JPWO2015133568A1 - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

初期捲回時において、従来よりも抄造セパレータに印加する張力を高めることができる蓄電素子を提供する。軸芯７は長手方向の中央領域Ｒ２から長手方向の両端部１１及び１３に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状を有している。所定の減少割合は、極板群５を軸芯７に捲回する初期捲回時に、抄造セパレータ３に皺が発生しない値に定められている。

Description

本発明は、極板群を軸芯に捲回して構成されるリチウムイオンキャパシタ素子及びリチウムイオン電池素子等の蓄電素子に関するものである。

特開２０１２−０７９９４３号公報（特許文献１）には、正負極板が抄造されたセパレータを介して積層された積層体が軸芯の周囲に捲回されて構成された捲回タイプの蓄電素子の一例が示されている。従来のこの種の蓄電素子では、外径寸法が一定の管状の軸芯が用いられている。

特開２０１２−０７９９４３号公報

このような正負極板が抄造セパレータを介して積層された積層体が軸芯に捲回されてなる捲回タイプの蓄電素子においては、積層体の捲回密度を高めて蓄電素子の性能を向上させるために、極板群を軸芯に捲回する際に、抄造セパレータに所定の張力を加えている。

しかしながら、張力が大きくなるほど、抄造セパレータを軸芯に捲回する初期段階において、抄造セパレータに皺が発生するという問題がある。なおこの問題は、抄造セパレータの厚みが薄くなるほど顕著に発生する。このような初期捲回時に皺が発生すると、さらに捲回を継続しても皺が解消されることはなく、皺が発生した部分では、正極板または負極板の一部が抄造セパレータに食い込んだ状態となり、将来的に短絡を生じさせる原因となる。そのため抄造セパレータに皺が発生した蓄電素子は、不良品として処分されることになり、従来は蓄電素子の製造歩留まりを高めることができなかった。

本発明の目的は、抄造セパレータを軸芯に捲回する初期捲回時において、従来よりも抄造セパレータに印加する張力を高めることができる蓄電素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、抄造セパレータの厚みを薄くして、しかも従来よりも抄造セパレータに印加する張力を高めても、抄造セパレータを軸芯に捲回する初期捲回時において、抄造セパレータに皺が発生することのない蓄電素子を提供することにある。

発明者は、いわゆる樹脂製のセパレータを用いる場合には、捲回の初期段階で皺が発生することがないのに、抄造セパレータを用いる場合に、なぜ皺が発生するのかを検討した。その結果、抄造セパレータは樹脂製のセパレータと比べて、伸縮性が低いという特性があり、この特性が皺発生の原因になっていることを発見した。特に、セパレータの端部と軸芯との接合状態または固定状態によっては、セパレータの端部に加わる力の分布が、端部の幅方向に沿って変動し、この力の分布の変動が、原因となって、伸縮性が低い抄造セパレータの捲回初期段階で皺が発生するものと推測される。

本発明は、帯状の正極板と帯状の負極板とが帯状の抄造セパレータを介して積層されて構成された積層体が、軸芯の周囲に捲回されてなる蓄電素子を改良の対象とする。本発明では、軸芯は長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状を有している。なお軸芯の中央領域とは、軸芯の長手方向の中心位置を含む所定の範囲の領域である。この中央領域においては、軸芯の外径寸法は減少しても、減少しなくてもよい。所定の減少割合は、極板群を軸芯に捲回する初期捲回時に、抄造セパレータに皺が発生しない値に定められている。減少割合は、一定でも、また変化するものでもよい。このように軸芯の外径寸法を定めると、初期捲回時に抄造セパレータの端部に加わる力に大きなバラツキが生じても、抄造セパレータに加わる力は軸芯の中央領域から両端部に向かって減少する分布傾向を示す。発明者は、このような力の分布傾向が、抄造セパレータの厚みを薄くして、しかも張力を大きくしても、伸縮性の低い抄造セパレータに皺が生じることを防いでいるものと考えている。

所定の減少割合は、軸芯の捲回部の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、抄造セパレータの厚み寸法の３０％±１０％の範囲の値になるように定められていることが好ましい。このような値にすると、皺の発生をより効果的に防止することができることが実験により確認されている。

また、抄造セパレータは、紙を製造する場合に用いる抄造法によって製造されたものであればよく、抄造される原材料は絶縁性を有するものであれば任意であるが、例えば溶剤で処理して紡糸したセルロース繊維を主原料として形成されたいわゆる紙セパレータを用いると、安価に蓄電素子を製造することができる。なおこの抄造セパレータを用いる場合には、その厚みが３５μｍよりも薄い場合に、特に本発明は適している。また中央領域の両側に位置して外径寸法が減少する減少領域の長手方向の長さは、軸芯の長さ寸法の１／４よりも長いことが好ましい。これは、減少領域の長手方向の長さが、短くなり過ぎると、減少領域を設ける効果が得られなくなるためである。

なお本発明は、長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状を有している軸芯としても把握することができる。この場合も、所定の減少割合は、帯状の正極板と帯状の負極板とが帯状の抄造セパレータを介して積層されて構成された積層体が捲回されるときに、抄造セパレータに皺が発生しない値に定められる。

本発明は、抄造セパレータを用いることが多い、リチウムイオンキャパシタ素子に適用するのに適している。

本発明の実施の形態の蓄電素子の一種であるリチウムイオンキャパシタ素子の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態で使用する軸芯の正面図である。 軸心の外径寸法の変化を誇張して概略的に示す一部省略拡大断面図である。 厚さ３０μｍの抄造セパレータを用いて、実施例１及び２と比較例１〜３の抄造セパレータの皺の発生の有無を示した表である。

以下、図面を参照して、本発明を蓄電素子の一種であるリチウムイオンキャパシタ素子に適用した実施の形態について説明する。図１は、本発明をリチウムイオンキャパシタ素子に適用した場合の構造を概略的に示すリチウムイオンキャパシタ素子の斜視図である。図２は、本発明の実施の形態で使用する軸芯７の一部を省略して示した正面図である。図３は、軸芯７の外径寸法の変化を誇張して概略的に示す一部省略拡大断面図である。図２及び図３において、Ｒ１は第１の端部領域を示し、Ｒ２は中央領域を示し、Ｒ３は第２の端部領域を示している。第１の端部領域Ｒ１、中央領域Ｒ２及び第２の端部領域Ｒ３はそれぞれ軸芯７の長手方向の全長寸法の１／３の長さを有している。第１の端部領域Ｒ１、中央領域Ｒ２及び第２の端部領域Ｒ３が軸芯の捲回部を構成している。

本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ素子１では、帯状の正極板と帯状の負極板とが帯状の抄造セパレータ３を介して積層されて構成された積層体が、軸芯７の周囲に捲回されてタブレスタイプの極板群５が構成されている。

極板群５中の正極板は、幅方向の一端側に被溶接部を残すように帯状の集電板に正極活物質層が形成されて構成されている。同様に、負極板は、幅方向の一端側に被溶接部を残すように帯状の集電板に負極活物質層が形成されて構成されている。そして正極板の被溶接部と負極板の被溶接部が極板群５の両端部に位置するように、正極板と負極板とを抄造セパレータ３を介して積層してなる積層体を軸芯７の周りに捲回して、極板群５が構成されている。

なお、本実施の形態においては、正極板及び負極板の厚み寸法は、５０μｍ〜１１５μｍの範囲にあり、抄造セパレータ３の厚み寸法は、５０μｍ未満であり、正極板、負極板及び抄造セパレータ３の幅寸法は９０．３ｍｍ〜１３３．３ｍｍの範囲にある。抄造セパレータ３としては、溶剤で処理して紡糸したセルロース繊維を主原料として形成されたいわゆる紙セパレータを用いている。なお抄造セパレータ３としては、原材料として、絶縁性を有するＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）樹脂等を用いるものを使用することができる。

本実施の形態の軸芯７は、中空円筒状のＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）樹脂により一体成形されている。なお、軸芯７は、ポリプロピレン、ポリイミド等のその他の樹脂により製造されていてもよい。軸芯７の両端部１１及び１３には、軸芯７を回転させるための治具が嵌合される一対の嵌合溝１２がそれぞれ径方向に対向するように形成されている。また軸芯７の両端部１１及び１３には、極板群５が捲装されない小径の突出部１４がそれぞれ一体に設けられている。

そして軸芯７の極板群５が捲装される領域の外面には、中央領域Ｒ２から第１の端部領域Ｒ１及び第２の端部領域Ｒ３にわたって連続するテーパ面が形成されている。すなわち中央領域Ｒ２の長手方向の中心部１７から第１の端部領域Ｒ１にわたって、端部１１に向かって所定の減少割合で外径寸法が減少している。同様に、中央領域Ｒ２の長手方向の中心部１７から第２の端部領域Ｒ３にわたって、端部１３に向かって所定の減少割合で外径寸法が減少している。中央領域Ｒ２では外径寸法の減少割合が、中心部１７に向かって徐々に小さくなり、最終的に減少割合が０になる。したがって本実施の形態の軸芯７では、中央領域Ｒ２の中央に稜線が現れることはない。本実施の形態では、第１の端部領域Ｒ１における外径寸法の減少割合と、第２の端部領域Ｒ３における外径寸法の減少割合は一定であり、また中央領域Ｒ２の中心部１７を除く部分の外径寸法の減少割合も、第１及び第２の端部領域における減少割合と同じく一定である。

本実施の形態では、軸芯７の中央領域Ｒ２の長手方向の中心部１７の外径寸法が軸芯７の最大外径寸法となり、第１及び第２の端部領域Ｒ１及びＲ３の端部１１及び１３における最も端の位置における外径寸法が最小外径寸法となる。そして第１及び第２の端部領域Ｒ１及びＲ３では、それぞれ中央領域Ｒ２から連続して、両端部１１及び１３のある方向に向かって外径寸法が一定の減少割合で減少している。

軸芯７の外径寸法の所定の減少割合は、極板群５を軸芯７に捲回する初期捲回時に、抄造セパレータ３に皺が発生しない値に定められている。具体的には、本実施の形態においては、軸芯７の外径寸法の減少割合は、軸芯７の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、抄造セパレータ３の厚み寸法の３０％±１０％の範囲の値になるように定められている。このように軸芯７の外径寸法を定めると、初期捲回時に抄造セパレータ３に張力を加えても、皺を生じさせる力が軸芯７の中央領域Ｒ２から両端部１１及び１３に向かって減少する傾向が現れる。その結果、抄造セパレータ３に皺が生じることを防ぐことができる。

軸芯７の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、抄造セパレータ３の厚み寸法の３０％＋１０％より大きくなると、寸法差が原因となって皺が発生する傾向が見られることが実験により確認されている。また軸芯７の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、抄造セパレータ３の厚み寸法の３０％−１０％より小さくなると、皺が発生する傾向を抑制して皺の発生を防止する効果が得られないことが実験により確認されている。

中央領域Ｒ２における外径寸法の中心部１７を除く主要部分の減少割合、第１の端部領域Ｒ１及び第２の端部領域Ｒ３における外径寸法の減少割合とは異なってもよい。すなわち第１の端部領域Ｒ１から中央領域Ｒ２に移行する際に、連続的に外径寸法が減少し、中央領域Ｒ２の中心部１７において減少割合が徐々に０に近づくのであれば、中央領域Ｒ２における減少割合の変化の態様は任意である。また中央領域Ｒ２の中心部１７を含む比較的に広い領域において、外径寸法の減少割合が０になっていてもよいのは勿論である。本発明においては、少なくとも第１及び第２の端部領域Ｒ１及びＲ３において、外径寸法が所定の減少割合で減少すればよい。

本実施の形態の実施例においては、具体的に、軸芯７の最大外径寸法が、１３．０３ｍｍ〜１３．２０ｍｍの範囲にあり、最小外径寸法が１３．０１ｍｍ〜１３．１８ｍｍの範囲にあり、軸芯７の長さ寸法は、９７．２５ｍｍ〜１３９．４５ｍｍの範囲にある。そして減少割合は、第１及び第２の端部領域Ｒ１及びＲ３においては一定である。すなわち第１及び第２の端部領域Ｒ１及びＲ３においては、外表面に現れるテーパ面１５及び１９の角度（中央領域Ｒ２の中心部１７における接平面と端部領域Ｒ１及びＲ３のテーパ面１５及び１９の間の角度）は一定である。中央領域Ｒ２においては、その中心部１７に向かって、徐々に減少割合が０になるように、減少割合が定められている。すなわち中央領域Ｒ２の外表面に現れるテーパの角度が中心部１７に近づくに従って０になる。

上記実施の形態の実施例のリチウムイオンキャパシタ素子と、比較例におけるリチウムイオンキャパシタ素子について、抄造セパレータの皺の発生し易さについて実験を行った結果を図４に示す。図４は、厚さ３０μｍの抄造セパレータを用いて、実施例１及び２と比較例１〜３のリチウムイオンキャパシタ素子の捲回時の張力（テンション）と抄造セパレータの皺の発生の有無を示した表である。

この実験では、実施例１及び２と比較例１〜３のリチウムイオンキャパシタ素子をそれぞれ作成し、捲回時の張力（テンション）を変えながら抄造セパレータの皺の発生の有無を調べた。実施例１のリチウムイオンキャパシタ素子は、図１〜３に示す上記実施の形態のリチウムイオンキャパシタ素子である。すなわち軸芯７の最大外径寸法が、１３．１１ｍｍであり、最小外径寸法が１３．０９ｍｍであり、軸芯７の長さ寸法が９７．２５ｍｍである。そして軸芯７の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、抄造セパレータ３の厚み寸法の３０％となるように、第１の端部領域Ｒ１と第２の端部領域Ｒ３の外径寸法の減少割合及び中央領域Ｒ２の減少割合を定めた。第１の端部領域Ｒ１と第２の端部領域Ｒ３の外径寸法の減少割合は一定であり、中央領域Ｒ２においては、長手方向の中心部１７に向かって外径寸法の減少割合が徐々に０になるように減少割合を定めた。

実施例２のリチウムイオンキャパシタ素子は、軸芯の長手方向の両端部付近４分の１の端部領域にテーパ（中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状）を有している。実施例２では、テンションが大きくなると、皺の発生が見られる。実験によると、第１の端部領域Ｒ１及び第２の端部領域Ｒ３が軸芯７の長手方向の寸法の１／４よりも長くなれば、一定の本発明の効果は得られることが確認されている。特に実施例１のように、第１の端部領域Ｒ１及び第２の端部領域Ｒ３が軸芯７の長手方向の寸法の１／３程度であると、特に良好な結果が得られる。

比較例１のリチウムイオンキャパシタ素子は、軸芯の長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が一定の割合で増加する軸芯を用いた。具体的な増加割合は、軸芯の最大外径寸法と最小外径寸法との差が抄造セパレータの厚み寸法の３０％になるようにした。

比較例２のリチウムイオンキャパシタ素子は、軸芯の外径寸法が一定である軸芯を用いた。

比較例３のリチウムイオンキャパシタ素子は、実施例と同様に軸芯の長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が減少するものの、その減少割合が大きい（軸芯の最大外径寸法と最小外径寸法との差が抄造セパレータの厚み寸法の３０％±１０％の範囲よりも大きい６０％にした）軸芯を用いている。

図４に示すように、厚さが３０μｍの抄造セパレータを用いた場合において、実施例１のリチウムイオンキャパシタ素子は３１００ｇのテンション（張力）で捲回した場合でも抄造セパレータに皺は発生しなかった。また、実施例２のリチウムイオンキャパシタ素子は２２００ｇのテンション（張力）で捲回した場合に初めて抄造セパレータに皺が発生した。これに対し、比較例１〜３のリチウムイオンキャパシタ素子は２０００ｇ以下のテンション（張力）で抄造セパレータに皺が発生した。したがって実施例２の場合でも、本発明を適用していない比較例と比べて、抄造セパレータの捲回時のテンションを高めることができる。

発明者の実験によると、抄造セパレータの厚みが３５μｍを超えると、実施例１と比較例２の場合において、皺の発生条件に殆ど差が生じないことが確認されている。

上記の実験では、厚さが３０μｍの抄造セパレータを用いたが、抄造セパレータの厚みが３０μｍよりも増すと皺自体が発生し難くなるため、抄造セパレータの厚みが増すに従い、徐々に本発明の効果が減少する。一方で、抄造セパレータの厚みが薄くなる場合は、皺が発生し易くなるため、上記の実験よりも本発明の効果が顕著になるのは当然である。

以上より、実施例１及び２のリチウムイオンキャパシタ素子は、比較例１〜３のリチウムイオンキャパシタ素子に比べて、強い張力を加えても、また抄造セパレータの厚みが薄くなった場合でも、抄造セパレータに皺が生じにくいことが分かる。

本発明によれば、抄造セパレータの厚みを薄くして、しかも張力を大きくしても、抄造セパレータを軸芯に捲回する初期捲回時において、抄造セパレータに皺が生じにくい蓄電素子を提供することができる。

１ リチウムイオンキャパシタ素子
３ 抄造セパレータ
５ 極板群
７ 軸芯

Claims (7)

1. 帯状の正極板と帯状の負極板とが帯状の抄造セパレータを介して積層されて構成された積層体が、軸芯の周囲に捲回されてなる蓄電素子であって、
   前記軸芯は長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状を有しており、
   前記所定の減少割合が、極板群を前記軸芯に捲回する初期捲回時に、前記抄造セパレータに皺が発生しない値に定められていることを特徴とする蓄電素子。
2. 前記所定の減少割合が、前記軸芯の捲回部の最大外径寸法と最小外径寸法との差が、前記抄造セパレータの厚み寸法の３０％±１０％の範囲の値になるように定められていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記抄造セパレータは、溶剤で処理して紡糸したセルロース繊維を主原料として形成されたものである請求項１または２に記載の蓄電素子。
4. 前記抄造セパレータの厚みが、３５μｍより薄い請求項３に記載の蓄電素子。
5. 前記中央領域の両側に位置して外径寸法が減少する減少領域の前記長手方向の長さは、前記軸芯の長さ寸法の１／４よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の蓄電素子。
6. 前記蓄電素子が、リチウムイオンキャパシタ素子である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蓄電素子。
7. 長手方向の中央領域から長手方向の両端部に向かって外径寸法が所定の減少割合で小さくなる形状を有し、
   前記所定の減少割合が、帯状の正極板と帯状の負極板とが帯状の抄造セパレータを介して積層されて構成された積層体が捲回されるときに、前記抄造セパレータに皺が発生しない値に定められている軸芯。

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