JP5966924B2 - リチウムイオンキャパシタ用極板群ユニット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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Description
<全体構成>
図1(a)は正極を上にした状態の本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ1(以下、キャパシタ1と略称する。)の平面図であり、(b)は図1(a)のIB−IB線断面図である。なお図1(b)には、極板群5の断面形状は図示を省略してあり、また断面部分を示すハッチングも省略してある。キャパシタ1は、ニッケルメッキが施されたスチール製の有底円筒状の容器(缶)3を有している。容器3内には、極板群5と正極集電部材39及び負極集電部材45の組み合わせからなるリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニット2が収納されている。図1(b)及び図2に示すように、極板群5は、中空円筒状のポリプロピレン製軸芯7に帯状の正極板9および負極板11が第1のセパレータ13及び第2のセパレータ15を介して捲回されて構成されている。ドーピング前の極板群5内には、図2に示すように金属リチウムを含む金属リチウム支持部材17が配置されている。正極板9は、2枚の分割正極板9A,9Bから構成されている。第1及び第2のセパレータ13,15としては、クラフト紙等の多孔質基材を用いることができる。
正極板9を構成する分割正極板9A,9Bは、長さ寸法を除いて同じ構造を有している。図3(a)、(b)に示すように、分割正極板9A,9Bは、例えば、アルミニウム箔(正極集電体)19の両面に、正極活物質合剤21が塗着されて構成されている。なお本願明細書において、アルミニウム箔はアルミニウム合金箔を含むものである。正極活物質合剤21としては、例えば、活性炭と、アクリル系バインダからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロース(CMC)からなる分散剤との混合物を用いることができる。アルミニウム箔19は、多数の貫通孔が形成されて正極活物質合剤が塗布される塗工部23と、塗工部23の長手方向に沿って形成されて貫通孔が形成されていない未塗工部25を有している。塗工部23に該塗工部の幅方向の長さに満たない長さで正極活物質合剤21が塗着されている。すなわち、正極活物質合剤21の塗布層に沿ってアルミニウム箔の未塗工部25が露出した状態で残されている。
負極板11も図3(a)、(b)に示す分割正極板9A及び9Bと同様の構造を有している。すなわち、負極板11は、銅箔(負極集電体)27の両面に負極活物質合剤29が塗着された構造を有している。なお本願明細書において、銅箔は、純銅箔だけでなく銅合金箔も含むものである。負極活物質合剤29としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な非晶質炭素と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる結着剤と、アセチレンブラック等の導電助材との混合物を用いることができる。銅箔27は、多数の貫通孔が形成された塗工部31と、塗工部31の長手方向に沿って形成されて貫通孔が形成されていない未塗工部33を有している。塗工部31には、該塗工部31の幅方向の長さに満たない長さで負極活物質合剤29が塗着されている。すなわち、負極活物質合剤29の塗布層に沿って銅箔の未塗工部33が露出した状態で残されている。
金属リチウム支持部材17は、負極板11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(ドープ)させるためのものである。図4(a)、(b)に示すように、金属リチウム支持部材17は、薄板状の金属リチウム35と、2枚の銅箔(支持体)37,37とで構成されている。銅箔37,37は、負極板11を構成する銅箔27と同じものを所定寸法に切断して用いることができる。銅箔37,37には、多数の貫通孔が形成されており(図示せず)、金属リチウム35は、2枚の銅箔37の多数の貫通孔が形成された部分に接触するようにして2枚の銅箔37,37間に挟持されている。
図2に示すように、極板群5は、正極板9(分割正極板9A,9B)と負極板11とが、直接接触しないように、2枚のセパレータ13,15を介して、軸芯7を中心として断面渦巻き状に捲回されて構成されている。そして、極板群5の径方向の中央領域には、金属リチウム支持部材17の捲回層が位置するように金属リチウム支持部材17が負極板11上に配置されている。正極板9と負極板11は、それぞれの未塗工部(未塗工部25と33)が逆方向にセパレータ13,15よりも外側に突出するように配置されている。なお、極板群5の捲回終端部は、捲き解けを防止するために、粘着テープを捲回終端部と極板群の外周面とに跨がって貼り付けることで固定されている。
正極集電部材39は、アルミニウム(アルミニウム合金を含む)からなり、図5に示す通り、中心部分に円形の孔41が形成されたリング形状を有している。図1(b)に示すように、孔41は、正極集電部材39が極板群5の中心からずれないようにするために、軸芯7の上端に嵌る直径を有している。正極集電部材39は、極板群5に含まれる正極板9の未塗工部25に溶接される。そこで図7に示すように、極板群5の正極板9の塗工部25が位置する側の上方から正極集電部材39を極板群5に向かって近付け、正極板9のアルミニウム箔19の未塗工部25の上に、正極集電部材39を載せる。そして後述するレーザ溶接により、未塗工部25と正極集電部材39とを溶接する。レーザ溶接のために、正極集電部材39には、極板群5と接する方向に向かって凸となり、極板群5から離れる方向に向かって開くよう溶接用凹部を構成する溝43が4本設けられている。これらの溝43は、プレス加工によって形成されており、正極集電部材39の仮想中心点を中心として、放射状に直線的に延びている。なお、図7において正極集電部材39に溶接された正極端子部44Aは、図1(b)に示した容器蓋55に溶接されるものである。なお図1(b)に示すように、組立の際には、正極集電部材39の外周縁部には、容器3と電気的に絶縁するためのゴム製の絶縁リング部材が装着される。
負極集電部材45は、ニッケルまたは銅にニッケルメッキを施した金属材料のいずれかで形成されている。本実施の形態では、銅にニッケルメッキを施した金属材料で負極集電部材45を形成した。図6に示す通り、負極集電部材45は、中心部分に円形の窪み47が形成された円盤形状を有している。窪み47は、軸芯7の下端を収納するように形成されている。図7に示す通り、負極集電部材45は、極板群5の負極板11の銅箔の未塗工部33が位置する側から、極板群5に近付けられて、銅箔27の未塗工部33上に載せられる。そして負極集電部材45と銅箔27の未塗工部33とはレーザ溶接される。負極集電部材45にも、正極集電部材39と同様に、極板群5に向かって凸となり極板群5から離れる方向に向かって開くように溶接用凹部を構成する溝49が4本設けられている。これらの溝49は、プレス加工によって形成されており、負極集電部材45の仮想中心点を中心として放射状に直線的に延びている。
極板群5の未塗工部25及び33と集電部材(正極集電部材39及び負極集電部材45)の溶接には、レーザ光を用いる。特に、本実施の形態では、レーザ溶接装置として、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置(DLL・図示せず)を用いた。本実施の形態の直接集光型半導体レーザ装置は、高効率な発振が可能なレーザダイオードのレーザ光を用いており、YAGレーザ光やCO2レーザ光に比べて集光度が10分の1程度、ビーム形状が楕円形であり、レーザ光による伝導熱で金属を溶かし込む溶接が可能なものである。このような直接集光型半導体レーザ装置を用いることで、溶接を確実にし、且つ、溶融金属の飛び散りによるスパッタの少ない溶接が可能になる。負極集電部材45を溶接する場合を例にして説明すると、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いて、レーザ光を負極集電部材45の溝部49に沿って負極集電部材45の外周側から中心部に向かって連続照射して負極集電部材45を局部的に溶融し、溶融金属により負極板の銅箔の未塗工部33及び支持体37の端部と負極集電部材45とを溶接する。本実施の形態のように、直接集光型半導体レーザ装置を用いてレーザ溶接を行うと、負極集電部材を効率的に溶融させることができて、確実に溶接を行うことが可能になり、溶接部の抵抗が大きくなることを確実に防止できる。なお、直接集光型半導体レーザ装置の代わりに、ファイバ導光型半導体レーザ装置を用いても同様に良好な溶接結果を得ることができる。
図11に示すように、集電部材を溶接した極板群5、すなわち、リチウムイオンキャパシタ用極板群ユニット2は、容器3へ収納される。リチウムイオンキャパシタ用極板群ユニット2を収納した状態で、負極集電部材45の窪み47と、容器の底部はスポット溶接により溶接され、電気的に接続されている。
図12及び図13は、集電部材の変形例を図示してある。図12及び図13には、図5及び図6に示した実施の形態と同じ部材に、図5及び図6に付した符号の数に100の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。図12の集電部材では、溝143を正極集電部材139の直径よりも短く形成し、正極集電部材139の外周部には、溝143の延長線上に、爪部165が形成されている。この爪部165によって、極板群105が径方向に移動することが阻止される。またレーザ溶接の際に、溶融金属が極板群の最外層を越えて径方向外側に延びてしまうことを防止することができる。負極集電部材145の爪部167も同様の効果がある。
2 リチウムイオンキャパシタ用極板群ユニット
3 容器
5 極板群
7 軸芯
9 正極板
11 負極板
13 第1のセパレータ
15 第2のセパレータ
17 金属リチウム支持部材
19 アルミニウム箔(正極集電体)
21 正極活物質合剤
23 塗工部
25 未塗工部
27 銅箔(負極集電体)
29 負極活物質合剤
31 塗工部
33 未塗工部
35 金属リチウム
37 銅箔(支持体)
39 正極集電部材
41 孔
43 溝
44 正極端子部
45 負極集電部材
47 窪み
49 溝
51,53 溶融金属
55 容器蓋
57 蓋本体
59 蓋キャップ
61 空隙部
63 絶縁リング部材
Claims (9)
- アルミニウム箔に正極活物質合剤が塗着された正極板と、銅箔に負極活物質合剤が塗着された負極板とがセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる極板群と、
前記正極板の前記アルミニウム箔に電気的に接続されたアルミニウムからなる正極集電部材と、
前記負極板の前記銅箔に電気的に接続された金属材料からなる負極集電部材と、
金属リチウムと、前記負極集電部材と電気的に接続されてイオン透過性を有し且つ前記金属リチウムを保持する構造を有する銅箔からなる支持体とを備えた金属リチウム支持部材とを有し、
前記金属リチウムが前記負極板の前記負極活物質合剤中の負極活物質に吸蔵されることで前記銅箔のみが残存するように前記金属リチウム支持部材が、前記極板群内または前記極板群に隣接して前記正極板と電気的に絶縁した状態で配置されてなるリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法であって、
前記負極板として、前記負極活物質合剤の塗布層に沿って前記銅箔の未塗工部が残されたものを用意し、
前記正極板として、前記正極活物質合剤の塗布層に沿って前記アルミニウム箔の未塗工部が残されたものを用意し、
前記極板群を、前記負極板の前記未塗工部と前記正極板の前記未塗工部がそれぞれ逆方向に前記セパレータより外側に突出するように構成し、
前記支持体の端部の前記セパレータからの突出長さを、前記負極板の前記未塗工部の前記セパレータからの突出長さよりも長くなるように前記極板群を構成し、
前記金属リチウム支持部材は、前記金属リチウム支持部材の捲回層が、前記極板群の径方向の中央領域に位置するように配置されており、
前記極板群の前記負極板の前記未塗工部及び前記支持体の端部上に前記負極集電部材を載せた状態で、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いて、前記レーザ光を前記負極集電部材に連続照射して前記負極集電部材を局部的に溶融し、溶融金属により前記負極板の前記未塗工部及び前記支持体の端部と前記負極集電部材とを溶接し、
前記極板群の前記正極板の前記未塗工部の上に前記正極集電部材を載せた状態で、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いて、前記レーザ光を前記正極集電部材に連続照射して前記正極集電部材を局部的に溶融し、溶融金属により前記正極板の前記未塗工部と前記正極集電部材とを溶接することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。 - アルミニウム箔に正極活物質合剤が塗着された正極板と、銅箔に負極活物質合剤が塗着された負極板とがセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる極板群と、
前記正極板の前記アルミニウム箔に電気的に接続されたアルミニウムからなる正極集電部材と、
前記負極板の前記銅箔に電気的に接続された金属材料からなる負極集電部材と、
金属リチウムと、前記負極集電部材と電気的に接続されてイオン透過性を有し且つ前記金属リチウムを保持する構造を有する銅箔からなる支持体とを備えた金属リチウム支持部材とを有し、
前記金属リチウムが前記負極板の前記負極活物質合剤中の負極活物質に吸蔵されることで前記銅箔のみが残存するように前記金属リチウム支持部材が、前記極板群内または前記極板群に隣接して前記正極板と電気的に絶縁した状態で配置されてなるリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法であって、
前記負極板として、前記負極活物質合剤の塗布層に沿って前記銅箔の未塗工部が残されたものを用意し、
前記正極板として、前記正極活物質合剤の塗布層に沿って前記アルミニウム箔の未塗工部が残されたものを用意し、
前記極板群を、前記負極板の前記未塗工部と前記正極板の前記未塗工部がそれぞれ逆方向に前記セパレータより外側に突出するように構成し、
前記極板群の前記負極板の前記未塗工部及び前記支持体の端部上に前記負極集電部材を載せた状態で、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いて、前記レーザ光を前記負極集電部材に連続照射して前記負極集電部材を局部的に溶融し、溶融金属により前記負極板の前記未塗工部及び前記支持体の端部と前記負極集電部材とを溶接することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。 - 前記極板群の前記正極板の前記未塗工部の上に前記正極集電部材を載せた状態で、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いて、前記レーザ光を前記正極集電部材に連続照射して前記正極集電部材を局部的に溶融し、溶融金属により前記正極板の前記未塗工部と前記正極集電部材とを溶接する請求項2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- 前記溶融金属が前記極板群の最も径方向外側に位置する極板層を越えて径方向外側に延びないように溶接を行う請求項1または2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- 前記支持体の端部の前記セパレータからの突出長さを、前記負極板の前記未塗工部の前記セパレータからの突出長さよりも長くなるように前記極板群を構成することを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- 前記金属リチウム支持部材は、前記金属リチウム支持部材の捲回層が、前記極板群の径方向の中央領域に位置するように配置されていることを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- 前記負極集電部材及び前記正極集電部材には、前記レーザ光が照射される部分に直線的に延びる凹部または凸部がプレス加工されている請求項1または2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- 前記金属材料は、ニッケルまたは銅にニッケルメッキが施されたものである請求項1または2に記載のリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットの製造方法。
- アルミニウム箔に正極活物質合剤が塗着された正極板と、銅箔に負極活物質合剤が塗着された負極板とがセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる極板群と、
前記正極板の前記アルミニウム箔に電気的に接続されたアルミニウムからなる正極集電部材と、
前記負極板の前記銅箔に電気的に接続された金属材料からなる負極集電部材と、
金属リチウムと、前記負極集電部材と電気的に接続されてイオン透過性を有し且つ前記金属リチウムを保持する構造を有する銅箔からなる支持体とを備えた金属リチウム支持部材とを有し、
前記金属リチウムが前記負極板の前記負極活物質合剤中の負極活物質に吸蔵されることで前記銅箔のみが残存するように前記金属リチウム支持部材が、前記極板群内または前記極板群に隣接して前記正極板と電気的に絶縁した状態で配置されてなるリチウムイオンキャパシタ用極板群ユニットが有底の容器内に収納され、前記容器の開口部が端子電極を兼ねる蓋部材によって封止されているリチウムイオンキャパシタであって、
前記負極板は前記負極活物質合剤の塗布層に沿って前記銅箔の未塗工部が残されたものであり、且つ前記正極板は前記正極活物質合剤の塗布層に沿って前記アルミニウム箔の未塗工部が残されたものであり、
前記極板群が、前記負極板の前記未塗工部と前記正極板の前記未塗工部がそれぞれ逆方向に前記セパレータより外側に突出するように構成され、
前記極板群の前記負極板の前記未塗工部及び前記支持体の端部に前記負極集電部材がレーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置を用いてレーザ溶接された状態にあり、
前記負極集電部材の前記金属材料は、ニッケルまたは銅にニッケルメッキが施されたものであることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
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