KR20160057387A - 축전 디바이스 - Google Patents

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KR20160057387A
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KR
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electrode
case
current collector
opening end
active material
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KR1020167005033A
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미츠야스 우에다
마사토시 마지마
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과, 전해질과, 상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와, 상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고, 상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고, 상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있는 축전 디바이스.

Description

축전 디바이스{ELECTRICITY-STORAGE DEVICE}
본 발명은 축전 디바이스에 관한 것이며, 특히 축전 요소를 수용하는 케이스의 밀봉 구조의 개량에 관한 것이다.
본 출원은, 2013년 9월 18일 출원의 일본 출원 제2013-193565호, 2013년 9월 24일 출원의 일본 출원 제2013-197132호, 2013년 10월 7일 출원의 일본 출원 제2013-210482호에 기초하는 우선권을 주장하고, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
최근, 휴대 정보 단말, 전동 차량, 가정용 전력 저장 장치 등에 이용되는 축전 디바이스의 개발이 진행되고 있다. 축전 디바이스 중에서도, 커패시터와 비수전해질 이차 전지의 연구가 활발하게 이루어지고, 특히 리튬 이온 커패시터, 전기 이중층 커패시터, 리튬 이온 전지, 나트륨 이온 전지 등의 개발에 기대가 모아지고 있다.
축전 디바이스는, 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과, 전해질을 구비한다. 각 전극은, 집전체(전극 심재)와, 집전체에 담지된 활물질층을 포함하고 있다.
여기서, 축전 디바이스가, 전극군과 전해질을 포함하는 축전 요소를 수용하고, 개구 단부를 갖는 케이스를 갖는 경우, 케이스의 개구 단부는 밀봉판에 의해 밀봉된다. 밀봉판은, 예컨대 레이저 용접에 의해 케이스의 개구 단부에 부착된다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2012-109219호 공보
밀봉판을 케이스의 개구 단부에 용접하여 부착하는 밀봉 구조의 경우에는, 개구 단부의 위에 밀봉판을 놓는 것이 아니라, 도 9에 도시한 바와 같이, 케이스(14A)의 개구 단부의 내측에 밀봉판(16A)을 끼워 넣은 상태로, 개구 단부의 내측면과 밀봉판의 둘레 가장자리부를 레이저 용접하는 것이 일반적이다. 이 때, 레이저광은, 밀봉판의 외측면에 수직인 방향으로부터 조사할 수 있다. 이에 따라, 케이스나 레이저 헤드 중의 어느 것을, 자세의 변화를 수반하지 않고 이차원적으로 이동시키는 것만으로, 밀봉판의 둘레 가장자리부를 전체 둘레에 걸쳐 케이스의 개구 단부에 용접할 수 있다. 따라서, 케이스의 개구 단부를 용이하게 밀봉할 수 있다.
그러나, 상기 밀봉 구조에서는, 밀봉판(16)의 외형 사이즈와 케이스의 개구 단부의 사이즈가 높은 정밀도로 일치하지 않으면, 용접시에 밀봉판의 둘레 단부면과 개구 단부의 내측면을 충분히 밀착시킬 수 없다. 밀봉판(16A)의 둘레 단부면과 케이스(14A)의 개구 단부의 내측면이 밀착되지 않으면, 용접시에 스퍼터 등에 기인하는 이물질(90)이 케이스의 내부에 혼입하는 것도 생각할 수 있다.
그런데, 축전 디바이스는 대량 생산을 기본으로 한다. 몇만개의 제조물 중에는, 상기 요구 정밀도에 도달하지 않은 케이스와 밀봉판에 의해 구성된 제조물이 존재할 가능성이 있다. 그리고, 이물질 혼입의 영향(예컨대 용량의 저하)이 어느 정도의 기간을 거친 후에 발현되는 경우도 있다. 그와 같은 경우에는, 검사에 의해, 밀봉시에 케이스의 내부에 이물질이 침입한 것을 발견하는 것도 어렵다.
본 발명의 하나의 국면은, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과,
전해질과,
상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스(a bottom-closed case having an open edge)와,
상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고,
상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고,
상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있고,
상기 밀봉판은, 상기 케이스의 상기 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 또한 상기 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 갖고 있고,
상기 케이스의 상기 개구 단부는, 상기 제1 사면과 접촉하는 제2 사면을 갖고 있고,
상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부가, 상기 제1 사면과 상기 제2 사면으로 용접되어 있는 축전 디바이스를 제공한다.
본 발명의 다른 국면은, 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과,
전해질과,
상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 상기 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 가지며, 또한 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고,
상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고,
상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있고,
상기 밀봉판을 상기 케이스의 상기 개구 단부에 용접하여 부착한 밀봉 구조를 가지며,
상기 케이스의 상기 개구 단부는, 용접되기 전, 상기 제1 사면과 접촉하는 제2 사면을 갖고 있고,
상기 밀봉 구조는, 상기 제1 사면과 상기 제2 사면을 접촉시킨 상태로, 상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부를 서로 용접함으로써 형성되어 있는 축전 디바이스를 제공한다.
상기에 따르면, 밀봉판의 둘레 가장자리부와, 케이스의 개구 단부를 용접할 때에, 케이스의 내부에 이물질이 혼입하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 원하는 성능을 갖는 축전 디바이스를 보다 안정적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 축전 디바이스의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 축전 디바이스를 정면에서 봤을 때의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 3a는 도 2의 IIIA선에 의한 화살표 단면도이다.
도 3b는 도 2의 IIIB선에 의한 화살표 단면도이다.
도 4는 주머니형 세퍼레이터의 내부에 있는 제1 전극을, 주머니의 한쪽 면을 제거한 상태로 나타내는 정면도이다.
도 5는 제2 전극의 정면도이다.
도 6a는 제1 전극과 제1 단자판의 접속 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 6b는 제2 전극과 제2 단자판의 접속 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 7은 제1 리드의 구성을 나타내는 정면도(a), 평면도(b) 및 측면도(c)이다.
도 8은 케이스의 개구 단부와 밀봉판의 둘레 가장자리부의 접합 구조의 일형태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 케이스의 개구 단부와 밀봉판의 둘레 가장자리부의 종래의 접합 구조를 나타내는 단면도이다.
도 10은 제1 집전체의 골격의 일부의 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 11은 제1 집전체에 전극 합제를 충전한 상태를 나타내는 단면 모식도이다.
도 12는 전극군의 일례의 단면도이다.
도 13은 전극군의 일례의 동극성의 전극끼리 전기적으로 접속되어 있는 상태를 나타내는 단면도이다.
[발명의 실시형태의 개요]
본 발명의 하나의 국면에 따른 축전 디바이스는, 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과, 전해질과, 전극군과 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와, 그 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비한다. 밀봉판은, 케이스의 개구 단부를 밀봉한 상태로 케이스의 외측에 면하는 제1 주면(16b)(도 8 참조) 및 케이스의 내측에 면하는 제2 주면(16c)을 갖는다.
제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있다. 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있다. 제1 전극과 제2 전극은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있다. 제1 전극과 제2 전극이 각각 복수 있는 경우에는, 제1 전극과 제2 전극은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 끼운 상태로 교대로 적층된다.
여기서, 밀봉판은, 케이스의 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 갖고 있고, 그 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 제1 주면과 예각 θ1을 이루는 제1 사면(16a)을 갖고 있다(도 8 참조). 이하, 밀봉판의 제1 주면(16b)을 밀봉판의 외측면이라고 칭하고, 밀봉판의 제2 주면을 밀봉판의 내측면이라고 칭한다.
한편, 케이스의 개구 단부는, 제1 사면과 접촉하는 제2 사면(14a)을 갖고 있다. 여기서, 「접촉」이란, 제1 사면과 제2 사면이 면접촉(plane-contact)하고 있는 상태이다. 그리고, 밀봉판의 둘레 가장자리부와 케이스의 개구 단부는, 제1 사면과 제2 사면으로 용접되어 있다. 이하, 케이스 측벽의 외측 둘레면(14b)과 제2 사면이 이루는 각도(예각)를 θ2로 한다. 여기서, 케이스 측벽의 외측 둘레면(14b)(이하, 단순히 케이스의 외측면이라고도 함)과 밀봉판의 외측면이 수직이면, θ2=(90-θ1)(도)이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 밀봉판(16)의 둘레 가장자리부와 케이스(14)의 개구 단부의 예컨대 상단부를, 사면끼리 맞대고 용접함으로써, 치수 오차에 의한 영향을 완화할 수 있다.
또한, 사면끼리 용접함으로써, 통상의 용접부(도 9 참조)보다 길이가 긴 용접부를 형성할 수 있다. 도 9의 경우에는 용접부의 깊이는 L12이지만, 도 8의 경우에는 용접부의 길이는 L12보다 길어진다. 그 결과, 용접시의 스퍼터 등에 기인하는 이물질이 케이스의 내부에 침입하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 원하는 성능을 갖는 축전 디바이스를 보다 안정적으로 제조할 수 있다.
이 때, 예각 θ1은 5∼85도의 범위내의 각도로 설정하는 것이 바람직하다. 또, 각도 θ1은, 밀봉판의 두께나 케이스의 두께에 따라서, 상기 범위내에서 최적의 각도로 설정할 수 있다. 각도 θ1의 보다 바람직한 범위는 10∼45도이다.
또한, 각도 θ1을 예컨대 5∼85도의 범위내의 각도로 설정함으로써, 밀봉판의 둘레 가장자리부와 케이스의 개구 단부를 용접하는 것이 용이해진다. 즉, 각도 θ1이 상기 범위내의 각도이면, 도 8에 도시한 바와 같이, 밀봉판의 외측면에 수직인 방향의 레이저광을 조사함으로써, 밀봉판의 둘레 가장자리부와 케이스의 개구 단부를 용접할 수 있다. 그 결과, 도 9에 도시한 경우와 마찬가지로, 케이스나 레이저 헤드 중의 어느 것을, 자세의 변화를 수반하지 않고 이차원적으로 이동시키는 것만으로, 밀봉판의 둘레 가장자리부를 전체 둘레에 걸쳐 케이스의 개구 단부에 용접할 수 있다. 레이저광을, 비스듬히 상측이나, 케이스의 외측면에 수직인 방향(도 8에서는 바로 옆)으로부터 조사하는 경우에는, 케이스나 레이저 헤드 중의 어느 것을 회전시키거나, 이들의 자세를 바꾸거나 할 필요가 있어, 위치 제어가 어려워진다.
여기서, 케이스 측벽의 제2 사면(14a)과 인접하는 부분의 두께 L11은, 예컨대 0.1∼3 mm로 설정할 수 있다. 두께 L11은, 케이스 전체의 평균적인 두께와 일치하고 있어도 좋고, 특별히 제2 사면과 인접하는 부분의 두께 L11만이 상기 범위내의 두께로 설정되어 있어도 좋다. 한편, 밀봉판의 제1 사면(16a)과 인접하는 부분의 두께 L12는, 예컨대 0.1∼4 mm로 설정할 수 있다. 두께 L12도, 밀봉판 전체의 평균적인 두께와 일치하고 있어도 좋고, 특별히 제1 사면(16a)과 인접하는 부분의 두께 L12만이 상기 범위내의 두께로 설정되어 있어도 좋다.
여기서, 제1 집전체는, 제1 금속 다공체를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 예컨대 제1 전극이 리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 정극이면, 제1 집전체에는, 알루미늄을 포함하는 금속 다공체를 사용하는 것이 바람직하다. 제1 전극이 리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 부극이면, 제1 집전체에는, 구리를 포함하는 금속 다공체를 사용하는 것이 바람직하다.
축전 디바이스의 용량을 증대시키기 위해서는, 집전체의 단위면적당 담지되는 활물질량을 최대한 많게 하는 것이 요구된다. 그런데, 종래의 금속박의 집전체에 다량의 활물질을 담지시키면, 활물질층이 두꺼워져, 활물질과 집전체의 평균 거리가 커진다. 그 결과, 전극의 집전성이 저하됨과 함께, 활물질과 전해질의 접촉이 제한되어, 충방전 특성이 손상되기 쉬워진다.
따라서, 연통 구멍을 갖는 기공률이 높은 금속 다공체를 집전체로서 이용하는 것이 바람직하다. 금속 다공체는, 예컨대 발포 우레탄 등의 연통 구멍을 갖는 발포 수지의 골격 표면에 금속층을 형성한 후, 발포 수지를 열분해하고, 또한 금속을 환원 처리함으로써 제조된다.
제2 집전체에도 제2 금속 다공체를 포함시킬 수 있다. 그리고, 복수의 제2 집전체에도, 각각 인접하는 다른 제2 집전체와 전기적으로 접속하기 위한 터브형의 제2 접속부를 설치할 수 있다. 이들 제2 접속부는, 시트형의 제2 도전성 스페이서를 사이에 끼워, 전극군의 적층 방향을 따라서 겹치도록 배치할 수 있고, 또한 제2 체결 부재에 의해 서로 체결할 수 있다.
제1 금속 다공체 및 제2 금속 다공체는, 활물질을 담지시켜야 하는 표면적(이하, 유효 표면적이라고도 함)이 단순한 금속박 등보다 커지는 구멍 구조를 갖는 것이면 된다. 그와 같은 관점에서, 제1 금속 다공체 및 제2 금속 다공체로는, 이후에 설명하는 셀멧(스미토모전기공업 주식회사의 등록상표), 알루미늄 셀멧(스미토모전기공업 주식회사의 등록상표) 등의 삼차원 메쉬형이며 중공의 골격을 갖는 금속 다공체가, 단위체적당 유효 표면적을 현저하게 크게 할 수 있기 때문에 가장 바람직하다. 그 밖에, 제1 금속 다공체 및 제2 금속 다공체로는, 부직포, 펀칭 메탈, 익스팬드 메탈 등을 사용할 수 있다. 또, 부직포, 셀멧, 알루미늄 셀멧은, 삼차원 구조의 다공체이며, 펀칭 메탈, 익스팬드 메탈은 이차원 구조의 다공체이다.
전술한 바와 같은 금속 다공체는, 표면적이 크기 때문에 많은 활물질을 담지할 수 있을 뿐만 아니라, 전해질을 유지하기 쉽기 때문에 축전 디바이스용의 전극으로서 적합하다고 생각된다. 그러나, 금속 다공체를 집전체로서 포함하는 동극성의 전극을 복수 사용하는 경우, 동극성의 집전체끼리 병렬로 접속할 필요가 있다.
예컨대, 도 12에 도시한 바와 같은 전극군(100)은, 시트형의 복수의 정극(112)과 시트형의 복수의 부극(114)을, 세퍼레이터를 사이에 끼워서 교대로 적층하여 구성되어 있다.
각 집전체에는 터브형의 접속부(116)가 설치되어 있다. 도 13에 도시한 바와 같이, 복수의 접속부(116)를 서로 접합함으로써, 동극성의 전극끼리 전기적으로 접속되어 있다. 접속부(116)는, 부품수 및 제조 공정수의 삭감을 도모하는 관점에서, 집전체의 본체와 일체적으로 형성된다. 즉, 접속부(116)는 집전체와 동일한 재질이다.
금속끼리의 접속 방법으로는, 용접이 일반적이다. 그러나, 금속 다공체로 형성된 접속부끼리를 용접에 의해 접합하는 것은 매우 어렵다. 금속 다공체를 가열하면, 다공체의 구조나 성상이 크게 변화하기 때문이다. 또한, 용접 부분의 형상을 정밀하게 제어하는 것이 어려워, 용접 부분과 주위의 경계는 불규칙해지기 쉽다. 그 결과, 응력의 국소적인 집중을 초래하여, 양호한 도통성과 충분한 접합 강도를 양립하는 것이 어려워진다.
따라서, 집전체의 본체와 예컨대 일체적으로 형성된 접속부를, 예컨대 도전성 스페이서를 사이에 끼우고, 체결 부재에 의해, 인접하는 다른 접속부와 서로 접합 내지는 체결한다. 이 때, 체결 부재로는, 예컨대 리벳을 사용할 수 있다. 이와 같이, 리벳 등의 체결 부재에 의해 접속부끼리를 기계적으로 접합함으로써, 용접에 의한 접합의 경우와 같이, 금속 다공체의 구조나 성상이 크게 변화하지 않아, 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 리벳 등의 체결 부재에 의한 기계적인 접합 방법에 의하면, 용접과 같은 야금적 접합 방법의 수배의 접합 강도를 얻을 수도 있다.
또, 후술하는 바와 같이, 그와 같은 체결 부재(제1 체결 부재 또는 제2 체결 부재)는 리벳에 한정되지 않고, 각 접속부를 기계적으로 접합 내지는 체결할 수 있는 부재 또는 기구라면, 그것을 체결 부재로서 사용할 수 있다. 단, 후술하는 바와 같이, 그와 같은 체결 부재로는 리벳을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
여기서, 체결 부재에 의해 접속부끼리 기계적으로 접합하는 구체적인 방법에 관해 일례를 설명한다.
축형의 체결 부재라면, 접속부에 체결 부재를 통과시키는 관통 구멍을 형성하고, 관통 구멍에 체결 부재를 삽입 관통시키고, 체결 부재의 선단을 짓누르고 접속부의 측면에 결합시켜 코킹하는 것을 생각할 수 있다. 관통 구멍은, 예컨대 진원에 가까운 형상으로 하는 것도 용이하고, 그 형상의 정밀도를 검사하는 것도 용이하다. 따라서, 응력의 과도한 집중을 억제하여, 용이하게 원하는 내구성을 얻을 수 있다. 또한, 내구성이 떨어지는 불량품의 출하를 방지할 수도 있다.
또한, 동극성의 복수의 전극의 접속부 사이에 도전성 스페이서를 배치함으로써, 용접에 의한 경우와 동일한 정도 이상의 접촉 면적을 확보하는 것이 용이해진다. 이에 따라, 전극 사이의 접속 저항을 작게 할 수 있다.
또한, 용량을 증대시키기 위해서는, 어느 정도 이상의 두께(예컨대 0.1∼10 mm)를 갖는 금속 다공체를 집전체에 사용하는 것이 바람직하다. 그와 같은 경우에도, 복수의 전극의 접속부 사이에 도전성 스페이서를 배치함으로써, 접속부의 변형을 억제할 수 있다. 이에 따라, 전극군의 내구성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로는, 전술한 적층 구조의 전극군에 있어서는, 동극성의 복수의 전극의 접속부끼리의 간격이 예컨대 1 mm 이상이 된다. 이 때, 접속부끼리를 체결 부재에 의해 직접적으로 접합하면, 도 13에 도시한 바와 같이, 각 접속부(116)의 변형량이 커진다. 그 결과, 내구성이 저하될 가능성이 있다. 한편, 복수의 전극의 접속부 사이에 도전성 스페이서를 배치함으로써, 인접하는 접속부끼리를 접합했을 때의 변형을 억제할 수 있다. 이에 따라, 전극군의 내구성을 향상시킬 수 있다.
제1 체결 부재는, 제1 집전체와 동종의 금속 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 체결 부재의 전해질 등에 의한 침식을 억제할 수 있다. 따라서, 전극군의 내구성을 향상시킬 수 있다.
예컨대 제1 전극이 리튬 이온 커패시터나 리튬 이온 전지의 정극이라면, 제1 집전체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함함과 함께, 제1 체결 부재도 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
제2 체결 부재도, 제2 집전체와 동종의 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제2 체결 부재의 전해질 등에 의한 침식을 억제할 수 있다. 따라서, 전극군의 내구성을 향상시킬 수 있다.
예컨대 제2 전극이 리튬 이온 커패시터나 리튬 이온 전지의 부극이라면, 제2 집전체가 구리 또는 구리 합금을 포함함과 함께, 제2 체결 부재도 구리 또는 구리 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
도전성 스페이서(제1 도전성 스페이서 또는 제2 도전성 스페이서)는, 충분한 도전성과, 스페이서로서의 충분한 강성과 인성을 갖는 재료로 형성되어 있으면 된다. 그러나, 도전성 스페이서는 쿠션성(응력 완화 작용)을 갖는 것이 바람직하다. 이 때, 인접하는 접속부 사이에서 스페이서에 적당한 체결 압력을 인가함으로써, 도전성 스페이서와 각 접속부의 밀착성을 높일 수 있다. 이에 따라, 전극 사이의 접속 저항을 작게 할 수 있다.
이상과 같은 관점에서, 도전성 스페이서는 금속 다공체(제3 금속 다공체 또는 제4 금속 다공체)를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 제3 금속 다공체 또는 제4 금속 다공체에는, 제1 금속 다공체 또는 제2 금속 다공체에 사용하는 것과 동일한 소재를 사용할 수 있다. 나아가, 제3 금속 다공체 또는 제4 금속 다공체에는, 용융 금속에 발포제를 첨가하여 발포시킨 금속 발포체(특허문헌 1 참조)를 사용할 수도 있다. 금속 발포체는 폐기공의 비율이 많기 때문에, 집전체로서 사용하기에는 적합하지 않다. 그러나, 쿠션성을 얻기 위한 스페이서로는, 폐기공이 많은 금속 발포체는 유용하다.
여기서, 접속부 사이에서 도전성 스페이서가 압축되는 압축률(체결 부재에 의한 체결후의 최소 두께/체결전의 평균 두께)은, 1/10∼9/10인 것이 바람직하고, 5/10∼7/10인 것이 보다 바람직하다. 혹은, 접속부 사이에서 도전성 스페이서에 생기는 응력은 평균 0.01∼1 MPa인 것이 바람직하고, 0.1∼0.3 MPa인 것이 보다 바람직하다.
또한, 도전성 스페이서(제1 도전성 스페이서 또는 제2 도전성 스페이서)는, 접속부와 접촉하는 변 중 적어도 하나와 대응하는 모서리부에 면취부를 갖는 것이 바람직하다. 면취부의 곡률 반경 R1(도 3a, 도 3b 참조)은, 예컨대 1∼10 mm인 것이 바람직하고, 3∼7 mm인 것이 보다 바람직하다. 도전성 스페이서가 접속부와 접촉하는 변에 뾰족한 모서리부를 갖는 경우에는, 응력이 접속부의 일부에 집중하는 경우가 있다. 한편, 도전성 스페이서의 접속부와 접촉하는 변의 모서리부에 면취부를 형성함으로써, 접속부에 가해지는 응력이 분산된다. 이에 따라, 접속부의 내구성이 향상되고, 축전 디바이스의 내구성도 향상된다.
여기서, 각 접속부를 서로 체결하기 위한 체결 부재(제1 체결 부재 또는 제2 체결 부재)로는 리벳이 바람직하고, 특히 접시머리 리벳(countersunk-head rivet)이 바람직하다. 접시머리 리벳을 사용함으로써, 접속부를 서로 체결했을 때에, 헤드부(축방향의 일단부에 있는 대직경부)가 접속부나 스페이서 등의 표면으로부터 돌출되는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 접속부나 스페이서에는, 접시머리 리벳의 헤드부의 형상과 대응하는 형상의 카운터싱크(countersunk hole, countersink)가 형성된다.
또한, 체결 부재로서, 예컨대 볼트와 너트를 사용할 수도 있다. 단, 리벳을 사용함으로써 체결 부재의 소형화가 용이해진다. 또한, 볼트와 너트를 이용하면 「풀림」이 생기는 경우가 있지만, 리벳이라면 「풀림」은 생기지 않기 때문에, 원하는 체결 상태를 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또한, 리벳은 헤드부를 소형화하는 것도 용이하다.
또, 체결 부재는 축형인 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 클립형의 부재(탄성 부재)를 체결 부재로서 사용할 수도 있다. 즉, 접속부의 적층체를 외측으로부터 사이에 끼우도록, 클립형의 체결 부재로 복수의 접속부를 서로 체결할 수 있다. 이 경우, 클립형의 체결 부재를 전극 리드로서 사용할 수 있으므로, 부재수의 삭감이 도모된다.
축전 디바이스에는, 예컨대 리튬 이온 커패시터, 전기 이중층 커패시터 등의 커패시터(콘덴서)나, 리튬 이온 전지, 나트륨 이온 전지 등의 비수전해질 이차 전지가 포함된다. 이들의 케이스에는, 라미네이트 필름으로 형성된 포장 용기나 금속캔을 사용할 수 있다.
리튬 이온 커패시터로서의 축전 디바이스의 일실시형태에 있어서, 전해질은, 리튬 이온과 음이온의 염을 포함하고, 제1 활물질과 제2 활물질 중의 한쪽은 리튬 이온을 흡장(吸藏) 및 방출시키는 제1 물질(부극 활물질)이고, 다른 한쪽은 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제2 물질(정극 활물질)이다. 제1 물질은, 패러데이 반응에 의해 리튬 이온을 흡장 및 방출시킨다. 제1 물질은, 예컨대 흑연 등의 탄소 물질이나, Si, SiO, Sn, SnO 등의 합금계 활물질이다. 한편, 제2 물질은, 비패러데이 반응에 의해 음이온을 흡착 및 이탈시킨다. 제2 물질은, 예컨대 활성탄, 카본 나노 튜브 등의 탄소 물질이다. 또, 제2 물질(정극 활물질)은, 패러데이 반응이 일어나는 재료이어도 좋다. 이러한 재료로는, 산화망간, 산화루테늄, 산화니켈 등의 금속 산화물이나, 폴리아센, 폴리아닐린, 폴리티올, 폴리티오펜 등의 도전성 고분자를 들 수 있다. 제1 물질 및 제2 물질의 양쪽에서 패러데이 반응이 일어나는 커패시터는 레독스 커패시터라고 칭해진다.
전기 이중층 커패시터로서의 축전 디바이스의 일실시형태에 있어서, 전해질은, 유기 양이온과 음이온의 염을 포함하고, 제1 활물질과 제2 활물질 중의 한쪽은 유기 양이온을 흡착 및 이탈시키는 제3 물질을 포함하고, 다른 한쪽은 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제4 물질을 포함한다. 제3 물질 및 제4 물질은, 모두 비패러데이 반응에 의해 유기 양이온 또는 음이온을 흡착 및 이탈시킨다. 제3 물질 및 제4 물질은, 예컨대 활성탄, 카본 나노 튜브 등의 탄소 물질이다.
비수전해질 이차 전지로서의 축전 디바이스의 일실시형태에 있어서, 전해질은, 알칼리 금속 이온과 음이온의 염을 포함하고, 제1 활물질 및 제2 활물질은, 모두 알칼리 금속 이온을 흡장 및 방출시키는 물질을 포함한다. 즉, 제1 활물질 및 제2 활물질에서는 각각 패러데이 반응이 일어난다.
[발명의 실시형태의 상세]
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태의 상세에 관해 설명한다.
도 1에, 본 실시형태에 따른 축전 디바이스의 외관을 사시도에 의해 나타낸다. 도 2는, 그 축전 디바이스를 정면에서 봤을 때의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다. 도 3a 및 도 3b는, 각각 도 2의 IIIA선 및 IIIB선에 의한 화살표 단면도이다.
도시예의 축전 디바이스(10)는, 예컨대 리튬 이온 커패시터이며, 전극군(12)과, 이것을 전해질(도시하지 않음)과 함께 수용하는 케이스(14)와, 케이스(14)의 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판(16)을 구비하고 있다. 도시예에서는, 케이스(14)는 각형이다. 본 발명의 일양태에 따른 축전 디바이스는, 도시예와 같은 각형 케이스에 대하여 가장 바람직하게 적용할 수 있다.
전극군(12)은, 시트형의 복수의 제1 전극(18)과, 시트형의 복수의 제2 전극(20)을 포함하고 있다. 제1 전극(18)과 제2 전극(20)은, 시트형의 세퍼레이터(21)를 사이에 끼우고 교대로 적층되어 있다. 제1 전극(18)은, 제1 집전체(22)와, 제1 활물질을 포함한다. 제2 전극(20)은, 제2 집전체(24)와, 제2 활물질을 포함한다.
제1 전극(18) 및 제2 전극(20) 중의 한쪽은 정극이고, 다른 한쪽은 부극이다. 정극은, 정극 집전체와 정극 활물질을 포함한다. 부극은, 부극 집전체와 부극 활물질을 포함한다. 따라서, 제1 집전체(22) 및 제2 집전체(24) 중의 한쪽은 정극 집전체이고, 다른 한쪽은 부극 집전체이다. 또, 도 3a 및 도 3b에서는, 발명의 이해를 쉽게 하기 위해, 제1 전극(18)을 정극, 제2 전극(20)을 부극으로서 나타낸다. 즉, 제1 집전체(22)는 정극 집전체이고, 제2 집전체(24)는 부극 집전체이다. 또한, 도 3a 및 도 3b에서는, 전극과 집전체를 구별하여 나타내는 것이 어렵기 때문에, 동일 요소에 의해 전극과 집전체를 나타낸다.
제1 집전체(22)(정극 집전체)는 제1 금속 다공체를 포함하고, 제2 집전체(24)(부극 집전체)는 제2 금속 다공체를 포함한다. 이 때, 제1 금속으로는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하고, 제2 금속으로는, 구리 또는 구리 합금이 바람직하다. 정극 집전체의 두께는 0.1∼10 mm인 것이 바람직하다. 부극 집전체의 두께도 0.1∼10 mm인 것이 바람직하다.
제1 집전체(22)(정극 집전체)는, 기공률이 크고(예컨대 90% 이상), 연속 기공을 가지며, 또한 폐기공을 거의 포함하지 않는 점에서, 알루미늄 셀멧(스미토모전기공업 주식회사의 등록상표)이 특히 바람직하다. 또한, 제2 집전체(24)(부극 집전체)는 동일한 이유로, 구리나 니켈의 셀멧(스미토모전기공업 주식회사의 등록상표)이 특히 바람직하다. 셀멧 또는 알루미늄 셀멧에 관해서는 이후에 자세히 설명한다.
제1 집전체(22)는, 터브형의 제1 접속부(26)를 갖고 있다. 마찬가지로, 제2 집전체(24)에도, 터브형의 제2 접속부(28)를 설치할 수 있다. 각 접속부는, 집전체의 본체와 동일한 재질로, 본체와 일체적으로 형성하는 것이 바람직하다. 복수의 제1 집전체(22)의 제1 접속부(26)의 사이에는, 제1 도전성 스페이서(30)가 배치되어 있다. 마찬가지로, 복수의 제2 집전체(24)의 제2 접속부(28)의 사이에도, 제2 도전성 스페이서(32)를 배치할 수 있다.
특별히 한정되지 않지만, 제1 접속부(26)의 투영 면적(제1 집전체의 주면에 수직인 방향으로부터 봤을 때의 면적)의 제1 집전체(22) 전체의 투영 면적에 차지하는 비율은 0.1∼10%로 할 수 있다. 또는, 축전 디바이스의 용량에 따라서 제1 접속부(26)의 투영 면적, 또는, 제1 집전체의 본체와, 제1 접속부와의 경계선의 길이를 결정할 수도 있다. 그 경계선은, 예컨대 제1 접속부가 설치되어 있는 제1 집전체의 변과 동축의 직선이다. 제1 접속부(26)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 모서리에 라운딩을 갖는 사각형으로 할 수 있다.
제1 도전성 스페이서(30)는, 도체(예컨대 금속, 탄소 재료)를 포함하는 판형의 부재에 의해 형성할 수 있다. 단, 제1 도전성 스페이서(30)는, 제1 접속부(26)와의 밀착성을 높이기 위해 금속 다공체(제3 금속 다공체)로 형성하는 것이 바람직하고, 특히 제1 집전체(22)와 동일한 재료(예컨대 알루미늄 셀멧)로 형성하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제2 도전성 스페이서도, 도체(예컨대 금속, 탄소 재료)를 포함하는 판형의 부재에 의해 형성할 수 있다. 그리고, 제2 도전성 스페이서(32)도, 금속 다공체(제4 금속 다공체)로 형성하는 것이 바람직하고, 특히 제2 집전체(24)와 동일한 재료(예컨대 구리의 셀멧)로 형성하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(21)는, 제1 전극(18)(정극)을 수납하도록 주머니형으로 형성하는 것이 바람직하다. 세퍼레이터(21)의 주머니는, 예컨대 직사각형의 세퍼레이터(21)를 길이 방향의 중앙선(21c)에 의해 접고, 개구 단부 이외의 가장자리(21b)를 서로 풀로 붙임으로써 형성할 수 있다. 주머니형의 세퍼레이터(21)에는, 접속부를 외부로 돌출시키기 위한 개구 단부(21a)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 정극 활물질이 제1 집전체(22)로부터 탈락했을 때에, 내부 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 전극(18)의 제1 접속부(26)에는, 예컨대 리벳인 제1 체결 부재(34)를 삽입 관통시키기 위한 관통 구멍(36)을 형성할 수 있다. 관통 구멍(36)은 적절한 갯수(도시예에서는 2개)를 형성할 수 있다. 제1 접속부(26)는, 제1 집전체(22)의 그 제1 접속부(26)가 형성되어 있는 변의 일방측 근처에 형성된다. 제1 도전성 스페이서(30)에도, 제1 접속부(26)의 관통 구멍(36)과 겹치는 위치에, 제1 체결 부재(34)를 삽입 관통시키기 위한 관통 구멍(37)을 형성할 수 있다.
도 5는, 도 4에 나타내는 제1 전극(18)과 동일한 방향으로부터 본 경우의 제2 전극(20)의 정면도이다. 제2 전극(20)의 제2 접속부(28)에도, 마찬가지로 리벳인 제2 체결 부재(38)를 삽입 관통시키기 위한 관통 구멍(36)을 형성할 수 있다. 제2 도전성 스페이서(32)에도, 제2 접속부(28)의 관통 구멍(36)과 겹치는 위치에, 제2 체결 부재(38)를 삽입 관통시키기 위한 관통 구멍(37)을 형성할 수 있다. 제2 접속부(28)는, 제2 집전체(24)의 그 제2 접속부(28)가 형성되어 있는 변의 타방측 근처에 형성된다. 이에 따라, 제1 전극(18)과 제2 전극(20)을 겹쳤을 때에, 제1 접속부(26)와 제2 접속부(28)가 서로 거의 대칭인 위치에 배치된다. 또, 제2 전극(20)이 부극이면, 제2 전극(20)(제2 집전체(24))의 본체의 외형은, 주머니형의 세퍼레이터(21)의 외형과 거의 동일한 크기로 형성된다. 즉, 부극의 외형은 정극의 외형보다 커진다. 이에 따라, 정극 전체를, 세퍼레이터를 통해 부극과 대향시킬 수 있다.
제1 체결 부재(34)는, 제1 집전체(22)와 동일한 도전성 재료로 형성하는 것이, 높은 내식성을 얻을 수 있는 점에서 바람직하다. 마찬가지로, 제2 체결 부재(38)도, 제2 집전체(24)와 동일한 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
복수의 제1 전극(18)의 제1 접속부(26)는 전극군(12)의 적층 방향을 따라서 겹치도록 배치되기 때문에, 이들의 관통 구멍(36)도 일직선상에 나열되어 있다. 또한, 제1 도전성 스페이서(30)도, 관통 구멍(37)이 대응하는 관통 구멍(36)과 일직선상에 나열되도록 배치된다. 일직선상에 나열된 관통 구멍(36, 37)에 제1 체결 부재(34)를 삽입 관통시키고, 제1 체결 부재(34)의 단부(헤드부)를 제1 접속부(26) 등에 코킹함으로써, 복수의 제1 접속부(26)가 서로 체결된다. 마찬가지로, 복수의 제2 접속부(28)도, 일직선상에 나열된 관통 구멍(36, 37)에 삽입 관통되는 제2 체결 부재(38)에 의해 서로 체결된다.
밀봉판(16)은, 복수의 제1 전극(18)과 전기적으로 접속된 제1 외부 단자(40)와, 복수의 제2 전극(20)과 전기적으로 접속된 제2 외부 단자(42)를 갖고 있다. 밀봉판(16)의 중앙부에는, 안전 밸브(44)가 설치됨과 함께, 그 제1 외부 단자(40) 근처의 위치에, 주액 구멍(46)을 막는 액마개(48)가 부착되어 있다(도 6 참조).
도 6a는, 제1 전극과 제1 외부 단자(제1 단자판)의 접속 구조를 나타내는 확대도이다.
도 6b는, 제2 전극과 제2 외부 단자(제2 단자판)의 접속 구조를 나타내는 확대도이다. 제1 외부 단자(40)는, 예컨대 직사각형의 판형의 도체로 이루어진 제1 단자판(50)의 일단 근처에 형성되어 있다. 밀봉판(16)에는 관통 구멍이 형성되어 있고, 이것에 대응하도록, 제1 단자판(50)의 타단 근처에도 관통 구멍(54)이 형성되어 있다. 제1 단자판(50)은, 관통 구멍(54)에 삽입 관통되는 제3 체결 부재(제1 리벳)(52)에 의해 밀봉판(16)에 고정되어 있다. 제1 단자판(50) 및 제3 체결 부재(52)는, 각각 제3 체결 부재(52)가 삽입 관통되는 관통 구멍을 갖는 판형 개스킷(58)과 링형 개스킷(60)에 의해, 밀봉판(16)과 전기적으로 절연되어 있다. 판형 개스킷(58)과 링형 개스킷(60)이 제1 개스킷을 구성한다.
제3 체결 부재(52)의 케이스(14) 내측의 단부에는, 제1 전극(18)과 제1 외부 단자(40)를 전기적으로 접속하기 위한 제1 리드(62)가 접합되어 있다(도 3a 참조). 또, 제2 전극(20)과 제2 외부 단자(42)는, 제2 리드(64)에 의해 전기적으로 접속되어 있다(도 3b 참조).
한편, 제2 외부 단자(42)는, 예컨대 직사각형의 판형의 도체로 이루어진 제2 단자판(50A)의 일단 근처에 형성되어 있다. 밀봉판(16)에는 관통 구멍이 형성되어 있고, 이것에 대응하도록, 제2 단자판(50A)의 타단 근처에도 관통 구멍(54A)이 형성되어 있다. 제2 단자판(50A)은, 관통 구멍(54A)에 삽입 관통되는 제4 체결 부재(제2 리벳)(80)에 의해 밀봉판(16)에 고정되어 있다. 제2 단자판(50A) 및 제4 체결 부재(80)는, 각각 제4 체결 부재(80)가 삽입 관통되는 관통 구멍을 갖는 판형 개스킷(58A)과 링형 개스킷(60A)에 의해, 밀봉판(16)과 전기적으로 절연되어 있다. 판형 개스킷(58A)과 링형 개스킷(60A)이 제2 개스킷을 구성한다.
제4 체결 부재(80)의 케이스(14) 내측의 단부에는, 제2 전극(20)과 제2 외부 단자(42)를 전기적으로 접속하기 위한 제2 리드(64)가 접합되어 있다(도 3b 참조). 또한, 제2 리드의 두께에 관해서도 제1 리드와 동일하다.
도 7에, 제1 리드(62)의 일례를, 정면도(a), 평면도(b) 및 측면도(c)에 의해 나타낸다. 제2 리드(64)의 구성은 제1 리드(62)와 동일하기 때문에, 도시 및 설명은 생략한다.
도시예의 제1 리드(62)는, 횡단면이 L자형인 부재이며 서로 수직인 판형의 제1 부분(62a)과, 제2 부분(62b)을 갖고 있다. 제1 부분(62a)은, 밀봉판(16)과 평행하게 배치되는 부분이며, 그 중앙부에 제3 체결 부재(52)와 접합하기 위한 접합 영역(62c)을 갖고 있다. 접합 영역(62c)의 내측에는, 제1 리드(62)의 케이스(14) 내측 둘레 가장자리에 형성된 볼록부가 감합하는 감합 구멍(62d)이 형성되어 있다. 변형전의 제3 체결 부재(52)와, 제1 리드(62)의 접합 영역(62c)은, 예컨대 용접에 의해 접합된다. 이에 따라, 변형전의 제3 체결 부재(52)와 제1 리드(62)를 포함하고, 제1 전극(18)과 제1 외부 단자(40)를 접속하기 위한 제1 접속 부재(70)가 형성된다. 제1 접속 부재(70)는, 축전 디바이스(10)의 조립 라인과는 별도의 라인으로 제조할 수 있어, 하나의 부품으로서 공급할 수 있다.
제2 부분(62b)은, 밀봉판(16)과 수직으로 배치되는 부분이며, 주로 제2 부분(62b)이 제1 접속부(26)와 접촉함으로써, 제1 리드(62)가 제1 전극(18)과 전기적으로 접속된다. 제2 부분(62b)은, 제1 체결 부재(34)를 삽입 관통시키기 위한 하나 이상의 관통 구멍(62e)을 갖고 있다. 관통 구멍(62e)에 삽입 관통된 제1 체결 부재(34)에 의해, 제2 부분(62b)이 제1 접속부(26)와 접촉한 상태로 고정된다. 이에 따라, 제1 리드(62)가 복수의 제1 전극(18)의 제1 접속부(26)에 고정된다. 관통 구멍(62e)의 개구 면적은, 예컨대 0.005∼4 ㎠로 할 수 있다. 개구 형상은 특별히 한정되지 않지만, 원형 또는 다각형(예컨대 정육각형)으로 할 수 있다. 제2 부분(62b)에 형성하는 관통 구멍(62e)의 갯수는 특별히 한정되지 않지만, 1∼10개의 범위내의 갯수로 할 수 있다. 하나의 관통 구멍(62e)에는, 제1 체결 부재(34)를 1개씩 삽입 관통시켜, 제1 리드(62)를 제1 접속부(26)에 고정할 수 있다.
제1 리드(62)는, 0.1∼2 mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 리드(62)에 어느 정도 이상의 강성을 부여할 수 있다. 한편, 제1 접속부(26)는 쿠션성(변형 용이성)을 갖는다. 따라서, 제1 접속부(26)와 제1 리드(62)의 제2 부분(62b)의 밀착성은 용이하게 확보된다.
제3 체결 부재(제1 리벳)(52)는, 밀봉판(16)의 내측에 배치되는 제1 대직경부(52a)와, 각 부재(밀봉판(16), 제1 단자판(50), 개스킷(58, 60))의 관통 구멍에 삽입 관통되는 제1 직경 확장부(52b)와, 밀봉판(16)의 외측에 배치되는 제1 헤드부(52c)를 갖고 있다. 제3 체결 부재(52)가, 상기 각 관통 구멍에 삽입 관통된 상태로, 밀봉판(16), 제1 단자판(50) 및 제1 개스킷(개스킷(58, 60))을 일괄적으로 코킹함으로써, 제1 단자판(50)이 밀봉판(16)의 외측면에서 고정된다. 제1 직경 확장부(52b)는, 제3 체결 부재(52)가 코킹되었을 때에 내부의 공동이 커지고, 이에 따라 직경 확장된다. 제1 헤드부(52c)는, 제3 체결 부재(52)가 코킹되었을 때에 예컨대 짓눌림으로써, 제1 대직경부(52a)와의 협동에 의해 제1 단자판(50), 밀봉판(16) 및 개스킷(58, 60)을 사이에 끼우도록 변형된다.
이상과 같이, 도 6a에 나타내는 접속 구조에서는, 제3 체결 부재(52)를 갖는 제1 접속 부재(70)에 의해, 제1 전극(18)과 제1 외부 단자(40)가 전기적으로 접속되어 있다. 이 때문에, 제3 체결 부재(52)를 각 부재(밀봉판(16), 제1 단자판(50), 개스킷(58, 60))의 관통 구멍에 삽입 관통시킨 상태로 각 부재를 코킹하는(제1 직경 확장부(52b) 및 제1 헤드부(52c)를 변형시키는) 것만으로, 제1 단자판(50)을 밀봉판(16)과는 전기적으로 절연된 상태로 밀봉판(16)에 고정할 수 있다. 또한, 그와 같은 하나의 공정을 실행하는 것만으로, 동시에 제1 전극(18)과 제1 외부 단자(40)를 전기적으로 접속할 수도 있다. 따라서, 매우 간이한 공정으로, 제1 전극(18)과 제1 외부 단자(40)를 전기적으로 접속하고, 또한 제1 외부 단자(40)를 밀봉판(16)에 설치할 수 있다. 이에 따라, 축전 디바이스(10)의 제조를 용이하게 할 수 있음과 함께 제조 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기 공정은, 동극성의 전극의 접속부끼리를 체결하는 것과 동일한 기계적인 접합 방법이다. 따라서, 축전 디바이스(10)의 조립 라인에 있어서, 저항 용접기를 전혀 사용하지 않고 축전 디바이스(10)를 조립할 수 있다. 이에 따라, 조립 라인을 간소화할 수도 있다.
이하, 제3 체결 부재와 동일한 구성을 갖는 제4 체결 부재에 관해 상세히 설명한다. 제4 체결 부재(제2 리벳)(80)는, 밀봉판(16)의 내측에 배치되는 제2 대직경부(80a)와, 각 부재(밀봉판(16), 제2 단자판(50A), 개스킷(58A, 60A))의 관통 구멍에 삽입 관통되는 제2 직경 확장부(80b)와, 밀봉판(16)의 외측에 배치되는 제2 헤드부(80c)를 갖고 있다.
제4 체결 부재(80)가, 상기 각 관통 구멍에 삽입 관통된 상태로, 밀봉판(16), 제2 단자판(50A) 및 제2 개스킷(개스킷(58A, 60A))을 일괄적으로 코킹함으로써, 제2 단자판(50A)이 밀봉판(16)의 외측면에서 고정된다. 제2 직경 확장부(80b)는, 제4 체결 부재(80)가 코킹되었을 때에 내부의 공동이 커지고, 이에 따라 직경 확장된다. 제2 헤드부(80c)는, 제4 체결 부재(80)가 코킹되었을 때에 예컨대 짓눌림으로써, 제2 대직경부(80a)와의 협동에 의해 제2 단자판(50A), 밀봉판(16) 및 개스킷(58A, 60A)을 사이에 끼우도록 변형된다. 이상의 효과에 관해서는, 제1 접속 부재에 관해 설명한 것과 동일하다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 케이스의 밀봉 구조를 상세히 설명한다.
도 8에, 케이스(14)의 개구 단부의 일부분을 확대하여 나타낸다. 도시예의 밀봉 구조에 있어서는, 밀봉판(16)의 단부(둘레 가장자리부)는, 밀봉판의 외측면(16b)과 예각 θ1을 이루는 사면(16a)(제1 사면)을 갖고 있다. 한편, 개구 단부를 형성하는 케이스(14)의 측벽의 상단부는, 케이스(14)의 외측면(14b)에 대하여 예각 θ2를 이루는 사면(14a)(제2 사면)을 갖고 있다. 그리고, 밀봉판(16)의 둘레 가장자리부와 케이스(14)의 개구 단부는, 사면끼리 용접되어 있다. 여기서, 케이스의 외측면과 밀봉판의 외측면이 수직이면, θ2=(90-θ1)(도)이다.
이상과 같이, 케이스(14)의 개구 단부와 밀봉판(16)의 둘레 가장자리부를 사면(14a)과 사면(16a)으로 용접함으로써, 항상 케이스(14)의 개구 단부와 밀봉판(16)의 둘레 가장자리부의 충분한 밀착성을 확보한 상태로 양자를 용접할 수 있다. 예컨대, 도 9에 도시한 바와 같이, 외측면(또는 내측면)에 수직인 측단부면(둘레 단부면)을 갖는 밀봉판(16)을, 케이스(14)의 개구 단부의 내측면에 용접하는 경우에는, 양자의 밀착성을 크게 하기 위해서는, 밀봉판(16)의 외형의 사이즈를 케이스(14)의 개구 단부의 사이즈에 정밀하게 일치시킬 필요가 있다. 밀봉판(16)의 외형의 사이즈와 케이스(14)의 개구 단부의 사이즈가 정밀하게 일치하지 않는 경우, 밀봉판(16)의 단부와 케이스(14)의 개구 단부 사이에 간극, 혹은 잔류 응력이 발생하여, 내구성이 저하되는 경우가 있다.
또한, 도 9에 나타내는 접합 구조에 있어서, 밀봉판(16)의 둘레 가장자리부와 케이스(14)의 개구 단부의 밀착성이 작으면, 레이저 용접시의 스퍼터 등에 기인하는 이물질(90)이 케이스(14)의 내부에 침입하는 경우가 있다. 이러한 경우, 내부 단락 등이 발생하기 쉽다. 그리고, 케이스(14) 내부에 대한 이물질(90)의 침입은, 외관 검사에서는 발견하는 것이 어렵다. 이에 비해, 도 8에 나타내는 접합 구조에 있어서는, 사면끼리의 접촉에 의해, 항상 원하는 밀착성을 확보하여, 밀봉판(16)의 단부와 케이스(14)의 개구 단부를 레이저 용접할 수 있다. 이에 따라, 불량품의 출하를 방지하는 것이 용이해진다. 이 때, 각도 θ1은 5(도)≤θ1≤85(도)의 범위내의 각도로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 10(도)≤θ1≤45이다.
또한, 각도 θ1을 5(도)≤θ1≤85(도)의 범위내의 각도로 함으로써, 레이저를 케이스(14)의 비스듬히 상측으로부터가 아니라, 거의 수직 상측(밀봉판(16)의 외측면의 법선 방향)으로부터 조사하여, 양자를 용접할 수 있다. 레이저를 비스듬한 방향으로부터 용접 부분에 정확하게 조사하는 것은, 화상 인식의 정확성이나 케이스와 밀봉판의 상대적인 위치 정밀도를 확보하는 데 어려움이 있기 때문에 용이하지 않다. 이에 비해, 수직 상측으로부터의 레이저의 조사라면, 단부를 용이하게 인식할 수 있기 때문에 용이하게 용접할 수 있다. 또한, 케이스 또는 레이저 헤드의 이차원적인 이동만으로, 밀봉판의 둘레 가장자리부를 전체 둘레에 걸쳐 케이스의 개구 단부에 용접할 수 있기 때문에, 축전 디바이스의 제조가 용이해진다.
다음으로, 제1 집전체(22) 또는 제2 집전체(24)로서 이용되는 금속 다공체에 관해 자세히 설명한다.
금속 다공체는, 삼차원 메쉬형이며 중공의 골격을 갖는 것이 바람직하다. 골격이 내부에 공동을 가짐으로써, 금속 다공체는 부피가 큰 삼차원 구조를 가지면서도 매우 경량이다.
이러한 금속 다공체는, 연속 공극을 갖는 수지제의 다공체를, 집전체를 구성하는 금속으로 도금 처리하고, 또한 가열 처리 등에 의해 내부의 수지를 분해 또는 용해시킴으로써 형성할 수 있다. 도금 처리에 의해 삼차원 메쉬형의 골격이 형성되고, 수지의 분해나 용해에 의해 골격의 내부를 중공으로 할 수 있다.
수지제의 다공체로는, 연속 공극을 갖는 한 특별히 제한되지 않고, 수지 발포체, 수지제의 부직포 등을 사용할 수 있다. 가열 처리후, 골격 내에 잔존한 성분(수지, 분해물, 미반응 모노머, 수지에 포함되는 첨가제 등)을 세정 등에 의해 제거해도 좋다.
수지제 다공체를 구성하는 수지로는, 열경화성 폴리우레탄, 멜라민 수지 등의 열경화성 수지; 올레핀 수지(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 열가소성 폴리우레탄 등의 열가소성 수지 등을 예시할 수 있다. 수지 발포체를 이용하면, 수지의 종류나 발포체의 제조방법에 따라서도 달라지지만, 발포체 내부에 형성된 개개의 보이드가 셀형이 된다. 그리고, 셀이 연속하여 연통하여 연속 공극이 형성된다. 이러한 발포체에서는, 셀형의 보이드가 작고, 사이즈가 보다 균일해지기 쉽다. 그 중에서도 열경화성 폴리우레탄 등을 이용하면, 보이드의 사이즈나 형상이 보다 균일해지기 쉽다.
도금 처리는, 수지제 다공체의 표면(연속 공극 내의 표면도 포함)에 집전체로서 기능하는 금속층을 형성할 수 있으면 되며, 공지의 도금 처리 방법, 예컨대 전해 도금법, 용융염 도금법 등을 채용할 수 있다. 도금 처리에 의해, 수지제 다공체의 형상에 따른 삼차원 메쉬형의 금속 다공체가 형성된다. 또, 전해 도금법에 의해 도금 처리를 행하는 경우, 전해 도금에 앞서 도전성층을 형성하는 것이 바람직하다. 도전성층은, 수지제 다공체의 표면에, 무전해 도금, 증착, 스퍼터링 등 외에, 도전제의 도포 등에 의해 형성해도 좋고, 도전제를 포함하는 분산액에 수지제 다공체를 침지함으로써 형성해도 좋다.
도금 처리후, 가열에 의해 수지제 다공체를 제거함으로써, 금속 다공체의 골격의 내부에 공동이 형성되어 중공이 된다. 골격 내부의 공동의 폭(후술하는 도 10의 공동의 폭 wf)은, 평균치로, 예컨대 0.5∼5 ㎛, 바람직하게는 1∼4 ㎛ 또는 2∼3 ㎛이다. 수지제 다공체는, 필요에 따라서 적절하게 전압을 인가하면서 가열 처리를 행함으로써 제거할 수 있다. 또한, 용융염 도금욕에 도금 처리한 다공체를 침지하고, 전압을 인가하면서 가열 처리를 행해도 좋다.
금속 다공체는, 수지제 발포체의 형상에 대응하는 삼차원 메쉬 구조를 갖는다. 구체적으로는, 집전체는 하나 하나가 셀형의 보이드를 다수 갖고 있고, 이것들 셀형의 보이드가 서로 연속하여 연통한 연속 공극을 갖는다. 인접하는 셀형의 보이드 사이에는 개구(또는 창)가 형성된다. 이 개구에 의해, 보이드가 서로 연통한 상태가 되는 것이 바람직하다. 개구(또는 창)의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 예컨대 대략 다각형(대략 삼각형, 대략 사각형, 대략 오각형 및/또는 대략 육각형 등)이다. 또, 대략 다각형이란, 다각형 및 다각형과 유사한 형상(예컨대, 다각형의 모서리가 라운딩된 형상, 다각형의 변이 곡선이 된 형상 등)을 포함하는 의미로 사용한다.
금속 다공체의 골격의 모식도를 도 10에 나타낸다. 금속 다공체는, 금속제 골격(102)에 둘러싸인 셀형의 보이드(101)를 복수 가지며, 서로 인접하는 보이드(101) 사이에는 대략 다각형의 개구(또는 창)(103)가 형성되어 있다. 개구(103)에 의해, 인접하는 보이드(101) 사이가 연통하고, 이에 따라, 집전체는 연속 공극을 갖는다. 금속제 골격(102)은, 셀형의 보이드를 형성함과 함께, 보이드를 연결시키도록 입체적으로 형성되고, 이에 따라, 삼차원 메쉬형의 구조가 형성된다.
금속 다공체는, 기공률이 매우 높고 비표면적이 크다. 즉, 공극 내의 표면도 포함하는 넓은 면적에 활물질을 많이 부착시킬 수 있다. 또한, 많은 활물질을 공극 내에 충전하면서도, 금속 다공체와 활물질의 접촉 면적이 크고 기공률도 크게 할 수 있기 때문에, 활물질을 유효 이용할 수 있다. 리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 정극에서는, 통상 도전 조제를 첨가함으로써 도전성을 높이고 있다. 한편, 상기와 같은 금속 다공체를 정극 집전체로서 이용함으로써, 도전 조제의 첨가량을 적게 하더라도 높은 도전성을 확보하기 쉽다. 따라서, 전지의 레이트 특성이나 에너지 밀도(및 용량)를 보다 유효하게 높일 수 있다.
금속 다공체의 비표면적(BET 비표면적)은, 예컨대 100∼700 ㎠/g, 바람직하게는 150∼650 ㎠/g, 더욱 바람직하게는 200∼600 ㎠/g이다.
금속 다공체의 기공률은, 예컨대 40∼99 체적%, 바람직하게는 60∼98 체적%, 더욱 바람직하게는 80∼98 체적%이다. 또한, 삼차원 메쉬 구조에서의 평균 보이드 직경(서로 연통하는 셀형의 보이드의 평균 직경)은, 예컨대 50∼1000 ㎛, 바람직하게는 100∼900 ㎛, 더욱 바람직하게는 350∼900 ㎛이다. 단, 평균 보이드 직경은, 금속 다공체(또는 전극)의 두께보다 작다. 또, 압연에 의해, 금속 다공체의 골격은 변형하여, 기공률 및 평균 보이드 직경은 변화한다. 상기 기공률 및 평균 보이드 직경의 범위는, 압연전(합제 충전전)의 금속 다공체의 기공률 및 평균 보이드 직경이다.
리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 정극 집전체를 구성하는 금속(상기 도금되는 금속)으로는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈 및 니켈 합금에서 선택되는 적어도 1종을 예시할 수 있다. 리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 부극 집전체를 구성하는 금속(상기 도금되는 금속)으로는, 예컨대 구리, 구리 합금, 니켈 및 니켈 합금에서 선택되는 적어도 1종을 예시할 수 있다. 전기 이중층 콘덴서의 전극 집전체에도, 상기와 같은 금속(예컨대 구리, 구리 합금)을 이용할 수 있다.
도 11은, 도 10의 금속 다공체의 공극에 전극 합제를 충전한 상태를 나타내는 단면 모식도이다. 셀형의 보이드(101)에는, 전극 합제(104)가 충전되고, 금속제 골격(102)의 표면에 부착되어, 두께 wm의 전극 합제층을 형성한다. 또, 금속 다공체의 골격(102)의 내부는, 폭 wf의 공동(102a)이 형성되어 있다. 전극 합제(104)의 충전후, 셀형의 보이드(101) 내의 전극 합제층의 내측에는 공극이 잔존하고 있다. 전극 합제를 금속 다공체에 충전한 후, 필요에 따라서 금속 다공체를 두께 방향으로 압연함으로써 전극이 형성된다. 도 11은, 압연전의 상태를 나타낸다. 압연에 의해 얻어지는 전극에서는, 골격(102)이 두께 방향으로 조금 짓눌린 상태가 되고, 보이드(101) 내의 전극 합제층의 내측의 공극 및 골격(102) 내의 공동이 짓눌린 상태가 된다. 금속 다공체의 압연후에도, 전극 합제층의 내측의 공극은 어느 정도 잔존한 상태가 되고, 이에 따라, 전극의 기공률을 높일 수 있다.
정극 또는 부극은, 예컨대 상기와 같이 하여 얻어지는 금속 다공체의 공극에 전극 합제를 충전하고, 필요에 따라서 두께 방향으로 집전체를 압축함으로써 형성된다. 전극 합제는, 필수 성분으로서의 활물질을 포함하고, 임의 성분으로서의 도전 조제 및/또는 바인더를 포함해도 좋다.
집전체의 셀형의 보이드 내에, 합제를 충전함으로써 형성되는 합제층의 두께 wm은, 예컨대 10∼500 ㎛, 바람직하게는 40∼250 ㎛, 더욱 바람직하게는 100∼200 ㎛이다. 셀형의 보이드 내에 형성되는 합제층의 내측에 공극을 확보할 수 있도록, 합제층의 두께 wm은, 셀형의 보이드의 평균 보이드 직경의 5∼40%인 것이 바람직하고, 10∼30%인 것이 더욱 바람직하다.
비수전해질 이차 전지의 정극 활물질로는, 알칼리 금속 이온을 흡장 및 방출(삽입 및 이탈)시키는 물질을 사용할 수 있다. 이러한 물질로는, 금속 칼코겐 화합물(황화물, 산화물 등), 알칼리 금속 함유 천이 금속 산화물(리튬 함유 천이 금속 산화물, 나트륨 함유 천이 금속 산화물), 알칼리 금속 함유 천이 금속 인산염(올리빈형 구조를 갖는 인산철 등) 등을 예시할 수 있다. 이들 정극 활물질은, 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
리튬 이온 커패시터나 비수전해질 이차 전지의 부극 활물질로는, 리튬 이온 등의 알칼리 금속 이온을 흡장 및 방출(삽입 및 이탈)시키는 물질을 사용할 수 있다. 이러한 물질로는, 예컨대 탄소 물질, 스피넬형 리튬티탄 산화물, 스피넬형 나트륨티탄 산화물, 규소 산화물, 규소 합금, 주석 산화물, 주석 합금 등을 들 수 있다. 탄소 물질로는, 흑연, 이(易)흑연화성 탄소(소프트 카본), 난(難)흑연화성 탄소(하드 카본) 등을 예시할 수 있다.
리튬 이온 커패시터의 정극 활물질로는, 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제1 탄소 물질을 사용할 수 있다. 또한, 전기 이중층 커패시터의 한쪽 전극의 활물질로는, 유기 양이온을 흡착 및 이탈시키는 제2 탄소 물질을 사용할 수 있고, 다른쪽 전극의 활물질로는, 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제3 탄소 물질을 사용할 수 있다. 제1 ∼제3 탄소 물질로는, 예컨대 활성탄, 흑연, 이흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본) 등의 탄소 물질을 예시할 수 있다.
도전 조제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예컨대 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 카본 나노 튜브 등의 나노 카본 등을 들 수 있다. 도전 조제의 양은 특별히 한정되지 않고, 활물질 100 질량부당, 예컨대 0.1∼15 질량부, 바람직하게는 0.5∼10 질량부이다.
바인더의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예컨대 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소 수지; 폴리비닐클로라이드 등의 염소 함유 비닐 수지; 폴리올레핀 수지; 스티렌부타디엔 고무 등의 고무형 중합체; 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜; 카르복시메틸 셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체(셀룰로오스에테르 등), 크산톤검 등의 다당류 등을 이용할 수 있다. 바인더의 양은 특별히 한정되지 않고, 활물질 100 질량부당, 예컨대 0.5∼15 질량부, 바람직하게는 0.5∼10 질량부, 더욱 바람직하게는 0.7∼8 질량부이다.
제1 전극(18) 및 제2 전극(20)의 두께는, 0.2 mm 이상, 바람직하게는 0.5 mm 이상, 더욱 바람직하게는 0.7 mm 이상이다. 또한, 제1 전극(18) 및 제2 전극(20)의 두께는, 5 mm 이하, 바람직하게는 4.5 mm 이하, 더욱 바람직하게는 4 mm 이하 또는 3 mm 이하이다. 이들 하한치와 상한치는 임의로 조합할 수 있다. 제1 전극(18) 및 제2 전극(20)의 두께는, 0.5∼4.5 mm 또는 0.7∼4 mm이어도 좋다.
세퍼레이터(21)는, 이온 투과성을 가지며, 제1 전극(18)과 제2 전극(20) 사이에 개재하여 이들의 단락을 방지한다. 세퍼레이터(21)는, 다공질 구조를 가지며, 세공 내에 전해질을 유지함으로써 이온을 투과시킨다. 세퍼레이터(21)로는, 미다공 필름, 부직포(종이도 포함) 등을 사용할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(21)의 재질로는, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀; 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르; 폴리아미드; 폴리이미드; 셀룰로오스; 유리 섬유 등을 이용할 수 있다. 세퍼레이터(21)의 두께는, 예컨대 10∼100 ㎛ 정도이다.
리튬 이온 커패시터의 전해질은, 리튬 이온과 음이온(제1 음이온)의 염을 포함한다. 제1 음이온으로는, 불소 함유산 음이온(PF6 -, BF4 - 등), 염소 함유산 음이온(ClO4 -), 비스(옥살레이트)보레이트 음이온(BC4O8 -), 비스술포닐아미드 음이온, 트리플루오로메탄술폰산 이온(CF3SO3 -) 등을 들 수 있다.
전기 이중층 커패시터의 전해질은, 유기 양이온과 음이온(제2 음이온)의 염을 포함한다. 유기 양이온으로는, 테트라에틸암모늄 이온(TEA+), 트리에틸모노메틸암모늄 이온(TEMA+), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 이온(EMI+), N-메틸-N-프로필피롤리디늄 이온(MPPY+) 등을 들 수 있다. 또한, 제2 음이온으로는, 제1 음이온과 동일한 것을 들 수 있다.
비수전해질 이차 전지의 전해질은, 알칼리 금속 이온과 음이온(제3 음이온)의 염을 포함한다. 예컨대, 리튬 이온 전지의 전해질은, 리튬 이온과 음이온(제3 음이온)의 염을 포함한다. 또한, 나트륨 이온 전지의 전해질은, 나트륨 이온과 음이온(제3 음이온)의 염을 포함한다. 제3 음이온으로는, 제1 음이온과 동일한 것을 들 수 있다.
전해질은, 상기 염을 용해시키는 비이온성 용매 또는 물을 포함해도 좋고, 상기 염을 포함하는 용융염이어도 좋다. 비이온성 용매로는, 예컨대 유기 카보네이트, 락톤 등의 유기 용매를 이용할 수 있다. 전해질이 용융염을 포함하는 경우, 내열성 향상의 관점에서는, 전해질의 90 질량% 이상을 염(음이온과 양이온으로 구성되는 이온성 물질)이 차지하고 있는 것이 바람직하다.
용융염을 구성하는 양이온으로는, 유기 양이온이 바람직하다. 유기 양이온으로는, 질소 함유 양이온; 황함유 양이온; 인함유 양이온 등을 예시할 수 있다. 용융염을 구성하는 음이온으로는, 비스술포닐아미드 음이온이 바람직하다. 비스술포닐아미드 음이온 중에서도, 비스(플루오로술포닐)아미드 음이온((N(SO2F)2 -)(FSA- : bis(fluorosulfonyl)amideanion)); 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드 음이온(N(SO2CF3)2 -)(TFSA- : bis(trifluoromethylsulfonyl)amideanion), (플루오로술포닐)(트리플루오로메틸술포닐)아미드 음이온(N(SO2F)(SO2CF3)-)(PFSA- : bis(fluorosulfonyl)(trifluoromethylsulfonyl)amideanion) 등이 바람직하다.
질소 함유 양이온으로는, 예컨대 제4급 암모늄 양이온, 피롤리디늄 양이온, 피리디늄 양이온, 이미다졸륨 양이온 등을 예시할 수 있다.
제4급 암모늄 양이온으로는, 테트라메틸암모늄 양이온, 에틸트리메틸암모늄 양이온, 헥실트리메틸암모늄 양이온, 에틸트리메틸암모늄 양이온(TEA+ : ethyltrimethylammoniumcation), 메틸트리에틸암모늄 양이온(TEMA+ : methyltriethylammoniumcation) 등의 테트라알킬암모늄 양이온(테트라 C1-10 알킬암모늄 양이온 등) 등을 들 수 있다.
피롤리디늄 양이온으로는, 1,1-디메틸피롤리디늄 양이온, 1,1-디에틸피롤리디늄 양이온, 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 양이온, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 양이온(MPPY+ : 1-methyl-1-propylpyrrolidiniumcation), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온(MBPY+ : 1-butyl-1-methylpyrrolidiniumcation), 1-에틸-1-프로필피롤리디늄 양이온 등을 들 수 있다.
피리디늄 양이온으로는, 1-메틸피리디늄 양이온, 1-에틸피리디늄 양이온, 1-프로필피리디늄 양이온 등의 1-알킬피리디늄 양이온 등을 들 수 있다.
이미다졸륨 양이온으로는, 1,3-디메틸이미다졸륨 양이온, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 양이온(EMI+ : 1-ethyl-3-methylimidazoliumcation), 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 양이온, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 양이온(BMI+ : 1-buthyl-3-methylimidazoliumcation), 1-에틸-3-프로필이미다졸륨 양이온, 1-부틸-3-에틸이미다졸륨 양이온 등을 들 수 있다.
황함유 양이온으로는, 제3급 술포늄 양이온, 예컨대 트리메틸술포늄 양이온, 트리헥실술포늄 양이온, 디부틸에틸술포늄 양이온 등의 트리알킬술포늄 양이온(예컨대, 트리 C1-10 알킬술포늄 양이온 등) 등을 예시할 수 있다.
인함유 양이온으로는, 제4급 포스포늄 양이온, 예컨대 테트라메틸포스포늄 양이온, 테트라에틸포스포늄 양이온, 테트라옥틸포스포늄 양이온 등의 테트라알킬포스포늄 양이온(예컨대, 테트라 C1-10 알킬포스포늄 양이온); 트리에틸(메톡시메틸)포스포늄 양이온, 디에틸메틸(메톡시메틸)포스포늄 양이온, 트리헥실(메톡시에틸)포스포늄 양이온 등의 알킬(알콕시알킬)포스포늄 양이온(예컨대, 트리 C1-10 알킬(C1-5 알콕시 C1-5 알킬)포스포늄 양이온 등) 등을 들 수 있다.
이상의 설명은 이하의 특징을 포함한다.
(부기 1)
제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과,
전해질과,
상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고,
상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고,
상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있고,
상기 밀봉판은, 상기 케이스의 상기 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 또한 상기 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 갖고 있고,
상기 케이스의 상기 개구 단부는, 상기 제1 사면과 접촉하는 제2 사면을 갖고 있고,
상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부가, 상기 제1 사면과 상기 제2 사면으로 용접되어 있는 축전 디바이스.
(부기 2)
시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하는 제1 전극과,
시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하는 제2 전극과,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터와,
전해질과,
상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 개구 단부와 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 또한 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하는 축전 디바이스를 제조하는 방법으로서,
(i) 상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 형성하는 공정과,
(ii) 상기 케이스의 상기 개구 단부에 상기 제1 사면과 접촉해야 할 제2 사면을 형성하는 공정과,
(iii) 상기 제1 사면과 상기 제2 사면을 접촉시킨 상태로, 상기 밀봉판의 상기 제1 사면이 형성된 부분에, 상기 제1 주면에 대하여 90도±5도의 방향으로부터 레이저광을 조사하여, 상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부를 서로 용접하는 공정을 포함하는 축전 디바이스의 제조방법.
(부기 3)
상기 각도 θ1이 5∼85도인, 부기 2에 기재된 축전 디바이스의 제조방법.
(부기 4)
상기 케이스의 상기 제2 사면과 인접하는 부분의 두께가 0.1∼3 mm인 부기 1에 기재된 축전 디바이스.
(부기 5)
상기 밀봉판의 상기 제1 사면과 인접하는 부분의 두께가 0.1∼4 mm인 부기 1에 기재된 축전 디바이스.
(부기 6)
상기 케이스의 상기 제2 사면과 인접하는 부분의 두께가 0.1∼3 mm인 부기 2에 기재된 축전 디바이스의 제조방법.
(부기 7)
상기 밀봉판의 상기 제1 사면과 인접하는 부분의 두께가 0.1∼4 mm인 부기 2에 기재된 축전 디바이스의 제조방법.
(부기 8)
시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하는 제1 전극과,
시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하는 제2 전극과,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터와,
전해질과,
상기 전극군과 상기 전해질을 수용하고, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하는 축전 디바이스를 제조하는 방법으로서,
(i) 상기 케이스의 개구 단부와 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 상기 둘레 가장자리부의 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 갖는 상기 밀봉판을 준비하는 공정과,
(ii) 상기 개구 단부에 상기 제1 사면과 접촉해야 할 제2 사면을 갖는 상기 케이스를 준비하는 공정과,
(iii) 상기 제1 사면과 상기 제2 사면을 접촉시킨 상태로, 상기 밀봉판의 상기 제1 사면이 형성된 부분에, 상기 제1 주면에 대하여 90도±5도의 방향으로부터 레이저광을 조사하여, 상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부를 서로 용접하는 공정을 포함하는 축전 디바이스의 제조방법.
본 발명은, 리튬 이온 전지, 나트륨 이온 전지, 리튬 이온 커패시터, 전기 이중층 커패시터 등의 축전 디바이스에 널리 적용할 수 있다.
10 : 축전 디바이스, 100 : 정극 활물질
101 : 보이드, 102 : 골격, 102a : 공동, 103 : 개구
104 : 정극 합제
12 : 전극군, 14 : 케이스, 14a, 16a : 사면, 16 : 밀봉판
18 : 제1 전극, 20 : 제2 전극
21 : 세퍼레이터, 21a : 개구 단부, 21b : 가장자리
22 : 제1 집전체, 24 : 제2 집전체
26 : 제1 접속부, 28 : 제2 접속부
34 : 제1 체결 부재, 38 : 제2 체결 부재
40 : 제1 외부 단자, 42 : 제2 외부 단자, 44 : 안전 밸브
50 : 단자 형성 부재, 50A : 제2 단자판, 52 : 제3 체결 부재
58, 60 : 개스킷
58A, 60A : (제2)개스킷
62 : 제1 리드, 62A : 제2 리드, 64 : 제2 리드
70 : 제1 접속 부재, 70A : 제2 접속 부재, 80 : 제4 체결 부재90 : 이물질

Claims (6)

  1. 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과,
    전해질과,
    상기 전극군과 상기 전해질을 수용하는, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
    상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고,
    상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고,
    상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있고,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있고,
    상기 밀봉판은, 상기 케이스의 상기 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 또한 상기 둘레 가장자리부 중 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 갖고 있고,
    상기 케이스의 상기 개구 단부는, 상기 제1 사면과 접촉하는 제2 사면을 갖고 있고,
    상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부는, 상기 제1 사면과 상기 제2 사면으로 용접되어 있는 것인 축전 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각도 θ1은 5도∼85도인 것인 축전 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해질은 리튬 이온과 음이온의 염을 포함하고,
    상기 제1 활물질과 상기 제2 활물질 중 한쪽은, 상기 리튬 이온을 흡장(吸藏) 및 방출시키는 제1 물질이고, 다른쪽은, 상기 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제2 물질인 것인 축전 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해질은 유기 양이온과 음이온의 염을 포함하고,
    상기 제1 활물질과 상기 제2 활물질 중 한쪽은, 상기 유기 양이온을 흡착 및 이탈시키는 제3 물질이고, 다른쪽은, 상기 음이온을 흡착 및 이탈시키는 제4 물질인 것인 축전 디바이스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해질은 알칼리 금속 이온과 음이온의 염을 포함하고,
    상기 제1 활물질 및 상기 제2 활물질은 모두, 상기 알칼리 금속 이온을 흡장 및 방출시키는 물질인 것인 축전 디바이스.
  6. 제1 전극과, 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 세퍼레이터를 갖는 전극군과,
    전해질과,
    상기 전극군과 상기 전해질을 수용하는, 개구 단부를 갖는 바닥이 있는 케이스와,
    상기 케이스의 외측에 면하는 제1 주면 및 상기 케이스의 내측에 면하는 제2 주면을 가지며, 상기 케이스의 상기 개구 단부에 감합하는 둘레 가장자리부를 가지며, 상기 둘레 가장자리부 중 적어도 일부분에, 상기 제1 주면과의 사이에 예각 θ1을 이루는 제1 사면을 가지며, 또한 상기 케이스의 상기 개구 단부를 밀봉하는 밀봉판을 구비하고,
    상기 제1 전극은, 시트형의 제1 집전체와, 상기 제1 집전체에 담지된 제1 활물질을 포함하고 있고,
    상기 제2 전극은, 시트형의 제2 집전체와, 상기 제2 집전체에 담지된 제2 활물질을 포함하고 있고,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 세퍼레이터를 끼운 상태로 적층되어 있고,
    상기 밀봉판을 상기 케이스의 상기 개구 단부에 용접하여 부착한 밀봉 구조를 가지며,
    상기 케이스의 상기 개구 단부는, 용접되기 전, 상기 제1 사면과 접촉하는 제2 사면을 갖고 있고,
    상기 밀봉 구조는, 상기 제1 사면과 상기 제2 사면을 접촉시킨 상태로, 상기 밀봉판의 상기 둘레 가장자리부와 상기 케이스의 상기 개구 단부를 서로 용접함으로써 형성되어 있는 것인 축전 디바이스.
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