JP6364739B2 - 電気化学デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、電気二重層キャパシタ(EDLC)などとして好ましく用いられる電気化学デバイスに係り、さらに詳しくは、薄型化が可能で、しかも曲げ耐性に優れた電気化学デバイスに関する。
昨今、ICチップを搭載するICカードの普及には目を見張るものがある。特に金銭のやり取りを行うことも可能なICカードもあり、社員証や会員証など、さまざまな用途に使われ、今後さらにICカードの高機能化の対応が求められている。
高機能化に伴い、従来ICカードに使われる蓄電池は、出来るだけ高容量の一次電池を用いることが検討されている。しかしながら、1次電池では、蓄積容量がなくなるとカードを交換しなくてはならない。そこで、充電可能な2次電池を用いたICカードの開発が進んでいる。
ICカード用の2次電池の特性として、カード厚み以下の薄型、カード内蔵可能な小型、折り曲げに対応したフレキシブル性が求められている。一方で、ICカード内部に蓄電システムを持たず、カードリーダーを通しての比接触で得られる電力を用いて通信を行うシステムの開発も進んでいる。
しかしながら、非接触充電で得られた電力は僅かであることから、高機能な製品では十分な電力を得ることができない。そこで、充電ロスが少なく、短時間で充電でき、かつ回路の動作電圧まで充電できる二次電池が必要となってきている。
従来の電気化学デバイスでは、蓄電容量が大きいために、カードリーダーにて十分な電圧を送ることができない。そこで低容量で的確な抵抗を持つEDLCが必要となってきている。また、カードの利用においてはフレキシブル性が必要であり、従来のEDLCの形状では、リード端子取り出し部分でのシール部分と、外装体シートのみのシール部分との厚み段差が大きく、破断が発生しやすいという課題を有している。さらに、EDLCの薄型化を図るために、アルミの集電箔を薄くし過ぎると、EDLCの折り曲げの際に、集電箔にしわが発生する可能性があった。
特開2006−49670号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、低容量で、しかも薄型化が可能で、しかも曲げ耐性に優れた電気化学デバイスを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明に係る電気化学デバイスは、
セパレータ層を挟むように一対の第1内部電極および第2内部電極が積層してある素子本体と、
前記素子本体を覆う外装シートと、
前記第1内部電極に電気的に接続してあり、前記外装シートの外側に引き出される第1リード端子と、
前記第2内部電極に電気的に接続してあり、前記外装シートの外側に引き出される第2リード端子と、を有する電気化学デバイスであって、
前記素子本体が電解質溶液で浸漬されるように、前記外装シートの周縁部がシール部で密封され、
前記第1リード端子と前記第2リード端子とが、それぞれ前記第1内部電極および第2内部電極の幅とほぼ同じ幅を有し、
前記シール部に対応する位置で、前記第1リード端子および第2リード端子には、リード先端部分よりも厚みが薄い薄肉領域が存在し、
前記薄肉領域の少なくとも一部は、前記外装シートの周縁部よりも外側に飛び出しており、外側に飛び出している前記薄肉領域も、前記シール部で覆われていることを特徴とする。
本発明では、シール部に対応する位置で、前記第1リード端子および第2リード端子には、リード先端部分よりも厚みが薄い薄肉領域が存在することから、リード端子が取り出される位置で、シール部の厚みが急に大きくなることを有効に防止することが可能となる。そのため、デバイスの薄型化に寄与すると共に、シール部の急激な厚み変化(段差)を抑制し、曲げ耐性も向上する。
また、本発明は、必ずしも限定されるわけではないが外装シートの端部において金属が露出している状態であっても、リード端子が、外装シートの周縁部における金属シート露出端に接触するおそれがなくなり、確実な短絡防止を図ることができる追加の効果も有する。
好ましくは、第1リード端子と前記第2リード端子とが、前記第1内部電極および第2内部電極の長手方向に沿って相互に反対側の位置で、前記シール部の外部に引き出されている。そのため、第1リード端子と第2リード端子とが、同じ側に引き出されている構造に比較して、単位セル当たりの電極面積を小さくすることが容易になり、比較的に低容量な電気化学デバイスを実現することができ、さらに曲げ耐性に優れたものとなる。
好ましくは、前記第1内部電極は、前記セパレータ層に接触する第1活性層と、前記第1活性層に接触する第1集電体層とを有し、
前記第2内部電極は、前記セパレータ層に接触する第2活性層と、前記第2活性層に接触する第2集電体層とを有し、
前記第1リード端子は、前記第1集電体層を延長した前記第1集電体層の一部であり、
前記第2リード端子は、前記第2集電体層を延長した前記第2集電体層の一部である。
リード端子が集電体層の一部であることで、リード端子と集電体層とを接続する作業が不要となり、製造工程の短縮と製造コストの低減を図れると共に更に曲げ耐性に優れた電気化学デバイスとすることができる。
好ましくは、前記薄肉領域は、前記第1リード端子および前記第2リード端子の該当部分をプレス成形することで形成してある。リード端子が集電体層と一体に形成してある場合において、プレス成形で薄肉領域を形成することで、集電体層の表面に形成されるポーラスなエッチング面がプレス加工により平坦化される。そのため、その平坦化面がシール部で覆われることにより密封性能が向上し、デバイスの耐湿性も向上する。
また、前記薄肉領域は、前記第1リード端子および前記第2リード端子の該当部分の表面に凹部または溝部を形成することで形成されていてもよい。
好ましくは、前記シール部の一部は、前記第1リード端子と前記第2リード端子とをそれぞれ挟み込む密封用テープが、前記外装シートの周縁部の間に挟み込まれて熱シールされることで形成される。好ましくは、前記密封テープの長さに対応する前記シール部の幅は、1mm以上である。このシール部の幅が広い程、電解液の対策としては有効であり、デバイスの曲げ耐性が向上する。
さらに本発明では、薄肉領域の少なくとも一部は、前記外装シートの周縁部よりも外側に飛び出しており、外側に飛び出している前記薄肉領域も、前記シール部で覆われている。このため、外装シートの周縁部においてのデバイス厚みを必要最小限にすることができる。また、外装シートの端部において金属が露出している状態であっても、リード端子が、外装シートの周縁部における金属シート露出端に接触するおそれがなくなり、確実に短絡防止を図れる。
好ましくは、前記シール部から引き出された前記第1リード端子および前記第2リード端子の折れ曲がりを防止するサポートシートをさらに有する。このように構成することで、ール部からそれぞれ引き出された第1リード端子および第2リード端子の折れ曲がりを有効に防止することができる。
好ましくは、前記サポートシートは、前記シール部に位置する前記外装シートの周縁部の一部を外側に延長して形成してなる。このようにして構成することで、サポートシートの形成が容易になる。
好ましくは、前記サポートシートの突出長さが、前記第1リード端子および前記第2リード端子の突出長さよりも長い。このように構成することで、ール部から引き出された第1リード端子および第2リード端子の折れ曲がりを有効に防止することができる。
図1(A)は本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタの斜視図、図1(B)は本発明の他の実施形態に係る電気二重層キャパシタの斜視図である。 図2Aは図1のIIA−IIA線に沿う概略断面図である。 図2Bは図1の要部拡大断面図である。 図3は図1(A)に示す電気二重層キャパシタの製造方法例を示す概略斜視図である。 図4Aは図3の続きの工程を示す斜視図である。 図4Bは図4AのIVB−IVB線に沿う概略断面図である。 図4Cは図4Aの要部拡大斜視図である。 図4Dは本発明の他の実施形態に係る図4Cに対応する要部拡大斜視図である。 図4Eは本発明のさらに他の実施形態に係る図4Cに対応する要部拡大斜視図である。 図5は図4の続きの工程を示す斜視図である。 図6は図5の続きの工程を示す斜視図である。 図7は本発明の他の実施形態に係る電気二重層キャパシタの斜視図である。 図8は図7のVIII−VIII線に沿う要部断面図である。 図9は図7に示す電気二重層キャパシタの製造方法例を示す概略斜視図である。 図10は図9の続きの工程を示す斜視図である。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第1実施形態
図1(A)に示すように、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスとしての電気二重層キャパシタ(EDLC)2は、外装シート4を有する。外装シート4には、一枚のシート4を折り返し周縁部4cで折り曲げて表面4aおよび裏面4bが形成してある。
本実施形態では、外装シート4は、X軸方向の長さL0がY軸方向の長さW0に比較して長い長方形状を有するが、これに限定されず、正方形でも、その他の多角形状、あるいは円形、楕円形、あるいはその他の形状でも良い。この実施形態では、外装シート4の表面4aと裏面4bとが重なる方向を厚み方向(Z軸方向)とし、それに相互に直交する方向をX軸およびY軸とする。
外装シート4には、図2Aを用いて後述するように、素子本体10が内蔵してある。素子本体10から引き出される一対の第1リード端子18,28が、外装シート4の外部に引き出されている。
図1に示すように、本実施形態では、長方形状の外装シート4の内部は、外装シート4の四辺に沿って形成してある第1シール部40、第2シール部42、第3シール部44および第4シール部46とに囲まれて密封してある。
この実施形態では、リード端子18がX軸方向の外側に引き出される外装シート4の周縁部4d1を密封する部分を第1シール部40とする。また、リード端子28がX軸方向の外側に引き出される外装シート4の周縁部4d2を密封する部分を第2シール部42とする。第1シール部40と第2シール部42とは、外装シート4のX軸方向の反対側に位置する。また、外装シート4を折り返してなる周縁部4cを密封する部分を第3シール部44とし、そのY軸方向の反対側に位置する外装シート4のサイド周縁部4eを密封している部分を第4シール部とする。
図2Aに示すように、外装シート4の内部には、素子本体10が内蔵してある。素子本体10は、電気二重層キャパシタの素子を構成しており、本実施形態では、単一のキャパシタ素子が外装シート4の内部に収容してある。
素子10では、電解質溶液が染み込んであるセパレータ層11を挟むように一対の第1内部電極16と第2電極26とが積層してある。第1内部電極16と第2内部電極26のうちの一方は、正極となり、他方は、負極となるが、構成は同じである。これらの第1内部電極16および第2内部電極26は、それぞれセパレータ層11の相互に反対面に接触するように積層される第1活性層12および第2活性層22を有する。また、第1内部電極16および第2内部電極26は、各活性層12,22にそれぞれ接触するように積層される第1集電体層14および第2集電体層24を有する。
セパレータ層11は、それぞれ内部電極16および18を電気的に絶縁すると共に、電解質溶液が浸透可能に構成してあり、たとえば電気絶縁性の多孔質シートで構成される。電気絶縁性の多孔質シートとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や、上記樹脂の混合物の延伸膜、あるいは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。セパレータ層11の厚さは、たとえば5〜50μm程度である。
集電体層14,24としては、一般的に高い導電性を有する材料であれば特に限定されないが、低電気抵抗の金属材料が好ましく用いられ、たとえば、銅、アルミニウム、ニッケル等などのシートが用いられる。これらの集電体層1424のそれぞれの厚みは、たとえば15〜100μm程度である。
活物質としては、種々の電子伝導性を有する多孔体が挙げられ、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体等の炭素材料が挙げられる。バインダとしては、上記の活物質、好ましくは導電助剤を集電体層を構成するシートに固定することができれば特に限定されず、種々の結着剤を使用できる。バインダとしては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂や、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)と水溶性高分子(カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸ナトリウム、デキストリン、グルテン等)との混合物等が挙げられる。
導電助剤は、活性層12,22の電子伝導性を高めるために添加される材料である。導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
活性層12,22のそれぞれの厚さは、好ましくは、たとえば1〜100μm程度である。活性層12,22は、各集電体層14,24の表面に、セパレー層11と同等以下の面積で、集電体層14,24の表面に形成されている。活性層12,22は、公知の方法で作製することができる。
本実施形態において、「正極」とは、電気二重層キャパシタに電圧を印加した際に、電解質溶液中のアニオンが吸着する電極であり、「負極」とは、電気二重層キャパシタに電圧を印加した際に、電解質溶液中のカチオンが吸着する電極である。なお、電気二重層キャパシタに対して一度特定の正負の向きに電圧を印加して充電した後に再充電する際には、通常最初と同じ向きに充電を行い、逆向きに電圧を印加して充電することは少ない。
外装シート4は、後述の電解質溶液を透過させない材料からなり、しかも、外装シート4の周縁部同士、あるいは図5に示す密封用テープ40aと熱シールにより一体化されるものであることが好ましい。この密封用テープ40aは、作業性から粘着テープなどのテープ状のものが好ましい。ただしテープに限らず塗布可能なシーラント樹脂であっても熱により溶融し接着可能なものであればどのような形態のものでも良い。
また、外装シート4は、素子本体10を密封し、シート4の内部に、空気や水分が進入するのを防止するもので構成してある。具体的には、外装シート4は、単層シートでも良いが、図2Aに示すように、金属シート4Aを、内側シート4Bおよび外側シート4Cとで挟むように積層してある多層シートであることが好ましい。
金属シート4Aは、たとえばステンレス等で構成してあることが好ましく、内側シート4Bは、電気絶縁材で構成してあり、電解質溶液とは反応しにくく熱シール可能なポリプロピレンなどの隔壁シートと同様な材質で構成してあることが好ましい。また、外側シート4Cは、特に制限されず、たとえばPET、PC、PES、PEN、PI、フッ素樹脂、PE、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などで構成してあることが好ましい。外装シート4の厚みは、好ましくは、5〜50μmである。
本実施形態では、外装シート4の耐力は、JIS Z2241において、390〜1275N/mm、好ましくは785〜980N/mmである。また、外装シートの硬さは、ピッカース硬さ(Hv)において、230〜460、好ましくは280〜380である。このような観点からは、外装シート4の金属シート4Aは、JISで規定するステンレス鋼SUS(BA)、SUS304(1/2H)、US304H、SUS301BA、SUS301(1/2H)、SUS201(3/4H)、が好ましく、特にSUS304(1/2H)が好ましい。
リード端子18,28は、集電体層14,24に対して電流の入出力端子の役割を果たす導電性部材であり、矩形板形状をなしている。本実施形態では、各リード端子18,28は、集電体14,24をそれぞれ構成する導電性シートと一体化されたシートにより形成してあり、集電体層14,24と同じ厚みであっても良い。ただし、各リード端子18,28は、集電体層14,24とは別の導電性部材で形成し、各集電体層14,24と電気的に接続させても良い。その場合には、各リード端子18,28の厚みは、集電体層14,24の厚みと異ならせることも可能である。
外装シート4で挟まれ、シール部40,42,44および46により素子本体10を密封するための空間には、電解質溶液(図示せず)が充填され、その一部は、活性層12,22およびセパレータ層11の内部に含浸されている。
電解質溶液としては、電解質を有機溶媒に溶解させたものが使用される。電解質としては、たとえば、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEABF4 )、トリエチルモノメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF4 )等の4級アンモニウム塩など、アンモニウム塩、アミン塩、或いはアミジン塩などを用いるのが好ましい。なお、これらの電解質は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
また、有機溶媒としては、公知の溶媒を使用することができる。有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルホルムアミド、スルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシアセトニトリルなどが好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
各リード端子18,28の先端は、図2Aに示すように、それぞれ第1シール部40および第2シール部42を貫通して、第1シール部40および第2シール部42の外部に引き出される。第1シール部40および第2シール部42は、各リード端子18,28が外部に引き出される部分であり、第3シール部43および第4シール部44に比較して、特に密封性が要求される。
図3および図4に示すリード端子18,28のそれぞれのY軸方向の幅は、同じでも異なっていても良い。また、これらのリード端子18,28が、それぞれ集電体層14,24と一体成形される場合には、リード端子18,28のY軸方向の幅は、集電体層14,24のY軸方向幅W1と略同じとするが、効果の生じる限り、幅W1よりも小さく、または大きくしても良い。たとえば、リード端子の幅/集電体層の幅W1は、0.6〜1.5であることが好ましい。
集電体層14,24のY軸方向幅W1は、好ましくは2〜10mmであり、セパレータ層11のY軸方向幅W3よりも小さいことが好ましく、W3−W1は、好ましくは0.2〜2mmである。集電体層14,24は、セパレータ層11のY軸方向の中央に配置されることが好ましい。
また、図1(A)に示すEDLC2のY軸方向の幅W0は、ICカード内に収容する場合には、好ましくは、10〜50mmであり、リード端子18,28を除くEDLC2のX軸方向の長さL0は、好ましくは、10〜50mmである。
本実施形態では、第1シール部40および第2シール部42は、後述する図6に示すように、密封用テープ40a,42aと、外装シート4の周縁部4d1,4d2とが、熱シール時の加熱により一体化されて形成される。その際に、外装シート4の内周面に形成してある内側シート4B(図2A参照)も一体化され、第1シール部40および第2シール部42での密封性を向上させる。
また、第3シール部44では、外装シート4の折り返し周縁部4cで折り曲げられて、熱シール時の加熱により、外装シート4の内側シート4Bが融着して一体化される。第4シール部46では、外装シート4の表面4aおよび裏面4bにおける各サイド周縁部4eの内側シート4Bが、熱シール時の加熱により融着して一体化される。
第1シール部40のY軸方向の両端には、それぞれ第3シール部44および第4シール部46の一端が接続するように連続して形成してあり、これらの第3シール部44および第4シール部46の他端を接続するように、第2シール部42が連続して形成してある。そのため、外装シート4の内部は、外装シート4の外部に対して良好に密封される。
図2Bに示すように、本実施形態では、第1シール部40(第2シール部42)に対応する位置で、第1リード端子18(第2リード端子28)には、リード先端部分よりも厚みが薄い薄肉領域60が形成してある。薄肉領域60は、リード端子18(28)の表裏面に凹部または溝部62を、たとえばプレス加工により形成することで形成される。なお、凹部または溝部62は、リード端子18(28)の表裏面の両方に形成することなく、いずれか一方の表面にのみ形成しても良い。
本実施形態では、各リード端子18,28の厚みt1は、集電体層14,24の厚みと同じであり、好ましくは30〜80μmであり、さらに好ましくは40〜50μmである。また、凹部または溝部62の各深さt2,t3は、それぞれ、好ましくは5〜20μm、さらに好ましくは10〜20μmである。薄肉領域60の最小厚みt4は、各リード端子18,28の通常部分の厚みt1の1/2〜3/4の厚みであることが好ましい。また、薄肉領域60の最小厚みt4は、シール部40(42)のトータル厚みt5の2/25〜4/25の厚みであることが好ましい。この様な構成とすることで、適度な抵抗を持つことができ、ICカードにおいては充電が効率的に行える。
本実施形態では、薄肉領域60の少なくとも一部(通常厚み部分との先端側境界部66)は、外装シート4における第1シール部側の周縁部4d1(第2シール部側の周縁部4d2)よりも外側に飛び出しており、外側に飛び出している薄肉領域60も、先端側境界部66を含めてシール部40(42)で覆われている。外装シート4における第1シール部側の周縁部4d1(第2シール部側の周縁部4d2)に対する先端側境界部66のX軸に沿う突出量L2は、好ましくは、0.2〜1mmである。また、先端側境界部66に対するシール部40(42)のX軸に沿う突出量L3は、好ましくは、0.1〜0.5mmである。これらの突出量L2およびL3を設けることで、リード端子18(28)に薄肉部60を設けたとしても、リード端子18(28)の曲げ強度の劣化を防止することができると共に、リード端子18(28)と外装体4bとのショートを防止するなどの利点がある。
シール部40(42)のX軸方向長さL1は、好ましくは2〜4mmである。また、先端側境界部66から後端側境界部68までの薄肉領域60のX軸方向長さL4は、シール部40(42)のX軸方向長さL1よりも短く、薄肉領域60の全長L4がシール部40(42)で覆われている。また、薄肉領域60の厚みt4は、薄肉領域60の全長L4にわたり一定厚みである必要はなく、特に境界部66および68の近くでは、最小厚み部分から通常厚み部分に向けて徐々に厚みが変化するように構成してあることが好ましい。
なお、図4Dに示すように、リード端子18(28)の表面および/または裏面に、複数の溝62を形成することで薄肉領域60を形成しても良い。これらの溝62は、本実施形態では、Y軸方向に沿って延び、X軸方向に所定間隔で形成してあるが、これに限定されない。たとえば図4Eに示すように、複数のY軸方向の溝62に加えて、複数のX軸方向に延びる溝64を形成して、薄肉領域50を形成しても良い。あるいは、複数のX軸方向に延びる溝64のみで、薄肉領域60を形成しても良い。
また、リード端子18(28)の表面および/または裏面に、Y軸またはX軸に対して所定角度(鋭角)で交差する溝を形成することでも、薄肉領域60を形成しても良い。いずれにしても、薄肉領域60の少なくとも一部(通常厚み部分との先端側境界部66)は、外装シート4における第1シール部側の周縁部4d1(第2シール部側の周縁部4d2)よりもX軸方向の外側に飛び出している。また、外側に飛び出している薄肉領域60は、先端側境界部66および後端側境界部68を含めてシール部40(42)を構成することになる密封用テープ40a(42a)で覆われている。
上述した凹部または溝を有する薄肉領域60は、プレス加工を用いて形成することが好ましいが、その他の加工法により形成しても良い。また、薄肉領域60に形成してある凹部または溝部の横断面形状は、角がない形状であることが好ましく、緩やかな波形形状を持つことが好ましい。
本実施形態のEDLC2では、素子本体10の第1リード端子18と第2リード端子28とが、EDLC2の長手(X軸方向)方向に沿って反対側に引き出されている。このため、EDLC2のY軸方向幅W0を小さくすることができると共に、第1シール部40および第2シール部42の厚みを必要最小限にすることができ、EDLC2全体の厚みt0も小さくすることができる。このため、EDLC2の小型化および薄型化を実現することができる。
本実施形態のEDLC2では、たとえば第1リード端子18を正極とし、第2リード端子28を負極とし、電解質溶液で浸漬された素子本体10に接続してある。EDLCでは、単一の素子での耐電圧が最大で約2.85V程度と決まっており、用途に合わせて耐電圧を向上させるために、素子を直列に接続してもよい。本実施形態のEDLC2は、きわめて薄く、しかも十分な耐電圧を有することから、ICカードなどの薄型電子部品に内蔵するための電池として好適に用いることができる。
次に、図3〜図6を用いて、本実施形態のEDLC2の製造方法の一例について説明する。
図3,図4Aおよび図4Bに示すように、まず、素子本体10を製造する。素子本体10を製造するために、図3に示すように、セパレータ層11の表面および裏面に、第1内部電極16および第2内部電極26を配置する。セパレータ層11の両側には、それぞれ活性層12,22が接触するように、内部電極16,26を積層する。
各リード端子18,28には、前述した第1シール部40および第2シール部42となるX軸方向位置に、それぞれ密封用テープ40aおよび42aが、各端子18,28を挟み込むように接着してある。テープ40aおよび42aのY軸方向の幅W2は、リード端子18,28のY軸方向幅よりも、好ましくは0.5〜3mm長い。テープ40a,42aのY軸方向の幅は、図1(A)に示すEDLC2の第1シール部40および第2シール部42のY軸方向の幅に対応し、しかもEDLC2のY軸方向幅W0を規定する。
図4Aに示すテープ40aおよび42aのY軸方向の幅W2が狭すぎると、図1(A)に示す第1シール部40および第2シール部42におけるシール性が十分でなくなる可能性があり、幅が広すぎると、EDLC2のY軸方向幅W0が必要以上に大きくなる。テープ40aおよび42aのX軸方向の幅は、図2に示す第1シール部40および第2シール部42のX軸方向の長さL1に対応する。各テープ40aおよび42aの厚みは、同じであることが好ましく、たとえば図2Bに示す厚み記号を用いて、((t5−t4)/2)+αとして表すことができる。なお、αは、シール部40および42を形成する際の加熱圧着変形量を示し、好ましくは0.3〜0.7mmである。
次に、図5に示すように、素子本体10の全体を覆うように、外装シート4を折り返し周縁部4cで折り曲げて、シートの表面4aおよび裏面4bで素子本体10を覆う。なお、外装シート4は、Y軸方向に予め長く形成してある。外装シート4のX軸方向の幅は、外装シート4の第1シール部側の周縁部4d1がテープ40aと重複し、外装シート4の第2シール部側の周縁部4d2がテープ42aと重複するように調整されている。
次に、図6に示すように、素子本体10の全体を覆う外装シート4を、図示省略してある治具にセットし、外装シート4の折り返し周縁部4cを加圧加熱し、第3シール部44を形成する。次に、外装シートの第1シール部側の周縁部4d1と、第2シール部側の周縁部4d2とを加圧加熱し、第1シール部40および第2シール部42を形成する。
そのときに、密封用テープ40aと外装シート4の内周面に形成してある内側シート4B(図2A参照)も一体化され、第1シール部40での密封性が向上する。また、同様に、密封用テープ42aと外装シート4の内周面に形成してある内側シート4B(図2A参照)も一体化され、第2シール部42での密封性が向上する。
次に、図6に示すように、第4シール部46が形成されていない外装シート4の開口端52から電解質溶液を注入し、その後に、最後の第4シール部46を、前述と同様な熱シールにより形成する。その後に、第4シール部46の外側の切断線54に沿って外装シート4を切断し、余分な外装シート4’を除去することで、本実施形態のEDLC2が得られる。
本実施形態の製造方法では、第1シール部40は、第1リード端子18を挟み込む密封用テープ40aが、外装シート4の第1シール部側の周縁部4d1の間に挟み込まれて熱シールされることで形成される。また、同様に、第2シール部42は、第2リード端子28を挟み込む密封用テープ42aが、外装シート4の第2シール部側の周縁部4d2の間に挟み込まれて熱シールされることで形成される。
熱シールすることで、密封用テープ40aと外装シート4の周縁部4d1とが熱で一体化され、リード端子18の取り出し部において、外装シート4の内部の密封が良好になる。また密封を良好に保ちながら、第1シール部40の厚みを最小限に薄くすることができる。また同様に、熱シールすることで、密封用テープ42aと外装シート4の周縁部4d2とが熱で一体化され、リード端子28の取り出し部において、外装シート4の内部の密封が良好になる。また密封を良好に保ちながら、第2シール部42の厚みを最小限に薄くすることができる。
本実施形態のEDLC2では、図2Aに示すように、第1リード端子18と第2リード端子28とが、第1内部電極16および第2内部電極26の長手方向に沿って相互に反対側の位置で、シール部40,42の外部に引き出されている。そのため、第1リード端子18と第2リード端子28とが、同じ側に引き出されている構造に比較して、単位セル当たりの電極面積を小さくすることが容易になり、比較的に低容量なEDLC2を実現することができる。好ましくは0.1〜50mF、特に1〜10mFの低容量のEDLC2を実現することができる。
また、本実施形態では、シール部40,42に対応する位置で、第1リード端子18および第2リード端子28には、リード先端部分よりも厚みが薄い薄肉領域60(図2Bおよび図4C〜図4E参照)が存在することから、リード端子18,28が取り出される位置で、シール部40,42の厚みが急に大きくなることを有効に防止することが可能となる。そのため、デバイスの薄型化に寄与すると共に、シール部の急激な厚み変化(段差)を抑制し、曲げ耐性も向上する。
さらに本実施形態では、薄肉領域60の少なくとも一部は、外装シート4の周縁部4d1(4d2)よりも外側に飛び出しており、外側に飛び出している薄肉領域60も、シール部40(42)で覆われている。このため、外装シート4の周縁部においてのデバイス厚みt0を必要最小限(好ましくは1mm以下、さらに好ましくは0.8mm以下)にすることができる。また、図2Aに示すように、外装シート4が樹脂被覆の金属シート4Aで構成してあったとしても、リード端子18(28)が、外装シート4の周縁部4d1(4d2)における金属シート露出端に接触するおそれがなくなり、確実に短絡防止を図れる。
また本実施形態では、第1リード端子18は、第1集電体層14と連続して一体に形成してあり、第2リード端子28は、第2集電体層24と連続して一体に形成してある。これらを一体に成形することで、リード端子18(28)と集電体層14(28)とを接続する作業が不要となり、製造工程の短縮と製造コストの低減を図れる。
さらに、本実施形態では、薄肉領域60を、第1リード端子18および第2リード端子28の該当部分をプレス成形することで形成してあるため、集電体層14(24)と一体成形されたリード端子18(28)の表面に形成されるポーラスなエッチング面がプレス加工により平坦化される。そのため、その平坦化面がシール部40(42)で覆われることにより密封性能が向上し、デバイスの耐湿性も向上する。
また、薄肉領域60を第1リード端子18および第2リード端子28に形成することで、端子18および28の抵抗を調節し、EDLC2自体の抵抗を1〜10Ω(好ましくは4〜10Ω)に制御することも可能であり、EDLC2をICカードの用途に好ましく用いることができる。
また本実施形態では、密封テープ40a,42aのY軸方向の長さに対応するシール部40または42のY軸方向幅は、1mm以上である。このシール部の幅が広い程、電解液の対策としては有効であり、デバイスの曲げ耐性が向上する。ただし、シール部の幅が広くなると、デバイスの幅が大きくなることから、シール部40または42の幅は、好ましくは、3mm以下である。
なお、本実施形態において、EDLC2の容量および抵抗が上記の範囲で好ましい理由を以下に示す。
リーダーライターのアンテナからRFへ、通信を開始させるための制御信号を含む電磁波を発信し、その電磁波を受信することでRF回路に起電力が発生し、RFカード内の制御部ICを起動して、電子ペーパーなどの表示を行うことを仮定する。また、一般的な制御ICの駆動電圧は1.8V〜3.8V前後、消費電流150μA前後、電子ペーパーの動作電圧は2.0V〜3.6V、消費電流は0.2mAであると考えられる。これらの一般的な情報を考慮すると、ICから情報を取り込みマイコンで処理しE−INKに1回表示する時の一般的な消費電力は2mAs程度と考えられる。たとえば2mAsの消費電力が最大2V、最小0.2Vの電圧差で駆動する場合、C(V1−V2)=ItおよびC=It/(V1−V2)の式から、必要な容量は1mF〜10mFであることが導かれる。
また、RFの伝送周波数は13.56MHzの正弦波なので、整流する場合ダイオードを使用すると、ダイオード内部の容量成分で逆電流が流れる。その対策として、EDLCが1〜10Ωの内部直流抵抗を直列に接続することで改善でき、EDLCの直列内部抵抗が、その役目を果たす。
第2実施形態
図1(B)に示すように、本実施形態のEDLC2aは、第1シール部40から引き出された第1リード端子18と、第2シール部42から引き出された第2リード端子28とが折れ曲がるのを防止するサポートシート4f1および4f2をさらに有する。その他は、第1実施形態と同様なので、図面では共通する部材には共通する符号を付し、以下の説明では、共通する部分の説明は一部省略し、相違する部分について詳細に説明する。
前述した第1実施形態では、図2Aに示すように、外装シート4の第1シール部側の周縁部4d1では、外装シート4の表面4aと裏面4bとでX軸方向の位置が同じである。これに対して、本実施形態では、図1(B)に示すように、サポートシート4f1は、第1シール部40に位置する外装シート4の裏面4bに位置する外装シート4の周縁部4d3をX軸方向の外側に延長して形成してある。外装シート4の周縁部4d3が、第1シール部40に対してX軸方向の外側に突出する長さは、第1リード端子18のX軸方向の外側に突出する長さに比較して長い。
また同様に、サポートシート4f2は、第2シール部42に位置する外装シート4の表面4aまたは裏面4bに位置する外装シート4の周縁部4d4をX軸方向の外側に延長して形成してある。外装シート4の周縁部4d4が、第2シール部42に対してX軸方向の外側に突出する長さは、第2リード端子28のX軸方向の外側に突出する長さに比較して長い。
このように構成することで、サポートシート4f1および4f2の形成が容易になる。また、このように構成することで、第1シール部40から引き出される第1リード端子18と、第2シール部42から引き出される第2リード端子28とが折れ曲がることを有効に防止することができる。また、外装シート4の周縁部4d3または4d4の突出長さを、リード端子18または28の突出長さに比較して長くすることで、リード端子18または28が、外装シート4の周縁部4d3または4d4における金属シート(図2の金属シートA)露出端に接触するおそれがなくなり、確実に短絡防止を図れる。
また本実施形態では、第1リード端子18および第2リード端子28を、たとえば熱シール層でサポートシート4f1または4f2に固定することで、端子強度を増加させることができる。外装シート4f1または4f2に固定することで、端子ズレが起こり難くなり、ACF接続などの様々な端子接続が容易になる。
第3実施形態
図7に示すように、本実施形態のEDLC2bでは、外装シート4の内部に、Y軸方向に並んで2つの素子本体10a,10bが内蔵してある。その他は、第1実施形態と同様なので、図面では共通する部材には共通する符号を付し、以下の説明では、共通する部分の説明は一部省略し、相違する部分について詳細に説明する。
本実施形態では、図7に示すように、外装シート4が、表面シート4a1と裏面シート4b1とから成り、図1(A)に示す外装シート4に比較して、Y軸方向に略2倍の大きさを有する。外装シート4の内部には、図8に示すように、2つの素子本体10a,10bが内蔵してあり、2つの素子本体10a,10bでは、セパレータ層11を共用化している。素子本体10a,10bは、セパレータ層11を共用化している以外は、それぞれ第1実施形態の素子本体10と同じ構造を有している。ただし、本実施形態では、必ずしも単一のセパレータ層11を用いることなく、素子本体10a、10b毎に、それぞれ別のセパレータ層11を用いてもよい。
外装シート4の軸方向の中央部には、第3シール部44aがX軸方向に沿って形成してあり、素子本体10a,10b間で、電解質溶液の流通が遮断されるようになっている。素子本体10aが収容される空間は、外装シート4に連続して形成される第1シール部40、第2シール部42、第3シール部44aおよび第4シール部46aにより密封され、電解質溶液が貯留される。同様に、素子本体10bが収容される空間は、外装シート4に連続して形成される第1シール部40、第2シール部42、第3シール部44aおよび第4シール部46bにより密封され、電解質溶液が貯留される。
次に、図9〜図10を用いて、本実施形態のEDLC2の製造方法の一例について説明する。
図9に示すように、まず、Y軸方向に幅が広い単一のセパレータ層11の上に、Y軸方向に並んで、2つの素子本体10a,10bを形成する。なお、2つのセパレータ層11を用いて、2つの素子本体10a,10bを形成してもよい。素子本体10a,10bの製造方法は、第1実施形態の場合と同様である。
素子本体10a,10bにおける各リード端子18,28には、前述した実施形態と同様にして、密封用テープ40aおよび42aが、各端子18,28を挟み込むように接着する。
次に、素子本体10a,10bの全体を覆うように、外装シート4を構成する表面シート4aと裏面シート4bとを合わせて、これらで素子本体10a,10bを覆う。なお、外装シート4は、Y軸方向に予め長く形成してある。外装シート4のX軸方向の幅は、外装シート4の第1シール部側の周縁部4d1がテープ40aと重複し、外装シート4の第2シール部側の周縁部4d2がテープ42aと重複するように調整されている。
次に、図10に示すように、素子本体10の全体を覆う外装シート4を、図示省略してある治具にセットし、外装シート4のY軸方向の中央部をX軸方向に沿って加圧加熱し、第3シール部44aを形成する。次に、外装シートの第1シール部側の周縁部4d1と、第2シール部側の周縁部4d2とを加圧加熱し、第1シール部40と第2シール部42を形成する。
次に、第4シール部46a,46bが形成されていない外装シート4の開口端52から電解質溶液をそれぞれ注入し、その後に、最後の第4シール部46a,46bを、前述と同様な熱シールにより形成する。その後に、第4シール部46a,46bの外側の切断線54に沿って外装シート4を切断し、余分な外装シート4’を除去することで、図7に示す本実施形態のEDLC2が得られる。
なお、上述した実施形態では、外装シート4のX軸方向の同じ側から、同じ極性のリード端子18,18または28,28を引き出しているが、異なる極性のリード端子18,28または28,18を引き出してもよい。本実施形態では、X軸方向の同じ側に引き出されるリード端子相互を、接続片などで直列または並列に接続することで、電池の容量を増やしたり、耐電圧を高めることが可能である。また、本実施形態においても、図1(B)に示すようなサポートシート4f1および4f2を具備させても良い。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば上述した実施形態では、リード端子18,28が、それぞれ集電体層14,24と一体成形され、それぞれの集電体層14,24を延長した集電体層14,24の一部であるが、本発明では、これらは別々に形成しても良い。
また、本発明が適用されるラミネート型の電気化学デバイスとしては、EDLCに限らず、リチウム電池やリチウム電池キャパシタなどにも適用することができる。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例1
図1(A)に示すEDLC2の試料を製造した。図1、図2A、図2Bおよび図4Aに示す寸法関係は、以下の通りであった。すなわち、t0=0.45mm、t1=0.04mm、t2=0.01mm、t3=0.01mm、t4=0.02mm、L0=20mm、L1=3mm、L2=0.5mm、L3=0.1mm、L4=2.5mm、W0=10mm、W1=3mm、W2=5mm、W3=4mm、であった。また、EDLCの容量は、1〜10mFであり、抵抗は1〜10Ωであった。
各試料に関して、それぞれ20個作成し、下記の条件で、ショート確率、剥離強度(引張試験後の歩留まり)、しわの発生(折り曲げ試験後の歩留まり)を評価した。これらの評価は、以下のようにして行った。
ショート確率は、20個のサンプルについて、正と負の両端子を、テスターにより測定し、1MΩ以下の抵抗となった場合をショートと判断し、その割合を求めた。表1に示すように、ショート確率は0%であった。
シール強度は、10個のサンプルについて、60℃および90%の環境下で、100時間放置し、ガス発生によるシール剥離がない場合を良好と判断し、その割合を求めた。表1に示すように、シール強度の良品率は100%であり、良好なことが確認された。
しわの発生は、20個のサンプルを20個作成し、下記の条件で曲げ試験を行い、しわの評価を目視により行った。しわが目視により観察された場合には、不良と判断し、しわが観察されないサンプルの割合を求めた。結果を、表1に示す。表1に示すように、しわ折れが観察されない良品率は100%であり、良好なことが確認された。
なお、曲げ試験の条件は、以下の通りであった。すなわち、カードサイズが80mm×50mmのPETフィルムを二枚重ねて、その間の中央に、各試料を挟んだ。挟んだカードを、80mm方向に高さ2cmまで250回上に曲げ、その後に下に250回曲げた。次に、50mm方向に高さ1cmまで上に250回曲げた。その後に250回下に曲げた。試験方法はJIS X 6305に準拠して行った。
実施例2〜4
t1,t2+t3,t5−t4,(t5−t4)/t4を変化させた以外は、実施例1と同様にしてサンプルを作製し、同様な評価を行った。結果を表1に示す。表1に示すように、実施例1と同様な効果が得られることが確認できた。
比較例1
t2=0mm、t3=0mm、t4=t1=40μm、t5=196μmとし、薄肉領域60を形成しない以外は、実施例1と同様にして試料を作成し、同様な評価を行った。比較例1では、しわ折れの良品率は、66%であり、しわ折れが観察された。
比較例2
t2=0mm、t3=0mm、t4=t1=60μm、t5=196μmとし、薄肉領域60を形成しない以外は、実施例1と同様にして試料を作成し、同様な評価を行った。比較例1では、しわ折れの良品率は、33%であり、しわ折れが観察された。
Figure 0006364739
2,2a,2b… 電気二重層キャパシタ
4… 外装シート
4a… 表面
4a1… 表面シート
4b… 裏面
4b1… 裏面シート
4c… 折り返し周縁部
4d1… 第1シール部側の周縁部
4d2… 第2シール部側の周縁部
4e,4e1,4e2… サイド周縁部
4f… サポートシート
10… 素子本体
11… セパレータ層
12… 第1活性層
14… 第1集電体層
16… 第1内部電極
18… 第1リード端子
22… 第2活性層
24… 第2集電体層
26… 第2内部電極
28… 第2リード端子
40… 第1シール部
42… 第2シール部
44… 第3シール部
46… 第4シール部
60… 薄肉領域
62… 凹部または溝部
66… 先端側境界部
68… 後端側境界部

Claims (9)

  1. セパレータ層を挟むように一対の第1内部電極および第2内部電極が積層してある素子本体と、
    前記素子本体を覆う外装シートと、
    前記第1内部電極に電気的に接続してあり、前記外装シートの外側に引き出される第1リード端子と、
    前記第2内部電極に電気的に接続してあり、前記外装シートの外側に引き出される第2リード端子と、を有する電気化学デバイスであって、
    前記素子本体が電解質溶液で浸漬されるように、前記外装シートの周縁部がシール部で密封され、
    前記第1リード端子と前記第2リード端子とが、それぞれ前記第1内部電極および第2内部電極の幅とほぼ同じ幅を有し、
    前記シール部に対応する位置で、前記第1リード端子および第2リード端子には、リード先端部分よりも厚みが薄い薄肉領域が存在し、
    前記薄肉領域の少なくとも一部は、前記外装シートの周縁部よりも外側に飛び出しており、外側に飛び出している前記薄肉領域も、前記シール部で覆われており、
    前記薄肉領域の最小厚み部分の厚みt4は、前記シール部のトータル厚みt5の2/25〜4/25であり、
    前記外装シートの周縁部に対する前記薄肉領域の端部の突出量(L2)は0.2〜1mmであり、前記薄肉領域の端部に対する前記シール部の突出量(L3)は0.1〜0.5mmであることを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記第1リード端子と前記第2リード端子とが、前記第1内部電極および第2内部電極の長手方向に沿って相互に反対側の位置で、前記シール部の外部に引き出される請求項1に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記第1内部電極は、前記セパレータ層に接触する第1活性層と、前記第1活性層に接触する第1集電体層とを有し、
    前記第2内部電極は、前記セパレータ層に接触する第2活性層と、前記第2活性層に接触する第2集電体層とを有し、
    前記第1リード端子は、前記第1集電体層を延長した前記第1集電体層の一部であり、
    前記第2リード端子は、前記第2集電体層を延長した前記第2集電体層の一部である請求項1または2に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記薄肉領域は、前記第1リード端子および前記第2リード端子の該当部分をプレス成形することで形成してある請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学デバイス。
  5. 前記薄肉領域は、前記第1リード端子および前記第2リード端子の該当部分の表面に凹部または溝部を形成することで形成される請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学デバイス。
  6. 前記シール部の一部は、前記第1リード端子と前記第2リード端子とをそれぞれ挟み込む密封用テープが、前記外装シートの周縁部の間に挟み込まれて熱シールされることで形成される請求項1〜5のいずれかに記載の電気化学デバイス。
  7. 前記シール部から引き出された前記第1リード端子および前記第2リード端子の折れ曲がりを防止するサポートシートをさらに有する請求項1〜6のいずれかに記載の電気化学デバイス。
  8. 前記サポートシートは、前記シール部に位置する前記外装シートの周縁部の一部を外側に延長して形成してなる請求項7に記載の電気化学デバイス。
  9. 前記サポートシートの突出長さが、前記第1リード端子および前記第2リード端子の突出長さよりも長い請求項7または8に記載の電気化学デバイス。
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