蓄電デバイス用電極およびその製造方法、ならびに蓄電デバイス
【課題】活物質層の片面に再現性よく凹凸パターンを形成して内部抵抗を十分に低減するリチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスを得る。
【解決手段】リチウム電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造方法であって、金型２に形成される凹凸パターン３に、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料１が供給される第１工程と、接着部材７等を介して活物質形成材料に集電体６が固着される第２工程と、集電体が固着される活物質形成材料から金型が剥離される第３工程とからなる。
【解決手段】リチウム電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造方法であって、金型２に形成される凹凸パターン３に、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料１が供給される第１工程と、接着部材７等を介して活物質形成材料に集電体６が固着される第２工程と、集電体が固着される活物質形成材料から金型が剥離される第３工程とからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気二重層キャパシタのような蓄電デバイスに関する。ならびに、そのような蓄電デバイスにおいて、正極体や負極体を構成する蓄電デバイス用電極、およびその蓄電デバイス用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型電子機器やハイブリッド自動車などの高性能化が著しく、それらに用いる電池等の蓄電デバイスの高性能化に対する要求が強くなっている。アルカリ乾電池やオキシライド乾電池などの一次電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池など、従来の電池の高性能化に加え、燃料電池などの次世代電池や電気二重層キャパシタなどの次世代蓄電デバイスなど、新しい技術分野においても実用化に向けた開発が進められている。
【０００３】
中でも、特に電気二重層キャパシタが注目されており、サイクル寿命が長く、大電流出力が得られ、急速な充放電が可能であり、広い温度範囲を有し、小型化・薄型化・軽量化を図ることができ、人体に安全であり、環境に優しいなどの数々の利点を有することから、電池に代わる蓄電デバイスとして開発が盛んに行われている。
【０００４】
電気エネルギの発生手段は異なるものの、従来の電池と電気二重層キャパシタとでは、基本的な構成に変わりはない。つまり、集電体とその集電体の表面に形成された活物質層よりなる二対の蓄電デバイス用電極、それらの二対の蓄電デバイス間に挿入されたセパレータ、そして電解液から構成されている。従来の電池が活物質での電気化学反応により電気エネルギを発生するのに対して、電気二重層キャパシタは活物質層に生じる電気二重層により電気エネルギを発生する。
【０００５】
今日、蓄電デバイスの高性能化の要求に対しては、電気エネルギ発生の高効率化、内部エネルギの低減などを目指して、材料の改善、構成の改善などの面から様々なアプローチが取られている。
【０００６】
電気二重層キャパシタでは、例えば下記の特許文献１に記載されるように、活物質層となる金属箔の表面に活性炭主体の混練物を一体化し、スタンピングやカッティングで混練物層に微小幅の溝を刻み付け、この溝に電解液を保持することにより、活物質層に電解液を効率よく含浸させ、また活物質層を構成する活性炭の細孔の利用効率を上げ、静電容量の増大と内部抵抗の低減を可能としていた。
【０００７】
または、下記の特許文献２に記載されるように、少なくとも多孔体粒子とバインダが含まれている活物質層の表面に円柱状のローラをプレスして、活物質層の表面に凹凸パターンを形成することにより、電極活物質と導電補助材の密着性を高めて内部抵抗を低減させていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３０３７５４号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に記載される方法では、圧延によりシート状とした活物質層に対して、スタンピング、カッティング、ローラプレスにより凹凸パターンを形成しているため、形成することができる凹凸パターンの平面形状や断面形状、大きさが限定され、また再現性よく凹凸パターンを形成することができず、内部抵抗の低減は不十分であった。
【００１０】
そこで、この発明の第１の目的は、活物質層の片面に再現性よく凹凸パターンを形成して内部抵抗を十分に低減するリチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスを得ることにある。
【００１１】
この発明の第２の目的は、活物質層に対する集電体の固着を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１２】
この発明の第３の目的は、凹凸パターンに対する活物質形成材料の充填を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１３】
この発明の第４の目的は、活物質形成材料からの金型の剥離を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１４】
この発明の第５の目的は、活物質層自体の内部抵抗が低く、活物質層と集電体の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そこで、請求項１に記載の発明は、上記第１の目的を達成すべく、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造方法であって、金型に形成される凹凸パターンに、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料が供給される第１工程と、前記活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、集電体が固着される前記活物質形成材料から前記金型が剥離される第３工程とからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、上記第２の目的を達成すべく、請求項１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記第２工程で、加圧部材などを用いて加圧されることにより圧着されて前記活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、上記第３の目的を達成すべく、請求項１または２に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記第２工程で、加圧部材などを用いて加圧されることにより圧着されて前記凹凸パターンの凹部に入り込ませ、前記活物質形成材料を充填しながらその活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、上記第４の目的を達成すべく、請求項１ないし３のいずれか１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記凹凸パターンの凸部側面をテーパー面などとしてその凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により前記第３工程で前記活物質形成材料から前記金型が剥離されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、上記第１の目的を達成すべく、蓄電デバイス用電極であって、請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、同じく上記第１の目的を達成すべく、蓄電デバイスであって、請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されることを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、上記第５の目的を達成すべく、請求項６に記載の蓄電デバイスが、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
そして、請求項１に記載の発明によれば、金型に形成される凹凸パターンに活物質形成材料が供給される第１工程と、活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、活物質形成材料から金型が剥離される第３工程とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することで、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する、リチウム電池や電気二重層等の蓄電デバイス用の電極を製造することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料に集電体が固着されるので、活物質形成材料により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体の固着を容易として生産性を向上し、蓄電デバイス用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、第２工程で、加圧されることにより凹凸パターンの凹部に入り込ませて活物質形成材料を充填しながら、その活物質形成材料に集電体が固着されるので、活物質形成材料の表面に凹凸パターンを精度よく形成することができるとともに、活物質層と集電体との固着を行うときに併せて、金型に形成された凹凸パターンの凹部への活物質形成材料の充填を行い、凹凸パターンに対する活物質形成材料の充填を容易として生産性を向上し、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、凹凸パターンの凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により第３工程で活物質形成材料から金型が剥離されるので、活物質形成材料からの金型の剥離を容易として離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極が、請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する蓄電デバイス用電極を製造することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスが、請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有するリチウム電池や電気二重層等の蓄電デバイスを得ることができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の蓄電デバイスが電気二重層キャパシタであるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、活物質層と集電体の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照しつつ、この発明を実施するための最良の形態につき説明する。
図１には、この発明による蓄電デバイス用電極の製造方法を示す。図示例は、蓄電デバイスの中でも電気二重層キャパシタの電極を製造する方法であり、厚さの関係から片面にしか凹凸パターンを形成することができない電極の製造例で、図においては、発明内容を判りやすくするために、各構成部材の縮尺は考慮していない。
【００３０】
まず、図１に示す製造方法においては、（Ａ）に示すように、金型２を用意する。金型２は、金属、セラミックス、ガラスなどの材料を使用し、フォトリソグラフィ技術、Ｘ線リソグラフィ技術、エッチング技術、電鋳技術、機械加工技術などの既知の型加工技術を用い、またはこれらの型加工技術を組み合わせて用いてつくる。図示例では、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて加工したＳｉ製マスター金型に電鋳を施して製作したニッケル基合金製のものを使用している。
【００３１】
金型２には、任意の大きさで任意の形状の凹凸パターン３が任意の位置に形成されている。この例では、凸部の上面が０．５μｍ角で、基部が１μｍ角であり、高さが０．５μｍであって、テーパー側面を有するパターンが多数形成されている。
【００３２】
次に、（Ｂ）に示すように、金型２に形成される凹凸パターン３に活物質形成材料１が供給される。活物質形成材料１は、少なくとも電極活物質とバインダが含まれていればよく、ここでは電極活物質とバインダと導電補助材とで構成し、電極活物質としては粒状の活性炭粒子、バインダとしてはフッ素系高分子、導電補助材としてはカーボンブラックを使用し、これらの材料を混練しているが、特にこのようなものに限定されない。
【００３３】
それから、（Ｃ）に示すように、プレスヘッドや押付け板などからなる加圧部材５により活物質形成材料１を直接加圧してもよいが、ここでは活物質形成材料１の上に接着部材７を介して集電体６が載せられる。そして、（Ｄ）に示すように、集電体６が加圧部材５により加圧されることにより、凹凸パターン３の凹部に活物質形成材料１を充填しながら乾燥され、その活物質形成材料１に集電体６が固着される。
【００３４】
凹凸パターン３に活物質形成材料１を充填する方法としては、加圧による他、スピンコーティングやスプレーなどにより塗布する方法、ディッピングする方法、ドクターブレード法、ローラ等により圧延する方法などがある。
【００３５】
なお、図示例では、活物質形成材料１と集電体６との固着をより強固なものとするため、導電性を有する接着部材７を使用するが、接着部材７は、導電性を有するものに限るものではない。
【００３６】
その後、（Ｅ）に示すように、加圧部材５が外され、活物質形成材料１から金型２が剥離されることにより、活物質形成材料１よりなる活物質層４に集電体６が固着された電気二重層キャパシタ用電極９が製造される。活物質形成材料１により形成された活物質層４には、片面に任意の大きさで任意の形状を有する凹凸パターン８が形成される。なお、金型２の凹凸パターン３が形成される面には、活物質形成材料１が容易に剥離できるように、各々表面処理を施しておくとよい。
【００３７】
ここで、凹凸パターン３の凸部側面をテーパー側面として抜き勾配を設け、その抜き勾配により活物質形成材料１から金型２が剥離されるようにするので、活物質形成材料１からの金型２の剥離を容易として、離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００３８】
さて、図１に示す例では、蓄電デバイスの中の電気二重層キャパシタの電極を製造する方法について説明したが、液体、ペースト状等の非固体状の活物質形成材料を使用する蓄電バイアスであれば、電気二重層キャパシタに限らず、例えばリチウム電池などの他の蓄電デバイスの製造方法にも同様に適用することができる。
【００３９】
以上のように、金型２に形成される凹凸パターン３に活物質形成材料１が供給される第１工程（図１（Ａ）、（Ｂ）で示す工程）と、活物質形成材料１に集電体６が固着される第２工程（図１（Ｃ）、（Ｄ）で示す工程）と、活物質形成材料１から金型２が剥離される第３工程（図１（Ｅ）で示す工程）とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて活物質形成材料１により形成される活物質層４の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターン３を再現性よく形成することで、活物質層４自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタ用電極を製造することができる。
【００４０】
また、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料１に集電体６が固着されるので、活物質形成材料１により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体６との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体６の固着を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００４１】
さらに、第２工程で、加圧されることにより凹凸パターン３の凹部に活物質形成材料１を充填しながらその活物質形成材料１に集電体６が固着されるので、活物質形成材料１の表面に凹凸パターン３を精度よく形成することができるとともに、活物質形成材料１と集電体６との固着を行うときに併せて、金型２に形成された凹凸パターン３の凹部への活物質形成材料１の充填を行い、凹凸パターン３に対する活物質形成材料１の充填を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００４２】
図２には、この発明による他例である蓄電デバイス用電極の製造方法を示す。この例も、蓄電デバイスの中でも電気二重層キャパシタの電極を製造する方法であり、厚さの関係から片面にしか凹凸パターンを形成することができない電極の製造例で、図においても、発明内容を判りやすくするために、各構成部材の縮尺は考慮していない。
【００４３】
同様に、（Ａ）に示すように、金型１２を用意する。金型１２は、図１に示す電気二重層キャパシタ用電極９の製造方法で用いたと同様な型材料を使用し、同様な既知の型加工技術を用いてつくる。図示例では、同じく、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて加工したＳｉ製マスター金型に電鋳を施して製作したニッケル基合金製のものを使用している。
【００４４】
金型１２には、同様に、各々任意の大きさで任意の形状の凹凸パターン１３が任意の位置に形成されており、この例でも、凸部の上面が０．５μｍ角で、基部が１μｍ角であり、高さが０．５μｍのテーパー側面を有するパターンが多数形成されている。
【００４５】
それから、（Ｂ）に示すように、金型１２に形成された凹凸パターン１３に、例えばスピンコーティング法により活物質形成材料１１が供給され、凹凸パターン１３の凹部に充填される。活物質形成材料１１は、少なくとも電極活物質とバインダが含まれていればよく、ここでは電極活物質として粒状の活性炭粒子、バインダとしてフッ素系高分子、導電補助材としてカーボンブラックを用い、それらを溶液中に分散したものが使用されている。そして、活物質形成材料１１は、充填後、乾燥される。
【００４６】
次に、（Ｃ）に示すように、活物質形成材料１１の上に接着部材１７を介して集電体１６が載せられ、集電体１６が、プレスヘッドなどからなる加圧部材１５により加圧されることにより、凹凸パターン１３の凹部に活物質形成材料１１を充填された状態で、その活物質形成材料１１に集電体１６が固着される。
【００４７】
なお、この例でも、活物質形成材料１１と集電体１６との固着をより強固なものとするため、導電性を有する接着部材１７を使用するが、接着部材１７は、導電性を有するものに限らないことはいうまでもない。
【００４８】
その後、（Ｄ）に示すように、加圧部材１５が外され、活物質形成材料１１から金型１２が剥離されることにより、活物質形成材料１１により形成された活物質層１４に集電体１６が固着された電気二重層キャパシタ用電極１９が製造される。活物質形成材料１１により形成された活物質層１４には、片面に任意の大きさで任意の形状を有する凹凸パターン１８が形成される。なお、金型１２の凹凸パターン１３が形成される面には、活物質形成材料１１が容易に剥離できるように、各々表面処理を施しておくとよい。
【００４９】
ここで、凹凸パターン１３の凸部側面をテーパー側面として抜き勾配を設け、その抜き勾配により活物質形成材料１１から金型１２が剥離されるようにするので、活物質形成材料１１からの金型１２の剥離を容易として、離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００５０】
さて、図２に示す例でも、蓄電デバイスの中の電気二重層キャパシタの電極を製造する方法について説明したが、液体、ペースト状等の非固体状の活物質形成材料を使用する蓄電バイアスであれば、電気二重層キャパシタに限らず、例えばリチウム電池などの他の蓄電デバイスの製造方法にも同様に適用することができる。
【００５１】
以上のように、金型１２に形成される凹凸パターン１３に活物質形成材料１１が供給される第１工程（図２（Ａ）、（Ｂ）で示す工程）と、活物質形成材料１１に集電体１６が固着される第２工程（図２（Ｃ）で示す工程）と、活物質形成材料１１から金型１２が剥離される第３工程（図２（Ｄ）で示す工程）とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて活物質形成材料１１により形成される活物質層１４の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターン１３を再現性よく形成することで、活物質層１４自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタ用の電極を製造することができる。
【００５２】
また、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料１１に集電体１６が固着されるので、活物質形成材料１１により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体１６との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体１６の固着を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００５３】
さらに、第２工程で、加圧されることにより、凹凸パターン１３の凹部に活物質形成材料１を充填しながら、その活物質形成材料１１に集電体１６が固着されるので、活物質形成材料１１の表面に凹凸パターン１３を精度よく形成することができるとともに、活物質形成材料１１と集電体１６との固着を行うときに併せて、金型１２に形成された凹凸パターン１３の凹部への活物質形成材料１１の充填を行い、凹凸パターン１３に対する活物質形成材料１１の充填を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００５４】
そして、以上のように図１および２に示す製造方法を用いて製造された電気二重層キャパシタ用電極９、１９を使用して電気二重層キャパシタを製造するときは、例えば図３に示すように、１つの電気二重層キャパシタ用電極を、電気を外部とやり取りするための集電体１０１と活物質層１０２とから構成される正極体１０３とし、別の１つの電気二重層キャパシタ用電極を、同じく集電体１０１と活物質層１０２とから構成される負極体１０４とする。そして、それらの正極体１０３と負極体１０４との接触を防止するためにそれらの間にセパレータ１０５を設け、正極体１０３と負極体１０４とセパレータ１０５に電解液が含浸されてケース１０６内に密封される。
【００５５】
これにより、活物質形成材料１、１１の片面に凹凸パターン８、１８が形成されているので、活物質層１０２自体の内部抵抗が低く、活物質層１０２と集電体１０１の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する蓄電デバイスとして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】
【００５６】
【図１】（Ａ）ないし（Ｅ）はこの発明による蓄電デバイス用電極の製造方法を示す電気二重層キャパシタ用電極の製造工程図である。
【図２】（Ａ）ないし（Ｅ）はこの発明による別の蓄電デバイス用電極の製造方法を示す電気二重層キャパシタ用電極の製造工程図である。
【図３】図１や図２の製造工程により製造したこの発明による蓄電デバイスである電気二重層キャパシタの断面構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 活物質形成材料
２ 金型
３ 金型の凹凸パターン
４ 活物質層
５ 加圧部材
６ 集電体
７ 接着部材
８ 活物質層の凹凸パターン
９ 電気二重層キャパシタ用電極
１１ 活物質形成材料
１２ 金型
１３ 金型の凹凸パターン
１４ 活物質層
１５ 加圧部材
１６ 集電体
１７ 接着部材
１８ 活物質層の凹凸パターン
１９ 電気二重層キャパシタ用電極
１０１ 集電体
１０２ 活物質層
１０３ 正極体
１０４ 負極体
１０５ セパレータ
１０６ ケース
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気二重層キャパシタのような蓄電デバイスに関する。ならびに、そのような蓄電デバイスにおいて、正極体や負極体を構成する蓄電デバイス用電極、およびその蓄電デバイス用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型電子機器やハイブリッド自動車などの高性能化が著しく、それらに用いる電池等の蓄電デバイスの高性能化に対する要求が強くなっている。アルカリ乾電池やオキシライド乾電池などの一次電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池など、従来の電池の高性能化に加え、燃料電池などの次世代電池や電気二重層キャパシタなどの次世代蓄電デバイスなど、新しい技術分野においても実用化に向けた開発が進められている。
【０００３】
中でも、特に電気二重層キャパシタが注目されており、サイクル寿命が長く、大電流出力が得られ、急速な充放電が可能であり、広い温度範囲を有し、小型化・薄型化・軽量化を図ることができ、人体に安全であり、環境に優しいなどの数々の利点を有することから、電池に代わる蓄電デバイスとして開発が盛んに行われている。
【０００４】
電気エネルギの発生手段は異なるものの、従来の電池と電気二重層キャパシタとでは、基本的な構成に変わりはない。つまり、集電体とその集電体の表面に形成された活物質層よりなる二対の蓄電デバイス用電極、それらの二対の蓄電デバイス間に挿入されたセパレータ、そして電解液から構成されている。従来の電池が活物質での電気化学反応により電気エネルギを発生するのに対して、電気二重層キャパシタは活物質層に生じる電気二重層により電気エネルギを発生する。
【０００５】
今日、蓄電デバイスの高性能化の要求に対しては、電気エネルギ発生の高効率化、内部エネルギの低減などを目指して、材料の改善、構成の改善などの面から様々なアプローチが取られている。
【０００６】
電気二重層キャパシタでは、例えば下記の特許文献１に記載されるように、活物質層となる金属箔の表面に活性炭主体の混練物を一体化し、スタンピングやカッティングで混練物層に微小幅の溝を刻み付け、この溝に電解液を保持することにより、活物質層に電解液を効率よく含浸させ、また活物質層を構成する活性炭の細孔の利用効率を上げ、静電容量の増大と内部抵抗の低減を可能としていた。
【０００７】
または、下記の特許文献２に記載されるように、少なくとも多孔体粒子とバインダが含まれている活物質層の表面に円柱状のローラをプレスして、活物質層の表面に凹凸パターンを形成することにより、電極活物質と導電補助材の密着性を高めて内部抵抗を低減させていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３０３７５４号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に記載される方法では、圧延によりシート状とした活物質層に対して、スタンピング、カッティング、ローラプレスにより凹凸パターンを形成しているため、形成することができる凹凸パターンの平面形状や断面形状、大きさが限定され、また再現性よく凹凸パターンを形成することができず、内部抵抗の低減は不十分であった。
【００１０】
そこで、この発明の第１の目的は、活物質層の片面に再現性よく凹凸パターンを形成して内部抵抗を十分に低減するリチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスを得ることにある。
【００１１】
この発明の第２の目的は、活物質層に対する集電体の固着を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１２】
この発明の第３の目的は、凹凸パターンに対する活物質形成材料の充填を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１３】
この発明の第４の目的は、活物質形成材料からの金型の剥離を容易として蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることにある。
【００１４】
この発明の第５の目的は、活物質層自体の内部抵抗が低く、活物質層と集電体の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そこで、請求項１に記載の発明は、上記第１の目的を達成すべく、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造方法であって、金型に形成される凹凸パターンに、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料が供給される第１工程と、前記活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、集電体が固着される前記活物質形成材料から前記金型が剥離される第３工程とからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、上記第２の目的を達成すべく、請求項１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記第２工程で、加圧部材などを用いて加圧されることにより圧着されて前記活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、上記第３の目的を達成すべく、請求項１または２に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記第２工程で、加圧部材などを用いて加圧されることにより圧着されて前記凹凸パターンの凹部に入り込ませ、前記活物質形成材料を充填しながらその活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、上記第４の目的を達成すべく、請求項１ないし３のいずれか１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法であって、前記凹凸パターンの凸部側面をテーパー面などとしてその凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により前記第３工程で前記活物質形成材料から前記金型が剥離されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、上記第１の目的を達成すべく、蓄電デバイス用電極であって、請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、同じく上記第１の目的を達成すべく、蓄電デバイスであって、請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されることを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、上記第５の目的を達成すべく、請求項６に記載の蓄電デバイスが、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
そして、請求項１に記載の発明によれば、金型に形成される凹凸パターンに活物質形成材料が供給される第１工程と、活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、活物質形成材料から金型が剥離される第３工程とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することで、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する、リチウム電池や電気二重層等の蓄電デバイス用の電極を製造することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料に集電体が固着されるので、活物質形成材料により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体の固着を容易として生産性を向上し、蓄電デバイス用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、第２工程で、加圧されることにより凹凸パターンの凹部に入り込ませて活物質形成材料を充填しながら、その活物質形成材料に集電体が固着されるので、活物質形成材料の表面に凹凸パターンを精度よく形成することができるとともに、活物質層と集電体との固着を行うときに併せて、金型に形成された凹凸パターンの凹部への活物質形成材料の充填を行い、凹凸パターンに対する活物質形成材料の充填を容易として生産性を向上し、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、凹凸パターンの凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により第３工程で活物質形成材料から金型が剥離されるので、活物質形成材料からの金型の剥離を容易として離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極の製造を簡単とすることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスに用いる蓄電デバイス用電極が、請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する蓄電デバイス用電極を製造することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、リチウム電池や電気二重層などの蓄電デバイスが、請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有するリチウム電池や電気二重層等の蓄電デバイスを得ることができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の蓄電デバイスが電気二重層キャパシタであるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて、活物質形成材料により形成される活物質層の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターンを再現性よく形成することができ、活物質層自体の内部抵抗が小さく、活物質層と集電体の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照しつつ、この発明を実施するための最良の形態につき説明する。
図１には、この発明による蓄電デバイス用電極の製造方法を示す。図示例は、蓄電デバイスの中でも電気二重層キャパシタの電極を製造する方法であり、厚さの関係から片面にしか凹凸パターンを形成することができない電極の製造例で、図においては、発明内容を判りやすくするために、各構成部材の縮尺は考慮していない。
【００３０】
まず、図１に示す製造方法においては、（Ａ）に示すように、金型２を用意する。金型２は、金属、セラミックス、ガラスなどの材料を使用し、フォトリソグラフィ技術、Ｘ線リソグラフィ技術、エッチング技術、電鋳技術、機械加工技術などの既知の型加工技術を用い、またはこれらの型加工技術を組み合わせて用いてつくる。図示例では、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて加工したＳｉ製マスター金型に電鋳を施して製作したニッケル基合金製のものを使用している。
【００３１】
金型２には、任意の大きさで任意の形状の凹凸パターン３が任意の位置に形成されている。この例では、凸部の上面が０．５μｍ角で、基部が１μｍ角であり、高さが０．５μｍであって、テーパー側面を有するパターンが多数形成されている。
【００３２】
次に、（Ｂ）に示すように、金型２に形成される凹凸パターン３に活物質形成材料１が供給される。活物質形成材料１は、少なくとも電極活物質とバインダが含まれていればよく、ここでは電極活物質とバインダと導電補助材とで構成し、電極活物質としては粒状の活性炭粒子、バインダとしてはフッ素系高分子、導電補助材としてはカーボンブラックを使用し、これらの材料を混練しているが、特にこのようなものに限定されない。
【００３３】
それから、（Ｃ）に示すように、プレスヘッドや押付け板などからなる加圧部材５により活物質形成材料１を直接加圧してもよいが、ここでは活物質形成材料１の上に接着部材７を介して集電体６が載せられる。そして、（Ｄ）に示すように、集電体６が加圧部材５により加圧されることにより、凹凸パターン３の凹部に活物質形成材料１を充填しながら乾燥され、その活物質形成材料１に集電体６が固着される。
【００３４】
凹凸パターン３に活物質形成材料１を充填する方法としては、加圧による他、スピンコーティングやスプレーなどにより塗布する方法、ディッピングする方法、ドクターブレード法、ローラ等により圧延する方法などがある。
【００３５】
なお、図示例では、活物質形成材料１と集電体６との固着をより強固なものとするため、導電性を有する接着部材７を使用するが、接着部材７は、導電性を有するものに限るものではない。
【００３６】
その後、（Ｅ）に示すように、加圧部材５が外され、活物質形成材料１から金型２が剥離されることにより、活物質形成材料１よりなる活物質層４に集電体６が固着された電気二重層キャパシタ用電極９が製造される。活物質形成材料１により形成された活物質層４には、片面に任意の大きさで任意の形状を有する凹凸パターン８が形成される。なお、金型２の凹凸パターン３が形成される面には、活物質形成材料１が容易に剥離できるように、各々表面処理を施しておくとよい。
【００３７】
ここで、凹凸パターン３の凸部側面をテーパー側面として抜き勾配を設け、その抜き勾配により活物質形成材料１から金型２が剥離されるようにするので、活物質形成材料１からの金型２の剥離を容易として、離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００３８】
さて、図１に示す例では、蓄電デバイスの中の電気二重層キャパシタの電極を製造する方法について説明したが、液体、ペースト状等の非固体状の活物質形成材料を使用する蓄電バイアスであれば、電気二重層キャパシタに限らず、例えばリチウム電池などの他の蓄電デバイスの製造方法にも同様に適用することができる。
【００３９】
以上のように、金型２に形成される凹凸パターン３に活物質形成材料１が供給される第１工程（図１（Ａ）、（Ｂ）で示す工程）と、活物質形成材料１に集電体６が固着される第２工程（図１（Ｃ）、（Ｄ）で示す工程）と、活物質形成材料１から金型２が剥離される第３工程（図１（Ｅ）で示す工程）とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて活物質形成材料１により形成される活物質層４の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターン３を再現性よく形成することで、活物質層４自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタ用電極を製造することができる。
【００４０】
また、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料１に集電体６が固着されるので、活物質形成材料１により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体６との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体６の固着を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００４１】
さらに、第２工程で、加圧されることにより凹凸パターン３の凹部に活物質形成材料１を充填しながらその活物質形成材料１に集電体６が固着されるので、活物質形成材料１の表面に凹凸パターン３を精度よく形成することができるとともに、活物質形成材料１と集電体６との固着を行うときに併せて、金型２に形成された凹凸パターン３の凹部への活物質形成材料１の充填を行い、凹凸パターン３に対する活物質形成材料１の充填を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００４２】
図２には、この発明による他例である蓄電デバイス用電極の製造方法を示す。この例も、蓄電デバイスの中でも電気二重層キャパシタの電極を製造する方法であり、厚さの関係から片面にしか凹凸パターンを形成することができない電極の製造例で、図においても、発明内容を判りやすくするために、各構成部材の縮尺は考慮していない。
【００４３】
同様に、（Ａ）に示すように、金型１２を用意する。金型１２は、図１に示す電気二重層キャパシタ用電極９の製造方法で用いたと同様な型材料を使用し、同様な既知の型加工技術を用いてつくる。図示例では、同じく、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて加工したＳｉ製マスター金型に電鋳を施して製作したニッケル基合金製のものを使用している。
【００４４】
金型１２には、同様に、各々任意の大きさで任意の形状の凹凸パターン１３が任意の位置に形成されており、この例でも、凸部の上面が０．５μｍ角で、基部が１μｍ角であり、高さが０．５μｍのテーパー側面を有するパターンが多数形成されている。
【００４５】
それから、（Ｂ）に示すように、金型１２に形成された凹凸パターン１３に、例えばスピンコーティング法により活物質形成材料１１が供給され、凹凸パターン１３の凹部に充填される。活物質形成材料１１は、少なくとも電極活物質とバインダが含まれていればよく、ここでは電極活物質として粒状の活性炭粒子、バインダとしてフッ素系高分子、導電補助材としてカーボンブラックを用い、それらを溶液中に分散したものが使用されている。そして、活物質形成材料１１は、充填後、乾燥される。
【００４６】
次に、（Ｃ）に示すように、活物質形成材料１１の上に接着部材１７を介して集電体１６が載せられ、集電体１６が、プレスヘッドなどからなる加圧部材１５により加圧されることにより、凹凸パターン１３の凹部に活物質形成材料１１を充填された状態で、その活物質形成材料１１に集電体１６が固着される。
【００４７】
なお、この例でも、活物質形成材料１１と集電体１６との固着をより強固なものとするため、導電性を有する接着部材１７を使用するが、接着部材１７は、導電性を有するものに限らないことはいうまでもない。
【００４８】
その後、（Ｄ）に示すように、加圧部材１５が外され、活物質形成材料１１から金型１２が剥離されることにより、活物質形成材料１１により形成された活物質層１４に集電体１６が固着された電気二重層キャパシタ用電極１９が製造される。活物質形成材料１１により形成された活物質層１４には、片面に任意の大きさで任意の形状を有する凹凸パターン１８が形成される。なお、金型１２の凹凸パターン１３が形成される面には、活物質形成材料１１が容易に剥離できるように、各々表面処理を施しておくとよい。
【００４９】
ここで、凹凸パターン１３の凸部側面をテーパー側面として抜き勾配を設け、その抜き勾配により活物質形成材料１１から金型１２が剥離されるようにするので、活物質形成材料１１からの金型１２の剥離を容易として、離型性に優れた成形加工技術を用いて生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００５０】
さて、図２に示す例でも、蓄電デバイスの中の電気二重層キャパシタの電極を製造する方法について説明したが、液体、ペースト状等の非固体状の活物質形成材料を使用する蓄電バイアスであれば、電気二重層キャパシタに限らず、例えばリチウム電池などの他の蓄電デバイスの製造方法にも同様に適用することができる。
【００５１】
以上のように、金型１２に形成される凹凸パターン１３に活物質形成材料１１が供給される第１工程（図２（Ａ）、（Ｂ）で示す工程）と、活物質形成材料１１に集電体１６が固着される第２工程（図２（Ｃ）で示す工程）と、活物質形成材料１１から金型１２が剥離される第３工程（図２（Ｄ）で示す工程）とからなるので、離型性に優れた成形加工技術を用いて活物質形成材料１１により形成される活物質層１４の片面に、大きさがμｍ、サブμｍと非常に微細で任意の形状を備える凹凸パターン１３を再現性よく形成することで、活物質層１４自体の内部抵抗が小さく、高出力の特性を有する電気二重層キャパシタ用の電極を製造することができる。
【００５２】
また、第２工程で、加圧されることにより活物質形成材料１１に集電体１６が固着されるので、活物質形成材料１１により形成される活物質層の密度を高めると同時に、活物質層と集電体１６との固着をより強固なものとし、活物質層に対する集電体１６の固着を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とするとともに、さらなる内部抵抗の低減を実現することができる。
【００５３】
さらに、第２工程で、加圧されることにより、凹凸パターン１３の凹部に活物質形成材料１を充填しながら、その活物質形成材料１１に集電体１６が固着されるので、活物質形成材料１１の表面に凹凸パターン１３を精度よく形成することができるとともに、活物質形成材料１１と集電体１６との固着を行うときに併せて、金型１２に形成された凹凸パターン１３の凹部への活物質形成材料１１の充填を行い、凹凸パターン１３に対する活物質形成材料１１の充填を容易として生産性を向上し、電気二重層キャパシタ用電極の製造を簡単とすることができる。
【００５４】
そして、以上のように図１および２に示す製造方法を用いて製造された電気二重層キャパシタ用電極９、１９を使用して電気二重層キャパシタを製造するときは、例えば図３に示すように、１つの電気二重層キャパシタ用電極を、電気を外部とやり取りするための集電体１０１と活物質層１０２とから構成される正極体１０３とし、別の１つの電気二重層キャパシタ用電極を、同じく集電体１０１と活物質層１０２とから構成される負極体１０４とする。そして、それらの正極体１０３と負極体１０４との接触を防止するためにそれらの間にセパレータ１０５を設け、正極体１０３と負極体１０４とセパレータ１０５に電解液が含浸されてケース１０６内に密封される。
【００５５】
これにより、活物質形成材料１、１１の片面に凹凸パターン８、１８が形成されているので、活物質層１０２自体の内部抵抗が低く、活物質層１０２と集電体１０１の電気的接続も良好であり、高出力の特性を有する蓄電デバイスとして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】
【００５６】
【図１】（Ａ）ないし（Ｅ）はこの発明による蓄電デバイス用電極の製造方法を示す電気二重層キャパシタ用電極の製造工程図である。
【図２】（Ａ）ないし（Ｅ）はこの発明による別の蓄電デバイス用電極の製造方法を示す電気二重層キャパシタ用電極の製造工程図である。
【図３】図１や図２の製造工程により製造したこの発明による蓄電デバイスである電気二重層キャパシタの断面構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 活物質形成材料
２ 金型
３ 金型の凹凸パターン
４ 活物質層
５ 加圧部材
６ 集電体
７ 接着部材
８ 活物質層の凹凸パターン
９ 電気二重層キャパシタ用電極
１１ 活物質形成材料
１２ 金型
１３ 金型の凹凸パターン
１４ 活物質層
１５ 加圧部材
１６ 集電体
１７ 接着部材
１８ 活物質層の凹凸パターン
１９ 電気二重層キャパシタ用電極
１０１ 集電体
１０２ 活物質層
１０３ 正極体
１０４ 負極体
１０５ セパレータ
１０６ ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型に形成される凹凸パターンに、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料が供給される第１工程と、前記活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、前記活物質形成材料から前記金型が剥離される第３工程とからなることを特徴とする、蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程で、加圧されることにより前記活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする、請求項１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程で、加圧されることにより前記凹凸パターンの凹部に前記活物質形成材料を充填しながらその活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする、請求項１または２に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項４】
前記凹凸パターンの凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により前記第３工程で前記活物質形成材料から前記金型が剥離されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されることを特徴とする、蓄電デバイス用電極。
【請求項６】
請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されることを特徴とする、蓄電デバイス。
【請求項７】
電気二重層キャパシタであることを特徴とする、請求項６に記載の蓄電デバイス。
【請求項１】
金型に形成される凹凸パターンに、少なくとも電極活物質とバインダが含まれている活物質形成材料が供給される第１工程と、前記活物質形成材料に集電体が固着される第２工程と、前記活物質形成材料から前記金型が剥離される第３工程とからなることを特徴とする、蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程で、加圧されることにより前記活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする、請求項１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程で、加圧されることにより前記凹凸パターンの凹部に前記活物質形成材料を充填しながらその活物質形成材料に前記集電体が固着されることを特徴とする、請求項１または２に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項４】
前記凹凸パターンの凸部側面に抜き勾配を設け、その抜き勾配により前記第３工程で前記活物質形成材料から前記金型が剥離されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法で製造されることを特徴とする、蓄電デバイス用電極。
【請求項６】
請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を用いて形成されることを特徴とする、蓄電デバイス。
【請求項７】
電気二重層キャパシタであることを特徴とする、請求項６に記載の蓄電デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１６５８１（Ｐ２００８−１６５８１Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８５１１８（Ｐ２００６−１８５１１８）
【出願日】平成１８年７月５日（２００６．７．５）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月５日（２００６．７．５）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
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