(57)【要約】【課題】  両面に活性物質層を形成した金属箔を原反として使用可能とし、且つ大電流の迅速な取り出しを可能とする構成の電気化学デバイスを提供する。【解決手段】  金属箔の両面に活性物質層を形成した一対の電極を絶縁性のセパレータを介して重ね、これらをつづら折りに折り重ねてなる積層体の対向する両側面部分に存在する折り曲げ端部の活性物質層を除去して金属箔表面を露出させ、両側面各々における金属箔の露出する部分を各面に対応する導体板によって電気的に接合してなる電気化学デバイスを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して重ねて複数回つづら折りに折り曲げてなる積層体と、前記つづら折りの折り曲げ端部が並ぶことにより形成される前記積層体の両側面に配置される導電性の材料からなる一対の導体板とを有し、前記積層体の両側面における折り曲げ端部の前記活性物質層が除去されて前記金属箔の表面が露出しており、前記一対の導体板は各々露出した前記金属箔の表面と接合されていることを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項２】
前記一対の導体板は、各々が前記積層体と接する面において貫通孔を有し、前記貫通孔の内周部または導体板外周の少なくとも何れかにおいて、前記導体板は前記金属箔の露出部分と接合されることを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して重ね、重ね合わせた前記電極及びセパレータを複数回つづら折りに折り曲げて積層体を形成し、前記つづら折りの折り曲げ端部における前記活性物質層を除去して前記金属箔の表面が露出する部分を形成し、前記金属箔が露出する部分が並んで形成される前記積層体の両側面各々に導電性の材料からなる導体板を各々接合する工程を有することを特徴とする電気化学デバイスの製造方法。
【請求項４】
金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を作成し、前記電極各々の活性物質層を所定領域除去して前記金属箔の表面が露出する部分を形成し、前記電極における前記金属箔の露出部分が形成された面と異なる面が向かい合うように絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して前記電極を重ね合わせ、重ね合わされた前記電極及び前記セパレータを複数回つづら折りに折り曲げて、前記金属箔が露出する部分が各々対向する側面となる積層体を形成し、前記金属箔が露出する部分が並んで形成される前記積層体の両側面各々に一対の導電性の材料からなる導体板の各々を接合する工程を有することを特徴とする電気化学デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学デバイス及びその製造方法に関する。より詳細には、電極部の積層構造に特徴を有するこれら電気化学デバイス、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器に搭載される電源として二次電池が多く用いられ、またこれらのバックアップ電源等の用途に電気二重層キャパシタが用いられつつある。これら電子機器は、小型化と同時に様々な機能の付加が進められており、用いられる電源に対しても同時に小型化、軽量化、及び高性能化が求められている。当該要求に対応する電池或いはキャパシタの形態として、電極積層型が挙げられる。電極積層型は、いわゆる巻回型と比較して形状に対する自由度が高く、収納効率を高くすることが可能である。
【０００３】
電気二重層キャパシタは、イオンの吸脱着により充放電を行うため、化学反応を伴う二次電池と異なり電解液の劣化が無く、非常に長寿命であることが知られている。また、イオンの物理的な吸脱着は化学反応よりも早く、更には構造上二次電池と比較してその内部抵抗も小さいことから、電気二重層キャパシタは瞬間的な充電或いは大電流の放電を可能とする。このため、電気二重層キャパシタは、携帯機器電源のバックアップ、プリンタ等のメモリー或いは時計機能のバックアップ、或いは瞬時電圧低下の補償装置等に用いられる。また、ハイブリッド車用の補助電源やコジェネレーション等の用途においても期待が持たれている。
【０００４】
電気二重層キャパシタにも電極巻回型と電極積層型とがあり、セル構造はリチウムイオン二次電池と類似している。電極巻回型は、外装体として金属からなる円筒缶が一般的に用いられる。従って、外装体の強度が高く使用環境に対する耐性も高い反面、装置内部にこれを組み込む際にはデッドスペースが発生するといった体積効率が悪いという欠点を有する。電極積層型は、外装体に角型金属缶、樹脂筐体、アルミラミネート材等が用いられ、他の装置に組み込む際のデットスペースが小さく体積効率が高く、装置全体の薄型化、小型化等に寄与可能である。
【０００５】
ここで、積層型の電気二重層キャパシタの構造について述べる。正極及び負極として作用する電極は、共にアルミ等の金属からなる箔の片面或いは両面に活性炭層を形成して得られる。金属箔には活性炭層が存在しない部分も形成される。この部分はタブ部、リード部、或いは外部端子接続部と呼ばれ、充放電時における電気の導通に関わり、外部端子と直接或いは導電性の更なる部材を介して接続されて用いられる。このような電極は、金属箔から活性炭素層の非形成部分を含む所望の領域を打ち抜くことによって得られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５７８３５号公報
【特許文献２】特開平１０−２１４６１６号公報
【特許文献３】特開平０７−０９４３７４号公報
【特許文献４】特開平１１−２７４００４号公報
【特許文献５】特開平０６−１４００７７号公報
【特許文献６】特開２００３−１００３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように長尺の金属箔に活性物質からなる層を形成した場合、例えば塗布工程によって当該層を形成した場合には、打ち抜き時に所望の電極を得る上で、塗布部と非塗布部との境界を略直線状とする必要がある。活性物質を含む塗料は液状であり、走行中の金属箔に対してこれを塗布することを要するため、要求精度に応じた境界を得ることはきわめて困難である。さらに両面にこれを塗布する場合には、その境界を両面で一致させる必要が生じ、その要求を満たすことはさらに困難となる。
【０００８】
また、塗布済みの電極に対しては、塗膜の密度向上の観点から一般には圧延が施される。このような塗膜の有無が存在する金属箔を圧延した場合、塗膜の存在する部分に対してのみ強度の圧延が施されることとなり、金属箔全体としては不均一な伸延が生じる。その結果、金属箔が曲がる、金属箔にしわが生じる、更には金属箔が切れるといった現象が生じることが考えられる。このような現象に対処するために、特許文献１或いは２には、非塗布領域を可能な限り小さくした上で金属箔に圧延を施す技術が開示されている。しかしながら、これら技術においては、走行する長尺の金属箔に対して所定の場所に対して非塗布領域を形成することを要し、実施に際しては塗布工程の煩雑化或いは高精度を有する塗布装置の配備を伴う。
【０００９】
また、上述した積層体においては、各層において電極、セパレータ及び導電性シムを順次積層しなければならない。当該構成は電極の積層数が数十或いは数百枚となる場合を対象とするものであるが、この様に積層すべき構成が多数存在する場合、積層体作製に要する時間が長くなり、生産効率の低下を招く可能性が高い。また、タブ部にはそれほど強度がないことから、このタブ部に導電性シムを好適に載置していく事は容易ではなく、この観点からも当該積層体の生産効率を向上させることは困難と思われる。
【００１０】
更に、金属箔としてアルミ箔が用いられる場合が多いが、アルミは通常、その表面に、絶縁性の強固な酸化皮膜を容易に形成することが知られている。従って、この様なアルミ箔を用いた構成の場合、スペーサとの電気的接合を単なる面接触によって得ようとした場合、電気的導通を得ることは困難となる。また、積層体作成後に、厚さが薄いタブ部はその端面からのアクセスのみで単純にスペーサと溶接しようとした場合、その溶接が不完全となる場合も考えられる。特に絶縁性の酸化皮膜を有したアルミ箔の溶接は難しく、この点から単純に溶接方法を用いて電気的接合の改善を図ることも困難と思われる。
【００１１】
また、前述したタブ部が電極から外部への電流の導通を司っている。このタブ部が小さい場合、この部分に大電流を流そうとすると過剰な電力集中が生じてしまい当該タブ部での発熱や、これに伴う電解液の分解等の問題が発生する恐れがある。前述したようにスペーサを用いた場合であっても、実質的な導通領域が十分確保されていない。具体的には電極から外部端子に至る回路上に導通不良となる部分が存在することも考えられる。この場合も回路上で電力集中が生じる恐れがある。特許文献３或いは４にはこのような事態に対処する方法が開示されているが、これら方法においては、前述した電極打ち抜き時に生じる課題については何ら考慮されていない。特許文献５には長尺の正極、セパレータ及び負極を重ねた後にこれをつづら折りしてセルを作成する方法が提案されている。この場合、上述した打ち抜きに起因する課題は解決されるが、電流の取り出しは最上層及び最下層の電極からのみとなり、電力集中に起因する課題は解決されない。また、特許文献６には、電極に活性物質の塗布部と未塗布部とを設け、未塗布部にて該電極を折り曲げて多層構造の電池を形成する方法が開示されている。しかしながら、当該方法の場合、実際の電極作成が煩雑であるという課題が存在する。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて為されたものであり、金属箔全面に活性物質を塗布した金属箔原反を用いることで、曲がり、しわ等の発生を抑えた電極を用いた電気二重層キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、スペーサを無くした構成点数の少ない電気化学デバイスの提供を目的としている。更に、本発明は、電極から外部端子に至る回路中に存在する金属箔から導体板への電気的接続を好適に行うことを可能とし、大電流の取り出しを可能とする電気化学デバイスの提供をも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係る電気化学デバイスは、金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して重ねて複数回つづら折りに折り曲げてなる積層体と、つづら折りの折り曲げ端部が並ぶことにより形成される積層体の両側面に配置される導電性の材料からなる一対の導体板とを有し、積層体の両側面における折り曲げ端部の活性物質層が除去されて金属箔の表面が露出しており、一対の導体板は各々露出した金属箔の表面と接合されていることを特徴としている。
【００１４】
また、上述した電気化学デバイスにおいて、一対の導体板は、各々が積層体と接する面において貫通孔を有し、貫通孔の内周部または導体板外周の少なくとも何れかにおいて、導体板は金属箔の露出部分と接合されることとしても良い。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を作成し、該一対の電極を絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して重ね、重ね合わせた電極及びセパレータを複数回つづら折りに折り曲げて積層体を形成し、つづら折りの折り曲げ端部における活性物質層を除去して金属箔の表面が露出する部分を形成し、金属箔が露出する部分が並んで形成される積層体の両側面各々に導電性の材料からなる導体板を各々接合する工程を有することを特徴としている。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、金属箔の両面に活性物質層を形成した電極の一対を作成し、前記電極各々の活性物質層を所定領域除去して前記金属箔の表面が露出する部分を形成し、電極における金属箔の露出部分が形成された面とは異なる面が向かい合うように絶縁性の物質からなるシート状のセパレータを介して前記電極を重ね合わせ、重ね合わされた電極とセパレータを複数回つづら折りに折り曲げて、前記金属箔が露出する部分が各々対向する側面となる積層体を形成し、金属箔が露出する部分が並んで形成される積層体の両側面各々に一対の導電性の材料からなる導体板の各々を接合する工程を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長尺の正極、セパレータ及び負極を重ねた後、これをつづら折りに折り重ね、これを電気化学デバイスのセルとして用いることとしている。従って、従来のセルと異なり部品点数が大幅に削減されて製造コストが削減される。また、スペーサ等の部品を積層する操作がなくなること、各電極、セパレータ等を逐次積層する必要がなくなることから工程数も大幅に削減される。また、工程自体も簡単なものとなり、実際の製造に供せられるロボットの数が削減すると共に、その性能等も従来装置ほど高い精度が求められなくなる可能性もある。従って、この点からも、生産効率の向上及び製造コストの削減が見込まれる。
【００１８】
また、本発明によれば、全面に活性物質層を形成した電極を用いることが可能となり、これまでの圧延、打ち抜き等の工程と比較して大幅に工程が簡略化される。従って、これら工程を経ることで生じていた種々の課題が解消される。更には、特許文献５に開示される構成と異なり、本発明においては、つづら折りされた電極の折り曲げ個所毎に電流の取り出しが可能である。また、この取り出し部分は、各電極の幅とほぼ等しい幅を有して形成される。従って、スペーサを用いた場合とほぼ同等のレベルでの電流の取り出しが可能となる。更に、特許文献５においては、活性物質層の形成領域が金属箔片面に限定されていたが、本発明によれば活性物質層を金属箔両面に形成することが可能となり、電気二重層キャパシタとしての容量を大幅に高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る電気化学デバイス、具体的には電気二重層キャパシタの断面について、その要部を示す概略断面図である。本発明に係る電気二重層キャパシタは、その主要部たるセル１において、正極として作用する電極(以下、正極として述べる)３、絶縁物質からなるシート状のセパレータ９、負極として作用する電極(以下、負極として述べる)６、及び正極３及び負極６とそれぞれ接合される一対の導体板１１、１２とを有している。正極３は、アルミ等の導電性の金属箔４と、その両面に塗布形成された活性物質層５ａ、５ｂとを有している。同様に、負極６も、金属箔７と、その両面に形成された活性物質層８ａ、８ｂとを有している。絶縁性の紙等からなるセパレータ９は、正極３及び負極６の間に配置されてこれら電極の接触を防止している。
【００２０】
正極３及び負極６はセパレータ９を介して重ね合わせられ、更にこれらはつづら折りに折り畳まれて積層体１０を形成している。当該積層体において、折り曲げ部分の端部１０ａは積層(折り重ね)方向に延在する略同一の平面内に整列している。即ち、折り曲げ端部１０ａは、積層体１０の対向する両側面を構成している。略同一平面内に存在する端部１０ａにおいては、常に同一の極性の電極が折り曲げ部分における外側に位置している。本発明に係る当該端部１０ａにおいて、その最も外側に位置する活性物質層５ａ、８ｂは除去されており、金属箔４、７が積層体１０の外側に向かって露出している。導体板１１、１２は、これら露出部分に対して溶接等により接合されている。具体的には、正極３における活性物質層５ａが部分的に除去されて露出した金属箔４（４ａ）に対して、正極用導体板１１が接合されている。また、負極４における活性物質層８ｂが部分的に除去されて露出した金属箔７（７ａ）に対して、負極用導体板１２が接合されている。
【００２１】
次に、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法、具体的にはセル１の製造方法について、上述した電気二重層キャパシタを例に、その一実施の形態を図２に示すフローチャートを参照して説明する。まず、ステップ１において、長尺のアルミ箔の両面に活性物質の塗布を行い、これを乾燥させて活性物質層を形成する。更に得られた長尺の電極原反に対して圧延を施して(ステップ２)、活性物質層を所望の厚さ及び塗膜密度を有する状態とする。圧延工程が施された後の長尺電極は、ステップ３において、所定の幅及び長さとなるように裁断され、図１に示す正極３及び負極６となる電極を得る。
【００２２】
得られた電極は、ステップ４において、正極３、セパレータ９、負極６の順序で重ね合わせられる。絶縁体からなるセパレータ９は、両電極同士が接触して短絡することを防止するために、電極の外形寸法に対して0.5〜1.0mm程度大きな外形寸法を有するものが用いられる。これら部材は、重ね合わせられた後、ステップ５において所定の長さでつづら折り状に折り畳まれ、積層体１０が形成される。ステップ５において得られた積層体１０を不図示の仮押さえ治具等で固定、一体化し、ステップ６において、折り曲げ端部１０ａに存在する活性物質層の除去操作が行われる。この除去操作は、サンドブラスト、レーザビーム照射、ワイヤブラシによる擦り落とし等によって、活性物質層の下層に存在する金属箔が露出するまで為される。
【００２３】
当該処理を経ることにより、積層体１０の対向する両側面には、金属箔の表面が露出した部分が並ぶこととなる。更にステップ６における除去操作によって金属箔４、７が部分的に露出した積層体に対して、導体板１１、１２が接合される。導体板１１、１２は、金属箔の露出面に対して溶接等によって接合される(ステップ７)。以上の工程を経ることにより、電気二重層キャパシタにおけるセル１が完成する。
【００２４】
なお、活性物質層の部分的除去操作は、積層体１０の形成後に限られず、例えば、ステップ１或いは２の段階にて所定領域の活性物質層を除去する操作として行うこととしても良い。この場合、例えば図１に示すセル１を製造しようとした場合には、正極３においては所定領域の活性物質層５ａを除去し、負極６においては所定領域の活性物資層８ｂを除去する。また、セパレータ９との積層に際しては、これら除去部分が積層体の表面及び裏面に存在するように正極３、負極６を配置してこれらを積層する。また、これら除去部分が積層体１０の対向する両側面に並ぶように、積層体を折り重ねる操作を行うことを要する。以上の工程により、対向する両側面に金属箔の露出する部分が整列する積層体１０が得られる。
【００２５】
図１に示したセルにおいては、折り曲げ個所各々から電流が取り出すことが可能である。従って、積層されている各層から、瞬時に大電流を取り出すことが可能となり、充放電特性に優れた電気化学デバイスが得られる。
【００２６】
なお、ここで、実際に接合を行う方法はレーザ等を用いた一般的な溶接に限られず、超音波接合、導電性の接着剤を用いる等公知の種々の接合方法を適用して、箔及び導体板を電気的且つ物理的に接合することが可能である。従って、本発明における接合は、これら種々の手法による電気的且つ物理的な接合を意味する。また、活性物質層は活性炭からなるものを例示したが、所望の電気的特性を確保できる物であればこれに限られない。また、箔及び導体板は、これまでの技術の延長線上として、アルミ等からなることが好ましいが、充分な導電性と溶接性の高い材質からなるものであればこれらに限られない。
【実施例】
【００２７】
本発明の実施によって得られる電気二重層キャパシタの主要部１の外観像を模式的に図３Ａ、３Ｂ、及び図４Ａ及び図４Ｂに示す。図３Ａ或いは３Ｂは、図２におけるステップ７の工程終了後のものを示す。また、以下の図面においても積層体の構成については基本的に同一であることから、以下の実施例に関しては積層体の構成についての説明は省略する。積層体側面であって、折り曲げ端部（金属箔が露出された部分）が積層方向に整列する部分には、導体板１１が溶接部１１ｃにより接合されている。このような構成とすることにより、各電極と導体板との間には好適な電気的接続が為される。なお、これら図面では導体板１１は板状のものを用いているが、図３Ｃに示すように背面が円弧状の曲面からなる板状体、或いは図３Ｄに示すように板の断面が台形形状等種々の形状のものを用いることが可能であり、これに限定されない。
【００２８】
図４Ａは、図３Ａ等に示す構成と異なる形状からなる導体板を用い、より好適な電極の溶接を行う場合の構成を示している。この場合、当該導体板１１の垂直に延在する部分には、金属箔の露出部分と接する面とその反対側の面とに貫通する孔１１ａが更に形成されている。当該孔１１ａを利用して、具体的には孔１１ａの内周部分にて、金属箔の露出部分と導体板１１との溶接を行っている。このような溶接操作を行うことで、より広い溶接面積を得ることができ、金属箔と導体板との電気的接続をより確実なものとすることが可能となる。
【００２９】
図４Ｂは、図４Ａに示した導体板１１に対して、さらに突起部１１ｂを形成したものを示している。以上に述べてきた電気二重層キャパシタの主要部１は、不図示の外装体内部に密閉状態で収容され、導体板１１はこの外装体から外部に突出する端子に接続される。本実施例では、この突起部１１ｂを、外装体からその外部に突出する端子としてそのまま用いることを可能としている。
【００３０】
当該構成を採用することにより、部品点数の少ない電気二重層キャパシタの主要部即ちセルを製造することが可能となる。また、活性物質層を全面に塗布した金属箔を電極原反として用いることが可能となり、塗布、圧延及び打ち抜きの諸工程を大幅に簡略化することが可能となる。また、電極と導体板とが、多数の個所において物理的且つ電気的に強固に接合される事から、当該素子からは瞬時に大電流を取り出すことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、その適用対象として電気二重層キャパシタを例示して説明されている。しかしながら適用対象はこれに限られず、電気二重層キャパシタと類似する構成を有する二次電池に対しても適用することが可能と考えられる。また、いわゆる電気化学デバイスに対しても、本発明にかかる構成或いは製造方法を適用することは可能と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電気二重層キャパシタの主要部の断面構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明に係る電気二重層キャパシタの製造工程に関し、その主要部を示すフローチャートである。
【図３Ａ】本発明に係る電気二重層キャパシタにおける主要部の外観を示す図である。
【図３Ｂ】本発明に係る電気二重層キャパシタにおける主要部の外観を示す図である。
【図３Ｃ】導体板の形状を例示する図である。
【図３Ｄ】導体板の形状を例示する図である。
【図４Ａ】本発明に係る電気二重層キャパシタにおける主要部の外観を示す図である。
【図４Ｂ】本発明に係る電気二重層キャパシタにおける主要部の外観を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：電気二重層キャパシタ主要部、  ３：正極用電極、  ４、７：金属箔、  ５、８：活性物質層、  ６：負極用電極、  ９：セパレータ、  １０：積層体、  １１：導体板
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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