蓄電デバイス
【課題】蓄電デバイスに電圧を発生させるタイミングを自在に設定することにより、蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を向上させる。
【解決手段】外装容器１３内には正極１２と負極１１とを積層した電極積層ユニット１４が配置される。また、電極積層ユニット１４の上方にはリチウムイオン供給源１６が負極１１に対向して配置される。負極１１とリチウムイオン供給源１６との間にはセパレータ２０が設けられ、負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態が保たれている。リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａには多数の突起部２１が形成され、外装容器１３の外側から圧力を加えることにより、突起部２１によってセパレータ２０を貫くことが可能となる。これにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させることができるため、任意のタイミングで負極１１にリチウムイオンを担持させることができる。
【解決手段】外装容器１３内には正極１２と負極１１とを積層した電極積層ユニット１４が配置される。また、電極積層ユニット１４の上方にはリチウムイオン供給源１６が負極１１に対向して配置される。負極１１とリチウムイオン供給源１６との間にはセパレータ２０が設けられ、負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態が保たれている。リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａには多数の突起部２１が形成され、外装容器１３の外側から圧力を加えることにより、突起部２１によってセパレータ２０を貫くことが可能となる。これにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させることができるため、任意のタイミングで負極１１にリチウムイオンを担持させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極と正極との少なくともいずれか一方にイオンを担持させるようにした蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題がクローズアップされる中、電気自動車やハイブリッド自動車の開発が盛んに行われており、これらの自動車に搭載される蓄電デバイスの開発についても積極的に取り組まれている。電気自動車やハイブリッド自動車用の蓄電デバイスとしては、高エネルギ密度や高出力密度が要求されることから、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等が候補として挙げられている。しかしながら、リチウムイオン二次電池にあっては、エネルギ密度は高いものの出力密度が低いという課題を有しており、電気二重層キャパシタにあっては、出力密度は高いもののエネルギ密度が低いという課題を有している。
【０００３】
そこで、エネルギ密度と出力密度との双方を満足させるため、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシタとも呼ばれる蓄電デバイスが提案されている。このハイブリッドキャパシタは、正極に電気二重層キャパシタの活性炭を採用することにより、正極では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、負極にリチウムイオン二次電池の炭素材料を採用することにより、負極では炭素材料にリチウムイオンをドープさせることによって電荷を蓄積している。このような蓄電機構を採用することにより、電気二重層キャパシタの高出力密度とリチウムイオン二次電池の高エネルギ密度とを兼ね備えることが可能となっている。
【０００４】
また、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタにおいて、負極の炭素材料に予めリチウムイオンを担持(ドープ)させるようにした蓄電デバイスも提案されている。負極に対してリチウムイオンを担持させることにより、負極電位を低下させて出力電圧を上昇させることができるため、蓄電デバイスのエネルギ密度を大幅に上昇させることが可能となっている(たとえば、特許文献１参照)。さらに、蓄電デバイス内の負極に対して一様にリチウムイオンを担持させるとともに担持に必要な時間を短縮させるため、対向する負極と金属リチウムとを電気化学的に接触させる方法が提案されている。この方法においては、正極集電体や負極集電体にリチウムイオンが通過する貫通孔を形成することにより、積層される電極間においてスムーズにリチウムイオンを移動させるようにしている(たとえば、特許文献２参照)。
【特許文献１】特開平８−１０７０４８号公報
【特許文献２】国際公開第９８／３３２２７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載された蓄電デバイスにあっては、負極にリチウムイオンを担持させるため、金属リチウムを負極に接触させた状態で配置するようにしている。つまり、負極と金属リチウムとが既に短絡した状態であるため、ラミネートパック内に電解液を注入した時点からリチウムイオンの移動が可能となり、負極に対するリチウムイオンの担持が開始されることになる。このように、電解液の注入に伴ってリチウムイオンの担持が開始されると、負極に電荷が蓄積されて蓄電デバイスに電圧が発生することになるため、完成後の蓄電デバイスを取り扱う各種工程においては、感電等に対する安全対策を講じることが求められていた。
【０００６】
つまり、蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を確保するためには、感電等を回避するための製造設備を設ける必要や、作業者に対して安全教育等を施す必要があるが、これらは蓄電デバイスが組み込まれる機器の製造コストを引き上げる要因になっていた。また、感電等の事故リスクを軽減するためには、蓄電デバイスの出力電圧を引き下げる必要があるが、このように出力電圧を引き下げることは蓄電デバイスのエネルギ密度を低下させる要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、負極と正極との少なくともいずれか一方にイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイスに電圧を発生させるタイミングを自在に設定することにより、蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の蓄電デバイスは、負極と、正極と、イオン供給源と、イオンを移送可能な電解質系とを有する蓄電デバイスであって、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、外装容器の外側からエネルギを加えることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させ、前記イオン供給源からイオンを放出させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の蓄電デバイスは、前記外装容器に加えられるエネルギは圧力エネルギであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方に前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記負極と前記正極と前記金属部材との少なくとも何れか一つに前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１２】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極とが積層される積層領域に前記突起部を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の蓄電デバイスは、複数の前記負極または複数の前記正極が接合される接合領域に前記突起部を形成することを特徴とする。
【００１４】
本発明の蓄電デバイスは、前記外装容器に加えられるエネルギは熱エネルギであることを特徴とする。
【００１５】
本発明の蓄電デバイスは、前記絶縁要素は熱エネルギによって収縮する熱収縮材であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを、熱エネルギによって導通状態となる熱感応素子を介して接続することを特徴とする。
【００１７】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱収縮材は前記金属部材に対向して配置され、前記熱収縮材を収縮させることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１８】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱感応素子は前記金属部材に接続され、前記熱感応素子を導通状態とすることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１９】
本発明の蓄電デバイスは、前記熱収縮材は多孔質材料によって形成されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の蓄電デバイスは、前記熱感応素子はバイメタルまたはサーミスタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、負極と正極との少なくとも何れか一方とイオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、外装容器の外側からエネルギを加えることにより、負極と正極との少なくとも何れか一方とイオン供給源とを短絡させるようにしたので、負極と正極との少なくとも何れか一方に対してイオンを担持させるタイミングを自在に設定することが可能となる。つまり、蓄電デバイスに電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、製造工程等において蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０の内部構造を示す斜視図であり、図２(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス１０の内部構造を示す断面図である。なお、図２(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図２(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。
【００２３】
図１に示すように、蓄電デバイス１０の外装容器１３を構成するラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの内側には電極積層ユニット１４が配置されており、この電極積層ユニット１４はセパレータ１５を介して交互に積層される正極１２と負極１１とによって構成されている。また、電極積層ユニット１４の上方にはリチウムイオン供給源(イオン供給源)１６が負極１１に対向するように配置されており、電極積層ユニット１４とリチウムイオン供給源１６とによって三極積層ユニット１７が構成されている。なお、熱溶着等によって封止されるラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内には、リチウムイオンを移送可能な電解液(電解質系)が注入されている。
【００２４】
図２(Ａ)に示すように、正極１２は、多数の貫通孔を備える正極集電体１２ａと、この正極集電体１２ａに一体に設けられる正極活物質層１２ｂとを備えている。また、負極１１は、多数の貫通孔を備える負極集電体１１ａと、この負極集電体１１ａに一体に設けられる負極活物質層１１ｂとを備えている。正極１２と負極１１との間にはセパレータ１５が設けられており、このセパレータ１５によって正極１２と負極１１との絶縁状態が保たれている。また、複数の正極集電体１２ａは接合部１２ｃにおいて相互に接続されており、この接合部１２ｃには正極端子１８が接続されている。同様に、複数の負極集電体１１ａは接合部１１ｃにおいて相互に接続されており、この接合部１１ｃには負極端子１９が接続されている。なお、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを封止して外装容器１３を形成する際には、正極端子１８と負極端子１９とを挟み込んだ状態でラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを溶着させることにより、正極端子１８と負極端子１９との先端部を蓄電デバイス１０の外部に突出させるようにしている。
【００２５】
図示する蓄電デバイス１０は、正極１２の正極活物質層１２ｂにリチウムイオンやアニオンを可逆的に担持可能な正極活物質を含有させることにより、電気二重層を利用して正極１２に電荷を蓄積させる一方、負極１１の負極活物質層１１ｂにリチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を含有させることにより、リチウムイオンを可逆的に担持させることによって負極１１に電荷を蓄積させるようにしたキャパシタとなっている。また、負極１１に対して予めリチウムイオンを担持(ドープ)させ、負極１１の電位を低下させるとともに負極１１の容量を高めることにより、従来の電気二重層キャパシタに比べてエネルギ密度を大幅に向上させることが可能となっている。
【００２６】
前述したように、負極１１に対して予めリチウムイオンを担持させるため、蓄電デバイス１０内にはリチウムイオン供給源１６が設けられており、このリチウムイオン供給源１６は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体１６ａと、これに一体となる金属リチウム１６ｂとによって構成されている。また、負極１１とリチウムイオン供給源１６との間には絶縁要素としてのセパレータ２０が挟み込まれており、このセパレータ２０によって負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態が保たれている。このように、負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態を保つ構造を採用することにより、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に電解液が注入された場合であっても、金属リチウム１６ｂからイオン化してリチウムイオンが電解液中に放出されることはなく、負極１１に対するリチウムイオンの担持を進行させない構造となっている。つまり、蓄電デバイス１０が完成したとしても、負極１１に対してリチウムイオンが担持されていないことから、負極１１の電位が低下して蓄電デバイス１０に電圧が発生してしまうことはなく、その後の組み付け工程等において安全に蓄電デバイス１０を取り扱うことが可能となる。
【００２７】
続いて、蓄電デバイス１０を電源として機能させるために、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるための構造および手順について説明する。図３(Ａ)は図２(Ａ)におけるリチウムイオン供給源１６の近傍を示す拡大断面図であり、図３(Ｂ)は図２(Ｂ)におけるリチウムイオン供給源１６の近傍を示す拡大断面図である。図３(Ａ)に示すように、セパレータ２０を介してリチウムイオン供給源１６に対向する負極１１は、負極集電体１１ａの一方面にのみ負極活物質層１１ｂを備える構造を有しており、負極活物質層１１ｂが形成されていない負極集電体１１ａの他方面、つまりリチウムイオン供給源１６との対向面には多数の突起部２１が形成されている。そして、負極１１に対してリチウムイオンを担持させる際には、図２(Ｂ)および図３(Ｂ)に示すように、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの外側からエネルギとして所定の圧力(圧力エネルギ)を加えることにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを絶縁するセパレータ２０を突起部２１によって突き破ることができ、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡(電気的に接触)させることが可能となる。
【００２８】
このように、電解液中において負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させると、電荷移動に伴ってリチウムイオン供給源１６からリチウムイオンが溶出し、リチウムイオンは電解液を介して負極１１に担持されることになる。これにより、負極１１の電位を低下させて蓄電デバイス１０に電圧を生じさせることができるため、蓄電デバイス１０を電源として機能させることが可能となる。なお、負極集電体１１ａや正極集電体１２ａには多数の図示しない貫通孔が形成されており、この貫通孔を介してリチウムイオンは各極間を自在に移動することができるため、積層される全ての負極活物質層１１ｂに対して満遍なくリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、金属リチウム１６ｂはリチウムイオンを放出しながら減少し、最終的には全量が負極１１に対して担持されることになるが、金属リチウム１６ｂを多めに配置して一部を蓄電デバイス１０内に残存させるようにしても良い。
【００２９】
これまで説明したように、本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０にあっては、負極集電体１１ａとリチウムイオン供給源１６との間にセパレータ２０を組み付け、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１０の外部から圧力を加えることにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを電気的に接触させることが可能となる。これにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。また、電圧を発生させることなく蓄電デバイス１０を完成させることができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う工程の設備等を簡素化することができ、蓄電デバイス１０が組み込まれた機器の低コスト化を図ることが可能となる。さらに、安全性を高めるために蓄電デバイス１０の出力電圧を引き下げる必要がないため、たとえば複数の蓄電デバイス１０を接続して高電圧パックを製造する場合には、高電圧パックの電圧を維持しながら蓄電デバイス１０の個数を削減することができ、高電圧パックの体積効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
続いて、前述した蓄電デバイス１０について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］負極、［Ｂ］正極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］イオン供給源、［Ｅ］絶縁要素、［Ｆ］電解液、［Ｇ］外装容器、［Ｈ］蓄電デバイスの製造方法。なお、蓄電デバイス１０に関してその構造や製造方法を説明するが、これらの構造や製造方法については後述する蓄電デバイス３０〜１００に適用することも可能である。
【００３１】
［Ａ］負極
本発明の蓄電デバイス１０において、負極１１は、負極集電体１１ａとこれに一体となる負極活物質層１１ｂとを有しており、負極活物質層１１ｂにはリチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープすることが可能な負極活物質が含有されている。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に担持できるものであれば特に限定されることはなく、例えばグラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を挙げることができる。特に、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であり、水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)が０．５０〜０．０５であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は負極活物質として好適である。このＰＡＳはアモルファス構造を有することから、リチウムイオンのドープ・脱ドープに対して膨潤・収縮といった構造変化がないためサイクル特性に優れており、リチウムイオンのドープ・脱ドープに対して等方的な分子構造であるため急速充電や急速放電にも優れた特性を有している。
【００３２】
前述したＰＡＳ等の負極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この負極活物質をバインダと混合してスラリーが形成される。そして、負極活物質を含有するスラリーを負極集電体１１ａに塗工して乾燥させることにより、負極集電体１１ａ上に負極活物質層１１ｂが形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダや、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができ、これらの中でもフッ素系バインダを用いることが好ましい。また、負極活物質層１１ｂに対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。なお、本発明において、負極集電体の片面及び／又は両面に負極活物質層が塗布されている電極を負極１１とする。
【００３３】
［Ｂ］正極
本発明の蓄電デバイス１０において、正極１２は、正極集電体１２ａとこれに一体となる正極活物質層１２ｂとを有しており、正極活物質層１２ｂにはリチウムイオンやアニオン(例えばテトラフルオロボレート等)を可逆的に担持することが可能な正極活物質が含有されている。正極活物質としては、リチウムイオンやアニオンを可逆的に担持できるものであれば特に限定されることはなく、例えば活性炭や導電性高分子、ポリアセン系物質等を挙げることができる。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であり、Ｈ／Ｃが０．５０〜０．０５であるＰＡＳを正極活物質として用いた場合には、高容量化を図ることができるために好適である。
【００３４】
前述したＰＡＳ等の正極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この正極活物質をバインダと混合してスラリーが形成される。そして、正極活物質を含有するスラリーを正極集電体１２ａに塗工して乾燥させることにより、正極集電体１２ａ上に正極活物質層１２ｂが形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダやポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極活物質層１２ｂに対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。なお、本発明において、正極集電体の片面及び／又は両面に正極活物質層が塗布されている電極を正極１２とする。
【００３５】
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
本発明の蓄電デバイス１０に用いられる正極集電体１２ａおよび負極集電体１１ａとしては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適であり、例えばエキスパンドメタル、パンチングメタル、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはなく、リチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、正極集電体１２ａおよび負極集電体１１ａの材質としては、一般に有機電解質電池に提案されている種々の材質を用いることが可能である。たとえば、正極集電体１２ａの材質として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができ、負極集電体１１ａの材質として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。
【００３６】
また、負極１１とイオン供給源１６とを短絡させて電気化学的に接触させるため、負極集電体１１ａの１つには多数の突起部２１が形成されているが、図示する突起部２１の形状や個数等に限られることはなく、加えられる圧力の大きさやセパレータ２０の種類等に応じて適宜設定されることになる。例えば、突起部２１の形状としては、図示する円錐形状に限られることはなく、三角錐形状、円柱形状、半球状等、凹凸を有する形状であれば適宜設定することが可能である。また、負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成する際には、プレス加工によって突起部２１を形成しても良く、サンドブラスト加工やエッチング加工等によって突起部２１を形成しても良い。さらに、負極集電体１１ａの表面に金属粒子を析出させることにより、負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしても良い。さらに、負極集電体１１ａとしてパンチングメタル等を使用する場合には、貫通孔を形成する際に生じるバリを突起部２１として用いることも可能である。
【００３７】
［Ｄ］イオン供給源
本発明の蓄電デバイス１０にはリチウムイオン供給源１６が設けられており、このリチウムイオン供給源１６は、ステンレスメッシュ等の導電性多孔体からなるリチウム極集電体１６ａと、これに貼り付けられた金属リチウム１６ｂとによって構成されている。また、リチウムイオン供給源１６を構成する金属リチウム１６ｂに代えて、リチウム−アルミニウム合金のように、リチウムイオンを供給することが可能な合金等を用いるようにしても良い。なお、金属リチウム１６ｂをリチウム極集電体１６ａによって支持するとともに、リチウムイオンを担持させる際に負極集電体１１ａとリチウム極集電体１６ａとを接触させることにより、金属リチウム１６ｂの消失に伴って電極間に生じる隙間を少なくすることができ、リチウムイオンを負極１１に対してスムーズに担持させることが可能となる。また、リチウム極集電体１６ａの厚さは１０〜２００μｍ程度が好ましく、金属リチウム１６ｂの厚さは負極活物質量にもよるが５０〜３００μｍ程度が好ましい。なお、リチウム極集電体１６ａを負極集電体１１ａや正極集電体１２ａと同じ材料によって形成することも可能である。
【００３８】
［Ｅ］絶縁要素
本発明の蓄電デバイス１０に使用されるセパレータ１５，２０としては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電気伝導性のない多孔質体等を用いることができる。このセパレータ１５，２０の材質としては、セルロース(紙)、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの既知のものを使用することが可能である。また、負極１１とリチウムイオン供給源１６との間に配置されるセパレータ２０としては、前述した材質に限られることはなく、負極集電体１１ａやリチウム極集電体１６ａの表面に絶縁被膜を形成することにより、この絶縁被膜をセパレータ２０として機能させることも可能である。
【００３９】
［Ｆ］電解液
本発明の蓄電デバイス１０には、リチウムイオンを移送可能な電解液が用いられる。この電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えばＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／ｌ以上とすることが好ましく、０．５〜１．５モル／ｌの範囲内とすることが更に好ましい。なお、ゲル状の電解液(電解質系)を用いるようにしても良く、固体電解質(電解質系)を用いるようにしても良い。
【００４０】
［Ｇ］外装容器
本発明の蓄電デバイス１０に使用される外装容器１３としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができ、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良く、フィルム材料等を使用しても良い。また、外装容器１３の形状についても特に限定されることはなく、円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能であるが、蓄電デバイス１０の小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを用いたフィルム型の外装容器１３を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂが用いられている。また、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂは、中に入る電極等のサイズに合わせて深絞りされているのが一般的であり、深絞りされるラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に電極積層ユニット１４を設置して電解液を注入した後、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの外周部は熱溶着等によって封止される構成となっている。
【００４１】
［Ｈ］蓄電デバイスの製造方法
以下、本発明における蓄電デバイスの製造方法の一例を示す。
【００４２】
(負極の製造方法)
ポリフッ化ビニリデン粉末１０重量部をＮ−メチルピロリドン８０重量部に溶解した溶液に、ＰＡＳ粉末１００重量部を十分に混合することにより、負極活物質層１１ｂを形成するためのスラリーを得た。続いて、厚さ３２μmの銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の両面に、スラリーをダイコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における負極全体の厚みが１４８μｍとなる負極１１を得た。また、厚さ３２μmの銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の片面に、スラリーをダイコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における負極全体の厚みが１４８μｍとなる負極１１を得た。
【００４３】
(正極の製造方法)
ポリフッ化ビニリデン粉末１０重量部をN−メチルピロリドン１００重量部に溶解した溶液に、市販の比表面積が１９５０ｍ２／ｇとなる活性炭粉末１００重量部を十分に混合することにより、正極活物質層１２ｂを形成するためのスラリーを得た。続いて、厚さ３５μｍのアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の両面に、非水系のカーボン系導電塗料(日本アチソン株式会社製EB−８１５)をスプレー方式でコーティングし、これを乾燥させることにより導電層が形成された正極集電体１２ａを得た。この正極集電体１２ａの厚み(集電体厚みと導電層厚みの合計)は５２μｍであり、正極集電体１２ａに形成される貫通孔は導電塗料によってほぼ閉塞された。そして、導電層が形成された正極集電体１２ａの両面に、スラリーをロールコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における正極全体の厚みが１８２μmとなる正極１２を得た。
【００４４】
(電極積層ユニットの製造方法)
負極１１を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(接合部１１ｃを除く)のサイズに切り出し、正極１２を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(接合部１２ｃを除く)のサイズに切り出した。続いて、セパレータ１５としてのセルロース／レーヨン混合不織布(厚さ３５μｍ)を間に挟み込むとともに、正極１２と負極１１との接合部１１ｃ，１２ｃをそれぞれ反対側に向けながら、正極１２と負極１１とを交互に積層した。そして、正極集電体１２ａの接合部(３枚)１２ｃとアルミ二ウム製の正極端子１８(幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)とを超音波溶接し、負極集電体１１ａの接合部(３枚)１１ｃと銅製の負極端子１９(幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)とを超音波溶接することにより電極積層ユニット１４を得た。なお、電極積層ユニット１４は、一対の正極１２および負極１１からなる電極対を５層有しているが、電極対の層数は図示する層数に限定されることはなく、１層の電極対によって電極積層ユニットを構成しても良く、２層以上の電極対によって電極積層ユニットを構成しても良い。
【００４５】
(蓄電デバイスの組立方法)
続いて、電極積層ユニット１４の上方に、セパレータ２０を介して負極１１に対向するリチウムイオン供給源１６を配置し、正極１２、負極１１、リチウムイオン供給源１６からなる三極積層ユニット１７を得た。リチウムイオン供給源１６としては、ステンレス網(厚さ８０μｍ)に対して金属リチウム箔(厚さ８２μｍ、サイズ６．０ｃｍ×７．５ｃｍ)を圧着したものを用いた。また、外装容器１３との短絡を回避するため三極積層ユニット１７にセパレータ２２を巻き付けた後に、この三極積層ユニット１７を６．５ｍｍ深絞りしたラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの内部へ配置し、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの三辺を溶着した。次いで、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で３：４：１とした混合溶媒に、１モル／Lの濃度のＬｉＰＦ6を溶解した電解液をラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に真空含浸させた。そして、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの残り１辺を溶着することにより、フィルム型の蓄電デバイス１０を組み立てた。
【００４６】
このように、蓄電デバイス１０が組み立てられた状態では、負極１１に対してリチウムイオンが担持されていないため、蓄電デバイス１０に電圧が発生していない状態となっている。そこで、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを接触させて負極１１にリチウムイオンを担持させるため、組み立てられた蓄電デバイス１０に加圧装置を用いて１気圧(ゲージ圧)を１０日間に渡って加圧し続けた。その後、蓄電デバイス１０を分解したところ、蓄電デバイス１０内の金属リチウム１６ｂが完全に消失していたことから、負極１１に対してリチウムイオンが担持されたと判断した。
【００４７】
なお、前述の説明では、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるようにしているが、これに限られることはなく、正極１２とリチウムイオン供給源１６とを接触させることにより、正極１２に対してリチウムイオンを担持させるようにしても良い。また、複数のリチウムイオン供給源１６を組み込むことにより、負極１１と正極１２とのそれぞれをリチウムイオン供給源１６に接触させることにより、負極１１および正極１２のそれぞれに対してリチウムイオンを担持させるようにしても良い。また、負極１１と正極１２とのいずれか一方にリチウムイオンを担持させる場合であっても、複数のリチウムイオン供給源１６を組み込むことにより、複数回に分けてリチウムイオンを担持させるようにしても良い。このような構造を採用することにより、蓄電デバイス１０の劣化状態に応じてリチウムイオンを担持させることが可能となり、必要に応じて蓄電デバイス１０の能力回復を図ることが可能となる。ただし、例えば正極１２に活性炭を用いた場合、リチウムイオンの担持量が多くなり正極電位が低くなると、リチウムイオンを不可逆に消費してしまい、セルの容量が低下してしまうなどの不具合が生じる場合があるので、負極１１と正極１２とに供給するリチウムイオンの量は不具合が生じないように適宜制御することが必要である。
【００４８】
これまで説明したように、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１０の外部から圧力を加えることにより、セパレータ２０を突起部２１によって貫くことができ、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させることが可能となる。これにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【００４９】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図４は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス３０の内部構造を示す斜視図であり、図５(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス３０の内部構造を示す断面図である。また、図５(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図５(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図４および図５(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)３１は、金属板(金属部材)３１ａとこれに一体となる金属リチウム３１ｂとによって構成されており、セパレータ２０を介して負極１１に対向するようになっている。また、リチウムイオン供給源１６を構成する金属板３１ａは、金属リチウム３１ｂが取り付けられる支持板部３２と、複数の突起部３３が形成される接続板部３４とによって構成されている。さらに、セパレータ１５を介して接続板部３４に対向する負極集電体１１ａの対向面には複数の突起部３５が形成されている。
【００５１】
このように、負極１１とリチウムイオン供給源３１との間にセパレータ２０を組み付けるとともに、リチウムイオン供給源３１を構成する金属板３１ａに突起部３３を形成し、金属板３１ａに対向する負極集電体１１ａに突起部３５を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接続板部３４上に圧力を加えることにより、図５(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源３１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、負極１１とリチウムイオン供給源３１とを接続する際に、金属板３１ａと負極集電体１１ａとを接続するようにしたので、リチウムイオンの放出に伴って金属リチウム３１ｂが減少する場合であっても、負極１１とリチウムイオン供給源３１との接続状態を確実に保持することができ、負極１１に対してリチウムイオンを確実に担持させることが可能となる。なお、図示する場合には、金属板３１ａに突起部３３を形成するとともに、負極集電体１１ａに突起部３５を形成しているが、これに限られることはなく、金属板３１ａだけに突起部３３を形成しても良く、負極集電体１１ａだけに突起部３５を形成しても良い。
【００５２】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス４０の内部構造を示す斜視図であり、図７(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス４０の内部構造を示す断面図である。また、図７(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図７(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図６および図７(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)４１は、セパレータ(絶縁要素)４２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源４１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体４１ａと、これに一体に設けられる金属リチウム４１ｂとによって構成されており、リチウム極集電体４１ａは接合部１１ｃに対向するように設けられている。さらに、リチウム極集電体４１ａに対する接合部１１ｃの対向面には複数の突起部４３が形成されている。
【００５４】
このように、接合部１１ｃ上にセパレータ４２を介してリチウムイオン供給源４１を配置するとともに、接合領域である接合部１１ｃに複数の突起部４３を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接合部１１ｃ上に圧力を加えることにより、図７(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源４１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、正極１２および負極１１の積層領域から外れた領域に圧力を加えることにより、大きな圧力を加える場合であっても電極積層ユニット１４に影響を及ぼすことなく、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。
【００５５】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図８は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス５０の内部構造を示す斜視図であり、図９(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス５０の内部構造を示す断面図である。また、図９(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図９(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
図８および図９(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)５１は、セパレータ(絶縁要素)５２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源５１は、接合部１１ｃに対向する金属板５１ａと、負極１１に対向する金属リチウム５１ｂとによって構成されており、金属板５１ａと金属リチウム５１ｂとは一体に接合されている。さらに、セパレータ５２を介して相互に対向する金属板５１ａと接合部１１ｃとには複数の突起部５３，５４が形成されている。
【００５７】
このように、接合部１１ｃ上にセパレータ５２を介してリチウムイオン供給源５１を配置するとともに、金属板５１ａおよび接合部１１ｃに複数の突起部５３，５４を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接合領域である接合部１１ｃ上に圧力を加えることにより、図８(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源５１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、正極１２および負極１１の積層領域から外れた領域に圧力を加えることにより、大きな圧力を加える場合であっても電極積層ユニット１４に影響を及ぼすことなく、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、負極１１とリチウムイオン供給源５１とを接続する際には、金属板５１ａと接合部１１ｃとを短絡させるようにしたので、リチウムイオンの放出に伴って金属リチウム５１ｂが減少する場合であっても、負極１１とリチウムイオン供給源５１との接続状態を確実に保持することができ、負極１１に対してリチウムイオンを確実に担持させることが可能となる。なお、図示する場合には、金属板５１ａに突起部５３を形成するとともに、接合部１１ｃに突起部５４を形成しているが、これに限られることはなく、金属板５１ａだけに突起部５３を形成しても良く、接合部１１ｃだけに突起部５４を形成しても良い。
【００５８】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１０(Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス６０の内部構造を示す断面図であり、図１１(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス６０に用いられる負極集電体６１の製造手順を示す説明図である。また、図１０(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１０(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
まず、図１０(Ａ)に示すように、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体６１はエキスパンドメタルによって形成されており、このエキスパンドメタルの凹凸がセパレータ１５を貫くための突起部６２として機能するようになっている。図１１(Ａ)および(Ｂ)に示すように、エキスパンドメタルは複数のスリットが形成された金属箔を長手方向に引っ張ることによって製造され、完成したエキスパンドメタルには厚み方向に複数の凹凸が形成される。このようなエキスパンドメタルを負極集電体６１として組み付けることにより、図１０(Ｂ)に示すように、外装容器１３の外側から圧力を加えることによって、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを接続させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。このように、エキスパンドメタルを使用することにより、負極集電体６１に突起部６２を形成するための製造工程を削減することができるため、蓄電デバイス６０の低コスト化を達成することが可能となる。
【００６０】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１２は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス７０の内部構造を示す斜視図であり、図１３(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス７０の内部構造を示す断面図である。また、図１３(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１３(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
図１２および図１３(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)７１は、セパレータ(絶縁要素)７２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源７１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体７１ａと、これに一体に設けられる金属リチウム７１ｂとによって構成されており、リチウム極集電体７１ａは接合部１１ｃに対向するように設けられている。さらに、接合部１１ｃとリチウム極集電体７１ａとの間には、セパレータ(絶縁要素)として、熱エネルギによって収縮する熱収縮材７３が設けられている。この熱収縮材７３としては、例えばポリオレフィン等のフィルムが挙げられるが、熱エネルギによって収縮する絶縁材料であれば他の材料によって形成される熱収縮材を用いるようにしても良い。
【００６２】
このように、熱収縮材７３を介して負極１１とリチウムイオン供給源７１との絶縁状態を保つようにしたので、外装容器１３の外側からエネルギとして熱(熱エネルギ)を加えて熱収縮材７３を収縮させることにより、図１３(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源７１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。このように、外部から熱を加えることにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させる場合であっても、リチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス７０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス７０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。なお、外装容器１３内はほぼ真空状態に保たれるため、熱収縮材７３を収縮させることにより、大気圧によって負極１１とリチウムイオン供給源７１とを短絡させることが可能となっている。
【００６３】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１４は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス８０の内部構造を示す斜視図であり、図１５(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス８０の内部構造を示す断面図である。また、図１５(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１５(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６４】
図１４および図１５(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)８１は、絶縁要素として機能する熱収縮材８２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源８１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体８１ａと、これに一体となる金属リチウム８１ｂとによって構成されている。なお、熱エネルギによって収縮する熱収縮材８２は、多孔質材料によって形成されるとともに厚み方向に貫通する多数の貫通孔を備えている。
【００６５】
このように、熱収縮材８２を介して負極１１とリチウムイオン供給源８１との絶縁状態を保つようにしたので、外装容器１３の外側から熱を加えて熱収縮材を収縮させることにより、図１５(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源８１とを短絡させることができ、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、熱収縮材８２を多孔質材料によって形成するようにしたので、熱収縮材８２の貫通孔を介してリチウムイオンを移動させることができるため、リチウムイオンを満遍なく負極１１に対して担持させることが可能となる。さらに、負極１１とリチウムイオン供給源８１との間の絶縁要素を１種類にすることができるため、図１２に示す蓄電デバイス７０に比べて、蓄電デバイス８０の低コスト化を達成することも可能となる。
【００６６】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１６は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス９０の内部構造を示す斜視図であり、図１７(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス９０の内部構造を示す断面図である。また、図１７(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１７(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
図１６および図１７(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)９１は、セパレータ２０を介して負極１１に対向するように設けられている。また、リチウムイオン供給源９１は、セパレータ２０を介して負極集電体１１ａに対向する金属リチウム９１ｂと、この金属リチウム９１ｂを支持するリチウム極集電体９１ａとによって構成されている。そして、リチウム極集電体９１ａと接合部１１ｃとの間には、熱感応素子であるバイメタル９２が設けられている。このバイメタル９２は熱膨張率の異なる金属片を貼り合わせた構造を有しており、温度に応じて導通状態と切断状態とに切り換えることが可能となっている。
【００６８】
このように、バイメタル９２を介して負極１１とリチウムイオン供給源９１とを接続するようにしたので、外装容器１３の外側からエネルギとして熱(熱エネルギ)を加えてバイメタル９２を導通状態に切り換えることにより、図１７(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源９１とを接続することができ、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、熱感応素子としてはバイメタル９２に限られることはなく、熱感応素子として温度変化によって端子間抵抗が大きく変化するサーミスタを組み付けるようにしても良い。
【００６９】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１８(Ａ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス１００の内部構造を示す断面図であり、図１８(Ｂ)および(Ｃ)は符号αの範囲で蓄電デバイス１００の内部構造を示す拡大断面図である。また、図１８(Ｂ)には負極１０１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１８(Ｃ)には負極１０１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。
【００７０】
まず、図１８(Ａ)に示すように、図示する蓄電デバイス１００は、電極捲回ユニット１０２を外装容器としての金属缶１０３に収容した捲回型の蓄電デバイス１００である。この蓄電デバイス１００が備える電極捲回ユニット１０２は、正極１０４、負極１０１、セパレータ１０５を重ね合わせて巻くことによって形成されている。また、電極捲回ユニット１０２と金属缶１０３との間にはリチウムイオン供給源(イオン供給源)１０６が配置されており、リチウムイオン供給源１０６と負極１０１との間には絶縁要素としてのセパレータ１０７が設けられている。さらに、蓄電デバイス１００は、金属缶１０３から突出する棒状の正極端子１０８と負極端子１０９とを備えており、正極端子１０８には正極１０４の端部が接続される一方、負極端子１０９には負極１０１の端部が接続されている。なお、金属缶１０３内にはリチウムイオンを移送可能な電解液(電解質系)が注入されている。
【００７１】
図１８(Ｂ)に示すように、正極１０４は、多数の貫通孔を備える正極集電体１０４ａと、この正極集電体１０４ａに一体に設けられる正極活物質層１０４ｂとを備えている。また、負極１０１は、多数の貫通孔を備える負極集電体１０１ａと、この負極集電体１０１ａに一体に設けられる負極活物質層１０１ｂとを備えている。正極１０４と負極１０１との間にはセパレータ１０５が設けられており、このセパレータ１０５によって正極１０４と負極１０１との絶縁状態が保たれている。また、セパレータ１０７を介して負極１０１に対向するリチウムイオン供給源１０６は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体１０６ａと、これに一体に設けられる金属リチウム１０６ｂとによって構成されている。さらに、リチウムイオン供給源１０６に対向する負極１０１は、負極集電体１０１ａの一方面にのみ負極活物質層１０１ｂを備える構造を有しており、負極活物質層１０１ｂが形成されていない負極集電体１０１ａの他方面、つまりリチウムイオン供給源１０６との対向面には多数の突起部１１０が形成されている。そして、負極１０１に対してリチウムイオンを担持させる際には、図１８(Ｃ)に示すように、金属缶１０３の外側からエネルギとして所定の圧力(圧力エネルギ)を加えることにより、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６との間のセパレータ１０７を突起部１１０によって突き破ることができ、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを電気的に接触させることが可能となっている。
【００７２】
このように、捲回型の蓄電デバイス１００であっても、負極集電体１０１ａとリチウムイオン供給源１０６との間にセパレータ１０７を組み付け、リチウムイオン供給源１０６に対向する負極集電体１０１ａに対して突起部１１０を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１００の外部から圧力を加えることにより、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを電気的に接触させることが可能となる。これにより、負極１０１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１００に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１００を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【００７３】
なお、図示する場合には、負極集電体１０１ａや正極集電体１０４ａにリチウムイオンを通過させるための貫通孔が形成されるため、電極捲回ユニット１０２の一方の側面にのみリチウムイオン供給源１０６を配置するようにしている。しかしながら、貫通孔が形成されていない負極集電体や正極集電体を使用する場合には、負極１０１と正極１０４との間に挟み込むようにリチウムイオン供給源１０６を配置することが必要である。また、図示する場合には、負極集電体１０１ａに突起部１１０を形成しているが、これに限られることはなく、蓄電デバイス１００に対して熱を加えてリチウムイオンを担持させる場合には、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６との間に熱収縮材を組み込んでも良く、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを熱感応素子を介して接続しても良い。
【００７４】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、蓄電デバイスとしてはキャパシタに限られることはなく、蓄電デバイスとしてのリチウムイオン二次電池に対して本発明を適用するようにしても良い。また、前述の説明では、イオン供給源としてリチウムイオンを放出するリチウムイオン供給源を配置するようにしているが、マグネシウムイオンやナトリウムイオン等を放出するイオン供給源を用いるようにしても良い。
【００７５】
また、熱の供給によってリチウムイオンを担持させるようにした蓄電デバイス７０，８０，９０にあっては、充放電持に発生する熱を利用することにより、負極１１とリチウムイオン供給源７１，８１，９１とを短絡させるようにしても良い。つまり、蓄電デバイス７０，８０，９０にあっては、外部から電気エネルギを加えることにより、リチウムイオンの担持を開始させることが可能となっている。たとえば、検査工程等において実行される充放電を利用した場合には、蓄電デバイス７０，８０，９０の加熱工程を省略することができるため、蓄電デバイス７０，８０，９０の製造コストを引き下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図２】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図３】(Ａ)は図２(Ａ)に示すリチウムイオン供給源の近傍を示す拡大断面図であり、(Ｂ)は図２(Ｂ)に示すリチウムイオン供給源の近傍を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図５】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図７】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図９】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１０】(Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１１】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスに用いられる負極集電体の製造手順を示す説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１３】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１５】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１７】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１８】(Ａ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す断面図であり、(Ｂ)および(Ｃ)は符号αの範囲で蓄電デバイスの内部構造を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 蓄電デバイス
１１ 負極
１２ 正極
１３ 外装容器
１６ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
２０ セパレータ(絶縁要素)
２１ 突起部
３０ 蓄電デバイス
３１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
３１ａ 金属板(金属部材)
３３ 突起部
３５ 突起部
４０ 蓄電デバイス
４１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
４２ セパレータ(絶縁要素)
４３ 突起部
５０ 蓄電デバイス
５１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
５１ａ 金属板(金属部材)
５２ セパレータ(絶縁要素)
５３，５４ 突起部
６０ 蓄電デバイス
６２ 突起部
７０ 蓄電デバイス
７１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
７２ セパレータ(絶縁要素)
７３ 熱収縮材(絶縁要素)
８０ 蓄電デバイス
８１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
８２ 熱収縮材(絶縁要素)
９０ 蓄電デバイス
９１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
９２ バイメタル(熱感応素子)
１００ 蓄電デバイス
１０１ 負極
１０３ 金属缶(外装容器)
１０４ 正極
１０６ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
１０７ セパレータ(絶縁要素)
１１０ 突起部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極と正極との少なくともいずれか一方にイオンを担持させるようにした蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題がクローズアップされる中、電気自動車やハイブリッド自動車の開発が盛んに行われており、これらの自動車に搭載される蓄電デバイスの開発についても積極的に取り組まれている。電気自動車やハイブリッド自動車用の蓄電デバイスとしては、高エネルギ密度や高出力密度が要求されることから、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等が候補として挙げられている。しかしながら、リチウムイオン二次電池にあっては、エネルギ密度は高いものの出力密度が低いという課題を有しており、電気二重層キャパシタにあっては、出力密度は高いもののエネルギ密度が低いという課題を有している。
【０００３】
そこで、エネルギ密度と出力密度との双方を満足させるため、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシタとも呼ばれる蓄電デバイスが提案されている。このハイブリッドキャパシタは、正極に電気二重層キャパシタの活性炭を採用することにより、正極では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、負極にリチウムイオン二次電池の炭素材料を採用することにより、負極では炭素材料にリチウムイオンをドープさせることによって電荷を蓄積している。このような蓄電機構を採用することにより、電気二重層キャパシタの高出力密度とリチウムイオン二次電池の高エネルギ密度とを兼ね備えることが可能となっている。
【０００４】
また、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタにおいて、負極の炭素材料に予めリチウムイオンを担持(ドープ)させるようにした蓄電デバイスも提案されている。負極に対してリチウムイオンを担持させることにより、負極電位を低下させて出力電圧を上昇させることができるため、蓄電デバイスのエネルギ密度を大幅に上昇させることが可能となっている(たとえば、特許文献１参照)。さらに、蓄電デバイス内の負極に対して一様にリチウムイオンを担持させるとともに担持に必要な時間を短縮させるため、対向する負極と金属リチウムとを電気化学的に接触させる方法が提案されている。この方法においては、正極集電体や負極集電体にリチウムイオンが通過する貫通孔を形成することにより、積層される電極間においてスムーズにリチウムイオンを移動させるようにしている(たとえば、特許文献２参照)。
【特許文献１】特開平８−１０７０４８号公報
【特許文献２】国際公開第９８／３３２２７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載された蓄電デバイスにあっては、負極にリチウムイオンを担持させるため、金属リチウムを負極に接触させた状態で配置するようにしている。つまり、負極と金属リチウムとが既に短絡した状態であるため、ラミネートパック内に電解液を注入した時点からリチウムイオンの移動が可能となり、負極に対するリチウムイオンの担持が開始されることになる。このように、電解液の注入に伴ってリチウムイオンの担持が開始されると、負極に電荷が蓄積されて蓄電デバイスに電圧が発生することになるため、完成後の蓄電デバイスを取り扱う各種工程においては、感電等に対する安全対策を講じることが求められていた。
【０００６】
つまり、蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を確保するためには、感電等を回避するための製造設備を設ける必要や、作業者に対して安全教育等を施す必要があるが、これらは蓄電デバイスが組み込まれる機器の製造コストを引き上げる要因になっていた。また、感電等の事故リスクを軽減するためには、蓄電デバイスの出力電圧を引き下げる必要があるが、このように出力電圧を引き下げることは蓄電デバイスのエネルギ密度を低下させる要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、負極と正極との少なくともいずれか一方にイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイスに電圧を発生させるタイミングを自在に設定することにより、蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の蓄電デバイスは、負極と、正極と、イオン供給源と、イオンを移送可能な電解質系とを有する蓄電デバイスであって、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、外装容器の外側からエネルギを加えることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させ、前記イオン供給源からイオンを放出させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の蓄電デバイスは、前記外装容器に加えられるエネルギは圧力エネルギであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方に前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記負極と前記正極と前記金属部材との少なくとも何れか一つに前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１２】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極とが積層される積層領域に前記突起部を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の蓄電デバイスは、複数の前記負極または複数の前記正極が接合される接合領域に前記突起部を形成することを特徴とする。
【００１４】
本発明の蓄電デバイスは、前記外装容器に加えられるエネルギは熱エネルギであることを特徴とする。
【００１５】
本発明の蓄電デバイスは、前記絶縁要素は熱エネルギによって収縮する熱収縮材であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを、熱エネルギによって導通状態となる熱感応素子を介して接続することを特徴とする。
【００１７】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱収縮材は前記金属部材に対向して配置され、前記熱収縮材を収縮させることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１８】
本発明の蓄電デバイスは、前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱感応素子は前記金属部材に接続され、前記熱感応素子を導通状態とすることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする。
【００１９】
本発明の蓄電デバイスは、前記熱収縮材は多孔質材料によって形成されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の蓄電デバイスは、前記熱感応素子はバイメタルまたはサーミスタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、負極と正極との少なくとも何れか一方とイオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、外装容器の外側からエネルギを加えることにより、負極と正極との少なくとも何れか一方とイオン供給源とを短絡させるようにしたので、負極と正極との少なくとも何れか一方に対してイオンを担持させるタイミングを自在に設定することが可能となる。つまり、蓄電デバイスに電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、製造工程等において蓄電デバイスを取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０の内部構造を示す斜視図であり、図２(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス１０の内部構造を示す断面図である。なお、図２(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図２(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。
【００２３】
図１に示すように、蓄電デバイス１０の外装容器１３を構成するラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの内側には電極積層ユニット１４が配置されており、この電極積層ユニット１４はセパレータ１５を介して交互に積層される正極１２と負極１１とによって構成されている。また、電極積層ユニット１４の上方にはリチウムイオン供給源(イオン供給源)１６が負極１１に対向するように配置されており、電極積層ユニット１４とリチウムイオン供給源１６とによって三極積層ユニット１７が構成されている。なお、熱溶着等によって封止されるラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内には、リチウムイオンを移送可能な電解液(電解質系)が注入されている。
【００２４】
図２(Ａ)に示すように、正極１２は、多数の貫通孔を備える正極集電体１２ａと、この正極集電体１２ａに一体に設けられる正極活物質層１２ｂとを備えている。また、負極１１は、多数の貫通孔を備える負極集電体１１ａと、この負極集電体１１ａに一体に設けられる負極活物質層１１ｂとを備えている。正極１２と負極１１との間にはセパレータ１５が設けられており、このセパレータ１５によって正極１２と負極１１との絶縁状態が保たれている。また、複数の正極集電体１２ａは接合部１２ｃにおいて相互に接続されており、この接合部１２ｃには正極端子１８が接続されている。同様に、複数の負極集電体１１ａは接合部１１ｃにおいて相互に接続されており、この接合部１１ｃには負極端子１９が接続されている。なお、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを封止して外装容器１３を形成する際には、正極端子１８と負極端子１９とを挟み込んだ状態でラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを溶着させることにより、正極端子１８と負極端子１９との先端部を蓄電デバイス１０の外部に突出させるようにしている。
【００２５】
図示する蓄電デバイス１０は、正極１２の正極活物質層１２ｂにリチウムイオンやアニオンを可逆的に担持可能な正極活物質を含有させることにより、電気二重層を利用して正極１２に電荷を蓄積させる一方、負極１１の負極活物質層１１ｂにリチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を含有させることにより、リチウムイオンを可逆的に担持させることによって負極１１に電荷を蓄積させるようにしたキャパシタとなっている。また、負極１１に対して予めリチウムイオンを担持(ドープ)させ、負極１１の電位を低下させるとともに負極１１の容量を高めることにより、従来の電気二重層キャパシタに比べてエネルギ密度を大幅に向上させることが可能となっている。
【００２６】
前述したように、負極１１に対して予めリチウムイオンを担持させるため、蓄電デバイス１０内にはリチウムイオン供給源１６が設けられており、このリチウムイオン供給源１６は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体１６ａと、これに一体となる金属リチウム１６ｂとによって構成されている。また、負極１１とリチウムイオン供給源１６との間には絶縁要素としてのセパレータ２０が挟み込まれており、このセパレータ２０によって負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態が保たれている。このように、負極１１とリチウムイオン供給源１６との絶縁状態を保つ構造を採用することにより、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に電解液が注入された場合であっても、金属リチウム１６ｂからイオン化してリチウムイオンが電解液中に放出されることはなく、負極１１に対するリチウムイオンの担持を進行させない構造となっている。つまり、蓄電デバイス１０が完成したとしても、負極１１に対してリチウムイオンが担持されていないことから、負極１１の電位が低下して蓄電デバイス１０に電圧が発生してしまうことはなく、その後の組み付け工程等において安全に蓄電デバイス１０を取り扱うことが可能となる。
【００２７】
続いて、蓄電デバイス１０を電源として機能させるために、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるための構造および手順について説明する。図３(Ａ)は図２(Ａ)におけるリチウムイオン供給源１６の近傍を示す拡大断面図であり、図３(Ｂ)は図２(Ｂ)におけるリチウムイオン供給源１６の近傍を示す拡大断面図である。図３(Ａ)に示すように、セパレータ２０を介してリチウムイオン供給源１６に対向する負極１１は、負極集電体１１ａの一方面にのみ負極活物質層１１ｂを備える構造を有しており、負極活物質層１１ｂが形成されていない負極集電体１１ａの他方面、つまりリチウムイオン供給源１６との対向面には多数の突起部２１が形成されている。そして、負極１１に対してリチウムイオンを担持させる際には、図２(Ｂ)および図３(Ｂ)に示すように、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの外側からエネルギとして所定の圧力(圧力エネルギ)を加えることにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを絶縁するセパレータ２０を突起部２１によって突き破ることができ、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡(電気的に接触)させることが可能となる。
【００２８】
このように、電解液中において負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させると、電荷移動に伴ってリチウムイオン供給源１６からリチウムイオンが溶出し、リチウムイオンは電解液を介して負極１１に担持されることになる。これにより、負極１１の電位を低下させて蓄電デバイス１０に電圧を生じさせることができるため、蓄電デバイス１０を電源として機能させることが可能となる。なお、負極集電体１１ａや正極集電体１２ａには多数の図示しない貫通孔が形成されており、この貫通孔を介してリチウムイオンは各極間を自在に移動することができるため、積層される全ての負極活物質層１１ｂに対して満遍なくリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、金属リチウム１６ｂはリチウムイオンを放出しながら減少し、最終的には全量が負極１１に対して担持されることになるが、金属リチウム１６ｂを多めに配置して一部を蓄電デバイス１０内に残存させるようにしても良い。
【００２９】
これまで説明したように、本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０にあっては、負極集電体１１ａとリチウムイオン供給源１６との間にセパレータ２０を組み付け、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１０の外部から圧力を加えることにより、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを電気的に接触させることが可能となる。これにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。また、電圧を発生させることなく蓄電デバイス１０を完成させることができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う工程の設備等を簡素化することができ、蓄電デバイス１０が組み込まれた機器の低コスト化を図ることが可能となる。さらに、安全性を高めるために蓄電デバイス１０の出力電圧を引き下げる必要がないため、たとえば複数の蓄電デバイス１０を接続して高電圧パックを製造する場合には、高電圧パックの電圧を維持しながら蓄電デバイス１０の個数を削減することができ、高電圧パックの体積効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
続いて、前述した蓄電デバイス１０について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］負極、［Ｂ］正極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］イオン供給源、［Ｅ］絶縁要素、［Ｆ］電解液、［Ｇ］外装容器、［Ｈ］蓄電デバイスの製造方法。なお、蓄電デバイス１０に関してその構造や製造方法を説明するが、これらの構造や製造方法については後述する蓄電デバイス３０〜１００に適用することも可能である。
【００３１】
［Ａ］負極
本発明の蓄電デバイス１０において、負極１１は、負極集電体１１ａとこれに一体となる負極活物質層１１ｂとを有しており、負極活物質層１１ｂにはリチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープすることが可能な負極活物質が含有されている。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に担持できるものであれば特に限定されることはなく、例えばグラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を挙げることができる。特に、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であり、水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)が０．５０〜０．０５であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は負極活物質として好適である。このＰＡＳはアモルファス構造を有することから、リチウムイオンのドープ・脱ドープに対して膨潤・収縮といった構造変化がないためサイクル特性に優れており、リチウムイオンのドープ・脱ドープに対して等方的な分子構造であるため急速充電や急速放電にも優れた特性を有している。
【００３２】
前述したＰＡＳ等の負極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この負極活物質をバインダと混合してスラリーが形成される。そして、負極活物質を含有するスラリーを負極集電体１１ａに塗工して乾燥させることにより、負極集電体１１ａ上に負極活物質層１１ｂが形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダや、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができ、これらの中でもフッ素系バインダを用いることが好ましい。また、負極活物質層１１ｂに対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。なお、本発明において、負極集電体の片面及び／又は両面に負極活物質層が塗布されている電極を負極１１とする。
【００３３】
［Ｂ］正極
本発明の蓄電デバイス１０において、正極１２は、正極集電体１２ａとこれに一体となる正極活物質層１２ｂとを有しており、正極活物質層１２ｂにはリチウムイオンやアニオン(例えばテトラフルオロボレート等)を可逆的に担持することが可能な正極活物質が含有されている。正極活物質としては、リチウムイオンやアニオンを可逆的に担持できるものであれば特に限定されることはなく、例えば活性炭や導電性高分子、ポリアセン系物質等を挙げることができる。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であり、Ｈ／Ｃが０．５０〜０．０５であるＰＡＳを正極活物質として用いた場合には、高容量化を図ることができるために好適である。
【００３４】
前述したＰＡＳ等の正極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この正極活物質をバインダと混合してスラリーが形成される。そして、正極活物質を含有するスラリーを正極集電体１２ａに塗工して乾燥させることにより、正極集電体１２ａ上に正極活物質層１２ｂが形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダやポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極活物質層１２ｂに対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。なお、本発明において、正極集電体の片面及び／又は両面に正極活物質層が塗布されている電極を正極１２とする。
【００３５】
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
本発明の蓄電デバイス１０に用いられる正極集電体１２ａおよび負極集電体１１ａとしては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適であり、例えばエキスパンドメタル、パンチングメタル、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはなく、リチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、正極集電体１２ａおよび負極集電体１１ａの材質としては、一般に有機電解質電池に提案されている種々の材質を用いることが可能である。たとえば、正極集電体１２ａの材質として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができ、負極集電体１１ａの材質として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。
【００３６】
また、負極１１とイオン供給源１６とを短絡させて電気化学的に接触させるため、負極集電体１１ａの１つには多数の突起部２１が形成されているが、図示する突起部２１の形状や個数等に限られることはなく、加えられる圧力の大きさやセパレータ２０の種類等に応じて適宜設定されることになる。例えば、突起部２１の形状としては、図示する円錐形状に限られることはなく、三角錐形状、円柱形状、半球状等、凹凸を有する形状であれば適宜設定することが可能である。また、負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成する際には、プレス加工によって突起部２１を形成しても良く、サンドブラスト加工やエッチング加工等によって突起部２１を形成しても良い。さらに、負極集電体１１ａの表面に金属粒子を析出させることにより、負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしても良い。さらに、負極集電体１１ａとしてパンチングメタル等を使用する場合には、貫通孔を形成する際に生じるバリを突起部２１として用いることも可能である。
【００３７】
［Ｄ］イオン供給源
本発明の蓄電デバイス１０にはリチウムイオン供給源１６が設けられており、このリチウムイオン供給源１６は、ステンレスメッシュ等の導電性多孔体からなるリチウム極集電体１６ａと、これに貼り付けられた金属リチウム１６ｂとによって構成されている。また、リチウムイオン供給源１６を構成する金属リチウム１６ｂに代えて、リチウム−アルミニウム合金のように、リチウムイオンを供給することが可能な合金等を用いるようにしても良い。なお、金属リチウム１６ｂをリチウム極集電体１６ａによって支持するとともに、リチウムイオンを担持させる際に負極集電体１１ａとリチウム極集電体１６ａとを接触させることにより、金属リチウム１６ｂの消失に伴って電極間に生じる隙間を少なくすることができ、リチウムイオンを負極１１に対してスムーズに担持させることが可能となる。また、リチウム極集電体１６ａの厚さは１０〜２００μｍ程度が好ましく、金属リチウム１６ｂの厚さは負極活物質量にもよるが５０〜３００μｍ程度が好ましい。なお、リチウム極集電体１６ａを負極集電体１１ａや正極集電体１２ａと同じ材料によって形成することも可能である。
【００３８】
［Ｅ］絶縁要素
本発明の蓄電デバイス１０に使用されるセパレータ１５，２０としては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電気伝導性のない多孔質体等を用いることができる。このセパレータ１５，２０の材質としては、セルロース(紙)、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの既知のものを使用することが可能である。また、負極１１とリチウムイオン供給源１６との間に配置されるセパレータ２０としては、前述した材質に限られることはなく、負極集電体１１ａやリチウム極集電体１６ａの表面に絶縁被膜を形成することにより、この絶縁被膜をセパレータ２０として機能させることも可能である。
【００３９】
［Ｆ］電解液
本発明の蓄電デバイス１０には、リチウムイオンを移送可能な電解液が用いられる。この電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えばＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／ｌ以上とすることが好ましく、０．５〜１．５モル／ｌの範囲内とすることが更に好ましい。なお、ゲル状の電解液(電解質系)を用いるようにしても良く、固体電解質(電解質系)を用いるようにしても良い。
【００４０】
［Ｇ］外装容器
本発明の蓄電デバイス１０に使用される外装容器１３としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができ、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良く、フィルム材料等を使用しても良い。また、外装容器１３の形状についても特に限定されることはなく、円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能であるが、蓄電デバイス１０の小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルム１３ａ，１３ｂを用いたフィルム型の外装容器１３を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂが用いられている。また、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂは、中に入る電極等のサイズに合わせて深絞りされているのが一般的であり、深絞りされるラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に電極積層ユニット１４を設置して電解液を注入した後、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの外周部は熱溶着等によって封止される構成となっている。
【００４１】
［Ｈ］蓄電デバイスの製造方法
以下、本発明における蓄電デバイスの製造方法の一例を示す。
【００４２】
(負極の製造方法)
ポリフッ化ビニリデン粉末１０重量部をＮ−メチルピロリドン８０重量部に溶解した溶液に、ＰＡＳ粉末１００重量部を十分に混合することにより、負極活物質層１１ｂを形成するためのスラリーを得た。続いて、厚さ３２μmの銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の両面に、スラリーをダイコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における負極全体の厚みが１４８μｍとなる負極１１を得た。また、厚さ３２μmの銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の片面に、スラリーをダイコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における負極全体の厚みが１４８μｍとなる負極１１を得た。
【００４３】
(正極の製造方法)
ポリフッ化ビニリデン粉末１０重量部をN−メチルピロリドン１００重量部に溶解した溶液に、市販の比表面積が１９５０ｍ２／ｇとなる活性炭粉末１００重量部を十分に混合することにより、正極活物質層１２ｂを形成するためのスラリーを得た。続いて、厚さ３５μｍのアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)の両面に、非水系のカーボン系導電塗料(日本アチソン株式会社製EB−８１５)をスプレー方式でコーティングし、これを乾燥させることにより導電層が形成された正極集電体１２ａを得た。この正極集電体１２ａの厚み(集電体厚みと導電層厚みの合計)は５２μｍであり、正極集電体１２ａに形成される貫通孔は導電塗料によってほぼ閉塞された。そして、導電層が形成された正極集電体１２ａの両面に、スラリーをロールコーターによって塗工して乾燥させることにより、プレス後における正極全体の厚みが１８２μmとなる正極１２を得た。
【００４４】
(電極積層ユニットの製造方法)
負極１１を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(接合部１１ｃを除く)のサイズに切り出し、正極１２を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(接合部１２ｃを除く)のサイズに切り出した。続いて、セパレータ１５としてのセルロース／レーヨン混合不織布(厚さ３５μｍ)を間に挟み込むとともに、正極１２と負極１１との接合部１１ｃ，１２ｃをそれぞれ反対側に向けながら、正極１２と負極１１とを交互に積層した。そして、正極集電体１２ａの接合部(３枚)１２ｃとアルミ二ウム製の正極端子１８(幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)とを超音波溶接し、負極集電体１１ａの接合部(３枚)１１ｃと銅製の負極端子１９(幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)とを超音波溶接することにより電極積層ユニット１４を得た。なお、電極積層ユニット１４は、一対の正極１２および負極１１からなる電極対を５層有しているが、電極対の層数は図示する層数に限定されることはなく、１層の電極対によって電極積層ユニットを構成しても良く、２層以上の電極対によって電極積層ユニットを構成しても良い。
【００４５】
(蓄電デバイスの組立方法)
続いて、電極積層ユニット１４の上方に、セパレータ２０を介して負極１１に対向するリチウムイオン供給源１６を配置し、正極１２、負極１１、リチウムイオン供給源１６からなる三極積層ユニット１７を得た。リチウムイオン供給源１６としては、ステンレス網(厚さ８０μｍ)に対して金属リチウム箔(厚さ８２μｍ、サイズ６．０ｃｍ×７．５ｃｍ)を圧着したものを用いた。また、外装容器１３との短絡を回避するため三極積層ユニット１７にセパレータ２２を巻き付けた後に、この三極積層ユニット１７を６．５ｍｍ深絞りしたラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの内部へ配置し、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの三辺を溶着した。次いで、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で３：４：１とした混合溶媒に、１モル／Lの濃度のＬｉＰＦ6を溶解した電解液をラミネートフィルム１３ａ，１３ｂ内に真空含浸させた。そして、ラミネートフィルム１３ａ，１３ｂの残り１辺を溶着することにより、フィルム型の蓄電デバイス１０を組み立てた。
【００４６】
このように、蓄電デバイス１０が組み立てられた状態では、負極１１に対してリチウムイオンが担持されていないため、蓄電デバイス１０に電圧が発生していない状態となっている。そこで、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを接触させて負極１１にリチウムイオンを担持させるため、組み立てられた蓄電デバイス１０に加圧装置を用いて１気圧(ゲージ圧)を１０日間に渡って加圧し続けた。その後、蓄電デバイス１０を分解したところ、蓄電デバイス１０内の金属リチウム１６ｂが完全に消失していたことから、負極１１に対してリチウムイオンが担持されたと判断した。
【００４７】
なお、前述の説明では、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるようにしているが、これに限られることはなく、正極１２とリチウムイオン供給源１６とを接触させることにより、正極１２に対してリチウムイオンを担持させるようにしても良い。また、複数のリチウムイオン供給源１６を組み込むことにより、負極１１と正極１２とのそれぞれをリチウムイオン供給源１６に接触させることにより、負極１１および正極１２のそれぞれに対してリチウムイオンを担持させるようにしても良い。また、負極１１と正極１２とのいずれか一方にリチウムイオンを担持させる場合であっても、複数のリチウムイオン供給源１６を組み込むことにより、複数回に分けてリチウムイオンを担持させるようにしても良い。このような構造を採用することにより、蓄電デバイス１０の劣化状態に応じてリチウムイオンを担持させることが可能となり、必要に応じて蓄電デバイス１０の能力回復を図ることが可能となる。ただし、例えば正極１２に活性炭を用いた場合、リチウムイオンの担持量が多くなり正極電位が低くなると、リチウムイオンを不可逆に消費してしまい、セルの容量が低下してしまうなどの不具合が生じる場合があるので、負極１１と正極１２とに供給するリチウムイオンの量は不具合が生じないように適宜制御することが必要である。
【００４８】
これまで説明したように、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体１１ａに対して突起部２１を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１０の外部から圧力を加えることにより、セパレータ２０を突起部２１によって貫くことができ、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを短絡させることが可能となる。これにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【００４９】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図４は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス３０の内部構造を示す斜視図であり、図５(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス３０の内部構造を示す断面図である。また、図５(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図５(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図４および図５(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)３１は、金属板(金属部材)３１ａとこれに一体となる金属リチウム３１ｂとによって構成されており、セパレータ２０を介して負極１１に対向するようになっている。また、リチウムイオン供給源１６を構成する金属板３１ａは、金属リチウム３１ｂが取り付けられる支持板部３２と、複数の突起部３３が形成される接続板部３４とによって構成されている。さらに、セパレータ１５を介して接続板部３４に対向する負極集電体１１ａの対向面には複数の突起部３５が形成されている。
【００５１】
このように、負極１１とリチウムイオン供給源３１との間にセパレータ２０を組み付けるとともに、リチウムイオン供給源３１を構成する金属板３１ａに突起部３３を形成し、金属板３１ａに対向する負極集電体１１ａに突起部３５を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接続板部３４上に圧力を加えることにより、図５(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源３１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、負極１１とリチウムイオン供給源３１とを接続する際に、金属板３１ａと負極集電体１１ａとを接続するようにしたので、リチウムイオンの放出に伴って金属リチウム３１ｂが減少する場合であっても、負極１１とリチウムイオン供給源３１との接続状態を確実に保持することができ、負極１１に対してリチウムイオンを確実に担持させることが可能となる。なお、図示する場合には、金属板３１ａに突起部３３を形成するとともに、負極集電体１１ａに突起部３５を形成しているが、これに限られることはなく、金属板３１ａだけに突起部３３を形成しても良く、負極集電体１１ａだけに突起部３５を形成しても良い。
【００５２】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス４０の内部構造を示す斜視図であり、図７(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス４０の内部構造を示す断面図である。また、図７(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図７(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図６および図７(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)４１は、セパレータ(絶縁要素)４２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源４１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体４１ａと、これに一体に設けられる金属リチウム４１ｂとによって構成されており、リチウム極集電体４１ａは接合部１１ｃに対向するように設けられている。さらに、リチウム極集電体４１ａに対する接合部１１ｃの対向面には複数の突起部４３が形成されている。
【００５４】
このように、接合部１１ｃ上にセパレータ４２を介してリチウムイオン供給源４１を配置するとともに、接合領域である接合部１１ｃに複数の突起部４３を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接合部１１ｃ上に圧力を加えることにより、図７(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源４１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、正極１２および負極１１の積層領域から外れた領域に圧力を加えることにより、大きな圧力を加える場合であっても電極積層ユニット１４に影響を及ぼすことなく、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。
【００５５】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図８は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス５０の内部構造を示す斜視図であり、図９(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス５０の内部構造を示す断面図である。また、図９(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図９(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
図８および図９(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)５１は、セパレータ(絶縁要素)５２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源５１は、接合部１１ｃに対向する金属板５１ａと、負極１１に対向する金属リチウム５１ｂとによって構成されており、金属板５１ａと金属リチウム５１ｂとは一体に接合されている。さらに、セパレータ５２を介して相互に対向する金属板５１ａと接合部１１ｃとには複数の突起部５３，５４が形成されている。
【００５７】
このように、接合部１１ｃ上にセパレータ５２を介してリチウムイオン供給源５１を配置するとともに、金属板５１ａおよび接合部１１ｃに複数の突起部５３，５４を形成するようにしたので、外装容器１３の外側から接合領域である接合部１１ｃ上に圧力を加えることにより、図８(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源５１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。つまり、正極１２および負極１１の積層領域から外れた領域に圧力を加えることにより、大きな圧力を加える場合であっても電極積層ユニット１４に影響を及ぼすことなく、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、負極１１とリチウムイオン供給源５１とを接続する際には、金属板５１ａと接合部１１ｃとを短絡させるようにしたので、リチウムイオンの放出に伴って金属リチウム５１ｂが減少する場合であっても、負極１１とリチウムイオン供給源５１との接続状態を確実に保持することができ、負極１１に対してリチウムイオンを確実に担持させることが可能となる。なお、図示する場合には、金属板５１ａに突起部５３を形成するとともに、接合部１１ｃに突起部５４を形成しているが、これに限られることはなく、金属板５１ａだけに突起部５３を形成しても良く、接合部１１ｃだけに突起部５４を形成しても良い。
【００５８】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１０(Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス６０の内部構造を示す断面図であり、図１１(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス６０に用いられる負極集電体６１の製造手順を示す説明図である。また、図１０(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１０(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
まず、図１０(Ａ)に示すように、リチウムイオン供給源１６に対向する負極集電体６１はエキスパンドメタルによって形成されており、このエキスパンドメタルの凹凸がセパレータ１５を貫くための突起部６２として機能するようになっている。図１１(Ａ)および(Ｂ)に示すように、エキスパンドメタルは複数のスリットが形成された金属箔を長手方向に引っ張ることによって製造され、完成したエキスパンドメタルには厚み方向に複数の凹凸が形成される。このようなエキスパンドメタルを負極集電体６１として組み付けることにより、図１０(Ｂ)に示すように、外装容器１３の外側から圧力を加えることによって、負極１１とリチウムイオン供給源１６とを接続させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。このように、エキスパンドメタルを使用することにより、負極集電体６１に突起部６２を形成するための製造工程を削減することができるため、蓄電デバイス６０の低コスト化を達成することが可能となる。
【００６０】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１２は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス７０の内部構造を示す斜視図であり、図１３(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス７０の内部構造を示す断面図である。また、図１３(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１３(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
図１２および図１３(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)７１は、セパレータ(絶縁要素)７２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源７１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体７１ａと、これに一体に設けられる金属リチウム７１ｂとによって構成されており、リチウム極集電体７１ａは接合部１１ｃに対向するように設けられている。さらに、接合部１１ｃとリチウム極集電体７１ａとの間には、セパレータ(絶縁要素)として、熱エネルギによって収縮する熱収縮材７３が設けられている。この熱収縮材７３としては、例えばポリオレフィン等のフィルムが挙げられるが、熱エネルギによって収縮する絶縁材料であれば他の材料によって形成される熱収縮材を用いるようにしても良い。
【００６２】
このように、熱収縮材７３を介して負極１１とリチウムイオン供給源７１との絶縁状態を保つようにしたので、外装容器１３の外側からエネルギとして熱(熱エネルギ)を加えて熱収縮材７３を収縮させることにより、図１３(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源７１とを短絡させて負極１１にリチウムイオンを担持させることが可能となる。このように、外部から熱を加えることにより、負極１１に対してリチウムイオンを担持させる場合であっても、リチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス７０に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス７０を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。なお、外装容器１３内はほぼ真空状態に保たれるため、熱収縮材７３を収縮させることにより、大気圧によって負極１１とリチウムイオン供給源７１とを短絡させることが可能となっている。
【００６３】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１４は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス８０の内部構造を示す斜視図であり、図１５(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス８０の内部構造を示す断面図である。また、図１５(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１５(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６４】
図１４および図１５(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)８１は、絶縁要素として機能する熱収縮材８２を介して負極１１に対向するとともに、その端部が負極１１の接合部１１ｃまで延びるように形成されている。また、リチウムイオン供給源８１は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体８１ａと、これに一体となる金属リチウム８１ｂとによって構成されている。なお、熱エネルギによって収縮する熱収縮材８２は、多孔質材料によって形成されるとともに厚み方向に貫通する多数の貫通孔を備えている。
【００６５】
このように、熱収縮材８２を介して負極１１とリチウムイオン供給源８１との絶縁状態を保つようにしたので、外装容器１３の外側から熱を加えて熱収縮材を収縮させることにより、図１５(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源８１とを短絡させることができ、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、熱収縮材８２を多孔質材料によって形成するようにしたので、熱収縮材８２の貫通孔を介してリチウムイオンを移動させることができるため、リチウムイオンを満遍なく負極１１に対して担持させることが可能となる。さらに、負極１１とリチウムイオン供給源８１との間の絶縁要素を１種類にすることができるため、図１２に示す蓄電デバイス７０に比べて、蓄電デバイス８０の低コスト化を達成することも可能となる。
【００６６】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１６は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス９０の内部構造を示す斜視図であり、図１７(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイス９０の内部構造を示す断面図である。また、図１７(Ａ)には負極１１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１７(Ｂ)には負極１１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。なお、図１および図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
図１６および図１７(Ａ)に示すように、電極積層ユニット１４の上方に配置されるリチウムイオン供給源(イオン供給源)９１は、セパレータ２０を介して負極１１に対向するように設けられている。また、リチウムイオン供給源９１は、セパレータ２０を介して負極集電体１１ａに対向する金属リチウム９１ｂと、この金属リチウム９１ｂを支持するリチウム極集電体９１ａとによって構成されている。そして、リチウム極集電体９１ａと接合部１１ｃとの間には、熱感応素子であるバイメタル９２が設けられている。このバイメタル９２は熱膨張率の異なる金属片を貼り合わせた構造を有しており、温度に応じて導通状態と切断状態とに切り換えることが可能となっている。
【００６８】
このように、バイメタル９２を介して負極１１とリチウムイオン供給源９１とを接続するようにしたので、外装容器１３の外側からエネルギとして熱(熱エネルギ)を加えてバイメタル９２を導通状態に切り換えることにより、図１７(Ｂ)に示すように、負極１１とリチウムイオン供給源９１とを接続することができ、負極１１に対してリチウムイオンを担持させることが可能となる。また、熱感応素子としてはバイメタル９２に限られることはなく、熱感応素子として温度変化によって端子間抵抗が大きく変化するサーミスタを組み付けるようにしても良い。
【００６９】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１８(Ａ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス１００の内部構造を示す断面図であり、図１８(Ｂ)および(Ｃ)は符号αの範囲で蓄電デバイス１００の内部構造を示す拡大断面図である。また、図１８(Ｂ)には負極１０１に対するリチウムイオン担持前の状態が示され、図１８(Ｃ)には負極１０１に対するリチウムイオン担持中の状態が示されている。
【００７０】
まず、図１８(Ａ)に示すように、図示する蓄電デバイス１００は、電極捲回ユニット１０２を外装容器としての金属缶１０３に収容した捲回型の蓄電デバイス１００である。この蓄電デバイス１００が備える電極捲回ユニット１０２は、正極１０４、負極１０１、セパレータ１０５を重ね合わせて巻くことによって形成されている。また、電極捲回ユニット１０２と金属缶１０３との間にはリチウムイオン供給源(イオン供給源)１０６が配置されており、リチウムイオン供給源１０６と負極１０１との間には絶縁要素としてのセパレータ１０７が設けられている。さらに、蓄電デバイス１００は、金属缶１０３から突出する棒状の正極端子１０８と負極端子１０９とを備えており、正極端子１０８には正極１０４の端部が接続される一方、負極端子１０９には負極１０１の端部が接続されている。なお、金属缶１０３内にはリチウムイオンを移送可能な電解液(電解質系)が注入されている。
【００７１】
図１８(Ｂ)に示すように、正極１０４は、多数の貫通孔を備える正極集電体１０４ａと、この正極集電体１０４ａに一体に設けられる正極活物質層１０４ｂとを備えている。また、負極１０１は、多数の貫通孔を備える負極集電体１０１ａと、この負極集電体１０１ａに一体に設けられる負極活物質層１０１ｂとを備えている。正極１０４と負極１０１との間にはセパレータ１０５が設けられており、このセパレータ１０５によって正極１０４と負極１０１との絶縁状態が保たれている。また、セパレータ１０７を介して負極１０１に対向するリチウムイオン供給源１０６は、多数の貫通孔を備えるリチウム極集電体１０６ａと、これに一体に設けられる金属リチウム１０６ｂとによって構成されている。さらに、リチウムイオン供給源１０６に対向する負極１０１は、負極集電体１０１ａの一方面にのみ負極活物質層１０１ｂを備える構造を有しており、負極活物質層１０１ｂが形成されていない負極集電体１０１ａの他方面、つまりリチウムイオン供給源１０６との対向面には多数の突起部１１０が形成されている。そして、負極１０１に対してリチウムイオンを担持させる際には、図１８(Ｃ)に示すように、金属缶１０３の外側からエネルギとして所定の圧力(圧力エネルギ)を加えることにより、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６との間のセパレータ１０７を突起部１１０によって突き破ることができ、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを電気的に接触させることが可能となっている。
【００７２】
このように、捲回型の蓄電デバイス１００であっても、負極集電体１０１ａとリチウムイオン供給源１０６との間にセパレータ１０７を組み付け、リチウムイオン供給源１０６に対向する負極集電体１０１ａに対して突起部１１０を形成するようにしたので、完成した蓄電デバイス１００の外部から圧力を加えることにより、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを電気的に接触させることが可能となる。これにより、負極１０１に対してリチウムイオンを担持させるタイミング、つまり蓄電デバイス１００に電圧を発生させるタイミングを自在に設定することができるため、蓄電デバイス１００を取り扱う際の安全性を向上させることが可能となる。
【００７３】
なお、図示する場合には、負極集電体１０１ａや正極集電体１０４ａにリチウムイオンを通過させるための貫通孔が形成されるため、電極捲回ユニット１０２の一方の側面にのみリチウムイオン供給源１０６を配置するようにしている。しかしながら、貫通孔が形成されていない負極集電体や正極集電体を使用する場合には、負極１０１と正極１０４との間に挟み込むようにリチウムイオン供給源１０６を配置することが必要である。また、図示する場合には、負極集電体１０１ａに突起部１１０を形成しているが、これに限られることはなく、蓄電デバイス１００に対して熱を加えてリチウムイオンを担持させる場合には、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６との間に熱収縮材を組み込んでも良く、負極１０１とリチウムイオン供給源１０６とを熱感応素子を介して接続しても良い。
【００７４】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、蓄電デバイスとしてはキャパシタに限られることはなく、蓄電デバイスとしてのリチウムイオン二次電池に対して本発明を適用するようにしても良い。また、前述の説明では、イオン供給源としてリチウムイオンを放出するリチウムイオン供給源を配置するようにしているが、マグネシウムイオンやナトリウムイオン等を放出するイオン供給源を用いるようにしても良い。
【００７５】
また、熱の供給によってリチウムイオンを担持させるようにした蓄電デバイス７０，８０，９０にあっては、充放電持に発生する熱を利用することにより、負極１１とリチウムイオン供給源７１，８１，９１とを短絡させるようにしても良い。つまり、蓄電デバイス７０，８０，９０にあっては、外部から電気エネルギを加えることにより、リチウムイオンの担持を開始させることが可能となっている。たとえば、検査工程等において実行される充放電を利用した場合には、蓄電デバイス７０，８０，９０の加熱工程を省略することができるため、蓄電デバイス７０，８０，９０の製造コストを引き下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図２】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図３】(Ａ)は図２(Ａ)に示すリチウムイオン供給源の近傍を示す拡大断面図であり、(Ｂ)は図２(Ｂ)に示すリチウムイオン供給源の近傍を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図５】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図７】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図９】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１０】(Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１１】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスに用いられる負極集電体の製造手順を示す説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１３】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１５】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す斜視図である。
【図１７】(Ａ)および(Ｂ)は蓄電デバイスの内部構造を示す断面図である。
【図１８】(Ａ)は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を示す断面図であり、(Ｂ)および(Ｃ)は符号αの範囲で蓄電デバイスの内部構造を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 蓄電デバイス
１１ 負極
１２ 正極
１３ 外装容器
１６ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
２０ セパレータ(絶縁要素)
２１ 突起部
３０ 蓄電デバイス
３１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
３１ａ 金属板(金属部材)
３３ 突起部
３５ 突起部
４０ 蓄電デバイス
４１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
４２ セパレータ(絶縁要素)
４３ 突起部
５０ 蓄電デバイス
５１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
５１ａ 金属板(金属部材)
５２ セパレータ(絶縁要素)
５３，５４ 突起部
６０ 蓄電デバイス
６２ 突起部
７０ 蓄電デバイス
７１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
７２ セパレータ(絶縁要素)
７３ 熱収縮材(絶縁要素)
８０ 蓄電デバイス
８１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
８２ 熱収縮材(絶縁要素)
９０ 蓄電デバイス
９１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
９２ バイメタル(熱感応素子)
１００ 蓄電デバイス
１０１ 負極
１０３ 金属缶(外装容器)
１０４ 正極
１０６ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
１０７ セパレータ(絶縁要素)
１１０ 突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極と、正極と、イオン供給源と、イオンを移送可能な電解質系とを有する蓄電デバイスであって、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、
外装容器の外側からエネルギを加えることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させ、前記イオン供給源からイオンを放出させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記外装容器に加えられるエネルギは圧力エネルギであることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
請求項２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方に前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、
前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項４】
請求項２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、
前記負極と前記正極と前記金属部材との少なくとも何れか一つに前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、
前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項５】
請求項３または４記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極とが積層される積層領域に前記突起部を形成することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項６】
請求項３または４記載の蓄電デバイスにおいて、
複数の前記負極または複数の前記正極が接合される接合領域に前記突起部を形成することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記外装容器に加えられるエネルギは熱エネルギであることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の蓄電デバイスにおいて、
前記絶縁要素は熱エネルギによって収縮する熱収縮材であることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項９】
請求項７記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを、熱エネルギによって導通状態となる熱感応素子を介して接続することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１０】
請求項８記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱収縮材は前記金属部材に対向して配置され、
前記熱収縮材を収縮させることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１１】
請求項９記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱感応素子は前記金属部材に接続され、
前記熱感応素子を導通状態とすることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１２】
請求項８または１０記載の蓄電デバイスにおいて、
前記熱収縮材は多孔質材料によって形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１３】
請求項９または１１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記熱感応素子はバイメタルまたはサーミスタであることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１】
負極と、正極と、イオン供給源と、イオンを移送可能な電解質系とを有する蓄電デバイスであって、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源との間に絶縁要素を組み付け、
外装容器の外側からエネルギを加えることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させ、前記イオン供給源からイオンを放出させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記外装容器に加えられるエネルギは圧力エネルギであることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
請求項２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方に前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、
前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項４】
請求項２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、
前記負極と前記正極と前記金属部材との少なくとも何れか一つに前記絶縁要素に対向する突起部を形成し、
前記突起部によって前記絶縁要素を貫くことにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項５】
請求項３または４記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極とが積層される積層領域に前記突起部を形成することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項６】
請求項３または４記載の蓄電デバイスにおいて、
複数の前記負極または複数の前記正極が接合される接合領域に前記突起部を形成することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記外装容器に加えられるエネルギは熱エネルギであることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の蓄電デバイスにおいて、
前記絶縁要素は熱エネルギによって収縮する熱収縮材であることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項９】
請求項７記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記イオン供給源とを、熱エネルギによって導通状態となる熱感応素子を介して接続することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１０】
請求項８記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱収縮材は前記金属部材に対向して配置され、
前記熱収縮材を収縮させることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１１】
請求項９記載の蓄電デバイスにおいて、
前記イオン供給源はイオン供給金属とこれに接続される金属部材とを備え、前記熱感応素子は前記金属部材に接続され、
前記熱感応素子を導通状態とすることにより、前記負極と前記正極との少なくとも何れか一方と前記金属部材とを短絡させることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１２】
請求項８または１０記載の蓄電デバイスにおいて、
前記熱収縮材は多孔質材料によって形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１３】
請求項９または１１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記熱感応素子はバイメタルまたはサーミスタであることを特徴とする蓄電デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００８−９７９９１（Ｐ２００８−９７９９１Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７８４９８（Ｐ２００６−２７８４９８）
【出願日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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