(57)【要約】【解決手段】本発明は、内側層としてのセパレータと、外側層としての集電体と、セパレータの２つの側部と集電体との間の電極材と、を含有する扇状に折った複数層と、扇状に折った複数層の上向きの折り部に取り付けられている第１端子と、扇状に折った複数層の下向きの折り部に取り付けられている第２端子とを備える電極組立体であり、当該電極組立体を備える蓄電装置であり、当該電極組立体を製造する方法である。
2020537333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側層としてのセパレータと、外側層としての集電体と、セパレータの２つの側部と集電体との間の電極材と、を含有する扇状に折った複数層と、
扇状に折った複数層の上向きの折り部に取り付けられている第１端子と、扇状に折った複数層の下向きの折り部に取り付けられている第２端子と
を備える、電極組立体。
【請求項２】
第１端子及び／又は第２端子は、折り部の全長にわたって取り付けられている、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項３】
第１端子及び／又は第２端子は、板の形状、好ましくは長方形の板である、請求項１又は２に記載の電極組立体。
【請求項４】
セパレータの２つの側面は、電極材で直接被覆されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項５】
セパレータは、折り部においては電極材で被覆されていない、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項６】
セパレータは、２つの隣り合う折り部の間で電極材で全体的に被覆されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項７】
扇状に折った複数層は、電極材と集電体との間に、導電性材を、好ましくはアルミニウムを含む導電性材をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の電極組立体を備える蓄電装置。
【請求項９】
導電性の表面と非導電性の表面とを持つハウジングをさらに備え、電極組立体の第１端子と第２端子との外表面が、前記導電性表面である、請求項８に記載の蓄電装置。
【請求項１０】
蓄電装置がキャパシタ、好ましくは電気二重層キャパシタである、請求項８又は９に記載の蓄電装置。
【請求項１１】
電極材をセパレータの第１側面と第２側面とに適用するステップと、
電解液を、被覆されたセパレータに適用するステップと、
集電体が外側層を形成するように、集電体を、得られたセパレータにつなぐステップと、
得られた複数層の電極組立体を、扇状に折った形に折るステップと、
第１端子を上向きの折り部に取り付け、第２端子を下向きの折り部に取り付けるステップと
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の扇状に折った電極組立体を製造する方法。
【請求項１２】
電極材をセパレータの第１側面と第２側面とに適用するステップは、互いに均等に間を空けた複数の電極材の部分を形成するべく定期的に中断され、セパレータの第１側面の電極材の部分は、セパレータの第２側面の電極材の部分に直接対向して配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電極材の部分の位置及び／又は被覆されたセパレータを集電体につなぐ前に電極材の部分の隙間を決めるステップをさらに備え、複数層の電極組立体を当該隙間において確実に折るべく折り装置を調整するステップを選択的に備える、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
折り部で分かれている複数の部分が互いに平行に積み重なる、折った複数層の電極組立体を圧縮するステップをさらに備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
得られた、折った複数層の電極組立体を切るステップをさらに備える、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極組立体、電極組立体を備える蓄電装置、及び電極組立体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極組立体は、電池、二次電池、キャパシタのような蓄電装置の部品である。最新技術では、前述の蓄電装置で使用される電極組立体には、通常２種類ある。らせん状に巻かれた電極組立体があり、一方の上に他方が置かれた２つの連続した電極が円筒形に巻かれている。また、個々の電極板が互いに平行に積み重ねられた、積み重ねマルチプレート電極組立体がある。最近、積み重ね電極組立体が開発されて、連続した長さの材料が、平行に積み重ねた電極組立体を形成するために使用されている。連続した長さの材料を使用する利点は、個々の部品の数と電極間に必要な機械的接続の数とが減少し、これにより、組み立てプロセスが簡素化されることである。
【０００３】
最新技術による、材料の連続した長さを使用するこれらの積層電極組立体の不利な点は、電極から、又は少なくともいくつかの電極から、又は少なくとも電極のいくつかの点から、電極組立体を備える蓄電装置の導電性表面に接続される端子又は端子の点までの距離が長いことである。よって、電極組立体には大きな内部抵抗がある。最新技術によるこれらの電極組立体の製造プロセスはさらに、非常に複雑である。例えば、さらなるプロセス中に既に適用された電極材を除去するか、集電体に非導電性部分を組み込むことが、しばしば必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、それゆえに、電極の任意の点からそれぞれの端子の外側面までの短い距離を有し、２つの対向する電極間の画定された短い距離を有する電極組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した従来技術の不利な点は、内側層としてのセパレータと、外側層としての集電体と、セパレータの２つの側部と集電体との間の電極材と、を含有する扇状に折った複数層と、扇状に折った複数層の上向きの折り部に取り付けられている第１端子と、扇状に折った複数層の下向きの折り部に取り付けられている第２端子とを備える、電極組立体が提供されると対処可能であることがわかった。
【０００６】
扇形に折った複数層は、その２つの側部が少なくとも部分的に電極材で覆われた内側層としてのセパレータと、少なくとも部分的に覆われたセパレータの両側を覆う外側層としての集電体とを備える。複数層は、そのように、集電体／電極材／セパレータ／電極材／集電体の５層構造を提供する。セパレータが電極材で覆われていない部分では、複数層は、集電体／セパレータ／集電体のみの３層構造を備える。好ましくは、５層構造を有する全ての区間は等しい長さである。好ましくは、３層構造を有する全ての区間は等しい長さである。好ましい実施形態では、各３層区間は、２つの５層区間の間に直接配置される。
【０００７】
扇状に折った複数層は、扇状に折った（すなわち、折り部又はジグザグ）構成を有する複数層である。扇形に折った複数層は、それぞれが折り部によって分けられた複数の部分を備える。圧縮された状態では、これらの部分は互いに平行に積み重ねられている。折り部の間の部分が全て同じ長さであり、全ての上向きの折り部が１つの高さにあり、全ての下向きの折り部が１つの高さにあるように、複数層が正確に折られることが、好ましい。
【０００８】
セパレータは、短絡を防ぐために２つの対向する電極を分離する。さらに、セパレータは、その上に被覆される電極材の基礎を提供する。セパレータは、できるだけ薄く、イオン透過性である必要があり、他の成分に対して化学的に不活性でなければならない。例えば、紙材料、ポリマー材料、ガラス繊維織布、セラミック繊維織布、及び不織布材料をセパレータとして使用してもよい。好ましくは、これらの材料の連続した長さがセパレータとして使用される。本発明によるセパレータは、好ましくは５μｍから５０μｍ、より好ましくは１０μｍから４０μｍ、特に１５μｍから３０μｍの範囲の厚さを有する。
【０００９】
好ましくは、セパレータは、正イオン及び負イオンを含む導電性溶媒である電解液に浸されている。電解液は、セパレータによって分離された２つの対向する電極間の導電接続を提供する。好ましくは、電解液は、さらなる成分に対して化学的に不活性であり、低い粘度と高い自己分解電圧を提供する。
【００１０】
セパレータと集電体との間の電極材が電極を形成する。電極材は、導電性であり、大きな表面積を有する任意の材料又は材料の混合物であってもよい。好ましくは、電極材は、多孔質炭素、グラフェン、カーボンナノチューブ、ルテニウム、イリジウム、鉄及びマンガンを含む遷移金属の酸化物、リチウム金属酸化物、硫化チタンを含む硫化物、又はそれらの混合物を含んでもよい。より好ましくは、電極材は、多孔質炭素、グラフェン、カーボンナノチューブ、又はそれらの混合物を含んでもよい。電極材はさらに、結合剤を含んでもよい。結合剤は、好ましくは、電極材の重量当たり２０％未満、好ましくは重量当たり１０％未満、より好ましくは重量当たり５％未満の量で存在する。結合剤は、好ましくは、ポリフッ化ビニリデンなどの熱可塑性ポリマーである。一実施形態では、全ての電極は同じ組成を有する。さらなる実施形態では、電極は異なる組成を有する。本発明による電極は、好ましくは１μｍから１００μｍ、好ましくは５μｍから５０μｍ、より好ましくは１０μｍから４０μｍ、特に１５μｍから３０μｍの範囲の厚さを有する。
【００１１】
扇形に折った複数層の外層を形成する集電体は、電極材を備えるセパレータの両側を覆う。集電体は、導電層、好ましくは金属導電層、より好ましくはアルミニウム層である。好ましくは、これらの層の連続した長さが集電体として使用される。２つの集電体は電極を端子に接続し、それにより電極と端子間の電気伝導を提供する。
【００１２】
第１端子は上向きの折り部を覆い、第２端子は扇形に折った複数層の下向きの折り部を覆う。本発明の電極組立体は、そのようにして、電流が電極から集電体の厚さ及び端子の厚さにわたってその外面に直接流れることを可能にする。
【００１３】
好ましくは、第１端子及び／又は第２端子は、折り部の全長にわたって折り部に取り付けられる。したがって、第１端子は上向きの折り部に直接取り付けられ、第２端子は下向きの折り部に直接取り付けられる。好ましくは、第１端子は各上向きの折り部に直接取り付けられ、第２端子は各下向きの折り部に直接取り付けられる。折り部の全長にわたる折り部への端子の接続は、より大きな接触面積を提供する。そのように、電流の流れは、電極の任意の点から端子の外面までの距離を最小化することにより、改善される。端子は、その目的のために当業者に知られている任意の導電性材料のものであってよい。
【００１４】
好ましい実施形態では、第１端子及び／又は第２端子は、板、好ましくは長方形の板の形態を持つ。平面図及び底面図では、圧縮状態の、扇形に折った複数層は、長方形の板が全ての折り部を完全に覆えるように、上向きの折り部と下向きの折り部を示す長方形の領域を形成する。
【００１５】
好ましくは、セパレータの両側は、電極材で直接被覆される。最新技術によれば、集電装置は通常、組み立てる前に電極材で被覆されている。これは、最新技術による電極組立体が、セパレータによって分離された２つの対向する電極間に均一な距離を提供しない、及び／又は２つの対向する電極が互いの間に長い距離を有するという不利な点につながる。電極材がセパレータ上で直接被覆されている本発明による組立体では、不利な点が克服される。
【００１６】
セパレータ材料を電極材で被覆するための当業者に知られている任意の方法を、セパレータの被覆に使用してもよい。好ましい実施形態では、電極材は、例えばカーボンインクを使用してセパレータ上に印刷される。より好ましい実施形態において、セパレータは、セパレータを静電的に帯電させるステップと、帯電したセパレータに電極材を塗布するステップとを備える、電極材でセパレータを乾式被覆する方法によって被覆される。好ましくは、セパレータを静電気的に帯電させるステップは、セパレータを帯電物体、好ましくは帯電ローラーと接触させることにより実行される。帯電物体は、少なくとも１つの帯電領域と少なくとも１つの非帯電領域を備える。帯電及び非帯電領域のパターンは、電極材がセパレータの帯電領域のみに適用されるようにセパレータに転写される。電極材は、好ましくは材料転写ローラーによって適用される。セパレータは、既に塗布されている電極材をセパレータから取り除く必要はなく、電極材で被覆されていない領域で折り畳み可能である。
【００１７】
好ましくは、セパレータは、折り部において電極材で被覆されていない。  このことは、折ることで薄いセパレータで起こり得る損壊が短絡につながらないことを確実にする。しかし、大きな電極表面積を提供するべく、セパレータが、２つの隣り合う折り部の間で、電極材で完全に被覆されるならば、好ましい。
【００１８】
扇形に折った複数層は、電極材と集電体との間に、導電材料、好ましくはアルミニウムを含む導電材料を、好ましくはさらに備える。集電体と接触している電極材の外表面は、特に電極材がカーボンナノチューブを含む場合、顕微鏡レベルで不均一である。顕微鏡レベルでも均一な表面を得るには、導電性材料を電極材に追加的に適用可能である。導電性材料は、好ましくはアルミニウム粉末、より好ましくは、異なる粒子サイズを有するアルミニウム粉末を含む。導電性材料はさらに結合剤を含んでもよい。結合剤は、好ましくは、電極材の重量当たり２０％未満、好ましくは重量当たり１０％未満、より好ましくは重量当たり５％未満の量で存在する。結合剤は、好ましくは熱可塑性ポリマーである。
【００１９】
本発明はさらに、本発明による電極組立体を備える蓄電装置に関する。本発明による蓄電装置は、電池、二次電池、及びキャパシタのような、一度に生成されたエネルギーを捕捉して、後で使用するための任意の装置である。
【００２０】
蓄電装置は、ハウジングをさらに備えてもよく、それは、その目的のために当業者に既知の任意のハウジングであってよい。そのようなハウジングは、導電性表面と、非導電性表面とを備える。好ましい実施形態では、蓄電装置は、導電性表面と、非導電性表面とを有するハウジングをさらに備え、電極組立体の第１端子及び第２端子の外側面は、ハウジングの導電性表面である。好ましくは、これらの導電性表面は、２つ以上の蓄電装置を積み重ねられるように、ハウジングの外側表面の一部であり、それにより第１の蓄電装置の導電性表面は第２の蓄電装置の導電性表面と接触する。
【００２１】
好ましい実施形態によれば、蓄電装置はキャパシタであり、好ましくは電気二重層キャパシタである。電気二重層キャパシタは、主に電極の表面と電解液との界面でヘルムホルツ二重層の電荷を分離する大容量キャパシタである。
【００２２】
本発明はさらに、セパレータの第１側部と第２の側部に電極材を塗布するステップと、被覆されたセパレータに電解液を塗布するステップとを備える、本発明による扇形に折った電極組立体を製造する方法に関する。集電体が得られたセパレータと外層を形成するように集電体をつなぎ、得られた複数層電極組立体を扇形に折り畳み、第１端子を上向きの折り部に、第２端子を下向きの折り部に取り付ける。電極材は、好ましくは、セパレータの両側に電極材を乾式被覆することにより適用される。好ましくは、本発明の方法は示された順序で実施される。
【００２３】
好ましい実施形態では、セパレータの第１及び第２の側に電極材を塗布するステップは、定期的に中断されて、互いに均一に離した電極材の部分を形成する。セパレータの側面は、セパレータの２番目の側面の電極材の部分の真向かいにある。平面図では、セパレータの片側の電極材の部分は、折りの前に、セパレータの反対側の電極材の部分と正確に重なる。同様に、平面図では、セパレータの両側の電極材の部分間の隙間は、折りの前に正確に重なる。好ましくは、複数層は、各隙間で折られ、扇形に折った複数層は、折り部の間にある５つの層と折り部の３つの層とからなる。
【００２４】
好ましい実施形態では、この方法は、被覆されたセパレータを集電体につなぐ前に、電極材の部分の位置及び／又は部分間の隙間の位置を決定し、複数層の電極組立体が隙間で折られることを確実にすべく、選択的には、折り装置を調整するステップをさらに備える。集電体がセパレータの両側を覆った後、電極材とギャップの部分の位置を決定することはほとんど不可能である。したがって、本発明によれば、これらの位置は、集電体がセパレータとつながれる前に決定される。隙間の位置が制御装置に送信され、制御装置が折り装置を調整して、複数層が隙間で折られることを確認してもよい。
【００２５】
好ましくは、本発明の方法は、折り部によって分けられている部分が互いに平行に積み重ねられている、折った複数層の電極組立体を圧縮するステップを備える。これにより、電極組立体のベース領域に関する容量が強化される。
【００２６】
好ましくは、この方法は、得られた、扇形に折った複数層の電極組立体を切るステップをさらに備える。切るステップは、必要に応じて、折り部を数えるステップと、所定の数の折り部の後に扇状に折った複数層を切るステップとを、備える。
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による電極組立体の扇形に折った複数層の断面図を示す。
【図２】本発明による電極組立体の断面図を示す。
【図３】本発明による電極組立体の扇形に折った複数層の製造プロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、内側層としてのセパレータ２及び外側層としての集電体３、４を備える扇形に折った複数層を示す。セパレータ２の両側は、電極材５、６で少なくとも部分的に被覆されている。より正確には、セパレータ２は、２つの折り部７、８の間の部分において、電極材５、６で被覆されているが、セパレータ２は、折り部７、８で被覆されていない。扇形に折った複数層は、上向きの折り部７と下向きの折り部８を提供する。
【００３０】
図２は、図１に示される扇状に折った複数の層を備える本発明による電極組立体１を示す。電極組立体は、第１の端子９及び第２の端子１０をさらに備え、これらはそれぞれ上向きの折り部７及び下向きの折り部８に取り付けられる。本発明による発電装置では、第１の端子９の外面及び第２の端子１０の外面は、ハウジングの導電面である。
【００３１】
図３は、本発明による電極組立体の構成要素としての扇状に折った複数層の製造プロセスを示す。セパレータ２の２つの側面は、最初に電極材５、６（図示せず）の部分で、次にさらなる導電性材料で、次々に被覆される。被覆は、輸送手段１１、帯電ローラー１２、材料転写ローラー１３、及び加熱ローラー１４を備える乾式被覆装置１５によって実施される。被覆されたセパレータ２は、隙間決定装置１６を通って運ばれ、そこで電極材の２つの部分５、６間の隙間が検出される電解液ノズル１７により、被覆されたセパレータに電解液が適用された後、２つの集電体３、４はセパレータ２とつながれ、これらの集電体３、４は複数層の外側層を形成する。得られた複数層は、折り装置１８で折られて扇形に折った複数層が得られ、折り部７、８の間の部分（図示せず）は互いに平行に配置される。第１及び第２の端子９、１０（図示せず）を上方及び下方の折り部７、８（図示せず）に取り付けることにより、本発明による電極組立体１が得られる。
【図１】
2020537333.tif 000003
【図２】
2020537333.tif 000004
【図３】
2020537333.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月12日(2019.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側層としてのセパレータと、外側層としての集電体の連続する長さと、セパレータの２つの側部と集電体との間の電極材と、を含有する扇状に折った複数層と、
扇状に折った複数層の上向きの折り部に取り付けられている第１端子と、扇状に折った複数層の下向きの折り部に取り付けられている第２端子と
を備える、電極組立体。
【請求項２】
第１端子及び／又は第２端子は、折り部の全長にわたって取り付けられている、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項３】
第１端子及び／又は第２端子は、板の形状、好ましくは長方形の板である、請求項１又は２に記載の電極組立体。
【請求項４】
セパレータの２つの側面は、電極材で直接被覆されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項５】
セパレータは、折り部においては電極材で被覆されていない、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項６】
セパレータは、２つの隣り合う折り部の間で電極材で全体的に被覆されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項７】
扇状に折った複数層は、電極材と集電体との間に、導電性材を、好ましくはアルミニウムを含む導電性材をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の電極組立体を備える蓄電装置。
【請求項９】
導電性の表面と非導電性の表面とを持つハウジングをさらに備え、電極組立体の第１端子と第２端子との外表面が、前記導電性表面である、請求項８に記載の蓄電装置。
【請求項１０】
蓄電装置がキャパシタ、好ましくは電気二重層キャパシタである、請求項８又は９に記載の蓄電装置。
【請求項１１】
電極材をセパレータの第１側面と第２側面とに適用するステップと、
電解液を、被覆されたセパレータに適用するステップと、
集電体が外側層を形成するように、集電体の連続する長さを、得られたセパレータにつなぐステップと、
得られた複数層の電極組立体を、扇状に折った形に折るステップと、
第１端子を上向きの折り部に取り付け、第２端子を下向きの折り部に取り付けるステップと
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の扇状に折った電極組立体を製造する方法。
【請求項１２】
電極材をセパレータの第１側面と第２側面とに適用するステップは、互いに均等に間を空けた複数の電極材の部分を形成するべく定期的に中断され、セパレータの第１側面の電極材の部分は、セパレータの第２側面の電極材の部分に直接対向して配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電極材の部分の位置及び／又は被覆されたセパレータを集電体につなぐ前に電極材の部分の隙間を決めるステップをさらに備え、複数層の電極組立体を当該隙間において確実に折るべく折り装置を調整するステップを選択的に備える、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
折り部で分かれている複数の部分が互いに平行に積み重なる、折った複数層の電極組立体を圧縮するステップをさらに備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
得られた、折った複数層の電極組立体を切るステップをさらに備える、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2020537333.tif 000006
2020537333.tif 000007
2020537333.tif 000008