電化學器件的制作方法

本發明涉及具有正極、負極和隔膜(separator)卷繞而構成的蓄電元件的電化學器件。

背景技術：

鋰離子電容器、雙電層電容器、鋰離子二次電池等電化學器件，通過正極和負極隔著隔膜層疊而成的蓄電元件浸漬于電解液中而構成。也多使用正極、負極和隔膜卷繞而成的卷繞型的電化學器件。

在正極和負極分別接合有用于與外部電連接的電極端子。例如專利文獻1中記載了一種雙電層電容器，其正極和負極分別通過鉚接與平板狀的電極引片接合，且具有卷繞結構。另外，專利文獻2中記載了一種雙電層電容器，其具有與負極接合的引片被引出到負極外部端子側和與負極端子側相反側的結構。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2014-229860號公報

專利文獻2：日本特開2007-109702號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

但是，在鋰離子電容器等電化學器件中，正極和負極在與卷繞軸平行的方向上的寬度不同，負極的寬度較大。因此，如果正極端子的與正極接合的部分的長度和負極端子的與負極接合的部分的長度相同，則卷繞蓄電元件時會發生電極的蛇行而存在無法保持卷繞元件的結構上均勻性的問題。

鑒于以上情況，本發明的目的在于提供一種改善了因正極和負極的寬度不同而導致的結構不均勻性的電化學器件。

用于解決課題的方法

為了達成上述目的，本發明的一個方式的電化學器件包括：正極、負極、正極端子、負極端子、隔膜和電解液。

上述負極具有由金屬箔形成的負極集電體和形成于上述負極集電體的主面的負極活性物質層。

上述正極具有由金屬箔形成的正極集電體和形成于上述正極集電體的主面的正極活性物質層。

上述負極端子由金屬構成，具有作為與上述負極集電體的主面接合的部分的接合部。

上述隔膜將上述正極與上述負極絕緣。

上述電解液浸漬上述正極、上述負極和上述隔膜。

上述正極、上述負極和上述隔膜被層疊并卷繞，上述隔膜隔開上述正極和上述負極。

上述負極沿與卷繞中心軸平行的方向具有第一寬度。

上述正極沿與卷繞中心軸平行的方向具有比上述第一寬度小的第二寬度。

上述隔膜沿與卷繞中心軸平行的方向具有比上述第一寬度大的第三寬度。

上述接合部的沿與卷繞中心軸平行的方向的長度為上述第二寬度以上且為上述第三寬度以下。

正極和負極隔著隔膜被層疊并卷繞的結構中，正極和負極的大部分是正極活性物質和負極活性物質隔著隔膜相對，而一部分是正極活性物質和負極端子隔著隔膜相對。假如負極端子中作為與負極集電體的主面接合的部分的接合部的長度小于正極寬度，則會形成正極的寬度方向上正極活性物質的一部分與負極端子相對、另一部分與負極活性物質相對的區域。在該區域中正極和負極的距離在寬度方向上不同，產生結構不均勻性。與之相對地，如果接合部的長度大于正極寬度，則不會形成正極的寬度方向上正極活性物質的一部分與負極端子相對、另一部分與負極活性物質相對的區域。因此，正極和負極的距離就不會在寬度方向上不同，不產生結構不均勻性。

可以在上述負極活性物質層進行鋰離子的預摻雜。

本發明的電化學器件能夠為在負極活性物質層預摻雜了鋰離子的鋰離子電容器。鋰離子電容器中，一般是負極寬度大于正極寬度的結構，但是通過采用上述構成能夠改善因正極和負極的寬度不同導致的結構不均勻性。

上述負極可以具有在上述主面中沒有形成上述負極活性物質層的負極未形成區域，上述接合部可以在上述負極未形成區域中與上述負極集電體接合，上述負極未形成區域可以沿與卷繞中心軸平行的方向具有上述第一寬度。

發明的效果

如上所述，根據本發明，能夠提供一種改善了因正極和負極的寬度不同而導致的結構不均勻性的電化學器件。

附圖說明

圖1是本發明實施方式的電化學器件的立體圖。

圖2是該電化學器件所具有的蓄電元件的立體圖。

圖3是該蓄電元件的截面圖。

圖4是該蓄電元件所具有的負極的平面圖。

圖5是該蓄電元件所具有的負極的接合前的負極端子的平面圖。

圖6是該蓄電元件所具有的與負極接合的負極端子的平面圖。

圖7是該蓄電元件所具有的與負極接合的負極端子的截面圖。

圖8是該蓄電元件所具有的負極的平面圖。

圖9是該蓄電元件所具有的正極的平面圖。

圖10是該蓄電元件所具有的正極的平面圖。

圖11是表示該蓄電元件卷繞前的正極、負極和隔膜的平面圖。

圖12是表示該蓄電元件卷繞前的正極和負極的平面圖。

圖13是該蓄電元件的截面圖。

圖14是表示本發明的比較例的電化學器件所具有的蓄電元件的負極端子的平面圖。

圖15是該蓄電元件的截面圖。

圖16是表示本發明的變形例的電化學器件所具有的蓄電元件的負極端子的平面圖。

圖17是該蓄電元件的截面圖。

圖18是表示本發明的實施例和比較例的電化學器件的結構和測量結果的表。

附圖標記說明

100…電化學器件

110…蓄電元件

130…負極

130a…負極未形成區域

131…負極端子

131b…接合部

140…正極

140a…正極未形成區域

141…正極端子

150…隔膜

具體實施方式

對本實施方式的電化學器件100進行說明。電化學器件100可以是鋰離子電容器。另外，電化學器件100也可以為雙電層電容器或鋰離子二次電池等能夠充放電的其他種類的電化學器件。

[電化學器件的結構]

圖1是表示本實施方式的電化學器件100的結構的立體圖。如該圖所示，電化學器件100通過將蓄電元件110收納于容器120(蓋和端子省略圖示)而構成。在容器120內與蓄電元件110一起收納有電解液。

圖2是蓄電元件110的立體圖，圖3是蓄電元件110的放大截面圖。如圖2和圖3所示，蓄電元件110具有負極130、正極140和隔膜150，且通過由它們層疊得到的層疊體圍繞卷繞芯c卷繞而構成。

以下，將卷繞芯c延伸的方向、即與卷繞中心軸平行的方向設為z方向。x方向是與z方向垂直的方向，y方向是與x方向和z方向垂直的方向。另外，卷繞芯c也可以不一定必須要設置。

構成蓄電元件110的負極130、正極140、隔膜150的層疊順序如圖2所示，能夠采用向卷繞芯c側去(從卷繞外側起)為隔膜150、負極130、隔膜150、正極140的順序。另外，如圖2所示蓄電元件110具有與負極130接合的負極端子131和與正極140接合的正極端子141。如圖2所示，負極端子131和正極端子141分別被引出到蓄電元件110的外部。

負極130如圖3所示，具有負極集電體132和負極活性物質層133。負極集電體132由導電性材料構成，能夠采用銅箔等金屬箔。負極集電體132也可以為表面被進行了化學或機械的糙面化處理后的金屬箔、或形成有貫通孔的金屬箔。負極集電體132的厚度能夠為例如20μm。

負極活性物質層133形成在負極集電體132上。負極活性物質層133的材料能夠采用將負極活性物質與粘合樹脂混合而成的材料，還可以包含導電助劑。負極活性物質是能夠吸留電解液中的鋰離子的材料，例如能夠使用難石墨化碳(硬碳)、石墨、軟碳等碳類材料。

粘合樹脂是接合負極活性物質的合成樹脂，可以使用例如羧甲基纖維素、丁苯橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、芳香族聚酰胺、羧甲基纖維素、氟類橡膠、聚偏氟乙烯、異戊二烯橡膠、丁二烯橡膠和乙烯丙烯類橡膠等。

導電助劑是由導電性材料構成的顆粒，使負極活性物質之間的導電性提高。導電助劑可以舉出例如乙炔黑、石墨、炭黑等碳材料。它們可以單獨使用，也可以多種混合使用。另外，導電助劑只要為具有導電性的材料即可，也可以為金屬材料或導電性高分子等。

負極活性物質層133可以直接設置在負極集電體132上，也可以設置在設置于負極集電體132上的底涂層上。負極活性物質層133的厚度能夠為例如70μm，底涂層的厚度能夠為例如5μm。

圖4是表示卷繞前的負極130的示意圖，圖4(a)是從z方向看的圖，圖4(b)是從y方向看的圖。如圖4(a)所示，負極130在負極集電體132的第一主面132a和第二主面132b的兩面形成有負極活性物質層133。

如這些圖所示，負極130具有矩形形狀。將負極130的短邊的寬度設為第一寬度d1。第一寬度d1是將負極130與正極140和隔膜150一起卷繞時沿與卷繞中心軸平行的方向(z方向)的寬度。

如圖4(a)和(b)所示，負極130包括負極未形成區域130a，在負極未形成區域130a與負極端子131接合。負極未形成區域130a是在第一主面132a上沒有設置負極活性物質層133而負極集電體132露出的區域。負極未形成區域130a的沿與卷繞中心軸平行的方向(z方向)的寬度為第一寬度d1，即，負極未形成區域130a在z方向上從負極130的一端形成至另一端。

負極端子131與在負極未形成區域130a上露出的負極集電體132接合，與負極集電體132電連接。圖5是表示接合前的負極端子131的平面圖。如該圖所示，負極端子131包括線狀部件134和管狀部件135。線狀部件134是線狀的金屬部件，管狀部件135是管狀的金屬部件。負極端子131通過將線狀部件134插入到管狀部件135而構成。

負極端子131能夠通過針鉚接(針かしめ)與負極集電體132接合。圖6是與負極集電體132接合的負極端子131的平面圖。圖7是與負極集電體132接合的負極端子131的截面圖。

如這些圖所示，負極端子131能夠通過使管狀部件135與負極集電體132抵接，在按壓的同時用針131a鉚接而與負極集電體132接合。由此，管狀部件135除了一部分以外被壓扁而成為扁平形狀。如圖7所示，針131a貫通管狀部件135、負極集電體132和負極活性物質層133，將它們彼此固定。另外，負極端子131與負極集電體132的接合并不限定于針鉚接，也可以為利用導電性粘接劑進行的粘接或焊接等。

如圖6和圖7所示，負極端子131中的與負極集電體132接合的部分為接合部131b。另外，接合部131b的沿z方向的長度設為長度l。

負極端子131被保護帶136覆蓋。圖8(a)和圖8(b)是表示設置有保護帶136的負極130的示意圖，圖8(a)是從z方向看的圖，圖8(b)是從y方向看的圖。保護帶136是由絕緣性材料構成的帶，優選采用具有耐熱性并且對于電解液的溶劑具有耐溶劑性的帶。保護帶136如這些圖所示，經由負極未形成區域130a貼附到負極活性物質層133，覆蓋接合部131b和負極未形成區域130a。

正極140如圖3所示，具有正極集電體142和正極活性物質層143。正極集電體142由導電性材料構成，能夠采用鋁箔、銅箔等金屬箔。正極集電體142也可以為表面被進行了化學或機械的糙面化處理后的金屬箔、或形成有貫通孔的金屬箔。正極集電體142的厚度能夠為例如20μm。

正極活性物質層143形成在正極集電體142上。正極活性物質層143的材料能夠采用將正極活性物質與粘合樹脂混合而成的材料，還可以包含導電助劑。正極活性物質是能夠吸留電解液中的鋰離子和陰離子的材料，能夠使用例如活性炭、聚并苯(polyacene)碳化物等。

粘合樹脂是接合正極活性物質的合成樹脂，可以使用例如羧甲基纖維素、丁苯橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、芳香族聚酰胺、羧甲基纖維素、氟類橡膠、聚偏氟乙烯、異戊二烯橡膠、丁二烯橡膠和乙烯丙烯類橡膠等。

導電助劑是由導電性材料構成的顆粒，使正極活性物質之間的導電性提高。導電助劑可以舉出例如乙炔黑、石墨、炭黑等碳材料。它們可以單獨使用，也可以多種混合使用。另外，導電助劑只要為具有導電性的材料即可，也可以為金屬材料或導電性高分子等。

正極活性物質層143可以直接設置在正極集電體142上，也可以設置在設置于正極集電體142上的底涂層上。正極活性物質層143的厚度能夠為例如70μm，底涂層的厚度能夠為例如5μm。

圖9是表示卷繞前的正極140的示意圖，圖9(a)是從z方向看的圖，圖9(b)是從y方向看的圖。正極140如圖9(a)所示，在正極集電體142的第一主面142a和第二主面142b的兩面形成有正極活性物質層143。

如這些圖所示，正極140具有矩形形狀。將正極140的短邊的寬度設為第二寬度d2。第二寬度d2是將正極140與負極130和隔膜150一起卷繞時沿與卷繞中心軸平行的方向(z方向)的寬度。

如圖9(a)和(b)所示，正極140包括正極未形成區域140a，在正極未形成區域140a與正極端子141接合。正極未形成區域140a是在第一主面142a上沒有設置正極活性物質層143而正極集電體142露出的區域。正極未形成區域140a的沿與卷繞中心軸平行的方向(z方向)的寬度為第二寬度d2，即，正極未形成區域140a在z方向上從正極140的一端形成至另一端。

正極端子141與在正極未形成區域140a上露出的正極集電體142接合，與正極集電體142電連接。正極端子141與負極端子131同樣，能夠通過將線狀部件插入到管狀部件而構成，能夠通過使用針141c的針鉚接與正極集電體142接合。

正極端子141被保護帶144覆蓋。圖10(a)和圖10(b)是表示設置有保護帶144的正極140的示意圖，圖10(a)是從z方向看的圖，圖10(b)是從y方向看的圖。保護帶144是由絕緣性材料構成的帶，優選采用具有耐熱性并且對于電解液的溶劑具有耐溶劑性的帶。保護帶144如這些圖所示，經由正極未形成區域140a貼附到正極活性物質層143，覆蓋正極端子141和正極未形成區域140a。

隔膜150將負極130和正極140隔開而將兩者絕緣，使后述的電解液中所含的離子透過。具體來說，隔膜150能夠采用紡織布、無紡布或合成樹脂微多孔膜等。將隔膜150的沿z方向的寬度設為第三寬度d3(參照圖13)。第三寬度d3大于作為負極130的寬度的第一寬度d1。

負極130和正極140隔著隔膜150被層疊并卷繞。圖11是層疊了負極130、正極140和隔膜150的層疊體的示意圖。如該圖所示，隔膜150、正極140、隔膜150和負極130依次層疊。

圖12是層疊了負極130和正極140的示意圖，省略了隔膜150的圖示。如該圖所示，第二寬度d2小于第一寬度d1。

圖13是層疊了負極130、正極140和隔膜150的層疊體的截面圖，是圖11的a-a線的截面圖。如該圖所示，接合部131b的長度l在作為正極140的寬度的第二寬度d2以上，且在作為隔膜150的寬度的第三寬度d3以下。

蓄電元件110能夠通過將具有上述結構的層疊了負極130、正極140和隔膜150而成的層疊體繞卷繞芯c卷繞來制作。

容器120收納蓄電元件110。容器120的上表面和下表面能夠由未圖示的蓋封閉。容器120的材質并沒有特別限定，能夠采用例如以鋁、鈦、鎳、鐵為主成分的金屬、或不銹鋼等構成的材料。

電化學器件100以如上所述的方式構成。與蓄電元件110一起被收納于容器120的電解液，能夠采用包含鋰離子和陰離子的液體、例如以libf4、lipf6為電解質使之溶解于溶劑(碳酸酯等)中而得的液體。

在電化學器件100的負極130中預摻雜鋰離子。鋰離子的預摻雜通過將含有金屬鋰的鋰離子源與負極130電連接，將蓄電元件110浸漬于電解液中來進行。從鋰離子源釋放的鋰離子經由電解液被摻雜到負極活性物質層133。

[電化學器件的效果]

如上所述，接合部131b的長度l為作為正極140的寬度的第二寬度d2以上，且為作為隔膜150的寬度的第三寬度d3以下。對其效果在與比較例比較的基礎上進行說明。

圖14是比較例的蓄電元件210所具有的負極的示意圖，圖15是該蓄電元件210的截面圖。如圖15所示，蓄電元件210包括：負極230、正極240和隔膜250。負極230包括：負極端子231、負極集電體232和負極活性物質層233。負極端子231利用針231a與負極集電體232接合。正極240包括未圖示的正極端子、正極集電體242和正極活性物質層243。

如該圖所示，負極230的寬度e1大于正極240的寬度e2，隔膜250的寬度e3大于負極230的寬度e1。另外，負極端子231的接合部231b的長度m小于第二寬度e2。在這種情況下，如圖中箭頭所示，正極活性物質層243與負極端子231的距離、和正極活性物質層243與負極活性物質層233的距離產生差異。由此，卷繞時會在負極230、正極240和隔膜250產生蛇行，蓄電元件210的結構變得不均勻。

與之相對地，本實施方式的蓄電元件110中，如上所述，接合部231b的長度l在第二寬度d2以上，所以不會發生負極端子131導致的負極130與正極140的距離的差異，能夠使蓄電元件110的結構均勻化。

[變形例]

上述實施方式中，負極未形成區域130a沿z方向具有第一寬度d1，但也可以具有比第一寬度d1小的寬度。圖16和圖17是表示變形例的負極未形成區域130a的示意圖。如這些圖所示，將負極未形成區域130a的沿z方向的寬度設為第四寬度d4時，第四寬度d4能夠采用小于第一寬度d1且大于第二寬度d2的寬度。采用該結構也不會發生負極端子131導致的負極130與正極140的距離的差異，能夠使蓄電元件110的結構均勻化。

(實施例)

制作蓄電元件，對其結構進行了評價。具體來說，將作為活性物質的活性碳、作為導電助劑的乙炔黑、作為粘合劑的羧甲基纖維素和丁苯橡膠混合而制作漿料。

將該漿料涂敷到作為厚度20μm的鋁箔的負極集電體上，在負極集電體上形成了負極電極層。負極電極層是包括厚度5μm的底涂層和厚度70μm的負極活性物質層的層。在負極集電體上形成不形成負極活性物質層而負極集電體露出的負極未形成區域，通過針鉚接將負極端子接合于該區域。通過這樣的方式制作出片狀的負極。

另外，將上述漿料涂敷到作為厚度20μm的鋁箔的正極集電體上，在正極集電體上形成了正極電極層。正極電極層是包括厚度5μm的底涂層和厚度70μm的正極活性物質層的層。在正極集電體上形成不形成正極活性物質層而正極集電體露出的正極未形成區域，通過針鉚接將正極端子接合于該區域。通過這樣的方式制作出片狀的正極。

將帶狀的正極(長度290mm)和負極(長度290mm)隔著隔膜(長度320mm)重合，纏繞在直徑3mm的卷繞芯上。隔膜使用厚度35μm的纖維素類隔膜。將卷繞后的元件用聚酰亞胺帶固定，制作出卷繞型的蓄電元件。

圖18是表示實施例和比較例的蓄電元件的各部分的尺寸的表。如該圖所示，實施例1～4的蓄電元件中，負極端子的長度為正極寬度以上且隔膜寬度以下。另外，比較例1和2的蓄電元件中，負極端子的長度小于正極寬度。其中，該圖所示的寬度和長度，是沿與蓄電元件的卷繞中心軸平行的方向的寬度和長度。

關于實施例和比較例的蓄電元件，對卷繞結束部分的正極和負極的卷繞偏差量進行了評價。卷繞偏差量是與蓄電元件的卷繞中心軸平行的方向上離正極和負極的單側端面的長度。圖18表示卷繞偏差量。其中，實施例1和2中以比較例1的卷繞偏差量為1表示了與其的比值，實施例3和4中以比較例2的卷繞偏差量為1表示了與其的比值。

如該圖所示，實施例1～4中，與比較例1和2相比卷繞偏差量較小，蓄電元件的結構上的不均勻性得到了改善。