电化学器件的制作方法

本发明涉及具有正极、负极和隔膜(separator)卷绕而构成的蓄电元件的电化学器件。

背景技术：

锂离子电容器、双电层电容器、锂离子二次电池等电化学器件，通过正极和负极隔着隔膜层叠而成的蓄电元件浸渍于电解液中而构成。也多使用正极、负极和隔膜卷绕而成的卷绕型的电化学器件。

在正极和负极分别接合有用于与外部电连接的电极端子。例如专利文献1中记载了一种双电层电容器，其正极和负极分别通过铆接与平板状的电极引片接合，且具有卷绕结构。另外，专利文献2中记载了一种双电层电容器，其具有与负极接合的引片被引出到负极外部端子侧和与负极端子侧相反侧的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-229860号公报

专利文献2：日本特开2007-109702号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在锂离子电容器等电化学器件中，正极和负极在与卷绕轴平行的方向上的宽度不同，负极的宽度较大。因此，如果正极端子的与正极接合的部分的长度和负极端子的与负极接合的部分的长度相同，则卷绕蓄电元件时会发生电极的蛇行而存在无法保持卷绕元件的结构上均匀性的问题。

鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种改善了因正极和负极的宽度不同而导致的结构不均匀性的电化学器件。

用于解决课题的方法

为了达成上述目的，本发明的一个方式的电化学器件包括：正极、负极、正极端子、负极端子、隔膜和电解液。

上述负极具有由金属箔形成的负极集电体和形成于上述负极集电体的主面的负极活性物质层。

上述正极具有由金属箔形成的正极集电体和形成于上述正极集电体的主面的正极活性物质层。

上述负极端子由金属构成，具有作为与上述负极集电体的主面接合的部分的接合部。

上述隔膜将上述正极与上述负极绝缘。

上述电解液浸渍上述正极、上述负极和上述隔膜。

上述正极、上述负极和上述隔膜被层叠并卷绕，上述隔膜隔开上述正极和上述负极。

上述负极沿与卷绕中心轴平行的方向具有第一宽度。

上述正极沿与卷绕中心轴平行的方向具有比上述第一宽度小的第二宽度。

上述隔膜沿与卷绕中心轴平行的方向具有比上述第一宽度大的第三宽度。

上述接合部的沿与卷绕中心轴平行的方向的长度为上述第二宽度以上且为上述第三宽度以下。

正极和负极隔着隔膜被层叠并卷绕的结构中，正极和负极的大部分是正极活性物质和负极活性物质隔着隔膜相对，而一部分是正极活性物质和负极端子隔着隔膜相对。假如负极端子中作为与负极集电体的主面接合的部分的接合部的长度小于正极宽度，则会形成正极的宽度方向上正极活性物质的一部分与负极端子相对、另一部分与负极活性物质相对的区域。在该区域中正极和负极的距离在宽度方向上不同，产生结构不均匀性。与之相对地，如果接合部的长度大于正极宽度，则不会形成正极的宽度方向上正极活性物质的一部分与负极端子相对、另一部分与负极活性物质相对的区域。因此，正极和负极的距离就不会在宽度方向上不同，不产生结构不均匀性。

可以在上述负极活性物质层进行锂离子的预掺杂。

本发明的电化学器件能够为在负极活性物质层预掺杂了锂离子的锂离子电容器。锂离子电容器中，一般是负极宽度大于正极宽度的结构，但是通过采用上述构成能够改善因正极和负极的宽度不同导致的结构不均匀性。

上述负极可以具有在上述主面中没有形成上述负极活性物质层的负极未形成区域，上述接合部可以在上述负极未形成区域中与上述负极集电体接合，上述负极未形成区域可以沿与卷绕中心轴平行的方向具有上述第一宽度。

发明的效果

如上所述，根据本发明，能够提供一种改善了因正极和负极的宽度不同而导致的结构不均匀性的电化学器件。

附图说明

图1是本发明实施方式的电化学器件的立体图。

图2是该电化学器件所具有的蓄电元件的立体图。

图3是该蓄电元件的截面图。

图4是该蓄电元件所具有的负极的平面图。

图5是该蓄电元件所具有的负极的接合前的负极端子的平面图。

图6是该蓄电元件所具有的与负极接合的负极端子的平面图。

图7是该蓄电元件所具有的与负极接合的负极端子的截面图。

图8是该蓄电元件所具有的负极的平面图。

图9是该蓄电元件所具有的正极的平面图。

图10是该蓄电元件所具有的正极的平面图。

图11是表示该蓄电元件卷绕前的正极、负极和隔膜的平面图。

图12是表示该蓄电元件卷绕前的正极和负极的平面图。

图13是该蓄电元件的截面图。

图14是表示本发明的比较例的电化学器件所具有的蓄电元件的负极端子的平面图。

图15是该蓄电元件的截面图。

图16是表示本发明的变形例的电化学器件所具有的蓄电元件的负极端子的平面图。

图17是该蓄电元件的截面图。

图18是表示本发明的实施例和比较例的电化学器件的结构和测量结果的表。

附图标记说明

100…电化学器件

110…蓄电元件

130…负极

130a…负极未形成区域

131…负极端子

131b…接合部

140…正极

140a…正极未形成区域

141…正极端子

150…隔膜

具体实施方式

对本实施方式的电化学器件100进行说明。电化学器件100可以是锂离子电容器。另外，电化学器件100也可以为双电层电容器或锂离子二次电池等能够充放电的其他种类的电化学器件。

[电化学器件的结构]

图1是表示本实施方式的电化学器件100的结构的立体图。如该图所示，电化学器件100通过将蓄电元件110收纳于容器120(盖和端子省略图示)而构成。在容器120内与蓄电元件110一起收纳有电解液。

图2是蓄电元件110的立体图，图3是蓄电元件110的放大截面图。如图2和图3所示，蓄电元件110具有负极130、正极140和隔膜150，且通过由它们层叠得到的层叠体围绕卷绕芯c卷绕而构成。

以下，将卷绕芯c延伸的方向、即与卷绕中心轴平行的方向设为z方向。x方向是与z方向垂直的方向，y方向是与x方向和z方向垂直的方向。另外，卷绕芯c也可以不一定必须要设置。

构成蓄电元件110的负极130、正极140、隔膜150的层叠顺序如图2所示，能够采用向卷绕芯c侧去(从卷绕外侧起)为隔膜150、负极130、隔膜150、正极140的顺序。另外，如图2所示蓄电元件110具有与负极130接合的负极端子131和与正极140接合的正极端子141。如图2所示，负极端子131和正极端子141分别被引出到蓄电元件110的外部。

负极130如图3所示，具有负极集电体132和负极活性物质层133。负极集电体132由导电性材料构成，能够采用铜箔等金属箔。负极集电体132也可以为表面被进行了化学或机械的糙面化处理后的金属箔、或形成有贯通孔的金属箔。负极集电体132的厚度能够为例如20μm。

负极活性物质层133形成在负极集电体132上。负极活性物质层133的材料能够采用将负极活性物质与粘合树脂混合而成的材料，还可以包含导电助剂。负极活性物质是能够吸留电解液中的锂离子的材料，例如能够使用难石墨化碳(硬碳)、石墨、软碳等碳类材料。

粘合树脂是接合负极活性物质的合成树脂，可以使用例如羧甲基纤维素、丁苯橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳香族聚酰胺、羧甲基纤维素、氟类橡胶、聚偏氟乙烯、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶和乙烯丙烯类橡胶等。

导电助剂是由导电性材料构成的颗粒，使负极活性物质之间的导电性提高。导电助剂可以举出例如乙炔黑、石墨、炭黑等碳材料。它们可以单独使用，也可以多种混合使用。另外，导电助剂只要为具有导电性的材料即可，也可以为金属材料或导电性高分子等。

负极活性物质层133可以直接设置在负极集电体132上，也可以设置在设置于负极集电体132上的底涂层上。负极活性物质层133的厚度能够为例如70μm，底涂层的厚度能够为例如5μm。

图4是表示卷绕前的负极130的示意图，图4(a)是从z方向看的图，图4(b)是从y方向看的图。如图4(a)所示，负极130在负极集电体132的第一主面132a和第二主面132b的两面形成有负极活性物质层133。

如这些图所示，负极130具有矩形形状。将负极130的短边的宽度设为第一宽度d1。第一宽度d1是将负极130与正极140和隔膜150一起卷绕时沿与卷绕中心轴平行的方向(z方向)的宽度。

如图4(a)和(b)所示，负极130包括负极未形成区域130a，在负极未形成区域130a与负极端子131接合。负极未形成区域130a是在第一主面132a上没有设置负极活性物质层133而负极集电体132露出的区域。负极未形成区域130a的沿与卷绕中心轴平行的方向(z方向)的宽度为第一宽度d1，即，负极未形成区域130a在z方向上从负极130的一端形成至另一端。

负极端子131与在负极未形成区域130a上露出的负极集电体132接合，与负极集电体132电连接。图5是表示接合前的负极端子131的平面图。如该图所示，负极端子131包括线状部件134和管状部件135。线状部件134是线状的金属部件，管状部件135是管状的金属部件。负极端子131通过将线状部件134插入到管状部件135而构成。

负极端子131能够通过针铆接(針かしめ)与负极集电体132接合。图6是与负极集电体132接合的负极端子131的平面图。图7是与负极集电体132接合的负极端子131的截面图。

如这些图所示，负极端子131能够通过使管状部件135与负极集电体132抵接，在按压的同时用针131a铆接而与负极集电体132接合。由此，管状部件135除了一部分以外被压扁而成为扁平形状。如图7所示，针131a贯通管状部件135、负极集电体132和负极活性物质层133，将它们彼此固定。另外，负极端子131与负极集电体132的接合并不限定于针铆接，也可以为利用导电性粘接剂进行的粘接或焊接等。

如图6和图7所示，负极端子131中的与负极集电体132接合的部分为接合部131b。另外，接合部131b的沿z方向的长度设为长度l。

负极端子131被保护带136覆盖。图8(a)和图8(b)是表示设置有保护带136的负极130的示意图，图8(a)是从z方向看的图，图8(b)是从y方向看的图。保护带136是由绝缘性材料构成的带，优选采用具有耐热性并且对于电解液的溶剂具有耐溶剂性的带。保护带136如这些图所示，经由负极未形成区域130a贴附到负极活性物质层133，覆盖接合部131b和负极未形成区域130a。

正极140如图3所示，具有正极集电体142和正极活性物质层143。正极集电体142由导电性材料构成，能够采用铝箔、铜箔等金属箔。正极集电体142也可以为表面被进行了化学或机械的糙面化处理后的金属箔、或形成有贯通孔的金属箔。正极集电体142的厚度能够为例如20μm。

正极活性物质层143形成在正极集电体142上。正极活性物质层143的材料能够采用将正极活性物质与粘合树脂混合而成的材料，还可以包含导电助剂。正极活性物质是能够吸留电解液中的锂离子和阴离子的材料，能够使用例如活性炭、聚并苯(polyacene)碳化物等。

粘合树脂是接合正极活性物质的合成树脂，可以使用例如羧甲基纤维素、丁苯橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳香族聚酰胺、羧甲基纤维素、氟类橡胶、聚偏氟乙烯、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶和乙烯丙烯类橡胶等。

导电助剂是由导电性材料构成的颗粒，使正极活性物质之间的导电性提高。导电助剂可以举出例如乙炔黑、石墨、炭黑等碳材料。它们可以单独使用，也可以多种混合使用。另外，导电助剂只要为具有导电性的材料即可，也可以为金属材料或导电性高分子等。

正极活性物质层143可以直接设置在正极集电体142上，也可以设置在设置于正极集电体142上的底涂层上。正极活性物质层143的厚度能够为例如70μm，底涂层的厚度能够为例如5μm。

图9是表示卷绕前的正极140的示意图，图9(a)是从z方向看的图，图9(b)是从y方向看的图。正极140如图9(a)所示，在正极集电体142的第一主面142a和第二主面142b的两面形成有正极活性物质层143。

如这些图所示，正极140具有矩形形状。将正极140的短边的宽度设为第二宽度d2。第二宽度d2是将正极140与负极130和隔膜150一起卷绕时沿与卷绕中心轴平行的方向(z方向)的宽度。

如图9(a)和(b)所示，正极140包括正极未形成区域140a，在正极未形成区域140a与正极端子141接合。正极未形成区域140a是在第一主面142a上没有设置正极活性物质层143而正极集电体142露出的区域。正极未形成区域140a的沿与卷绕中心轴平行的方向(z方向)的宽度为第二宽度d2，即，正极未形成区域140a在z方向上从正极140的一端形成至另一端。

正极端子141与在正极未形成区域140a上露出的正极集电体142接合，与正极集电体142电连接。正极端子141与负极端子131同样，能够通过将线状部件插入到管状部件而构成，能够通过使用针141c的针铆接与正极集电体142接合。

正极端子141被保护带144覆盖。图10(a)和图10(b)是表示设置有保护带144的正极140的示意图，图10(a)是从z方向看的图，图10(b)是从y方向看的图。保护带144是由绝缘性材料构成的带，优选采用具有耐热性并且对于电解液的溶剂具有耐溶剂性的带。保护带144如这些图所示，经由正极未形成区域140a贴附到正极活性物质层143，覆盖正极端子141和正极未形成区域140a。

隔膜150将负极130和正极140隔开而将两者绝缘，使后述的电解液中所含的离子透过。具体来说，隔膜150能够采用纺织布、无纺布或合成树脂微多孔膜等。将隔膜150的沿z方向的宽度设为第三宽度d3(参照图13)。第三宽度d3大于作为负极130的宽度的第一宽度d1。

负极130和正极140隔着隔膜150被层叠并卷绕。图11是层叠了负极130、正极140和隔膜150的层叠体的示意图。如该图所示，隔膜150、正极140、隔膜150和负极130依次层叠。

图12是层叠了负极130和正极140的示意图，省略了隔膜150的图示。如该图所示，第二宽度d2小于第一宽度d1。

图13是层叠了负极130、正极140和隔膜150的层叠体的截面图，是图11的a-a线的截面图。如该图所示，接合部131b的长度l在作为正极140的宽度的第二宽度d2以上，且在作为隔膜150的宽度的第三宽度d3以下。

蓄电元件110能够通过将具有上述结构的层叠了负极130、正极140和隔膜150而成的层叠体绕卷绕芯c卷绕来制作。

容器120收纳蓄电元件110。容器120的上表面和下表面能够由未图示的盖封闭。容器120的材质并没有特别限定，能够采用例如以铝、钛、镍、铁为主成分的金属、或不锈钢等构成的材料。

电化学器件100以如上所述的方式构成。与蓄电元件110一起被收纳于容器120的电解液，能够采用包含锂离子和阴离子的液体、例如以libf4、lipf6为电解质使之溶解于溶剂(碳酸酯等)中而得的液体。

在电化学器件100的负极130中预掺杂锂离子。锂离子的预掺杂通过将含有金属锂的锂离子源与负极130电连接，将蓄电元件110浸渍于电解液中来进行。从锂离子源释放的锂离子经由电解液被掺杂到负极活性物质层133。

[电化学器件的效果]

如上所述，接合部131b的长度l为作为正极140的宽度的第二宽度d2以上，且为作为隔膜150的宽度的第三宽度d3以下。对其效果在与比较例比较的基础上进行说明。

图14是比较例的蓄电元件210所具有的负极的示意图，图15是该蓄电元件210的截面图。如图15所示，蓄电元件210包括：负极230、正极240和隔膜250。负极230包括：负极端子231、负极集电体232和负极活性物质层233。负极端子231利用针231a与负极集电体232接合。正极240包括未图示的正极端子、正极集电体242和正极活性物质层243。

如该图所示，负极230的宽度e1大于正极240的宽度e2，隔膜250的宽度e3大于负极230的宽度e1。另外，负极端子231的接合部231b的长度m小于第二宽度e2。在这种情况下，如图中箭头所示，正极活性物质层243与负极端子231的距离、和正极活性物质层243与负极活性物质层233的距离产生差异。由此，卷绕时会在负极230、正极240和隔膜250产生蛇行，蓄电元件210的结构变得不均匀。

与之相对地，本实施方式的蓄电元件110中，如上所述，接合部231b的长度l在第二宽度d2以上，所以不会发生负极端子131导致的负极130与正极140的距离的差异，能够使蓄电元件110的结构均匀化。

[变形例]

上述实施方式中，负极未形成区域130a沿z方向具有第一宽度d1，但也可以具有比第一宽度d1小的宽度。图16和图17是表示变形例的负极未形成区域130a的示意图。如这些图所示，将负极未形成区域130a的沿z方向的宽度设为第四宽度d4时，第四宽度d4能够采用小于第一宽度d1且大于第二宽度d2的宽度。采用该结构也不会发生负极端子131导致的负极130与正极140的距离的差异，能够使蓄电元件110的结构均匀化。

(实施例)

制作蓄电元件，对其结构进行了评价。具体来说，将作为活性物质的活性碳、作为导电助剂的乙炔黑、作为粘合剂的羧甲基纤维素和丁苯橡胶混合而制作浆料。

将该浆料涂敷到作为厚度20μm的铝箔的负极集电体上，在负极集电体上形成了负极电极层。负极电极层是包括厚度5μm的底涂层和厚度70μm的负极活性物质层的层。在负极集电体上形成不形成负极活性物质层而负极集电体露出的负极未形成区域，通过针铆接将负极端子接合于该区域。通过这样的方式制作出片状的负极。

另外，将上述浆料涂敷到作为厚度20μm的铝箔的正极集电体上，在正极集电体上形成了正极电极层。正极电极层是包括厚度5μm的底涂层和厚度70μm的正极活性物质层的层。在正极集电体上形成不形成正极活性物质层而正极集电体露出的正极未形成区域，通过针铆接将正极端子接合于该区域。通过这样的方式制作出片状的正极。

将带状的正极(长度290mm)和负极(长度290mm)隔着隔膜(长度320mm)重合，缠绕在直径3mm的卷绕芯上。隔膜使用厚度35μm的纤维素类隔膜。将卷绕后的元件用聚酰亚胺带固定，制作出卷绕型的蓄电元件。

图18是表示实施例和比较例的蓄电元件的各部分的尺寸的表。如该图所示，实施例1～4的蓄电元件中，负极端子的长度为正极宽度以上且隔膜宽度以下。另外，比较例1和2的蓄电元件中，负极端子的长度小于正极宽度。其中，该图所示的宽度和长度，是沿与蓄电元件的卷绕中心轴平行的方向的宽度和长度。

关于实施例和比较例的蓄电元件，对卷绕结束部分的正极和负极的卷绕偏差量进行了评价。卷绕偏差量是与蓄电元件的卷绕中心轴平行的方向上离正极和负极的单侧端面的长度。图18表示卷绕偏差量。其中，实施例1和2中以比较例1的卷绕偏差量为1表示了与其的比值，实施例3和4中以比较例2的卷绕偏差量为1表示了与其的比值。

如该图所示，实施例1～4中，与比较例1和2相比卷绕偏差量较小，蓄电元件的结构上的不均匀性得到了改善。