JP5348414B2 - 電気化学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

電気化学デバイスおよびその製造方法

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Description

本発明は、電気化学デバイスおよびその製造方法に関し、特に電気二重層キャパシタ、電池等の電気化学デバイスおよびその製造方法に関する。
図７は、従来の電気化学デバイスの構成を示す斜視図である。ワイヤ状の電極５０１が、軸方向と平行に集積、多芯化されており、多芯化された電極が、円筒状の外装体５１１の内部に収容されている。
図８は、電極５０１の構成を示す側面図である。細線状の負極集電体５０２の表面は、カーボンからなる負極活物質層５０３で被覆されており、負極集電体５０２の両端は負極活物質層５０３の端面から突出している。
負極活物質層５０３の表面は、電気絶縁性を有するセパレーター５０４で被覆されており、負極活物質層５０３の両端はセパレーター５０４の端面から突出している。
セパレーター５０４の表面は、正極活物質層５０５で被覆されており、セパレーター５０４の両端は正極活物質層５０５の端面から突出している。
正極活物質層５０５の表面は、正極集電体５０７で被覆されており、正極活物質層５０５の両端は正極集電体５０７の端面から突出している。
すなわち、電極５０１は負極集電体５０２を芯にした多層構造となっている。
電解液は、電極５０１の端面から負極活物質層５０３，セパレーター５０４及び正極活物質５０５へ含浸される。電解液を含浸させた後、図９に示すように、電極５０１の端面を封止材５０８で封止し、活物質の脱落及び電解液の漏出を防止している。
特開平８−８８０１９号公報
ところで、上記の電気化学デバイスの場合、電解液を線状の電極内に密閉するようにするため、電解液が注入しにくい。また、密閉された電極内に電解液を注入した場合、電解液の流動性が低く、充放電時の電荷移動が遅いため、内部抵抗が高いという問題がある。
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであって、内部抵抗が低く、電解液を容易に注入できる電気化学デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するために、本発明に係る電気化学デバイスは、線状の第１の電極集電体と前記第１の電極集電体表面を被覆する第１の電極活物質層と前記第１の電極活物質表面を被覆するセパレーター層と前記セパレーター層表面を被覆する第２の電極活物質層からなる基本セルを備え、前記基本セルが、多孔性導電体層を介してシート状の第２の電極集電体と電気的に接続されており、前記第２の電極集電体と接続された基本セルと電解液が、外装体に収容されていることを特徴としている。
また、本発明に係る電気化学デバイスは、前記基本セルが複数備えられており、前記複数の基本セルが、前記多孔性導電体層を介して互いに接続されていることが好ましい。この場合、内部抵抗を低くすることができる。
なお、本発明に係る電気化学デバイスは、前記第２の電極集電体がシート状であるため、電解液が注入しやすくなっている。
また、本発明に係る電気化学デバイスは、前記第１の電極集電体が、アルミニウムであることが好ましい。この場合、第１の電極集電体の電気伝導度を高くすることができ、また耐電圧を高めることができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスは、前記第１の電極集電体が、炭素繊維であることが好ましい。この場合、デバイスの強度を高められ、また負極集電体と負極活物質層間の接触抵抗を低減することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスは、前記多孔性導電体層が、導電性セラミック粉末、アルミニウム粉末、炭素粉末、金粉末のうち少なくとも一つを含むことが好ましい。この場合、耐電圧を高めることができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、線状の第１の電極集電体を準備する工程と、前記第１の電極集電体の表面に第１の電極活物質を付与した後に乾燥することにより、第１の電極活物質層を形成する工程と、前記第１の電極活物質層の表面にセパレーターを付与した後に乾燥することにより、セパレーター層を形成する工程と、前記セパレーター層の表面に第２の電極活物質を付与した後に乾燥することにより、第２の電極活物質層を形成することにより基本セルを作製する工程と、前記基本セル表面に多孔質導電体を付与した後に乾燥することにより、多孔質導電体層を形成する工程と、前記多孔質
導電体層を介して、前記基本セルとシート状の第２の電極集電体を電気的に接続する工程と、前記第２の電極集電体と電気的に接続された基本セルと電解液を外装体に収容する工程を有することを特徴としている。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記第１の電極活物質層を形成する工程において、前記第１の電極活物質を付与した後に、前記第１の電極活物質の余分な部分を削ぎ落とすことが好ましい。この場合、前記第１の電極活物質層の形成精度を向上することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記セパレーター層を形成する工程において、前記セパレーターを付与した後に、前記セパレーターの余分な部分を削ぎ落とすことが好ましい。この場合、セパレーター層の形成精度を向上することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記第２の電極活物質を付与した後に、前記第２の電極活物質の余分な部分を削ぎ落とすことが好ましい。この場合、第２の電極活物質層の形成精度を向上することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記多孔質導電体層を形成する工程において、前記多孔質導電体を付与した後に、前記多孔質導電体の余分な部分を削ぎ落とすことが好ましい。この場合、第２の電極活物質層の形成精度を向上することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記基本セルを複数準備し、前記複数の基本セルが、前記多孔性導電体層を介して互いに接続することが好ましい。この場合、内部抵抗を低くすることができる。
なお、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記第２の電極集電体が、シート状であるため、電解液が注入しやすくなっている。

また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記第１の電極集電体が、アルミニウムであることが好ましい。この場合、第１の電極集電体の電気伝導度を高くすることができ、また耐電圧を高めることができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記第１の電極集電体が、炭素繊維であることが好ましい。この場合、デバイスの強度を高められ、また負極集電体と負極活物質層間の接触抵抗を低減することができる。
また、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法は、前記多孔性導電体層が、導電性セラミック粉末、アルミニウム粉末、炭素粉末、金粉末のうち少なくとも一つを含むものであることが好ましい。この場合、耐電圧を高めることができる。
本発明に係る電気化学デバイスおよびその製造方法は、内部抵抗が小さくでき、電解液を容易に注入できる。
本発明に係る電気化学デバイスに使用する基本セルを示す斜視図である。 図１に示した基本セルのＡ１、Ａ２における断面図である。 本発明に係る電気化学デバイスの上面図である。 本発明に係る電気化学デバイスの製造工程を示した模式図である。 本発明に係る電気化学デバイスの製造工程を示した模式図である。 本発明に係る電気化学デバイスに使用する基本セルの別の実施形態を示す斜視図である。 従来の電気化学デバイスの構成を示す斜視図である。 従来の電気化学デバイスに使用する電極の構成を示す側面図である。 従来の電気化学デバイスに使用する電極の構成を示す側面図である。
以下に本発明に係る電気化学デバイスおよびその製造方法の実施形態について図１〜図６に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電気化学デバイスに使用する基本セル１の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した基本セル１のＡ１、Ａ２における断面図である。
基本セル１の中心は、ワイヤ状のアルミニウムからなる第１の電極集電体２であり、第1の電極集電体２の表面に第１の電極活物質層３が被覆されている。第１の電極活物質層３の表面にセパレータ層４が被覆されており、セパレーター層４の表面に第２の電極活物質層５が形成されている。
次に図３は、本発明に係る電気化学デバイスの上面図である。図３（ａ）に示すように、表面に多孔性導電体層が形成され、渦巻き状に捲回された基本セル１が、表面に導電性接着剤が塗布されたシート状の第２の電極集電体７の上に、電気的接続がとれるように固定されている。
そして、基本セル１端部から露出した第１の電極集電体２と第1のリード端子８が接続されている。また、第２の電極集電体７と第２のリード端子９が接続されている。
そして、図３（ｂ）に示すように、第２の電極集電体７と接続された基本セル１と電解液が外装体１０に収容されている。
次いで、本発明に係る電気化学デバイスの製造方法の一例として、図３に示した電気化学デバイスの製造工程を、図４、図５に示す。
図４（ａ）に示すとおり、ワイヤ状のアルミニウムからなる第１の電極集電体２を、第１の電極活物質ペースト３ａ中に浸漬することにより、第1の電極集電体２の表面に電極活物質ペースト３ａを塗布する。そして、押し抜き機１２に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な電極活物質ペースト３ａを削ぎ落とし、その後に乾燥することにより第１の電極集電体２の表面に第１の電極活物質層３を形成する。
次に図４（ｂ）に示すとおり、第１の電極活物質層３が形成された第１の電極集電体２を、セパレーターペースト４ａに浸漬することにより、第１の電極活物質層３の表面にセパレーターペースト４ａを塗布する。そして、押し抜き機１２に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分なセパレーターペースト４ａを、削ぎ落とし、その後に乾燥することにより第１の電極活物質層３の表面にセパレータ層４を形成する。
次に図４（ｃ）に示すとおり、セパレーター層４および第１の電極活物質層３が形成された第１の電極集電体２を、第２の電極活物質ペースト５ａに浸漬することにより、セパレーター層４の表面に第２の電極活物質ペースト５ａを塗布する。そして、押し抜き機１２に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な第２の電極活物質ペースト５ａを削ぎ落とし、その後に乾燥することによりセパレーター層４の表面に第２の電極活物質層５を形成する。このような製造過程を経て基本セル１が作製される。
次に図４（ｄ）に示すとおり、基本セル１を、金粉末を分散させたスラリー６ａ中に浸漬することにより、基本セル１の表面にスラリー６ａを塗布する。そして、押し抜き機１２に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分なスラリー６ａを削ぎ落とし、その後に乾燥することにより基本セル１の表面に金粒子と金粒子間の空隙部からなる多孔性導電体層６が形成される。
次に図５（ａ）に示すように、多孔性導電体層が形成された基本セル１を渦巻き状に捲回する。
次に図５（ｂ）に示すように、多孔性導電体層が形成され、渦巻き状に捲回された基本セル１を、表面に導電性接着剤が塗布されたシート状の第２の電極集電体７の上に配置した後に導電性接着剤を乾燥させて、第２の電極集電体７上に基本セル１を固定する。このようにすることで、第２の電極集電体７と基本セル１の間で、多孔性導電体層を主たる媒体として電気的接続をとることができ、導電性接着剤を媒体として機械的接続をとることができる。
次に図５（ｃ）に示すように、基本セル１端部の第1の電極活物質層、セパレーター層、第２の電極物質層、多孔性導電体層を除去して第１の電極集電体２を露出させる。
次に図５（ｄ）に示すように、第１の電極集電体２と第１のリード端子８を接続する。また、第２の電極集電体７と第２のリード端子９を接続し、いずれか一方の端子を正極とし、他方を負極とする。
そして図５（ｅ）に示すように、電極集電体７と接続された基本セル１を、外装体１０の内部に収容し、外装体１０の内部に電解液を注入することにより、多孔性導電体層を介して基本セル内に電解液が含浸される。このような製造工程を経て本発明に係る電気化学デバイス１１が作製される。
以上のように本実施形態に示す電気化学デバイスおよびその製造方法によれば、電解液を基本セルの外部から含浸するため、電解液の注入が容易である。また、多孔性導電体層に電解液が含浸することにより、流動性が向上するため、充放電時の電荷移動が速く、内部抵抗が低下する。
なお、この実施形態に示した電気化学デバイスの実施形態およびその製造方法は一例であって、これ以外にもこの発明内容の範囲内であれば種々の変形を行なうことは差し支えない。
本実施形態では、一つの基本セルを用いるようにしたが、図６に示すように基本セル１を複数準備し、複数の基本セル１が、多孔性導電体層６を介して、互いに接続されるようにしても良い。このようにすることで内部抵抗をより低くすることができる。
また、第１の電極集電体は、炭素繊維であっても良い。炭素繊維を用いることで、負極集電体が高強度、高弾性率になるためデバイスの強度向上に寄与できる。また、炭素繊維は、表面に酸化層が形成されにくいため、第１の電極活物質層との接触抵抗を低減することができる。
また、多孔性導電体層は、導電性セラミック粉末やアルミニウム粉末や炭素粉末を分散させたスラリーから形成しても良い。
また、本実施形態では、第１の電極集電体に対し、第１の電極活物質ペースト、セパレーターペースト、第２の電極活物質ペーストを塗布する際、第１の電極集電体を、ペースト中に浸漬して塗布するようにしたが、ペーストをスプレーで第１の電極集電体に噴霧するようにして塗布しても良い。
また、本実施形態では、外装体へ電極集電体と接続された基本セルを収容した後に、外装体の内部へ電解液を注入するようにしたが、外装体へ電極集電体と接続された基本セルを収容する前に外装体内部へ電解液を注入しても良い。
また、本発明に係る電気化学デバイスは、電気二重層キャパシタや電池として機能させることができる。
この発明におけるさらに具体的な実施例について以下に説明する。
φ１８μm アルミニウムワイヤを日立粉末冶金製活性炭ペースト（ＧＡ−１０００）に浸漬することにより、アルミニウムワイヤ表面に活性炭ペーストを塗布する。そして、押し抜き機に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な活性炭ペーストを、削ぎ落とした後に乾燥することによりアルミニウムワイヤ表面に厚み２０μmの第１の活性炭層を形成する。
次に、第１の活性炭層が形成されたワイヤを、酸化アルミニウム粉末ペーストに浸漬することにより、第１の活性炭層の表面に酸化アルミニウム粉末ペーストを塗布する。そして、押し抜き機に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な酸化アルミニウム粉末ペーストを削ぎ落とした後に乾燥することにより第１の活性炭層の表面に酸化アルミニウムからなるセパレーター層を形成する。
次に、酸化アルミニウムからなるセパレーター層および第１の活性炭層が形成されたワイヤを、日立粉末冶金製活性炭ペースト（ＧＡ−１０００）に浸漬することにより、酸化アルミニウムからなるセパレーター層の表面に活性炭ペーストを塗布する。そして、押し抜き機に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な活性炭ペーストを削ぎ落とした後に乾燥することにより酸化アルミニウムからなるセパレーター層の表面に厚み７μmの第２の活性炭電極層を形成する。このような製造過程を経て基本セルが作製される。
次に、基本セルを、金粉末を分散させたスラリー中に浸漬することにより、基本セルの表面に導電性セラミック粉末スラリーを塗布する。そして、押し抜き機に通すことにより、必要以上の厚みで付着した余分な導電性セラミック粉末スラリーを削ぎ落とした後に乾燥することにより基本セルの表面に導電性セラミック粉末からなる多孔性導電体層を形成する。
次に、多孔性導電体層が形成された基本セルを渦巻き状に捲回し、表面に日立粉末治金製黒鉛系導電性接着剤（ＧＡ−７０３）が塗布された、１０ｍｍ角の集電箔に配置する。そして、導電性接着剤を乾燥させて、集電箔上に基本セルを固定する。
次に、基本セル端部に被覆された第１の活性炭電極層、酸化アルミニウムからなるセパレーター層、第２の活性炭電極層、多孔性導電体層を除去して露出させたアルミニウムワイヤと集電箔の端部を、それぞれ負極リード端子、正極リード端子に接続した後、集電箔に接続された基本セルをパッケージ内部に収容し、パッケージ内部に電解液を注入することにより、電気二重層キャパシタが作製される。
１ 基本セル
２、５０２ 第１の電極集電体
３、５０３ 第１の電極活物質層
３ａ 第１の電極活物質ペースト
４、５０４ セパレーター層
４ａ セパレーターペースト
４ｂ 水
５、５０５ 第２の電極活物質層
５ａ 第２の電極活物質ペースト
６ 多孔性導電体層
６ａ 金粉末を分散させたスラリー
７、５０７ 第２の電極集電体
８ 負極リード端子
９ 正極リード端子
１０ 内部に電解液を有する外装体
１１ 本発明に係る電気化学デバイス
１２ 押し抜き機

Claims (14)

  1. 線状の第１の電極集電体と
    前記第１の電極集電体表面を被覆する第１の電極活物質層と
    前記第１の電極活物質表面を被覆するセパレーター層と
    前記セパレーター層表面を被覆する第２の電極活物質層
    からなる基本セルを備え、
    前記基本セルが、多孔性導電体層を介してシート状の第２の電極集電体と電気的に接続されており、
    前記第２の電極集電体と接続された基本セルと電解液が外装体に収容されていることを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記基本セルが複数備えられており、前記複数の基本セルが、前記多孔性導電体層を介して互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記第１の電極集電体が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記第１の電極集電体が、炭素繊維であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
  5. 前記多孔性導電体層が、導電性セラミック粉末、アルミニウム粉末、炭素粉末、金粉末のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
  6. 線状の第１の電極集電体を準備する工程と、
    前記第１の電極集電体の表面に第１の電極活物質を付与した後に乾燥することにより、第１の電極活物質層を形成する工程と、
    前記第１の電極活物質層の表面にセパレーターを付与した後に乾燥することにより、セパレーター層を形成する工程と、
    前記セパレーター層の表面に第２の電極活物質を付与した後に乾燥することにより、第２の電極活物質層を形成することにより基本セルを作製する工程と、
    前記基本セル表面に多孔質導電体を付与した後に乾燥することにより、多孔質導電体層を形成する工程と、
    前記多孔質導電体層を介して、前記基本セルとシート状の第２の電極集電体を電気的に接続する工程と、
    前記第２の電極集電体と電気的に接続された基本セルと電解液を外装体に収容する工程を有することを特徴とする電気化学デバイスの製造方法。
  7. 前記第１の電極活物質層を形成する工程において、前記第１の電極活物質を付与した後に、前記第１の電極活物質の余分な部分を削ぎ落とすことを特徴とする請求項６に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  8. 前記セパレーター層を形成する工程において、前記セパレーターを付与した後に、前記セパレーターの余分な部分を削ぎ落とすことを特徴とする請求項６または７に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  9. 前記第２の電極活物質層を形成する工程において、前記第２の電極活物質を付与した後に、前記第２の電極活物質の余分な部分を削ぎ落とすことを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  10. 前記多孔質導電体層を形成する工程において、前記多孔質導電体を付与した後に、前記多孔質導電体の余分な部分を削ぎ落とすことを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  11. 前記基本セルを複数準備し、前記複数の基本セルが、前記多孔性導電体層を介して互いに接続することを特徴とする請求項６に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  12. 前記第１の電極集電体が、アルミニウムであることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  13. 前記第１の電極集電体が、炭素繊維であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
  14. 前記多孔性導電体層が、導電性セラミック粉末、アルミニウム粉末、炭素粉末、金粉末のうち少なくとも一つを含むものであることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
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