蓄電デバイス
【課題】電極にバラツキが生じても蓄電デバイスの性能を十分に発揮させる。
【解決手段】蓄電デバイス１０は電極積層ユニット１１を収容する容器１２を有する。この容器１２はラミネートフィルム１３によって形成される。また、電極積層ユニット１１は正極１４と負極１５とを積層して形成される。ここで、正極１４や負極１５に厚みムラ等が発生すると、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が現れる場合がある。この凹凸は蓄電デバイス１０の加圧状態を不均一にする要因となる。そこで、蓄電デバイス１０には、電極積層ユニット１１に対向する膨潤シート１９が組み込まれている。この膨潤シート１９は、電解液を吸収するとともに、電極積層ユニット１１の凹凸に沿って膨張する。これにより、蓄電デバイス１０を加圧する際に、電極積層ユニット１１の加圧状態を均一にすることができ、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【解決手段】蓄電デバイス１０は電極積層ユニット１１を収容する容器１２を有する。この容器１２はラミネートフィルム１３によって形成される。また、電極積層ユニット１１は正極１４と負極１５とを積層して形成される。ここで、正極１４や負極１５に厚みムラ等が発生すると、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が現れる場合がある。この凹凸は蓄電デバイス１０の加圧状態を不均一にする要因となる。そこで、蓄電デバイス１０には、電極積層ユニット１１に対向する膨潤シート１９が組み込まれている。この膨潤シート１９は、電解液を吸収するとともに、電極積層ユニット１１の凹凸に沿って膨張する。これにより、蓄電デバイス１０を加圧する際に、電極積層ユニット１１の加圧状態を均一にすることができ、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットを備える蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される蓄電デバイスとして、リチウムイオンバッテリやリチウムイオンキャパシタ等がある。これらの蓄電デバイスは電極積層ユニットを有しており、電極積層ユニットは複数枚の電極を積層することによって構成されている(例えば、特許文献１参照)。また、電極積層ユニットを備える蓄電デバイスの性能を向上させるため、電極積層ユニットを積層方向に加圧する蓄電デバイスが提案されている。電極積層ユニットを加圧することにより、電極間距離を縮めて内部抵抗を引き下げることが可能となる。また、電極積層ユニットを加圧することにより、電極間距離を均一にして内部抵抗のバラツキを抑えることが可能となる。このように、電極積層ユニットを加圧することにより、蓄電デバイスの性能を十分に発揮させることが可能となっている。
【特許文献１】特開２００６−２８６９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、電極は極めて薄く形成されることから、電極を全く同じ品質で製造することは困難であった。このため、電極積層ユニットを構成する電極には、所定の許容範囲内で、厚みムラ、傷、シワ等が発生することになる。しかしながら、このような電極品質のバラツキは、電極積層ユニットの表面に凹凸を生じさせる要因となる。そして、電極積層ユニットの凹凸は、加圧板等による電極積層ユニットの加圧状態を部位毎に変動させる要因となる。このように、加圧状態にバラツキが生じることは、蓄電デバイスの出力低下や容量低下を招く要因となっていた。
【０００４】
本発明の目的は、電極品質にバラツキが生じた場合であっても、蓄電デバイスの性能を十分に発揮させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の蓄電デバイスは、複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットと、前記電極積層ユニットに対向して設けられる膨潤シートと、前記電極積層ユニットおよび前記膨潤シートを収容する容器とを有し、前記膨潤シートに前記容器内の電解液を吸収させ、前記膨潤シートを前記電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張させることを特徴とする。
【０００６】
本発明の蓄電デバイスは、２枚の前記膨潤シートが設けられ、一方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの一端面に対向して設けられ、他方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの他端面に対向して設けられることを特徴とする。
【０００７】
本発明の蓄電デバイスは、前記容器はフィルム材を用いて形成され、前記電極積層ユニットは前記容器の外側から加圧されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張する膨潤シートを設けている。これにより、蓄電デバイスを加圧する際には、電極積層ユニットの表面形状の影響を受けることなく、電極積層ユニットの各部位の加圧状態を均一にすることが可能となる。したがって、蓄電デバイスの性能を十分に発揮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】
【０００９】
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０を示す斜視図である。図２は蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す分解斜視図である。図３は図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す断面図である。
【００１０】
図１〜図３に示すように、蓄電デバイス１０は電極積層ユニット１１を収容する容器１２を有している。この容器１２はフィルム材であるラミネートフィルム１３によって形成されている。また、電極積層ユニット１１は、交互に積層される正極(電極)１４と負極(電極)１５とによって構成されている。正極１４と負極１５との間にはセパレータ１６が設けられている。また、電極積層ユニット１１の最外部には、リチウム極１７が負極１５に対向して配置されている。負極１５とリチウム極１７との間にはセパレータ１６が設けられている。さらに、電極積層ユニット１１を挟み込むように一対の膨潤シート１８，１９が設けられている。すなわち、一方の膨潤シート１８は、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向するように配置されている。また、他方の膨潤シート１９は、電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向するように配置されている。これらの膨潤シート１８，１９は、電解液を吸収して膨らむフッ素ゴム等を用いて薄板状に形成されている。なお、容器１２内に注入される電解液は、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒によって構成されている。
【００１１】
図４は蓄電デバイス１０の内部構造を部分的に拡大して示す断面図である。図４に示すように、正極１４は多数の貫通孔２０ａを備えた正極集電体２０を有している。この正極集電体２０には正極合材層２１が設けられている。なお、正極集電体２０の貫通孔２０ａ内に入り込むように正極合材層２１が形成されている。また、正極集電体２０には凸状に伸びる端子接続部２０ｂが設けられている。複数枚の端子接続部２０ｂは重ねた状態で互いに接合されている。さらに、互いに接合された端子接続部２０ｂには正極端子２２が接合されている。同様に、負極１５は多数の貫通孔２３ａを備えた負極集電体２３を有している。この負極集電体２３には負極合材層２４が設けられている。なお、負極集電体２３の貫通孔２３ａ内に入り込むように負極合材層２４が形成されている。また、負極集電体２３には凸状に伸びる端子接続部２３ｂが設けられている。複数枚の端子接続部２３ｂは重ねた状態で互いに接合されている。さらに、互いに接合された端子接続部２３ｂには負極端子２５が接合されている。
【００１２】
正極合材層２１には正極活物質として活性炭が含まれている。この活性炭にはリチウムイオンやアニオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングさせることが可能である。また、負極合材層２４には負極活物質としてポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)が含まれている。このＰＡＳにはリチウムイオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングさせることが可能である。このように、正極活物質として活性炭を採用し、負極活物質としてＰＡＳを採用することにより、図示する蓄電デバイス１０はリチウムイオンキャパシタとして機能することになる。なお、本発明が適用される蓄電デバイス１０としては、リチウムイオンキャパシタに限られることはなく、リチウムイオンバッテリや電気二重層キャパシタであっても良く、他の形式のバッテリやキャパシタであっても良い。なお、本明細書において、ドーピング(ドープ)とは、吸蔵、担持、吸着、挿入等を意味している。すなわち、ドープとは、正極活物質や負極活物質に対してリチウムイオン等が入る状態を意味している。また、脱ドーピング(脱ドープ)とは、放出、脱離等を意味している。すなわち、脱ドープとは、正極活物質や負極活物質からリチウムイオン等が出る状態を意味している。
【００１３】
前述したように、蓄電デバイス１０内にはリチウム極１７が組み込まれている。このリチウム極１７は、負極集電体２３の端子接続部２３ｂに接合されるリチウム極集電体２６を有している。また、リチウム極集電体２６にはイオン供給源としての金属リチウム箔２７が圧着されている。このように、負極１５とリチウム極１７とは電気的に接続される構造を有している。したがって、容器１２内に電解液を注入することにより、リチウム極１７から負極１５に対してリチウムイオンがドープ(以下、プレドープという)されることになる。また、正極集電体２０や負極集電体２３にはイオン通過用の貫通孔２０ａ，２３ａが形成されている。このため、リチウム極１７から放出されるリチウムイオンを積層方向に移動させることが可能である。これにより、積層される全ての負極１５に対してスムーズにリチウムイオンをプレドープすることが可能となる。
【００１４】
このように、リチウムイオンを負極１５に対してプレドープすることにより、負極電位を低下させることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０のセル電圧を高めることが可能となる。また、負極電位の低下によって正極１４を深く放電させることが可能となり、蓄電デバイス１０のセル容量(放電容量)を高めることが可能となる。さらに、負極１５にリチウムイオンをプレドープすることにより、負極１５の静電容量を高めることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の静電容量を高めることが可能となる。このように、蓄電デバイス１０のセル電圧、セル容量、静電容量を高めることができるため、蓄電デバイス１０のエネルギー密度を向上させることが可能となる。なお、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、正極１４と負極１５とを短絡させた後の正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下となるように、金属リチウム箔２７の量を設定することが好ましい。
【００１５】
以下、本発明の蓄電デバイス１０が備える膨潤シート１８，１９の機能について説明する。前述したように、蓄電デバイス１０の電極積層ユニット１１は、複数枚の正極１４と負極１５とを交互に積層した構造を有している。ここで、薄く形成される正極１４や負極１５には、所定の許容範囲内で、厚みムラ、傷、シワ等が発生する場合がある。このような所定のバラツキを有する正極１４や負極１５を用いることから、電極積層ユニット１１の表面には凹凸が形成されることになっていた。しかしながら、図示しない加圧板等によって電極積層ユニット１１を加圧する際には、電極積層ユニット１１の凹凸が加圧状態のバラツキを招く要因となっていた。
【００１６】
ここで、図５は膨潤シート１８，１９を備えていない従来の蓄電デバイス３０の加圧状態を示す説明図である。なお、図５に示す蓄電デバイス３０は、膨潤シート１８，１９以外の構成については前述した蓄電デバイス１０と同様の構成を有している。図５に示すように、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が生じてしまうと、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間に隙間Ｓが生じることになる。この状態のもとで、加圧板等によってラミネートフィルム１３の外側から電極積層ユニット１１を加圧した場合には、電極積層ユニット１１に作用する圧力が部位毎に変化することになる。すなわち、ラミネートフィルム１３に接触し易い凸部３１は強く押される一方、ラミネートフィルム１３に接触し難い凹部３２は弱く押されることになる。このように、電極積層ユニット１１の凹凸に起因する加圧状態のバラツキは、電極間距離や電解液分布の不均一を招くことから、蓄電デバイス３０の出力や容量を低下させる要因となっていた。
【００１７】
この問題を解消するため、本発明の蓄電デバイス１０には、膨潤シート１８，１９が組み込まれている。ここで、図６は蓄電デバイス１０に組み込まれる膨潤シート１９を部分的に拡大して示す断面図である。なお、図６には電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向する膨潤シート１９が示されているが、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向する膨潤シート１８も同様の構造を有している。図６に示すように、電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向するように、電極積層ユニット１１とラミネートフィルム１３との間には膨潤シート１９が設けられている。この膨潤シート１９はフッ素ゴム等によって構成されており、電解液を吸収して膨張する特性を有している。これにより、蓄電デバイス１０の製造過程において容器１２内に電解液が注入されると、電極積層ユニット１１の表面形状に沿って膨潤シート１９が膨張することになる。そして、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間の隙間Ｓは、膨らんだ膨潤シート１９によって埋められた状態となる。
【００１８】
ここで、図７は膨潤シート１８，１９が組み込まれた蓄電デバイス１０の加圧状態を示す説明図である。なお、図７には電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向する膨潤シート１９が示されているが、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向する膨潤シート１８も同様の機能を有している。図７に示すように、電解液を吸収して膨潤した膨潤シート１９により、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間の隙間Ｓが埋められている。このため、加圧板等によってラミネートフィルム１３の外側から加えられる圧力は、電極積層ユニット１１に対してほぼ均一に伝達されることになる。このように、膨潤シート１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１に対する加圧状態のバラツキを抑制することが可能となる。これにより、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が生じていた場合であっても、電極積層ユニット１１をほぼ均一に加圧することができ、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００１９】
さらに、電極積層ユニット１１の隙間Ｓを膨潤シート１８，１９によって埋めることにより、電極面内の各部位における電解液の分布状態を均一にすることが可能となる。これにより、電解液を大きく偏在させることがないため、金属リチウムの析出を防止することが可能となる。このように、蓄電デバイス１０に膨潤シート１８，１９を組み付けることにより、蓄電デバイス１０の安全性を向上させることが可能となる。また、膨潤シート１８，１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１の凹凸が容器表面に現れないため、蓄電デバイス１０の外形を安定させることが可能となる。
【００２０】
なお、前述の説明では、加圧板によって蓄電デバイス１０を加圧しているが、大気圧だけで蓄電デバイス１０を加圧する場合であっても、本発明を有効に適用することが可能である。蓄電デバイス１０を製造する際には、ラミネートフィルム１３によって電極積層ユニット１１を挟み込み、ラミネートフィルム１３の三辺を融着する。次いで、真空状態のもとでラミネートフィルム１３内に電解液を注入した後に、真空状態のもとでラミネートフィルム１３の開口部を融着する。すなわち、完成した蓄電デバイス１０の容器１２内は真空状態であることから、電極積層ユニット１１は大気圧によって外側から加圧されることになる。このように、大気圧だけで蓄電デバイス１０を加圧する場合であっても、膨潤シート１８，１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１に対する加圧状態を均一にすることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００２１】
以下、前述した蓄電デバイスの構成要素について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］正極、［Ｂ］負極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］リチウム極、［Ｅ］膨潤シート、［Ｆ］セパレータ、［Ｇ］電解液、［Ｈ］容器。
【００２２】
［Ａ］正極
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有している。蓄電デバイスをリチウムイオンキャパシタとして機能させる場合には、正極合材層に含まれる正極活物質として、リチウムイオン及び／又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質を採用することが可能である。すなわち、リチウムイオンとアニオンとの少なくともいずれか一方を可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を用いることが可能である。
【００２３】
例えば、活性炭は、アルカリ賦活処理され、かつ比表面積６００ｍ２／ｇ以上を有する活性炭粒子から形成することが好ましい。活性炭の原料としては、フェノール樹脂、石油ピッチ、石油コークス、ヤシガラ、石炭系コークス等が使用される。フェノール樹脂や石炭系コークスは比表面積を高くできるという理由から好適である。これらの活性炭のアルカリ賦活処理に使用されるアルカリ活性化剤は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属リチウムイオンの塩類または水酸化物が好ましい。中でも、水酸化カリウムが好適である。アルカリ賦活の方法は、例えば、炭化物と活性剤を混合した後、不活性ガス気流中で加熱することにより行う方法が挙げられる。また、活性炭の原材料に予め活性化剤を担持させた後加熱して、炭化および賦活の工程を行う方法が挙げられる。さらに、炭化物を水蒸気などのガス賦活法で賦活した後、アルカリ活性化剤で表面処理する方法も挙げられる。このようなアルカリ賦活処理が施された活性炭は、ボールミル等の既知の粉砕機を用いて粉砕される。活性炭の粒度としては、一般的に使用される広い範囲のものを使用することが可能である。例えば、Ｄ５０が２μｍ以上であり、好ましくは２〜５０μｍ、特に２〜２０μｍが最も好ましい。また、平均細孔径が好ましくは１０ｎｍ以下であり、比表面積が好ましくは６００〜３０００ｍ２／ｇである活性炭が好適である。中でも、８００ｍ２／ｇ以上、特には１３００〜２５００ｍ２／ｇであるのが好適である。
【００２４】
また、蓄電デバイスをリチウムイオンバッテリとして機能させる場合には、正極合材層に含まれる正極活物質として、ポリアニン等の導電性高分子や、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質を採用することが可能である。例えば、正極活物質として五酸化バナジウム(Ｖ２Ｏ５)やコバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２)を用いることが可能である。この他にも、ＬｉＸＣｏＯ２、ＬｉＸＮｉＯ２、ＬｉＸＭｎＯ２、ＬｉＸＦｅＯ２等のＬｉＸＭＹＯＺ(ｘ，ｙ，ｚは正の数、Ｍは金属、２種以上の金属でもよい)の一般式で表されうるリチウム含有金属酸化物、あるいはコバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニッケル等の遷移金属酸化物または硫化物を用いることも可能である。特に、高電圧を求める場合には、金属リチウムに対して４Ｖ以上の電位を有するリチウム含有酸化物を用いることが好ましい。例えば、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、あるいはリチウム含有コバルト−ニッケル複合酸化物が特に好適である。
【００２５】
前述した活性炭等の正極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この正極活物質をバインダーと混合して電極スラリーが形成される。そして、正極活物質を含有する電極スラリーを正極集電体に塗工して乾燥させることにより、正極集電体上に正極合材層が形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダー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、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極合材層に対して、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。
【００２６】
［Ｂ］負極
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有している。負極合材層に含まれる負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。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、珪素酸化物等を用いることが可能である。グラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)は高容量化を図ることができるため負極活物質として好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は、高容量化を図ることができるため負極活物質として好適である。このＰＡＳはポリアセン系骨格構造を有する。このＰＡＳの水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)は０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがある。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
【００２７】
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る。この負極活物質をバインダーと混合して電極スラリーが形成される。そして、負極活物質を含有する電極スラリーを、負極集電体に塗工して乾燥させることにより、負極集電体上に負極合材層が形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダーとしては、例えば、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、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)等のゴム系バインダーを用いることができる。これらの中でもフッ素系バインダーを用いることが好ましい。このフッ素系バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、エチレン−４フッ化エチレン共重合体、プロピレン−４フッ化エチレン共重合体等が挙げられる。また、負極合材層に対して、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。
【００２８】
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
正極集電体および負極集電体の材料としては、一般にバッテリやキャパシタに提案されている種々の材料を用いることが可能である。例えば、正極集電体の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。負極集電体の材料として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、前述した正極集電体や負極集電体の各部位における貫通孔開口率は、正極、負極、正極集電体、負極集電体、電極積層ユニットの構造等に応じて適宜設定される。なお、貫通孔の形状等について特に限定されることはない。
【００２９】
［Ｄ］リチウム極
リチウム極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタの集電体として提案されている種々の材料を用いることが可能である。これらの材料としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、リチウム極集電体として、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等の表裏面を貫く貫通孔を備えているものを使用しても良い。また、リチウム極集電体に貼り付けられる金属リチウム箔に代えて、リチウムイオンを放出することが可能なリチウム−アルミニウム合金等を用いても良い。
【００３０】
［Ｅ］膨潤シート
膨潤シートを構成する材料としては、電解液を吸収して膨らむ材料であれば良く、例えばフッ素ゴムを用いることが可能である。また、膨潤シートを形成するフッ素ゴムとしては、例えばバイトン(登録商標，デュポン パフォーマンス エラストマーズ エルエルシー)を用いることが可能である。
【００３１】
また、膨潤シートの膨潤方向としては、厚み方向(Ｚ方向，図２参照)であることが必要である。すなわち、積層型の蓄電デバイスに膨潤シートを組み込む場合には、膨潤シートを積層方向に膨張させることが必要である。これに対し、幅方向(Ｘ方向，図２参照)や長さ方向(Ｙ方向，図２参照)に対しては、厚み方向よりも膨張させないことが望ましい。可能であれば、幅方向や長さ方向に対して膨潤シートを膨張させないことが望ましい。さらに、膨潤シートの膨張率(膨潤後寸法／膨潤前寸法×１００)は、１００％よりも大きいことが好ましく、特に２００％以上であることが好ましい。
【００３２】
［Ｆ］セパレータ
セパレータとしては、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子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータの厚みは、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。なお、セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましい。
【００３３】
［Ｇ］電解液
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、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２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い。更には、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
また、有機溶媒に代えてイオン性液体(イオン液体)を用いても良い。イオン性液体は各種カチオン種とアニオン種の組み合わせが提案されている。カチオン種としては、例えば、ＮメチルＮプロピルピペリジニウム(ＰＰ１３)、１エチル３メチルイミダゾリウム(ＥＭＩ)、ジエチルメチル２メトキシエチルアンモニウム(ＤＥＭＥ)等が挙げられる。また、アニオン種としては、ビス(フルオロスルフォニル)イミド(ＦＳＩ)、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(ＴＦＳＩ)、ＰＦ６−、ＢＦ４−等が挙げられる。
【００３５】
［Ｈ］容器
容器を構成する材料としては、一般にバッテリやキャパシタに用いられる種々の材料を用いることができる。蓄電デバイス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が用いられる。
【００３６】
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、本発明が適用される蓄電デバイスとしては、前述したリチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリに限られることはなく、様々な形式のバッテリやキャパシタであっても良い。また、前述の説明では、電極積層ユニット１１を挟むように２枚の膨潤シート１８，１９を設けているが、これに限られることはなく、膨潤シートを１枚だけ設けるようにしても良い。さらに、前述の説明では、電極積層ユニット１１に対して直に膨潤シート１８，１９を設けるようにしているが、電極積層ユニット１１と膨潤シート１８，１９との間にセパレータを設けるようにしても良い。なお、前述の説明では、リチウム極から負極に対してリチウムイオンをプレドープしているが、リチウム極が組み込まれていない蓄電デバイスに対して本発明を適用しても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態である蓄電デバイスを示す斜視図である。
【図２】蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【図４】蓄電デバイスの内部構造を部分的に拡大して示す断面図である。
【図５】膨潤シートが組み込まれない従来の蓄電デバイスの加圧状態を示す説明図である。
【図６】蓄電デバイスに組み込まれる膨潤シートを部分的に拡大して示す断面図である。
【図７】膨潤シートが組み込まれた蓄電デバイスの加圧状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０ 蓄電デバイス
１１ 電極積層ユニット
１１ａ 一端面
１１ｂ 他端面
１２ 容器
１３ ラミネートフィルム(フィルム材)
１４ 正極(電極)
１５ 負極(電極)
１８，１９ 膨潤シート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットを備える蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される蓄電デバイスとして、リチウムイオンバッテリやリチウムイオンキャパシタ等がある。これらの蓄電デバイスは電極積層ユニットを有しており、電極積層ユニットは複数枚の電極を積層することによって構成されている(例えば、特許文献１参照)。また、電極積層ユニットを備える蓄電デバイスの性能を向上させるため、電極積層ユニットを積層方向に加圧する蓄電デバイスが提案されている。電極積層ユニットを加圧することにより、電極間距離を縮めて内部抵抗を引き下げることが可能となる。また、電極積層ユニットを加圧することにより、電極間距離を均一にして内部抵抗のバラツキを抑えることが可能となる。このように、電極積層ユニットを加圧することにより、蓄電デバイスの性能を十分に発揮させることが可能となっている。
【特許文献１】特開２００６−２８６９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、電極は極めて薄く形成されることから、電極を全く同じ品質で製造することは困難であった。このため、電極積層ユニットを構成する電極には、所定の許容範囲内で、厚みムラ、傷、シワ等が発生することになる。しかしながら、このような電極品質のバラツキは、電極積層ユニットの表面に凹凸を生じさせる要因となる。そして、電極積層ユニットの凹凸は、加圧板等による電極積層ユニットの加圧状態を部位毎に変動させる要因となる。このように、加圧状態にバラツキが生じることは、蓄電デバイスの出力低下や容量低下を招く要因となっていた。
【０００４】
本発明の目的は、電極品質にバラツキが生じた場合であっても、蓄電デバイスの性能を十分に発揮させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の蓄電デバイスは、複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットと、前記電極積層ユニットに対向して設けられる膨潤シートと、前記電極積層ユニットおよび前記膨潤シートを収容する容器とを有し、前記膨潤シートに前記容器内の電解液を吸収させ、前記膨潤シートを前記電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張させることを特徴とする。
【０００６】
本発明の蓄電デバイスは、２枚の前記膨潤シートが設けられ、一方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの一端面に対向して設けられ、他方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの他端面に対向して設けられることを特徴とする。
【０００７】
本発明の蓄電デバイスは、前記容器はフィルム材を用いて形成され、前記電極積層ユニットは前記容器の外側から加圧されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張する膨潤シートを設けている。これにより、蓄電デバイスを加圧する際には、電極積層ユニットの表面形状の影響を受けることなく、電極積層ユニットの各部位の加圧状態を均一にすることが可能となる。したがって、蓄電デバイスの性能を十分に発揮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】
【０００９】
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０を示す斜視図である。図２は蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す分解斜視図である。図３は図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す断面図である。
【００１０】
図１〜図３に示すように、蓄電デバイス１０は電極積層ユニット１１を収容する容器１２を有している。この容器１２はフィルム材であるラミネートフィルム１３によって形成されている。また、電極積層ユニット１１は、交互に積層される正極(電極)１４と負極(電極)１５とによって構成されている。正極１４と負極１５との間にはセパレータ１６が設けられている。また、電極積層ユニット１１の最外部には、リチウム極１７が負極１５に対向して配置されている。負極１５とリチウム極１７との間にはセパレータ１６が設けられている。さらに、電極積層ユニット１１を挟み込むように一対の膨潤シート１８，１９が設けられている。すなわち、一方の膨潤シート１８は、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向するように配置されている。また、他方の膨潤シート１９は、電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向するように配置されている。これらの膨潤シート１８，１９は、電解液を吸収して膨らむフッ素ゴム等を用いて薄板状に形成されている。なお、容器１２内に注入される電解液は、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒によって構成されている。
【００１１】
図４は蓄電デバイス１０の内部構造を部分的に拡大して示す断面図である。図４に示すように、正極１４は多数の貫通孔２０ａを備えた正極集電体２０を有している。この正極集電体２０には正極合材層２１が設けられている。なお、正極集電体２０の貫通孔２０ａ内に入り込むように正極合材層２１が形成されている。また、正極集電体２０には凸状に伸びる端子接続部２０ｂが設けられている。複数枚の端子接続部２０ｂは重ねた状態で互いに接合されている。さらに、互いに接合された端子接続部２０ｂには正極端子２２が接合されている。同様に、負極１５は多数の貫通孔２３ａを備えた負極集電体２３を有している。この負極集電体２３には負極合材層２４が設けられている。なお、負極集電体２３の貫通孔２３ａ内に入り込むように負極合材層２４が形成されている。また、負極集電体２３には凸状に伸びる端子接続部２３ｂが設けられている。複数枚の端子接続部２３ｂは重ねた状態で互いに接合されている。さらに、互いに接合された端子接続部２３ｂには負極端子２５が接合されている。
【００１２】
正極合材層２１には正極活物質として活性炭が含まれている。この活性炭にはリチウムイオンやアニオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングさせることが可能である。また、負極合材層２４には負極活物質としてポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)が含まれている。このＰＡＳにはリチウムイオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングさせることが可能である。このように、正極活物質として活性炭を採用し、負極活物質としてＰＡＳを採用することにより、図示する蓄電デバイス１０はリチウムイオンキャパシタとして機能することになる。なお、本発明が適用される蓄電デバイス１０としては、リチウムイオンキャパシタに限られることはなく、リチウムイオンバッテリや電気二重層キャパシタであっても良く、他の形式のバッテリやキャパシタであっても良い。なお、本明細書において、ドーピング(ドープ)とは、吸蔵、担持、吸着、挿入等を意味している。すなわち、ドープとは、正極活物質や負極活物質に対してリチウムイオン等が入る状態を意味している。また、脱ドーピング(脱ドープ)とは、放出、脱離等を意味している。すなわち、脱ドープとは、正極活物質や負極活物質からリチウムイオン等が出る状態を意味している。
【００１３】
前述したように、蓄電デバイス１０内にはリチウム極１７が組み込まれている。このリチウム極１７は、負極集電体２３の端子接続部２３ｂに接合されるリチウム極集電体２６を有している。また、リチウム極集電体２６にはイオン供給源としての金属リチウム箔２７が圧着されている。このように、負極１５とリチウム極１７とは電気的に接続される構造を有している。したがって、容器１２内に電解液を注入することにより、リチウム極１７から負極１５に対してリチウムイオンがドープ(以下、プレドープという)されることになる。また、正極集電体２０や負極集電体２３にはイオン通過用の貫通孔２０ａ，２３ａが形成されている。このため、リチウム極１７から放出されるリチウムイオンを積層方向に移動させることが可能である。これにより、積層される全ての負極１５に対してスムーズにリチウムイオンをプレドープすることが可能となる。
【００１４】
このように、リチウムイオンを負極１５に対してプレドープすることにより、負極電位を低下させることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０のセル電圧を高めることが可能となる。また、負極電位の低下によって正極１４を深く放電させることが可能となり、蓄電デバイス１０のセル容量(放電容量)を高めることが可能となる。さらに、負極１５にリチウムイオンをプレドープすることにより、負極１５の静電容量を高めることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の静電容量を高めることが可能となる。このように、蓄電デバイス１０のセル電圧、セル容量、静電容量を高めることができるため、蓄電デバイス１０のエネルギー密度を向上させることが可能となる。なお、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、正極１４と負極１５とを短絡させた後の正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下となるように、金属リチウム箔２７の量を設定することが好ましい。
【００１５】
以下、本発明の蓄電デバイス１０が備える膨潤シート１８，１９の機能について説明する。前述したように、蓄電デバイス１０の電極積層ユニット１１は、複数枚の正極１４と負極１５とを交互に積層した構造を有している。ここで、薄く形成される正極１４や負極１５には、所定の許容範囲内で、厚みムラ、傷、シワ等が発生する場合がある。このような所定のバラツキを有する正極１４や負極１５を用いることから、電極積層ユニット１１の表面には凹凸が形成されることになっていた。しかしながら、図示しない加圧板等によって電極積層ユニット１１を加圧する際には、電極積層ユニット１１の凹凸が加圧状態のバラツキを招く要因となっていた。
【００１６】
ここで、図５は膨潤シート１８，１９を備えていない従来の蓄電デバイス３０の加圧状態を示す説明図である。なお、図５に示す蓄電デバイス３０は、膨潤シート１８，１９以外の構成については前述した蓄電デバイス１０と同様の構成を有している。図５に示すように、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が生じてしまうと、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間に隙間Ｓが生じることになる。この状態のもとで、加圧板等によってラミネートフィルム１３の外側から電極積層ユニット１１を加圧した場合には、電極積層ユニット１１に作用する圧力が部位毎に変化することになる。すなわち、ラミネートフィルム１３に接触し易い凸部３１は強く押される一方、ラミネートフィルム１３に接触し難い凹部３２は弱く押されることになる。このように、電極積層ユニット１１の凹凸に起因する加圧状態のバラツキは、電極間距離や電解液分布の不均一を招くことから、蓄電デバイス３０の出力や容量を低下させる要因となっていた。
【００１７】
この問題を解消するため、本発明の蓄電デバイス１０には、膨潤シート１８，１９が組み込まれている。ここで、図６は蓄電デバイス１０に組み込まれる膨潤シート１９を部分的に拡大して示す断面図である。なお、図６には電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向する膨潤シート１９が示されているが、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向する膨潤シート１８も同様の構造を有している。図６に示すように、電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向するように、電極積層ユニット１１とラミネートフィルム１３との間には膨潤シート１９が設けられている。この膨潤シート１９はフッ素ゴム等によって構成されており、電解液を吸収して膨張する特性を有している。これにより、蓄電デバイス１０の製造過程において容器１２内に電解液が注入されると、電極積層ユニット１１の表面形状に沿って膨潤シート１９が膨張することになる。そして、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間の隙間Ｓは、膨らんだ膨潤シート１９によって埋められた状態となる。
【００１８】
ここで、図７は膨潤シート１８，１９が組み込まれた蓄電デバイス１０の加圧状態を示す説明図である。なお、図７には電極積層ユニット１１の他端面１１ｂに対向する膨潤シート１９が示されているが、電極積層ユニット１１の一端面１１ａに対向する膨潤シート１８も同様の機能を有している。図７に示すように、電解液を吸収して膨潤した膨潤シート１９により、ラミネートフィルム１３と電極積層ユニット１１との間の隙間Ｓが埋められている。このため、加圧板等によってラミネートフィルム１３の外側から加えられる圧力は、電極積層ユニット１１に対してほぼ均一に伝達されることになる。このように、膨潤シート１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１に対する加圧状態のバラツキを抑制することが可能となる。これにより、電極積層ユニット１１の表面に凹凸が生じていた場合であっても、電極積層ユニット１１をほぼ均一に加圧することができ、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００１９】
さらに、電極積層ユニット１１の隙間Ｓを膨潤シート１８，１９によって埋めることにより、電極面内の各部位における電解液の分布状態を均一にすることが可能となる。これにより、電解液を大きく偏在させることがないため、金属リチウムの析出を防止することが可能となる。このように、蓄電デバイス１０に膨潤シート１８，１９を組み付けることにより、蓄電デバイス１０の安全性を向上させることが可能となる。また、膨潤シート１８，１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１の凹凸が容器表面に現れないため、蓄電デバイス１０の外形を安定させることが可能となる。
【００２０】
なお、前述の説明では、加圧板によって蓄電デバイス１０を加圧しているが、大気圧だけで蓄電デバイス１０を加圧する場合であっても、本発明を有効に適用することが可能である。蓄電デバイス１０を製造する際には、ラミネートフィルム１３によって電極積層ユニット１１を挟み込み、ラミネートフィルム１３の三辺を融着する。次いで、真空状態のもとでラミネートフィルム１３内に電解液を注入した後に、真空状態のもとでラミネートフィルム１３の開口部を融着する。すなわち、完成した蓄電デバイス１０の容器１２内は真空状態であることから、電極積層ユニット１１は大気圧によって外側から加圧されることになる。このように、大気圧だけで蓄電デバイス１０を加圧する場合であっても、膨潤シート１８，１９を組み込むことにより、電極積層ユニット１１に対する加圧状態を均一にすることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【００２１】
以下、前述した蓄電デバイスの構成要素について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］正極、［Ｂ］負極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］リチウム極、［Ｅ］膨潤シート、［Ｆ］セパレータ、［Ｇ］電解液、［Ｈ］容器。
【００２２】
［Ａ］正極
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有している。蓄電デバイスをリチウムイオンキャパシタとして機能させる場合には、正極合材層に含まれる正極活物質として、リチウムイオン及び／又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質を採用することが可能である。すなわち、リチウムイオンとアニオンとの少なくともいずれか一方を可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を用いることが可能である。
【００２３】
例えば、活性炭は、アルカリ賦活処理され、かつ比表面積６００ｍ２／ｇ以上を有する活性炭粒子から形成することが好ましい。活性炭の原料としては、フェノール樹脂、石油ピッチ、石油コークス、ヤシガラ、石炭系コークス等が使用される。フェノール樹脂や石炭系コークスは比表面積を高くできるという理由から好適である。これらの活性炭のアルカリ賦活処理に使用されるアルカリ活性化剤は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属リチウムイオンの塩類または水酸化物が好ましい。中でも、水酸化カリウムが好適である。アルカリ賦活の方法は、例えば、炭化物と活性剤を混合した後、不活性ガス気流中で加熱することにより行う方法が挙げられる。また、活性炭の原材料に予め活性化剤を担持させた後加熱して、炭化および賦活の工程を行う方法が挙げられる。さらに、炭化物を水蒸気などのガス賦活法で賦活した後、アルカリ活性化剤で表面処理する方法も挙げられる。このようなアルカリ賦活処理が施された活性炭は、ボールミル等の既知の粉砕機を用いて粉砕される。活性炭の粒度としては、一般的に使用される広い範囲のものを使用することが可能である。例えば、Ｄ５０が２μｍ以上であり、好ましくは２〜５０μｍ、特に２〜２０μｍが最も好ましい。また、平均細孔径が好ましくは１０ｎｍ以下であり、比表面積が好ましくは６００〜３０００ｍ２／ｇである活性炭が好適である。中でも、８００ｍ２／ｇ以上、特には１３００〜２５００ｍ２／ｇであるのが好適である。
【００２４】
また、蓄電デバイスをリチウムイオンバッテリとして機能させる場合には、正極合材層に含まれる正極活物質として、ポリアニン等の導電性高分子や、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質を採用することが可能である。例えば、正極活物質として五酸化バナジウム(Ｖ２Ｏ５)やコバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２)を用いることが可能である。この他にも、ＬｉＸＣｏＯ２、ＬｉＸＮｉＯ２、ＬｉＸＭｎＯ２、ＬｉＸＦｅＯ２等のＬｉＸＭＹＯＺ(ｘ，ｙ，ｚは正の数、Ｍは金属、２種以上の金属でもよい)の一般式で表されうるリチウム含有金属酸化物、あるいはコバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニッケル等の遷移金属酸化物または硫化物を用いることも可能である。特に、高電圧を求める場合には、金属リチウムに対して４Ｖ以上の電位を有するリチウム含有酸化物を用いることが好ましい。例えば、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、あるいはリチウム含有コバルト−ニッケル複合酸化物が特に好適である。
【００２５】
前述した活性炭等の正極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この正極活物質をバインダーと混合して電極スラリーが形成される。そして、正極活物質を含有する電極スラリーを正極集電体に塗工して乾燥させることにより、正極集電体上に正極合材層が形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダー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、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極合材層に対して、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。
【００２６】
［Ｂ］負極
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有している。負極合材層に含まれる負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。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、珪素酸化物等を用いることが可能である。グラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)は高容量化を図ることができるため負極活物質として好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は、高容量化を図ることができるため負極活物質として好適である。このＰＡＳはポリアセン系骨格構造を有する。このＰＡＳの水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)は０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがある。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
【００２７】
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る。この負極活物質をバインダーと混合して電極スラリーが形成される。そして、負極活物質を含有する電極スラリーを、負極集電体に塗工して乾燥させることにより、負極集電体上に負極合材層が形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダーとしては、例えば、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、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)等のゴム系バインダーを用いることができる。これらの中でもフッ素系バインダーを用いることが好ましい。このフッ素系バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、エチレン−４フッ化エチレン共重合体、プロピレン−４フッ化エチレン共重合体等が挙げられる。また、負極合材層に対して、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。
【００２８】
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
正極集電体および負極集電体の材料としては、一般にバッテリやキャパシタに提案されている種々の材料を用いることが可能である。例えば、正極集電体の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。負極集電体の材料として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、前述した正極集電体や負極集電体の各部位における貫通孔開口率は、正極、負極、正極集電体、負極集電体、電極積層ユニットの構造等に応じて適宜設定される。なお、貫通孔の形状等について特に限定されることはない。
【００２９】
［Ｄ］リチウム極
リチウム極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタの集電体として提案されている種々の材料を用いることが可能である。これらの材料としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、リチウム極集電体として、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等の表裏面を貫く貫通孔を備えているものを使用しても良い。また、リチウム極集電体に貼り付けられる金属リチウム箔に代えて、リチウムイオンを放出することが可能なリチウム−アルミニウム合金等を用いても良い。
【００３０】
［Ｅ］膨潤シート
膨潤シートを構成する材料としては、電解液を吸収して膨らむ材料であれば良く、例えばフッ素ゴムを用いることが可能である。また、膨潤シートを形成するフッ素ゴムとしては、例えばバイトン(登録商標，デュポン パフォーマンス エラストマーズ エルエルシー)を用いることが可能である。
【００３１】
また、膨潤シートの膨潤方向としては、厚み方向(Ｚ方向，図２参照)であることが必要である。すなわち、積層型の蓄電デバイスに膨潤シートを組み込む場合には、膨潤シートを積層方向に膨張させることが必要である。これに対し、幅方向(Ｘ方向，図２参照)や長さ方向(Ｙ方向，図２参照)に対しては、厚み方向よりも膨張させないことが望ましい。可能であれば、幅方向や長さ方向に対して膨潤シートを膨張させないことが望ましい。さらに、膨潤シートの膨張率(膨潤後寸法／膨潤前寸法×１００)は、１００％よりも大きいことが好ましく、特に２００％以上であることが好ましい。
【００３２】
［Ｆ］セパレータ
セパレータとしては、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子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータの厚みは、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。なお、セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましい。
【００３３】
［Ｇ］電解液
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、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２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い。更には、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
また、有機溶媒に代えてイオン性液体(イオン液体)を用いても良い。イオン性液体は各種カチオン種とアニオン種の組み合わせが提案されている。カチオン種としては、例えば、ＮメチルＮプロピルピペリジニウム(ＰＰ１３)、１エチル３メチルイミダゾリウム(ＥＭＩ)、ジエチルメチル２メトキシエチルアンモニウム(ＤＥＭＥ)等が挙げられる。また、アニオン種としては、ビス(フルオロスルフォニル)イミド(ＦＳＩ)、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(ＴＦＳＩ)、ＰＦ６−、ＢＦ４−等が挙げられる。
【００３５】
［Ｈ］容器
容器を構成する材料としては、一般にバッテリやキャパシタに用いられる種々の材料を用いることができる。蓄電デバイス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が用いられる。
【００３６】
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、本発明が適用される蓄電デバイスとしては、前述したリチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリに限られることはなく、様々な形式のバッテリやキャパシタであっても良い。また、前述の説明では、電極積層ユニット１１を挟むように２枚の膨潤シート１８，１９を設けているが、これに限られることはなく、膨潤シートを１枚だけ設けるようにしても良い。さらに、前述の説明では、電極積層ユニット１１に対して直に膨潤シート１８，１９を設けるようにしているが、電極積層ユニット１１と膨潤シート１８，１９との間にセパレータを設けるようにしても良い。なお、前述の説明では、リチウム極から負極に対してリチウムイオンをプレドープしているが、リチウム極が組み込まれていない蓄電デバイスに対して本発明を適用しても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態である蓄電デバイスを示す斜視図である。
【図２】蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【図４】蓄電デバイスの内部構造を部分的に拡大して示す断面図である。
【図５】膨潤シートが組み込まれない従来の蓄電デバイスの加圧状態を示す説明図である。
【図６】蓄電デバイスに組み込まれる膨潤シートを部分的に拡大して示す断面図である。
【図７】膨潤シートが組み込まれた蓄電デバイスの加圧状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０ 蓄電デバイス
１１ 電極積層ユニット
１１ａ 一端面
１１ｂ 他端面
１２ 容器
１３ ラミネートフィルム(フィルム材)
１４ 正極(電極)
１５ 負極(電極)
１８，１９ 膨潤シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットと、
前記電極積層ユニットに対向して設けられる膨潤シートと、
前記電極積層ユニットおよび前記膨潤シートを収容する容器とを有し、
前記膨潤シートに前記容器内の電解液を吸収させ、前記膨潤シートを前記電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張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、
２枚の前記膨潤シートが設けられ、一方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの一端面に対向して設けられ、他方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの他端面に対向して設けられることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記容器はフィルム材を用いて形成され、前記電極積層ユニットは前記容器の外側から加圧されることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項１】
複数枚の電極が重ねられる電極積層ユニットと、
前記電極積層ユニットに対向して設けられる膨潤シートと、
前記電極積層ユニットおよび前記膨潤シートを収容する容器とを有し、
前記膨潤シートに前記容器内の電解液を吸収させ、前記膨潤シートを前記電極積層ユニットの表面形状に沿って膨張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、
２枚の前記膨潤シートが設けられ、一方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの一端面に対向して設けられ、他方の前記膨潤シートは前記電極積層ユニットの他端面に対向して設けられることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記容器はフィルム材を用いて形成され、前記電極積層ユニットは前記容器の外側から加圧され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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１２３３５７（Ｐ２０１０−１２３３５７Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９５０９５（Ｐ２００８−２９５０９５）
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【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２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【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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