蓄電デバイスの製造方法
【課題】スパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散が発生したり、アルミニウム集電板に貫通孔やクラックを生じることなく、アルミニウム集電板とアルミニウム箔とを接合することができ、かつ、接合により電気特性が劣化しない、電池やコンデンサ等の蓄電デバイスを製造する方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム箔２、３からなる電極と、アルミニウム集電板５とを含む蓄電デバイスの製造方法において、アルミニウム集電板５の表面を誘導加熱によって溶融させ、溶融したアルミニウム集電板５の表面に、アルミニウム箔２、３の集合体の端面を接触させて両者を接合する。
【解決手段】アルミニウム箔２、３からなる電極と、アルミニウム集電板５とを含む蓄電デバイスの製造方法において、アルミニウム集電板５の表面を誘導加熱によって溶融させ、溶融したアルミニウム集電板５の表面に、アルミニウム箔２、３の集合体の端面を接触させて両者を接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池やコンデンサ等の蓄電デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、正極集電箔に正極材料を付着させた正極板と負極集電箔に負極材料を付着させた負極板とをセパレータを介して積層または巻回した極板群が、電解液とともに電池容器内に収容された構造を有する。このような二次電池において、集電効率の向上や、充放電時の温度上昇の抑制、充放電特性の安定化を目的として、極板群の側部に何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端に形成した平坦部に集電板を接合することが提案されている（特許文献１を参照）。当該特許文献では接合をレーザー溶接を用いて行うことが記載されている。
【０００３】
コンデンサについても端子接続スペースの低減化や低抵抗化を目的として、二次電池と同様の構造が提案されている（特許文献２及び特許文献３を参照）。
【０００４】
コンデンサの電極芯材や二次電池等で用いられる正極集電箔はアルミニウムまたはアルミニウム合金が一般的である。アルミニウム合金の溶接法としてはＹＡＧレーザーによるパルスレーザー溶接方法が提案されている（特許文献４を参照）。
【特許文献１】特開２０００−２９４２２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４３４４号公報
【特許文献３】特開２００５−７９２７２号公報
【特許文献４】特開平６−２１０４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、アルミニウム箔からなる電極とアルミニウム集電板とをレーザーで接合する方法では、スパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散や、アルミニウム集電板に貫通孔やクラックが生じてしまう問題があった。溶融アルミニウムが飛散するとアルミニウム微粒子が電池やコンデンサ内に混入することになり、電気特性上、短絡やサイクル特性の劣化を引き起こす原因となる。また、アルミニウム集電板の貫通孔やクラックはアルミニウム集電板の強度劣化につながるため、アルミニウム集電板の厚みを増加させる等の補強が必要となり、電池やコンデンサのサイズが増大することになる。
【０００６】
そこで、本発明は、スパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散が発生したり、アルミニウム集電板に貫通孔やクラックを生じることなく、アルミニウム集電板とアルミニウム箔とを接合することができ、かつ、接合により電気特性が劣化しない、電池やコンデンサ等の蓄電デバイスを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、アルミニウム箔からなる電極と、アルミニウム集電板とを含む蓄電デバイスの製造方法であって、前記アルミニウム集電板の表面を誘導加熱によって溶融させる溶融工程、及び、溶融した前記アルミニウム集電板の表面に、前記アルミニウム箔の集合体の端面を接触させて両者を接合する接合工程を含む、蓄電デバイスの製造方法である。
【０００８】
ここで、誘導加熱とは、強度の変化する磁力線の近くに金属を置くことで、当該金属に渦電流が生じ、金属の電気抵抗からジュール熱が発生して金属の温度を上昇させるものである。本発明では、この誘導加熱の原理を利用してアルミニウム集電板の表面に渦電流を発生させ、全面を均質に溶融させることで、アルミニウム箔の集合体の端面との接合を可能にする。
【０００９】
従来使用されていたレーザー溶接法では、特にアルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の集合体の端面が接触しない部分において、レーザーが集電板を貫通することによって、溶融部が表面張力により溶融外部に集まり、冷却されると貫通孔が形成される。また、冷却中に溶融部と溶融外部との温度差が大きいことでクラックが生じると考えられている。一方、本発明の誘導加熱による接合方法では、集電板全体を加熱して溶融させるために、溶融部と溶融外部との温度差が少なく、上記のような貫通孔やクラックが生じないと考えられる。
【００１０】
また、アルミニウム箔の集合体の端面とは、アルミニウム箔の複数の端面が同一方向に向いて積層することで形成された端面をいい、当該端面の厚みは、１枚の端面の厚みよりも大きくなっている。アルミニウム箔の集合体の端面には、複数枚のアルミニウム箔を平面上に積層してなる積層体の端面のほか、１枚のアルミニウム箔を捲回してなる捲回体の端面や、１枚のアルミニウム箔を折り畳んでなる折り畳み構造体の端面も含まれる。
【００１１】
蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池等の電池や、電気二重層コンデンサ、アルミ電解コンデンサ等のコンデンサ等を含む。蓄電デバイスがリチウムイオン二次電池である場合には、電極たるアルミニウム箔の表面に、リチウムイオンの挿入脱離可能な物質が形成されている。また、蓄電デバイスが電気二重層コンデンサの場合には、電極たるアルミニウム箔の表面に、分極性物質が形成されている。さらに、蓄電デバイスがアルミ電解コンデンサの場合には、電極たるアルミニウム箔の表面が、電解エッチングによって拡面化されている。本発明では、アルミニウム箔の表面にリチウムイオンの挿入脱離可能な物質又は分極性物質が形成された状態で、又は当該表面が拡面化された状態で、前記接合工程を行うことができる。
【００１２】
本発明では、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔は、純アルミニウムから構成されるものであってよいが、両者のいずれか又は双方が、アルミニウム合金によって構成されることが好ましい。また、前記アルミニウム集電板の表面（溶融しようとする表面）、又は、前記アルミニウム箔の集合体の端面（アルミニウム集電板と接合しようとする端面）が、アルミニウム又はアルミニウム合金によって構成されることが好ましい。以上により、より低温で誘導加熱による接合を行うことが可能になるので、誘導加熱がアルミニウム集電板やアルミニウム箔に与える熱ダメージを低減でき、また、接合後の形状強度や接合強度を向上させることができる。
【００１３】
本発明で使用するアルミニウム合金としては、例えば、成分の９９％以上がアルミニウムである純アルミニウム系の１０００系、３〜７％程度のＣｕと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｃｕ系の２０００系、１〜２％程度のＭｎと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎなどが添加されているＡｌ−Ｍｎ系の３０００系、１０〜１３％程度のＳｉと極微量のＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒなどが添加されているＡｌ−Ｓｉ系の４０００系、２〜６％程度のＭｇと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒなどが添加されているＡｌ−Ｍｇ系の５０００系、０．４〜１．２％程度のＭｇと０．２〜１％程度のＳｉと極微量のＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の６０００系、４〜％程度のＺｎと０．５〜３％程度のＭｇと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系の７０００系等が挙げられる。特に、純アルミニウム系の１０００系、Ａｌ−Ｍｎ系の３０００系、Ａｌ−Ｍｇ系の５０００系が好ましい。
【００１４】
本発明の製造方法は、前記接合工程の後、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔とを冷却する工程をさらに含むことが好ましい。接合工程が高温になると、アルミニウム箔の表面に形成されたリチウムイオンの挿入脱離可能な物質（活物質）又は分極性物質、あるいは、電極間のセパレータに熱ダメージがあることが懸念されるが、前記冷却工程で冷却時間や冷却速度等を調整することにより、当該熱ダメージを抑止することが可能になる。前記冷却工程では、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が固化する温度、すなわち融点未満まで冷却すればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の蓄電デバイスの製造方法によれば、溶融アルミニウムの飛散やアルミニウム集電板での貫通孔やクラックの発生を生じることなく、アルミニウム箔とアルミニウム集電板との接合が可能になるため、蓄電デバイスの信頼性を向上させることができるとともに、アルミニウム集電板の厚みの増大化及びそれによる蓄電デバイスの大型化を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態は電気二重層コンデンサに関する。本実施形態を図１〜６を用いて説明する。図１（ａ）および（ｂ）には本実施形態における電極群１の構成を示し、図１（ａ）はその斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＩｂ領域における縦断面図である。図２は本実施形態における第一の電極２および第二の電極３の構成を示す平面図である。図３（ａ）および（ｂ）には本実施形態における集電板５、６の構成を示し、図３（ａ）はその平面図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図４は本実施形態における電極群１と集電板５、６の接合を示す縦断面図である。図５（ａ）は本実施形態における第一の電極２の集電構造の一部分の構成を示す縦断面図、図５（ｂ）は本実施形態における第二の電極３の集電構造の一部分の構成を示す縦断面図である。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は集電板５の溶融工程、及び、電極群１と集電板５の接合工程を示す図である。
【００１８】
本実施形態に係るコンデンサは、アルミニウム箔からなる一対の電極２、３を捲回することにより構成される。図２に示すように、電極２、３の両面の幅方向一端には、活性炭とバインダーを主体とした分極性電極層２２、３２が塗布され、他端には、アルミニウム箔の露出領域２１、３１が形成されている。一対の電極を積層する際には、電極２の上面、及び、電極２と電極３との間にセパレータ４を配置し、さらに、電極２におけるアルミニウム箔の露出領域２１と、電極３におけるアルミニウム箔の露出領域３１はそれぞれ上方向又は下方向を向く方向で、分極性電極層３２、２２とは重ならないように積層される。この積層体を捲回することにより図１（ａ）および（ｂ）に示す捲回体が形成される。図１（ａ）において電極群１の上部は陽極たる電極２のアルミニウム箔の露出領域２１から構成され、電極群１の下部は陰極たる電極３のアルミニウム箔の露出領域３１から構成される。セパレータ４としてはポリプロピレンやクラフト紙等を使用できる。
【００１９】
本実施形態に係るコンデンサでは、電極群１の上部の端面と下部の端面それぞれに、図３に示すような、円板状のアルミニウム箔からなる集電板５、６が接合されている。図４に示すとおり、陽極たる電極２の集合体の端面と集電板５が接合しており（図４中のＩＩ）、陰極たる電極３の集合体の端面と集電板６が接合している（図４中のＩＩＩ）。図５の縦断面図に示すとおり、前記接合部ＩＩでは、電極２を構成するアルミニウム箔が分極性電極層２２から露出し（図５（ａ））、前記接合部ＩＩＩでは、電極３を構成するアルミニウム箔が分極性電極層３２から露出している（図５（ｂ））。
【００２０】
以上の接合を行う方法を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００２１】
図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ′縦断面図である。図６（ｂ）に示す通り、アルミニウム集電板５の直下に２ｍｍ程度の距離を離して、高周波誘導コイル７を設置する。アルミニウム集電板５は直径２８ｍｍ、厚み０．４ｍｍの円板形状である。図６（ａ）に高周波コイル７の平面図を示す。高周波コイルは内径１０ｍｍ、外径１４ｍｍ、厚さ２ｍｍと内径１８ｍｍ、外径２２ｍｍ、厚さ２ｍｍの２重巻きとしたものである。
【００２２】
次にこの高周波コイル７に周波数４００ｋＨｚで１００Ａの電流を１６秒間流してアルミニウム集電板５の表面を溶融させた後、速やかにアルミニウム集電板５を移動させて電極群１の上部端面と接触させて両者を接合する（図６（ｃ））。その後、アルミニウム集電体５と電極群１を冷却する。
【００２３】
この接合方法は、高周波コイル７に高周波電流を流し、磁力線を発生させ、その誘導磁場内に設置したアルミニウム集電板５に渦電流を発生させ、発熱によりアルミニウム集電板５が溶融することで、電極群１のアルミニウム箔と接合させる誘導加熱によるものである。この接合方法では、スパッタと呼ばれる溶融アルミニウムの飛散は生じないので、コンデンサ内にアルミ金属粉が持ち込まれることがない。
【００２４】
以上の一連の接合時には、アルミニウムの酸化を防ぐために、アルゴンやヘリウムのような不活性ガス雰囲気中で接合を行うことが好ましい。それらのガスを接合表面に吹き付けてもよいし、ガス雰囲気中のボックスなどの中で接合してもよい。
【００２５】
高周波コイル７の位置は、図６（ｄ）に示すように、アルミニウム集電板５の直上側であり、電極群１と接合させる表面と反対側でもよい。この場合は、アルミニウム集電板５の形状が維持できるような条件下で溶融を行う。
【００２６】
電極群１の下部端面と集電体６との接合も同様に行うことができる。
【００２７】
高周波コイル７に与える高周波電流の周波数は４００ｋＨｚに限定されず、適宜調整可能である。当該周波数が高くなると、アルミニウム集電板５の表面近傍のみに渦電流が発生する表皮効果が生じ、溶融時のアルミニウム集電板５の形状維持が容易となる。
【００２８】
電極群１は捲回体でなく、所定のサイズとした第一の電極、セパレータ、第二の電極、及び、セパレータを複数組積層した積層体でもよい。この場合のアルミニウム集電板の形状は円板状ではなく、積層体の端面形状に合わせて、例えば長方形とすることができる。
【００２９】
また、集電板５、６のサイズ寸法、高周波コイル７のサイズや設置距離についても前記数値に限定されない。
【００３０】
得られた接合体を電解液とともに、例えば、デバイス容器に収納するか、又は、絶縁性樹脂等を用いて封入することで蓄電デバイスを製造することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
本実施の形態に係るアルミ電解コンデンサでは、電極２、３が、電解エッチングを施すことで拡面化されたアルミニウム箔であり、セパレータ４として麻を主成分とした不織布を用いたものである。その他の点は実施の形態１と同様である。実施の形態２における第一の電極２とアルミニウム集電板５との接合部の縦断面図を図７（ａ）に示す。更に第二の電極３とアルミニウム集電板６との接合部の縦断面図を図７（ｂ）に示す。ここで２、３がアルミニウム箔本体を表し、２２、３２はエッチング層を表す。
【００３２】
（実施の形態３）
本実施の形態はリチウムイオン二次電池に関する。本実施形態に係るコンデンサは、アルミニウム箔からなる電極２と、銅箔からなる電極３を捲回することにより構成される。図２に示すように、電極２の両面の幅方向一端には、コバルト酸リチウムとバインダーを主体とした活物質層２２が塗布され、他端には、アルミニウム箔の露出領域２１が形成されている。一方、電極３の両面の幅方向一端には、黒鉛とバインダーを主体とした活物質層３２が塗布され、他端には、銅箔の露出領域３１が形成されている。電極２、３を積層する際には、電極２の上面、及び、電極２と電極３との間にセパレータ４を配置し、さらに、電極２におけるアルミニウム箔の露出領域２１と、電極３における銅箔の露出領域３１はそれぞれ上方向又は下方向を向く方向で、分極性電極層３２、２２とは重ならないように積層される。この積層体を捲回することにより図１（ａ）および（ｂ）に示す捲回体が形成される。図１（ａ）において電極群１の上部は陽極たる電極２のアルミニウム箔の露出領域２１から構成され、電極群１の下部は陰極たる電極３の銅箔の露出領域３１から構成される。
【００３３】
セパレータ４は微多孔性フィルムであり、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂からなる微多孔フィルムを用いることができる。微多孔フィルムは一種類のポリオレフィン系樹脂からなる単層膜であってもよいし、二種類以上のポリオレフィン系樹脂からなる多層膜であってもよい。
【００３４】
本実施形態に係るコンデンサでは、電極群１の上部の端面と下部の端面それぞれに、図３に示すような、円板状のアルミニウム箔からなる集電板５、円板状の銅箔からなる集電板６が接合されている。図４に示すとおり、陽極たる電極２の集合体の端面と集電板５が接合しており（図４中のＩＩ）、陰極たる電極３の集合体の端面と集電板６が接合している（図４中のＩＩＩ）。図５の縦断面図に示すとおり、前記接合部ＩＩでは、電極２を構成するアルミニウム箔が分極性電極層２２から露出し（図５（ａ））、前記接合部ＩＩＩでは、電極３を構成する銅箔が分極性電極層３２から露出している（図５（ｃ））。接合部ＩＩにおける接合方法は実施形態１と同様である。
【００３５】
第一の電極２を構成する正極活物質としては、上述したコバルト酸リチウムのほか、コバルト酸リチウムの変性体、ニッケル酸リチウム、ニッケル酸リチウムの変性体、マンガン酸リチウム、マンガン酸リチウムの変性体などの複合酸化物を挙げることができる。各変性体には、アルミニウム、マグネシウムなどの元素を含むものがある。また、コバルト、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも２種類を含む活実質も使用できる。２種類以上の活物質を組み合わせて用いてもよい。
【００３６】
第二の電極３を構成する負極活物質としては天然黒鉛、人造黒鉛のほか、シリサイドなどのシリコン含有複合材料など各種材料を用いることができる。具体的には、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ素と酸素とを含む化合物、ケイ素と窒素とを含む化合物、スズ単体、スズ合金、スズと酸素とを含む化合物、およびスズと窒素とを含む化合物よりなる群から選択される少なくとも１種であるのが望ましい。
【００３７】
ケイ素合金としては、例えば、ＳｉＢ４，ＳｉＢ６，Ｍｇ２Ｓｉ，Ｎｉ２Ｓｉ，ＴｉＳｉ２，ＭｏＳｉ２，ＣｏＳｉ２，ＮｉＳｉ２，ＣａＳｉ２，ＣｒＳｉ２，Ｃｕ５Ｓｉ，ＦｅＳｉ２，ＭｎＳｉ２，ＮｂＳｉ２，ＴａＳｉ２，ＶＳｉ２，ＷＳｉ２，ＺｎＳｉ２，ＳｉＣが挙げられる。ケイ素と酸素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ，ＳｉＯｘ（０＜ｘ≦２），ＳｎＳｉＯ３，ＬｉＳｉＯが挙げられる。ケイ素と窒素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４，Ｓｉ２Ｎ２Ｏが挙げられる。
【００３８】
スズ合金としては、例えば、Ｍｇ２Ｓｎが挙げられる。スズと酸素とを含む化合物としては、例えば、ＳｎＯｘ（０＜ｘ≦２），ＳｎＳｉＯ３が挙げられる。スズと窒素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｎ３Ｎ４，Ｓｎ２Ｎ２Ｏが挙げられる。
【００３９】
第二の電極を構成する負極板としては、銅箔のほか、ニッケル箔が挙げられる。負極板の厚みとしては例えば５〜５０μｍ程度であってよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の製造方法は、製造される蓄電デバイスが端面から直接電気の取り出しが可能なため、ハイレート特性が要求されるリチウムイオン二次電池、電気二重層コンデンサ、アルミ電解コンデンサ等の製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態における電極群の斜視図および一部の断面図
【図２】本発明の一実施形態における電極の構成図
【図３】本発明の一実施形態における集電板の平面図と断面図
【図４】本発明の一実施形態における電極群と集電板の接合を示す縦断面図
【図５】本発明の一実施形態における電極の集電構造の一部を表す縦断面図
【図６】本発明の一実施形態における溶融工程及び接合工程を表す概略図
【図７】本発明の別の実施形態における電極の集電構造の一部の縦断面図
【符号の説明】
【００４２】
１ 電極群
２ 第一の電極
３ 第二の電極
４ セパレータ
５ 第一の集電板
６ 第二の集電板
７ コイル
２ 芯材（アルミニウム箔、アルミニウム箔本体）
２１ 芯材の露出領域
２２ 容量層（分極性電解層、拡面化層、活物質層）
３ 芯材（アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔）
３１ 芯材の露出領域
３２ 容量層（分極性電解層、拡面化層、活物質層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池やコンデンサ等の蓄電デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、正極集電箔に正極材料を付着させた正極板と負極集電箔に負極材料を付着させた負極板とをセパレータを介して積層または巻回した極板群が、電解液とともに電池容器内に収容された構造を有する。このような二次電池において、集電効率の向上や、充放電時の温度上昇の抑制、充放電特性の安定化を目的として、極板群の側部に何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端に形成した平坦部に集電板を接合することが提案されている（特許文献１を参照）。当該特許文献では接合をレーザー溶接を用いて行うことが記載されている。
【０００３】
コンデンサについても端子接続スペースの低減化や低抵抗化を目的として、二次電池と同様の構造が提案されている（特許文献２及び特許文献３を参照）。
【０００４】
コンデンサの電極芯材や二次電池等で用いられる正極集電箔はアルミニウムまたはアルミニウム合金が一般的である。アルミニウム合金の溶接法としてはＹＡＧレーザーによるパルスレーザー溶接方法が提案されている（特許文献４を参照）。
【特許文献１】特開２０００−２９４２２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４３４４号公報
【特許文献３】特開２００５−７９２７２号公報
【特許文献４】特開平６−２１０４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、アルミニウム箔からなる電極とアルミニウム集電板とをレーザーで接合する方法では、スパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散や、アルミニウム集電板に貫通孔やクラックが生じてしまう問題があった。溶融アルミニウムが飛散するとアルミニウム微粒子が電池やコンデンサ内に混入することになり、電気特性上、短絡やサイクル特性の劣化を引き起こす原因となる。また、アルミニウム集電板の貫通孔やクラックはアルミニウム集電板の強度劣化につながるため、アルミニウム集電板の厚みを増加させる等の補強が必要となり、電池やコンデンサのサイズが増大することになる。
【０００６】
そこで、本発明は、スパッタとよばれる溶融アルミニウムの飛散が発生したり、アルミニウム集電板に貫通孔やクラックを生じることなく、アルミニウム集電板とアルミニウム箔とを接合することができ、かつ、接合により電気特性が劣化しない、電池やコンデンサ等の蓄電デバイスを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、アルミニウム箔からなる電極と、アルミニウム集電板とを含む蓄電デバイスの製造方法であって、前記アルミニウム集電板の表面を誘導加熱によって溶融させる溶融工程、及び、溶融した前記アルミニウム集電板の表面に、前記アルミニウム箔の集合体の端面を接触させて両者を接合する接合工程を含む、蓄電デバイスの製造方法である。
【０００８】
ここで、誘導加熱とは、強度の変化する磁力線の近くに金属を置くことで、当該金属に渦電流が生じ、金属の電気抵抗からジュール熱が発生して金属の温度を上昇させるものである。本発明では、この誘導加熱の原理を利用してアルミニウム集電板の表面に渦電流を発生させ、全面を均質に溶融させることで、アルミニウム箔の集合体の端面との接合を可能にする。
【０００９】
従来使用されていたレーザー溶接法では、特にアルミニウム集電板の表面とアルミニウム箔の集合体の端面が接触しない部分において、レーザーが集電板を貫通することによって、溶融部が表面張力により溶融外部に集まり、冷却されると貫通孔が形成される。また、冷却中に溶融部と溶融外部との温度差が大きいことでクラックが生じると考えられている。一方、本発明の誘導加熱による接合方法では、集電板全体を加熱して溶融させるために、溶融部と溶融外部との温度差が少なく、上記のような貫通孔やクラックが生じないと考えられる。
【００１０】
また、アルミニウム箔の集合体の端面とは、アルミニウム箔の複数の端面が同一方向に向いて積層することで形成された端面をいい、当該端面の厚みは、１枚の端面の厚みよりも大きくなっている。アルミニウム箔の集合体の端面には、複数枚のアルミニウム箔を平面上に積層してなる積層体の端面のほか、１枚のアルミニウム箔を捲回してなる捲回体の端面や、１枚のアルミニウム箔を折り畳んでなる折り畳み構造体の端面も含まれる。
【００１１】
蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池等の電池や、電気二重層コンデンサ、アルミ電解コンデンサ等のコンデンサ等を含む。蓄電デバイスがリチウムイオン二次電池である場合には、電極たるアルミニウム箔の表面に、リチウムイオンの挿入脱離可能な物質が形成されている。また、蓄電デバイスが電気二重層コンデンサの場合には、電極たるアルミニウム箔の表面に、分極性物質が形成されている。さらに、蓄電デバイスがアルミ電解コンデンサの場合には、電極たるアルミニウム箔の表面が、電解エッチングによって拡面化されている。本発明では、アルミニウム箔の表面にリチウムイオンの挿入脱離可能な物質又は分極性物質が形成された状態で、又は当該表面が拡面化された状態で、前記接合工程を行うことができる。
【００１２】
本発明では、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔は、純アルミニウムから構成されるものであってよいが、両者のいずれか又は双方が、アルミニウム合金によって構成されることが好ましい。また、前記アルミニウム集電板の表面（溶融しようとする表面）、又は、前記アルミニウム箔の集合体の端面（アルミニウム集電板と接合しようとする端面）が、アルミニウム又はアルミニウム合金によって構成されることが好ましい。以上により、より低温で誘導加熱による接合を行うことが可能になるので、誘導加熱がアルミニウム集電板やアルミニウム箔に与える熱ダメージを低減でき、また、接合後の形状強度や接合強度を向上させることができる。
【００１３】
本発明で使用するアルミニウム合金としては、例えば、成分の９９％以上がアルミニウムである純アルミニウム系の１０００系、３〜７％程度のＣｕと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｃｕ系の２０００系、１〜２％程度のＭｎと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎなどが添加されているＡｌ−Ｍｎ系の３０００系、１０〜１３％程度のＳｉと極微量のＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒなどが添加されているＡｌ−Ｓｉ系の４０００系、２〜６％程度のＭｇと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒなどが添加されているＡｌ−Ｍｇ系の５０００系、０．４〜１．２％程度のＭｇと０．２〜１％程度のＳｉと極微量のＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の６０００系、４〜％程度のＺｎと０．５〜３％程度のＭｇと極微量のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉなどが添加されているＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系の７０００系等が挙げられる。特に、純アルミニウム系の１０００系、Ａｌ−Ｍｎ系の３０００系、Ａｌ−Ｍｇ系の５０００系が好ましい。
【００１４】
本発明の製造方法は、前記接合工程の後、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔とを冷却する工程をさらに含むことが好ましい。接合工程が高温になると、アルミニウム箔の表面に形成されたリチウムイオンの挿入脱離可能な物質（活物質）又は分極性物質、あるいは、電極間のセパレータに熱ダメージがあることが懸念されるが、前記冷却工程で冷却時間や冷却速度等を調整することにより、当該熱ダメージを抑止することが可能になる。前記冷却工程では、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が固化する温度、すなわち融点未満まで冷却すればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の蓄電デバイスの製造方法によれば、溶融アルミニウムの飛散やアルミニウム集電板での貫通孔やクラックの発生を生じることなく、アルミニウム箔とアルミニウム集電板との接合が可能になるため、蓄電デバイスの信頼性を向上させることができるとともに、アルミニウム集電板の厚みの増大化及びそれによる蓄電デバイスの大型化を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態は電気二重層コンデンサに関する。本実施形態を図１〜６を用いて説明する。図１（ａ）および（ｂ）には本実施形態における電極群１の構成を示し、図１（ａ）はその斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＩｂ領域における縦断面図である。図２は本実施形態における第一の電極２および第二の電極３の構成を示す平面図である。図３（ａ）および（ｂ）には本実施形態における集電板５、６の構成を示し、図３（ａ）はその平面図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図４は本実施形態における電極群１と集電板５、６の接合を示す縦断面図である。図５（ａ）は本実施形態における第一の電極２の集電構造の一部分の構成を示す縦断面図、図５（ｂ）は本実施形態における第二の電極３の集電構造の一部分の構成を示す縦断面図である。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は集電板５の溶融工程、及び、電極群１と集電板５の接合工程を示す図である。
【００１８】
本実施形態に係るコンデンサは、アルミニウム箔からなる一対の電極２、３を捲回することにより構成される。図２に示すように、電極２、３の両面の幅方向一端には、活性炭とバインダーを主体とした分極性電極層２２、３２が塗布され、他端には、アルミニウム箔の露出領域２１、３１が形成されている。一対の電極を積層する際には、電極２の上面、及び、電極２と電極３との間にセパレータ４を配置し、さらに、電極２におけるアルミニウム箔の露出領域２１と、電極３におけるアルミニウム箔の露出領域３１はそれぞれ上方向又は下方向を向く方向で、分極性電極層３２、２２とは重ならないように積層される。この積層体を捲回することにより図１（ａ）および（ｂ）に示す捲回体が形成される。図１（ａ）において電極群１の上部は陽極たる電極２のアルミニウム箔の露出領域２１から構成され、電極群１の下部は陰極たる電極３のアルミニウム箔の露出領域３１から構成される。セパレータ４としてはポリプロピレンやクラフト紙等を使用できる。
【００１９】
本実施形態に係るコンデンサでは、電極群１の上部の端面と下部の端面それぞれに、図３に示すような、円板状のアルミニウム箔からなる集電板５、６が接合されている。図４に示すとおり、陽極たる電極２の集合体の端面と集電板５が接合しており（図４中のＩＩ）、陰極たる電極３の集合体の端面と集電板６が接合している（図４中のＩＩＩ）。図５の縦断面図に示すとおり、前記接合部ＩＩでは、電極２を構成するアルミニウム箔が分極性電極層２２から露出し（図５（ａ））、前記接合部ＩＩＩでは、電極３を構成するアルミニウム箔が分極性電極層３２から露出している（図５（ｂ））。
【００２０】
以上の接合を行う方法を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００２１】
図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ′縦断面図である。図６（ｂ）に示す通り、アルミニウム集電板５の直下に２ｍｍ程度の距離を離して、高周波誘導コイル７を設置する。アルミニウム集電板５は直径２８ｍｍ、厚み０．４ｍｍの円板形状である。図６（ａ）に高周波コイル７の平面図を示す。高周波コイルは内径１０ｍｍ、外径１４ｍｍ、厚さ２ｍｍと内径１８ｍｍ、外径２２ｍｍ、厚さ２ｍｍの２重巻きとしたものである。
【００２２】
次にこの高周波コイル７に周波数４００ｋＨｚで１００Ａの電流を１６秒間流してアルミニウム集電板５の表面を溶融させた後、速やかにアルミニウム集電板５を移動させて電極群１の上部端面と接触させて両者を接合する（図６（ｃ））。その後、アルミニウム集電体５と電極群１を冷却する。
【００２３】
この接合方法は、高周波コイル７に高周波電流を流し、磁力線を発生させ、その誘導磁場内に設置したアルミニウム集電板５に渦電流を発生させ、発熱によりアルミニウム集電板５が溶融することで、電極群１のアルミニウム箔と接合させる誘導加熱によるものである。この接合方法では、スパッタと呼ばれる溶融アルミニウムの飛散は生じないので、コンデンサ内にアルミ金属粉が持ち込まれることがない。
【００２４】
以上の一連の接合時には、アルミニウムの酸化を防ぐために、アルゴンやヘリウムのような不活性ガス雰囲気中で接合を行うことが好ましい。それらのガスを接合表面に吹き付けてもよいし、ガス雰囲気中のボックスなどの中で接合してもよい。
【００２５】
高周波コイル７の位置は、図６（ｄ）に示すように、アルミニウム集電板５の直上側であり、電極群１と接合させる表面と反対側でもよい。この場合は、アルミニウム集電板５の形状が維持できるような条件下で溶融を行う。
【００２６】
電極群１の下部端面と集電体６との接合も同様に行うことができる。
【００２７】
高周波コイル７に与える高周波電流の周波数は４００ｋＨｚに限定されず、適宜調整可能である。当該周波数が高くなると、アルミニウム集電板５の表面近傍のみに渦電流が発生する表皮効果が生じ、溶融時のアルミニウム集電板５の形状維持が容易となる。
【００２８】
電極群１は捲回体でなく、所定のサイズとした第一の電極、セパレータ、第二の電極、及び、セパレータを複数組積層した積層体でもよい。この場合のアルミニウム集電板の形状は円板状ではなく、積層体の端面形状に合わせて、例えば長方形とすることができる。
【００２９】
また、集電板５、６のサイズ寸法、高周波コイル７のサイズや設置距離についても前記数値に限定されない。
【００３０】
得られた接合体を電解液とともに、例えば、デバイス容器に収納するか、又は、絶縁性樹脂等を用いて封入することで蓄電デバイスを製造することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
本実施の形態に係るアルミ電解コンデンサでは、電極２、３が、電解エッチングを施すことで拡面化されたアルミニウム箔であり、セパレータ４として麻を主成分とした不織布を用いたものである。その他の点は実施の形態１と同様である。実施の形態２における第一の電極２とアルミニウム集電板５との接合部の縦断面図を図７（ａ）に示す。更に第二の電極３とアルミニウム集電板６との接合部の縦断面図を図７（ｂ）に示す。ここで２、３がアルミニウム箔本体を表し、２２、３２はエッチング層を表す。
【００３２】
（実施の形態３）
本実施の形態はリチウムイオン二次電池に関する。本実施形態に係るコンデンサは、アルミニウム箔からなる電極２と、銅箔からなる電極３を捲回することにより構成される。図２に示すように、電極２の両面の幅方向一端には、コバルト酸リチウムとバインダーを主体とした活物質層２２が塗布され、他端には、アルミニウム箔の露出領域２１が形成されている。一方、電極３の両面の幅方向一端には、黒鉛とバインダーを主体とした活物質層３２が塗布され、他端には、銅箔の露出領域３１が形成されている。電極２、３を積層する際には、電極２の上面、及び、電極２と電極３との間にセパレータ４を配置し、さらに、電極２におけるアルミニウム箔の露出領域２１と、電極３における銅箔の露出領域３１はそれぞれ上方向又は下方向を向く方向で、分極性電極層３２、２２とは重ならないように積層される。この積層体を捲回することにより図１（ａ）および（ｂ）に示す捲回体が形成される。図１（ａ）において電極群１の上部は陽極たる電極２のアルミニウム箔の露出領域２１から構成され、電極群１の下部は陰極たる電極３の銅箔の露出領域３１から構成される。
【００３３】
セパレータ４は微多孔性フィルムであり、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂からなる微多孔フィルムを用いることができる。微多孔フィルムは一種類のポリオレフィン系樹脂からなる単層膜であってもよいし、二種類以上のポリオレフィン系樹脂からなる多層膜であってもよい。
【００３４】
本実施形態に係るコンデンサでは、電極群１の上部の端面と下部の端面それぞれに、図３に示すような、円板状のアルミニウム箔からなる集電板５、円板状の銅箔からなる集電板６が接合されている。図４に示すとおり、陽極たる電極２の集合体の端面と集電板５が接合しており（図４中のＩＩ）、陰極たる電極３の集合体の端面と集電板６が接合している（図４中のＩＩＩ）。図５の縦断面図に示すとおり、前記接合部ＩＩでは、電極２を構成するアルミニウム箔が分極性電極層２２から露出し（図５（ａ））、前記接合部ＩＩＩでは、電極３を構成する銅箔が分極性電極層３２から露出している（図５（ｃ））。接合部ＩＩにおける接合方法は実施形態１と同様である。
【００３５】
第一の電極２を構成する正極活物質としては、上述したコバルト酸リチウムのほか、コバルト酸リチウムの変性体、ニッケル酸リチウム、ニッケル酸リチウムの変性体、マンガン酸リチウム、マンガン酸リチウムの変性体などの複合酸化物を挙げることができる。各変性体には、アルミニウム、マグネシウムなどの元素を含むものがある。また、コバルト、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも２種類を含む活実質も使用できる。２種類以上の活物質を組み合わせて用いてもよい。
【００３６】
第二の電極３を構成する負極活物質としては天然黒鉛、人造黒鉛のほか、シリサイドなどのシリコン含有複合材料など各種材料を用いることができる。具体的には、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ素と酸素とを含む化合物、ケイ素と窒素とを含む化合物、スズ単体、スズ合金、スズと酸素とを含む化合物、およびスズと窒素とを含む化合物よりなる群から選択される少なくとも１種であるのが望ましい。
【００３７】
ケイ素合金としては、例えば、ＳｉＢ４，ＳｉＢ６，Ｍｇ２Ｓｉ，Ｎｉ２Ｓｉ，ＴｉＳｉ２，ＭｏＳｉ２，ＣｏＳｉ２，ＮｉＳｉ２，ＣａＳｉ２，ＣｒＳｉ２，Ｃｕ５Ｓｉ，ＦｅＳｉ２，ＭｎＳｉ２，ＮｂＳｉ２，ＴａＳｉ２，ＶＳｉ２，ＷＳｉ２，ＺｎＳｉ２，ＳｉＣが挙げられる。ケイ素と酸素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ，ＳｉＯｘ（０＜ｘ≦２），ＳｎＳｉＯ３，ＬｉＳｉＯが挙げられる。ケイ素と窒素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４，Ｓｉ２Ｎ２Ｏが挙げられる。
【００３８】
スズ合金としては、例えば、Ｍｇ２Ｓｎが挙げられる。スズと酸素とを含む化合物としては、例えば、ＳｎＯｘ（０＜ｘ≦２），ＳｎＳｉＯ３が挙げられる。スズと窒素とを含む化合物としては、例えば、Ｓｎ３Ｎ４，Ｓｎ２Ｎ２Ｏが挙げられる。
【００３９】
第二の電極を構成する負極板としては、銅箔のほか、ニッケル箔が挙げられる。負極板の厚みとしては例えば５〜５０μｍ程度であってよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の製造方法は、製造される蓄電デバイスが端面から直接電気の取り出しが可能なため、ハイレート特性が要求されるリチウムイオン二次電池、電気二重層コンデンサ、アルミ電解コンデンサ等の製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態における電極群の斜視図および一部の断面図
【図２】本発明の一実施形態における電極の構成図
【図３】本発明の一実施形態における集電板の平面図と断面図
【図４】本発明の一実施形態における電極群と集電板の接合を示す縦断面図
【図５】本発明の一実施形態における電極の集電構造の一部を表す縦断面図
【図６】本発明の一実施形態における溶融工程及び接合工程を表す概略図
【図７】本発明の別の実施形態における電極の集電構造の一部の縦断面図
【符号の説明】
【００４２】
１ 電極群
２ 第一の電極
３ 第二の電極
４ セパレータ
５ 第一の集電板
６ 第二の集電板
７ コイル
２ 芯材（アルミニウム箔、アルミニウム箔本体）
２１ 芯材の露出領域
２２ 容量層（分極性電解層、拡面化層、活物質層）
３ 芯材（アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔）
３１ 芯材の露出領域
３２ 容量層（分極性電解層、拡面化層、活物質層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム箔からなる電極と、アルミニウム集電板とを含む蓄電デバイスの製造方法であって、
前記アルミニウム集電板の表面を誘導加熱によって溶融させる溶融工程、及び、
溶融した前記アルミニウム集電板の表面に、前記アルミニウム箔の集合体の端面を接触させて両者を接合する接合工程を含む、蓄電デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔のいずれか又は双方が、アルミニウム合金によって構成される、請求項１記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム集電板の前記表面、又は、前記アルミニウム箔の集合体の端面が、アルミニウム又はアルミニウム合金によって構成される、請求項１記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記蓄電デバイスがリチウムイオン二次電池であり、前記アルミニウム箔の表面に、リチウムイオンの挿入脱離可能な物質が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記蓄電デバイスが電気二重層コンデンサであり、前記アルミニウム箔の表面に、分極性物質が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記蓄電デバイスがアルミ電解コンデンサであり、前記アルミニウム箔の表面が、電解エッチングによって拡面化されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記接合工程の後、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔とを冷却する工程をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項１】
アルミニウム箔からなる電極と、アルミニウム集電板とを含む蓄電デバイスの製造方法であって、
前記アルミニウム集電板の表面を誘導加熱によって溶融させる溶融工程、及び、
溶融した前記アルミニウム集電板の表面に、前記アルミニウム箔の集合体の端面を接触させて両者を接合する接合工程を含む、蓄電デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔のいずれか又は双方が、アルミニウム合金によって構成される、請求項１記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム集電板の前記表面、又は、前記アルミニウム箔の集合体の端面が、アルミニウム又はアルミニウム合金によって構成される、請求項１記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記蓄電デバイスがリチウムイオン二次電池であり、前記アルミニウム箔の表面に、リチウムイオンの挿入脱離可能な物質が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記蓄電デバイスが電気二重層コンデンサであり、前記アルミニウム箔の表面に、分極性物質が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記蓄電デバイスがアルミ電解コンデンサであり、前記アルミニウム箔の表面が、電解エッチングによって拡面化されている、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記接合工程の後、前記アルミニウム集電板と前記アルミニウム箔とを冷却する工程をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１７０７４４（Ｐ２０１０−１７０７４４Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０３５６（Ｐ２００９−１０３５６）
【出願日】平成２１年１月２０日（２００９．１．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２０日（２００９．１．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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