JP6499043B2 - 電気化学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、充電及び放電が可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスに関する。

近年、大容量キャパシタは、エネルギー回生やロードレベリング（発電負荷分散）等の大電力による繰り返しの充放電が要求される分野での利用が広がっている。このような分野では、長期間安定して使用可能となるように、キャパシタの長寿命化が望まれている。

キャパシタの寿命は、蓄電素子（正極、負極及びセパレータの積層体）の熱劣化に強く依存するため、蓄電素子の放熱について種々の検討がなされている。例えば、特許文献１及び２には、蓄電素子に接続された放熱タブを外部に引き出して積極的に冷却する構造が提案されている。

特開２００７−２７３３４８号公報 特表２０１３−５２８３０６号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の構造では、蓄電素子の温度の不均一な分布を助長するおそれがある。蓄電素子の内部温度が不均一となると、局所的な熱劣化が生じ、
蓄電素子の寿命の短縮が生じる。一方で蓄電素子の内部温度を均一化（局所発熱を拡散）することができれば、蓄電素子の全体が均等に劣化し、長期間安定して使用可能な蓄電素子を実現することが可能となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、局所的な熱劣化を防止することが可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、蓄電素子と、第１の熱伝導体と、第２の熱伝導体とを具備する。
上記蓄電素子は、正極、負極及びセパレータを備え、上記正極及び上記負極が上記セパレータを介して積層されている。
上記第１の熱伝導体は、熱伝導性材料からなり、上記蓄電素子を包む。
上記第２の熱伝導体は、熱伝導性材料からなり、上記第１の熱伝導体で包まれた蓄電素子を複数積層した集合体を包む。

この構成によれば、蓄電素子の内部で局所的な発熱が生じても、第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体を介して熱が分散し、蓄電素子の温度が均一化される。これにより、蓄電素子における熱による劣化速度が均一化され、蓄電素子の充放電性能を長期間安定して維持することが可能となる。

上記正極は、金属箔からなる正極集電体と、上記正極集電体に積層され、正極活物質を含む正極活物質層とを備え、
上記負極は、金属箔からなる負極集電体と、上記負極集電体に積層され、負極活物質を含む負極活物質層とを備え、
上記第１の熱伝導体及び上記第２の熱伝導体は、上記正極集電体及び上記負極集電体と同一の金属材料からなる金属箔であってもよい。

この構成によれば、特定の金属材料からなる金属箔を正極集電体、負極集電体、第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体に利用することができるため、電気化学デバイスの生産性を向上させることが可能である。

上記第１の熱伝導体及び上記第２の熱伝導体は銅箔であってもよい。

銅は熱伝導性が高いため、第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体を銅箔とすることにより、蓄電素子の温度を速やかに均一化することが可能である。

上記電気化学デバイスは、リチウムイオンキャパシタであってもよい。

リチウムイオンキャパシタは、キャパシタの中でも発熱が大きいため、局所的な熱劣化防止の効果が高い。

以上のように、本発明によれば、局所的な熱劣化を防止することが可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスを提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。 同電気化学デバイスの断面図である。 同電気化学デバイスの断面図である。 同電気化学デバイスが備える蓄電素子の断面図である。 同電気化学デバイスが備える蓄電素子及び第１熱伝導体の断面図である。 同電気化学デバイスが備える蓄電素子及び第１熱伝導体の斜視図である。 同電気化学デバイスが備える蓄電素子、第１熱伝導体及び第２熱伝導体の斜視図である。

［電気化学デバイスの構成］
本発明の実施形態に係る電気化学デバイスについて説明する。図１は、本実施形態にか係る電気化学デバイス１０の斜視図であり、図２及び図３は電気化学デバイス１０の断面図である。

これらの図に示すように、電気化学デバイス１０は、外装材１１、正極端子１２、負極端子１３、蓄電素子１４、第１熱伝導体１５、第２熱伝導体１６及び配線１７を供える。

外装材１１は、液室を形成する。外装材１１は、金属箔の表裏に合成樹脂を積層したラミネートフィルムとすることができ、図２及び図３に示すように、２枚の外装材１１の周縁を融着させることによって液室を封止することができる。なお、１枚の外装材１１を折曲げて融着させ、液室を形成してもよい。また、外装材１１はラミネートフィルムに限られず、缶パッケージ等であってもよい。

正極端子１２は、蓄電素子１４の正極に電気的に接続されている。正極端子１２は金属板であり、外装材１１に挟み込まれているものとすることができる。

負極端子１３は、蓄電素子１４の負極に電気的に接続されている。負極端子１３は金属板であり、外装材１１に挟み込まれているものとすることができる。

蓄電素子１４は、蓄電及び放電が可能な素子である。図４は蓄電素子１４を示す断面図である。同図に示すように、蓄電素子１４は、正極１８及び負極１９がセパレータ２０を介して積層された構成を有する。

正極１８は、正極集電体１８１及び正極活物質層１８２を有する。正極集電体１８１は、金属箔であり、ステンレス又はアルミニウム等からなる。正極集電体１８１は配線１７を介して正極端子１２に接続されている。また、正極集電体１８１が直接正極端子１２に接続されてもよい。

正極活物質層１８２は、正極活物質やバインダ等を含む材料からなり、正極集電体１８１の表裏両面に積層されている。正極活物質は例えば活性炭であり、蓄電素子１４の種類に応じて適宜変更することができる。

負極１９は、負極集電体１９１及び負極活物質層１９２を有する。負極集電体１９１は、金属箔であり、銅、鉄、ニッケル又はステンレス等からなる。負極集電体１９１は配線１７を介して負極端子１３に接続されている。また、負極集電体１９１が直接負極端子１３に接続されてもよい。

負極活物質層１９２は、負極活物質やバインダ等を含む材料からなり、負極集電体１９１の表裏両面に積層されている。負極活物質は例えば炭素系材料であり、蓄電素子１４の種類に応じて適宜変更することができる。

セパレータ２０は、正極１８と負極１９の間に配置され、電解液を通過させると共に正極１８と負極１９の接触を防止（絶縁）する。セパレータ２０は、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、セルロース系やポリオレフィン系の材料を使用できる。

図４に示すように、蓄電素子１４は複数の正極１８及び負極１９がセパレータ２０を介して積層されて構成されている。蓄電素子１４を構成する正極１８及び負極１９の数は特に限定されず、一つずつであってもよい。

蓄電素子１４の種類はとくに限定されず、リチウムイオンキャパシタやリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等とすることができる。液室には、蓄電素子１４と共に電解液が収容されている。図２及び図３に示すように、電気化学デバイス１０は複数の蓄電素子１４を備える。

第１熱伝導体１５は、熱伝導性材料からなり、各蓄電素子１４をそれぞれ包む。図５は、一つの蓄電素子１４を包む第１熱伝導体１５を示す断面図であり、図６は複数の蓄電素子１４をそれぞれ包む第１熱伝導体１５を示す斜視図である。これらの図に示すように、第１熱伝導体１５は各蓄電素子１４の周囲に筒状に配設されている。また、第１熱伝導体１５は筒状でなくてもよく、蓄電素子１４の全周を囲む形状であってもよい。この場合、第１熱伝導体１５は配線１７を通過させるための貫通孔を備えるものとすることができる。

第１熱伝導体１５の材料は、熱伝導性が高い金属材料、例えば、銅、鉄、ニッケル又はステンレス等が好適であり、正極集電体１８１及び負極集電体１９１と同一材料が好適である。第１熱伝導体１５は、金属箔とすることができるが、箔に限られない。第１熱伝導体１５の厚さは特に限定されないが、１０μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。この範囲より薄いと熱伝導性が低下する一方、この範囲より厚いと電気化学デバイス１０の体積あたりの蓄電容量が小さくなり、さらにコーナー部付近で隙間ができやすく蓄電素子１４の全面に密着させて形成するのが困難になる。

図５に示すように、第１熱伝導体１５と蓄電素子１４の間はセパレータ２０によって絶縁されているものとすることができる。また、第１熱伝導体１５は負極１９の少なくとも一部に当接し、負極１９と導通してもよい。この場合、第１熱伝導体１５と蓄電素子１４の間にはセパレータ２０を配置する必要がなく、蓄電素子１４の最上層及び最下層は負極１９である必要がある。このような構成によってより効率的に放熱が可能となる。なお、第１熱伝導体１５と正極１８が接触すると、第１熱伝導体１５が酸化され、溶解するおそれがある。

図６に示すように、それぞれが第１熱伝導体１５によって包まれた複数の蓄電素子１４が積層される。蓄電素子１４の積層数は特に限定されず、２つ以上であればよい。各蓄電素子１４を包む第１熱伝導体１５は隣接する蓄電素子１４を包む第１熱伝導体１５に当接する。以下、第１熱伝導体１５によって包まれた蓄電素子１４の集合体を蓄電素子集合体とする。

第２熱伝導体１６は、熱伝導性材料からなり、蓄電素子集合体を包む。図７は第２熱伝導体１６を示す斜視図である。第２熱伝導体１６は、蓄電素子集合体の周囲に筒状に配設されている。また、第２熱伝導体１６は筒状でなくてもよく、蓄電素子１４の全周を囲む形状であってもよい。この場合、第２熱伝導体１６は配線１７を通過させるための貫通孔を備えるものとすることができる。

第２熱伝導体１６は、熱伝導性が高い金属材料、例えば、銅、鉄、ニッケル又はステンレス等が好適であり、第１熱伝導体１５と同一材料が好適である。第２熱伝導体１６は、金属箔とすることができるが、箔に限られない。第２熱伝導体１６の厚さは特に限定されないが、１０μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。この範囲より薄いと熱伝導性が低下する一方、この範囲より厚いと電気化学デバイス１０の体積あたりの蓄電容量が小さくなり、さらにコーナー部付近で隙間ができやすく蓄電素子１４の全面に密着させて形成するのが困難になる。

図７に示すように、第２熱伝導体１６が蓄電素子集合体を包むことにより、第２熱伝導体１６が第１熱伝導体１５に当接する（図２及び図３では便宜上離間している）。必ずしも第２熱伝導体１６の全領域が第１熱伝導体１５に当接している必要はないが、接触面積が大きい方が好適である。

［電気化学デバイスの効果］
電気化学デバイス１０は、正極端子１２及び負極端子１３を介して電源に接続され、蓄電素子１４に充放電がなされる。充放電時には、蓄電素子１４の内部抵抗によって発熱が生じるが、内部抵抗の分布によって局所的な発熱が生じる場合がある。

ここで、各蓄電素子１４はそれぞれが第１熱伝導体１５によって包まれており、さらに、複数の蓄電素子１４が第２熱伝導体１６によって包まれているため、局所的発熱が分散され、温度が均一化される。特に、積層された蓄電素子１４のうち内部に位置する蓄電素子１４の発熱も第１熱伝導体１５を介して第２熱伝導体１６に伝達され、放熱される。これにより、蓄電素子１４の熱による劣化速度が蓄電素子１４の部位間及び他の蓄電素子１４との間で均一化され、蓄電素子１４の充放電性能を長期間安定して維持することが可能となる。

正極及び負極をセパレータを介して積層し、銅箔（第１熱伝導体）によって覆った蓄電素子を複数個積層して蓄電素子集合体を作製した。蓄電素子集合体を銅箔（第２熱伝導体）によって覆い、電解液と共にラミネートパウチ内に封入し、１０００Ｆ級のリチウムイオンキャパシタを作製した。作製したリチウムイオンキャパシタに対して充放試験を実施した。

充放電試験の結果、従来構造のリチウムイオンキャパシタ（第１熱伝導体及び第２熱伝導体を有しないもの）と比較して内部抵抗変化率が低減されることを確認した。これにより、上記実施形態において説明した構造により、蓄電素子において生じた熱が均一化され、蓄電素子の局所的な熱劣化が防止されていることがわかる。

１０…電気化学デバイス
１１…外装材
１２…正極端子
１３…負極端子
１４…蓄電素子
１５…第１熱伝導体
１６…第２熱伝導体
１７…配線
１８…正極
１９…負極

Claims (4)

1. 正極、負極及びセパレータを備え、前記正極及び前記負極が前記セパレータを介して積層された蓄電素子と、
   熱伝導性材料からなり、前記蓄電素子を包む第１の熱伝導体と、
   熱伝導性材料からなり、前記第１の熱伝導体で包まれた蓄電素子を複数積層した集合体を包む第２の熱伝導体と、
   前記第２の熱伝導体で包まれた前記集合体を電解液とともに収容する外装材と
   を具備する電気化学デバイス。
2. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって
   前記正極は、金属箔からなる正極集電体と、前記正極集電体に積層され、正極活物質を含む正極活物質層とを備え、
   前記負極は、金属箔からなる負極集電体と、前記負極集電体に積層され、負極活物質を含む負極活物質層とを備え、
   前記第１の熱伝導体及び前記第２の熱伝導体は、前記正極集電体及び前記負極集電体と同一の金属材料からなる金属箔である
   電気化学デバイス。
3. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記第１の熱伝導体及び前記第２の熱伝導体は銅箔である
   電気化学デバイス。
4. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   リチウムイオンキャパシタである
   電気化学デバイス。