JP2013030275A - 蓄電装置、及び蓄電装置を搭載した作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 より大容量で、かつ高出力動作可能な蓄電装置を提供する。
【解決手段】 前記正極集電体の表面に第１の正極層が形成されて正極板が構成される。正極板に、負極板が重ねられている。負極板は、負極集電体、及び負極集電体の上に積層された第１及び第２の負極層を含む。正極板と負極板との間にパレータが配置されている。第１の正極層及び第１の負極層は、それぞれ酸化還元反応によって充放電を行う正極活物質及び負極活物質を含む。セパレータには、正極活物質及び負極活物質とともに二次電池として動作する電解液が含浸されている。第２の負極層は多孔質材料を含み、第２の負極層と電解液との界面に電気二重層が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電装置、及び蓄電装置を搭載した作業機械に関する。

ハイブリッド型作業機械の電源として、電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池等が注目されている。電気二重層キャパシタは、リチウムイオン二次電池に比べて大きな出力電力を得ることができるが、エネルギ密度が低い。逆に、リチウムイオン二次電池は、電気二重層キャパシタに比べて、高いエネルギ密度を実現することができるが、取り出せる出力電力が小さい。

両者の長所を併せ持ったリチウムイオンキャパシタ等のハイブリッドキャパシタが知られている。

特開２００６−３３１７０２号公報 特開２００６−４０７４８号公報

本発明の目的は、より大容量で、かつ高出力動作可能な蓄電装置を提供することである。本発明の他の目的は、この蓄電装置を搭載した作業機械を提供することである。

本発明の一観点によると、
正極集電体、及び前記正極集電体の表面に形成された第１の正極層を含む正極板と、
前記正極板に重ねられ、負極集電体、及び前記負極集電体の上に積層された第１及び第２の負極層を含む負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータと
を有し、
前記第１の正極層及び前記第１の負極層は、それぞれ酸化還元反応によって充放電を行う正極活物質及び負極活物質を含み、
前記セパレータには、前記正極活物質及び前記負極活物質とともに二次電池として動作する電解液が含浸されており、
前記第２の負極層は多孔質材料を含み、前記第２の負極層と前記電解液との界面に電気二重層が形成される蓄電装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
積層方向に積み重ねられ、直列接続された複数の蓄電セルと、
前記蓄電セルに積層方向の圧縮力を印加する加圧機構と
を有し、
前記蓄電セルの各々は、
交互に積み重ねられた正極板及び負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータと、
前記正極板、前記負極板、及び前記セパレータを収容する蓄電容器と
を含み、
前記正極板は、
正極集電体、及び前記正極集電体の両面に形成された第１の正極層を含み、
前記負極板は、
負極集電体、及び前記負極集電体の両面に積層された第１及び第２の負極層を含み、
前記第１の正極層及び前記第１の負極層は、それぞれ酸化還元反応によって充放電を行う正極活物質及び負極活物質を含み、
前記セパレータには、前記正極活物質及び前記負極活物質とともに二次電池として動作する電解液が含浸されており、
前記第２の負極層は多孔質材料を含み、前記第２の負極層と前記電解液との界面に電気二重層が形成される蓄電装置が提供される。

さらに、本発明の他の観点によると、
上記蓄電装置を搭載した作業機械が提供される。

第１の正極層及び第１の負極層が二次電池として動作するため、高いエネルギ密度を実現することができる。第２の負極層が電気二重層キャパシタとして動作するため、大きな充放電電流に対応することが可能である。

図１Ａは、実施例１による蓄電装置の断面図であり、図１Ｂは、実施例１の変形例による蓄電装置の断面図である。 図２は、実施例１による蓄電装置の等価回路図である。 図３は、実施例２による蓄電装置の積層部分の断面図である。 図４Ａは、実施例２による蓄電装置の平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、実施例３による蓄電装置の断面図である。 図６は、実施例４による作業機械の部分破断側面図である。

［実施例１］
図１Ａに、実施例１による蓄電装置の断面図を示す。正極板１０と負極板２０との間に、セパレータ３０が挟まれている。正極板１０は、正極集電体１１、及びその上に積層された第１の正極層１２、第２の正極層１３を含む。第２の正極層１３に、セパレータ３０が接している。負極板２０は、負極集電体２１、及びその上に積層された第１の負極層２２、第２の負極層２３を含む。第２の負極層２３に、セパレータ３０が接している。

正極集電体１１及び負極集電体２１には、例えば金属箔が用いられる。一例として、負極集電体２１には、厚さ約１４μｍの銅箔が用いられ、正極集電体１１には、厚さ約２０μｍのアルミニウム箔が用いられる。

第１の正極層１２及び第１の負極層２２は、それぞれ二次電池の正極及び負極として作用する。例えば、第１の正極層１２は、酸化還元反応によって充放電を行う粉末状の正極活物質とバインダとの混合物を成形したものであり、第１の負極層２２は、酸化還元反応によって充放電を行う粉末状の負極活物質とバインダとの混合物を成形したものである。なお、第１の正極層１２及び第１の負極層２２に、カーボンブラック、アセチレンブラック等の導電剤を添加することが好ましい。

一例として、リチウムイオン二次電池を構成する場合には、正極材料として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム等が用いられ、負極材料として、黒鉛、チタン酸リチウム、ケイ素等が用いられる。鉛二次電池を構成する場合には、正極材料として酸化鉛が用いられ、負極材料として鉛が用いられる。

第２の正極層１３及び第２の負極層２３は、電気二重層キャパシタの分極性電極として作用する。第２の正極層１３及び第２の負極層２３は、例えば、活性炭、カーボンナノチューブ等の多孔質材料の粉体と結合剤（バインダ）との混合物を成形したものである。なお、第１の正極層１２及び第１の負極層２２に、カーボンブラック、アセチレンブラック等の導電剤を添加することが好ましい。

セパレータ３０には、イオン透過性を有し、正極板１０と負極板２０とを電気的に分離することができる材料が用いられる。一例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、セロハン等の多孔質フィルムが用いられる。

セパレータ３０には、電解液が含浸されている。この電解液は、第１の正極層１２と第１の負極層２２とで構成される二次電池用の電解液、及び第２の正極層１３と第２の負極層２３とで構成される電気二重層キャパシタ用の電解液として機能する。第１の正極層１２と第１の負極層２２とがリチウムイオン二次電池を構成する場合には、例えば、電解液の溶質としてＬｉＰＦ_６が用いられ、溶媒には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合液が用いられる。第１の正極層１２と第１の負極層２２とが鉛二次電池を構成する場合には、電解液として硫酸が用いられる。第２の正極層１３を構成する多孔質材料と電解液との界面、及び第２の負極層２３を構成する多孔質材料と電解液との界面に、電気二重層が形成される。

図２を参照して、実施例１による蓄電装置の動作について説明する。第１の正極層１２及び第１の負極層２２が二次電池Ｖとして動作するときには、第２の正極層１３及び第２の負極層２３が、それぞれ抵抗Ｒｐ１、Ｒｎ１として動作する。第２の正極層１３及び第２の負極層２３が電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎとして動作するときには、第１の正極層１２及び第１の負極層２２が、それぞれ抵抗Ｒｐ２、Ｒｎ２として動作する。

大きな出力（大きな放電電流）が必要なときには、主として電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎから放電される。また、大きな電流で充電を行う場合には、主として電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎに充電が行われる。また、二次電池Ｖによって、高いエネルギ密度を実現することができる。

電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎの蓄電量が低下した場合には、二次電池Ｖからの放電電流によって電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎに充電が行われる。電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎの蓄電量が大きくなると、電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎからの放電電流によって二次電池Ｖに充電が行われる。

上述のように、実施例１による蓄電装置は、電気二重層キャパシタＣｐ、Ｃｎが、大きな出力の要請に対応し、かつ二次電池Ｖによって、高いエネルギ密度を確保することができる。

なお、正極側で電気二重層キャパシタＣｐが動作し、負極側で二次電池Ｖの第１の負極層２２の酸化還元反応が生じる場合もある。逆に、負極側で電気二重層キャパシタＣｎが動作し、正極側で二次電池Ｖの第１の正極層１２の酸化還元反応が生じる場合もある。

上記実施例１では、第１の正極層１２の上に第２の正極層１３を積層したが、積層順を逆にしてもよい。すなわち、正極集電体１１の上に第２の正極層１３を形成し、その上に、第１の正極層１２を形成してもよい。また、第１の負極層２２と第２の負極層２３との積層順を逆にしてもよい。すなわち、負極集電体２１の上に第２の負極層２３を形成し、その上に、第１の負極層２２を形成してもよい。

図１Ｂに、実施例１の変形例による蓄電装置の断面図を示す。この変形例では、図１Ａに示した実施例１による蓄電装置から、第２の正極層１３が取り除かれている。この変形例においては、第２の負極層２３が電気二重層キャパシタＣｎ（図２）として機能し、電気二重層キャパシタＣｐ（図２）に相当するキャパシタは形成されない。

このように、第２の正極層１３を取り除いても、電気二重層キャパシタ及び二次電池の双方の充放電動作を行うことができる。

［実施例２］
図３に、実施例２による蓄電装置の電極の積層構造の断面図を示す。以下、実施例１による蓄電装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例１では、正極板１０が、正極集電体１１と、その片面のみに積層された第１及び第２の正極層１２、１３で構成されており、負極板２０が、負極集電体２１、及びその片面のみに積層された第１及び第２の負極層２２、２３で構成されていた。実施例２においては、正極板１０が、正極集電体１１、及びその両面に積層された第１及び第２の正極層１２、１３で構成される。同様に、負極板２０も、負極集電体２１、及びその両面に積層された第１及び第２の負極層２２、２３で構成される。

実施例１と同様に、第１の正極層１１と第２の正極層１２との積層順を逆にしてもよいし、第１の負極層２１と第２の負極層２２との積層順を逆にしてもよい。

複数の正極板１０及び負極板２０が、交互に積み重ねられている。正極板１０と負極板２０との間に、セパレータ３０が配置されている。複数の正極集電体１１は、相互に電気的に接続されており、複数の負極集電体２１も、相互に電気的に接続されている。

図４Ａに、実施例２による蓄電装置の平面図を示す。正極板１０、負極板２０、及びセパレータ３０が、蓄電容器３５内に収容されている。蓄電容器３５には、例えばアルミラミネートフィルムが用いられる。

正極板１０は、相対的に大きな長方形の部分（蓄電部分）１０Ａと、その１つの縁の端部近傍に連続する相対的に小さな長方形の部分（接続部分）１０Ｂとで構成される。第１及び第２の正極層１２、１３（図３）は、蓄電部分１０Ａに形成されており、接続部分１０Ｂにおいては、正極集電体１１が露出している。

負極板２０も、同様に蓄電部分２０Ａと、接続部分２０Ｂとで構成される。第１及び第２の負極層２２、２３（図３）は、蓄電部分２０Ａに形成されており、接続部分２０Ｂにおいては、負極集電体２１が露出している。

正極板１０の蓄電部分１０Ａと、負極板２０の蓄電部分２０Ａとが重ねられている。セパレータ３０は、蓄電部分１０Ａ、２０Ａの縁よりも外側まで張り出している。接続部分１０Ｂ、２０Ｂは、セパレータ３０の縁よりも外側まで延びている。セパレータ３０の外側において、複数の正極板１０の接続部分１０Ｂ同士が重ねられており、負極板２０の接続部分２０Ｂ同士が重ねられている。正極板１０の接続部分１０Ｂと、負極板２０の接続部分２０Ｂとは、相互に離れた位置に配置される。具体的には、蓄電部分１０Ａ、２０Ａの対応する縁の、相互に反対側の端部近傍に、接続部分１０Ｂと２０Ｂとが配置される。

正極タブ１５が、正極板１０の接続部分１０Ｂに接続され、蓄電容器３５の外側まで導出されている。負極タブ２５が、負極板２０の接続部分２０Ｂに接続され、蓄電容器３５の外側まで導出されている。

図４Ｂに、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図を示す。正極板１０、負極板２０、及びセパレータ３０の積層構造体が、アルミラミネートフィルム３５Ａと３５Ｂとで挟まれている。図４Ｂにおいては、図３に示した正極集電体１１、第１の正極層１２、及び第２の正極層１３をまとめて正極板１０として示している。同様に、図３に示した負極集電体２１、第１の負極層２２、及び第２の負極層２３をまとめて負極板２０として示している。

アルミラミネートフィルム３５Ａと３５Ｂとは、その外周部において相互に熱溶着されている。アルミラミネートフィルム３５Ａ、３５Ｂが、蓄電容器３５（図４Ａ）を構成する。接続部分１０Ｂにおいて、正極板１０の正極集電体１１（図３）が重ねられており、正極タブ１５に超音波溶接されている。正極タブ１５は、アルミラミネートフィルム３５Ａと３５Ｂとの間を通って、蓄電容器３５の外側まで導出されている。同様に、接続部分２０Ｂ（図４Ａ）において、負極板２０の負極集電体２１（図３）が重ねられており、負極タブ２５（図４Ａ）に超音波溶接されている。

図４Ａでは、正極タブ１５が相対的に左側に配置され、負極タブ２５が相対的に右側に配置されている蓄電装置を示したが、左右反転させた蓄電装置も準備される。図４Ａに示した蓄電装置と、左右反転させた蓄電装置とを交互に積み重ねると、隣り合う蓄電セルの正極タブ１５と負極タブ２５とを容易に接続することができる。

実施例２による蓄電装置は、図１Ａ及び図２に示した実施例１による蓄電装置を複数個並列接続した構成と等価である。従って、実施例２においても、実施例１と同様に、電気二重層キャパシタとしての充放電動作、及び二次電池としての充放電動作を行うことができる。

［実施例３］
図５Ａに、実施例３による蓄電装置の断面図を示す。複数の蓄電セル４０が、その厚さ方向に積層されている。蓄電セル４０の厚さ方向（積層方向）をｚ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。蓄電セル４０の構成は、実施例２の図４Ａ、図４Ｂに示したもの、または図４Ａの正極タブ１５と負極タブ２５との位置を入れ換えた構造のものと同一である。正極タブ１５及び負極タブ２５（図４Ａ）は、ｘ軸の正の向きに引き出されている。ｚ方向に隣り合う蓄電セル４０の間に、伝熱板４１が配置されている。伝熱板４１には、例えばアルミニウムが用いられる。伝熱板４１は、ｙ方向に関して、蓄電セル４０の縁よりも外側まで広がっている。

加圧機構４２が、蓄電セル４０及び伝熱板４１からなる積層体に、積層方向（ｚ方向）の圧縮力を加えている。加圧機構４２は、一対の押さえ板４３、４本のタイロッド４４、及びナット４５を含む。押さえ板４３は、蓄電セル４０と伝熱板４１とからなる積層体の両端に配置されている。タイロッド４４が、一方の押さえ板４３から他方の押さえ板４３まで貫通し、一対の押さえ板４３に、両者の間隔が狭まる向きの力を加える。タイロッド４４は、ｘｙ面内において、伝熱板４１と空間的に干渉しない位置に配置される。

壁板４７及び４８が、蓄電セル４０及び伝熱板４１を含む積層体を、ｙ方向に挟む。壁板４７、４８は、ｙ軸に垂直な姿勢で配置され、押さえ板４３にボルトで固定されている。壁板４７、４８は、伝熱板４１の端面において、伝熱板４１に熱的に結合している。例えば、壁板４７、４８と伝熱板４１とを直接接触させてもよいし、両者を熱伝導性接着剤で固定してもよいし、両者の間に伝熱ゴムシートを挟んでもよい。蓄電セル４０で発生した熱が、伝熱板４１を経由して、壁板４７、４８に伝導される。

図５Ｂに、図５Ａの一点鎖線５Ｂ−５Ｂにおける断面図を示す。図５Ｂの一点鎖線５Ａ−５Ａにおける断面図が図５Ａに相当する。積層された複数の蓄電セル４０が、正極タブ１５及び負極タブ２５によって直列接続されている。

壁板４９及び５０が、蓄電セル４０及び伝熱板４１を含む積層体をｘ方向に挟む。壁板４９及び５０は、ボルトにより押さえ板４３に固定される。また、図５Ｂには現れていないが、壁板４７、４８（図５Ａ）にもボルトにより固定される。押さえ板４３及び壁板４７、４８、４９、５０が、平行六面体の筐体を構成する。

壁板４９、５０に、それぞれ窓５１、５２が設けられている。窓５１、５２内に、それぞれ強制空冷機構５３、５４が配置されている。強制空冷機構５３、５４は、筐体内を強制的に空冷する。

蓄電セル４０が、加圧機構４２によって所定の圧力で加圧されて、筐体に支持されている。このため、蓄電装置を搭載している作業機械の動作中に蓄電装置に衝撃が加わっても、蓄電セル４０の、ｘ方向及びｙ方向への位置ずれが生じない。

実施例３においては、蓄電セル４０を空冷する例として、壁板４９、５０に強制空冷装置５３、５４を配置したが、蓄電セル４０を液冷とすることも可能である。この場合、壁板４７、４８（図５Ａ）の内部に冷却液用の流路が形成される。この流路に冷却液を流すことにより、壁板４７、４８を冷却することができる。蓄電セル４０で発生した熱が、伝熱板４１を経由して、壁板４７、４８に伝達される。これにより、蓄電セル４０を効率的に冷却することが可能になる。

実施例３による蓄電装置の蓄電セル４０に、実施例２の構造の蓄電装置が用いられている。このため、実施例３による蓄電装置は、実施例２と同様に、電気二重層キャパシタとしての充放電動作、及び二次電池としての充放電動作を行うことができる。

［実施例４］
図６に、実施例４によるハイブリッド型作業機械の例として、ハイブリッド型ショベルの部分破断側面図を示す。下部走行体６０に、旋回軸受け６１を介して上部旋回体６２が搭載されている。上部旋回体６２は、旋回フレーム６２Ａ、カバー６２Ｂ、及びキャビン６２Ｃを含む。旋回フレーム６２Ａは、キャビン６２Ｃ、及び種々の部品の支持構造体として機能する。カバー６２Ｂは、旋回フレーム６２Ａに搭載された種々の部品、例えば蓄電装置８０等を覆う。キャビン６２Ｃ内に、操作者が着座する座席が収容されている。

旋回用電動モータが、その駆動対象である旋回フレーム６２Ａを、下部走行体６０に対して、時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体６２に、ブーム６５が取り付けられている。ブーム６５は、油圧駆動されるブームシリンダ６６により、上部旋回体６２に対して上下方向に揺動する。ブーム６５の先端に、アーム６７が取り付けられている。アーム６７は、油圧駆動されるアームシリンダ６８により、ブーム６５に対して前後方向に揺動する。アーム６７の先端にバケット６９が取り付けられている。バケット６９は、油圧駆動されるバケットシリンダ７０により、アーム６７に対して上下方向に揺動する。

蓄電装置８０が、蓄電装置用マウント８１及びダンパ（防振装置）８２を介して、旋回フレーム６２Ａに搭載されている。蓄電装置８０は、例えばキャビン６２Ｃの後方に配置される。カバー６２Ｂが蓄電装置８０を覆う。蓄電装置８０には、上記実施例３による蓄電装置が用いられる。蓄電装置８０から供給される電力によって、旋回用電動モータが駆動される。また、旋回用電動モータは、運動エネルギを電気エネルギに変換することによって回生電力を発生する。発生した回生電力によって、蓄電装置８０が充電される。

蓄電装置８０に、上記実施例３による蓄電装置が用いられているため、電気二重層キャパシタの長所である大電流による充放電を行うことができ、かつ二次電池の長所である高いエネルギ密度を実現することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 正極板
１０Ａ 蓄電部分
１０Ｂ 接続部分
１１ 正極集電体
１２ 第１の正極層
１３ 第２の正極層
１５ 正極タブ
２０ 負極板
２０Ａ 蓄電部分
２０Ｂ 接続部分
２１ 負極集電体
２２ 第１の負極層
２３ 第２の負極層
２５ 負極タブ
３０ セパレータ
３５ 蓄電容器
３５Ａ、３５Ｂ アルミラミネートフィルム
４０ 蓄電セル
４１ 伝熱板
４２ 加圧機構
４３ 押さえ板
４４ タイロッド
４５ ナット
４７、４８、４９、５０ 壁板
５１、５２ 窓
５３、５４ 強制空冷装置
６０ 下部走行体
６１ 旋回軸受け
６２ 上部旋回体
６２Ａ 旋回フレーム
６２Ｂ カバー
６２Ｃ キャビン
６５ ブーム
６６ ブームシリンダ
６７ アーム
６８ アームシリンダ
６９ バケット
７０ バケットシリンダ
８０ 蓄電装置
８１ 蓄電装置用マウント
８２ ダンパ

Claims (4)

1. 正極集電体、及び前記正極集電体の表面に形成された第１の正極層を含む正極板と、
   前記正極板に重ねられ、負極集電体、及び前記負極集電体の上に積層された第１及び第２の負極層を含む負極板と、
   前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータと
   を有し、
   前記第１の正極層及び前記第１の負極層は、それぞれ酸化還元反応によって充放電を行う正極活物質及び負極活物質を含み、
   前記セパレータには、前記正極活物質及び前記負極活物質とともに二次電池として動作する電解液が含浸されており、
   前記第２の負極層は多孔質材料を含み、前記第２の負極層と前記電解液との界面に電気二重層が形成される蓄電装置。
2. さらに、前記正極板に、第２の正極層が形成されており、
   前記第２の正極層は多孔質材料を含み、前記第２の正極層と前記電解液との界面に電気二重層が形成される請求項１に記載の蓄電装置。
3. 積層方向に積み重ねられ、直列接続された複数の蓄電セルと、
   前記蓄電セルに積層方向の圧縮力を印加する加圧機構と
   を有し、
   前記蓄電セルの各々は、
   交互に積み重ねられた正極板及び負極板と、
   前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータと、
   前記正極板、前記負極板、及び前記セパレータを収容する蓄電容器と
   を含み、
   前記正極板は、
   正極集電体、及び前記正極集電体の両面に形成された第１の正極層を含み、
   前記負極板は、
   負極集電体、及び前記負極集電体の両面に積層された第１及び第２の負極層を含み、
   前記第１の正極層及び前記第１の負極層は、それぞれ酸化還元反応によって充放電を行う正極活物質及び負極活物質を含み、
   前記セパレータには、前記正極活物質及び前記負極活物質とともに二次電池として動作する電解液が含浸されており、
   前記第２の負極層は多孔質材料を含み、前記第２の負極層と前記電解液との界面に電気二重層が形成される蓄電装置。
4. 請求項３に記載の蓄電装置を搭載した作業機械。

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