JP7030766B2 - Electrodes of power storage devices and their manufacturing methods - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池、キャパシタ等の蓄電デバイスの電極およびその製造方法に関する。 The present invention relates to electrodes of power storage devices such as secondary batteries and capacitors, and a method for manufacturing the same.

エネルギー削減や地球温暖化防止を目的に様々な分野でキャパシタや二次電池が使用されており、特に自動車産業においては、電気エネルギーを採用したことによりこれらを利用した技術開発が加速されている。
電気二重層キャパシタは、従来、低電圧が印加される電子回路のメモリのバックアップ用として使用されており、二次電池と比較して高い入出力の信頼性を有する。
Capacitors and secondary batteries are used in various fields for the purpose of energy reduction and prevention of global warming. Especially in the automobile industry, the adoption of electric energy is accelerating technological development using these.
The electric double layer capacitor has been conventionally used for backing up the memory of an electronic circuit to which a low voltage is applied, and has high input / output reliability as compared with a secondary battery.

このため、近年では太陽光や風力などの自然エネルギーによる発電や、建設機械、瞬低用電源、電車の回生用電源などに利用されている。自動車への用途としても検討されてきたが、特性、コストが要求に合わず、近年までこの分野での使用実現に至らなかった。しかし、現在では、電子制御ブレーキシステム用に電気二重層キャパシタが使用され、自動車の電装品のバックアップ電源やアイドリングストップシステムの始動用エネルギー供給、ブレーキ制御、動力アシストなどへの用途が検討されている。 For this reason, in recent years, it has been used for power generation by natural energy such as solar power and wind power, construction machinery, power supply for instantaneous reduction, power supply for regeneration of trains, and the like. It has been considered for use in automobiles, but its characteristics and cost do not meet the requirements, and it has not been realized in this field until recent years. However, at present, electric double layer capacitors are used for electronically controlled brake systems, and their applications are being considered for backup power supplies for automobile electrical components, energy supply for starting idling stop systems, brake control, power assist, etc. ..

電気二重層キャパシタの構造は、正負の電極部と、電解液と、対向する正負の電極部の短絡を防止するセパレータとから構成される。電極部は、分極性電極(現在は主に活性炭)、活性炭を保持するためのバインダー、導電助剤(主にカーボンの微粒子)を混練したものを、集電体であるアルミニウム箔(厚さ約20μm)上に何層も塗布する事で形成されている。このような電気二重層キャパシタは例えば特許文献1に開示されている。 The structure of the electric double layer capacitor is composed of a positive and negative electrode portion, an electrolytic solution, and a separator that prevents a short circuit between the opposite positive and negative electrode portions. The electrode part is made by kneading a polarized electrode (currently mainly activated carbon), a binder for holding activated carbon, and a conductive auxiliary agent (mainly carbon fine particles), and aluminum foil (thickness about) which is a current collector. It is formed by applying multiple layers on top of 20 μm). Such an electric double layer capacitor is disclosed in, for example, Patent Document 1.

電気二重層キャパシタの充電は、電解質イオンが溶液内を移動し活性炭の微細孔表面に吸脱着する事で行われる。電気二重層は活性炭粉と電解液が接する界面に形成される。
因みに、通常の活性炭の粒径は、例として約4~8μm、比表面積は、例として1600~2500m/gである。電解液は陽イオン、陰イオン、および溶媒を有し、陽イオンとしてテトラエチルアンモニウム塩、陰イオンとして四フッ化ホウ酸イオンなどが用いられ、溶媒としてプロピレンカーボネートやエチレンカーボネートなどが使用されている。
The electric double layer capacitor is charged by moving electrolyte ions in the solution and adsorbing and desorbing on the surface of the fine pores of the activated carbon. The electric double layer is formed at the interface where the activated carbon powder and the electrolytic solution are in contact with each other.
Incidentally, the particle size of ordinary activated carbon is, for example, about 4 to 8 μm, and the specific surface area is, for example, 1600 to 2500 m 3 / g. The electrolytic solution has a cation, an anion, and a solvent, a tetraethylammonium salt as a cation, a borate tetrafluoride ion as an anion, and the like, and a propylene carbonate, an ethylene carbonate, and the like are used as the solvent.

一方、リチウムイオン二次電池は、主に、正極、負極、セパレータから構成されている。例えば図8に示すように、一般的に正極は集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔に活物質粉、通常はコバルト酸リチウムと、添加物である導電助剤と、バインダーとを練り合わせたものを100μm程度の厚さに塗布したものであり、負極は集電体である銅箔に炭素材料を塗布したものであり、これらを例えばポリエチレンなどのセパレータで分離し、電解液に浸すことにより、リチウムイオン二次電池が構成されている。このようなリチウムイオン二次電池は例えば特許文献2に開示されている。 On the other hand, the lithium ion secondary battery is mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator. For example, as shown in FIG. 8, the positive electrode is generally a 20 μm-thick aluminum foil, which is a current collector, kneaded with active material powder, usually lithium cobalt oxide, an additive, a conductive auxiliary agent, and a binder. The negative electrode is a copper foil that is a current collector coated with a carbon material, and these are separated by a separator such as polyethylene and immersed in an electrolytic solution. , Lithium ion secondary battery is configured. Such a lithium ion secondary battery is disclosed in, for example, Patent Document 2.

充放電は、リチウムイオンが正極と負極との間を移動することで行われ、充電時はリチウムイオンが正極から負極へ移動し、正極のリチウムイオンがなくなるか負極にリチウムイオンが収蔵できなくなったら充電が完了する。放電時はこの逆となる。 Charging and discharging is performed by moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and during charging, lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode, and if the lithium ions in the positive electrode disappear or the negative electrode cannot store lithium ions. Charging is complete. The opposite is true when discharging.

特開2005-086113号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-086113 特開2007-123156号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-123156

近年、電気自動車、エネルギー発電等のパワーデバイス用のキャパシタの開発が進められている。高効率に大容量のエネルギーをキャパシタに出し入れするためには、静電容量を増加させ、電極部の内部抵抗を減らす方法が考えられる。簡単には、活性炭と集電体であるアルミニウム部材の距離を近くし、活性炭を出来る限り多く配置する方法が考えられる。 In recent years, the development of capacitors for power devices such as electric vehicles and energy power generation has been promoted. In order to transfer a large amount of energy to and from the capacitor with high efficiency, a method of increasing the capacitance and reducing the internal resistance of the electrode portion can be considered. A simple method is to make the distance between the activated carbon and the aluminum member which is the current collector close to each other and arrange as many activated carbons as possible.

一般的に、電気二重層キャパシタがリチウムイオン二次電池を主とする二次電池と違う点は、化学反応を伴わず、自己放電によって時間と共に電荷が失われ、蓄電時間が短く、電流の放出時間が短い点である。また、エネルギー密度については、リチウム電池が数百Wh/Lに対して電気二重層キャパシタは数十Wh/Lである。電気二重層キャパシタが、蓄電用ではなく、電装品のバックアップ電源やアイドリングストップシステムの始動用エネルギー、ブレーキ制御、動力アシストなどで検討されているのは、前記の相違による。 In general, electric double layer capacitors differ from secondary batteries, which are mainly lithium-ion secondary batteries, in that they do not involve chemical reactions, charge is lost over time due to self-discharge, storage time is short, and current is emitted. The point is that the time is short. Regarding the energy density, the lithium battery has several hundred Wh / L, while the electric double layer capacitor has several tens Wh / L. The reason why electric double layer capacitors are being studied not for storage but for backup power supply of electrical components, starting energy of idling stop system, brake control, power assist, etc. is due to the above difference.

リチウム電池を主とする二次電池は、比較的エネルギー密度が高く、長時間使用できるので、携帯機器をはじめ様々な分野で使用され、近年、自動車や重機、エネルギー分野等に利用されるようになってきた。しかしながら、依然として、性能(容量、充放電速度、寿命)や製造コストに課題が多く、特に自動車などの大型電池においてその課題が顕著である。例えば、携帯電話で使用される電流は数mAであるが、ハイブリッド車で使用される電流は数百Aとなり、両者の差は10000倍以上である。そのため容量を増やす為の大型化が必要であるが、大型化には、容量をはじめ充電速度、信頼性、製造の難しさなど多くの課題が存在する。 Secondary batteries, mainly lithium batteries, have a relatively high energy density and can be used for a long time, so they are used in various fields including mobile devices, and in recent years, they have been used in automobiles, heavy machinery, energy fields, etc. It has become. However, there are still many problems in performance (capacity, charge / discharge speed, life) and manufacturing cost, and the problems are particularly remarkable in large batteries such as automobiles. For example, the current used in a mobile phone is several mA, but the current used in a hybrid vehicle is several hundred A, and the difference between the two is 10,000 times or more. Therefore, it is necessary to increase the size in order to increase the capacity, but there are many problems in increasing the size, such as capacity, charging speed, reliability, and difficulty in manufacturing.

リチウムイオン二次電池の反応は可逆的な化学反応であり、電極が充放電する際に、活物質の体積が膨張・収縮する。そのため、活物質が集電体から剥離し、充放電特性が劣化する。即ち、常に100%同じ充放電をすることはなく、充放電の能力低下が起こる。ハイブリッド自動車や電気自動車では電池は何年も使用されるので、上記劣化を防ぐために集電体と活物質の剥離を抑える必要がある。 The reaction of the lithium ion secondary battery is a reversible chemical reaction, and the volume of the active material expands and contracts when the electrode is charged and discharged. Therefore, the active material is separated from the current collector and the charge / discharge characteristics are deteriorated. That is, the charge / discharge is not always 100% the same, and the charge / discharge capacity is reduced. Since batteries are used for many years in hybrid vehicles and electric vehicles, it is necessary to suppress the separation of the current collector and the active material in order to prevent the above deterioration.

また、リチウムイオン電池の最大の課題に内部抵抗がある。内部抵抗とはリチウムイオンが電池内部の正極と負極で電解質の中を移動する際の抵抗といえるが、この移動抵抗が、容量を大きくすることができない、又は充放電速度を速くできない主な理由である。
大型化の為に集電体に多くの活物質を塗布すると容量は増加するが、移動抵抗が大きくなる。その為、現在、その厚みには限界がある。また、その抵抗により充放電速度が遅くなっている。塗布厚を薄くすると内部抵抗は低減し充放電速度は速くなるが、容量が減少する。その為、活物質を塗布した集電体を何重にも重ねたり、活物質を塗布した集電体の面積を広げたりする必要が生じる。
In addition, the biggest problem with lithium-ion batteries is internal resistance. The internal resistance can be said to be the resistance when lithium ions move in the electrolyte between the positive and negative electrodes inside the battery, but this movement resistance is the main reason why the capacity cannot be increased or the charge / discharge speed cannot be increased. Is.
If a large amount of active material is applied to the current collector to increase the size, the capacity will increase, but the movement resistance will increase. Therefore, there is currently a limit to its thickness. Moreover, the charge / discharge speed is slowed down due to the resistance. When the coating thickness is reduced, the internal resistance is reduced and the charge / discharge speed is increased, but the capacity is reduced. Therefore, it is necessary to stack the current collectors coated with the active material in multiple layers or to expand the area of the current collectors coated with the active material.

充電や放電の速さは、リチウムイオンの発生量にも起因する。一度に多くのイオンが作り出され一度に移動できれば、充電速度や放電速度は速くなる。二次電池の化学反応は電解質との界面で起こるので、電極と電解質との接触面積を増やすことができれば、充放電速度も改善される。 The speed of charging and discharging is also due to the amount of lithium ions generated. If many ions are produced at one time and can move at one time, the charging speed and discharging speed will be faster. Since the chemical reaction of the secondary battery occurs at the interface with the electrolyte, if the contact area between the electrode and the electrolyte can be increased, the charge / discharge rate will also be improved.

内部抵抗を減らすために、添加物の改良、導電助剤や活物質の改良、また集電体の上に予めカーボンの微粒子を塗布するなどの工夫が実施されている。また、集電体の形状においても、前述のように出来るだけ薄膜にする改善や、箔に細かい穴等を形成して表面積を大きくする改善が行われている。また、電気二重層キャパシタにおいても同様に活性炭や添加剤の改良、集電体との接触面積を増やすなどの研究開発が行われている。 In order to reduce the internal resistance, measures such as improvement of additives, improvement of conductive aids and active materials, and application of carbon fine particles on the current collector in advance have been implemented. Further, the shape of the current collector has also been improved to make it as thin as possible as described above, and to increase the surface area by forming fine holes or the like in the foil. Similarly, in electric double layer capacitors, research and development are being carried out such as improvement of activated carbon and additives, and increase of contact area with current collectors.

前述のように、蓄電デバイスである電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池などの二次電池においては、電気自動車、ハイブリッド車、ハイパワーエネルギーデバイス用に、大容量化、高出力化、長寿命化、コスト低減に向けた取組みが行われている。 As mentioned above, in secondary batteries such as electric double layer capacitors and lithium ion secondary batteries, which are power storage devices, large capacity, high output, and long life are used for electric vehicles, hybrid vehicles, and high power energy devices. Efforts are being made to reduce costs.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蓄電デバイスの充放電速度を向上することができる蓄電デバイスの電極およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrode of a power storage device capable of improving the charge / discharge speed of the power storage device and a method for manufacturing the electrode.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第1の態様の蓄電デバイスの電極の製造方法は、アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、バインダーとを含む液状又はゲル状のスラリーを作成するスラリー作成工程と、前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって前記アルミニウム又は銅の短繊維が集電体として機能する電極を形成する乾燥工程とを有する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
In the method for manufacturing an electrode of a power storage device according to the first aspect of the present invention, short fibers of aluminum or copper, an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging, or an active material powder to chemically react during charging / discharging, and a binder are used. The short fibers of aluminum or copper are collected by a slurry making step of making a liquid or gel-like slurry containing the slurry, a molding step of molding the slurry into a predetermined shape, and drying the slurry molded into the predetermined shape. It has a drying step of forming an electrode that functions as an electric body.

当該態様では、所定形状に成形したスラリーを乾燥させると、アルミニウム又は銅の短繊維同士が電気的に接続され、短繊維により不織布状集電体又は分散した短繊維同士が接続された集電体が形成される。また、スラリー内では短繊維と吸着物質粉又は活物質粉とが混ぜられているので、スラリーを乾燥させると、集電体の短繊維の間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉が入り込む。このため、吸着物質粉又は活物質粉が短繊維に直接接触し、又は、短繊維の近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉とアルミニウム又は銅の短繊維との間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 In this embodiment, when the slurry formed into a predetermined shape is dried, the short fibers of aluminum or copper are electrically connected to each other, and the non-woven fabric-like current collector or the dispersed short fibers are connected to each other by the short fibers. Is formed. Further, since the short fibers and the adsorbent powder or the active material powder are mixed in the slurry, when the slurry is dried, the adsorbent powder or the active material powder is formed in the gaps formed between the short fibers of the current collector. Enters. Therefore, the adsorbent powder or the active material powder is in direct contact with the short fibers or is arranged in the vicinity of the short fibers, and electrons are exchanged between the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers of aluminum or copper. When done, the movement resistance can be reduced.

上記態様のスラリー作成工程において、前記アルミニウム又は銅の短繊維と、前記吸着物質粉又は前記活物質粉と、前記バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維とを含む前記スラリーを作成することも可能である。
この場合、電極となった際に、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触していない場合でも、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とがカーボン繊維を介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触している場合でも、カーボン繊維による接続があることによって、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維との間の電気抵抗が更に低減される。
In the slurry preparation step of the above embodiment, the slurry containing the short fibers of aluminum or copper, the adsorbent powder or the active material powder, the binder, and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less is obtained. It is also possible to create it.
In this case, even when the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers are not in direct contact with each other when the electrodes are formed, the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers are electrically connected to each other via the carbon fibers. Connected to. Further, even when the adsorbent powder or the active material powder is in direct contact with the short fibers, the electric resistance between the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers is further increased by the connection by the carbon fibers. It will be reduced.

また、上記態様において、前記成形工程の前に前記スラリーを前記バインダーが完全に硬化しない状態まで乾燥させる前乾燥をさらに行うことも可能である。この場合、成形工程前のスラリーを成形し易くなるので、製造される電極の品質向上や製造コストの低減を行う上で有利である。 Further, in the above embodiment, it is also possible to further perform pre-drying in which the slurry is dried until the binder is not completely cured before the molding step. In this case, since the slurry before the molding process can be easily molded, it is advantageous in improving the quality of the manufactured electrodes and reducing the manufacturing cost.

本発明の第2の態様の蓄電デバイスの電極は、平均長さが25mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維から成る集電体と、該集電体の前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉とを備える。 The electrode of the power storage device according to the second aspect of the present invention is formed between a current collector made of short fibers of aluminum or copper having an average length of 25 mm or less and the short fibers of aluminum or copper of the current collector. It is provided with an adsorbent powder that has entered the gap and is adsorbed by electrolyte ions during charging or an active material powder that chemically reacts during charging and discharging.

当該態様では、集電体の短繊維の間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉が入り込んでいるので、吸着物質粉又は活物質粉が短繊維に直接接触し、又は、短繊維の近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉と各アルミニウム又は銅の短繊維との間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 In this embodiment, since the adsorbent powder or the active material powder has entered the gap formed between the short fibers of the current collector, the adsorbent powder or the active material powder comes into direct contact with the short fibers or the staple fibers. It is arranged in the vicinity of the above, and when the transfer of electrons is performed between the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers of each aluminum or copper, the movement resistance thereof can be reduced.

上記態様において、前記集電体の隙間に入り込んだ平均太さが0.5μm以下のカーボン繊維をさらに備えていても良い。
この場合、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触していない場合でも、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とがカーボン繊維を介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触している場合でも、カーボン繊維による接続があることによって、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維との間の電気抵抗が更に低減される。
In the above embodiment, carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less that have entered the gaps of the current collector may be further provided.
In this case, even when the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers are not in direct contact with each other, the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers are electrically connected via the carbon fibers. Further, even when the adsorbent powder or the active material powder is in direct contact with the short fibers, the electric resistance between the adsorbent powder or the active material powder and the short fibers is further increased by the connection by the carbon fibers. It will be reduced.

上記態様において、前記集電体が、2本の前記アルミニウム又は銅の短繊維が交差するように接触している部分を少なくとも1箇所有し、該交差部分において前記2本のアルミニウム又は銅の繊維が互いに食い込んでいても良い。
この場合、短繊維同士の接触部における電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
また、上記態様において、前記アルミニウムとして純度が99.9%以上のアルミニウムを用いることが好ましい。
In the above embodiment, the collector has at least one portion where the two aluminum or copper staple fibers are in contact with each other so as to intersect, and the two aluminum or copper fibers at the intersecting portion. May bite into each other.
In this case, the movement resistance of electrons at the contact portion between the short fibers can be reduced, which is advantageous in reducing the resistance of electrons moving to the input / output terminals.
Further, in the above embodiment, it is preferable to use aluminum having a purity of 99.9% or more as the aluminum.

本発明によれば、蓄電デバイスの充放電速度を向上することができる。 According to the present invention, the charge / discharge speed of the power storage device can be improved.

本発明の一実施形態に係る電極の断面イメージ図である。It is sectional drawing of the electrode which concerns on one Embodiment of this invention. 本実施形態のスラリーの製造方法の概略図である。It is a schematic diagram of the manufacturing method of the slurry of this embodiment. 本実施形態のスラリーを所定の形状に成形する方法の概略図である。It is a schematic diagram of the method of molding the slurry of this embodiment into a predetermined shape. 本実施形態のスラリーを所定の形状に成形する他の方法の概略図である。It is a schematic diagram of another method of molding the slurry of this embodiment into a predetermined shape. 本実施形態の第1の変形例に係る電極の断面イメージ図である。It is sectional drawing of the electrode which concerns on the 1st modification of this embodiment. 本実施形態の第2の変形例に係る電極の断面イメージ図である。It is sectional drawing of the electrode which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態の電極を用いたコイン型二次電池の断面図である。It is sectional drawing of the coin type secondary battery using the electrode of this embodiment. 従来のコイン型二次電池の断面図である。It is sectional drawing of the conventional coin type secondary battery. 本実施形態の電極を用いた電気二重層キャパシタの断面図である。It is sectional drawing of the electric double layer capacitor using the electrode of this embodiment.

本発明の一実施形態に係る電極について図面を参照して以下に説明する。
この電極は、図1に示すように、平均線径が100μm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維Aから成る不織布状、又は、短繊維Aが互いに接触するように配置された集電体10と、集電体10にバインダーBにより保持されて充放電時に化学反応する活物質粉20とを備え、必要に応じて集電体10にバインダーBにより保持された導電助剤30を備えている。
An electrode according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, this electrode is in the form of a non-woven fabric made of short fibers A of aluminum or copper having an average wire diameter of 100 μm or less, or is a current collector 10 arranged so that the short fibers A are in contact with each other. The current collector 10 is provided with an active material powder 20 that is held by the binder B and chemically reacts during charging and discharging, and the current collector 10 is provided with a conductive auxiliary agent 30 held by the binder B, if necessary.

なお、図1は本実施形態の構成をわかりやすく示すための図であり、短繊維A、活物質粉20、導電助剤30、カーボン繊維CF等の大きさ、太さ、長さ等は実際と異なる。また、図1において、集電体10に、活物質粉20の代わりに、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉を保持させることも可能である。 Note that FIG. 1 is a diagram for showing the configuration of the present embodiment in an easy-to-understand manner, and the sizes, thicknesses, lengths, etc. of the short fibers A, the active material powder 20, the conductive auxiliary agent 30, the carbon fiber CF, etc. are actually shown. Different from. Further, in FIG. 1, it is also possible to cause the current collector 10 to hold the adsorbent powder to which the electrolyte ion is adsorbed during charging instead of the active material powder 20.

[集電体となるアルミニウムの短繊維の成形]
アルミニウム又は銅の短繊維Aは、一例として、平均長さが25mm以下、好ましくは20mm以下、より好ましくは15mm以下であり、平均線径が50μm以下、好ましくは25μm以下である。アルミニウム又は銅の短繊維Aは、例えば、断面円形のアルミニウム又は銅の柱状部材に切削工具を当てるビビリ振動切削法や、フライス切削法により成形される。前記線径や長さを有するアルミニウム又は銅の短繊維を他の方法で成形することも可能である。
[Molding of short aluminum fibers that serve as current collectors]
As an example, the aluminum or copper staple fiber A has an average length of 25 mm or less, preferably 20 mm or less, more preferably 15 mm or less, and an average wire diameter of 50 μm or less, preferably 25 μm or less. The short fibers A of aluminum or copper are formed by, for example, a chatter vibration cutting method in which a cutting tool is applied to a columnar member of aluminum or copper having a circular cross section, or a milling cutting method. It is also possible to mold aluminum or copper staple fibers having the wire diameter and length by other methods.

[電極の成形]
先ず、アルミニウム又は銅の短繊維Aと、充放電時に化学反応する活物質粉20と、導電助剤30と、バインダーBとを含む液状又はゲル状のスラリーSを作成する。当該スラリーSはアルミニウム又は銅の短繊維Aと、活物質粉20と、導電助剤30と、希釈したバインダーBとの混合物を混練することにより作成される。アルミニウム又は銅の短繊維Aは平均長さが25mm以下であることから、スラリーS中においてアルミニウム又は銅の短繊維A、活物質粉20、および導電助剤30が混ざり易い。短繊維Aの平均長さが15mm以下になると、より混ざり易くなる傾向がある。
[Electrode molding]
First, a liquid or gel-like slurry S containing short fibers A of aluminum or copper, an active material powder 20 that chemically reacts during charging and discharging, a conductive auxiliary agent 30, and a binder B is prepared. The slurry S is prepared by kneading a mixture of short fibers A of aluminum or copper, active material powder 20, a conductive auxiliary agent 30, and a diluted binder B. Since the aluminum or copper staple fiber A has an average length of 25 mm or less, the aluminum or copper staple fiber A, the active material powder 20, and the conductive auxiliary agent 30 are likely to be mixed in the slurry S. When the average length of the staple fibers A is 15 mm or less, they tend to be more easily mixed.

続いて、スラリーSの粘度を上げるために前乾燥を行う。前乾燥は、バインダーBが完全に硬化しない状態まで乾燥させ、これによりスラリーSを所定の形状に成形し易くするものであるため、バインダーBの粘度に応じて省くことができる。
続いて、図3のようにスラリーSを型内に入れると共にスラリーSを加圧する。これにより、スラリーSを電極のサイズに応じた所定の厚さ等に成形する。なお、図4に示すように、一対のローラの間にスラリーSを通すことによりスラリーSを加圧し、これによりスラリーSを電極のサイズに応じた所定の厚さに成形することも可能である。型やローラによりスラリーSの厚さを調整した後に、スラリーSを切断して所定の形状(大きさ)に成形することも可能である。
Subsequently, pre-drying is performed to increase the viscosity of the slurry S. The pre-drying is to dry the binder B to a state where it is not completely cured, thereby facilitating the formation of the slurry S into a predetermined shape, and thus it can be omitted depending on the viscosity of the binder B.
Subsequently, as shown in FIG. 3, the slurry S is placed in the mold and the slurry S is pressurized. As a result, the slurry S is formed into a predetermined thickness or the like according to the size of the electrode. As shown in FIG. 4, it is also possible to pressurize the slurry S by passing the slurry S between the pair of rollers, thereby forming the slurry S into a predetermined thickness according to the size of the electrode. .. After adjusting the thickness of the slurry S with a mold or a roller, it is also possible to cut the slurry S and form it into a predetermined shape (size).

続いて、成形されたスラリーSを真空乾燥等により乾燥させる乾燥工程を行う。これにより、スラリーS中のバインダーBを硬化させ、バインダーBによりスラリーS中の活物質粉20と導電助剤30を集電体10の短繊維Aに保持させる。なお、スラリーS中の短繊維Aの量によっては、スラリーSを乾燥させた後に、乾燥させたスラリーSの中に短繊維Aが分散すると共に互いに近傍に配置された短繊維A同士が直接接触し、又は、互いに近傍に配置された短繊維A同士が活物質粉20や導電助剤30を介して電気的に接続され、これによりスラリーS中に分散した短繊維Aによって集電体10が形成されることもある。この場合でも、スラリーS中の活物質粉20と導電助剤30の少なくとも一部が短繊維Aに保持される。 Subsequently, a drying step of drying the molded slurry S by vacuum drying or the like is performed. As a result, the binder B in the slurry S is cured, and the active material powder 20 and the conductive auxiliary agent 30 in the slurry S are held by the short fibers A of the current collector 10 by the binder B. Depending on the amount of the staple fibers A in the slurry S, after the staples S are dried, the staple fibers A are dispersed in the dried staples S and the staple fibers A arranged in the vicinity of each other are in direct contact with each other. Alternatively, the short fibers A arranged in the vicinity of each other are electrically connected to each other via the active material powder 20 and the conductive auxiliary agent 30, whereby the short fibers A dispersed in the slurry S cause the current collector 10 to be formed. It may be formed. Even in this case, at least a part of the active material powder 20 and the conductive auxiliary agent 30 in the slurry S is held by the staple fibers A.

なお、乾燥工程後の集電体10を加圧する加圧工程を行うことも可能である。加圧工程としては、集電体10を一対のローラ間に通す処理、集電体10を一対の平面で挟む処理、又は型によって集電体10を加圧する処理等を行うことが可能である。 It is also possible to perform a pressurizing step of pressurizing the current collector 10 after the drying step. As the pressurizing step, it is possible to perform a process of passing the current collector 10 between a pair of rollers, a process of sandwiching the current collector 10 between a pair of planes, a process of pressurizing the current collector 10 by a mold, and the like. ..

アルミニウム又は銅を用いることにより、特に好ましくは純度が99.9%以上、より好ましくは純度が99.99%以上のアルミニウムを用いることにより、図3や図4の加圧や、乾燥工程後の集電体10の加圧を行う際に、加圧力を調整することにより、短繊維A同士が交差するように接触している部分において、交差している2本の端繊維Aを互いに食い込むように変形させることが可能である。つまり、前記接触している部分で短繊維Aが偏平し、これにより、交差している2本の端繊維Aが互いに食い込んでいるように見える。 By using aluminum or copper, particularly preferably by using aluminum having a purity of 99.9% or more, and more preferably by using aluminum having a purity of 99.99% or more, after the pressurization and drying steps of FIGS. 3 and 4. By adjusting the pressing force when pressurizing the current collector 10, the two intersecting end fibers A bite into each other at the portion where the short fibers A are in contact with each other so as to intersect with each other. It is possible to transform it into. That is, the short fibers A are flattened at the contacting portion, so that the two intersecting end fibers A appear to bite into each other.

この場合、短繊維A同士の接触部における電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
なお、活物質粉20を含むスラリーSではなく、活物質粉20の代わりに充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉を含むスラリーSを作成することも可能である。この場合、前記乾燥工程後の集電体10の短繊維Aに活物質粉20の代わりに吸着物質粉が保持される。
In this case, the movement resistance of electrons at the contact portion between the short fibers A can be reduced, which is advantageous in reducing the resistance of electrons moving to the input / output terminals.
It is also possible to prepare a slurry S containing an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging instead of the slurry S containing the active material powder 20. In this case, the adsorbent powder is held in place of the active material powder 20 in the short fibers A of the current collector 10 after the drying step.

[活物質粉]
活物質粉20としては、バインダーB等によって集電体10に保持可能なものや、集電体10と共に硬化したバインダーBに保持されるものであれば良く、サイクル特性に優れたものが好ましい。活物質の例としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)やリン酸鉄系の活物質、グラファイト等の炭素材が挙げられる。なお、二次電池の正極および負極に用いられる公知の活物質を使用することが可能である。
[Active substance powder]
The active material powder 20 may be one that can be held in the current collector 10 by a binder B or the like, or one that can be held in the binder B cured together with the current collector 10, and is preferably one having excellent cycle characteristics. Examples of the active material include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), iron phosphate-based active materials, and carbon materials such as graphite. It is possible to use known active materials used for the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery.

[吸着物質粉]
活物質粉20の代わりに用いる上記吸着物質粉としては、バインダーB等によって集電体10に保持可能なものや、集電体10と共に硬化したバインダーBに保持されるものであれば良く、サイクル特性に優れたものが好ましい。吸着物質粉の例としてはポリアセン(PAS)、ポリアニリン(PAN)、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ等が挙げられる。なお、電気二重層キャパシタの正極および負極に用いられる公知の物質を用いることが可能である。
[Adsorbent powder]
The adsorbent powder used in place of the active material powder 20 may be one that can be held in the current collector 10 by a binder B or the like, or one that can be held in the binder B cured together with the current collector 10. Those with excellent characteristics are preferable. Examples of the adsorbent powder include polyacene (PAS), polyaniline (PAN), activated carbon, carbon black, graphite, carbon nanotubes and the like. It is possible to use known substances used for the positive electrode and the negative electrode of the electric double layer capacitor.

活物質粉20や吸着物質粉は乳鉢、ボールミル、振動ボールミル等を用いて粉砕し、平均粒径を所定値以下にすることが好ましい。所定値としては、集電体10の短繊維Aの平均線径に10μmを加えた値などが考えられる。例えば、短繊維Aの平均線径が20μmの場合は、活物質粉20や吸着物質粉の平均粒径は30μm以下にすることが好ましい。これにより、集電体10の短繊維Aと活物質粉20又は吸着物質粉との接触面積が増加し、充放電速度の向上に貢献し得る。 It is preferable that the active substance powder 20 and the adsorbed substance powder are pulverized using a mortar, a ball mill, a vibrating ball mill, or the like to reduce the average particle size to a predetermined value or less. As a predetermined value, a value obtained by adding 10 μm to the average wire diameter of the short fibers A of the current collector 10 can be considered. For example, when the average wire diameter of the staple fiber A is 20 μm, the average particle size of the active material powder 20 and the adsorbent material powder is preferably 30 μm or less. As a result, the contact area between the short fibers A of the current collector 10 and the active material powder 20 or the adsorbent material powder increases, which can contribute to the improvement of the charge / discharge rate.

[バインダー]
バインダーBとしては、熱可塑性樹脂や多糖類高分子材料等を用いることが可能である。バインダーの材質の例としては、ポリアクリル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体等が挙げられる。なお、二次電池や電気二重層キャパシタの電極に用いられる公知のバインダーを用いることが可能である。
[binder]
As the binder B, a thermoplastic resin, a polysaccharide polymer material, or the like can be used. Examples of the material of the binder include a polyacrylic resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP), and the like. .. It is possible to use a known binder used for an electrode of a secondary battery or an electric double layer capacitor.

[導電助剤]
導電助剤30としては、導電性を有する材質であれば良く、電解質や溶媒によって化学変化しない材質であることが好ましい。導電助剤30の例としては、黒鉛やカーボンブラックが挙げられる。なお、二次電池や電気二重層キャパシタの電極に用いられる公知の導電助剤を用いることが可能である。
[Conductive aid]
The conductive auxiliary agent 30 may be any material having conductivity, and is preferably a material that does not chemically change depending on the electrolyte or the solvent. Examples of the conductive auxiliary agent 30 include graphite and carbon black. It is possible to use a known conductive auxiliary agent used for an electrode of a secondary battery or an electric double layer capacitor.

上記のように作られた電極は、電気二重層キャパシタ、二次電池、リチウムイオンキャパシタを含むハイブリットキャパシタ等の蓄電デバイスの電極として用いることが可能である。例えば、電気二重層キャパシタの正極および負極に用いることが可能であり、二次電池の例としてリチウムイオン二次電池の正極および負極に用いることが可能であり、リチウムイオンキャパシタの正極および負極に用いることが可能である。その適用例は後述する。 The electrodes made as described above can be used as electrodes for storage devices such as electric double layer capacitors, secondary batteries, and hybrid capacitors including lithium ion capacitors. For example, it can be used for the positive electrode and the negative electrode of an electric double layer capacitor, and can be used for the positive electrode and the negative electrode of a lithium ion secondary battery as an example of a secondary battery, and is used for the positive electrode and the negative electrode of a lithium ion capacitor. It is possible. An example of its application will be described later.

なお、前記スラリーSとして、活物質粉20と、導電助剤30と、バインダーBに加えて、平均太さが0.5μm以下、好ましくは0.3μm以下であるカーボン繊維CFの粉末を含むスラリーを用いることも可能である。この場合、図5に示すように、集電体10内に形成されている隙間にカーボン繊維CFが配置される。 The slurry S contains, in addition to the active material powder 20, the conductive auxiliary agent 30, and the binder B, a powder of carbon fiber CF having an average thickness of 0.5 μm or less, preferably 0.3 μm or less. It is also possible to use. In this case, as shown in FIG. 5, the carbon fiber CF is arranged in the gap formed in the current collector 10.

カーボン繊維CFは、短繊維Aや、活物質粉20や、導電助剤30や、他のカーボン繊維CFに接触する。本実施形態では、平均太さが0.1~0.2μm、長さ20~200μm程度のカーボン繊維CFを用いる。なお、カーボン系導電助剤30の抵抗率は0.1~0.3Ω・cmであるのに対し、カーボン繊維CFの抵抗率は例えば5×10-5Ω・cmである。 The carbon fiber CF comes into contact with the staple fiber A, the active material powder 20, the conductive auxiliary agent 30, and other carbon fiber CF. In this embodiment, carbon fiber CF having an average thickness of 0.1 to 0.2 μm and a length of about 20 to 200 μm is used. The resistivity of the carbon-based conductive auxiliary agent 30 is 0.1 to 0.3 Ω · cm, whereas the resistivity of the carbon fiber CF is, for example, 5 × 10 -5 Ω · cm.

例えば、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触していない場合でも、当該活物質粉20と短繊維Aとがカーボン繊維CFを介して電気的に接続される。また、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触している場合でも、カーボン繊維CFによる接続があることによって、当該活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗が更に低減される。
このように、導電性が良いカーボン繊維CFにより、活物質粉20と短繊維Aとの間の電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
For example, even when the active material powder 20 and the short fibers A are not in direct contact with each other, the active material powder 20 and the short fibers A are electrically connected via the carbon fiber CF. Further, even when the active material powder 20 and the short fibers A are in direct contact with each other, the electrical resistance between the active material powder 20 and the short fibers A is further reduced due to the connection by the carbon fiber CF. ..
As described above, the carbon fiber CF having good conductivity can reduce the resistance of electrons to move between the active material powder 20 and the staples A, and can reduce the resistance of electrons to move to the input / output terminals. It is advantageous.

なお、導電助剤30を含まずカーボン繊維CFを含むスラリーを用いて電極を製造することも可能である。この場合も、図6に示すように、集電体10内に形成されている隙間にカーボン繊維CFが配置され、当該構成は活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗を低減する上で有利である。なお、図5および図6は本実施形態の構成をわかりやすく示すための図であり、短繊維A、活物質粉20、導電助剤30、カーボン繊維CF等の大きさ、太さ、長さは実際と異なる場合がある。
なお、電気抵抗の低減を効率的に行うために、カーボン繊維CFの平均長さは、活物質粉20や吸着物質粉の平均粒径の半分以上であることが好ましく、当該平均粒径の2/3以上であることがより好ましい。
It is also possible to manufacture an electrode using a slurry containing carbon fiber CF without containing the conductive auxiliary agent 30. Also in this case, as shown in FIG. 6, the carbon fiber CF is arranged in the gap formed in the current collector 10, and the configuration reduces the electric resistance between the active material powder 20 and the short fibers A. It is advantageous on. 5 and 6 are views for showing the configuration of the present embodiment in an easy-to-understand manner, and are the sizes, thicknesses, and lengths of the staple fibers A, the active material powder 20, the conductive auxiliary agent 30, the carbon fiber CF, and the like. May differ from the actual one.
In order to efficiently reduce the electrical resistance, the average length of the carbon fiber CF is preferably half or more of the average particle size of the active material powder 20 and the adsorbent material powder, and is 2 of the average particle size. It is more preferable that it is / 3 or more.

[コイン型二次電池への適用]
図7に本実施形態の電極を用いたコイン型二次電池の一例を示す。このコイン型二次電池は、ケース本体102と蓋101とを有するケース(外装缶)100と、ケース100に収容された蓄電部とを備えている。蓄電部は、正極110として本実施形態のアルミニウムから成る短繊維Aを用いた電極を備えている。また、正極110と対抗する負極120と、正極110と負極120との間に配置されたセパレータ130とを有する。正極110がケース本体102に面接触し、負極120が蓋101に面接触し、これにより、蓋101およびケース本体102が正極110および負極120の入出力端子として機能する。
[Application to coin-type secondary batteries]
FIG. 7 shows an example of a coin-type secondary battery using the electrodes of the present embodiment. This coin-type secondary battery includes a case (exterior can) 100 having a case main body 102 and a lid 101, and a power storage unit housed in the case 100. The power storage unit includes an electrode using the short fiber A made of aluminum of the present embodiment as the positive electrode 110. Further, it has a negative electrode 120 that opposes the positive electrode 110 and a separator 130 that is arranged between the positive electrode 110 and the negative electrode 120. The positive electrode 110 comes into surface contact with the case body 102, and the negative electrode 120 comes into surface contact with the lid 101, whereby the lid 101 and the case body 102 function as input / output terminals for the positive electrode 110 and the negative electrode 120.

この場合、正極110に用いられる集電体10には正極用の活物質粉20が保持されている。また、負極120は公知の二次電池の負極の構造および材質を有していれば良く、リチウムイオン二次電池の場合は活物質として例えばグラファイト等の炭素材が用いられ、集電体として銅箔が用いられる。セパレータ130は正極110と負極120とを電気的に絶縁し、イオン透過性があり、正極110および負極120との接触面で酸化・還元に対する耐性を有するものであれば良い。例えば、多孔質のポリマーや無機材料、有機と無機のハイブリット材料、ガラス繊維等を用いることが可能である。なお、二次電池に用いられる公知のセパレータを用いることが可能である。 In this case, the active material powder 20 for the positive electrode is held in the current collector 10 used for the positive electrode 110. Further, the negative electrode 120 may have a structure and material of a known negative electrode of a secondary battery, and in the case of a lithium ion secondary battery, a carbon material such as graphite is used as an active material, and copper is used as a current collector. Foil is used. The separator 130 may be any as long as it electrically insulates the positive electrode 110 and the negative electrode 120, has ion permeability, and has resistance to oxidation / reduction at the contact surface between the positive electrode 110 and the negative electrode 120. For example, porous polymers and inorganic materials, organic and inorganic hybrid materials, glass fibers and the like can be used. It is possible to use a known separator used for a secondary battery.

前記蓄電部を収容したケース100内には電解液が満たされている。電解液の電解質としてリチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等を使用可能であり、リチウムイオン二次電池の場合はリチウム塩が用いられる。電解質が溶解する溶媒としては非水系溶媒が用いられ、非水系溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エステル等を用いることが可能である。なお、二次電池に用いられる公知の電解質および溶媒を用いることが可能である。充放電が行われる際に、正極110の活物質粉20からリチウムイオン等のイオンが電解液中に放出される化学反応や、活物質粉20にリチウムイオン等のイオンが取り込まれる化学反応が起きる。 The case 100 containing the power storage unit is filled with an electrolytic solution. A lithium salt, a potassium salt, a sodium salt, a magnesium salt or the like can be used as the electrolyte of the electrolytic solution, and in the case of a lithium ion secondary battery, the lithium salt is used. A non-aqueous solvent is used as the solvent in which the electrolyte is dissolved, and ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, carbonic acid ester and the like can be used as the non-aqueous solvent. It is possible to use known electrolytes and solvents used in secondary batteries. When charging and discharging are performed, a chemical reaction occurs in which ions such as lithium ions are released from the active material powder 20 of the positive electrode 110 into the electrolytic solution, and a chemical reaction in which ions such as lithium ions are taken into the active material powder 20 occurs. ..

このように構成されたコイン型二次電池において、正極110に用いられる集電体10の厚さ方向一方の面がケース本体102に接触する。また、正極110に用いられる集電体10には、その厚さ方向一方の面から他方の面までの全ての範囲に活物質粉20が充填されており、多くの活物質粉20が集電体10の短繊維Aに接触している。このため、入出力端子に電子を運ぶ短繊維Aと活物質粉20との距離が近くなり、充放電速度を向上する上で有利である。 In the coin-type secondary battery configured as described above, one surface of the current collector 10 used for the positive electrode 110 in the thickness direction comes into contact with the case body 102. Further, the current collector 10 used for the positive electrode 110 is filled with the active material powder 20 in the entire range from one surface to the other surface in the thickness direction, and many active material powders 20 collect electricity. It is in contact with the staple fibers A of the body 10. Therefore, the distance between the staple fiber A carrying electrons to the input / output terminal and the active material powder 20 becomes short, which is advantageous in improving the charge / discharge speed.

また、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触し、又は、活物質粉20と短繊維Aとが近接して配置されると共に導電助剤30等を介して導通している。このため、活物質粉20と短繊維Aとの間で電子の授受が行われる際に、その電子が集電体10の端等に設けられた入出力端子に移動する抵抗を小さくすることができる。 Further, the active material powder 20 and the short fibers A are in direct contact with each other, or the active material powder 20 and the short fibers A are arranged in close proximity to each other and are electrically connected via the conductive auxiliary agent 30 or the like. Therefore, when electrons are exchanged between the active material powder 20 and the staple fibers A, the resistance at which the electrons move to the input / output terminals provided at the ends of the current collector 10 or the like can be reduced. can.

なお、従来のコイン型二次電池の一例を図8に示す。このコイン型二次電池は、アルミニウム箔の集電体141と、集電体141の厚さ方向一方の面に塗布された電極層142とを有する正極140を備えている。電極層142には、活物質粉、導電助剤、バインダー等が含まれている。コイン型二次電池はスペースが限られているので、従来のコイン型二次電池は集電体141の厚さ分だけ活物質粉の量が制限される。また、セパレータ130側に配置された活物質粉の電子は、集電体141との間に配置された活物質粉や導電助剤を介して集電体141に移動するので、充放電速度を向上する上で好ましくない。 An example of a conventional coin-type secondary battery is shown in FIG. This coin-type secondary battery includes a positive electrode 140 having an aluminum foil current collector 141 and an electrode layer 142 coated on one surface of the current collector 141 in the thickness direction. The electrode layer 142 contains an active material powder, a conductive auxiliary agent, a binder and the like. Since the space of the coin-type secondary battery is limited, the amount of the active material powder in the conventional coin-type secondary battery is limited by the thickness of the current collector 141. Further, the electrons of the active material powder arranged on the separator 130 side move to the current collector 141 via the active material powder and the conductive auxiliary agent arranged between the current collector 141 and the current collector 141, so that the charge / discharge speed can be adjusted. It is not preferable for improvement.

なお、前記コイン型二次電池において、負極120に本実施形態の電極の構造、特に銅から成る短繊維Aを用いた電極を用いることも可能である。この場合、この電極の集電体は集電体10となり、活物質粉20として炭素材が用いられ、電池の種類によってはチタン酸リチウム、チタン酸化物、タングステン酸化物、スズ酸化物等が用いられる場合もあり得る。 In the coin-type secondary battery, it is also possible to use the electrode structure of the present embodiment, particularly an electrode using short fibers A made of copper, for the negative electrode 120. In this case, the current collector of this electrode is the current collector 10, a carbon material is used as the active material powder 20, and lithium titanate, titanium oxide, tungsten oxide, tin oxide, or the like is used depending on the type of battery. It may be possible.

[積層型二次電池への適用]
正極、負極およびセパレータから成る蓄電部を複数層に積層する二次電池の場合も、前記コイン型二次電池と同様に本実施形態のアルミニウム又は銅の短繊維Aを用いる電極構造を正極のみ、負極のみ、および正極と負極の両方に用いることが可能である。
[Application to laminated secondary batteries]
In the case of a secondary battery in which a storage unit composed of a positive electrode, a negative electrode and a separator is laminated in a plurality of layers, the electrode structure using the short fiber A of aluminum or copper of the present embodiment is applied only to the positive electrode as in the case of the coin type secondary battery. It can be used only for the negative electrode and for both the positive electrode and the negative electrode.

[電気二重層キャパシタへの適用]
図9に本実施形態の電極を用いた電気二重層キャパシタの一例を示す。この電気二重層キャパシタは、例えば容器200と、容器200に収容された蓄電部とを備えている。蓄電部は、正極210として本実施形態のアルミニウムの短繊維Aを用いる電極を備えている。また、正極210と対抗する負極220と、正極210と負極220との間に配置されたセパレータ230とを有する。正極210には正極入出力端子210aが接続され、負極220にも同様に負極入出力端子220aが接続され、各入出力端子は容器200の外まで延びている。
[Application to electric double layer capacitors]
FIG. 9 shows an example of an electric double layer capacitor using the electrodes of the present embodiment. This electric double layer capacitor includes, for example, a container 200 and a storage unit housed in the container 200. The power storage unit includes an electrode using the aluminum staple fiber A of the present embodiment as the positive electrode 210. Further, it has a negative electrode 220 that opposes the positive electrode 210 and a separator 230 that is arranged between the positive electrode 210 and the negative electrode 220. A positive electrode input / output terminal 210a is connected to the positive electrode 210, a negative electrode input / output terminal 220a is similarly connected to the negative electrode 220, and each input / output terminal extends to the outside of the container 200.

この場合、正極210に用いられる集電体10には吸着物質粉が保持されている。また、負極220は公知の電気二重層キャパシタの負極の構造および材質を有していれば良く、例えばアルミニウム箔から成る集電体221と、集電体の厚さ方向一方の面に塗布された電極層222とを有する。電極層222には吸着物質粉、導電助剤、バインダー等が含まれている。 In this case, the current collector 10 used for the positive electrode 210 holds the adsorbent powder. Further, the negative electrode 220 may have a structure and material of a negative electrode of a known electric double layer capacitor, and is applied to, for example, a current collector 221 made of aluminum foil and one surface of the current collector in the thickness direction. It has an electrode layer 222 and. The electrode layer 222 contains adsorbent powder, a conductive auxiliary agent, a binder and the like.

セパレータ230は正極210と負極220とを電気的に絶縁し、イオン透過性があり、正極210および負極220との接触面で酸化・還元に対する耐性を有するものであれば良い。例えば、多孔質のポリマーや無機材料、有機と無機のハイブリット材料、ガラス繊維等を用いることが可能である。なお、電気二重層キャパシタに用いられる公知のセパレータを用いることが可能である。 The separator 230 may be any as long as it electrically insulates the positive electrode 210 and the negative electrode 220, has ion permeability, and has resistance to oxidation / reduction at the contact surface between the positive electrode 210 and the negative electrode 220. For example, porous polymers and inorganic materials, organic and inorganic hybrid materials, glass fibers and the like can be used. It is possible to use a known separator used for an electric double layer capacitor.

前記蓄電部を収容した容器200内には電解液が満たされている。電解液は非水系溶媒及び電解質を含有している。電解質や非水系溶媒は電気二重層キャパシタに用いられる公知の物質であれば良い。電解質として例えばアンモニウム塩、ホスホニウム塩等を使用でき、非水系溶媒として例えば環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ニトリル類、含イオウ化合物等を使用できる。 The container 200 containing the power storage unit is filled with an electrolytic solution. The electrolytic solution contains a non-aqueous solvent and an electrolyte. The electrolyte and the non-aqueous solvent may be any known substance used for the electric double layer capacitor. For example, ammonium salt, phosphonium salt and the like can be used as the electrolyte, and for example, cyclic carbonate ester, chain carbonate ester, cyclic ester, chain ester, cyclic ether, chain ether, nitriles, sulfur-containing compound and the like can be used as the non-aqueous solvent. can.

この電気二重層キャパシタは、正極210に用いられる集電体10の一端が正極入出力端子210aに接続される。また、正極210に用いられる集電体10には、その厚さ方向一方の面から他方の面までの全ての範囲に吸着物質粉が充填されており、多くの吸着物質粉が集電体10の短繊維Aに接触している。このため、正極入出力端子210aに電子を運ぶ短繊維Aと吸着物質粉との距離が近くなり、充放電速度を向上する上で有利である。従来の正極の構造は負極220と同じであるため、負極220と比べると上記利点を理解し易い。
なお、前記電気二重層キャパシタにおいて、負極220に本実施形態のアルミニウムの短繊維Aを用いる電極の構造を用いることも可能である。また、正極210および負極220に本実施形態の銅の短繊維Aを用いる電極の構造を用いることも可能である。
In this electric double layer capacitor, one end of the current collector 10 used for the positive electrode 210 is connected to the positive electrode input / output terminal 210a. Further, the current collector 10 used for the positive electrode 210 is filled with adsorbent powder in the entire range from one surface to the other surface in the thickness direction, and many adsorbent powders are contained in the current collector 10. Is in contact with the short fibers A of. Therefore, the distance between the staple fiber A carrying electrons to the positive electrode input / output terminal 210a and the adsorbent powder becomes short, which is advantageous in improving the charge / discharge rate. Since the structure of the conventional positive electrode is the same as that of the negative electrode 220, it is easier to understand the above advantages as compared with the negative electrode 220.
In the electric double layer capacitor, it is also possible to use the electrode structure using the aluminum staple fibers A of the present embodiment for the negative electrode 220. It is also possible to use the electrode structure using the copper staple fibers A of the present embodiment for the positive electrode 210 and the negative electrode 220.

本実施形態によれば、上述のように高純度のアルミニウムの短繊維Aや銅の短繊維Aの近傍に活物質粉20や吸着物質粉を配した蓄電デバイスの電極を形成することが可能である。これにより、より容量が高く、変形抵抗の少ない、充放電性に優れた蓄電デバイスの製造が可能となる。 According to the present embodiment, as described above, it is possible to form an electrode of a power storage device in which the active material powder 20 and the adsorbent powder are arranged in the vicinity of the high-purity aluminum staple fiber A and the copper staple fiber A. be. This makes it possible to manufacture a power storage device having a higher capacity, less deformation resistance, and excellent charge / discharge performance.

また、例えば、通常のキャパシタや二次電池などに使用されるアルミニウム箔の製造は、スラブと呼ばれる非常に大型の四角柱のアルミ鋳塊を造り、切断、加熱して何回も圧延し、更に表面処理等を施して製作される。このため、非常に多くのエネルギーとコストを要する。一方、本実施形態に使用するアルミニウム又は銅の短繊維Aはビビリ振動切削等により製造することが可能である。また吸着物質粉、活物質粉20、導電助剤30などを保持した集電体10を圧延し箔を形成する際に、プレス圧も小さくすることができる。このため、大型の設備を必要とせず、容易にかつ低コストで集電体箔や正極箔を製造することが可能となる。 Also, for example, in the production of aluminum foil used for ordinary capacitors and secondary batteries, a very large square pillar aluminum ingot called a slab is made, cut, heated and rolled many times, and then further. Manufactured with surface treatment. This requires a great deal of energy and cost. On the other hand, the aluminum or copper staple fibers A used in the present embodiment can be manufactured by chatter vibration cutting or the like. Further, when the current collector 10 holding the adsorbent powder, the active material powder 20, the conductive auxiliary agent 30, and the like is rolled to form a foil, the pressing pressure can be reduced. Therefore, it is possible to easily and inexpensively manufacture a current collector foil and a positive electrode foil without requiring a large-scale equipment.

このように、本実施形態によれば、所定形状に成形したスラリーを乾燥させると、アルミニウム又は銅の短繊維Aが互いに電気的に接続され、アルミニウム又は銅の短繊維Aにより集電体10が形成される。また、スラリーS内ではアルミニウム又は銅の短繊維Aと吸着物質粉又は活物質粉20とが混ぜられているので、スラリーSを乾燥させると、集電体10の短繊維Aの間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉20が入り込む。このため、吸着物質粉又は活物質粉20が短繊維Aに直接接触し、又は、短繊維Aの近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとの間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 As described above, according to the present embodiment, when the slurry formed into a predetermined shape is dried, the aluminum or copper staple fibers A are electrically connected to each other, and the aluminum or copper staple fibers A form the current collector 10. It is formed. Further, since the short fibers A of aluminum or copper and the adsorbent powder or the active material powder 20 are mixed in the slurry S, when the slurry S is dried, it is formed between the short fibers A of the current collector 10. Adsorbent powder or active material powder 20 enters the gap. Therefore, the adsorbent powder or the active material powder 20 is in direct contact with the short fiber A or is arranged in the vicinity of the short fiber A, and electrons are exchanged between the adsorbent material powder or the active material powder 20 and the short fiber A. When this is done, the movement resistance can be reduced.

また、スラリーSにカーボン繊維CFが混ぜられているので、電極となった際に、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとが直接接触していない場合でも、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとがカーボン繊維CFを介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとが直接接触している場合でも、カーボン繊維CFによる接続があることによって、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗が更に低減される。 Further, since the carbon fiber CF is mixed in the slurry S, even when the adsorbent powder or the active material powder 20 and the short fiber A are not in direct contact with each other when the electrode is formed, the adsorbent powder or the active material The powder 20 and the short fibers A are electrically connected via the carbon fiber CF. Further, even when the adsorbent powder or the active material powder 20 and the short fiber A are in direct contact with each other, the adsorbent material powder or the active material powder 20 and the short fiber A can be separated from each other by the connection by the carbon fiber CF. The electrical resistance is further reduced.

また、短繊維Aから成る不織布状集電体又は分散した短繊維A同士が接続された集電体を有する電極は、アルミニウム箔等を集電体として使うものに比べ、小さな力でも容易に曲がる。このため、電極の設置スペースが限られている場合は、その設置を容易にするこも可能であり、使用時に少し変形が加わる位置に電極が設けられる場合でも、電極から生ずる反力が小さくなり、これにより機器の寿命を向上することを期待できる。 Further, an electrode having a non-woven fabric-like current collector made of short fibers A or a current collector in which dispersed short fibers A are connected to each other bends more easily even with a small force than those using aluminum foil or the like as a current collector. .. Therefore, when the installation space of the electrode is limited, it is possible to facilitate the installation, and even if the electrode is provided at a position where a slight deformation is applied during use, the reaction force generated from the electrode becomes small. This can be expected to improve the life of the equipment.

10 集電体
20 活物質粉
30 導電助剤
A アルミニウム又は銅の短繊維
B バインダー
S スラリー
CF カーボン繊維
10 Collector 20 Active material powder 30 Conductive aid A Aluminum or copper staple fiber B Binder S Slurry CF Carbon fiber

Claims (11)

アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維とを含む液状又はゲル状のスラリーを作成するスラリー作成工程であって、前記カーボン繊維の平均長さは200μm以下であるが、但し、平均長さが30μm以下であるカーボン繊維を除くスラリー作成工程と、
前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、
前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって前記アルミニウム又は銅の短繊維が集電体として機能する電極を形成する乾燥工程とを有する蓄電デバイスの電極の製造方法であって、
前記短繊維の平均長さは25mm以下であるが、但し、平均長さが1mm以下である短繊維を除く、蓄電デバイスの電極の製造方法。
Short fibers of aluminum or copper, adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or active material powder that chemically reacts during charging and discharging, conductive auxiliary agent, binder, and carbon fiber having an average thickness of 0.5 μm or less. A slurry preparation step for producing a liquid or gel-like slurry containing the above, wherein the average length of the carbon fibers is 200 μm or less, except for carbon fibers having an average length of 30 μm or less. When,
A molding process for molding the slurry into a predetermined shape, and
A method for manufacturing an electrode of a power storage device, which comprises a drying step of forming an electrode in which the aluminum or copper staple fibers function as a current collector by drying the slurry formed into the predetermined shape.
A method for manufacturing an electrode of a power storage device, excluding short fibers having an average length of 25 mm or less, but having an average length of 1 mm or less.
前記短繊維の平均線径は50μm以下であるが、但し、平均線径が10μm以下である短繊維を除く、請求項1に記載の蓄電デバイスの電極の製造方法。 The method for manufacturing an electrode of a power storage device according to claim 1, wherein the staple fiber has an average wire diameter of 50 μm or less, except for the staple fiber having an average wire diameter of 10 μm or less. 前記短繊維が、アルミニウム又は銅の部材に切削工具を当てることにより成形される、請求項1又は2に記載の蓄電デバイスの電極の製造方法。 The method for manufacturing an electrode of a power storage device according to claim 1 or 2, wherein the short fiber is formed by applying a cutting tool to an aluminum or copper member. アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維とを含む液状又はゲル状のスラリーを作成するスラリー作成工程と、
前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、
前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって前記アルミニウム又は銅の短繊維が集電体として機能する電極を形成する乾燥工程とを有する蓄電デバイスの電極の製造方法であって、
前記短繊維の平均長さは25mm以下であり、
前記短繊維が、アルミニウム又は銅の部材に切削工具を当てることにより成形される、蓄電デバイスの電極の製造方法。
Short fibers of aluminum or copper, adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or active material powder that chemically reacts during charging and discharging, conductive aid, binder, and carbon fiber having an average thickness of 0.5 μm or less. A slurry making process for making a liquid or gel-like slurry containing and
A molding process for molding the slurry into a predetermined shape, and
A method for manufacturing an electrode of a power storage device, which comprises a drying step of forming an electrode in which the aluminum or copper staple fibers function as a current collector by drying the slurry formed into the predetermined shape.
The average length of the staple fibers is 25 mm or less, and the staple fibers have an average length of 25 mm or less.
A method for manufacturing an electrode of a power storage device, wherein the staple fiber is formed by applying a cutting tool to an aluminum or copper member.
前記アルミニウムとして純度が99.9%以上のアルミニウムを用いる請求項1~の何れかに記載の電極の製造方法。 The method for manufacturing an electrode according to any one of claims 1 to 4 , wherein aluminum having a purity of 99.9% or more is used as the aluminum. 前記成形工程の前に前記スラリーを前記バインダーが完全に硬化しない状態まで乾燥させる前乾燥工程をさらに有する請求項1~の何れかに記載の電極の製造方法。 The method for producing an electrode according to any one of claims 1 to 5 , further comprising a pre-drying step of drying the slurry until the binder is not completely cured before the molding step. アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維とを含む液状又はゲル状であり、蓄電デバイスの電極用に所定形状に成形されたスラリーであって、
平均長さが200μm以下であるが、但し、平均長さが30μm以下であるカーボン繊維を除く前記カーボン繊維が用いられており、
前記短繊維の平均長さは25mm以下であるが、但し、平均長さが1mm以下である短繊維を除く、蓄電デバイスの電極用のスラリー。
Short fibers of aluminum or copper, adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or active material powder that chemically reacts during charging and discharging, conductive aid, binder, and carbon fiber having an average thickness of 0.5 μm or less. A liquid or gel-like slurry containing and, which is formed into a predetermined shape for an electrode of a power storage device.
The carbon fiber having an average length of 200 μm or less, except for the carbon fiber having an average length of 30 μm or less, is used.
A slurry for electrodes of a power storage device, excluding short fibers having an average length of 25 mm or less, but having an average length of 1 mm or less.
平均長さが25mm以下であるが、平均長さが1mm以下である短繊維を除くアルミニウム又は銅の短繊維から成る集電体と、
該集電体の前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉、導電助剤、および平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維を備える、蓄電デバイスの電極。
A current collector made of aluminum or copper staple fibers excluding short fibers having an average length of 25 mm or less but an average length of 1 mm or less,
Adsorbent powder or active material powder that chemically reacts during charge / discharge , and an average An electrode of a power storage device including carbon fibers having a thickness of 0.5 μm or less.
前記集電体の前記アルミニウム又は銅の短繊維が曲げられて存在している請求項に記載の電極。 The electrode according to claim 8 , wherein the aluminum or copper staple fibers of the current collector are bent and present. 前記アルミニウムは純度が99.9%以上である請求項又はに記載の電極。 The electrode according to claim 8 or 9 , wherein the aluminum has a purity of 99.9% or more. アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉と、バインダーとを含む液状又はゲル状のスラリーを作成するスラリー作成工程と、
前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、
前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって前記アルミニウム又は銅の短繊維が集電体として機能する電極を形成する乾燥工程とを有するキャパシタの電極の製造方法であって、
前記短繊維の平均長さは25mm以下であるが、但し、平均長さが1mm以下である短繊維を除く、キャパシタの電極の製造方法。
A slurry making step of making a liquid or gel-like slurry containing short fibers of aluminum or copper, an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging, and a binder.
A molding process for molding the slurry into a predetermined shape, and
A method for manufacturing an electrode of a capacitor, which comprises a drying step of forming an electrode in which the aluminum or copper staple fibers function as a current collector by drying the slurry formed into the predetermined shape.
A method for manufacturing a capacitor electrode, excluding short fibers having an average length of 25 mm or less, but having an average length of 1 mm or less.
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