(57)【要約】【課題】負極の電極が、リチウムを吸蔵、離脱しうる炭素材料を主体とする電極からなる電気二重層キャパシタにおいて、エネルギー密度向上のために、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる。リチウム箔を巻き方向で素子端面に接触させる方法も考えられているが、リチウム箔を巻き方向で素子端面に接触させる方法ではしかし、リチウム箔と素子端面の電気的接続に不安が残る。【解決手段】負極集電体が、素子からはみ出したはみ出し部を設けて捲回した電気二重層キャパシタにおいて、はみ出し部が櫛状もしくはＶ字カット状にはみ出しているかまたは切れ込みなどを設けていることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極電極と、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極電極とを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記封口と反対側に負極集電体が、前記素子からはみ出したはみ出し部を設けて捲回した電気二重層キャパシタにおいて、前記はみ出し部が櫛状もしくはＶ字カット状にはみ出しているかまたは切れ込みなどを設けていることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記はみ出し部は、外周方向もしくは内周方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項１の電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
前記封口と反対側の前記素子端面において、前記はみ出し部を外周方向もしくは内周方向に折り曲げることにより、前記素子端面より小さな形状のリチウム箔を挟み込むことを特徴とする請求項１または２の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
セパレータを挟んで対向する電極と、電解液とを容器中に収容した電気二重層キャパシタの中で、正極の電極が活性炭を主体とする分極性電極であり、負極の電極がリチウムを吸蔵、離脱しうる炭素材料を主体とする電極とし、リチウム塩を含んだ電解液からなる電気二重層キャパシタにおいて、エネルギー密度、最大電圧の向上と、高温DC負荷特性の向上のために、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させることか知らせている。
しかし、素子が、負極と正極とを、セパレータを介して捲回する素子の場合、乾燥された負極表面にリチウム箔を圧着した後での捲回方法では、乾燥雰囲気中で捲回する必要があるため設備投資が大きいという問題を生じる。そのために、分類は電池ではあるが、リチウム箔を巻き方向で素子端面に接触させる方法も考えられている（たとえば、特開平８−１６２１６１号公報）。
【特許文献１】特開平８−１６２１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リチウム箔を巻き方向で素子端面に接触させる方法ではしかし、リチウム箔と素子端面の電気的接続に不安が残る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために、正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極電極と、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極電極とを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記封口と反対側に負極集電体が、前記素子からはみ出したはみ出し部を設けて捲回した電気二重層キャパシタにおいて、前記はみ出し部が櫛状もしくはＶ字カット状にはみ出しているかまたは切れ込みなどを設けていることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、前記はみ出し部は、外周方向もしくは内周方向に折り曲げられていることを特徴とする上記の電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、前記封口と反対側の前記素子端面において、前記はみ出し部を外周方向もしくは内周方向に折り曲げることにより、前記素子端面より小さな形状のリチウム箔を挟み込むことを特徴とする上記の電気二重層キャパシタを提供するものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明により、封口とは反対側の、素子端面の負極はみ出し部にリチウム箔を接触させるのに、負極はみ出し部が櫛状もしくはＶ字カット状にはみ出しているかまたは切れ込みを設けると、負極はみ出し部が、少しの力でも変形するので、上記リチウム箔表面と全般にわたって接触しやすくなるため、電気的な接続が良好に保たれる。
また、リチウム箔と接触させる前に、負極はみ出し部を、外周方向もしくは内周方向に９０度ほど折り曲げておくと、リチウム箔と面で接触しやすいため、より電気的な接続が良好に保たれる。
また、素子端面より小さな形状のリチウム箔を、前記素子の負極はみ出し部により、前記リードタブの引き出し側の外周方向もしくは内周方向に折り曲げることで挟み込むことにより、リチウム箔との電気的接触が良好に保たれるとともに、リチウム箔を保持しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の電気二重層キャパシタは、炭素材へのリチウム吸蔵するタイプで、主に正極炭素材からなる正極電極とその集電体からなる正極と、主に負極炭素材からなる負極電極とその集電体からなる負極とを、セパレータを介して捲回された素子と、素子に含浸される電解質と、集電体から外部に引き出されるリードタブと、ケース、そして蓋材などから成り立っている。
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、捲回される前の負極を示している。
１は、負極集電体で、箔状の金属の材料からなり、電解液の保持、電極との密着性などの点から多孔質であることが好ましいが、リチウムと合金を形成せず、負極側の使用条件で安定な材料であればよく、好ましくは開孔率が１０〜９９．５％のニッケル、銅又はこれらの合金を使用する。
【０００８】
２は、負極電極で、Ｌｉイオンを吸蔵、脱離しうる難黒鉛性炭素材料などの炭素材料を主体に電子伝導性を向上させる導電性カーボンブラック等の導電材やポリフッ化ビニリデン、Ｎ−メチル−２ピロリドン等のバインダなどからなる。
【０００９】
３は、リードタブで、短冊状で、集電体と接続されていて、引き出し部分は外部端子と接続される。負極集電体１と同様な金属を使用する。負極電極のない部分に超音波等の溶接で負極集電体１に接続される。
【００１０】
４は、はみ出し部で、負極の底側、つまり素子がケースに収容されて封口される側とは反対側の負極集電体のはみ出し部分からなり、櫛状（図１（ａ）参照）もしくはＶ字カット状（図１（ｂ）参照）にはみ出しているかまたは切れ込み（図１（ｃ）参照）などを設ける。負極集電体１と負極電極２との密着が大きい場合には、負極集電体１の全面に負極電極２を設けて、はみ出し部４が負極集電体１と負極電極２の積層体でもよく、そのまま、上記の櫛状の、Ｖ字カット状のまたは切れ込みなどの加工をしてもかまわない。
また、素子の内周部分になるはみ出し部４の上記の加工ピッチは相対的に短くするとはみ出し部４の曲げ変形はしやすくなる。
【００１１】
正極は正極電極と正極集電体からなり、正極電極は、比表面積２０００ｍ２ ／ｇ程度の活性炭を主体とし、活性炭の他に電子伝導性を向上させる導電性カーボンブラック等の導電材やポリフッ化ビニリデン、Ｎ−メチル−２ピロリドン等のバインダが含  まれる。
正極集電体は電気化学的、化学的に耐食性のある金属箔などからなり、電解液の保持、電極との密着性などの点から表裏貫通した導電体が好ましい。エッチングしたアルミ集電体等が使用できる。
【００１２】
電解液は、リチウム塩を含む非水系で、正極と負極の特性を能力一杯発揮させるため、分解電圧の高いエチレンカーボネートやエチルメチルカーボネートなどの非水系溶媒が使用される。また、電解液中の電解質はカチオンがＬｉ+ であるＬｉＰＦ6 などを溶かしたリチウム塩に限られる。
収納素子は、正極と負極との間に、たとえば微多孔膜等のセパレータを介在させ、捲回または積層し、外装体に収納後に電解液を注液することで得られる。
外装体にステンレスやアルミなどの金属製缶を用い、蓋材で封口する。
【００１３】
図２は、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる方法を示しており、リチウム箔を巻き方向で素子端部に接触させる方法でおこなう。
図２（ａ）において、負極集電体１表面に設けた負極電極２と、正極集電体５表面に設けた正極電極６とを、セパレータ７を介して積層し捲回した素子８を巻止めテープ９で止めた状態の断面を示している（リードタブは省略）。このとき、負極集電体１に、はみ出し部４を設けて捲回する。そして、はみ出し部４とリチウム箔（板）１０を接触させる。接触は、素子８の巻ずれ、またはリチウム箔（板）１０の凹凸にあわせて、負極集電体１の先端とリチウム箔（板）１０の表面が素子８底面全域で接触するように負極集電体１のはみ出し部４が変形する。
図２（ｂ）において、図２（ａ）と同様に捲回した後、はみ出し部４の付け根部分をおおよそ９０度程度折り曲げ、その折り曲げ底部とリチウム箔（板）１０の表面が素子８底面全域で接触するようにを変形させている。
【００１４】
図３は、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる別の方法を示している。
リチウム箔（板）１０を素子の底面より小さく切断し、負極集電体１のはみ出し部４の素子底面内周側をおおよそ９０度近く折り曲げ、リチウム箔（板）１０と接触させた後、リチウム箔（板）１０外周より大きい、はみ出し部４の素子底面外周側をおおよそ９０度近く内側に折り曲げ、はみ出し部４で挟み込むようにリチウム箔（板）１０を接触固定する。リチウム箔（板）１０は、銅、ニッケルなどのリチウムと合金を形成せず、負極側の使用条件で安定な材料の裏打材１１で補強してもよく、電解液等の通りをよくするために貫通穴１２を設けてもよいし、はじめから穴のあいたエクスパンドメタル等を用いてもよい。また、裏打材１１とリチウム箔（板）１０とは、コールドウエル等で圧接しておくのが好ましい。
【実施例１】
【００１５】
正極は次のように作製した。すなわち、フェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭粉末（比表面積２０００ｍ２ ／ｇ、平均粒径５μｍ）８０重量％、導電助剤（電気化学工業社製の導電性カーボンブラック）１０重量％、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦとする）１０重量％からなる混合物にＮ−メチル−２ピロリドン（以下、ＮＭＰとする）を添加して混練しスラリを得た。このスラリを厚さ１１０μｍ、３５０Ｖ耐圧で静電容量０．１μＦ/ｃｍ２、目付け量５ｍｇ／ｃｍ２ 、エッチングアルミ集電体のシートの塗布電極を得た。１００℃で１時間乾燥した。乾燥後、ロールプレスし幅２.６ｃｍ長さ８１ｃｍ、厚さ０．２５ｍｍの正極とした。正極の単極容量は１５１Ｆ、すなわち２Ｖあたりの容量は８４.１ｍＡｈであった。
【００１６】
次に負極は次のように作製した。炭素材料は難黒鉛性炭素材料を負極に用い９５重量％、ＰＶＤＦ５重量％からなる混合物にＮＭＰを重量比で３倍量加え、撹拌混合し、分散したスラリを得た。
このスラリを、目付け量５ｍｇ／ｃｍ２ で、厚さ３５μｍ、開孔率７０％の圧延銅箔のシートに塗布した。これを８０℃で１時間乾燥させた後、ロールプレスし幅３.０ｃｍ長さ９５ｃｍ、厚さ０．１５５ｍｍの負極とした。この圧縮された負極の炭素材料の担持量は５.４ｍｇ／ｃｍ２ であった。
【００１７】
正極側はアルミリードをアルミ集電体未塗工部に超音波溶接で接続、負極側はニッケルリードを用いたCu箔未塗工部に超音波溶接で接続。セパレータを挟んだ構造で捲回素子を作製した。
捲回素子の負極端部櫛状構造は、負極端部のセパレータからはみ出した部分の長さは２ｍｍ。櫛状ピッチは１ｍｍ、切り込みは２ｍｍとした。はみ出し部の付け根部分をおおよそ９０度程度折り曲げ端面を揃えた。
【００１８】
これをアルゴン雰囲気のグローブボックスに移し、乾燥後、リチウム箔を底に入れたガラス缶容器中に入れ、揃えた負極集電体端面とリチウム金属箔を接触させた状態で、１．５ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ6 を溶かしたエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの容積比１：３の電解液をガラス缶容器中に満たして注入し、捲回素子に含浸した。その後、温度４０℃で３１時間放置した。この加温操作で負極電極に直向してあった必要充電量より過剰なリチウム箔がイオン化した状態で負極電極に化学的に取り込まれる。この負極が脱離しうるＬｉ+ 量は７１２ｍＡｈであり、負極総充電量あたり充電量４０％であった。
ガラス缶容器から捲回素子を取り出し、リチウム箔を剥がし、素子をＡｌ容器中に入れレーザー溶接で封口した。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】捲回される前の負極を示している。
【図２】負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる方法を示している。
【図３】負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる別の方法を示している。
【符号の説明】
【００２０】
１：負極集電体、２：負極電極、３：リードタブ、４：はみ出し部、５：正極集電体、６：正極電極、７：セパレータ、８：素子、９：巻止めテープ、１０：リチウム箔（板）、１１：裏打材、１２：貫通穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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