(57)【要約】【課題】低コストの、隣接するセル間で電気短絡する恐れのない放熱の容易な平面積層型電力貯蔵デバイスを提供する。【解決手段】平面積層型電力貯蔵デバイスは、セルの上下関係が反転して配置され、配列方向の最も後方に配列されたセルを除くセルの正極電極層を配列方向に隣接するセルの負極電極層にそれぞれ接続する集電箔と、集電箔で接続された２つのセルの間の集電箔のセルに接する面上に設けられた融着樹脂と、複数のセルを上下方向から挟持する上面容器および下面容器と、配列方向の最も手前に配列されたセルの負極電極層に接続される負極端子と配列方向の最も後方に配列されたセルの正極電極層に接続される正極端子と、を備え、上面容器と下面容器は、集電箔で接続された正極電極層と負極電極層との間の隙間に介装し、該集電箔に設けられた容器融着樹脂により該集電箔に固定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して対峙する負極電極層および正極電極層から構成され、電解液が含浸されたセルが平面内に複数個配列され、且つ上記複数個のセルが電気的に直列に接続される平面積層型電力貯蔵デバイスにおいて、
上記セルは、正極電極層と負極電極層が隣接する上記セルの正極電極層と負極電極層を上下方向に反転して配置され、
配列方向の一方の端部の上記セル部の負極電極層に接続される負極端子と、
配列方向の他方の端部の上記セル部の正極電極層に接続される正極端子と、
上記一方の端部の負極端子が接続された負極電極層および上記他方の端部の正極端子が接続された正極電極層を除く正極電極層および負極電極層において配列方向に隣接する上記一対の正極電極層と上記負極電極層とをそれぞれ接続する集電箔と、
上記集電箔で接続された２つの上記セルの間の上記集電箔の上記セルに接する面上に設けられた容器融着樹脂と、
上記集電箔の上記セルに接する面と反対の面上に設けられた容器集電箔融着樹脂と、
上記複数のセルを上下方向から挟持する上面容器および下面容器と、
を備え、
上記上面容器と上記下面容器は、上記セルの側面と該側面と対向する隣接セルの側面との間に隔壁が設けられるように上記集電箔の面上に設けられた容器融着樹脂と容器集電箔融着樹脂とにより上記集電箔に固定されることを特徴とする平面積層型電力貯蔵デバイス。
【請求項２】
上記正極電極層および上記負極電極層の配列方向に直交する辺の長さが、配列方向に平行な辺の長さの２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の平面積層型電力貯蔵デバイス。
【請求項３】
上記セパレータは、上記正極電極層の配列方向に水平な側面に張り出され、
上記張り出されたセパレータの上に電解液を貯蔵する電解液リザーバが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の平面積層型電力貯蔵デバイス。
【請求項４】
隣接する上記電解液リザーバの間に、上記上面容器と上記下面容器に挟持されたガスおよび液体が連通可能な連絡通路を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の平面積層型電力貯蔵デバイス。
【請求項５】
端部のセルの電解液リザーバに、電解液注入口を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平面積層型電力貯蔵デバイス。
【請求項６】
上記上面容器または上記下面容器に冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の平面積層型電力貯蔵デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、平面内に配列され、直列に電気的に接続された複数のセルが直列に接続された平面積層型の電力貯蔵デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力貯蔵デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシなどがある。
電気二重層キャパシタは、セパレータを挟んで互いに対向する分極性電極（正極及び負極）を設け、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用したものである。
また、リチウムイオン電池は、リチウムをカーボン負極に安定に充電貯蔵できることが特長で、正極にはコバルト、ニッケル、マンガンなどの酸化物が用いられている。
また、電気二重層キャパシタとリチウムイオン電池のハイブリッド型としてリチウムイオンキャパシタが開発されており、電気二重層キャパシタの正極とリチウムイオン電池の負極を兼ね備えたもので、電気二重層キャパシタよりも高い電圧が得られる反面、電圧を０Ｖにまでできないのが欠点である。
【０００３】
電力貯蔵デバイスの電圧を上げるために『平面積層』という手法が用いられる。平面積層は、複数のセルを平面に並べて、電気的に直列に接続する方法である。
円形のセル４個をコの字型に配置して、隣接するセル間で上または下の集電板を共有化し、直列に接続する構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、コの字に積層すると、１個目と４個目のセルが隣接することになり、４個のセルの合計電圧が、１個目のセルの電荷液と４個目のセルの電解液の間にかかるので、大きな電圧差が短い距離にかかって、これによる電気短絡が起こる不具合があった。例えば、１セルに２．５Ｖかかるとすると、４セルで１０Ｖにもなり、近接するセル間で、大きな電圧差が生じ、液短絡が起きやすくなる。電圧差が大きくなると、液短絡は、加速度的に起こりやすくなり、腐食などの不具合が、電圧差の大きなセル間で特に頻発する恐れがあった。
【０００４】
そこで、一方向にのみ配列し直列接続した平面積層の構造が開示されている。この構造であれば、隣接するセル間の電圧は、２．５Ｖまでであり、仮に液短絡が起こっても、大きな電流が流れ、深刻な腐食が起こる恐れが少ない（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１９４４１８号公報
【特許文献２】特開２００２−１１８０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、複数の正極と負極を並列に交互に並べたセル構成で、それぞれの集電箔を集合した正極端子と負極端子を相対する辺から取り出した電力貯蔵デバイスを、複数個縦に並べ、それぞれの正極端子と負極端子を接続すると共に、全体を１つの容器に入れた構造に過ぎない。すなわち、個々に製造した並列型の電力貯蔵デバイスをそれぞれ、容器に入れて、正極端子と負極端子を相対する辺から外部に出して、それぞれの正極端子と負極端子を一列に接続した場合と大差ない。単に、外部容器を１つにしただけでは、部品点数が減らず低コストにつながらない。
また、集電箔が折り重なって、各セルに内蔵されているので、充放電に伴ってセルに生じる発熱の放熱が困難であるという問題がある。電力貯蔵デバイスは一般に、使用温度が高くなるほど寿命劣化が早くなり、例えば電気二重層キャパシタでは７℃上昇するごとに寿命が半減することが知られている。
【０００７】
この発明の目的は、低コストの、隣接するセル間で電気短絡する恐れのない放熱の容易な平面積層型電力貯蔵デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる平面積層型電力貯蔵デバイスは、セパレータを介して対峙する負極電極層および正極電極層から構成され、電解液が含浸されたセルが平面内に複数個配列され、且つ上記複数個のセルが電気的に直列に接続される平面積層型電力貯蔵デバイスにおいて、上記セルは、正極電極層と負極電極層が隣接する上記セルの正極電極層と負極電極層を上下方向に反転して配置され、配列方向の一方の端部の上記セル部の負極電極層に接続される負極端子と、配列方向の他方の端部の上記セル部の正極電極層に接続される正極端子と、上記一方の端部の負極端子が接続された負極電極層および上記他方の端部の正極端子が接続された正極電極層を除く正極電極層および負極電極層において配列方向に隣接する上記一対の正極電極層と上記負極電極層とをそれぞれ接続する集電箔と、上記集電箔で接続された２つの上記セルの間の上記集電箔の上記セルに接する面上に設けられた容器融着樹脂と、上記集電箔の上記セルに接する面と反対の面上に設けられた容器集電箔融着樹脂と、上記複数のセルを上下方向から挟持する上面容器および下面容器と、を備え、上記上面容器と上記下面容器は、上記セルの側面と該側面と対向する隣接セルの側面との間に隔壁が設けられるように上記集電箔の面上に設けられた容器融着樹脂と容器集電箔融着樹脂とにより上記集電箔に固定される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係わる平面積層型電力貯蔵デバイスの効果は、集電箔の同一面に正極電極層と負極電極層が容器融着樹脂を挟んで設けられた構造が繰り返しの主たる部品になっており、低コストに構成組み立てが可能になる。また、容器融着樹脂および容器集電箔融着樹脂により、隣接するセルの電極が隔離されるので、液短絡が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタの縦断面図である。図２は、実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタの横断面図である。図１は、図２のＡ−Ａ断面での断面図である。図２は、図１のＢ−Ｂ断面での断面図である。
この発明の実施の形態１に係わる平面積層型電力貯蔵デバイスとして、電気二重層キャパシタを例にして説明するが、これに限るものではなく、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタにも同様に適用できる。そして、この発明の実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタは、複数のセル４が平面内に一列に配列されている。この実施の形態１では、７個のセル４ａ〜４ｇが配列されているが、セル４の数はこれに限るものではない。
【００１１】
このセル４は、図示しない電解液が含浸され、電解液との界面に電気二重層が形成される正極電極層１および負極電極層２と、正極電極層１と負極電極層２を電子的に絶縁しイオンだけが通過できるセパレータ３と、から構成されている。この正極電極層１および負極電極層２の平面上の外形は、セル４が平面内に配列されるときの配列方向に直交する辺の長さが配列方向に平行な辺の長さの２倍以上の長方形である。また、セパレータ３の外形は、正極電極層１の外形より広い長方形である。そして、セパレータ３は、正極電極層１および負極電極層２で挟持されたとき、配列方向に平行する一方の辺が正極電極層１および負極電極層２の側面から所定の長さ張り出している。
また、セル４は、正極電極層１および負極電極層２の側面から張り出しているセパレータ３を上下から挟む電解液リザーバ１９を有している。
【００１２】
実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタは、セル４が配列方向に正極電極層１と負極電極層２の上下関係が交互に反転するように隙間を介して配列されている。そして、セル４を電気的に直列に接続するために、配列方向の最も手前に配列されたセル４ａの正極電極層１とそのセル４ａの配列方向に隣接して配列されたセル４ｂの負極電極層２とが集電箔１１により接続される。また、セル４ｂの正極電極層１は、セル４ｂの配列方向に隣接して配列されたセル４ｃの負極電極層２と集電箔１１により接続される。同様に、セル４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆの正極電極層１は、それぞれセル４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆの配列方向に隣接して配列されたセル４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇの負極電極層２と集電箔１１により接続される。
【００１３】
また、配列方向の最も手前に配列されたセル４ａの負極電極層２は、負極端子１４に接続されている。また、配列方向の最も後方に配列されたセル４ｇの正極電極層１は、正極端子１３に接続されている。
正極端子１３および負極端子１４にそれぞれ設けられた正極端子穴２２と負極端子穴２３は、外部負荷と接続する電流端子を取り付けるボルト穴である。
また、セル４間の隙間に面している集電箔１１に容器融着樹脂１０が形成されている。
【００１４】
実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタは、複数のセル４を上下方向に挟持する上面容器６と下面容器９を有する。そして、上面容器６は、配列方向の手前からセル４を２個づつ収容する窪み７が設けられている。この窪み７の側壁の高さはセル４の厚さと集電箔１１の厚さとの和より少し小さい。この上面容器６にセル４を収納するとき、窪み７ａにセル４ａ、４ｂ、窪み７ｂにセル４ｃ、４ｄ、窪み７ｃにセル４ｅ、４ｆを収納する。
【００１５】
また、下面容器９は、配列方向の後方からセル４を２個づつ収容する窪み８が設けられている。この窪み８の側壁の高さは窪み７の高さと同様である。この下面容器９にセル４を収納するとき、窪み８ａにセル４ｂ、４ｃ、窪み８ｂにセル４ｄ、４ｅ、窪み８ｃにセル４ｆ、４ｇを収納する。
このように正極電極層１および負極電極層２の配列方向の幅が短く、配列方向に直交する方向の幅が長いので、配列方向に複数のセルを並べても配列方向の長さが極端に長くなることが防げる。
【００１６】
図３は、図１のＣ部の拡大図である。上面容器６および下面容器９は、集電箔１１により接続されたセル４を上面容器６および下面容器９に収納したとき集電箔１１の容器融着樹脂１０と重畳する位置が外側に拡がっており、上面容器６および下面容器９と集電箔１１の間に隙間が形成される。そして、この隙間に容器集電箔融着樹脂２４を充填することによって上面容器６と集電箔１１、下面容器９と集電箔１１が融着される。
このように、容器融着樹脂１０により集電箔１１と上面容器６または下面容器９が融着され、容器集電箔融着樹脂２４により集電箔１１と上面容器６または下面容器９が融着され、上下方向の一直線上で一体化され、セル４の側面とその側面と対向する隣接セル４の側面との間に隔壁が設けられ、電解液が隣接するセル間で短絡しないようになっている。
【００１７】
そして、セル４を上下方向から上面容器６と下面容器９に収納すると、電解液リザーバ１９に接するセル４の側面を除く側面は、図３に示すように、窪み７、８の上端面と集電箔１１が容器融着樹脂１０により融着されることにより、隣接するセル４と分離される。
隣接する電解液リザーバ１９の間に、上面容器６と下面容器９に挟持されたガスおよび液体が連通可能な連絡通路２０が形成される。また、配列方向の最も手前のセル４ａの電解液リザーバ１９に対峙する下面容器９の部分には、電解液注入口２１が設けられている。
【００１８】
図４は、図２のＤ断面線での拡大断面図である。ガス連絡通路２０には、容器融着樹脂１０が無く、電解液リザーバ１９を溢れた電解液は、隣接するセル４に移動することができる。
また、電解液注入口２１から容器内部を真空に引いた後で、電解液を注入したとき、各セル４には、このガス連絡通路２０を通って電解液が電解液リザーバ１９に供給され、電解液リザーバ１９から、セパレータ３に供給され、セパレータ３から正極電極層１および負極電極層２に電解液が供給される。
その後、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂で構成されている電解液注入口２１を封止して使用されるが、余分の電解液は電解液リザーバ１９に蓄えられているので、電解液が溢れてガス連絡通路２０を通って隣接するセルに流れる心配はない。
【００１９】
また、充電時に電解液が正極電極層１および負極電極層２に吸収され、放電時に放出されるので、電解液が溢れる可能性があるのは放電時であるが、放電時には電圧がゼロに近いので、仮にガス連絡通路２０に電解液が溜まったとしても、電解液の短絡による電流が流れる恐れは少ない。電解液の過不足は電解液リザーバ１９によってバッファされているので、その近傍にあるガス連絡通路２０に電解液が溜まる恐れは少ない。
【００２０】
ガス連絡通路２０は、直列に接続されたセルの一部でガスが発生し、容器の内圧が高まった場合に、そのガスを隣接するセルに逃し、容器内のガス圧力を一定に保つ働きをする。ガス連絡通路２０は、上面容器６と下面容器９を容器融着樹脂１０を用いて融着する際に、その部分にだけ容器融着樹脂１０を設けないことで、簡単に構成することができる。
【００２１】
このように集電箔１１の同じ面に正極電極層１と負極電極層２を容器融着樹脂１０を挟んで設けた構造が簡単な繰り返しの部品の組み合わせになっており、構造的には上下対称なので、基本的には１つの構造で、平面積層の主要構造が構築できる。
【００２２】
図５は、この発明の実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタの集電箔１１に正極電極層１、負極電極層２および容器融着樹脂１０を形成する製造工程を示す平面図である。
次に、電気二重層キャパシタの製造工程の内、集電箔１１の片面に正極電極層１、負極電極層２およびその間に容器融着樹脂１０を形成する製造工程を説明する。
この製造工程では、ドクターコータ法を用いており、正極電極層ペーストダム３０と負極電極層ペーストダム３１が所定の距離だけ離間してドクターロール２８上に配置されている。そして、ドクターロール２８により厚みが制御されコーティングロール２７にペーストが付着し、そのペーストがロール巻きの集電箔２６の上に転写される。このように転写されたペーストを乾燥することにより、所定の隙間を間に有する正極電極層塗工部３２と負極電極層塗工部３３を一回のコーティングで形成することができる。
それから、集電箔２６の隙間の位置に容器融着樹脂１０を塗工することにより樹脂貼り付け部３４を形成する。このようにして作製された集電箔２６の様子を図６（ａ）に示す。
次に、このように作製された集電箔２６の樹脂貼り付け部３４の裏面に容器集電箔融着樹脂２４を塗布して樹脂塗布部３５を形成する。このように樹脂塗布部３５が形成された集電箔２６の様子を図６（ｂ）に示す。
【００２３】
次に、図６に示すように、打ち抜き刃の配置が２点鎖線の打ち抜き型を用いて正極電極層１と負極電極層２が同じ面に形成された集電箔１１を作製する。それから、正極電極層１と負極電極層２が表に表れるようにして、配列方向に所定の枚数の集電箔１１を配列する。このとき、配列方向に正極電極層１と負極電極層２が交互に並んでいる。なお、配列方向の最も手前の集電箔１１の正極電極層１と配列方向の最も後方の集電箔１１の負極電極層２とに対応する負極電極層２と正極電極層１は存在していない。
【００２４】
次に、正極電極層１と負極電極層２を覆うようにセパレータ３を配置する。それから、他の打ち抜いた集電箔１１を正極電極層１および負極電極層２がセパレータ３に接するように配置する。このとき、セパレータ３を介して正極電極層１と負極電極層２が対向するように配置する。
【００２５】
このように集電箔２６に正極電極層塗工部３２および負極電極層塗工部３３を同時に形成でき、さらに引き続いて樹脂貼り付け部３４を形成でき、打ち抜き型で打ち抜くことでリピートパーツを作製できるので、簡単に製造することができる。
このように正極電極層１、負極電極層２および容器融着樹脂１０が形成された集電箔１１をリピートパーツとして準備し、それらを平面上に配列することによりセル４が配列することができるので、セル４の組立が容易である。
【００２６】
このように平面積層した複数のセル４を上下方向からアルミラミネートフィルムで挟み、容器融着樹脂１０を加温して樹脂を融着することで、図１の構成の電気二重層キャパシタを作製することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わる電気二重層キャパシタの平面図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面での縦断面図である。図９は、図７のＢ−Ｂ断面での縦断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる電気二重層キャパシタは、実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタに冷却フィン３７を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
冷却フィン３７は、アルミニウムからなり、図８に示すように、実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタを上面容器６と下面容器９の外側からアルミニウムでできた押さえ板３８とで挟んでいる。挟んで固定するときには、冷却フィン３７と押さえ板３８に設けられたボルト穴３９にボルト４０を通し、ナット３６により締め付ける。
【００２８】
また、実施の形態２に係わる電気二重層キャパシタでは、図９に示すように、セパレータ３の電解液リザーバ１９が設けられた側の反対側が延び、正極電極層１の側面に折り曲げられている。このセパレータ折り曲げ部４１は、正極電極層１と負極電極層２の電気的な短絡を防止すると共に、電解液リザーバ１９の代わりになるものである。
【００２９】
このように電気二重層キャパシタの上面容器６に密着するように冷却フィン３７が取り付けられているので、充放電によってセル４に生じた熱を速やかに外部に放出することができる。
また、冷却フィン３７と押さえ板３８をボルト４０とナット３６で締め付けているので、電気二重層キャパシタと冷却フィン３７との間の接触熱抵抗が小さくすることができる。
なお、この実施の形態２では、冷却フィン３７は、一方の側にのみ設けた場合を示したが、両側に設けても良い。
【００３０】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係わる電気二重層キャパシタをモータ本体に取り付けたときの断面図である。
容器融着樹脂１０が形成された集電箔１１の部分で折り曲げることができるので、外形が円形のモータ本体４２の外周を囲うように取り付けることができ、モータとの配線を短くして、モータの電力アシストやエネルギー回生を行うと共に、放熱冷却させることができる。
【００３１】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係わる電気二重層キャパシタを装置ケースに取り付けたときの断面図である。
この実施の形態４では容器融着樹脂１０が形成された集電箔１１の部分で９０度折り曲げており、装置ケース４３の内壁に装着して、装置のスペースを確保しながら放熱冷却させることができる。
【００３２】
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５に係わる電気二重層キャパシタの断面図である。
この実施の形態５では容器融着樹脂１０が形成された集電箔１１の部分で９０度折り返して重ねることにより、よりコンパクトに高積層の電気二重層キャパシタを得ることができる。
また、冷却フィン３７を介して折り畳むことで、冷却の容易な高積層の電気二重層キャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタの縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる電気二重層キャパシタの横断面図である。
【図３】図１のＣ部の拡大断面図である。
【図４】図２のＤ断面線での拡大断面図である。
【図５】集電箔上にドクターコータ法で正極電極層および負極電極層を塗工する製造工程を示す平面図である。
【図６】連続塗工されたロール巻きの集電箔の表裏に貼り付け樹脂を貼り付けた状態の平面図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係わる電気二重層キャパシタの平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ断面での断面図である。
【図９】図７のＢ−Ｂ断面での断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係わる電気二重層キャパシタをモータ本体に取り付けたときの断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４に係わる電気二重層キャパシタを装置ケースの内壁に取り付けたときの断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係わる電気二重層キャパシタの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  正極電極層、２  負極電極層、３  セパレータ、４  セル、６  上面容器、７、８  窪み、９  下面容器、１０  容器融着樹脂、１１  集電箔、１３  正極端子、１４  負極端子、１９  電解液リザーバ、２０  連絡通路、２１  電解液注入口、２２  正極端子穴、２３  負極端子穴、２４  容器集電箔融着樹脂、２６  集電箔、２７  コーティングロール、２８  ドクターロール、３０  正極電極層ペーストダム、３１  負極電極層ペーストダム、３２  正極電極層塗工部、３３  負極電極層塗工部、３４  樹脂貼り付け部、３５  樹脂塗布部、３６  ナット、３７  冷却フィン、３８  押さえ板、３９  ボルト穴、４０  ボルト、４１  折り曲げ部、４２  モータ本体、４３  装置ケース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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