JPH11274004A

JPH11274004A - 電気化学素子

Info

Publication number: JPH11274004A
Application number: JP10092190A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Hiratsuka; 和也平塚; Manabu Kazuhara; 学数原; Katsuharu Ikeda; 克治池田; Takeshi Kawasato; 健河里; Kazuhiko Yamada; 和彦山田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】リード部の形成が容易な電極を有する電気化
学素子を提供する。【解決手段】四角形状に形成されたシート状の複数の
集電体１１２と、複数の集電体１１２上にそれぞれ形成
された電極層１１３、１１３’と、電極層１１３、１１
３’に隣接して設けられる電解質部とを備え、電極層１
１３、１１３’は集電体１１２の四角形の一辺に沿った
帯状部分１１４を残して、集電体１１２上に形成され、
複数の集電体１１２は、前記一辺を第１の方向に揃えて
積層された第１群の集電体と、前記一辺を前記第１の方
向とは異なる第２の方向に揃えて積層された第２群の集
電体とからなり、前記第１群の集電体と前記第２群の集
電体とは、前記電解質部を挟んで互い違いに積層されて
いる電気化学素子。帯状部を電気化学素子のリード部と
して用いることができ、この部分は集電体１１２の四角
形の一辺の全体に渡って設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集電体を備えた電
気化学素子に関し、特に電気二重層キャパシタや電池な
どをの電気化学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、集電体を備える電気化学素子とし
ては、図４に示されるような平板状電極を有する角形構
造の素子が用いられていた。図４に示すのは、電気化学
素子の一例としての電気二重層キャパシタである。図４
（ａ）は、従来の電気二重層キャパシタの一部断面斜視
図であり、図４（ｂ）は、（ａ）に示す電気二重層キャ
パシタの内部構成要素を分解して示した斜視図である。
さらに図４（ｃ）に、前記内部構成要素の一つである、
電極層を形成された集電体を１枚取り出して示した。

【０００３】図４に示される電気二重層キャパシタは、
アルミニウム箔又はステンレス鋼箔などの金属集電体１
２の両側に活性炭を主成分とする電極１３、１３’を形
成した四角形の平板状電極を有する。この電極には、外
部端子へ電気的に導通するリード部１４が、平板状をし
た金属集電体１２の四角形の一辺から張り出している。
リード部１４は、四角形の金属集電体の一辺の長さの４
分の１から８分の１程度の長さの辺を有する４角形に形
成されている。

【０００４】このような構造の電極が、正極用と負極用
としてそれぞれ複数枚用意される（図４（ｂ）にはそれ
ぞれ３枚ずつ正極１０と負極１１が示されている）。リ
ード部１４の位置は、四角形の金属集電体の辺の上で重
ならないようにずらしてたものが２種類作られる。その
２種類の一方が正極、他方が負極とされる。それぞれ正
極同士、負極同士では、リード部の位置が同一になるよ
うにする。このように形成された正極１０と負極１１と
を、リード部１４が四角形の金属集電体の同一辺に位置
するように整列して、交互に積層化して、角形ケース１
８中に収納する。なお各正極１０と負極１１との間に
は、四角形のシート状のセパレータ１５が挟まれてい
る。

【０００５】このように電極を組み立てた上で、正極同
士、負極同士で同一列上に整列したリード部を、図４
（ａ）に示されるように、それぞれまとめて電気溶接な
どによって１つに結合し、角形ケース１８の外部に設け
られた外部端子１７、１７’に接続するためのリード体
１６、１６’を結合していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の電
気化学素子では、リード部１４が、平板状をした金属集
電体１２の四角形の一辺から張り出しており、四角形の
金属集電体の一辺の長さより小さい辺を有する４角形に
形成されているので、四角形の金属集電体の一辺から余
分な部分を切り落として形成したり、金属集電体の一辺
にそれより小さい一辺を有する別の金属シートを溶接等
により取り付ける等の加工をしなければならず、大変な
手間を要した。また、幅の狭いリード部分に電流が集中
するので、この部分の内部抵抗が増大したり、発熱によ
って電解液の分解が起こるという問題があった。

【０００７】そこで本発明は、リード部の形成が容易
で、リード部分の抵抗損失の少ない電極を有する電気化
学素子を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による電気化学素子は、図１に
示すように、四角形状に形成されたシート状の複数の集
電体１１２と；複数の集電体１１２上にそれぞれ形成さ
れた電極層１１３、１１３’と；電極層１１３、１１
３’に隣接して設けられる電解質部とを備え；電極層１
１３、１１３’は集電体１１２の四角形の一辺に沿った
帯状部分１１４を残して、集電体１１２上に形成され；
複数の集電体１１２は、前記一辺を第１の方向（図１で
は上方向）に揃えて積層される第１群の集電体と、前記
一辺を前記第１の方向とは異なる第２の方向（図１では
下方向）に揃えて積層される第２群の集電体とからな
り；前記第１群の集電体と前記第２群の集電体とは、前
記電解質部を挟んで互い違いに積層され；前記積層され
た状態で、前記第１群の集電体の帯状部分１１４には前
記第２群の集電体１１２と重ならない部分が少なくとも
一部あり、前記第２群の集電体の帯状部分１１４には前
記第１群の集電体１１２と重ならない部分が少なくとも
一部あるように構成されていることを特徴とする。

【０００９】このように構成すると、電極層１１３、１
１３’は集電体１１２の四角形の一辺に沿った帯状部分
１１４を残して、集電体１１２上に形成されて構成され
るので、帯状部を電気化学素子のリード部として用いる
ことができ、この部分は集電体１１２の四角形の一辺の
全体に渡って設けられる。また、第１群の集電体と第２
群の集電体とは帯状部１１４を互いに異なる方向に揃え
て積層されており、相手側の群の集電体１１２と互いに
重ならないそれぞれの帯状部分があるので、両群の帯状
部分に干渉しない部分があることになり、この部分をま
とめて各群例えば正極と負極のリード部として用いるこ
とができる。

【００１０】この電気化学素子では、請求項２に記載の
ように、複数の集電体１１２の帯状部分１１４に重ねて
組み立てられたスペーサ１２１ａ、１２１ｂをさらに備
えるようにするのが好ましい。

【００１１】このように構成すると、スペーサ１２１
ａ、１２１ｂを備えるので、集電体１１２の帯状部１１
４を大きく折り曲げることなく無理なく重ねることがで
きる。

【００１２】さらに請求項３に記載のように、請求項２
に記載の電気化学素子では、前記電解質部中に置かれる
四角形のセパレータ１１５をさらに備え；セパレータ１
１５は、集電体１１２にスペーサ１２１ａ、１２１ｂが
重なる部分以外の集電体部分より大きく形成されるよう
にするのが好ましい。

【００１３】このように構成すると、第１群の集電体と
第２群の集電体との重なりが大きくなる方向（近づく方
向）に移動したとしても、セパレータ１１５がスペーサ
１２１ａ、１２１ｂに当接するところ以上に近づくのを
防止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複
した説明は省略する。

【００１５】図１は、本発明による電気化学素子の実施
の形態である電気二重層キャパシタの内部構成要素を説
明する斜視図である。また、図２（ａ）は、図１の内部
構成要素の側面図であり、図２（ｂ）は、電極を構成す
る部品の厚さ関係を示す図である。いずれの図において
も、各構成要素は実際の組立状態に比べて厚さ方向に分
離され空間を開けて示されている。また、実際の構成要
素の縦横寸法比に対して厚さ方向に１０〜５０倍程度に
拡大して示されている。

【００１６】図１、図２（ａ）において、正電極（正
極）１１０と負電極（負極）１１１は、いずれも四角形
の平板状電極である。いずれの電極も、四角形状に形成
された薄いシート（箔）状の金属である金属集電体１１
２の両面に、比表面積の大きい活性炭を主成分とする電
極層１１３、１１３’が形成されて構成されている。

【００１７】金属集電体１１２は、一般的には表面が平
坦な金属箔が用いられるが、電極層１１３、１１３’か
らの集電効果を向上させるためにパンチングメタル、エ
キスパンドメタルあるいは金属網等を用いてもよい。

【００１８】各電極層１１３、１１３’は、集電体１１
２の四角形の一辺（図１、図２では、正電極１１０の上
側の辺、負電極１１の下側の辺）に沿った一定幅の帯状
部分１１４を残して、その余りの集電体１１２の部分に
形成されている。集電体１１２の四角形と電極層の形成
された部分の四角形とは正方形であってもよいし長方形
であってもよい。いずれにしても集電体１１２全体の四
角形は、電極層の形成された部分の四角形に対してリー
ド部１１４の分だけ延長された四角形に相当することに
なる。また、集電体１１２の四角形と電極層の形成され
た部分の四角形は、それぞれ実質的に四角形ならばよ
く、例えば斜め４５度の角度で角の取られた四角形（１
つの辺の両端の角を取ったものは厳密に言えば変形六角
形であり、４つの角を取ったものは厳密に言えば八角
形）であってもよい。

【００１９】金属集電体１１２の材料としては、電気化
学的に不活性な金属が望ましく、例えばアルミニウム、
アルミニウム合金、あるいはステンレス鋼等の耐食性合
金が用いられる。そのような金属を金属箔とし、集電体
１１２と電極層１１３、１１３’との密着力を大きくす
るため好ましくは表面を粗面化する。その金属箔を、切
断等により所定の（集電体１１２として用いられる大き
さの）四角形に形成する。

【００２０】電極層１１３、１１３’は、それぞれ集電
体箔の両面に形成される。電気二重層キャパシタの場
合、典型的には５００〜３０００ｍ²／ｇの炭素材料と
バインダ（ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビ
ニリデン等）で先ずシート状に形成する。次に、シート
状に形成された電極を導電性の接着剤を介して、集電体
箔に貼り付ける。あるいは、バインダを有機溶剤に溶か
した溶液に前記炭素材料を分散させてスラリ状にした塗
工液を塗布してもよい。

【００２１】図１に示されるように、以上のようにして
作られた正極１１０と負極１１１とは、交互に（互い違
いに）積層される。ここで図中、第１群（図１では３枚
だけ示されている）である正極１１０は、リード部１１
４が上方向に揃えて積層され、第２群（図１では２枚だ
け示されている）である負極１１１は、下方向に揃えて
積層されている。

【００２２】なお、積層される電極のうち最外部に配置
される電極には、内側のみに電極層１１３あるいは１１
３’を形成すればよい。

【００２３】一般的に言えば、前記のように積層された
状態で、第１群例えば正極の群の集電体と第２群例えば
負極の群の集電体とにおいて相手側の群の電極層が形成
された集電体の部分と互いに重ならない第１群の集電体
の帯状部分であるリード部分と第２群の集電体の帯状部
分であるリード部分とが少なくとも一部あり、かつ電極
層が形成された部分と互いに重ならない第１群の集電体
のリード部分と第２群の集電体のリード部分とのうち、
互いに重ならない部分が少なくとも一部あるように構成
されている。

【００２４】具体的には、先に説明したように第１群例
えば正極は正極同士、また第２群例えば負極は負極同士
でリード部が同一方向に揃えられ、かつ正極と負極それ
ぞれのリード部の向く方向は異なるので、同一極同士で
容易にまとめて結合することができる。いわばリードと
なる帯状部分が各群の集電体ごとにまとまって積層体か
らはみ出しているので、同一群同士で容易にまとめて結
合することができる。なお、図１では正極のリード部を
上方向、負極のリード部を下方向に向けているが、両極
で異なる方向であればよく、一方を上方向あるいは下方
向とし、他方を右あるいは左方向としてもよい。

【００２５】さらに図１、図２に示されるように、各電
極１１０、１１１のリード部の間には、セパレータ１１
５が挟まれて配置されている。さらに電極１１０、１１
１の間には、電解質としてのイオン伝導性の電解液が満
たされる。電解液の種類としては、約３０％の硫酸水溶
液を用いるものと、有機電解液を用いるものがある。こ
のようにして、セパレータ１１５を介して、一対の正極
と負極が対向する構造となっている。

【００２６】なお、ここに示されている電気二重層キャ
パシタは、両電極間の電解質部に液体を用いたものであ
るのでセパレータ１１５を用いているが、固体電解質の
場合はその固体電解質がセパレータを兼ねるので、セパ
レータ１１５を別要素として備える必要はない。

【００２７】セパレータ１１５は非導電性で多孔質の材
料で作られる。そのような多孔質の材料としては、硝子
繊維、ポリオレフィン系やポリエステル系等の繊維から
なる不織布や、セルロース（紙）、ポリプロピレンやポ
リオレフィンあるいはポリテトラフルオロエチレンを伸
延した微孔性フィルム等が用いられる。両電極間には、
電気化学素子として組立後に、前記電解質である電解液
が注入される。即ち、セパレータ１１５には電解液が含
浸される。

【００２８】さらに図１、図２に示される電気二重層キ
ャパシタでは、各リード部１１４の間、厚さ方向にスペ
ーサが挟まれている。即ち、第１群の正極１１０のリー
ド部間には、スペーサ１２１ａが、第２群の負極１１１
のリード部間には、スペーサ１２１ｂが重ねて組み立て
られている。スペーサはリード部間の抵抗を低くするた
めには金属からなることが好ましく、リード部を溶接す
る場合はリード部と同じ金属からなることが好ましい。

【００２９】図２（ｂ）を参照して、スペーサを含めた
各要素の厚さ関係を説明する。原理的には、スペーサの
厚さは、それに重ねられる集電体間に挟まる要素の厚さ
とほぼ等しくすればよい。さらに図２（ｂ）を参照して
具体的に説明する。電極層１１３と電極層１１３’は等
しい厚さｄ２を有するものとし、セパレータ１１５の厚
さをｄ３、集電体の厚さをｄ４、スペーサ１２１ａ、１
２１ｂの厚さをｄ１とすれば、スペーサ１２１ａあるい
はスペーサ１２１ｂと重ねられる２枚の集電体１１２の
間には、４層の電極層、２枚のスペーサ１１５、１枚の
集電体１１２が挟まることになるので、ｄ１はほぼ（４
・ｄ２＋２・ｄ３＋ｄ４）に等しくすれば、後述のよう
にたがをはめて固定するような場合でも無理なく組み立
てられることになる。実用上は、電極層が存在する部分
の電極等の合計厚さと、リード部を重ねた部分の厚さが
ほぼ同一、あるいはリード部を重ねた部分の厚さの方を
多少小さ目にするのが好ましい。即ち、ｄ１は（４・ｄ
２＋２・ｄ３＋ｄ４）の０．５〜１倍とするのが好まし
い。

【００３０】典型的には、電極層１１３と電極層１１
３’の厚さｄ２は約１５０μｍ、セパレータ１１５の厚
さｄ３は約１５０μｍ、集電体１１２の厚さｄ４は約５
０μｍ（３０〜１００μｍ）であるので、スペーサ１２
１ａ、１２１ｂの厚さｄ１は０．９〜１ｍｍ程度の厚さ
である。

【００３１】図２（ａ）において、電極層１１３、１１
３’の図中上下方向（リード部１１４が設けられた１辺
に直角な方向）の長さをＬ１、セパレータ１１５の同方
向の長さをＬ２とする。ここで、Ｌ１＜Ｌ２となるよう
にセパレータを形成するのが好ましい。一般的には、セ
パレータ１１５は、集電体１１２にスペーサ１１５が重
なる部分以外の集電体部分（典型的にはこの部分よりも
電極層１１３、１１３’は狭く作られる）より大きく形
成されている。このように構成すると、仮に両電極が理
想的な配列関係よりも近づく方向に移動して、両電極の
重なりが大きくなっても、セパレータ１１５がスペーサ
１２１ａとスペーサ１２１ｂとに当接することによっ
て、両電極が導通するほど近づくことを防止することが
できる。実用上は、ΔＬ＝Ｌ２−Ｌ１は、２〜１０ｍｍ
に設定されるが、３〜５ｍｍとするのが好ましい。

【００３２】以上説明した構造において、集電体１１２
は金属箔を単に四角形に形成すればよく、リード部１１
４はそのような四角形の集電体１１２上に電極層１１
３、１１３’を貼り付けない部分として残せばよい。即
ち、リード部を、電極層を形成した四角形の部分からそ
の電極層の四角形より狭い幅の突起部として設ける必要
がなく、リード部１１４を形成するために集電体１１２
に特別の加工、例えば集電体１１２の一部を切り取った
り、別のタブを用意してそれを集電体に溶接等で取り付
けたりする必要がない。したがって、作業工程が単純に
なり製造上極めて有利であり生産性が向上する。また、
リード部１１４は、電極層１１３、１１３’の施された
部分の四角形の１辺の全長に渡って設けられる形とな
り、電極層１１３、１１３’の全幅で集電できるので、
集電抵抗が低減し性能の向上を図ることができる。

【００３３】なお、スペーサ１２１ａ、１２１ｂは、使
用しなくてもよい。ただしそのときは、リード部１１４
の長さに余裕をとり、特に外側近くに積層される電極の
リード部が、後述の「たが」に挟むために積層の中央近
くまで寄せられても、長さに不足が生じないようにす
る。

【００３４】次に図３を参照して、以上説明した電極を
用いる電気二重層キャパシタの実施例を説明する。なお
図３では、図１で上下方向に向けて配置されていた電極
を水平方向に置いた場合で示している。

【００３５】図３（ａ）の実施例では、スペーサ１２１
ａを挟んだ正極１１０のリード部を、断面がコの字形状
をした「たが」であるケース部１３１ａのコの字に挟み
込み、コの字を上下からパンチングして固定している。
パンチングの代わりに、あるいはパンチングをした上
で、レーザー溶接や超音波溶接をしてもよいし、プロジ
ェクション溶接のような電気抵抗溶接を用いてもよい。
負極１１１側も同様に、コの字形状のケース部１３１ｂ
でリード部を挟み込み、パンチングや溶接等により固定
する。

【００３６】このようにして電極を固定したケース部１
３１ａとケース部１３１ｂとの間は、シールド板１３２
で連結して、電極１１０、１１１全体を覆う。なお、シ
ールド板１３２は絶縁材で作るのが好ましいが、金属等
を用いてもよく、その場合はシールド板１３２の中間部
には絶縁部１３３を設けて、正極と負極を電気的に絶縁
する。たがとシールド板で形成された容器中には、前述
のように電解液を注入し、液注入口も塞ぎ、容器全体を
密閉する。

【００３７】また、ケース部１３１ａとケース部１３１
ｂとにはそれぞれ外部端子１１７、１１７’を設けて、
電極１１０、１１１に電気を導入しまた導出できるよう
に構成する。

【００３８】図３（ｂ）の実施例では、やはり断面はコ
の字であるが、コの字の上下の片持ち梁部が、組み立て
られた正極１１０と負極１１１の全長のほぼ半分を覆う
長さに形成されたケースを１組用意する。その１組のケ
ースは、一方例えば正極側のケース１３４ａを容器とす
れば、他方負極側のケース１３４ｂはその蓋の関係にな
るように、コの字を合わせたときに若干の重なりを呈す
るように形成されている。その重なり部分にはシール剤
１３５を施す。図３（ａ）の場合と同様に、コの字は電
極のリード部１１４を収納した状態で、図中矢印で示す
ように上下からパンチング等をすることにより、電極を
固定しさらに電解液を注入した後に密閉する。

【００３９】図示しないが、積層された電極１１０、１
１１をコの字の「たが」により固定した後、「たが」を
ケースの一部とすることなく、固定された電極全体をた
がも含めて一つの角形ケース（容器）に収納して電気二
重層キャパシタを構成してもよい。

【００４０】以上、実施の形態として電気二重層キャパ
シタの場合で説明したが、その他の、集電体を備えた電
気化学素子、例えばリチウムイオン二次電池等の電池に
も本発明を応用することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電極層は
集電体の四角形の一辺に沿った帯状部分を残して、集電
体上に形成されているので、帯状部をリード部として用
いることができ、リード部の形成が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である電気二重層キャパシ
タの内部要素を分解して示した斜視図である。

【図２】図１の内部要素の側面図である。

【図３】本発明の実施例である電気二重層キャパシタの
断面図である。

【図４】従来の電気二重層キャパシタの一部を破断し
て、内部の構造を示した斜視図である。

【符号の説明】

１１０正極１１１負極１１２金属集電体１１３、１１３’ 電極層１１４リード部１１５セパレータ１２１ａ、１２１ｂスペーサ１１７、１１７’ 外部端子１３１ａ、１３１ｂたが１３３絶縁部１３４ａ、１３４ｂケース１３５シール部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河里健神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社内 (72)発明者山田和彦神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四角形状に形成されたシート状の複数の
集電体と；前記複数の集電体上にそれぞれ形成された電
極層と；前記電極層に隣接して設けられる電解質部とを
備え；前記電極層は前記集電体の四角形の一辺に沿った
帯状部分を残して、前記集電体上に形成され；前記複数
の集電体は、前記一辺を第１の方向に揃えて積層される
第１群の集電体と、前記一辺を前記第１の方向とは異な
る第２の方向に揃えて積層される第２群の集電体とから
なり；前記第１群の集電体と前記第２群の集電体とは、
前記電解質部を挟んで互い違いに積層され；前記積層さ
れた状態で、前記第１群の集電体の帯状部分には前記第
２群の集電体と重ならない部分が少なくとも一部あり、
前記第２群の集電体の帯状部分には前記第１群の集電体
と重ならない部分が少なくとも一部あるように構成され
ていることを特徴とする；電気化学素子。
【請求項２】前記複数の集電体の前記帯状部分に重ね
て組み立てられたスペーサをさらに備えることを特徴と
する；請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項３】前記電解質部中に置かれる四角形のセパ
レータをさらに備え；前記セパレータは、前記集電体に
前記スペーサが重なる部分以外の集電体部分より大きく
形成されていることを特徴とする；請求項２に記載の電
気化学素子。