JP2009088279A

JP2009088279A - 電気化学素子

Info

Publication number: JP2009088279A
Application number: JP2007256486A
Authority: JP
Inventors: Junji Koga; 淳史古賀; Shuichi Ishimoto; 修一石本
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】電極とセパレータを順次積層して構成される電気化学素子の製造時の、積層ずれ等を防止する。
【解決手段】この発明の電気化学素子は、炭素材料とこの炭素材料を結合するバインダを含んだ電極を、セパレータを介して積層した電気化学素子を、外装ケースに収納してなる電気化学素子において、電極のバインダと同種の成分を主体とする接着剤にて、電極とセパレータ、またはセパレータ同士を接着したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ、リチウム二次電池等で、複数の電極板をセパレータを介して積層した電気化学セルを有する積層型の電気化学素子に関するものである。

電気化学素子として、リチウム２次電池や電気二重層キャパシタが知られている。電気二重層キャパシタは、分極性電極と電解質を含んだ電解液からなる電気素子であって、電荷の蓄積に電解液と分極性電極との界面に生じる電気二重層を利用したコンデンサであり、この電気二重層の厚さが数ｎｍと非常に小さく、かつ、活性炭のような比表面積の大きな材料が分極性電極に用いられることによって、大きな容量を実現してきた。電気二重層キャパシタは、構成材料に重金属などの有害物質を使用していないことから環境汚染の危険性が少なく、さらに二次電池のように化学反応を伴わないことから充放電サイクル寿命に優れているといった特徴がある。このため、電気二重層キャパシタは、二次電池の代替デバイスとして、マイコンやメモリーなどのバックアップ電源として広く用いられるようになった。

近年、電気二重層キャパシタの特徴を活かし、電気自動車などのモーター駆動用エネルギー源あるいはエネルギー回生システムとして、また無停電電源装置等新しい用途が検討されている。従来用途のメモリーなどのバックアップ電源としては、電極板やセパレータを捲回した型の電気二重層キャパシタが主流として用いられているが、自動車等の高い出力が必要な用途に用いるためには、複数の電極板を積層した積層型の電気二重層キャパシタが好適である。

このような電極板をセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタを始めとする積層型の電気化学素子においては、出来るだけケース内に無駄な空間を発生させず、正極電極板と負極電極板を正確にセパレータを介して積層させることを目的として、多くの工夫が成されてきている。

例えば、特許文献１には屏風状に電極板やセパレータを折り曲げて外装ケースに収納する技術が開示されている。また、特許文献２には、熱溶融性樹脂繊維布を溶着した袋状のセパレータを用い、その中に電極板を収納する技術が記載されている。
特開平３-１４５５号公報特開昭５６−１０２０６４号公報

このような積層型電気二重層キャパシタでは、電極体間にセパレータを挟んで所定枚数だけ積層して組立することで製造するが、バラバラに分離して存在する電極体の間にセパレータを順次挟んでいくという作業では、セパレータの位置が電極体からずれたりすることがある。また、積層した電極体を次の工程に移送する場合にも、電極体とセパレータの位置がずれてしまう場合も考えられる。

上記のような位置ずれの防止の観点では、電極やセパレータを屏風状に折り曲げることは有効であるが、電極板の折り曲げ部分での電流の偏りを避けるために、活物質の存在しない部分と活物質が存在する部分とを交互に規則的且つ正確に正極電極板と負極電極板の基板上に製作しなければならなく、製造上、加工が非常に困難である。

また、セパレータを袋状にして、その袋状のセパレータの中に電極板を収納させることに対しては、電極板を袋状セパレータに収納して積層を行うと、製造時の扱いやすさが向上し、また積層ずれを防ぐことができるので利点は多い。しかし、ポリエチレンやポリプロピレンなどの熱溶融性樹脂系セパレータを加熱によって熱融着させるため、融着しわが生じ、しわによって電極間距離が増大することで電気特性を劣化させる問題がある。さらに、セパレータの材質として熱溶融性樹脂系しか使用出来ないという問題があり、セルロース系セパレータ等は使用できないという問題がある。

本願はより簡便な手段で、電気化学素子の製造時の、積層ずれ等を防止することを目的とする。

この発明の電気化学素子は、炭素材料とこの炭素材料を結合するバインダを含んだ電極を、セパレータを介して積層した電気化学素子を、外装ケースに収納してなる電気化学素子において、電極のバインダと同種の成分を主体とする接着剤にて、電極とセパレータ、またはセパレータ同士を接着したことを特徴とする。

積層した電極とセパレータを、または積層したセパレータ同士を接着剤で固定することで、積層した電極化学セルは積層ずれを起こすことがない。しかも、接着剤として、電極のバインダと同種の成分を主体とする接着剤を用いている。電極のバインダは、電解液との相互作用を引き起こさないものが選択されて使用されている。このような成分を主体とする接着剤は、接触する電解液や、電極そのものとも相互作用を引き起こすことがなく、電気化学素子の電気的特性を損なうおそれが無い。

この発明によれば、簡易な方法で、積層して形成した電気化学セルの位置ずれを防止することができる。また、使用した接着剤は電解液と相互作用を引き起こすことはなく、電気化学素子の電気的特性を損なうこともない。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、複数の電極板をセパレータを介して積層した電気化学素子である。図１は、本発明の電気二重層キャパシタの内部構造を示す断面図である。電気二重層キャパシタは、電極とセパレータを積層して形成したキャパシタ素子（セル）１００を金属製の外装ケースに１０１収納し、外装ケース１０１の開口端部を封口して形成したものである。なお、開口端部を封口する封口部材１０２には、電極端子１０３が形成され、電気二重層キャパシタの内部と外部を電気的に連絡している。

図２、図３、図４はキャパシタ素子の製造プロセスを示す斜視図である。

図２は、セパレータに正極電極板を搭載した状態を示す斜視図である。６は正極電極板、６１は正極リード端子を示す。電気二重層キャパシタの場合は、負極電極板もリード端子の位置が異なるだけで正極電極板と同じものが使用できる。正極・負極電極板は、従来と同様にアルミニウム箔またはニッケル箔等からなる集電体と炭素材料等を主成分とする活物質とを一体化させたものを用いることができる。炭素材料としては、木材、鋸屑、椰子殻、パルプ廃液などの植物系物質、石炭、石油重質油、またはそれらを熱分解して得られる石炭系及び石油系ピッチ、石油コークス、カーボンエアロゲル、タールピッチなどの化石燃料系物質、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデンなどの合成高分子系物質など各種のものが用いられ、これら原料を炭化後、ガス賦活法または薬品賦活法によって賦活した比表面積が７００〜３０００ｍ²／ｇ、特に１０００〜２０００ｍ²／ｇのものが好ましい。導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックのようなカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛炭素繊維が好ましく、５〜３０重量％程度添加するのがより好ましい。

バインダ物質としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ニトリルゴム、ポリブタジエン、ブチレンゴム、ポリスチレン、スチレン−ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、アクリルゴム等が挙げられる。

次に、正極・負極電極板の作製方法の例を説明する。フェノール樹脂を炭化・賦活した活性炭粉末とカーボンブラックをバインダにて混練し、次いで圧延を行いシート状物を成形する。得られたシート状物をアルミニウム又はニッケルなどの粗面化された集電体箔に導電性カーボンペーストを用いて接着する。さらに、加熱乾燥することで一体化を行い、これを電極シートとする。電極シートは、分極性電極層と集電体とを重ね合わせて圧延することにより、これらを互いに圧着させる方法で作製されても良い。分極性電極層は集電体の片面に接着してもよいし、両面に接着しても良い。またメチルセルロースやポリフッ化ビニリデン等のバインダを溶媒に溶解した溶液に炭素材料を分散させてスラリーとし、該スラリーを集電体の片面あるいは両面に塗工することで分極性電極シートを作製しても良い。

リチウム二次電池の場合は、高分子固体電解質と組み合わせる電極を、リチウム二次電池の電極として公知のものの中から適宜選択して使用すれば良く、好ましくは電極活物質とゲル電解質、必要により導電助剤をバインダで一体化させたものを用いれば良い。通常、負極には、炭素材料、リチウム金属、リチウム合金あるいは酸化物材料のような負極活物質を用い、正極には、リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な酸化物または炭素材料のような正極活物質が用いられる。

電極板の製造は、まず、活物質と必要に応じて導電助剤とバインダを溶液に分散し、スラリーを調製する。そして、この電極スラリーを金属箔、金属メッシュなどの集電体に塗布する。集電体は、一般に、正極にはアルミニウム等が、負極には銅、ニッケル等が使用される。

電気二重層キャパシタの場合は、セパレータ９は、厚さが薄く、電子絶縁性及びイオン透過性の高い材料が好ましく、特に限定されるものではないが、ポリエチレンやポリプロピレンなどの不織布、またはビスコースレイヨンや天然セルロースの抄紙等が好適に使用される。このように、セパレータの材料等は電気化学デバイスに応じて選定すればよい。例えば、リチウム二次電池の場合は、セパレータの構成材料がポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフイン類の一種又は二種以上（二種以上の場合、二層以上のフィルムの張り合わせ物などがある）、ポリエチレンテレフタレートのようなポリエステル類、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体のような熱可塑性フッ素樹脂類、セルロース類などが採用される。

図２は、本発明のセパレータ上に正極電極板を載置したところを示す斜視図である。図２に示すようにセパレータ９のほぼ中央部に正極電極板６を配し、正極リード端子６１のみがセパレータ９から突出するように載置し、正極電極板６の本体がセパレータ９で覆われるようにする。

そして、図３に示すように、さらにその上にセパレータ９を載置し、正極電極板６を２枚のセパレータ９，９にて包むようにする。この際、セパレータ９同士を接着剤５で接着する。接着剤５の塗布位置は、セパレータの周囲の正極電極板６が搭載されていない箇所に塗布する(図２参照)。この接着剤はセパレータの４辺すべてを接着することが好ましい。ただし、接着剤によって、２枚のセパレータを密封状態の袋状とすることは必要でない。セパレータ同士の接合を目的としているため、断続的に接着剤を塗布してセパレータ同士を接着しても良い。

電極とセパレータを接着する方法でも、電極とセパレータの位置決めをするができる。しかし、電極とセパレータを接着した場合には、接着剤によって目つぶれを起こし、静電容量が減少してしまう可能性があるために、セパレータ同士を接着するほうが好ましい。

この接着に用いる接着剤は、電極の形成の際に用いたバインダと同じものを用いて接着を行う。

すなわち、接着剤の主成分としてはバインダと同様に、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ニトリルゴム、ポリブタジエン、ブチレンゴム、ポリスチレン、スチレン−ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、アクリルゴム等を用いることができる。

この接着剤は、各バインダ成分のディスパージョン溶液を用いると好適である。特に前述した電極の作成に用いたディスパージョン溶液を、そのままセパレータに塗布してセパレータ同士の接着剤として利用すると、簡便である。

次に、図４に示すように、セパレータ９の中央部に負極電極板７を配し、負極リード端子７１のみがセパレータから突出するように載置する。この負極電極板は、負極リード端子７１が正極リード端子６１とは重ならない位置より突出するように配置する。

そして、さらにセパレータを載置し、負極の電極板を２枚のセパレータにて包むようにする。この際、セパレータ同士を接着するのは正極の場合と同様である。

この工程を繰り返して正極電極板、負極電極板、セパレータを積層してキャパシタ素子を作成する。

なお、電極板のセパレータの間への収納は、セパレータ同士を接着し、袋状のセパレータとしてから電極を挿入してもよいが、挿入口としての一辺を接着しないままとするか、後で挿入口を接着する工程が必要となる。

挿入口としての一辺を接着しない場合には、電極板の位置ずれを起こす可能性がある。また、後に挿入口を接着する場合には、工程数の増加となり、製造が煩雑になるため、セパレータの積層とともに接着するほうが好ましい。

以上のようにして作成した電気化学素子のセルを電解液とともに外装ケースに収納し、外装ケースの封口を行って図１に示すような電気二重層キャパシタを得る。

より具体的な実施例に従って、本発明を説明する。

（実施例）
電気化学素子として、電気二重層キャパシタを作成する。

電極は、活性炭粉末と導電助剤としてのケッチェンブラックと、水にアクリルゴムを４０ｗｔ％で分散させたディスパージョンを混合した塗布液をアルミニウム箔に塗布、乾燥して電極を作成した。

セパレータとしてはセルロース紙を用いた。

そして、作成した電極をセパレータを介して積層してキャパシタ素子を作成する。

この際、セパレータ同士を接着させるものとして、水にアクリルゴムを４０ｗｔ％で分散させたディスパージョンを用いた。このディスパージョンは、電極の作成の際に用いたバインダと全く同一のものである。このディスパージョンをセパレータに滴下し、セパレータ同士を接着した。そして、セパレータと電極と一体化させたユニットを作製した。

このユニットを１６０℃で２４時間乾燥させた後もセパレータ同士の接着は保たれていた。

このユニットを積層させ、電気二重層キャパシタセルを作成し、このセルに電解液を含浸して電気二重層キャパシタを作成する。

電解液としては、テトラアルキルアンモニウム／４フッ化ホウ素塩を、プロピレンカーボネート溶媒に溶解した電解液を用いた。

この電解液を含浸した場合でも、アクリルゴム系の接着剤は変質することなく、セパレータ同士の接着が得られることが判明した。また、その後の寿命試験においても、異常が発生することはなかった。

電気化学素子の内部構造を示す断面図である。電気化学素子のセルの組立工程を示す斜視図である。電気化学素子のセルの組立工程を示す斜視図である。電気化学素子のセルの組立工程を示す斜視図である。

符号の説明

６正極電極板
７負極電極板
９セパレータ
１００キャパシタ素子(セル)
１０１外装ケース
１０２封口部材
１０３電極端子

Claims

炭素材料とこの炭素材料を結合するバインダを含んだ電極を、セパレータを介して積層した電気化学セルを、外装ケースに収納してなる電気化学素子において、
電極のバインダと同種の成分を主体とする接着剤にて、電極とセパレータ、またはセパレータ同士を接着した電気化学素子。