第１の梨地コーティング３１５は第１の導電層３１１の対電極表面３１１ａの少なくとも大半を覆い、第２の梨地コーティング３１６は第２の導電層３１２の対電極表面３１２ａの少なくとも大半を覆う。それぞれの電極３２１，３２２は実施的に連続して物理的に対応する梨地コーティング３１５，３１６と接触している。セパレータ３４０が第１の電極３２１と第２の電極３２２の間に配されて、第１の電極３２１及び第２の電極３２２のそれぞれと接触している。以降でさらに説明されるように、電極３２１，３２２及びセパレータ３４０の全体にわたって電解質を取り込むことができる。

図３ＢはＥＤＬＣアセンブリの別の例における要素の配置を示す。図３Ｂにおいて、デバイスアセンブリ３５０は図３Ａに関して上で論じたコンポーネントを備える。第１の導電層３１１及び第２の導電層３１２の対電極表面に重ねて梨地コーティング３１５ａ及び３１６ａが形成される。さらに、それぞれの導電層の第２の表面３１１ｂ、３１２ｂに重ねて梨地コーティング３１５ｂ及ぶ３１６ｂが形成される。実施形態において、梨地コーティング３１５ａ，３１５ｂ、３１６ａ及び３１６ｂのそれぞれは対応する導電層表面の大半を覆う。

第１の電極３２１及び第２の電極３２２は一般に多孔質電極であり、同じかまたは異なる材料で形成することができる。例えば、第１の電極３２１及び第２の電極３２２のいずれかが、またはいずれも、炭素を含有することができる。実施形態において、第１の電極３２１及び第２の電極３２２のいずれもが活性炭を含有する。（重量で）大半が活性炭である電極は、本明細書において、活性炭電極と称される。実施形態において、第１及び第２の電極の一方を、またはいずれをも、活性炭電極とすることができる。

活性炭電極のような電極を形成するために用いることができる活性炭の一形態は、比較的大きな表面積を有することができる。比較的大きな表面を有する活性炭によりエネルギー密度が比較的高いデバイスが可能になり得る。実施形態において、活性炭素は少なくとも約１００ｍ^２/ｇ（例えば少なくとも約１０００ｍ^２/ｇまたは少なくとも約１５００ｍ^２/ｇ）の表面積を有することができる。

活性炭の特定の例には、ヤシ殻活性炭、石油コークス活性炭、ピッチベース活性炭、ポリ塩化ビニリデンベース活性炭、ポリアセンベース活性炭、フェノール樹脂ベース活性炭、ポリアクリロニトリルベース活性炭、石炭または木炭のような天然資源からの活性炭、及びその他の天然無機源からの活性炭がある。実施形態において、電極は大半を活性炭とする（例えば重量で約５０，６０，７０，８０または９０％の活性炭を含有する）ことができる。電極は重量で約８０％から約９５％の活性炭を含有することができる。

必要に応じて、電極は１つ以上の結合剤を含有することができる。結合剤は、例えば、結合剤がなければ緩くしか集塊しない微粒材料の凝集を助長することによって、機械的安定性を与えることができる。結合剤の例には、ポリマー、コポリマーまたは活性炭及びその他の必要に応じる成分を結合させることができるその他の高分子量物質がある。結合剤の特定の例には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデンまたはその他のフルオロポリマー、ポリプロピレンまたはポリエチレンのような熱可塑性樹脂、スチレン-ブタジエンゴムのようなゴムベース結合剤、及びこれらの組合せがある。実施形態において、ＰＴＦＥまたは微繊維化ＰＴＦＥを結合剤として用いることができる。

結合剤含有量は当業者が決定することができるが、例えば、重量で約５〜１０％（例えば重量で約１０％または１５％）を含むことができる。実施形態において、電極は重量で約２０％まで（例えば重量で約１０％、１５％または２０％まで）の結合剤を含有することができる。

電極は必要に応じて１つ以上の導電度向上剤を含有することができる。導電度向上剤の例には、カーボンブラック、天然または人工の黒鉛、黒鉛状炭素、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイア、金属繊維、金属ナノワイア及びこれらの組合せのような、導電材料を含めることができる。

実施形態において、カーボンブラックを導電度向上剤として用いることができる。実施形態において、電極は重量で約１０％まで（例えば約１〜１０％まで）の１つ以上の導電度向上剤を含有することができる。電極の一例は重量で約５％の導電度向上剤を含有することができる。

実施形態において、１つ以上の電極は、活性炭、導電度向上剤及び結合剤を含有することができる。例えば、電極は、重量で約８０％から約９５％の活性炭、重量で約１％から１０％の導電度向上剤及び重量で約５％から１５％の結合剤を含有することができる。そのような電極の１つは、重量で約８５％の活性炭、重量で約５％の導電度向上剤及び重量で約１０％の結合剤を含有することができる。電極の一例は、重量で約８５％の活性炭、重量で約５％のカーボンブラック及び重量で約１０％の微繊維化ＰＴＦＥを含有することができる。実施形態において、第１の電極及び第２の電極はいずれもこれらの（または他の）相対成分量を含有することができる。

電極は既知の方法及び技術を用いて形成することができる。電極を形成する方法の一例は電極の成分（例えば、活性炭、導電度向上剤及び結合剤）を含有する組成物を利用する。組成物はスラリーまたはペーストを形成するために溶剤と混合され、スラリーまたはペーストは次いで（例えば圧力をかけて）所望の構造体に成形することができる。所望の構造体に成形した後は、適する温度で構造体を乾燥させて残留溶剤及び／または水を除去することができる。乾燥温度は、少なくともある程度は、溶剤及び電極を構成している材料の素性に依存し得る。実施形態において、低くとも約１００℃（例えば低くとも約１５０℃）の温度で、約８〜１６時間の範囲の時間をかけて乾燥させることができる。

実施形態において、電極は所望の成分（活性炭、導電度向上剤及び結合剤）を含有しているペーストから形成することができる。次いでペーストのシートを形成するために圧延またはロール掛けによる剪断圧力及び圧密力を用いることができる。シートの例は、例えば約５ミル（０.００５インチ）（１２７μｍ）厚とすることができる。そのように形成された電極は次いでデバイスの他のコンポーネントと組み合わせることができる。活性炭を含有する電極を作成する方法の一例は、共通に譲渡された、米国特許出願第２００９/０１０９５９９号の明細書に見ることができる。この明細書の開示は本明細書に参照として含まれる。

導電層上に梨地コーティングを形成する方法及び梨地コーティングの表面上に電極を組み込む方法は積層法を含む。電極材料を、例えば、先に導電層に積層されている梨地コーティングの表面に積送することができる。積層は当業者には知られているように達成することができる。条件の例には、圧延機の使用による約１５０〜５００ｐｌｉ（ポンド/直線１インチ）（２.６８〜８.９３ｋｇ/ｍｍ）の圧力における約２００℃での積層形成を含めることができる。印加圧力は、（電極からの）炭素を梨地コーティング及び／または導電層内に入れるかまたは突き込むことによって梨地コーティングのいくつかの利点を強めることができる。電極、梨地コーティング及び導電層を備える構造体は本明細書において電極／電流コレクタアセンブリと称される。

ＥＤＬＣアセンブリはセパレータを２つまたはさらに多くの電極／電流コレクタアセンブリと組み込むことによって形成することができる。したがって、ＥＤＬＣアセンブリの一例は、導電層／梨地コーティング／電極／セパレータ／電極／梨地コーティング／導電層を備える。形成されると、ＥＤＬＣアセンブリはいかなる吸収水も除去するために加熱することができる。ＥＤＬＣアセンブリを加熱する工程は、低くとも約１００℃（例えば低くとも）約１２０℃の温度で実施することができる。

上述したように、動作可能なデバイスは電解質を有する。電解質は、第１の電極３２１，第２の電極３２２及びセパレータ３４０の全体にわたって取り込まれる液体とすることができる。液体電解質は、電極及びセパレータを電解質に浸漬することにより、これらの構造に取り込まれ得る。

一般に用いられる電解質材料のいずれも用いることができる。電解質は一般に良好なイオン伝導体である。電解質の例には、適する溶媒に溶解された１つ以上の塩がある。塩の例には、例えば、四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＢＦ_４）、四フッ化ホウ酸トリエチルアンモニウム（ＴＥＭＡＢＦ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、リチウムトリフラート（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、リチウム-ビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド（ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２）、リチウム-ビス（ペルフルオロエチレンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_２ＣＦ_３）_２）及びこれらの組合せがある。

電解質溶媒は、塩を溶解することができ、電極、セパレータまたはその他のパッケージ材料に悪影響を与えない、溶媒である。実施形態において、用いることができる溶媒には非水性有機溶媒すなわち非プロトン性溶媒のような有機溶媒がある。溶媒の例には、水、アセトニトリル、１,３−ジオキソラン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、ジメトキシエタン、炭酸プロピルメチル及びこれらの組合せがある。実施形態において、アセトニトリル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル及びこれらの組合せが用いられる。

電解質はいずれか有用な塩濃度を有することができる。実施形態において、電解質内の塩の濃度は少なくとも約０.５Ｍ（例えば、約０.５Ｍから２.０Ｍのような、少なくとも約１.０Ｍ）である。

電解質は、ＥＤＬＣアセンブリに加えられて、機能するＥＤＬＣデバイスを形成することができる。電解質は既知の手法を用いてＥＤＬＣアセンブリに充填することができる。方法例には、例えば、真空充填または重力充填がある。ＥＤＬＣデバイスは、電解質が充填されると、電解質をデバイス内に維持するために封止することができる。デバイスの封止は当業者には既知の方法を用いて達成することができる。

大電力用途のため、出力電圧を高めるため、多数の個別ＥＤＬＣを直列に接続することができる。これを達成するため、個々のＥＤＬＣデバイスを多セルの、スタック、パック、バッテリーまたは直列セルに形成することができる。ＥＤＬＣパックは複数のＥＤＬＣデバイスまたはＥＤＬＣ構造体を備えるデバイスを指す。

ＥＤＬＣのアレイの特定の寸法及び形状は目的用途に依存して変わり得る。当業者には様々な構成例が知られており、そのような構成のいずれも本明細書に開示されるＥＤＬＣデバイスとともに用いることができる。実施形態において、パックは、２，３，４，５，１０，２０ないしさらに多くの個別デバイスを有する二次元ＥＤＬＣアレイ、あるいは単列または複数の列に配置された複数のＥＤＬＣとすることができる。実施形態において、ＥＤＬＣパックは、形状寸法が同じかまたは異なる多数の二次元アレイを有するＥＤＬＣ群の三次元アレイとすることができる。実施形態において、用いられる特定の構成は
ＥＤＬＣパックの単位体積当たりのエネルギーを最大化するように選ぶことができる。多セルパックに対する構成の一例を、米国特許出願公開第２００９/０１０９６００号の明細書に見ることができる。この明細書の開示は本明細書に参照として含まれる。

本明細書に開示されるようなＥＤＬＣデバイス及びセルは、パルス電力が必要とされる用途を含む、数多くの様々な用途に用いることができる。用途の例は、携帯電話のような小型装置からハイブリッド車のような大型装置にわたる。

本明細書に開示される梨地コーティングは、イオンリン酸リチウム及び酸化リチウムチタン電極材料を備える大電力バッテリーにも有益に実装することができる。電流コレクタには、特にリチウムイオンバッテリーにおいて、アルミニウム及び銅のような金属を含めることができる。

実施例１−梨地コーティングを有するアルミニウム導電層の厚さ方向面積比抵抗の測定
洗浄または前処理をしていない１ミル（２５.４μｍ）厚アルミニウムホイル（1145H19）を、角度３０°、７０ｐｌｉ（ラインまたはセル列/直線１インチ）（２７.６/ｃｍ）、及び３０ｂｃｍ（１０億立方μｍ）（３００億立方μｍ）で、ロールツウロールグラビア印刷ユニット内に給送した。ＤＡＧ ＥＢ-０１２（Acheson Industries, 米国ミシガン州マジソンハイツ）をアルミニウムホイルの一方の表面上に塗布した。約２秒間ＩＲ加熱ランプを用いて塗布済ホイル表面を乾燥し、次いでホイルを印刷ユニットに巻き込んだ。同じ態様でホイルの未塗布表面に塗布を行い乾燥した。このようにして両面上にリボンパターンを有する梨地コーティングをもつ電流コレクタを形成した。次いで、以降の処理の前に、コーティング付電流コレクタを１００℃のオーブン内に少なくとも１０分間入れた。梨地コーティングは、試料の目視評価及び試料の写真に基づくと、ほぼ６０％のバレー及び４０％のピークを有していた。コーティングの断面の走査型電子顕微鏡写真から決定すると、バレーの大体の厚さは０.３〜３μｍの間、ピークの大体の厚さは５〜１０μｍの間であった。

活性炭電極を以下のように作成した。ＹＰ５０Ｆ活性炭（クラレケミカル（株），日本国大阪）及びＢＬＡＣＫ ＰＥＡＲＬＳ（登録商標）カーボンブラック（Cabot Corporation, 米国マサチューセッツ州ボストン（Boston））を（重量で）８５：５で含む混合物を作成した。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を加えて活性炭：カーボンブラック：ＰＴＦＥが（重量で）８５：５：１０の最終組成を有する組成物を作成した。この混合物を混合物１に対して重量で２.６のイソプロピルアルコールに加えた。混合物を完全に混合し、オーブン内で半乾燥させた。半乾燥材料を次いで約１０ミル（２５４μｍ）厚のシートに予備成形し、連続圧延によって緻密化して５ミル（１２７μｍ）厚シートにした。

２つの（上述のように形成した）活性炭電極を上述のように形成した梨地コーティング付電流コレクタの両面に、最小で１５０ポンド/直線１インチ（ｐｌｉ）（２.６８ｋｇ/ｍｍ）において、２００℃で加熱積層した。次いでこの積層構造の厚さ方向面積比抵抗を以下に説明するように測定した。

１３/１６インチ（２０.６ｍｍ）径ディスクを積層構造から打ち抜いた。Ｉｎｓｔｒｏｎ４２０２卓上電気化学試験システム（Instron Corp., 米国マサチューセッツ州カントン（Canton））に試料をセットした。２つのセラミックシリンダー６０５ａと６０５ｂの間に配置した試料６１０に（矢印６２０で示されるように）制御された１００ポンド（４５.３ｋｇ）の荷重を印加した。それぞれのセラミックシリンダーは直径が約１インチ（２５.４ｍｍ）であり、試料６１０に接触する面は、銀ホイルコンタクト６１５ａ及び６１５ｂで覆った。ケイスレー２７００マルチメータ（Keithley Instruments, Inc., 米国オハイオ州クリーブランド（Cleveland））を用いて直流（ＤＣ）４線抵抗測定を行い、次いで面積比抵抗について抵抗値を計算した。結果を表１に示す。

試料の厚さ方向面積比抵抗測定後、次いで試料を約１５０℃のオーブン内に約１６時間おいた。試料を冷却し、次いで厚さ方向面積比抵抗を再び測定した。結果を表１に示す。

比較例１
Exopack, LLC（米国サウスカロライナ州スパータンバーグ（Spartanburg））で製造された市販の電流コレクタを、実施例１で説明したように作成した活性炭電極に、両面上に室温で積送した。１５０℃に１６時間さらす前とさらした後で厚さ方向面積比抵抗を測定した。対照試料についての結果を表１に示す。

実施例１及び比較例１のアルミニウムホイル電流コレクタは同じ厚さ及び組成を有し、活性炭電極は同じ態様で作成した。これらの制御された構造により、実施例１の梨地コーティングのExopack電流コレクタ（比較例１）の平滑コーティングとの比較が可能になる。

実施例２
梨地コーティング付アルミニウム電流コレクタを実施例１と、グラビア印刷コーターを１８１ｐｌｉ（７１.２/ｃｍ）及び１６ｂｃｍ（１６０億立方μｍ）に設定したことを除いて、同じように作成した。菱形パターンを有するコーティングを両面に形成した。梨地コーティング付電流コレクタの一方の表面の写真を図５に見ることができる。梨地コーティングは、試料の目視評価及び写真に基づけば、ほぼ４０％のバレー及び６０％のピークを有していた。断面の走査型電子顕微鏡写真から決定すると、バレーの大体の厚さは約０.５〜３μｍの範囲、ピークの大体の厚さは約８〜１３μｍの範囲であった。

１５０℃に１６時間さらす前とさらした後で、実施例１で説明したように厚さ方向面積比抵抗を測定した。結果は表１に見ることができる。厚さ方向面積比抵抗は、０.２５Ω-ｃｍ^２ないしさらに小さい目標値よりも小さかった。

比較例２，３及び４
厚さ方向面積比抵抗への最大バレー厚の影響を決定するため、３つのアルミニウム電流コレクタ（1145H19）に、導電コーティング（受け入れたままのＤＡＧ ＥＢ-０１２（Acheson Industries, 米国ミシガン州マジソンハイツ））を異なる厚さに浸漬塗布し、高温にさらす前とさらした後に厚さ方向面積比抵抗を測定した。

比較例２は１回でほぼ３μｍの総厚に塗布したアルミニウム電流コレクタである。比較例３は２回でほぼ４μｍの総厚に塗布したアルミニウム電流コレクタである。比較例４は３回でほぼ８μｍの総厚に塗布したアルミニウム電流コレクタである。塗布済電流コレクタを実施例１に説明したように活性炭電極と積層した。

１５０℃に１６時間さらす前とさらした後で、上に実施例１で説明したように厚さ方向面積比抵抗を測定した。比較例２〜４についての結果を表１に示す。

上述した実施形態は、またその他の実施形態も、添付される特許請求項の範囲内にある。開示された実施形態以外の実施形態で、本開示が実施され得ることが当業者には当然であろう。開示される実施形態は、限定ではなく、例証の目的のために提示されている。

１００ 電流コレクタ
１１２，２１２ 導電層
１１３ 対電極表面
１１４ 対電極表面の裏側の表面
１１６，２１５ 梨地コーティング
１２２ 電極
２０５ａ，２０５ｂ ピーク
２１０ａ，２１０ｂ バレー

Claims (5)

1. 電流コレクタにおいて、
   対電極表面及び前記対電極表面の裏側の第２の表面を有する導電層であって、前記表面のそれぞれは面積を有するものである導電層、及び
   前記対電極表面の前記面積の少なくとも大半に重ねて形成され、前記対電極表面の前記面積の前記少なくとも大半と接触している、梨地コーティングであって、ピーク及びバレーのパターンを有し、前記ピークの平均高が前記バレーの平均高の少なくとも２倍である梨地コーティング、
   を備えることを特徴とする電流コレクタ。
2. 前記ピークが約５μｍから１０μｍの平均高を有し、前記バレーが約０.３μｍから２μｍの平均高を有することを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
3. 電流コレクタを形成する方法において、
   対電極表面及び前記対電極表面の裏側の第２の表面を有する導電層を提供する工程であって、前記表面のそれぞれは面積を有するものである工程、及び
   前記対電極表面の少なくとも大半に重なり、前記対電極表面の前記少なくとも大半と接触している、梨地コーティングを形成する工程であって、前記梨地コーティングはピーク及びバレーのパターンを有するものであり、前記ピークの平均高が前記バレーの平均高の少なくとも２倍である工程、
   を含むことを特徴とする方法。
4. ＥＤＬＣアセンブリを形成する方法において、
   対電極表面及び前記対電極表面の裏側の第２の表面を有する第１の導電層を提供する工程であって、前記表面のそれぞれは面積を有するものである工程、
   前記第１の導電層の前記対電極表面の少なくとも大半に重なり、前記第１の導電層の前記対電極表面の前記少なくとも大半と物理的に接触している、第１の梨地コーティングを形成する工程であって、前記第１の梨地コーティングはピーク及びバレーのパターンを有するものであり、前記ピークの平均高が前記バレーの平均高の少なくとも２倍である工程、
   第１の電流コレクタ-電極アセンブリを形成するために、前記第１の梨地コーティングに重なり、前記第１の梨地コーティングに実質的に連続して物理的に接触している、第１の電極を形成する工程、
   前記第１の電極に重なり、前記第１の電極と物理的に接触している、セパレータ層を形成する工程、
   対電極表面及び前記対電極表面の裏側の第２の表面を有する第２の導電層を提供する工程であって、前記表面のそれぞれは面積を有するものである工程、
   前記第２の導電層の前記対電極表面の少なくとも大半に重なり、前記第２の導電層の前記対電極表面の前記少なくとも大半と接触している、第２の梨地コーティングを形成する工程であって、前記第２の梨地コーティングはピーク及びバレーのパターンを有するものであり、前記ピークの平均高が前記バレーの平均高の少なくとも２倍である工程、
   第２の電流コレクタ-電極アセンブリを形成するために、前記第２の梨地コーティングに重なり、前記第２の梨地コーティングに実質的に連続して物理的に接触している、第２の電極を形成する工程、及び
   前記ＥＤＬＣアセンブリを形成するために、前記第２の電極を、前記セパレータ層に重ね、前記セパレータと物理的に接触させて、配置する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
5. 電気二重層コンデンサにおいて、
   第１の電極と電気的に接触している第１の電流コレクタ、
   第２の電極と電気的に接触している第２の電流コレクタ、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置され、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれと物理的に接触している、セパレータ、及び
   前記第１の電極、前記第２の電極及び前記セパレータの全体にわたって取り込まれている電解質、
   を備え、
   前記第１の電流コレクタ及び前記第２の電流コレクタの少なくとも一方が、
   対電極表面及び前記対電極表面の裏側の第２の表面を有する導電層であって、前記表面のそれぞれは面積を有するものである導電層、及び
   前記対電極表面の前記面積の少なくとも大半に重ねて形成されて前記対電極表面の前記面積の前記少なくとも大半と接触している、梨地コーティングであって、ピーク及びバレーのパターンを有し、前記ピークの平均高が前記バレーの平均高の少なくとも２倍である梨地コーティング、
   を有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。

Images