蓄電デバイス
【課題】正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有する蓄電デバイスを提供すること。
【解決手段】リチウムイオンキャパシタの電極群１１は、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を使用して形成される。電極群１１は、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有している。電極群１１において、正極２１の電極面積を負極３１の電極面積より小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。
【解決手段】リチウムイオンキャパシタの電極群１１は、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を使用して形成される。電極群１１は、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有している。電極群１１において、正極２１の電極面積を負極３１の電極面積より小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を備えた蓄電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
【０００３】
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている（特許文献１等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極をロール状に巻いて構成する捲回タイプと板状の電極を積層して構成する積層タイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電モジュールを構成するためには、積層タイプのキャパシタが用いられる。
【０００４】
積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、図１４及び図１５に示されるように、平板状の正極６１、負極６２及びセパレータ６３を使用し、それら正極６１と負極６２とをセパレータ６３を介して交互に積層することで電極群６５を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２７０２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６１２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、各極６１，６２及びセパレータ６３を１枚ずつ積み重ねて電極群６５を形成する必要があるため、その形成工程が複雑となり時間がかかる。具体的には、積層タイプの電極群６５を形成する場合、捲回タイプと比較して３倍以上の時間がかかってしまう。
【０００７】
一方、捲回タイプのリチウムイオンキャパシタは、生産性が高いが、円筒状の電極群の端部に外部端子を接続して集電を図る構造であるため、電気抵抗が高くなり高出力には不向きである。さらに、電極群が円筒形状となると、外部端子を接続し難いといった問題も生じていた。
【０００８】
そこで、本発明者らは、帯状の正極、帯状のセパレータ及び平板状の複数枚の負極を使用して電極群を構成したリチウムイオンキャパシタを提案している（特許文献２参照）。特許文献２のリチウムイオンキャパシタでは、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の正極の平旦部間にセパレータを介して負極を挟み込んで電極群を作製している。このようにすると、電極群の形成工程が簡素化される。
【０００９】
ところが、リチウムイオンキャパシタの容量は、正極の容量に依存する。このため、正極を扁平ロール状に捲回したり蛇腹状に折り畳んだりして電極群を構成すると、正極の容量がバラツキ、製品規格内の容量を有するキャパシタを形成することが困難となる。また、正極の電極面積よりも負極の電極面積が小さくなるため、負極の端部に電流集中が起きやすく、リチウム金属が析出しやすくなってしまう。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有する蓄電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための手段［１］〜［４］を以下に列挙する。
【００１２】
［１］収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とする蓄電デバイス。
【００１３】
手段１に記載の発明によると、帯状の負極及び帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、負極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。本発明の電極群では、曲がりのない平板状に形成された複数枚の正極が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極の容量バラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有する蓄電デバイスを確実に形成することができる。また、負極の電極面積が正極の電極面積よりも大きく負極の外周が正極の外周より外側にあるために、負極での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。さらに、電極群を構成する負極の平旦部及び平板状の正極に対して外部端子を容易に接続することができる。また、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れた蓄電デバイスを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１４】
［２］収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とする蓄電デバイス。
【００１５】
手段２に記載の発明によると、帯状の負極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回して電極群が形成されているので、負極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。本発明の電極群では、曲がりのない平板状に形成された複数枚の正極が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極の容量のバラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有する蓄電デバイスを確実に形成することができる。また、負極の電極面積が正極の電極面積よりも大きく負極の外周が正極の外周より外側にあるために、負極での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。さらに、電極群を構成する負極の平旦部及び平板状の正極に対して外部電極を容易に接続することができる。また、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れた蓄電デバイスを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１６】
［３］手段１または２において、前記正極の厚みは、前記負極の厚みの２倍以上であることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１７】
手段３に記載の発明によると、正極よりも薄く形成された負極を扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むようにしているので、電極群を容易に形成することができる。
【００１８】
［４］前記電解液はリチウム塩を含み、前記正極電極は炭素材料からなり、前記負極電極はリチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１９】
手段４に記載の発明によると、正極と負極とに炭素材料を使用したリチウムイオンキャパシタを実現することができる。このリチウムイオンキャパシタでは、負極にリチウムイオンを担持させるが、負極が帯状に繋がっているので、負極の電位が均一になりやすく、さらにリチウムイオンのドープも短時間で行うことができる。特に、手段１のように電極群を蛇腹状に形成する場合、側面の電極が少なくなるため、リチウムイオンのドープ量を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上詳述したように、手段１乃至４に記載の発明によると、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有する蓄電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す側面図。
【図２】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図３】第１の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図４】図３の電極群におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図５】正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図６】正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図８】第２の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図１１】別の実施の形態の負極を示す平面図。
【図１２】別の実施の形態の電極群を示す平面図。
【図１３】別の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図１４】従来の正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図１５】従来の電極群を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を蓄電デバイスとしてのリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ１０を示す側面図であり、図２はそのリチウムイオンキャパシタ１０の平面図である。また、図３は、上記リチウムイオンキャパシタ１０を構成する電極群１１を示す断面図であり、図４は、図３の電極群１１におけるＡ−Ａ線での断面図である。さらに、図５は、電極群１１を構成する正極２１、負極３１及びセパレータ４１を示す平面図である。
【００２３】
図１〜図５に示されるように、本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０は、正極２１と負極３１とそれら正極２１及び負極３１の間に介在されるセパレータ４１とからなる電極群１１を備える。本実施の形態の電極群１１は、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有している。そして、その電極群１１が電解質とともに容器５１（収容体）内に密閉収容されている。
【００２４】
正極２１は、８０μｍ程度の厚さであり、炭素材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している（図５参照）。本実施の形態では、正極集電体２３は、タブ２４を有する矩形平板状に形成されており、その正極集電体２３上において、タブ２４の部分を残した状態で平面状に正極電極２２が塗工されている。
【００２５】
正極電極２２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された活性炭等が挙げられる。このような炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２６】
上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。
【００２７】
上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。
【００２８】
上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。
【００２９】
蛇腹状に折り畳んだ電極群１１において、正極集電体２３におけるタブ２４の部分（正極電極２２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の折り畳み部分から突出している。この正極集電体２３のタブ２４に、導電性金属材料からなる正極用外部端子２５が溶接により接合される。
【００３０】
負極３１は、３０μｍ程度の厚さであり、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。本実施の形態では、帯状の負極集電体３３上において、一方の端部を長手方向に沿ってライン状に残した状態で平面状に負極電極３２が塗工されている。なお、リチウムイオンを供給する金属としては、リチウム金属単体のみを指すばかりでなく、リチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することができる物質全てを広く指している。
【００３１】
負極電極３２の形成材料の具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ２ＳｎＯ３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ０．４Ｂ０．６Ｏ２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。
【００３２】
負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。
【００３３】
負極集電体３３は負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。また、負極集電体３３として多孔質体を用いると、リチウムイオンのプレドープの効率を高めることが可能となる。
【００３４】
この電極群１１において、負極集電体３３における一方の端部３４（負極電極３２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の折り畳み部分から突出している。この負極集電体３３の一方の端部３４に、導電性金属材料からなる負極用外部端子３５が溶接により接合される。
【００３５】
また、電極群１１の所定部位（例えば、外部端子側の上下の各部位）には、リチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部にはプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。
【００３６】
本実施の形態の電極群１１において、負極３１の平旦部の電極面積よりも正極２１の電極面積を小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。また、本実施の形態の電極群１１では、正極２１の端部から離間した位置で帯状のセパレータ４１及び負極３１を折り畳むようにしている。さらに、その蛇腹状に折り畳んだ負極３１において、平坦部の端部に位置する屈曲部は、折り目のない湾曲状に屈曲した形状を有している。
【００３７】
負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、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４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００３８】
かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。
【００３９】
リチウムイオンキャパシタ１０の容器５１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。
【００４０】
このようにして容器５１内に電極群１１を収容した場合、容器５１における一方の端部（図１では左側の端部）から正極用外部端子２５が引き出され、他方の端部（図１では右側の端部）から負極用外部端子３５が引き出される。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルムを用いて、容器５１を形成してもよい。
【００４１】
次に、上述したリチウムイオンキャパシタ１０の製造方法について説明する。
【００４２】
先ず、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を準備する(図５参照)。
【００４３】
正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、平板状の正極２１とする。負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、帯状の負極３１とする。さらに、セパレータ原紙を切断することで帯状のセパレータ４１とする。
【００４４】
そして、図６に示されるように、負極３１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら負極３１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして蛇腹状に折り畳む。このとき、図７に示されるように、負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込みながら負極３１及びセパレータ４１を折り畳む。ここでは、正極２１の端部から離間した位置でセパレータ４１及び負極３１を折り曲げる。この際、平坦部の端部に折り目がつかないようにセパレータ４１及び負極３１を湾曲状に屈曲させる。これを繰り返すことにより、図３及び図４に示されるような蛇腹状に折り畳んだ電極群１１（言い換えるとつづら折り状の電極群１１）が作製される。なお、本実施形態のような蛇腹状の電極群１１であると、正極２１及び負極３１の平坦面に対して垂直な方向（即ち電極群厚さ方向）に押圧力を加えることが可能な構造となるため、従来の円筒ロール状の電極群とは異なり高出力化を達成しやすくなる。
【００４５】
この後、正極集電体２３のタブ２４に正極用外部端子２５を超音波溶接し、かつ、負極集電体３３の端部３４に負極用外部端子３５を超音波溶接する。次に、容器５１の中に端子付きの電極群１１を収容して開口部を閉じる。またこのとき、電極群１１の上下にリチウム金属を配置して容器５１内に収納する。この後、真空引きを行いつつ有機電解質を注入し、容器５１内の収容空間を有機電解質で確実に満たすようにする。さらに、容器５１を密閉して所定時間保持し、リチウムイオンのプレドープを進行させる。以上の結果、図１に示すリチウムイオンキャパシタ１０が完成する。
【００４６】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４７】
（１）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むことで電極群１１が形成されている。このようにすると、負極６２やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせて電極群６５（図１５参照）を形成する従来のキャパシタと比較して、形成工程を簡素化することができる。具体的には、図１５の電極群６５を製造する場合、各極６１，６２を積載するための積載ロボットが２台必要となる。これに対して、本実施の形態では、正極２１のみを１枚ずつ積載すればよいため、積載ロボットが１台ですみ、製造装置の構成を簡素化することができる。また、電極群１１では、平板状に形成された複数枚の正極２１が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極２１の容量のバラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有するキャパシタを確実に形成することができる。さらに、負極３１の電極面積が正極２１の電極面積よりも大きく負極３１の外周が正極２１の外周より外側にあるために、負極３１での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。
【００４８】
（２）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１を構成する負極３１の平旦部及び平板状の正極２１に対して外部端子３５，２５を容易に接続することができる。また、電極群１１は正極２１と負極３１とがセパレータ４１を介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群１１を蛇腹状にしたことで、電極群１１の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００４９】
（３）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１を構成する正極２１の厚みが負極３１の厚みの２倍以上である。このリチウムイオンキャパシタ１０において、正極２１よりも薄く形成された負極３１を蛇腹状に折り畳むようにしているので、電極群１１を容易に形成することができる。また、リチウムイオンキャパシタ１０では、負極３１が帯状に繋がっているので、負極３１の電位が均一になりやすく、さらにリチウムイオンのドープも短時間で行うことができる。
【００５０】
（４）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１の側面部において、折り目がつかないように湾曲状に屈曲させて負極３１を折り畳むようにしているため、負極３１の厚さバラツキが抑制されて電流集中が起きにくくなる。また、負極３１を折り畳む工程において、正確な位置で折り目をつける必要がないため、作業効率を高めることができる。
【００５１】
（５）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、電極群１１の側面部では、負極３１が折り曲げられているため、負極３１の厚さが不均一となる場合がある。この電極群１１の側面部は、正極２１及び負極３１が対向しない部分であり、容量に寄与しない不要部分である。特に、本実施の形態では、正極２１の端部から離間した位置で負極３１を折り曲げるようにしている。この場合、負極３１の折り曲げ部分で電流集中が起きてリチウム金属が析出したとしても、その析出部分には正極２１が対向しないため、キャパシタ性能が悪化するといった問題が回避される。
［第２の実施の形態］
【００５２】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８及び図９に基づき説明する。本実施の形態では、電極群１１Ａの形成方法が上記第１の実施の形態と異なり、それ以外は、第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０と同じである。
【００５３】
具体的には、図８に示されるように、本実施の形態の電極群１１Ａは、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有する。
【００５４】
本実施の形態の電極群１１Ａを形成する場合も、上記第１の実施の形態と同様に、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を使用する（図５参照）。そして、図９に示されるように、負極３１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら負極３１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして扁平ロール状に捲回する。このとき、負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込みながら負極３１及びセパレータ４１を順次巻いていく。これを繰り返すことにより、図８に示されるような扁平ロール状の電極群１１Ａが作製される。
【００５５】
本実施の形態のように電極群１１Ａを形成した場合でも、従来技術のように正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせる必要がないため、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１Ａにおいて、負極３１の平旦部の電極面積よりも正極２１の電極面積を小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。このようにすると、高出力化を阻害する一原因である電流集中が起こりにくく、リチウム金属の析出を避けることができる。
【００５６】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５７】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５が互いに反対方向に引き出されていたが、これに限定するものではない。具体的には、例えば、図１０に示されるリチウムイオンキャパシタ１０Ａのように、容器５１の同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出す構成としてもよい。なお、図１０のリチウムイオンキャパシタ１０Ａにおいて、電極群１１の構成は、第１の実施の形態と同じであり、外部端子２５，３５を引き出す方向が容器５１の左右方向ではなく、容器５１の上方に変更されている。
【００５８】
また、図１１に示されるように、帯状の負極集電体３３上において、負極電極３２が塗工されていないライン状の端部に切り込みを入れ、タブ状の電極未塗工部３４を有する負極３１Ａを用いてもよい。具体的には、図１１の負極３１Ａとセパレータ４１とを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、負極３１Ａの平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込んで図１２に示すような電極群１１Ｂを形成する。この電極群１１Ｂを用いてリチウムイオンキャパシタを構成すると、容器５１の同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出すことができる。
【００５９】
・上記第２の実施の形態のように、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を扁平ロール状に捲回して電極群１１Ａを構成する場合、負極３１の捲回数が多くなると、電極群１１Ａの厚みが増してキャパシタ容量に寄与しない側面の面積が大きくなってしまう。このように電極群１１Ａが厚くなる場合には、図１３に示されるように、捲回数の少ない電極群１１Ｃを複数形成し、それらを積み重ねることで電極群１１Ｄを構成してもよい。このように電極群１１Ｄを構成すると、キャパシタ容量に寄与しない側面の面積を最小限に抑えることができる。
【００６０】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０,１０Ａにおいて、電極群１１，１１Ａを収納する容器５１として、アルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器を用いたが、これに限定されるものではなく、アルミニウム等の金属材料からなるハード容器を用いてもよい。
【００６１】
・上記実施形態では、本発明をリチウムイオンキャパシタ１０に具体化したが、金属イオンを含んだ電解液を使用した蓄電デバイスであれば他の蓄電デバイス（例えば、リチウムイオン二次電池など）に本発明を具体化することができる。
【００６２】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６３】
（１）手段１において、前記電極群における蛇腹状に折り畳んだ前記負極において、端部に位置する屈曲部は、折り目のない湾曲状に屈曲した形状を有していることを特徴とする蓄電デバイス。
【００６４】
（２）手段１において、前記電極群における蛇腹状に折り畳んだ前記負極において、前記正極の端部から離間した位置で前記負極を折り畳むようにしたことを特徴とする蓄電デバイス。
【符号の説明】
【００６５】
１０,１０Ａ…リチウムイオンキャパシタ
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｄ…電極群
２１…正極
２２…正極電極
２３…正極集電体
２５…正極用外部端子
３１,３１Ａ…負極
３２…負極電極
３３…負極集電体
３５…負極用外部端子
４１…セパレータ
５１…収容体としての容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を備えた蓄電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
【０００３】
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている（特許文献１等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極をロール状に巻いて構成する捲回タイプと板状の電極を積層して構成する積層タイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電モジュールを構成するためには、積層タイプのキャパシタが用いられる。
【０００４】
積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、図１４及び図１５に示されるように、平板状の正極６１、負極６２及びセパレータ６３を使用し、それら正極６１と負極６２とをセパレータ６３を介して交互に積層することで電極群６５を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２７０２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６１２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、各極６１，６２及びセパレータ６３を１枚ずつ積み重ねて電極群６５を形成する必要があるため、その形成工程が複雑となり時間がかかる。具体的には、積層タイプの電極群６５を形成する場合、捲回タイプと比較して３倍以上の時間がかかってしまう。
【０００７】
一方、捲回タイプのリチウムイオンキャパシタは、生産性が高いが、円筒状の電極群の端部に外部端子を接続して集電を図る構造であるため、電気抵抗が高くなり高出力には不向きである。さらに、電極群が円筒形状となると、外部端子を接続し難いといった問題も生じていた。
【０００８】
そこで、本発明者らは、帯状の正極、帯状のセパレータ及び平板状の複数枚の負極を使用して電極群を構成したリチウムイオンキャパシタを提案している（特許文献２参照）。特許文献２のリチウムイオンキャパシタでは、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の正極の平旦部間にセパレータを介して負極を挟み込んで電極群を作製している。このようにすると、電極群の形成工程が簡素化される。
【０００９】
ところが、リチウムイオンキャパシタの容量は、正極の容量に依存する。このため、正極を扁平ロール状に捲回したり蛇腹状に折り畳んだりして電極群を構成すると、正極の容量がバラツキ、製品規格内の容量を有するキャパシタを形成することが困難となる。また、正極の電極面積よりも負極の電極面積が小さくなるため、負極の端部に電流集中が起きやすく、リチウム金属が析出しやすくなってしまう。
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有する蓄電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための手段［１］〜［４］を以下に列挙する。
【００１２】
［１］収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とする蓄電デバイス。
【００１３】
手段１に記載の発明によると、帯状の負極及び帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、負極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。本発明の電極群では、曲がりのない平板状に形成された複数枚の正極が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極の容量バラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有する蓄電デバイスを確実に形成することができる。また、負極の電極面積が正極の電極面積よりも大きく負極の外周が正極の外周より外側にあるために、負極での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。さらに、電極群を構成する負極の平旦部及び平板状の正極に対して外部端子を容易に接続することができる。また、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れた蓄電デバイスを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１４】
［２］収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とする蓄電デバイス。
【００１５】
手段２に記載の発明によると、帯状の負極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回して電極群が形成されているので、負極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。本発明の電極群では、曲がりのない平板状に形成された複数枚の正極が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極の容量のバラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有する蓄電デバイスを確実に形成することができる。また、負極の電極面積が正極の電極面積よりも大きく負極の外周が正極の外周より外側にあるために、負極での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。さらに、電極群を構成する負極の平旦部及び平板状の正極に対して外部電極を容易に接続することができる。また、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れた蓄電デバイスを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１６】
［３］手段１または２において、前記正極の厚みは、前記負極の厚みの２倍以上であることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１７】
手段３に記載の発明によると、正極よりも薄く形成された負極を扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むようにしているので、電極群を容易に形成することができる。
【００１８】
［４］前記電解液はリチウム塩を含み、前記正極電極は炭素材料からなり、前記負極電極はリチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１９】
手段４に記載の発明によると、正極と負極とに炭素材料を使用したリチウムイオンキャパシタを実現することができる。このリチウムイオンキャパシタでは、負極にリチウムイオンを担持させるが、負極が帯状に繋がっているので、負極の電位が均一になりやすく、さらにリチウムイオンのドープも短時間で行うことができる。特に、手段１のように電極群を蛇腹状に形成する場合、側面の電極が少なくなるため、リチウムイオンのドープ量を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上詳述したように、手段１乃至４に記載の発明によると、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有する蓄電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す側面図。
【図２】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図３】第１の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図４】図３の電極群におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図５】正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図６】正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図８】第２の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図１１】別の実施の形態の負極を示す平面図。
【図１２】別の実施の形態の電極群を示す平面図。
【図１３】別の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図１４】従来の正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図１５】従来の電極群を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を蓄電デバイスとしてのリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ１０を示す側面図であり、図２はそのリチウムイオンキャパシタ１０の平面図である。また、図３は、上記リチウムイオンキャパシタ１０を構成する電極群１１を示す断面図であり、図４は、図３の電極群１１におけるＡ−Ａ線での断面図である。さらに、図５は、電極群１１を構成する正極２１、負極３１及びセパレータ４１を示す平面図である。
【００２３】
図１〜図５に示されるように、本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０は、正極２１と負極３１とそれら正極２１及び負極３１の間に介在されるセパレータ４１とからなる電極群１１を備える。本実施の形態の電極群１１は、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有している。そして、その電極群１１が電解質とともに容器５１（収容体）内に密閉収容されている。
【００２４】
正極２１は、８０μｍ程度の厚さであり、炭素材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している（図５参照）。本実施の形態では、正極集電体２３は、タブ２４を有する矩形平板状に形成されており、その正極集電体２３上において、タブ２４の部分を残した状態で平面状に正極電極２２が塗工されている。
【００２５】
正極電極２２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された活性炭等が挙げられる。このような炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２６】
上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。
【００２７】
上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。
【００２８】
上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。
【００２９】
蛇腹状に折り畳んだ電極群１１において、正極集電体２３におけるタブ２４の部分（正極電極２２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の折り畳み部分から突出している。この正極集電体２３のタブ２４に、導電性金属材料からなる正極用外部端子２５が溶接により接合される。
【００３０】
負極３１は、３０μｍ程度の厚さであり、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。本実施の形態では、帯状の負極集電体３３上において、一方の端部を長手方向に沿ってライン状に残した状態で平面状に負極電極３２が塗工されている。なお、リチウムイオンを供給する金属としては、リチウム金属単体のみを指すばかりでなく、リチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することができる物質全てを広く指している。
【００３１】
負極電極３２の形成材料の具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ２ＳｎＯ３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ０．４Ｂ０．６Ｏ２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。
【００３２】
負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。
【００３３】
負極集電体３３は負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。また、負極集電体３３として多孔質体を用いると、リチウムイオンのプレドープの効率を高めることが可能となる。
【００３４】
この電極群１１において、負極集電体３３における一方の端部３４（負極電極３２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の折り畳み部分から突出している。この負極集電体３３の一方の端部３４に、導電性金属材料からなる負極用外部端子３５が溶接により接合される。
【００３５】
また、電極群１１の所定部位（例えば、外部端子側の上下の各部位）には、リチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部にはプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。
【００３６】
本実施の形態の電極群１１において、負極３１の平旦部の電極面積よりも正極２１の電極面積を小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。また、本実施の形態の電極群１１では、正極２１の端部から離間した位置で帯状のセパレータ４１及び負極３１を折り畳むようにしている。さらに、その蛇腹状に折り畳んだ負極３１において、平坦部の端部に位置する屈曲部は、折り目のない湾曲状に屈曲した形状を有している。
【００３７】
負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、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４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００３８】
かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。
【００３９】
リチウムイオンキャパシタ１０の容器５１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。
【００４０】
このようにして容器５１内に電極群１１を収容した場合、容器５１における一方の端部（図１では左側の端部）から正極用外部端子２５が引き出され、他方の端部（図１では右側の端部）から負極用外部端子３５が引き出される。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルムを用いて、容器５１を形成してもよい。
【００４１】
次に、上述したリチウムイオンキャパシタ１０の製造方法について説明する。
【００４２】
先ず、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を準備する(図５参照)。
【００４３】
正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、平板状の正極２１とする。負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、帯状の負極３１とする。さらに、セパレータ原紙を切断することで帯状のセパレータ４１とする。
【００４４】
そして、図６に示されるように、負極３１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら負極３１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして蛇腹状に折り畳む。このとき、図７に示されるように、負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込みながら負極３１及びセパレータ４１を折り畳む。ここでは、正極２１の端部から離間した位置でセパレータ４１及び負極３１を折り曲げる。この際、平坦部の端部に折り目がつかないようにセパレータ４１及び負極３１を湾曲状に屈曲させる。これを繰り返すことにより、図３及び図４に示されるような蛇腹状に折り畳んだ電極群１１（言い換えるとつづら折り状の電極群１１）が作製される。なお、本実施形態のような蛇腹状の電極群１１であると、正極２１及び負極３１の平坦面に対して垂直な方向（即ち電極群厚さ方向）に押圧力を加えることが可能な構造となるため、従来の円筒ロール状の電極群とは異なり高出力化を達成しやすくなる。
【００４５】
この後、正極集電体２３のタブ２４に正極用外部端子２５を超音波溶接し、かつ、負極集電体３３の端部３４に負極用外部端子３５を超音波溶接する。次に、容器５１の中に端子付きの電極群１１を収容して開口部を閉じる。またこのとき、電極群１１の上下にリチウム金属を配置して容器５１内に収納する。この後、真空引きを行いつつ有機電解質を注入し、容器５１内の収容空間を有機電解質で確実に満たすようにする。さらに、容器５１を密閉して所定時間保持し、リチウムイオンのプレドープを進行させる。以上の結果、図１に示すリチウムイオンキャパシタ１０が完成する。
【００４６】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４７】
（１）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状に折り畳むことで電極群１１が形成されている。このようにすると、負極６２やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせて電極群６５（図１５参照）を形成する従来のキャパシタと比較して、形成工程を簡素化することができる。具体的には、図１５の電極群６５を製造する場合、各極６１，６２を積載するための積載ロボットが２台必要となる。これに対して、本実施の形態では、正極２１のみを１枚ずつ積載すればよいため、積載ロボットが１台ですみ、製造装置の構成を簡素化することができる。また、電極群１１では、平板状に形成された複数枚の正極２１が挟み込まれているので、帯状の正極を折り曲げて電極群を構成する場合と比較して、正極２１の容量のバラツキを抑えることができ、製品規格内の容量を有するキャパシタを確実に形成することができる。さらに、負極３１の電極面積が正極２１の電極面積よりも大きく負極３１の外周が正極２１の外周より外側にあるために、負極３１での電流集中が起こりにくくなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。
【００４８】
（２）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１を構成する負極３１の平旦部及び平板状の正極２１に対して外部端子３５，２５を容易に接続することができる。また、電極群１１は正極２１と負極３１とがセパレータ４１を介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。さらに、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群１１を蛇腹状にしたことで、電極群１１の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００４９】
（３）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１を構成する正極２１の厚みが負極３１の厚みの２倍以上である。このリチウムイオンキャパシタ１０において、正極２１よりも薄く形成された負極３１を蛇腹状に折り畳むようにしているので、電極群１１を容易に形成することができる。また、リチウムイオンキャパシタ１０では、負極３１が帯状に繋がっているので、負極３１の電位が均一になりやすく、さらにリチウムイオンのドープも短時間で行うことができる。
【００５０】
（４）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、電極群１１の側面部において、折り目がつかないように湾曲状に屈曲させて負極３１を折り畳むようにしているため、負極３１の厚さバラツキが抑制されて電流集中が起きにくくなる。また、負極３１を折り畳む工程において、正確な位置で折り目をつける必要がないため、作業効率を高めることができる。
【００５１】
（５）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、電極群１１の側面部では、負極３１が折り曲げられているため、負極３１の厚さが不均一となる場合がある。この電極群１１の側面部は、正極２１及び負極３１が対向しない部分であり、容量に寄与しない不要部分である。特に、本実施の形態では、正極２１の端部から離間した位置で負極３１を折り曲げるようにしている。この場合、負極３１の折り曲げ部分で電流集中が起きてリチウム金属が析出したとしても、その析出部分には正極２１が対向しないため、キャパシタ性能が悪化するといった問題が回避される。
［第２の実施の形態］
【００５２】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８及び図９に基づき説明する。本実施の形態では、電極群１１Ａの形成方法が上記第１の実施の形態と異なり、それ以外は、第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０と同じである。
【００５３】
具体的には、図８に示されるように、本実施の形態の電極群１１Ａは、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の正極２１を挟み込んだ構造を有する。
【００５４】
本実施の形態の電極群１１Ａを形成する場合も、上記第１の実施の形態と同様に、帯状の負極３１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極２１を使用する（図５参照）。そして、図９に示されるように、負極３１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら負極３１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして扁平ロール状に捲回する。このとき、負極３１の平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込みながら負極３１及びセパレータ４１を順次巻いていく。これを繰り返すことにより、図８に示されるような扁平ロール状の電極群１１Ａが作製される。
【００５５】
本実施の形態のように電極群１１Ａを形成した場合でも、従来技術のように正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせる必要がないため、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１Ａにおいて、負極３１の平旦部の電極面積よりも正極２１の電極面積を小さくし、平面視で正極２１の外周が負極３１の外周の内側に配置されている。このようにすると、高出力化を阻害する一原因である電流集中が起こりにくく、リチウム金属の析出を避けることができる。
【００５６】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５７】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５が互いに反対方向に引き出されていたが、これに限定するものではない。具体的には、例えば、図１０に示されるリチウムイオンキャパシタ１０Ａのように、容器５１の同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出す構成としてもよい。なお、図１０のリチウムイオンキャパシタ１０Ａにおいて、電極群１１の構成は、第１の実施の形態と同じであり、外部端子２５，３５を引き出す方向が容器５１の左右方向ではなく、容器５１の上方に変更されている。
【００５８】
また、図１１に示されるように、帯状の負極集電体３３上において、負極電極３２が塗工されていないライン状の端部に切り込みを入れ、タブ状の電極未塗工部３４を有する負極３１Ａを用いてもよい。具体的には、図１１の負極３１Ａとセパレータ４１とを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、負極３１Ａの平旦部間にセパレータ４１を介して正極２１を挟み込んで図１２に示すような電極群１１Ｂを形成する。この電極群１１Ｂを用いてリチウムイオンキャパシタを構成すると、容器５１の同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出すことができる。
【００５９】
・上記第２の実施の形態のように、帯状の負極３１及び帯状のセパレータ４１を扁平ロール状に捲回して電極群１１Ａを構成する場合、負極３１の捲回数が多くなると、電極群１１Ａの厚みが増してキャパシタ容量に寄与しない側面の面積が大きくなってしまう。このように電極群１１Ａが厚くなる場合には、図１３に示されるように、捲回数の少ない電極群１１Ｃを複数形成し、それらを積み重ねることで電極群１１Ｄを構成してもよい。このように電極群１１Ｄを構成すると、キャパシタ容量に寄与しない側面の面積を最小限に抑えることができる。
【００６０】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０,１０Ａにおいて、電極群１１，１１Ａを収納する容器５１として、アルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器を用いたが、これに限定されるものではなく、アルミニウム等の金属材料からなるハード容器を用いてもよい。
【００６１】
・上記実施形態では、本発明をリチウムイオンキャパシタ１０に具体化したが、金属イオンを含んだ電解液を使用した蓄電デバイスであれば他の蓄電デバイス（例えば、リチウムイオン二次電池など）に本発明を具体化することができる。
【００６２】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６３】
（１）手段１において、前記電極群における蛇腹状に折り畳んだ前記負極において、端部に位置する屈曲部は、折り目のない湾曲状に屈曲した形状を有していることを特徴とする蓄電デバイス。
【００６４】
（２）手段１において、前記電極群における蛇腹状に折り畳んだ前記負極において、前記正極の端部から離間した位置で前記負極を折り畳むようにしたことを特徴とする蓄電デバイス。
【符号の説明】
【００６５】
１０,１０Ａ…リチウムイオンキャパシタ
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｄ…電極群
２１…正極
２２…正極電極
２３…正極集電体
２５…正極用外部端子
３１,３１Ａ…負極
３２…負極電極
３３…負極集電体
３５…負極用外部端子
４１…セパレータ
５１…収容体としての容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、
前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、
前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
前記正極の厚みは、前記負極の厚みの２倍以上であ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。
【請求項４】
前記電解液はリチウム塩を含み、前記正極電極は炭素材料からなり、前記負極電極はリチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
【請求項１】
収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、
前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて蛇腹状に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
収容体と、正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が金属イオンを含んだ電解液とともに前記収容体内に収容され、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されている蓄電デバイスにおいて、
前記電極群が、帯状の負極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の正極を使用し、前記帯状の負極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の前記負極の平旦部間に前記セパレータを介して前記正極を挟み込み、かつ前記正極の電極面積を前記負極の電極面積より小さくし、平面視で前記正極の外周が前記負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
前記正極の厚みは、前記負極の厚みの２倍以上であ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。
【請求項４】
前記電解液はリチウム塩を含み、前記正極電極は炭素材料からなり、前記負極電極はリチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１５６４０５（Ｐ２０１２−１５６４０５Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８３４（Ｐ２０１１−１５８３４）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
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