JP6705505B2 - 蓄電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、蓄電デバイスに関する。

従来、電気二重層コンデンサや二次電池などの蓄電デバイスが種々知られている。例えば特許文献１には、その一例が記載されている。特許文献１に記載の蓄電デバイスは、正極、セパレータ及び負極の積層体と、電解質と、積層体及び電解質を収納したパッケージとを有する蓄電デバイスが記載されている。

特開２０１２−３３９０７号公報

蓄電デバイスには、蓄電デバイスの信頼性を向上したいという要望がある。

本発明の主な目的は、蓄電デバイスの信頼性を向上することにある。

本発明に係る蓄電デバイスは、デバイス本体と、第１の電極膜と、第２の電極膜とを備える。デバイス本体は、機能部を有する。機能部は、第１の内部電極と、第２の内部電極と、セパレータとの積層体を含む。第１の内部電極は、長さ方向及び幅方向に沿って延びている。第２の内部電極は、第１の内部電極に対して厚み方向に積層されている。セパレータは、第１の内部電極と第２の内部電極との間に配されている。機能部は、第１及び第２の主面と、第１及び第２の側面と、第１及び第２の端面とを有する。第１及び第２の主面は、長さ方向及び幅方向に沿って延びている。第１及び第２の側面は、長さ方向及び厚み方向に沿って延びている。第１及び第２の端面は、幅方向及び厚み方向に沿って延びている。第１の電極膜は、デバイス本体の上に設けられている。第１の電極膜は、第１の内部電極に接続されている。第２の電極膜は、デバイス本体の上に設けられている。第２の電極膜は、第２の内部電極に接続されている。機能部内に、積層体よりも機械的強度が低い部分が設けられている。このため、リフロー時や使用時に機能部内でガスが発生するなどして、機能部の内圧が上昇した際に、機能部の機械的強度が低い部分が優先的に損傷する。よって、機能部のうち、第１及び第２の内部電極が設けられており、蓄電デバイスとしての機能を発揮する積層体部分が損傷しにくい。従って、本発明に係る蓄電デバイスは、信頼性に優れている。

本発明に係る蓄電デバイスでは、機能部の厚み方向における両側の最外層のうちの少なくとも一方に、積層体よりも機械的強度が低い部分が設けられていることが好ましい。

なお、本発明において、機械的強度が低いとは、弾性率が低いことを意味し、機械的強度が高いとは、弾性率が高いことを意味する。弾性率は、例えば、走査型プローブ顕微鏡で測定可能である。

本発明に係る蓄電デバイスでは、機械的強度が低い部分として、中空部が設けられていてもよい。

本発明に係る蓄電デバイスでは、機能部の積層体以外の部分が、複数の層の積層体により構成されており、機能部の積層体以外の部分に、積層体よりも層間剥離が生じやすい部分を有していてもよい。

本発明に係る蓄電デバイスでは、機能部の外装体から露出している部分が第１又は第２の電極膜により覆われていてもよい。

本発明によれば、蓄電デバイスの電気的な信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電デバイスの模式的斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩにおける模式的断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける模式的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態に係る蓄電デバイスの模式的斜視図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける模式的断面図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける模式的断面図である。

図１〜図３に示す蓄電デバイス１は、例えば、電気二重層コンデンサや、二次電池を構成するデバイスである。

蓄電デバイス１は、デバイス本体１０を備えている。図２及び図３に示すように、デバイス本体１０は、機能部１０Ａと、外装体１０Ｂとを有する。

機能部１０Ａは、少なくとも一部が蓄電デバイスとしての機能を発現する部分である。機能部１０Ａは、略直方体状に設けられている。機能部１０Ａは、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂと、第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄ（図３を参照。）と、第１及び第２の端面１０ｅ、１０ｆ（図２を参照。）とを有する。第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂは、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗに沿って延びている。第１の主面１０ａと第２の主面１０ｂとは、厚み方向Ｔにおいて対向している。図３に示すように、第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄは、長さ方向Ｌ及び厚み方向Ｔに沿って延びている。第１の側面１０ｃと第２の側面１０ｄとは、幅方向Ｗにおいて対向している。図２に示すように、第１及び第２の端面１０ｅ、１０ｆは、幅方向Ｗ及び厚み方向Ｔに沿って延びている。第１の端面１０ｅと第２の端面１０ｆとは、長さ方向Ｌにおいて対向している。

機能部１０Ａは、複数の第１の内部電極１１と、複数の第２の内部電極１２と、電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと、第１の最外層１０Ａ１及び第２の最外層１０Ａ２とを備えている。

第１の内部電極１１は、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗに沿って延びている。第１の内部電極１１は、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂと平行に設けられている。第１の内部電極１１は、第１の端面１０ｅ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄに引き出されている一方、第２の端面１０ｆには引き出されていない。

第１の内部電極１１は、第１の集電体１１ａと、第１の活物質層１１ｂ、１１ｃとを有する。

第１の集電体１１ａは、例えば、アルミニウム、銅等の少なくとも一種の金属からなる金属箔により構成することができる。

第１の集電体１１ａの一方側の表面の上に第１の活物質層１１ｂが設けられており、他方側の表面の上に第１の活物質層１１ｃが設けられている。第１の活物質層１１ｂ、１１ｃは、蓄電デバイス１が電気二重層コンデンサを構成している場合には、分極性電極を構成する部材である。この場合、第１の活物質層１１ｂ、１１ｃは、活性炭などの炭素材料を含むことが好ましい。

第２の内部電極１２は、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗに沿って延びている。第２の内部電極１２は、第１の内部電極１１に対して厚み方向Ｔに積層されている。第２の内部電極１２は、第１の内部電極１１と厚み方向Ｔにおいて対向している。第１及び第２の内部電極１１，１２は、厚み方向Ｔに沿って交互に設けられている。

第２の内部電極１２は、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂと平行に設けられている。第２の内部電極１２は、第２の端面１０ｆ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄに引き出されている一方、第１の端面１０ｅには引き出されていない。

第２の内部電極１２は、第２の集電体１２ａと、第２の活物質層１２ｂ、１２ｃとを有する。

第２の集電体１２ａは、例えば、アルミニウム、銅等の少なくとも一種の金属からなる金属箔により構成することができる。

第２の集電体１２ａの一方側の表面の上に第２の活物質層１２ｂが設けられており、他方側の表面の上に第２の活物質層１２ｃが設けられている。第２の活物質層１２ｂ、１２ｃは、蓄電デバイス１が電気二重層コンデンサを構成している場合には、分極性電極を構成する部材である。この場合、第２の活物質層１２ｂ、１２ｃは、活性炭などの炭素材料を含むことが好ましい。

第２の活物質層１２ｃは、第１の活物質層１１ｂと対向している。第２の活物質層１２ｂは、第１の活物質層１１ｃと対向している。

第１の活物質層１１ｂの上には、第１の電解質含有層１３ａが設けられている。第１の活物質層１１ｃの上には、第１の電解質含有層１３ｂが設けられている。第２の活物質層１２ｂの上には、第２の電解質含有層１３ｃが設けられている。第２の活物質層１２ｃの上には、第２の電解質含有層１３ｄが設けられている。これらの第１の内部電極１１と第２の内部電極１２との間に配された電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがセパレータを構成している。電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによって、第１の内部電極１１と第２の内部電極１２とが絶縁されている。

電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、それぞれ、電解質を含有している。電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、それぞれ、電解質を含有したゲルにより構成されていることが好ましい。例えば、ゲルは、高分子ポリエチレンオキサイド系樹脂等を用いることができる。

電解質は、例えば、ＥＭＩＴＦＳＩ（１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド）、ＥＭＩＢＦ４（ホウフッ化１−エチル−３−メチルイミダゾリウム）等のイオン性液体、または，そのイオン性液体をプロピレンカーボネート，アセトニトリル等の有機溶媒に溶かしたものを用いることができる。

第１の活物質層１１ｂと、第２の活物質層１２ｃとは、第１の電解質含有層１３ａと第２の電解質含有層１３ｄとを介して対向している。第１の活物質層１１ｃと、第２の活物質層１２ｂとは、第１の電解質含有層１３ｂと第２の電解質含有層１３ｃとを介して対向している。

第１の最外層１０Ａ１は、機能部１０Ａの第１の主面１０ａ側の最外層に設けられている。第１の最外層１０Ａ１は、接着層１６ａにより接着されている。第１の最外層１０Ａ１は、絶縁部材であれば特に限定されない。第１の最外層１０Ａ１は、例えば、電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと同じ材料により構成されていてもよい。よって、第１の最外層１０Ａ１は、電解質を含浸していてもよい。

第１の最外層１０Ａ２は、機能部１０Ａの第２の主面１０ｂ側の最外層に設けられている。第１の最外層１０Ａ２は、接着層１６ｂにより接着されている。第１の最外層１０Ａ２は、絶縁部材であれば特に限定されない。第１の最外層１０Ａ２は、例えば、電解質含有層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと同じ材料により構成されていてもよい。よって、第１の最外層１０Ａ２は、電解質を含浸していてもよい。

外装体１０Ｂは、機能部１０Ａの外表面の一部を覆っている。具体的には、外装体１０Ｂは、機能部１０Ａの第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄを覆っている。外装体１０Ｂは、第１及び第２の端面１０ｅ、１０ｆを覆っていない。このため、機能部１０Ａの第１及び第２の端面１０ｅ、１０ｆは、外装体１０Ｂから露出している。

外装体１０Ｂは、第１の部分１０Ｂ１と、第２の部分１０Ｂ２と、第３の部分１０Ｂ３と、第４の部分１０Ｂ４とを有する。第１の部分１０Ｂ１は、第１の主面１０ａを覆っている。第２の部分１０Ｂ２は、第２の主面１０ｂを覆っている。図３に示すように、第３の部分１０Ｂ３は、第１の側面１０ｃを覆っている。第４の部分１０Ｂ４は、第２の側面１０ｄを覆っている。

第１の端面１０ｅの上には、第１の外部電極１８が設けられている。この第１の外部電極１８により機能部１０Ａの外装体１０Ｂからの露出部が覆われている。第１の外部電極１８は、第１の端面１０ｅにおいて第１の内部電極１１に電気的に接続されている。

第１の外部電極１８は、第１の電極膜１８ａと、第１の金属キャップ１８ｂとを有する。

第１の電極膜１８ａは、第１の内部電極１１に接続されている。第１の電極膜１８ａは、第１の端面１０ｅを覆うように設けられている。詳細には、第１の電極膜１８ａは、第１の端面１０ｅの実質的に全体を覆っている。第１の電極膜１８ａは、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄの上には位置していない。

第１の金属キャップ１８ｂは、デバイス本体１０の第１の端面１０ｅ側の部分を覆っている。具体的には、第１の金属キャップ１８ｂは、第１の端面１０ｅと、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄのそれぞれの第１の端面１０ｅ側の部分を覆っている。

第１の金属キャップ１８ｂは、第１の電極膜１８ａに電気的に接続されている。

第２の端面１０ｆの上には、第２の外部電極１９が設けられている。この第２の外部電極１９により機能部１０Ａの外装体１０Ｂからの露出部が覆われている。第２の外部電極１９は、第２の内部電極１２に電気的に接続されている。第２の外部電極１９は、第２の電極膜１９ａと、第２の金属キャップ１９ｂとを有する。

第２の電極膜１９ａは、第２の内部電極１２に接続されている。第２の電極膜１９ａは、第２の端面１０ｆを覆うように設けられている。詳細には、第２の電極膜１９ａは、第２の端面１０ｆの実質的に全体を覆うように設けられている。第２の電極膜１９ａは、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄの上には位置していない。

第２の金属キャップ１９ｂは、デバイス本体１０の第２の端面１０ｆ側の部分を覆っている。具体的には、第２の金属キャップ１９ｂは、第２の端面１０ｅと、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂ並びに第１及び第２の側面１０ｃ、１０ｄのそれぞれの第２の端面１０ｆ側の部分を覆っている。

第２の金属キャップ１９ｂは、第２の電極膜１９ａに電気的に接続されている。

本実施形態では、第１及び第２の電極膜１８ａ、１９ａは、それぞれ、溶射膜により構成されている。第１及び第２の電極膜１８ａ、１９ａは、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属により構成することができる。

第１及び第２の金属キャップ１８ｂ、１９ｂは、例えば、アロイ（Ｆｅ−４２Ｎｉ合金）を含む母材やアルミニウム又はアルミニウム合金からなる母材や銅又は銅合金からなる母材と，母材の外表面を覆うＮｉ／Ａｇめっき，又はＮｉ/Ａｕめっきとにより構成することができる。

ところで、蓄電デバイス１のように外装体１０Ｂが設けられた蓄電デバイスにおいては、リフロー時や使用時において温度が上昇することにより気体が発生するなどして、機能部の内圧が上昇する場合がある。機能部の内圧が上昇すると、機能部においてデラミネーション等が発生し、機能部が損傷する虞がある。

それに対して、本実施形態に係る蓄電デバイス１では、機能部１０Ａのうち、第１の外層部１０Ａ１と第２の外層部１０Ａ２との少なくとも一方に、機能部１０Ａの第１及び第２の外層部１０Ａ１、１０Ａ２以外の部分よりも機械的強度が低い脆弱な部分が設けられている。

具体的には、第１の外層部１０Ａ１に中空部１５ａが設けられており、第２の外層部１０Ａ２に中空部１５ｂが設けられている。この構成により、第１及び第２の外層部１０Ａ１，１０Ａ２のうち中空部１５ａ、１５ｂが設けられている部分の機械的強度が低くなっている。このため、機能部１０Ａの内圧が上昇すると、この機能部１０Ａのうち、第１及び第２の内部電極１１，１２が設けておらず、蓄電デバイスとしての機能を発揮せず、機械的強度が低い第１及び第２の外層部１０Ａ１，１０Ａ２が優先的に損傷する。よって、機能部１０Ａのうち、第１及び第２の内部電極１１，１２が設けられており、蓄電デバイス１の機能を発現させている部分が損傷しにくい。従って、蓄電デバイス１は、優れた信頼性を有している。

特に、機能部１０Ａの外装体１０Ｂから露出している部分が第１及び第２の外部電極１８，１９により覆われている場合は、機能部１０Ａの内圧が上昇しやすい。このため、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２の少なくとも一方に、機能部１０Ａの第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２以外の部分よりも機械的強度が低い脆弱な部分を設けることによる蓄電デバイス１の信頼性の向上効果がより顕著に奏される。

なお、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２が電解質を含浸する材料により構成されている場合は、中空部１５ａ、１５ｂに電解質が存在していてもよい。

本実施形態では、機械的強度が低い部分を中空部１５ａ、１５ｂを設けることにより機械的強度が脆弱な部分を構成した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２を複数の層の積層体により構成し、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２の少なくとも一方に、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２以外の部分より層間剥離（デラミネーション）が生じやすい部分を設けることにより、第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２の少なくとも一方に機械的強度が低い部分を設けてもよい。

本実施形態では、機械的強度が相対的に弱い部分を第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２の両方に設ける例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。たとえば、機械的強度が相対的に弱い部分を第１の外層部１０Ａ１及び第２の外層部１０Ａ２の一方にのみ設けてもよい。

なお、上記実施形態では、積層体よりも機械的強度が低い部分が、機能部の厚み方向における両側の最外層のそれぞれに設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明においては、積層体よりも機械的強度が低い部分が設けられている位置は特に限定されない。例えば、積層体よりも機械的強度が低い部分が、積層体の内部に設けられていてもよい。

１ ：蓄電デバイス
１０ ：デバイス本体
１０Ａ ：機能部
１０Ａ１ ：第１の最外層
１０Ａ２ ：第２の最外層
１０Ｂ ：外装体
１０Ｂ１ ：第１の部分
１０Ｂ２ ：第２の部分
１０Ｂ３ ：第３の部分
１０Ｂ４ ：第４の部分
１０ａ ：第１の主面
１０ｂ ：第２の主面
１０ｃ ：第１の側面
１０ｄ ：第２の側面
１０ｅ ：第１の端面
１０ｆ ：第２の端面
１１ ：第１の内部電極
１１ａ ：第１の集電体
１１ｂ ：第１の活物質層
１１ｃ ：第１の活物質層
１２ ：第２の内部電極
１２ａ ：第２の集電体
１２ｂ ：第２の活物質層
１２ｃ ：第２の活物質層
１３ａ、１３ｂ ：第１の電解質含有層
１３ｃ、１３ｄ ：第２の電解質含有層
１５ａ ：中空部
１５ｂ ：中空部
１６ａ、１６ｂ ：接着層
１８ ：第１の外部電極
１８ａ ：第１の電極膜
１８ｂ ：第１の金属キャップ
１９ ：第２の外部電極
１９ａ ：第２の電極膜
１９ｂ ：第２の金属キャップ

Claims (5)

1. 長さ方向及び幅方向に沿って延びる第１の内部電極と、前記第１の内部電極に対して厚み方向に積層された第２の内部電極と、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に配されたセパレータとの積層体を含み、長さ方向及び幅方向に沿って延びる第１及び第２の主面と、前記長さ方向及び厚み方向に沿って延びる第１及び第２の側面と、前記幅方向及び厚み方向に沿って延びる第１及び第２の端面とを有する機能部を有するデバイス本体と、
   前記デバイス本体の上に設けられており、前記第１の内部電極に接続された第１の電極膜と、
   前記デバイス本体の上に設けられており、前記第２の内部電極に接続された第２の電極膜と、
   を備え、
   前記機能部は、前記積層体以外の部分に、前記積層体よりも機械的強度が低い部分が設けられている、蓄電デバイス。
2. 前記機能部の厚み方向における両側の最外層のうちの少なくとも一方に、前記積層体よりも機械的強度が低い部分が設けられている、請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 前記積層体よりも機械的強度が低い部分として、中空部が設けられている、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
4. 前記機能部の前記積層体以外の部分は、複数の層の積層体により構成されており、前記機能部の前記積層体以外の部分に、前記積層体よりも層間剥離が生じやすい部分を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電デバイス。
5. 前記機能部の外装体から露出している部分が前記第１又は第２の電極膜により覆われている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電デバイス。