JP2005166738A - Electrochemical device and method of manufacturing high molecular multilayer object therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気二重層キャパシタ、リチウム二次電池等の電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to an electrochemical device such as an electric double layer capacitor and a lithium secondary battery.
従来、電気二重層キャパシタ、リチウム二次電池等の電気化学デバイスが、携帯電話、PDA等に広く使用されている。 Conventionally, electrochemical devices such as electric double layer capacitors and lithium secondary batteries have been widely used in mobile phones, PDAs and the like.
このような電気化学デバイスとして、一対の電極とこれらに挟まれる電解質とを含む発電要素を、この発電要素よりも大きな一対の集電体で挟み、集電体の周縁部同士を熱可塑性高分子からなる封口材でシールした構造の電気化学デバイスが考案されている。 As such an electrochemical device, a power generation element including a pair of electrodes and an electrolyte sandwiched between them is sandwiched between a pair of current collectors larger than the power generation element, and the peripheral portions of the current collector are thermoplastic polymers. An electrochemical device having a structure sealed with a sealing material made of
このような電気化学デバイスの封口材としては、例えば、熱可塑性高分子シートの両面に、熱可塑性高分子シートよりも低融点でかつ不飽和カルボン酸又はその誘導体で変性されたエチレン共重合体若しくはこのエチレン共重合体を含む組成物を積層した熱可塑性の積層シートが知られている(特許文献1参照)。 As a sealing material of such an electrochemical device, for example, an ethylene copolymer having a melting point lower than that of the thermoplastic polymer sheet and modified with an unsaturated carboxylic acid or a derivative thereof on both surfaces of the thermoplastic polymer sheet or A thermoplastic laminated sheet obtained by laminating a composition containing this ethylene copolymer is known (see Patent Document 1).
また、封口材として、ポリイソブチレン変性ポリエチレン(特許文献2参照)、変性ポリプロピレン、変性ポリエチレン(特許文献3)、微粒子フィラーを含有する酸変性ポリオレフィン(特許文献4)等の熱可塑性高分子が知られている。 Further, as sealing materials, thermoplastic polymers such as polyisobutylene-modified polyethylene (see Patent Document 2), modified polypropylene, modified polyethylene (Patent Document 3), and acid-modified polyolefin containing fine particle filler (Patent Document 4) are known. ing.
また、集電体において封口材が接着する部分をクロメート処理する方法が知られている(特許文献5)。
しかしながら、従来のような熱可塑性の封口材を用いた電気化学デバイスでは、封口時に熱可塑性高分子が溶融しすぎて集電体同士が接触し、電気化学デバイスがショートすることがあった。 However, in the conventional electrochemical device using the thermoplastic sealing material, the thermoplastic polymer may be melted too much at the time of sealing, and the current collectors may contact each other, causing the electrochemical device to short-circuit.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、集電体同士の接触によるショートが起こりにくい電気化学デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an electrochemical device in which short-circuiting due to contact between current collectors is unlikely to occur.
本発明の電気化学デバイスは、第一電極及び第二電極と、これらの電極間に設けられた電解質とを有する発電要素と、一方が第一電極と接すると共に他方が第二電極と接し、互いに対向して前記発電要素を挟む一対の集電体と、上記発電要素を取り囲むように一対の集電体間に配されると共に、この一対の集電体を密封する封口材と、を備えている。そして、本発明において、封口材は、一対の集電体上に各々設けられた熱可塑性高分子層、及び、これら熱可塑性高分子層間に設けられた架橋高分子層を備えている。 The electrochemical device of the present invention includes a power generation element having a first electrode and a second electrode, and an electrolyte provided between the electrodes, one in contact with the first electrode and the other in contact with the second electrode, A pair of current collectors that sandwich the power generation element facing each other, and a sealing material that is disposed between the pair of current collectors so as to surround the power generation element and that seals the pair of current collectors Yes. In the present invention, the sealing material includes a thermoplastic polymer layer provided on each of the pair of current collectors, and a crosslinked polymer layer provided between the thermoplastic polymer layers.
本発明の電気化学デバイスによれば、封口材において、一対の熱可塑性高分子層間に、これらの熱可塑性高分子層に比して溶融し難い架橋高分子層が介在する。このため、封口時に熱可塑性高分子層が過度に溶融した場合等においても集電体同士が接触しにくくなる。したがって、集電体のショートによる不良が低減され、電気化学デバイスの歩留りや信頼性が高くなる。 According to the electrochemical device of the present invention, in the sealing material, a cross-linked polymer layer that is hard to melt as compared to these thermoplastic polymer layers is interposed between the pair of thermoplastic polymer layers. For this reason, even when the thermoplastic polymer layer is excessively melted at the time of sealing, the current collectors are hardly brought into contact with each other. Therefore, defects due to short-circuit of the current collector are reduced, and the yield and reliability of the electrochemical device are increased.
ここで、本明細書及び添付の特許請求の範囲において、「架橋高分子層」とは、ポリマー、オリゴマー、モノマー等の分子鎖同士が架橋して3次元ネットワーク構造を形成している高分子材料の層をいう。 Here, in the present specification and the appended claims, “crosslinked polymer layer” refers to a polymer material in which molecular chains of polymers, oligomers, monomers and the like are crosslinked to form a three-dimensional network structure. Refers to the layer.
このような上記電気化学デバイスにおいて、架橋高分子層は、電離放射線、例えば、電子線及び/又はγ線の照射により架橋した材料であることが好ましい。これら電離放射線の照射による高分子の架橋は、電気化学的に不安定な架橋剤を添加することなく行うことができる。従って、未反応の架橋剤が高分子材料の中に残り、電気化学デバイスの信頼性を損なわせることがない。 In such an electrochemical device, the crosslinked polymer layer is preferably a material crosslinked by irradiation with ionizing radiation, for example, an electron beam and / or γ-ray. Crosslinking of the polymer by irradiation with ionizing radiation can be performed without adding an electrochemically unstable crosslinking agent. Therefore, the unreacted crosslinking agent remains in the polymer material, and the reliability of the electrochemical device is not impaired.
また、架橋高分子層は、熱可塑性高分子層の熱可塑性高分子と同じ熱可塑性高分子を架橋した材料の層であることが好ましい。 The crosslinked polymer layer is preferably a layer of a material obtained by crosslinking the same thermoplastic polymer as the thermoplastic polymer of the thermoplastic polymer layer.
これによれば、架橋高分子層と熱可塑性高分子層との構造や性質が類似するので、架橋高分子層と、熱可塑性高分子層との界面での接着性が高まり、特にシール性に優れた電気化学デバイスが得られる。したがって、外部からの水分の侵入や、電解質溶液等の外部への蒸発等が抑制され、信頼性の向上効果が著しい。 According to this, since the structure and properties of the crosslinked polymer layer and the thermoplastic polymer layer are similar, the adhesiveness at the interface between the crosslinked polymer layer and the thermoplastic polymer layer is increased, particularly in the sealing property. An excellent electrochemical device can be obtained. Therefore, intrusion of moisture from the outside, evaporation of the electrolyte solution or the like to the outside is suppressed, and the reliability improvement effect is remarkable.
特に、熱可塑性高分子層がポリオレフィン層であり、架橋高分子層が架橋ポリオレフィン層であることが好ましい。ポリオレフィンは電気化学的に安定であり、水分の透過率も低いという特徴がある。また、電気化学デバイスでは80〜100℃における耐熱性が必要なため、熱可塑性高分子の溶融温度はこの温度範囲以上である必要がある。同時に、熱可塑性高分子の溶融温度が200℃以上であると、熱接着時の熱伝導により電気化学デバイス内部の電解液等に悪影響が及ぶ可能性がある。したがって、熱可塑性高分子の溶融温度は200℃未満であることが好ましい。ポリオレフィンは、溶融温度について上記の2つの温度条件を満足することができるため好適に使用することができる。 In particular, the thermoplastic polymer layer is preferably a polyolefin layer, and the crosslinked polymer layer is preferably a crosslinked polyolefin layer. Polyolefins are characterized by being electrochemically stable and having low moisture permeability. Moreover, since the electrochemical device requires heat resistance at 80 to 100 ° C., the melting temperature of the thermoplastic polymer needs to be higher than this temperature range. At the same time, if the melting temperature of the thermoplastic polymer is 200 ° C. or higher, there is a possibility that the electrolyte solution and the like inside the electrochemical device may be adversely affected by heat conduction during thermal bonding. Therefore, the melting temperature of the thermoplastic polymer is preferably less than 200 ° C. Polyolefin can be preferably used because it can satisfy the above two temperature conditions for the melting temperature.
本発明の電気化学デバイス用高分子多層体の製造方法は、熱可塑性高分子製シートの間に架橋高分子製シートを設けてなる積層体を積層方向に沿って切り抜くことによって、上記積層体と同様の積層構造を有する高分子製多層体を得る切り抜き工程を含むことを特徴とする。この製造方法により得られた高分子製多層体を用いることにより、本発明の電気化学デバイスを容易に得ることができる。そのような観点から、切り抜き工程に先だって、高分子製シートに電離放射線を照射することにより架橋高分子製シートを得る放射線照射工程を含むと好ましい。 The method for producing a polymer multilayer body for an electrochemical device according to the present invention includes: cutting the laminated body in which a crosslinked polymer sheet is provided between thermoplastic polymer sheets along the laminating direction; It includes a cut-out process for obtaining a polymer multilayer body having a similar laminated structure. By using the polymer multilayer body obtained by this production method, the electrochemical device of the present invention can be easily obtained. From such a viewpoint, it is preferable to include a radiation irradiation step of obtaining a crosslinked polymer sheet by irradiating the polymer sheet with ionizing radiation prior to the cutting step.
本発明によれば、集電体同士の接触によるショートが起こりにくい電気化学デバイスを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrochemical device in which a short circuit due to contact between current collectors hardly occurs.
以下、図面を参照しながら本発明に係る電気化学デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(第一実施形態)
まず、図1及び図2を参照して、本発明に係る第一実施形態の電気化学デバイスとしての電気二重層キャパシタ1について説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of an electrochemical device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(First embodiment)
First, with reference to FIG.1 and FIG.2, the electric
この電気二重層キャパシタ1は、主として、発電要素10と、この発電要素10を挟み外装体として機能する一対の対向する集電体20,21と、発電要素10を集電体20,21間に密閉する封口材30とを有する。
The electric
発電要素10は、互いに対向する正極としての第一電極12及び負極としての第二電極13と、これら第一電極12及び第二電極13の間に隣接して配置されるセパレータ14と、第一電極12、第二電極13、及び、セパレータ14中に含有される電解質を含む電解質溶液(図示せず)と、を有している。
The
第一電極12、第二電極13は、電子伝導性の多孔体である。第一電極12、第二電極13の構成材料は、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている炭素電極等の分極性電極を構成する多孔体層として使用されているものと同様の材料を使用することができる。例えば、原料炭(例えば、石油系重質油の流動接触分解装置のボトム油や減圧蒸留装置の残さ油を原料油とするディレードコーカーより製造された石油コークス等)を賦活処理することにより得られる炭素材料(例えば、活性炭)を構成材料の主成分としているものを使用することができる。その他の条件(バインダー等の炭素材料以外の構成材料の種類やその含有量)も特に限定されるものではない。例えば、炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤(カーボンブラック等)や、バインダー(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等)が添加されていてもよい。
The
第一電極12及び第二電極13の間に配置されるセパレータ14は、電気絶縁性の多孔体から形成されていれば特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられているセパレータを使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、あるいは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
The
ここで、第一電極12と第二電極13との接触によるショートを抑制すべく、セパレータ14の大きさを電極12,13の主表面の面積よりも大きくし、セパレータ14の端部を電極12,13の端面から突出させることが好ましい。このとき、セパレータ14の端面は、封口材30から離間されていることが好ましい。
Here, in order to suppress a short circuit due to the contact between the
電解質溶液は、第一電極12、第二電極13、及び、セパレータ14の孔の内部に含有されている。電解質溶液は、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている電解質溶液(電解質塩の水溶液、有機溶媒を使用した電解質塩の溶液)を使用することができる。ただし、電解質塩の水溶液は電気化学的に分解電圧が低く、電気二重層キャパシタ1の耐用電圧が低く制限されてしまうので、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水電解質溶液)であることが好ましい。
The electrolyte solution is contained in the holes of the
なお、本実施形態において、電解質溶液は液状の状態以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte solution may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to the liquid state. Further, instead of the electrolyte solution, a solid electrolyte (a solid polymer electrolyte or an electrolyte made of an ion conductive inorganic material) may be contained.
集電体20,21は、発電要素10の第一電極12、第二電極13の主表面の面積よりも大きな面積を有する矩形板状の導電材料である。これらの集電体20,21は、下側の集電体21が第二電極13と面接触し、上側の集電体20が第一電極12と面接触するように、上下から発電要素10を挟んでいる。集電体20,21の材料は、電荷の移動を充分に行うことができる良導体であれば特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタに用いられている集電体を使用することができる。
The
非水電解質の場合の集電体の材料としては、耐食性に富む導電性の材料が使用でき、例えば、アルミニウム、チタン等の金属箔が利用できる。金属箔の厚みは、例えば、10〜100μm程度である。 As a material for the current collector in the case of a non-aqueous electrolyte, a conductive material rich in corrosion resistance can be used. For example, a metal foil such as aluminum or titanium can be used. The thickness of the metal foil is, for example, about 10 to 100 μm.
封口材30は、発電要素10の周囲を取り囲むように一対の集電体20,21間に配されると共に、集電体20,21間を密封している。また、この封口材30は、集電体20,21に平行な3層構造を有している。具体的には、封口材30は、熱可塑性高分子層31/架橋高分子層32/熱可塑性高分子層33の3層構造を有している。
The sealing
熱可塑性高分子層31は、集電体20の下面周縁部20a上に形成される一方、熱可塑性高分子層33は、集電体21の上面周縁部21a上に形成されている。また、これらの熱可塑性高分子層31,33は、ヒートシールによって各集電体20,21の周縁部20a,21a上に強固に接着されている。
The
ここで、熱可塑性高分子層31,33の材料は、熱可塑性のある高分子材料であれば特に限定されず、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデンおよびその共重合体等のフッ素樹脂等が挙げられる。特に、熱可塑性高分子層31,33の材料として、経済性、ヒートシール性、化学的安定性、水分透過性等の観点からポリオレフィンが好ましい。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、酸変性ポリエチレン、およびこれらを含む共重合体等が挙げられる。 Here, the material of the thermoplastic polymer layers 31 and 33 is not particularly limited as long as it is a thermoplastic polymer material, and examples thereof include fluororesins such as polyolefin, polyester, polyvinylidene fluoride, and copolymers thereof. . In particular, as a material for the thermoplastic polymer layers 31 and 33, polyolefin is preferable from the viewpoints of economy, heat sealability, chemical stability, moisture permeability, and the like. Examples of the polyolefin include polyethylene, polypropylene, acid-modified polyethylene, and copolymers containing these.
一方、架橋高分子層32は、熱可塑性高分子層31と熱可塑性高分子層33との間に設けられており、各熱可塑性高分子層31及び熱可塑性高分子層33によって上下面が接着されている。
On the other hand, the
架橋高分子層32は、ポリマー、オリゴマー、モノマー等の分子鎖同士が架橋により結合して3次元ネットワーク構造を形成している架橋高分子材料の層である。このような架橋高分子材料は、分子鎖同士を反応させて架橋したり、分子鎖同士を架橋剤を用いて架橋させたりすること等の公知の方法により得ることができる。
The
ここで、架橋の方法としては、例えば、分子鎖を含む原料に電子線、紫外線、γ線、X線等を照射すること、分子鎖を含む原料を加熱すること、分子鎖を含む原料に架橋剤を添加すること等を用いることができ、さらに、これらの方法を適宜自在に組み合わせることができる。 Here, as a crosslinking method, for example, a material containing a molecular chain is irradiated with an electron beam, an ultraviolet ray, a γ-ray, an X-ray, the raw material containing a molecular chain is heated, and a material containing a molecular chain is crosslinked Adding an agent can be used, and furthermore, these methods can be appropriately combined.
架橋高分子としては、例えば、分子鎖を含む原料に対してX線、電子線、γ線等の電離放射線を照射して架橋させた架橋高分子が挙げられる。例えば、ポリオレフィン等の熱可塑性高分子に電離放射線を照射して架橋することにより架橋高分子が得られる。具体的には、架橋ポリオレフィン、架橋フッ素樹脂等が例示できる。このような電離放射線の照射による架橋は、分子鎖を含む原料に対して電気化学的に不安定な架橋剤を添加することなく行うことができる。従って、未反応の架橋剤が架橋高分子中に残って電気化学デバイスの信頼性を損なわせることがない。 Examples of the crosslinked polymer include crosslinked polymers obtained by irradiating a raw material containing molecular chains with ionizing radiation such as X-rays, electron beams, and γ rays. For example, a crosslinked polymer can be obtained by crosslinking a thermoplastic polymer such as polyolefin by irradiating with ionizing radiation. Specifically, a crosslinked polyolefin, a crosslinked fluororesin, etc. can be illustrated. Such crosslinking by irradiation with ionizing radiation can be performed without adding an electrochemically unstable crosslinking agent to the raw material containing the molecular chain. Therefore, the unreacted crosslinking agent does not remain in the crosslinked polymer and the reliability of the electrochemical device is not impaired.
ここで、電離放射線がもつ物質への透過能の観点から、電離放射線として電子線及び/又はγ線を用いることが好ましい。電子線照射の照射条件としては、照射線量が20〜300kGyであることが好ましい。この照射線量範囲は、必ずしも1度の照射によって満足される必要はない。すなわち、複数回の照射による合計の照射線量が上記の範囲内に入っていればよい。照射線量が上記の範囲を下回った場合、高分子において十分な架橋効果が得られ難くなる傾向がある。また、照射線量が上記の範囲を越えた場合、高分子において架橋反応よりも分子の劣化反応が進行してしまい、高分子が脆弱になる傾向がある。加速電圧は、高分子の厚さ方向に減衰しない程度に高く、高分子を劣化させない程度に低い範囲で選ばれる。加速電圧は電子線光源の窓による吸収を考慮して設定されるが、高分子材料に直射する場合には150kV程度に設定されることが望ましい。
電離放射線をγ線とした場合、γ線は高エネルギーのために透過量が高く、外部環境の影響を受けにくいので線量の面内ばらつきが少ないため、さらに均一な架橋構高分子が得られる。γ線の照射線量は、電子線の場合と同一の範囲であることが望ましい。
Here, it is preferable to use an electron beam and / or a gamma ray as the ionizing radiation from the viewpoint of the ability of the ionizing radiation to penetrate the substance. As irradiation conditions for electron beam irradiation, the irradiation dose is preferably 20 to 300 kGy. This irradiation dose range does not necessarily have to be satisfied by a single irradiation. That is, it is only necessary that the total irradiation dose by a plurality of irradiations is within the above range. When the irradiation dose falls below the above range, there is a tendency that a sufficient crosslinking effect cannot be obtained in the polymer. In addition, when the irradiation dose exceeds the above range, the degradation reaction of the molecule proceeds more than the crosslinking reaction in the polymer, and the polymer tends to be fragile. The accelerating voltage is selected in a range that is high enough not to attenuate in the thickness direction of the polymer and low enough not to deteriorate the polymer. The acceleration voltage is set in consideration of absorption by the window of the electron beam light source, but it is desirable to set the acceleration voltage to about 150 kV when directly irradiating the polymer material.
When ionizing radiation is γ-rays, γ-rays have a high transmission amount due to high energy and are not easily influenced by the external environment, so that there is little in-plane variation in dose, so that a more uniform crosslinked structure polymer can be obtained. The irradiation dose of γ rays is desirably in the same range as in the case of electron beams.
また、電気化学的な安定性、水分透過率、溶融粘度等の観点から、電離放射線によって架橋した架橋高分子として、架橋ポリオレフィンが好ましい。架橋ポリオレフィンとしては、例えば、架橋酸変性ポリエチレン、架橋ポリプロピレン、及びこれらを含む共重合体等が挙げられる。 Moreover, from the viewpoint of electrochemical stability, moisture permeability, melt viscosity and the like, a crosslinked polyolefin is preferable as a crosslinked polymer crosslinked by ionizing radiation. Examples of the cross-linked polyolefin include cross-linked acid-modified polyethylene, cross-linked polypropylene, and copolymers containing these.
また、架橋高分子として、例えば、分子鎖を含む原料に対して加熱をすることにより架橋させた、熱硬化性樹脂の硬化物や、分子鎖を含む原料に対して紫外線を照射することにより架橋させた、紫外線硬化型樹脂の硬化物が挙げられ、具体的には、エポキシ樹脂硬化物、ウレタン樹脂硬化物、フェノール樹脂硬化物、アクリル樹脂硬化物、メラミン樹脂硬化物、及び、フラン樹脂硬化物等を例示できる。 Moreover, as a crosslinked polymer, for example, a cured product of a thermosetting resin that is crosslinked by heating a raw material containing molecular chains or a cross-linked polymer by irradiating ultraviolet rays to a raw material containing molecular chains. The cured product of the ultraviolet curable resin, specifically, the cured epoxy resin, the cured urethane resin, the cured phenol resin, the cured acrylic resin, the cured melamine resin, and the cured furan resin. Etc. can be illustrated.
熱硬化性樹脂や、紫外線硬化型樹脂を架橋する場合、熱硬化性樹脂や紫外線硬化型樹脂が架橋剤(硬化剤)を含んでいることが好ましい。架橋剤としては、加熱されたり紫外線が照射されたりすると分子鎖同士を架橋させるものであれば特に限定されず、例えば、硫黄化合物、有機過酸化物、多価のフェノール樹脂、多価のアミノ樹脂、多価のハロゲン化合物、多価のアミン化合物、多価のアゾ化合物、多価のイソシアネート化合物、多価のシリルイソシアネート化合物、多価のエポキシ化合物、シラン化合物、チタネート化合物、多価のカルボン酸化合物、酸無水物等が挙げられる。 When the thermosetting resin or the ultraviolet curable resin is crosslinked, it is preferable that the thermosetting resin or the ultraviolet curable resin contains a crosslinking agent (curing agent). The cross-linking agent is not particularly limited as long as it can cross-link molecular chains when heated or irradiated with ultraviolet rays. For example, sulfur compounds, organic peroxides, polyhydric phenol resins, polyhydric amino resins , Polyvalent halogen compounds, polyvalent amine compounds, polyvalent azo compounds, polyvalent isocyanate compounds, polyvalent silyl isocyanate compounds, polyvalent epoxy compounds, silane compounds, titanate compounds, polyvalent carboxylic acid compounds And acid anhydrides.
また、架橋高分子層32の材料として、熱可塑性高分子層31,32と同じ熱可塑性高分子材料を架橋したものを用いることが好ましい。この場合、架橋高分子層32と熱可塑性高分子層31との構造や性質が類似するので、架橋高分子層32と熱可塑性高分子層31,33との密着性が高まり、より封口材30のシール性を高くできる。熱可塑性高分子の架橋は、電磁放射線、特に、電子線を用いることにより容易に行うことができる。
Further, as the material of the
具体的には、熱可塑性高分子層31,33の材料をポリオレフィンとし、架橋高分子層32の材料を、熱可塑性高分子層31,33のポリオレフィンと同じポリオレフィンを架橋した架橋ポリオレフィンとすることが特に好ましい。ポリオレフィンは電気化学的に安定であり、水分の透過率も低いという特徴がある。また、電気化学デバイスでは80〜100℃における耐熱性が必要なため、熱可塑性高分子の溶融温度はこの温度範囲以上である必要がある。同時に、熱可塑性高分子の溶融温度が200℃以上であると、熱接着時の熱伝導により電気化学デバイス内部の電解液等に悪影響が及ぶ可能性がある。したがって、熱可塑性高分子の溶融温度は200℃未満であることが好ましい。ポリオレフィンは、溶融温度について上記の2つの温度条件を満足することができるため好適に使用することができる。
Specifically, the material of the thermoplastic polymer layers 31 and 33 may be a polyolefin, and the material of the
次に、図3(a)及び図3(b)を参照して、上述した電気二重層キャパシタ1の作製方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the electric
まず、図3(a)に示す一対の集電体20,21を用意する。これらの集電体20,21は、例えば、アルミニウム等の導電性の金属箔を所定の大きさの矩形状に切断することにより形成できる。
First, a pair of
次に、各集電体20,21の主面の中央部分に、シート状の第一電極12、第二電極13をそれぞれ形成する。これら第一電極12、第二電極13の形成方法は、特に限定されず、公知の電気二重層キャパシタ1の製造に採用されている公知の薄膜製造技術を用いることができる。
Next, the sheet-like
例えば、第一電極12、第二電極13が炭素電極(分極性電極)の場合、公知の方法により賦活処理済みの活性炭等の炭素材料を用いてシート状の電極を作製することができる。具体的には、例えば、炭素材料を5〜100μm程度に粉砕し粒度を整えた後、例えば炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤(カーボンブラック等)と、例えば結着剤と、例えば、MIBK等の有機溶媒とを添加し混練してペーストを得、このペーストを各集電体20、21上に塗布し乾燥すればよい。塗布は、メタルマスク印刷、ドクターブレード法、ロールプレス法などを利用できる。
For example, when the
ここで、上記の導電性補助剤としては、カーボンブラックの他、粉末グラファイトなどを用いることができ、また、結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレンの他、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどを使用することができる。 Here, as the conductive auxiliary agent, in addition to carbon black, powdered graphite and the like can be used, and as the binder, in addition to polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, fluororubber and the like are used. can do.
なお、集電体20,21上にペーストを塗布することにより第一電極12、第二電極13を形成する代わりに、シート状の電極を形成しこれを集電体20,21上に積層してもよい。
Instead of forming the
次に、セパレータ14を準備する。このセパレータ14は、紙等の多孔質性の絶縁材料を所定の大きさに切ることにより形成できる。セパレータ14の主面の面積は、第一電極12、第二電極13よりも大きくする。
Next, the
続いて、電気化学デバイス用高分子製多層体としての枠状の封口材30を用意する。まず、集電体20,21と同サイズの矩形の熱可塑性高分子シート(熱可塑性高分子製シート)2枚と、集電体20,21と同サイズの矩形の架橋高分子シート(架橋高分子製シート)1枚を用意し、架橋高分子シートを熱可塑性高分子シートで上下から挟むようにして熱圧着してこれら3枚を一体化した後、第一電極12、第二電極13に対応する中央部分を切り抜いて、枠状の封口材30を得る(切り抜き工程)。封口材30の構造は、熱可塑性高分子層31/架橋高分子層32/熱可塑性高分子層33となる。
Then, the frame-shaped
なお、この工程で使用する架橋高分子シートは、前述の如き架橋高分子から形成されたシートであり、公知の方法により製造できる。そして、例えば、熱可塑性高分子層31,33の厚みは、5〜200μm程度、架橋高分子層32の厚みは10〜200μm程度である。
In addition, the crosslinked polymer sheet used at this process is a sheet | seat formed from the above crosslinked polymers, and can be manufactured by a well-known method. For example, the thermoplastic polymer layers 31 and 33 have a thickness of about 5 to 200 μm, and the
続いて、一方の集電体21に形成された第二電極13に上記の電解質溶液を滴下し、他方の集電体20に形成された第一電極12にも電解質溶液を滴下する。
Subsequently, the electrolyte solution is dropped on the
さらに続いて、図3(b)に示すように、第二電極13上にセパレータ14を積層し、セパレータ14上にも電解質溶液を滴下する。そして、枠状の封口材30を、集電体21の周縁部21aに載置する。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a
次に、他方の集電体20を、第一電極12が上述のセパレータ14と対面すると共にし、集電体20の周縁部20aが枠状の封口材30と接するように集電体21に積層する。
Next, the other
その後、真空容器内で真空に引きながら、集電体20の周縁部20aの形状に対応する枠状のヒータ98を上から集電体20に押し付けて封口材30を加熱することにより、枠状の封口材30の熱可塑性高分子層31,33を溶融させてそれぞれ集電体20の周縁部20a、集電体21の周縁部21aと接着させて封口し、図1に示す電気二重層キャパシタ1を得る。
Then, while drawing the vacuum in the vacuum vessel, the frame-shaped
このとき、ヒータ98の温度を、封口材30の熱可塑性高分子層31,33が溶融し、かつ、架橋高分子層32が溶融しない温度に制御する。以上の工程により、本実施形態に係る電気二重層キャパシタ1の製造工程が終了する。
At this time, the temperature of the
このような電気二重層キャパシタ1によれば、封口材30は、一対の集電体20,21上に各々設けられた熱可塑性高分子層31,33、及び、これら熱可塑性高分子層31,33間に設けられた架橋高分子層32を備えている。このため、集電体20,21間の封口時に熱可塑性高分子層31,33が過度に溶融した場合等においても、熱可塑性高分子層31,33間に、熱可塑性高分子層31,33に比して溶融し難い架橋高分子層32が介在することとなる。したがって、この架橋高分子層32が邪魔となって集電体20,21同士が接触しにくくなる。
According to such an electric
これにより、本実施形態の電気二重層キャパシタ1は、集電体20,21間のショートが起こりにくいため、歩留りや信頼性を極めて高くできる。なお、加熱による封口(熱シール)に代えて超音波溶接により封口してもよく、この場合でも上述と同様の作用・効果を生じる。
Thereby, since the electrical
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、上記実施形態においては、本発明を電気二重層キャパシタに適用した場合に好適な構成について説明したが、本発明は電気二重層キャパシタに限定されるものではなく、例えば、シュードキャパシタ、レドックスキャパシタ等の他の電気化学キャパシタに適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, a configuration suitable for the case where the present invention is applied to an electric double layer capacitor has been described. However, the present invention is not limited to an electric double layer capacitor. For example, a pseudo capacitor or a redox capacitor is used. It is applicable to other electrochemical capacitors.
さらに、上記実施形態の説明においては、本発明を電気化学キャパシタ(特に電気二重層キャパシタ)に適用した場合に好適な構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池等をはじめとする各種二次電池にも適用可能である。この場合には、第一電極(正極)12となる多孔体層には、リチウムイオン二次電池等の二次電池の正極に使用可能な電極活物質が含有される。また、第二電極(負極)13となる多孔体層には、リチウムイオン二次電池等の二次電池の負極に使用可能な電極活物質が含有される。この場合、第一電極12に接触する集電体には、耐食性の点からアルミニウム、チタン等を用いることが好ましく、第二電極13に接触する集電体には、リチウムと合金を形成しない観点から、銅、ニッケル等を用いることが好ましい。
Furthermore, in the description of the above embodiment, a configuration suitable when the present invention is applied to an electrochemical capacitor (particularly an electric double layer capacitor) has been described. However, the present invention is not limited to this, and lithium ions The present invention can also be applied to various secondary batteries including secondary batteries. In this case, the porous layer that becomes the first electrode (positive electrode) 12 contains an electrode active material that can be used for the positive electrode of a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. Moreover, the porous body layer used as the 2nd electrode (negative electrode) 13 contains the electrode active material which can be used for the negative electrodes of secondary batteries, such as a lithium ion secondary battery. In this case, it is preferable to use aluminum, titanium or the like for the current collector in contact with the
次に、実施例に基づいて、本発明の効果をより具体的に説明する。
(実施例1)
以下の手順により、図1〜図2に示した電気二重層キャパシタ1と同様の構成を有する電気二重層キャパシタを作製した。
Next, based on an Example, the effect of this invention is demonstrated more concretely.
(Example 1)
The electric double layer capacitor having the same configuration as the electric
まず、電極を有する集電体を一対作製した。集電体としては、アルミニウム箔(厚み20μm)を所定の矩形状に切断したものを採用し、これら集電体上に電極を形成した。具体的には、フッ素ゴム(デュポン社製、VitonVGF)を9重量%、活性炭(クラレ(株)製FR25)を86重量%、カーボンブラック(電気化学工業製)を5重量%、所定量のメチルイソブチルケトンに混合してペースト化し、メタルマスク法で集電体の主面の中央部に塗布し、乾燥して電極とした。
First, a pair of current collectors having electrodes was prepared. As the current collector, an aluminum foil (
次に、セパレータを用意した。このセパレータは、厚み31μmの紙(日本高度紙製)を、電極の主表面の面積よりも大きく切り出すことにより形成した。 Next, a separator was prepared. This separator was formed by cutting out paper having a thickness of 31 μm (manufactured by Nippon Kogyo Paper) larger than the area of the main surface of the electrode.
続いて、3層構造の枠状の封口材を用意した。まず、熱可塑性の高分子製シートとして集電体と同じ平面形状の未架橋酸変性高密度ポリエチレンシート(厚み31μm)を3枚用意し、その内の1枚に電子線を照射して架橋させ、架橋高分子製シートとしての架橋酸変性高密度ポリエチレンシートを得た(放射線照射工程)。ここで、電子線の加速電圧を200kVとし、電子線の吸収線量を100kGyとした。そして、架橋高分子シートとしての架橋酸変性高密度ポリエチレンシートを、未架橋酸変性高密度ポリエチレンシートで挟んだ上で、これらを熱圧着して一体化して、未架橋酸変性高密度ポリエチレン層/架橋酸変性高密度ポリエチレン層/未架橋酸変性高密度ポリエチレン層の3層構造とした。その後、3層のシートにおける電極に対応する部分を切り抜いて、電気化学デバイス用高分子製多層体としての枠状の封口材とした(切り抜き工程)。
Subsequently, a frame-shaped sealing material having a three-layer structure was prepared. First, three uncrosslinked acid-modified high-density polyethylene sheets (
続いて、一方の集電体における電極が形成された面に、電極を取り囲むように枠状の封口材を載置して130℃で熱圧着し、封口材を仮止めした。続いて、一方の集電体の電極に適当量の電解質溶液を滴下し、この電極の上にセパレータを積層し、さらに、セパレータ上に適当量の電解質溶液を滴下した。電解質溶液としては、4フッ化硼酸トリエチルメチルアンモニウムをプロピレンカーボネートに1.4mol/Lの濃度に溶解させたものを用いた。 Subsequently, a frame-shaped sealing material was placed on the surface of the current collector on which the electrode was formed so as to surround the electrode, and was thermocompression bonded at 130 ° C. to temporarily fix the sealing material. Subsequently, an appropriate amount of electrolyte solution was dropped on one electrode of the current collector, a separator was laminated on the electrode, and an appropriate amount of electrolyte solution was dropped on the separator. As the electrolyte solution, a solution in which triethylmethylammonium tetrafluoroborate was dissolved in propylene carbonate at a concentration of 1.4 mol / L was used.
続いて、他方の集電体の電極上にも適当量の電解質溶液を滴下した。そして、他方の集電体を、一方の集電体と重ね合わせた。このとき、他方の集電体の電極がセパレータと接触し、また、他方の集電体の周縁部が、枠状の封口材と重なるようにした。 Subsequently, an appropriate amount of the electrolyte solution was also dropped on the electrode of the other current collector. Then, the other current collector was superposed on one current collector. At this time, the electrode of the other current collector was in contact with the separator, and the peripheral portion of the other current collector was overlapped with the frame-shaped sealing material.
続いて、真空雰囲気下で、上側の集電体の外面から、封口材に対応する枠状のヒータを押し当てて、封口材の未架橋酸変性高密度ポリエチレン層を溶融し集電体間を封口することにより、電気二重層キャパシタを完成させた。ここでは、封口材の温度が160℃となるようにヒータの温度を制御した。また、このような電気二重層キャパシタを10個得た。 Subsequently, in a vacuum atmosphere, a frame-shaped heater corresponding to the sealing material is pressed from the outer surface of the upper current collector to melt the non-crosslinked acid-modified high-density polyethylene layer of the sealing material between the current collectors. The electric double layer capacitor was completed by sealing. Here, the temperature of the heater was controlled so that the temperature of the sealing material was 160 ° C. Moreover, ten such electric double layer capacitors were obtained.
これらの電気二重層キャパシタの抵抗を測定したところ、ショートとしている物は一つもなかった。 When the resistance of these electric double layer capacitors was measured, there was no short circuit.
(実施例2)
実施例2では、電離放射線としてγ線を使用し、照射線量を80kGyとして未架橋酸変性高密度ポリエチレンシートの架橋を行った以外は実施例1と同様にして、実施例2の電気二重層キャパシタを得た。
(Example 2)
In Example 2, the electric double layer capacitor of Example 2 was used in the same manner as in Example 1 except that γ-rays were used as the ionizing radiation, and the uncrosslinked acid-modified high-density polyethylene sheet was crosslinked at an irradiation dose of 80 kGy. Got.
(実施例3)
実施例3では、架橋酸変性高密度ポリエチレン層に代えて、熱硬化性樹脂であるウレタン変性エポキシ樹脂(日本ペイント製、オルガセレクト30NCプライマーP−2)を150℃で20分間加熱処理して熱硬化させたもの(厚み100μm)を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例3の電気二重層キャパシタを得た。
(Example 3)
In Example 3, instead of the crosslinked acid-modified high-density polyethylene layer, a urethane-modified epoxy resin (manufactured by Nippon Paint, Olga Select 30NC Primer P-2), which is a thermosetting resin, is heat-treated at 150 ° C. for 20 minutes. An electric double layer capacitor of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a cured product (thickness: 100 μm) was used.
(実施例4)
実施例4では、架橋酸変性高密度ポリエチレン層に代えて、紫外線硬化型のエポキシ樹脂(スリーボンド製)を、紫外線を9900mJ/cm2照射して硬化させたものを用いた以外は実施例1と同様にして実施例4の電気二重層キャパシタを得た。
Example 4
In Example 4, in place of the cross-linked acid-modified high-density polyethylene layer, Example 1 and Example 1 were used except that an ultraviolet curable epoxy resin (manufactured by ThreeBond) was cured by irradiating ultraviolet rays at 9900 mJ / cm 2. Similarly, an electric double layer capacitor of Example 4 was obtained.
(実施例5)
実施例5では、架橋酸変性高密度ポリエチレン層に代えて、熱硬化性樹脂であるウレタン変性エポキシ樹脂(三井化学製、品番:802−30CX)を、260℃で30秒間加熱処理して熱硬化させたものを用いた以外は実施例1と同様にして実施例5の電気二重層キャパシタを得た。
(Example 5)
In Example 5, instead of the cross-linked acid-modified high-density polyethylene layer, a thermosetting resin urethane-modified epoxy resin (Mitsui Chemicals, product number: 802-30CX) was heat-treated at 260 ° C. for 30 seconds for thermosetting. An electric double layer capacitor of Example 5 was obtained in the same manner as Example 1 except that the prepared one was used.
(実施例6)
実施例6では、架橋酸変性高密度ポリエチレン層に代えて、熱硬化性樹脂であるブロックウレタン変性エポキシ樹脂(三井化学製、品番830)を、260℃で30秒間加熱処理して熱硬化させたものを用いた以外は実施例1と同様にして実施例6の電気二重層キャパシタを得た。
(Example 6)
In Example 6, instead of the cross-linked acid-modified high-density polyethylene layer, a block urethane-modified epoxy resin (manufactured by Mitsui Chemicals, product number 830), which is a thermosetting resin, was heat-cured by heat treatment at 260 ° C. for 30 seconds. An electric double layer capacitor of Example 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except that those were used.
(比較例1)
比較例1では、封口材として、単層の酸変性高密度ポリエチレンフィルム(厚さ131μm)を用いる以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを10個得た。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, ten electric double layer capacitors were obtained in the same manner as in Example 1 except that a single-layer acid-modified high-density polyethylene film (thickness: 131 μm) was used as the sealing material.
そして、実施例1〜6の電気二重層キャパシタの抵抗を測定したところ、ショートとしている物は一つもなかった。これに対し、比較例1の電気二重層キャパシタの抵抗を測定したところ、ショートとしている物が10個中5個あった。 And when the resistance of the electric double layer capacitors of Examples 1 to 6 was measured, there was no short circuit. On the other hand, when the resistance of the electric double layer capacitor of Comparative Example 1 was measured, there were 5 out of 10 objects.
1…電気二重層キャパシタ(電気化学デバイス)、10…発電要素、12…第一電極、13…第二電極、20,21…集電体、20a,21a…周縁部、32…架橋高分子層、31,33…熱可塑性高分子層、30…封口材。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
一方が前記第一電極と接すると共に他方が前記第二電極と接し、互いに対向して前記発電要素を挟む一対の集電体と、
前記発電要素を取り囲むように前記一対の集電体間に配されると共に、前記一対の集電体を密封する封口材と、を備え、
前記封口材は、前記一対の集電体上に各々設けられた熱可塑性高分子層、及び、前記熱可塑性高分子層間に設けられた架橋高分子層を有する電気化学デバイス。 A power generation element having a first electrode and a second electrode, and an electrolyte provided between the electrodes;
A pair of current collectors, one of which is in contact with the first electrode and the other of which is in contact with the second electrode, and sandwiching the power generation element opposite to each other;
A sealant disposed between the pair of current collectors so as to surround the power generation element, and sealing the pair of current collectors,
The said sealing material is an electrochemical device which has the thermoplastic polymer layer each provided on the said pair of electrical power collector, and the bridge | crosslinking polymer layer provided between the said thermoplastic polymer layers.
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