JP7215439B2 - 蓄電デバイス及び蓄電デバイスモジュール - Google Patents
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Description
負極活物質を含む複数の柱状負極と、
イオン伝導性及び絶縁性を有し前記柱状負極の周囲に設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、隣合う前記分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極と、
前記柱状負極の端部側に配設された放熱部材と、
を備えたものである。
実施形態で説明する本開示の蓄電デバイスは、複数の柱状負極と、分離膜と、正極と、放熱部材とを備えている。この蓄電デバイスは、負極に電気的に接続された負極集電体と、正極に電気的に接続された正極集電体と、を備えているものとしてもよい。この蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、アルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。蓄電デバイスのキャリアイオンは、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンやマグネシウムイオンやストロンチウムイオン、カルシウムイオンなどの第2族イオンなどが挙げられる。また、正極は、負極の周りに存在するものとしてもよいし、負極の間の空間に充填されているものとしてもよい。また、この蓄電デバイスは、分離膜を介して正極と隣り合う状態で複数の負極が結束された構造を有するものとしてもよい。更に、この蓄電デバイスは、負極、正極及び分離膜のうち1以上に電解液を含むものとしてもよい。正極及び負極には、集電線などの集電部材が埋設されているものとしてもよいし、この集電部材を備えないものとしてもよい。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアとするリチウムイオン二次電池をその主たる一例として以下説明する。
(蓄電デバイスの作製)
直径7μmの炭素繊維(日本グラファイトファイバー社製)を400本撚糸して結束した炭素繊維結束体を柱状負極とした。この柱状負極に対し、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP)をN-メチルピロリドン(NMP)に溶解させた溶液をディップ法で被覆、乾燥することで、7μmの膜厚で負極の表面に分離膜としてのポリマー膜を均一塗布した。次に、正極活物質(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)と、導電材としてのアセチレンブラック(デンカ社製HS-100)と、導電材としての気相成長炭素繊維(昭和電工製VGCF)と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製PVdF7305)とを質量比で90:4:2:4となるよう配合したものにN-メチルピロリドンを加えて正極合材ペーストとした。上記のポリマー被覆負極に対して正極スラリーをディップコートして、負極単位長さあたりの正極合材の目付量で0.35mg/cmとなるように正極合材層を形成した。このように作製した負極/ポリマー膜/正極合材層の単セルを5万本積層して、静水圧プレスを用いてプレスすることで、VDAサイズ(14.8cm×2.65cm×9.1cm)の電極構造体を得た。この電極構造体をAl製のケースに収納し、負極の端部に直接、負極集電体としての銅板をAgペーストを介して接続し、負極の反対側の端部には、分離膜を介して放熱部材としての厚さ1.5cmのAl板を配設した。Alケースは、電極構造体の側面に電気的に接続し、正極集電体とした。このケースに非水電解液を注液して封止することにより得られた試験セルを実施例1とした。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
正極活物質としてLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2を用い、合材割合を活物質85質量%、導電材としてカーボンブラック10質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン5質量%とした。分散材としてN-メチル-2-ピロリドンを適量添加、分散することでスラリー状合材とした。このスラリー状合材を15μm厚のアルミニウム箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後、塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、14.6cm×8.9cmの形状に切り出して正極とした。負極活物質として天然黒鉛を用い、活物質を95質量%、結着材としてPVdFを5質量%混合し、正極と同様にスラリー状の負極合材とした。この負極合材を10μm厚の銅箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、14.8cm×9.1cmの形状に切り出して負極電極とした。両電極の間に非水系電解液を含浸させたポリエチレン製セパレータを挟んで二極式評価セルを作製した。非水系電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチ ルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
実施例1では、1.5cmの放熱部材を配設したため、全体の体積は、14.8×2.65×10.6cm=415.7cm3であり、放熱部材の装着前の356.9cm3よりも増加するが、試験セル全体に対する放熱部材の体積分率は14.1体積%であり、試験セルの体積エネルギー密度は、85.9体積%を維持することができた。一方、比較例1では、最も広い面に放熱部材を配置するため、同じ1.5cmの厚さの放熱部材を配置することを想定すると、試験セルの体積エネルギー密度は、26.5mm/41.5mm×100=63.9体積%まで大きく低下する。従来のセルでは(例えば特許文献1、2)、放熱板以外にも放熱のための部材を設けていることから、試験セル全体に対する放熱部材の体積分率は36.1体積%以上であり、実際の体積エネルギー密度の低下は、計算した63.9体積%よりも更に低下するものと推察された。
表1に、図1に示した柱状負極を有する蓄電デバイスと、従来の正極シート及び負極シートを対向した電極を有する蓄電デバイスとの部材体積分率とその熱伝導率から求めた平均熱伝導率をまとめた。なお、各部材の熱伝導率は文献値(「リチウムイオン電池材料の熱物性に関する研究」Netsu Bussei 10[2/3](1996)59/64)であり、実施例1の負極電極の熱伝導率はカタログ値である。実施例1は、負極の熱伝導率が比較例1に比して大きかった。これは、従来のシート対向電極では、粒子状の黒鉛を用いており、熱伝導が点接触になると共に、熱伝導が速い黒鉛の六角面が配向していないためであると推察された。これに対して、実施例1では、炭素繊維が長手方向に配列しており、且つ長手方向に六角網面が配向しているため、高い熱伝導率を示した。上記に起因してセル全体の平均熱伝導率は、炭素繊維を利用することによって、約10倍となる。
Claims (7)
- 負極活物質を含む複数の柱状負極と、
イオン伝導性及び絶縁性を有し前記柱状負極の周囲に設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、隣合う前記分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極と、
前記柱状負極の端部側に配設された放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、少なくとも前記分離膜を介して前記柱状負極の端部に配設される、蓄電デバイス。 - 請求項1に記載の蓄電デバイスであって、
前記放熱部材が接続された端部とは反対側の前記柱状負極の端部に配設され、複数の前記柱状負極と電気的に接続した負極集電体、を備えた蓄電デバイス。 - 負極活物質を含む複数の柱状負極と、
イオン伝導性及び絶縁性を有し前記柱状負極の周囲に設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、隣合う前記分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極と、
前記柱状負極の端部側に配設された放熱部材と、
前記放熱部材が接続された端部とは反対側の前記柱状負極の端部に配設され、複数の前記柱状負極と電気的に接続した負極集電体と、を備えた蓄電デバイス。 - 前記柱状負極は、前記負極活物質として炭素繊維の束及び炭素材料の一体物のうちいずれか1以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 前記柱状負極は、前記蓄電デバイスの最も短辺でない方向に配列されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の蓄電デバイスであって、
前記柱状負極の長手方向に沿った面である、前記蓄電デバイスの側面側に配設され、前記正極に電気的に接続した正極集電体、を備えた蓄電デバイス。 - 請求項1~6のいずれか1項に記載の蓄電デバイスを複数接続した、蓄電デバイスモジュール。
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