JP4658682B2 - 電気化学素子 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電極シートおよびセパレータが積層されて構成される電気化学素子に関するものである。

一般に、四角形のシート状の集電箔の両面に電極層が形成された電極シートを、絶縁性のセパレータを介して交互に積層することで、各電極シートに負または正の電荷を交互に貯めることができる電気化学素子が知られている。そして、このような電気化学素子としては、従来、負の電荷を貯める電極シートの一辺を前記電極層やセパレータよりも外側に突き出すとともに、正の電荷を貯める電極シートの前記一辺とは反対側の辺を前記電極層やセパレータよりも外側に突き出すことで、負の電荷の取出口と正の電荷の取出口とを互いに逆方向に向けて、構造の簡易化を図ったものが知られている（特許文献１参照）。具体的に、この構造では、突き出した部分のそれぞれの隙間に導電性のシム（スペーサ）を挟んだ状態で、これらをコ字形状となる導電性の「たが」により挟み込むことで、各電極シートから電流を集電するようになっている。

特開平１１−２７４００４号公報（段落００３５、図３）

しかしながら、従来技術における「たが」は、コ字形状であるため、積層した電極シートに対して積層方向において適度な加圧力を与えて保持することができなかった。そのため、集電箔と電極層との密着性が悪くなり、その電気抵抗が高くなるおそれがあった。

そこで、本発明では、積層した電極シートに対して積層方向において適度な加圧力を付与することができる電気化学素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、集電箔上にリード部を残して電極層が形成される複数の電極シートと、複数の前記電極シートの電極層間に配置されるセパレータと、複数の前記電極シートのリード部間に配置されるシムと、を備え、前記電極層および前記セパレータに電解液が含浸された電気化学素子であって、複数の前記電極シートのリード部から電流を集電する集電壁と、積層された前記電極シートのうち端の電極シートを保持する保持壁と、を有する２つの略Ｌ字形状の集電プレートをさらに備え、前記集電壁は、前記電極シートの積層方向に延び、前記電極シート側へ向かって凸となるビード部を有し、前記リード部および前記シムは、前記ビード部と係合する切欠部を有し、２つの前記集電プレートは、前記保持壁が積層された前記電極シートを積層方向において挟み込むとともに、前記保持壁の面積は前記電極シートの面積よりも大きく形成され、前記保持壁、前記リード部および前記シムは、前記積層方向に相互に連通する孔を有し、該孔には、２つの前記集電プレートの保持壁間を積層方向に加圧するように締結する締結部材が挿通されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、積層された電極シートは、２つの略Ｌ字形状の集電プレートの保持壁によって、積層方向において挟み込まれる。このとき、各保持壁が電極シートの面積よりも大きく形成されていることから、保持壁に隣接する電極シートの全面が、保持壁によって均一に加圧され、各電極シートが良好な加圧状態で保持されることとなる。そのため、集電箔と電極層とが密着して電気抵抗を下げることが可能となるとともに、セパレータを挟んだ各電極間の距離が短くなって、静電容量を増やすことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気化学素子であって、前記締結部材は絶縁体で構成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電気化学素子であって、前記集電プレートの保持壁の前記電極シート側の面には、絶縁処理が施されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、締結部材による２つの集電プレート間の短絡を防止することができる。
請求項３に記載の発明によれば、例えば一方の集電プレートが負極となり、その集電プレートの保持壁に隣接する電極シートが正極となる場合であっても、保持壁に施された絶縁処理によって、異極のもの同士の接触を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気化学素子であって、前記２つの集電プレートによって前記電極シートを積層方向において加圧する際に、その加圧力を０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）となる加圧力で電極シートの積層体を保持するので、各電極シート間の距離を短くかつ均一にすることができるとともに、使用時に発生する熱によって電解液等が膨張したとしても各電極シートに加わる負荷を必要最低限に抑えることができる。

請求項１に記載の発明によれば、電極シートの面積よりも大きな面積となる集電プレートの保持壁で、積層された電極シートを挟み込むので、積層された電極シートに対して積層方向において適度な加圧力を付与することができる。

請求項２に記載の発明によれば、締結部材による２つの集電プレート間の短絡を防止することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、集電プレートと、この集電プレートの保持壁に隣接する電極シートとが互いに異極となる場合であっても、保持壁に施された絶縁処理によって、異極の電荷同士の干渉を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）となる加圧力で電極シートの積層体を保持するので、各電極シート間の距離を短くかつ均一にすることができるとともに、使用時に発生する熱によって電解液等が膨張したとしても各電極シートに加わる負荷を必要最低限に抑えることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る電気二重層キャパシタ（電気化学素子）の内部構造を示す断面図であり、図２は本実施形態に係る電極シート組立体の構造を示す分解斜視図であり、図３は積層体の構造を示す分解斜視図である。

図１に示すように、電気二重層キャパシタ１０（以下、単に「キャパシタ１０」ともいう。）は、ケーシング１と、このケーシング１の中に電解液とともに収容される電極シート組立体ＥＡとを備えて構成されている。

ケーシング１は、角形筒状の筒体１１と、この筒体１１の上下開口部に取り付けられる蓋体１２とで構成されている。そして、このケーシング１は、筒体１１の上下開口部の縁部に蓋体１２の縁部を、曲げ加工やカシメ加工、あるいは溶着（融着）などによって取り付けることで、密閉されるようになっている。

図２に示すように、電極シート組立体ＥＡは、複数の電極シート２が主に積層されて構成される積層体ＬＡと、この積層体ＬＡを積層方向において挟み込む２つのＬ形リードプレート（集電プレート）３とを備えて構成されている。

積層体ＬＡは、図３に示すように、電荷を貯めるための複数の電極シート２と、各電極シート２の間に設けられるセパレータ４と、所定の電極シート２の間または電極シート２とＬ形リードプレート３との間（図１参照）に設けられるシム５とを備えて構成されている。

電極シート２は、略四角形状の集電箔２ａと、この集電箔２ａの両面に形成される電極層２ｂとで構成されている。集電箔２ａは、アルミニウム箔などの導電性を有する材料で形成されている。電極層２ｂは、活性炭を主成分としており、集電箔２ａの一辺部分を除いた略全面にわたって略四角形状に形成されている。そして、電極層２ｂが形成されていない集電箔２ａの一辺部分は、各電極層２ｂに貯めた電荷の取出口としてのリード部２ｃとなっている。

また、電極シート２の中央部には、電解液注入用の貫通孔２ｄが形成されるとともに、そのリード部２ｃには、軽量化および電解液の浸透に寄与する２つの長孔２ｅとボルト挿通用の２つの円形の孔２ｆが貫通するように形成されている。さらに、電極シート２のリード部２ｃの端縁（詳しくは、４つの孔２ｅ，２ｆの間）には、主に軽量化に寄与する切欠部２ｇが形成されている。そして、このように形成される複数の電極シート２は、正の電荷を貯めるものと負の電荷を貯めるものとが、セパレータ４を挟んで交互に積層されるようになっているとともに、正の電荷を貯める電極シート２のリード部２ｃが所定の向きに揃えられ、この所定の向きとは逆の向き（異なる向き）に負の電荷を貯める電極シート２のリード部２ｃが揃えられるようになっている。

セパレータ４は、略四角形のシート状に形成される絶縁部材であり、隣り合う異極の電極シート２（リード部２ｃが互いに逆方向を向く一対の電極シート２）を絶縁している。また、このセパレータ４は、電極シート２の電極層２ｂの周縁から少しはみ出る程度の大きさで、かつ、前記長孔２ｅおよび孔２ｆを塞がない程度の大きさに形成されるとともに、その中央部に電解液注入用の貫通孔４ｄが前記電極シート２の貫通孔２ｄよりも小さな大きさで形成されている（図１参照）。

シム５は、導電性を有する略短冊状の部材であり、その角部が適宜Ｒ形状に面取りされるとともに、前記した電極シート２の切欠部２ｇに対応した切欠部５ｇを両側縁に有するような形状に形成されている。また、このシム５には、前記した電極シート２の各長孔２ｅおよび各孔２ｆに対応した２つの長孔５ｅおよび２つの孔５ｆが適宜形成されている。そして、このシム５は、隣り合う同極の電極シート２（リード部２ｃが互いに同一方向を向く一対の電極シート２）のリード部２ｃの間や、端から２番目に位置する電極シート２のリード部２ｃとＬ形リードプレート３との間（図１参照）に配設されるようになっている。ここで、端から２番目に位置する電極シート２とＬ形リードプレート３との間の距離は、同極の電極シート２のリード部２ｃ間の距離に対して短いため、実際には、厚さの異なる２種類のシム５（以下、「第１シム５Ａ」、「第２シム５Ｂ」ともいう。）が設けられている。なお、積層体ＬＡでは、前記した電極シート２の長孔２ｅと、前記したシム５の長孔５ｅとが連通することによって空間が形成される。この空間は、電解液の分解などでガスが生じた場合に、体積増加分を受け持つバッファ部として機能させることができる。

図２に示すように、Ｌ形リードプレート３は、導電性を有する部材であり、同極の電極シート２から電流を集電する集電壁３１と、積層された電極シート２のうち端の電極シート２を保持する保持壁３２とによって、略Ｌ字形状に形成されている。

集電壁３１は、電極シート２よりも小さな幅となる四角い板状に形成されおり、その中央部に電極シート２の積層方向に延びる所定のビード部３１ａが電極シート２側へ向かって凸となるように形成されるとともに、その側縁部に電極シート２側および外側へ向かって略Ｌ字状に折り曲げられた屈曲部３１ｂが形成されている。なお、集電壁３１に形成されるビード部３１ａおよび屈曲部３１ｂは、平面状の集電壁３１の剛性を向上する役割を果たすとともに、前記した電極シート２およびシム５の各切欠部２ｇ，５ｇと係合することで、各電極シート２および各シム５をその面方向（詳しくは、シム５の長手方向）において位置決めする役割も果たすようになっている。そして、このように形成される集電壁３１は、その屈曲部３１ｂの縁部が、同極の各電極シート２および各シム５に溶接部３１ｃ（図４参照）で溶接により接合されており、これにより各電極シート２から流れてくる電流を集電するようになっている。

保持壁３２は、電極シート２よりも大きな面積となる四角い板状に形成されており、その中央部に集電壁３１で集電した電流を外部から取り出すための端子接続プラグ（電流取出部）６が設けられるとともに、その四隅にボルト挿通用の孔３２ｆが形成されている。なお、本実施形態では、２つのＬ形リードプレート３の保持壁３２に跨るようにボルトを挿通させることとしているため、ボルトの材質を絶縁性にするか、または、金属製のボルトのうち一方の保持壁３２に接する部分を絶縁処理することによって、Ｌ形リードプレート３，３間の短絡を防止する必要がある。また、ボルトに代えてシャフトが使用されてもよく、保持壁３２，３２に跨るように配置されたシャフトは、保持壁３２，３２から突出した端部がかしめられることとなる。

また、端子接続プラグ６は、図１に示すように、雄型プラグ６１と雌型プラグ６２とをそれらの間に保持壁３２を介在させた状態で螺合させることによって、保持壁３２に固定される構造となっている。そのため、これに対応すべく、保持壁３２には、雄型プラグ６１の雄ねじ部６１ａを挿通させるための取付孔３２ａと、雄型プラグ６１のフランジ部６１ｂ側の端面と保持壁３２の電極シート２側の端面を面一にするための段差状の取付部３２ｂが形成されている。

また、保持壁３２の電極シート２側の面（端子接続プラグ６が取り付けられた状態となる面）には、絶縁膜３２ｃによる絶縁処理が施されている。なお、本実施形態では、保持壁３２とこれに隣接する電極シート２が同極となるので、保持壁３２と電極シート２を絶縁させる必要はなく、絶縁膜３２ｃは省略し、その代わりに第１シム５Ａを絶縁体としてもよい。ただし、絶縁膜３２ｃは、絶縁の機能の他に、保持壁３２の表面形状（端子接続プラグ６周りの微小な凹凸）によって電極シート２が傷つくのを防止する機能も有するため、本実施形態のように設けておくのが望ましい。また、この絶縁膜３２ｃには、端子接続プラグ６の雄型プラグ６１に形成される電解液注入・排出用の孔６１ｃに対応した孔３２ｄが形成されている。

さらに、保持壁３２の集電壁３１側の端部には、前記したシム５の代わりとなる段差部３２ｅが形成されている。すなわち、段差部３２ｅを設けない場合には、保持壁３２とこれに隣接する電極シート２のリード部２ｃとの間に、絶縁膜３２ｃの厚さと電極層２ｂの厚さを足した厚さの導電性のシム（第１シム５Ａや第２シム５Ｂとは厚さの異なるシム）を新たに設ける必要があるが、本実施形態では、段差部３２ｅを設けることによって、そのシムを無くして、部品点数の削減を図ることが可能となっている。

次に、本実施形態に係るキャパシタ１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、まず、隣り合う電極シート２のリード部２ｃの向きが互い違いに逆方向となるように、電極シート２とセパレータ４を交互に積層していく。また、このように積層していく際には、各電極シート２のリード部２ｃに対して適宜シム５を配設していく。

そして、図２に示すように、予め端子接続プラグ６および絶縁膜３２ｃ（図１参照）を取り付けたＬ形リードプレート３で、積層体ＬＡを積層方向において挟持する。このとき、Ｌ形リードプレート３のビード部３１ａおよび屈曲部３１ｂを、適宜電極シート２およびシム５の各切欠部２ｇ，５ｇと係合させるとともに、Ｌ形リードプレート３の集電壁３１の面で各電極シート２および各シム５を揃えることで、各部品３，２，５のボルト挿通用の孔３２ｆ，２ｆ，５ｆが同軸に揃えられることとなる。その後は、これらの孔３２ｆ，２ｆ，５ｆに図示せぬボルトを挿通し、挿通したボルトの先端を図示せぬナットに捩じ込むことで、図１に示すように、Ｌ形リードプレート３の保持壁３２で積層体ＬＡが保持されることとなる。ここで、この保持壁３２は、前記したように電極シート２の面積よりも大きく形成されているので、この大きな保持壁３２によって各電極シート２の全面が均一に加圧されることとなる。

ここで、積層体ＬＡに与える加圧力は、０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）とするのが望ましい。なお、この加圧力は、電極シート２の厚さが０．１９５〜０．３１０ｍｍ、セパレータ４の厚さが０．０２〜０．０５ｍｍ、電極シート２の集電箔２ａの材料がアルミ、電極層２ｂの材料が活性炭、電解液の材質がＥＭＩである場合であって、その加圧力で製造したキャパシタ１０の充電を行った後、１３日放置し、電圧維持率が９３±１％となるときの加圧力をいう。これによれば、０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）となる加圧力で積層体ＬＡを保持することで、各電極シート２間の距離を短くかつ均一にすることができるとともに、キャパシタ１０の使用時に発生する熱によって電解液等が膨張したとしても各電極シート２に加わる負荷を必要最低限に抑え、その電圧維持率を良好に保つことができる。さらに、このように積層体ＬＡに与える加圧力を、充電後に所定期間放置した後（または所定回数使用した後）の電圧維持率に基づいて予め決めておくことで、製造時の検査において各ボルトのトルクを計測し、このトルクから加圧力を算出することで、予め不良品を取り除くことができる。

前記したように積層体ＬＡを適度な加圧力で保持した後は、Ｌ形リードプレート３の集電壁３１の側縁部（屈曲部３１ｂ）と、各電極シート２のリード部２ｃおよび各シム５とを溶接することで、電極シート組立体ＥＡの製造が完了する。その後は、図１に示すように、この電極シート組立体ＥＡをケーシング１内に収容させた後、端子接続プラグ６の孔６１ｃから電解液を注入することで、各電極シート２の電極層２ｂと各セパレータ４に電解液を含浸させる。そして、最後に、端子接続プラグ６の孔６１ｃを図示せぬ栓で封止することで、キャパシタ１０の製造が完了する。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
電極シート２の面積よりも大きな面積となるＬ形リードプレート３の保持壁３２で、積層された電極シート２を挟み込むので、積層された電極シート２に対して積層方向において適度な加圧力を均一に付与することができる。そして、このように適度な加圧力が均一に電極シート２に加わることによって、集電箔２ａと電極層２ｂとが密着して電気抵抗を下げることが可能となるとともに、各電極シート２の傾きが防止され、各一対の電極シート２の面方向における各位置の電極間距離を一定に、かつ短くすることができる。

セパレータ４が電極シート２の電極層２ｂよりも大きく形成されるとともに、セパレータ４の貫通孔４ｄが電極シート２の貫通孔２ｄよりも小さく形成されるので、電極シート２とセパレータ４を積層する際において、電極シート２とセパレータ４とが正規位置よりも多少ずれたとしても、セパレータ４によって各電極シート２を確実に絶縁させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、製造コスト上の観点から、同じ材料で第１シム５Ａおよび第２シム５Ｂを形成したが、本発明はこれに限定されず、第１シム５Ａを絶縁性の材料で形成してもよい。これによれば、図１に示すように、第１シム５Ａに隣接する電極シート２から流れてくる電流が第１シム５Ａ側には行かずに、その反対側（電流が取り出される側）のみに向かって流れるようになるので、集電をより良好に行うことができる。また、本実施形態とは逆に、Ｌ形リードプレートとこれに隣接する電極シートとが異極である場合にも、この異極の電極シートのリード部とＬ形リードプレートとの間に絶縁性のシムを設けることで、前記と同様の効果を奏することができる。

本実施形態では、電気化学素子として電気二重層キャパシタ１０を採用したが、本発明はこれに限定されず、例えばリチウムイオン二次電池等の電池を採用してもよい。

本実施形態に係る電気二重層キャパシタの内部構造を示す断面図である。 本実施形態に係る電極シート組立体の構造を示す分解斜視図である。 積層体の構造を示す分解斜視図である。 電極シート組立体の組立後の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 電極シート
２ａ 集電箔
２ｂ 電極層（電極）
２ｃ リード部
３ Ｌ形リードプレート（集電プレート）
３１ 集電壁
３２ 保持壁
３２ｃ 絶縁膜
４ セパレータ
５ シム
６ 端子接続プラグ（電流取出部）
１０ 電気二重層キャパシタ（電気化学素子）
ＥＡ 電極シート組立体
ＬＡ 積層体

Claims (4)

1. 集電箔上にリード部を残して電極層が形成される複数の電極シートと、
   複数の前記電極シートの電極層間に配置されるセパレータと、
   複数の前記電極シートのリード部間に配置されるシムと、を備え、
   前記電極層および前記セパレータに電解液が含浸された電気化学素子であって、
   複数の前記電極シートのリード部から電流を集電する集電壁と、
   積層された前記電極シートのうち端の電極シートを保持する保持壁と、
   を有する２つの略Ｌ字形状の集電プレートをさらに備え、
   前記集電壁は、前記電極シートの積層方向に延び、前記電極シート側へ向かって凸となるビード部を有し、
   前記リード部および前記シムは、前記ビード部と係合する切欠部を有し、
   ２つの前記集電プレートは、
   前記保持壁が積層された前記電極シートを積層方向において挟み込むとともに、前記保持壁の面積は前記電極シートの面積よりも大きく形成され、
   前記保持壁、前記リード部および前記シムは、
   前記積層方向に相互に連通する孔を有し、該孔には、２つの前記集電プレートの保持壁間を積層方向に加圧するように締結する締結部材が挿通される
   ことを特徴とする電気化学素子。
2. 前記締結部材は絶縁体で構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
3. 前記集電プレートの保持壁の前記電極シート側の面には、絶縁処理が施されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気化学素子。
4. 前記２つの集電プレートによって前記電極シートを積層方向において加圧する際に、そ
   の加圧力を０．３（ＭＰａ）〜１．０（ＭＰａ）とする
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気化学素子。

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