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JP7609432B2 - ELECTRODE FOR ELECTRICITY STORAGE DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME - Google Patents
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JP7609432B2 - ELECTRODE FOR ELECTRICITY STORAGE DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池、キャパシタ等の蓄電デバイスの電極およびその製造方法に関する。 The present invention relates to electrodes for power storage devices such as secondary batteries and capacitors, and to a method for manufacturing the same.

エネルギー削減や地球温暖化防止を目的に様々な分野でキャパシタや二次電池が使用されており、特に自動車産業においては、電気エネルギーを採用したことによりこれらを利用した技術開発が加速されている。
電気二重層キャパシタは、従来、低電圧が印加される電子回路のメモリのバックアップ用として使用されており、二次電池と比較して高い入出力の信頼性を有する。
Capacitors and secondary batteries are used in a variety of fields for the purposes of reducing energy consumption and preventing global warming. In particular, the adoption of electrical energy in the automotive industry has accelerated the development of technologies that utilize these devices.
Electric double layer capacitors have conventionally been used for backing up memories in electronic circuits to which low voltages are applied, and have higher input/output reliability than secondary batteries.

このため、近年では太陽光や風力などの自然エネルギーによる発電や、建設機械、瞬低用電源、電車の回生用電源などに利用されている。自動車への用途としても検討されてきたが、特性、コストが要求に合わず、近年までこの分野での使用実現に至らなかった。しかし、現在では、電子制御ブレーキシステム用に電気二重層キャパシタが使用され、自動車の電装品のバックアップ電源やアイドリングストップシステムの始動用エネルギー供給、ブレーキ制御、動力アシストなどへの用途が検討されている。 For this reason, in recent years they have been used for generating electricity from natural energy sources such as solar and wind power, for construction machinery, for momentary sags, and as regenerative power sources for trains. Applications in automobiles have also been considered, but the characteristics and costs did not meet the requirements, and their use in this field was not realized until recently. However, electric double layer capacitors are now being used in electronically controlled brake systems, and applications such as backup power sources for automotive electrical equipment, supplying starting energy for idling stop systems, brake control, and power assist are being considered.

電気二重層キャパシタの構造は、正負の電極部と、電解液と、対向する正負の電極部の短絡を防止するセパレータとから構成される。電極部は、分極性電極(現在は主に活性炭)、活性炭を保持するためのバインダー、導電助剤(主にカーボンの微粒子)を混練したものを、集電体であるアルミニウム箔(厚さ約20μm)上に何層も塗布する事で形成されている。このような電気二重層キャパシタは例えば特許文献1に開示されている。 The structure of an electric double layer capacitor consists of positive and negative electrodes, an electrolyte, and a separator that prevents short-circuiting between the opposing positive and negative electrodes. The electrodes are formed by applying multiple layers of a mixture of polarizable electrodes (currently mainly activated carbon), a binder to hold the activated carbon, and a conductive assistant (mainly fine carbon particles) onto an aluminum foil (approximately 20 μm thick) that serves as a current collector. Such an electric double layer capacitor is disclosed, for example, in Patent Document 1.

電気二重層キャパシタの充電は、電解質イオンが溶液内を移動し活性炭の微細孔表面に吸脱着する事で行われる。電気二重層は活性炭粉と電解液が接する界面に形成される。
因みに、通常の活性炭の粒径は、例として約4~8μm、比表面積は、例として1600~2500m/gである。電解液は陽イオン、陰イオン、および溶媒を有し、陽イオンとしてテトラエチルアンモニウム塩、陰イオンとして四フッ化ホウ酸イオンなどが用いられ、溶媒としてプロピレンカーボネートやエチレンカーボネートなどが使用されている。
Electric double layer capacitors are charged by electrolyte ions moving through the solution and being adsorbed and desorbed on the microporous surface of the activated carbon. An electric double layer is formed at the interface between the activated carbon powder and the electrolyte.
For reference, the particle size of normal activated carbon is, for example, about 4 to 8 μm, and the specific surface area is, for example, 1600 to 2500 m3 /g. The electrolyte contains cations, anions, and a solvent, with tetraethylammonium salt used as the cation, tetrafluoroborate ions or the like used as the anion, and propylene carbonate, ethylene carbonate, or the like used as the solvent.

一方、リチウムイオン二次電池は、主に、正極、負極、セパレータから構成されている。例えば図8に示すように、一般的に正極は集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔に活物質粉、通常はコバルト酸リチウムと、添加物である導電助剤と、バインダーとを練り合わせたものを100μm程度の厚さに塗布したものであり、負極は集電体である銅箔に炭素材料を塗布したものであり、これらを例えばポリエチレンなどのセパレータで分離し、電解液に浸すことにより、リチウムイオン二次電池が構成されている。このようなリチウムイオン二次電池は例えば特許文献2に開示されている。 On the other hand, lithium ion secondary batteries are mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator. For example, as shown in FIG. 8, the positive electrode is generally a 20 μm thick aluminum foil current collector coated with an active material powder, usually lithium cobalt oxide, a conductive additive, and a binder, to a thickness of about 100 μm, and the negative electrode is a copper foil current collector coated with a carbon material. These are separated by a separator such as polyethylene and immersed in an electrolyte to form a lithium ion secondary battery. Such a lithium ion secondary battery is disclosed, for example, in Patent Document 2.

充放電は、リチウムイオンが正極と負極との間を移動することで行われ、充電時はリチウムイオンが正極から負極へ移動し、正極のリチウムイオンがなくなるか負極にリチウムイオンが収蔵できなくなったら充電が完了する。放電時はこの逆となる。 Charging and discharging are carried out by the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. When charging, lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode, and charging is complete when there are no more lithium ions in the positive electrode or the negative electrode can no longer store lithium ions. When discharging, the opposite happens.

特開2005-086113号公報JP 2005-086113 A 特開2007-123156号公報JP 2007-123156 A

近年、電気自動車、エネルギー発電等のパワーデバイス用のキャパシタの開発が進められている。高効率に大容量のエネルギーをキャパシタに出し入れするためには、静電容量を増加させ、電極部の内部抵抗を減らす方法が考えられる。簡単には、活性炭と集電体であるアルミニウム部材の距離を近くし、活性炭を出来る限り多く配置する方法が考えられる。 In recent years, the development of capacitors for power devices such as electric vehicles and energy generation has progressed. In order to efficiently transfer large amounts of energy to and from a capacitor, it is possible to consider methods for increasing the capacitance and reducing the internal resistance of the electrodes. A simple method would be to shorten the distance between the activated carbon and the aluminum member that serves as the current collector, and to place as much activated carbon as possible.

一般的に、電気二重層キャパシタがリチウムイオン二次電池を主とする二次電池と違う点は、化学反応を伴わず、自己放電によって時間と共に電荷が失われ、蓄電時間が短く、電流の放出時間が短い点である。また、エネルギー密度については、リチウム電池が数百Wh/Lに対して電気二重層キャパシタは数十Wh/Lである。電気二重層キャパシタが、蓄電用ではなく、電装品のバックアップ電源やアイドリングストップシステムの始動用エネルギー、ブレーキ制御、動力アシストなどで検討されているのは、前記の相違による。 In general, electric double layer capacitors differ from secondary batteries, mainly lithium ion secondary batteries, in that they do not involve chemical reactions, lose charge over time through self-discharge, have a short storage time, and have a short current discharge time. In addition, in terms of energy density, lithium batteries have several hundred Wh/L, while electric double layer capacitors have a few tens of Wh/L. It is due to these differences that electric double layer capacitors are being considered for use not only for storing electricity, but also as backup power sources for electrical equipment, starting energy for idling stop systems, brake control, and power assist.

リチウム電池を主とする二次電池は、比較的エネルギー密度が高く、長時間使用できるので、携帯機器をはじめ様々な分野で使用され、近年、自動車や重機、エネルギー分野等に利用されるようになってきた。しかしながら、依然として、性能(容量、充放電速度、寿命)や製造コストに課題が多く、特に自動車などの大型電池においてその課題が顕著である。例えば、携帯電話で使用される電流は数mAであるが、ハイブリッド車で使用される電流は数百Aとなり、両者の差は10000倍以上である。そのため容量を増やす為の大型化が必要であるが、大型化には、容量をはじめ充電速度、信頼性、製造の難しさなど多くの課題が存在する。 Secondary batteries, mainly lithium batteries, have a relatively high energy density and can be used for long periods of time, so they are used in a variety of fields, including portable devices, and in recent years have begun to be used in automobiles, heavy machinery, the energy sector, and other fields. However, there are still many issues with performance (capacity, charge/discharge speed, lifespan) and manufacturing costs, and these issues are particularly prominent in large batteries such as those used in automobiles. For example, the current used in a mobile phone is several mA, while the current used in a hybrid car is several hundred A, a difference of more than 10,000 times. For this reason, it is necessary to make the batteries larger in order to increase capacity, but there are many issues with making them larger, including capacity, charging speed, reliability, and manufacturing difficulties.

リチウムイオン二次電池の反応は可逆的な化学反応であり、電極が充放電する際に、活物質の体積が膨張・収縮する。そのため、活物質が集電体から剥離し、充放電特性が劣化する。即ち、常に100%同じ充放電をすることはなく、充放電の能力低下が起こる。ハイブリッド自動車や電気自動車では電池は何年も使用されるので、上記劣化を防ぐために集電体と活物質の剥離を抑える必要がある。 The reaction in lithium-ion secondary batteries is a reversible chemical reaction, and when the electrodes are charged and discharged, the volume of the active material expands and contracts. This causes the active material to peel off from the current collector, degrading the charge and discharge characteristics. In other words, the battery is not always charged and discharged at the same rate 100%, and the charge and discharge capacity decreases. In hybrid and electric vehicles, batteries are used for many years, so it is necessary to suppress the peeling of the active material from the current collector in order to prevent the above-mentioned deterioration.

また、リチウムイオン電池の最大の課題に内部抵抗がある。内部抵抗とはリチウムイオンが電池内部の正極と負極で電解質の中を移動する際の抵抗といえるが、この移動抵抗が、容量を大きくすることができない、又は充放電速度を速くできない主な理由である。
大型化の為に集電体に多くの活物質を塗布すると容量は増加するが、移動抵抗が大きくなる。その為、現在、その厚みには限界がある。また、その抵抗により充放電速度が遅くなっている。塗布厚を薄くすると内部抵抗は低減し充放電速度は速くなるが、容量が減少する。その為、活物質を塗布した集電体を何重にも重ねたり、活物質を塗布した集電体の面積を広げたりする必要が生じる。
The biggest issue with lithium-ion batteries is their internal resistance, which is the resistance that lithium ions experience when moving through the electrolyte at the positive and negative electrodes inside the battery. This resistance to movement is the main reason why the capacity cannot be increased or the charge/discharge speed cannot be increased.
When more active material is applied to the current collector to increase size, the capacity increases, but the resistance to movement also increases. For this reason, there is currently a limit to how thick the material can be. In addition, this resistance slows down the charge and discharge speed. If the thickness of the coating is made thinner, the internal resistance decreases and the charge and discharge speed increases, but the capacity decreases. For this reason, it becomes necessary to stack multiple current collectors coated with active material, or to increase the area of the current collectors coated with active material.

充電や放電の速さは、リチウムイオンの発生量にも起因する。一度に多くのイオンが作り出され一度に移動できれば、充電速度や放電速度は速くなる。二次電池の化学反応は電解質との界面で起こるので、電極と電解質との接触面積を増やすことができれば、充放電速度も改善される。 The speed of charging and discharging also depends on the amount of lithium ions generated. If more ions can be produced and moved at once, the charging and discharging speeds will be faster. Since the chemical reaction in a secondary battery occurs at the interface with the electrolyte, the charging and discharging speeds will also be improved if the contact area between the electrode and electrolyte can be increased.

内部抵抗を減らすために、添加物の改良、導電助剤や活物質の改良、また集電体の上に予めカーボンの微粒子を塗布するなどの工夫が実施されている。また、集電体の形状においても、前述のように出来るだけ薄膜にする改善や、箔に細かい穴等を形成して表面積を大きくする改善が行われている。また、電気二重層キャパシタにおいても同様に活性炭や添加剤の改良、集電体との接触面積を増やすなどの研究開発が行われている。 In order to reduce internal resistance, improvements have been made to additives, conductive additives and active materials, and the current collector has been coated with fine carbon particles in advance. The shape of the current collector has also been improved, as mentioned above, to make it as thin as possible and to increase the surface area by forming fine holes in the foil. Similarly, research and development is being carried out for electric double layer capacitors, such as improving activated carbon and additives and increasing the contact area with the current collector.

前述のように、蓄電デバイスである電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池などの二次電池においては、電気自動車、ハイブリッド車、ハイパワーエネルギーデバイス用に、大容量化、高出力化、長寿命化、コスト低減に向けた取組みが行われている。 As mentioned above, in the field of secondary batteries such as electric double-layer capacitors and lithium-ion secondary batteries, which are electricity storage devices, efforts are being made to increase capacity, increase output, extend life, and reduce costs for use in electric vehicles, hybrid vehicles, and high-power energy devices.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蓄電デバイスの充放電速度を向上することができる蓄電デバイスの電極およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide an electrode for an electricity storage device that can improve the charge/discharge speed of the electricity storage device, and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第1の態様の蓄電デバイスの電極の製造方法は、アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、バインダーとを含む液状又はゲル状のスラリーを作製するスラリー作製工程と、前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって前記アルミニウム又は銅の短繊維が集電体として機能する電極を形成する乾燥工程とを有する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The method for manufacturing an electrode for an electricity storage device of the first aspect of the present invention includes a slurry preparation step of preparing a liquid or gel-like slurry containing aluminum or copper short fibers, an adsorbent material powder that adsorbs electrolyte ions during charging or an active material powder that chemically reacts during charging and discharging, and a binder, a forming step of forming the slurry into a predetermined shape, and a drying step of drying the slurry formed into the predetermined shape to form an electrode in which the aluminum or copper short fibers function as a current collector.

当該態様では、所定形状に成形したスラリーを乾燥させると、アルミニウム又は銅の短繊維同士が電気的に接続され、短繊維により不織布状集電体又は分散した短繊維同士が接続された集電体が形成される。また、スラリー内では短繊維と吸着物質粉又は活物質粉とが混ぜられているので、スラリーを乾燥させると、集電体の短繊維の間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉が入り込む。このため、吸着物質粉又は活物質粉が短繊維に直接接触し、又は、短繊維の近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉とアルミニウム又は銅の短繊維との間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 In this embodiment, when the slurry formed into a predetermined shape is dried, the aluminum or copper short fibers are electrically connected to each other, and a nonwoven current collector or a current collector in which dispersed short fibers are connected to each other is formed by the short fibers. In addition, since the short fibers and the adsorbent powder or active material powder are mixed in the slurry, when the slurry is dried, the adsorbent powder or active material powder enters the gaps formed between the short fibers of the current collector. Therefore, the adsorbent powder or active material powder is in direct contact with the short fibers or is arranged in the vicinity of the short fibers, and the transfer resistance can be reduced when electrons are exchanged between the adsorbent powder or active material powder and the aluminum or copper short fibers.

上記態様のスラリー作製工程において、前記アルミニウム又は銅の短繊維と、前記吸着物質粉又は前記活物質粉と、前記バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維とを含む前記スラリーを作製することも可能である。
この場合、電極となった際に、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触していない場合でも、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とがカーボン繊維を介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触している場合でも、カーボン繊維による接続があることによって、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維との間の電気抵抗が更に低減される。
In the slurry preparation step of the above embodiment, it is also possible to prepare the slurry containing the aluminum or copper short fibers, the adsorbent powder or the active material powder, the binder, and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less.
In this case, when an electrode is formed, even if the adsorbent or active material powder and the short fibers are not in direct contact with each other, the adsorbent or active material powder and the short fibers are electrically connected via the carbon fibers. Also, even if the adsorbent or active material powder and the short fibers are in direct contact with each other, the electrical resistance between the adsorbent or active material powder and the short fibers is further reduced due to the connection through the carbon fibers.

また、上記態様において、前記成形工程の前に前記スラリーを前記バインダーが完全に硬化しない状態まで乾燥させる前乾燥をさらに行うことも可能である。この場合、成形工程前のスラリーを成形し易くなるので、製造される電極の品質向上や製造コストの低減を行う上で有利である。 In the above embodiment, it is also possible to perform pre-drying before the molding step, in which the slurry is dried to a state where the binder is not completely hardened. In this case, it becomes easier to mold the slurry before the molding step, which is advantageous in improving the quality of the manufactured electrode and reducing the manufacturing cost.

本発明の第2の態様の蓄電デバイスの電極は、平均長さが25mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維から成る集電体と、該集電体の前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉とを備える。 The electrode of the electricity storage device of the second aspect of the present invention comprises a current collector made of aluminum or copper short fibers having an average length of 25 mm or less, and an adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or an active material powder that chemically reacts during charging and discharging, the active material powder filling the gaps formed between the aluminum or copper short fibers of the current collector.

当該態様では、集電体の短繊維の間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉が入り込んでいるので、吸着物質粉又は活物質粉が短繊維に直接接触し、又は、短繊維の近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉と各アルミニウム又は銅の短繊維との間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 In this embodiment, the adsorbent powder or active material powder fills the gaps formed between the short fibers of the current collector, so that the adsorbent powder or active material powder is in direct contact with the short fibers or is disposed in the vicinity of the short fibers, and the transfer resistance can be reduced when electrons are exchanged between the adsorbent powder or active material powder and each aluminum or copper short fiber.

上記態様において、前記集電体の隙間に入り込んだ平均太さが0.5μm以下のカーボン繊維をさらに備えていても良い。
この場合、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触していない場合でも、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とがカーボン繊維を介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉と短繊維とが直接接触している場合でも、カーボン繊維による接続があることによって、当該吸着物質粉又は活物質粉と短繊維との間の電気抵抗が更に低減される。
In the above aspect, the current collector may further include carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less that are inserted into gaps in the current collector.
In this case, even if the adsorbent or active material powder is not in direct contact with the short fibers, the adsorbent or active material powder and the short fibers are electrically connected via the carbon fibers. Also, even if the adsorbent or active material powder and the short fibers are in direct contact with each other, the connection through the carbon fibers further reduces the electrical resistance between the adsorbent or active material powder and the short fibers.

上記態様において、前記集電体が、2本の前記アルミニウム又は銅の短繊維が交差するように接触している部分を少なくとも1箇所有し、該交差部分において前記2本のアルミニウム又は銅の繊維が互いに食い込んでいても良い。
この場合、短繊維同士の接触部における電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
また、上記態様において、前記アルミニウムとして純度が99.9%以上のアルミニウムを用いることが好ましい。
また、本発明の他の態様の蓄電デバイスの電極の製造方法は、アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を少なくとも含む液状又はゲル状のスラリーを作製するスラリー作製工程と、前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって電極を形成する乾燥工程と、を有し、前記短繊維の平均長さは25mm以下である。
また、本発明の他の態様の蓄電デバイスの電極は、平均長さが15mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維と、前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を備える。
また、本発明の他の態様のキャパシタの電極の製造方法は、アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉と、バインダーと、を少なくとも含む液状又はゲル状のスラリーを作製するスラリー作製工程と、前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって電極を形成する乾燥工程と、を有し、前記短繊維の平均長さは15mm以下である。
また、本発明の他の態様のキャパシタの電極は、平均長さが25mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維と、前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉と、導電助剤と、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を備える。
In the above aspect, the current collector may have at least one portion where two of the aluminum or copper short fibers are in contact with each other so as to cross, and the two aluminum or copper fibers may bite into each other at the crossing portion.
In this case, the resistance to electron movement at the contact points between the short fibers can be reduced, which is advantageous in reducing the resistance with which electrons move to the input/output terminals.
In the above embodiment, it is preferable that the aluminum used has a purity of 99.9% or more.
In addition, a manufacturing method for an electrode of an electricity storage device of another aspect of the present invention includes a slurry preparation step of preparing a liquid or gel-like slurry containing at least aluminum or copper short fibers, an adsorbent material powder that adsorbs electrolyte ions during charging or an active material powder that chemically reacts during charging and discharging, a conductive assistant, a binder, and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less, a forming step of forming the slurry into a predetermined shape, and a drying step of forming an electrode by drying the slurry formed into the predetermined shape, wherein the average length of the short fibers is 25 mm or less.
In addition, an electrode for an electricity storage device of another aspect of the present invention comprises aluminum or copper short fibers having an average length of 15 mm or less, an adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or an active material powder that chemically reacts during charging and discharging, which fills gaps formed between the aluminum or copper short fibers, a conductive assistant, and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less.
In addition, a manufacturing method for a capacitor electrode according to another aspect of the present invention includes a slurry preparation step of preparing a liquid or gel-like slurry containing at least aluminum or copper short fibers, an adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging, and a binder, a forming step of forming the slurry into a predetermined shape, and a drying step of drying the slurry formed into the predetermined shape to form an electrode, wherein the average length of the short fibers is 15 mm or less.
In addition, a capacitor electrode of another aspect of the present invention comprises aluminum or copper short fibers having an average length of 25 mm or less, an adsorbent powder that fills gaps formed between the aluminum or copper short fibers and adsorbs electrolyte ions during charging, a conductive assistant, and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less.

本発明によれば、蓄電デバイスの充放電速度を向上することができる。 The present invention can improve the charging and discharging speed of an electricity storage device.

本発明の一実施形態に係る電極の断面イメージ図である。FIG. 2 is a cross-sectional image diagram of an electrode according to one embodiment of the present invention. 本実施形態のスラリーの製造方法の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a method for producing a slurry according to the present embodiment. 本実施形態のスラリーを所定の形状に成形する方法の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a method for forming the slurry of the present embodiment into a predetermined shape. 本実施形態のスラリーを所定の形状に成形する他の方法の概略図である。4 is a schematic diagram of another method for forming the slurry of the present embodiment into a predetermined shape. FIG. 本実施形態の第1の変形例に係る電極の断面イメージ図である。FIG. 11 is a cross-sectional image diagram of an electrode according to a first modified example of the present embodiment. 本実施形態の第2の変形例に係る電極の断面イメージ図である。FIG. 11 is a cross-sectional image diagram of an electrode according to a second modified example of the present embodiment. 本実施形態の電極を用いたコイン型二次電池の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a coin-type secondary battery using the electrode of the present embodiment. 従来のコイン型二次電池の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional coin-type secondary battery. 本実施形態の電極を用いた電気二重層キャパシタの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric double layer capacitor using the electrode of the present embodiment.

本発明の一実施形態に係る電極について図面を参照して以下に説明する。
この電極は、図1に示すように、平均線径が100μm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維Aから成る不織布状、又は、短繊維Aが互いに接触するように配置された集電体10と、集電体10にバインダーBにより保持されて充放電時に化学反応する活物質粉20とを備え、必要に応じて集電体10にバインダーBにより保持された導電助剤30を備えている。
An electrode according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1 , this electrode comprises a current collector 10 in the form of a nonwoven fabric made of aluminum or copper short fibers A having an average wire diameter of 100 μm or less, or in which the short fibers A are arranged so as to be in contact with each other, and active material powder 20 that is held by binder B on the current collector 10 and undergoes a chemical reaction during charging and discharging, and optionally comprises a conductive assistant 30 held by binder B on the current collector 10.

なお、図1は本実施形態の構成をわかりやすく示すための図であり、短繊維A、活物質粉20、導電助剤30、カーボン繊維CF等の大きさ、太さ、長さ等は実際と異なる。また、図1において、集電体10に、活物質粉20の代わりに、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉を保持させることも可能である。 Note that FIG. 1 is a diagram for easily understanding the configuration of this embodiment, and the size, thickness, length, etc. of the short fiber A, active material powder 20, conductive assistant 30, carbon fiber CF, etc. may differ from the actual size, thickness, length, etc. In addition, in FIG. 1, instead of the active material powder 20, the current collector 10 may hold an adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging.

[集電体となるアルミニウムの短繊維の成形]
アルミニウム又は銅の短繊維Aは、一例として、平均長さが25mm以下、好ましくは20mm以下、より好ましくは15mm以下であり、平均線径が50μm以下、好ましくは25μm以下である。アルミニウム又は銅の短繊維Aは、例えば、断面円形のアルミニウム又は銅の柱状部材に切削工具を当てるビビリ振動切削法や、フライス切削法により成形される。前記線径や長さを有するアルミニウム又は銅の短繊維を他の方法で成形することも可能である。
[Forming of aluminum short fibers to become current collectors]
The aluminum or copper short fibers A have, for example, an average length of 25 mm or less, preferably 20 mm or less, more preferably 15 mm or less, and an average wire diameter of 50 μm or less, preferably 25 μm or less. The aluminum or copper short fibers A are formed, for example, by a chatter vibration cutting method in which a cutting tool is applied to a columnar aluminum or copper member having a circular cross section, or by a milling cutting method. It is also possible to form aluminum or copper short fibers having the above wire diameter and length by other methods.

[電極の成形]
先ず、アルミニウム又は銅の短繊維Aと、充放電時に化学反応する活物質粉20と、導電助剤30と、バインダーBとを含む液状又はゲル状のスラリーSを作製する。当該スラリーSはアルミニウム又は銅の短繊維Aと、活物質粉20と、導電助剤30と、希釈したバインダーBとの混合物を混練することにより作製される。アルミニウム又は銅の短繊維Aは平均長さが25mm以下であることから、スラリーS中においてアルミニウム又は銅の短繊維A、活物質粉20、および導電助剤30が混ざり易い。短繊維Aの平均長さが15mm以下になると、より混ざり易くなる傾向がある。
[Electrode Forming]
First, a liquid or gel-like slurry S is prepared containing aluminum or copper short fibers A, active material powder 20 that chemically reacts during charging and discharging, conductive assistant 30, and binder B. The slurry S is prepared by kneading a mixture of aluminum or copper short fibers A, active material powder 20, conductive assistant 30, and diluted binder B. Since the aluminum or copper short fibers A have an average length of 25 mm or less, the aluminum or copper short fibers A, active material powder 20, and conductive assistant 30 are easily mixed in the slurry S. When the average length of the short fibers A is 15 mm or less, they tend to be more easily mixed.

続いて、スラリーSの粘度を上げるために前乾燥を行う。前乾燥は、バインダーBが完全に硬化しない状態まで乾燥させ、これによりスラリーSを所定の形状に成形し易くするものであるため、バインダーBの粘度に応じて省くことができる。
続いて、図3のようにスラリーSを型内に入れると共にスラリーSを加圧する。これにより、スラリーSを電極のサイズに応じた所定の厚さ等に成形する。なお、図4に示すように、一対のローラの間にスラリーSを通すことによりスラリーSを加圧し、これによりスラリーSを電極のサイズに応じた所定の厚さに成形することも可能である。型やローラによりスラリーSの厚さを調整した後に、スラリーSを切断して所定の形状(大きさ)に成形することも可能である。
Next, pre-drying is performed to increase the viscosity of the slurry S. Pre-drying is performed to dry the binder B to a state where the binder B is not completely hardened, thereby making it easier to mold the slurry S into a predetermined shape, and therefore may be omitted depending on the viscosity of the binder B.
Next, as shown in Fig. 3, the slurry S is placed in a mold and pressurized. This allows the slurry S to be molded to a predetermined thickness or the like according to the size of the electrode. Note that, as shown in Fig. 4, the slurry S can also be pressurized by passing the slurry S between a pair of rollers, thereby molding the slurry S to a predetermined thickness according to the size of the electrode. After adjusting the thickness of the slurry S with a mold or rollers, the slurry S can also be cut and molded into a predetermined shape (size).

続いて、成形されたスラリーSを真空乾燥等により乾燥させる乾燥工程を行う。これにより、スラリーS中のバインダーBを硬化させ、バインダーBによりスラリーS中の活物質粉20と導電助剤30を集電体10の短繊維Aに保持させる。なお、スラリーS中の短繊維Aの量によっては、スラリーSを乾燥させた後に、乾燥させたスラリーSの中に短繊維Aが分散すると共に互いに近傍に配置された短繊維A同士が直接接触し、又は、互いに近傍に配置された短繊維A同士が活物質粉20や導電助剤30を介して電気的に接続され、これによりスラリーS中に分散した短繊維Aによって集電体10が形成されることもある。この場合でも、スラリーS中の活物質粉20と導電助剤30の少なくとも一部が短繊維Aに保持される。 Next, a drying process is performed in which the molded slurry S is dried by vacuum drying or the like. This hardens the binder B in the slurry S, and the binder B holds the active material powder 20 and the conductive assistant 30 in the slurry S to the short fibers A of the current collector 10. Depending on the amount of short fibers A in the slurry S, after drying the slurry S, the short fibers A may be dispersed in the dried slurry S and the short fibers A arranged in close proximity to each other may come into direct contact with each other, or the short fibers A arranged in close proximity to each other may be electrically connected via the active material powder 20 or the conductive assistant 30, thereby forming the current collector 10 with the short fibers A dispersed in the slurry S. Even in this case, at least a part of the active material powder 20 and the conductive assistant 30 in the slurry S is held by the short fibers A.

なお、乾燥工程後の集電体10を加圧する加圧工程を行うことも可能である。加圧工程としては、集電体10を一対のローラ間に通す処理、集電体10を一対の平面で挟む処理、又は型によって集電体10を加圧する処理等を行うことが可能である。 It is also possible to carry out a pressurizing process in which the current collector 10 is pressurized after the drying process. The pressurizing process can include passing the current collector 10 between a pair of rollers, sandwiching the current collector 10 between a pair of flat surfaces, or applying pressure to the current collector 10 using a mold.

アルミニウム又は銅を用いることにより、特に好ましくは純度が99.9%以上、より好ましくは純度が99.99%以上のアルミニウムを用いることにより、図3や図4の加圧や、乾燥工程後の集電体10の加圧を行う際に、加圧力を調整することにより、短繊維A同士が交差するように接触している部分において、交差している2本の端繊維Aを互いに食い込むように変形させることが可能である。つまり、前記接触している部分で短繊維Aが偏平し、これにより、交差している2本の端繊維Aが互いに食い込んでいるように見える。 By using aluminum or copper, and particularly preferably aluminum with a purity of 99.9% or more, and more preferably 99.99% or more, when applying pressure as shown in Figures 3 and 4 or when applying pressure to the current collector 10 after the drying process, it is possible to deform the two intersecting end fibers A so that they bite into each other at the contact points where the short fibers A cross each other. In other words, the short fibers A are flattened at the contact points, and this makes it appear as if the two intersecting end fibers A are biting into each other.

この場合、短繊維A同士の接触部における電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
なお、活物質粉20を含むスラリーSではなく、活物質粉20の代わりに充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉を含むスラリーSを作製することも可能である。この場合、前記乾燥工程後の集電体10の短繊維Aに活物質粉20の代わりに吸着物質粉が保持される。
In this case, the resistance to electron movement at the contact points between the short fibers A can be reduced, which is advantageous in reducing the resistance with which electrons move to the input/output terminals.
It is also possible to prepare a slurry S that contains an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging, instead of the active material powder 20, instead of the active material powder 20. In this case, the adsorbent powder is held in the short fibers A of the current collector 10 after the drying step, instead of the active material powder 20.

[活物質粉]
活物質粉20としては、バインダーB等によって集電体10に保持可能なものや、集電体10と共に硬化したバインダーBに保持されるものであれば良く、サイクル特性に優れたものが好ましい。活物質の例としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)やリン酸鉄系の活物質、グラファイト等の炭素材が挙げられる。なお、二次電池の正極および負極に用いられる公知の活物質を使用することが可能である。
[Active material powder]
The active material powder 20 may be any material that can be held by the current collector 10 with the binder B or the like, or that can be held by the binder B hardened together with the current collector 10, and is preferably one that has excellent cycle characteristics. Examples of active materials include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), iron phosphate-based active materials, and carbon materials such as graphite. It is possible to use known active materials that are used for the positive and negative electrodes of secondary batteries.

[吸着物質粉]
活物質粉20の代わりに用いる上記吸着物質粉としては、バインダーB等によって集電体10に保持可能なものや、集電体10と共に硬化したバインダーBに保持されるものであれば良く、サイクル特性に優れたものが好ましい。吸着物質粉の例としてはポリアセン(PAS)、ポリアニリン(PAN)、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ等が挙げられる。なお、電気二重層キャパシタの正極および負極に用いられる公知の物質を用いることが可能である。
[Adsorbent powder]
The adsorbent powder used in place of the active material powder 20 may be any powder that can be held by the current collector 10 with the binder B or the like, or that can be held by the binder B hardened together with the current collector 10, and is preferably one that has excellent cycle characteristics. Examples of the adsorbent powder include polyacene (PAS), polyaniline (PAN), activated carbon, carbon black, graphite, carbon nanotubes, etc. It is possible to use known substances that are used for the positive and negative electrodes of electric double layer capacitors.

活物質粉20や吸着物質粉は乳鉢、ボールミル、振動ボールミル等を用いて粉砕し、平均粒径を所定値以下にすることが好ましい。所定値としては、集電体10の短繊維Aの平均線径に10μmを加えた値などが考えられる。例えば、短繊維Aの平均線径が20μmの場合は、活物質粉20や吸着物質粉の平均粒径は30μm以下にすることが好ましい。これにより、集電体10の短繊維Aと活物質粉20又は吸着物質粉との接触面積が増加し、充放電速度の向上に貢献し得る。 It is preferable to grind the active material powder 20 or the adsorbent powder using a mortar, ball mill, vibrating ball mill, etc. to make the average particle size equal to or less than a predetermined value. The predetermined value can be the average linear diameter of the short fibers A of the current collector 10 plus 10 μm. For example, if the average linear diameter of the short fibers A is 20 μm, it is preferable to set the average particle size of the active material powder 20 or the adsorbent powder to 30 μm or less. This increases the contact area between the short fibers A of the current collector 10 and the active material powder 20 or the adsorbent powder, which can contribute to improving the charge and discharge speed.

[バインダー]
バインダーBとしては、熱可塑性樹脂や多糖類高分子材料等を用いることが可能である。バインダーの材質の例としては、ポリアクリル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体等が挙げられる。なお、二次電池や電気二重層キャパシタの電極に用いられる公知のバインダーを用いることが可能である。
[binder]
Thermoplastic resins, polysaccharide polymer materials, etc. can be used as the binder B. Examples of binder materials include polyacrylic resins, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), copolymers of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP), etc. It is possible to use known binders used in electrodes of secondary batteries and electric double layer capacitors.

[導電助剤]
導電助剤30としては、導電性を有する材質であれば良く、電解質や溶媒によって化学変化しない材質であることが好ましい。導電助剤30の例としては、黒鉛やカーボンブラックが挙げられる。なお、二次電池や電気二重層キャパシタの電極に用いられる公知の導電助剤を用いることが可能である。
[Conductive assistant]
The conductive assistant 30 may be any material that has conductivity, and is preferably a material that does not undergo chemical changes due to electrolytes or solvents. Examples of the conductive assistant 30 include graphite and carbon black. It is possible to use a known conductive assistant that is used in electrodes of secondary batteries and electric double layer capacitors.

上記のように作られた電極は、電気二重層キャパシタ、二次電池、リチウムイオンキャパシタを含むハイブリットキャパシタ等の蓄電デバイスの電極として用いることが可能である。例えば、電気二重層キャパシタの正極および負極に用いることが可能であり、二次電池の例としてリチウムイオン二次電池の正極および負極に用いることが可能であり、リチウムイオンキャパシタの正極および負極に用いることが可能である。その適用例は後述する。 The electrodes made as described above can be used as electrodes in power storage devices such as electric double layer capacitors, secondary batteries, and hybrid capacitors including lithium ion capacitors. For example, they can be used as the positive and negative electrodes of electric double layer capacitors, as an example of secondary batteries, they can be used as the positive and negative electrodes of lithium ion secondary batteries, and they can be used as the positive and negative electrodes of lithium ion capacitors. Examples of their applications will be described later.

なお、前記スラリーSとして、活物質粉20と、導電助剤30と、バインダーBに加えて、平均太さが0.5μm以下、好ましくは0.3μm以下であるカーボン繊維CFの粉末を含むスラリーを用いることも可能である。この場合、図5に示すように、集電体10内に形成されている隙間にカーボン繊維CFが配置される。 The slurry S may contain, in addition to the active material powder 20, the conductive additive 30, and the binder B, a powder of carbon fibers CF having an average thickness of 0.5 μm or less, preferably 0.3 μm or less. In this case, the carbon fibers CF are arranged in the gaps formed in the current collector 10, as shown in FIG. 5.

カーボン繊維CFは、短繊維Aや、活物質粉20や、導電助剤30や、他のカーボン繊維CFに接触する。本実施形態では、平均太さが0.1~0.2μm、長さ20~200μm程度のカーボン繊維CFを用いる。なお、カーボン系導電助剤30の抵抗率は0.1~0.3Ω・cmであるのに対し、カーボン繊維CFの抵抗率は例えば5×10-5Ω・cmである。 The carbon fibers CF come into contact with the short fibers A, the active material powder 20, the conductive additive 30, and other carbon fibers CF. In this embodiment, carbon fibers CF having an average thickness of 0.1 to 0.2 μm and a length of about 20 to 200 μm are used. The resistivity of the carbon-based conductive additive 30 is 0.1 to 0.3 Ω·cm, whereas the resistivity of the carbon fibers CF is, for example, 5×10 −5 Ω·cm.

例えば、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触していない場合でも、当該活物質粉20と短繊維Aとがカーボン繊維CFを介して電気的に接続される。また、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触している場合でも、カーボン繊維CFによる接続があることによって、当該活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗が更に低減される。
このように、導電性が良いカーボン繊維CFにより、活物質粉20と短繊維Aとの間の電子の移動抵抗を低減することができ、電子が入出力端子に移動する抵抗を小さくする上で有利である。
For example, even when the active material powder 20 and the short fibers A are not in direct contact with each other, the active material powder 20 and the short fibers A are electrically connected to each other via the carbon fibers CF. Even when the active material powder 20 and the short fibers A are in direct contact with each other, the electrical resistance between the active material powder 20 and the short fibers A is further reduced due to the connection by the carbon fibers CF.
In this way, the carbon fibers CF, which have good conductivity, can reduce the resistance to electron movement between the active material powder 20 and the short fibers A, which is advantageous in reducing the resistance through which electrons move to the input/output terminals.

なお、導電助剤30を含まずカーボン繊維CFを含むスラリーを用いて電極を製造することも可能である。この場合も、図6に示すように、集電体10内に形成されている隙間にカーボン繊維CFが配置され、当該構成は活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗を低減する上で有利である。なお、図5および図6は本実施形態の構成をわかりやすく示すための図であり、短繊維A、活物質粉20、導電助剤30、カーボン繊維CF等の大きさ、太さ、長さは実際と異なる場合がある。
なお、電気抵抗の低減を効率的に行うために、カーボン繊維CFの平均長さは、活物質粉20や吸着物質粉の平均粒径の半分以上であることが好ましく、当該平均粒径の2/3以上であることがより好ましい。
It is also possible to manufacture an electrode using a slurry containing carbon fibers CF without the conductive assistant 30. In this case, too, as shown in Fig. 6, the carbon fibers CF are arranged in gaps formed in the current collector 10, and this configuration is advantageous in terms of reducing the electrical resistance between the active material powder 20 and the short fibers A. It is noted that Figs. 5 and 6 are diagrams for easily illustrating the configuration of this embodiment, and the size, thickness, and length of the short fibers A, active material powder 20, conductive assistant 30, carbon fibers CF, etc. may differ from the actual sizes, thicknesses, and lengths.
In order to efficiently reduce electrical resistance, the average length of the carbon fibers CF is preferably at least half the average particle size of the active material powder 20 or the adsorbent powder, and more preferably at least 2/3 of the average particle size.

[コイン型二次電池への適用]
図7に本実施形態の電極を用いたコイン型二次電池の一例を示す。このコイン型二次電池は、ケース本体102と蓋101とを有するケース(外装缶)100と、ケース100に収容された蓄電部とを備えている。蓄電部は、正極110として本実施形態のアルミニウムから成る短繊維Aを用いた電極を備えている。また、正極110と対抗する負極120と、正極110と負極120との間に配置されたセパレータ130とを有する。正極110がケース本体102に面接触し、負極120が蓋101に面接触し、これにより、蓋101およびケース本体102が正極110および負極120の入出力端子として機能する。
[Application to coin-type secondary batteries]
7 shows an example of a coin-type secondary battery using the electrode of this embodiment. This coin-type secondary battery includes a case (outer can) 100 having a case body 102 and a lid 101, and a power storage unit housed in the case 100. The power storage unit includes an electrode using the short fibers A made of aluminum of this embodiment as a positive electrode 110. It also includes a negative electrode 120 facing the positive electrode 110, and a separator 130 disposed between the positive electrode 110 and the negative electrode 120. The positive electrode 110 is in surface contact with the case body 102, and the negative electrode 120 is in surface contact with the lid 101, so that the lid 101 and the case body 102 function as input/output terminals for the positive electrode 110 and the negative electrode 120.

この場合、正極110に用いられる集電体10には正極用の活物質粉20が保持されている。また、負極120は公知の二次電池の負極の構造および材質を有していれば良く、リチウムイオン二次電池の場合は活物質として例えばグラファイト等の炭素材が用いられ、集電体として銅箔が用いられる。セパレータ130は正極110と負極120とを電気的に絶縁し、イオン透過性があり、正極110および負極120との接触面で酸化・還元に対する耐性を有するものであれば良い。例えば、多孔質のポリマーや無機材料、有機と無機のハイブリット材料、ガラス繊維等を用いることが可能である。なお、二次電池に用いられる公知のセパレータを用いることが可能である。 In this case, the positive electrode active material powder 20 is held on the current collector 10 used for the positive electrode 110. The negative electrode 120 may have the structure and material of a known negative electrode of a secondary battery. In the case of a lithium-ion secondary battery, a carbon material such as graphite is used as the active material, and copper foil is used as the current collector. The separator 130 may be any material that electrically insulates the positive electrode 110 and the negative electrode 120, is ion-permeable, and has resistance to oxidation and reduction at the contact surface with the positive electrode 110 and the negative electrode 120. For example, a porous polymer or inorganic material, an organic-inorganic hybrid material, glass fiber, etc. may be used. It is possible to use a known separator used in a secondary battery.

前記蓄電部を収容したケース100内には電解液が満たされている。電解液の電解質としてリチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等を使用可能であり、リチウムイオン二次電池の場合はリチウム塩が用いられる。電解質が溶解する溶媒としては非水系溶媒が用いられ、非水系溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エステル等を用いることが可能である。なお、二次電池に用いられる公知の電解質および溶媒を用いることが可能である。充放電が行われる際に、正極110の活物質粉20からリチウムイオン等のイオンが電解液中に放出される化学反応や、活物質粉20にリチウムイオン等のイオンが取り込まれる化学反応が起きる。 The case 100 housing the storage unit is filled with an electrolytic solution. Lithium salts, potassium salts, sodium salts, magnesium salts, etc. can be used as the electrolyte of the electrolytic solution, and in the case of a lithium ion secondary battery, lithium salts are used. A non-aqueous solvent is used as the solvent in which the electrolyte dissolves, and examples of the non-aqueous solvent that can be used include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and carbonate esters. It is possible to use known electrolytes and solvents used in secondary batteries. When charging and discharging, a chemical reaction occurs in which ions such as lithium ions are released from the active material powder 20 of the positive electrode 110 into the electrolytic solution, and a chemical reaction occurs in which ions such as lithium ions are taken into the active material powder 20.

このように構成されたコイン型二次電池において、正極110に用いられる集電体10の厚さ方向一方の面がケース本体102に接触する。また、正極110に用いられる集電体10には、その厚さ方向一方の面から他方の面までの全ての範囲に活物質粉20が充填されており、多くの活物質粉20が集電体10の短繊維Aに接触している。このため、入出力端子に電子を運ぶ短繊維Aと活物質粉20との距離が近くなり、充放電速度を向上する上で有利である。 In a coin-type secondary battery configured in this manner, one surface in the thickness direction of the current collector 10 used for the positive electrode 110 contacts the case body 102. The current collector 10 used for the positive electrode 110 is filled with active material powder 20 over the entire range from one surface to the other surface in the thickness direction, and most of the active material powder 20 contacts the short fibers A of the current collector 10. This reduces the distance between the short fibers A that carry electrons to the input/output terminals and the active material powder 20, which is advantageous in improving the charge/discharge speed.

また、活物質粉20と短繊維Aとが直接接触し、又は、活物質粉20と短繊維Aとが近接して配置されると共に導電助剤30等を介して導通している。このため、活物質粉20と短繊維Aとの間で電子の授受が行われる際に、その電子が集電体10の端等に設けられた入出力端子に移動する抵抗を小さくすることができる。 In addition, the active material powder 20 and the short fibers A are in direct contact, or are arranged close to each other and are electrically connected via the conductive assistant 30, etc. Therefore, when electrons are exchanged between the active material powder 20 and the short fibers A, the resistance with which the electrons move to the input/output terminals provided at the ends of the current collector 10, etc., can be reduced.

なお、従来のコイン型二次電池の一例を図8に示す。このコイン型二次電池は、アルミニウム箔の集電体141と、集電体141の厚さ方向一方の面に塗布された電極層142とを有する正極140を備えている。電極層142には、活物質粉、導電助剤、バインダー等が含まれている。コイン型二次電池はスペースが限られているので、従来のコイン型二次電池は集電体141の厚さ分だけ活物質粉の量が制限される。また、セパレータ130側に配置された活物質粉の電子は、集電体141との間に配置された活物質粉や導電助剤を介して集電体141に移動するので、充放電速度を向上する上で好ましくない。 An example of a conventional coin-type secondary battery is shown in FIG. 8. This coin-type secondary battery has a positive electrode 140 having an aluminum foil current collector 141 and an electrode layer 142 applied to one surface of the current collector 141 in the thickness direction. The electrode layer 142 contains active material powder, conductive assistant, binder, etc. Since the coin-type secondary battery has limited space, the amount of active material powder in the conventional coin-type secondary battery is limited by the thickness of the current collector 141. In addition, the electrons of the active material powder arranged on the separator 130 side move to the current collector 141 via the active material powder and conductive assistant arranged between the current collector 141 and the positive electrode 140, which is not preferable in terms of improving the charge/discharge speed.

なお、前記コイン型二次電池において、負極120に本実施形態の電極の構造、特に銅から成る短繊維Aを用いた電極を用いることも可能である。この場合、この電極の集電体は集電体10となり、活物質粉20として炭素材が用いられ、電池の種類によってはチタン酸リチウム、チタン酸化物、タングステン酸化物、スズ酸化物等が用いられる場合もあり得る。 In the coin-type secondary battery, it is also possible to use the electrode structure of this embodiment, particularly an electrode using short fibers A made of copper, for the negative electrode 120. In this case, the current collector of this electrode becomes the current collector 10, and a carbon material is used as the active material powder 20, and lithium titanate, titanium oxide, tungsten oxide, tin oxide, etc. may also be used depending on the type of battery.

[積層型二次電池への適用]
正極、負極およびセパレータから成る蓄電部を複数層に積層する二次電池の場合も、前記コイン型二次電池と同様に本実施形態のアルミニウム又は銅の短繊維Aを用いる電極構造を正極のみ、負極のみ、および正極と負極の両方に用いることが可能である。
[Application to stacked secondary batteries]
In the case of a secondary battery in which a storage section consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator is stacked in multiple layers, the electrode structure using the aluminum or copper short fibers A of this embodiment can be used for only the positive electrode, only the negative electrode, or both the positive electrode and the negative electrode, as in the coin-type secondary battery.

[電気二重層キャパシタへの適用]
図9に本実施形態の電極を用いた電気二重層キャパシタの一例を示す。この電気二重層キャパシタは、例えば容器200と、容器200に収容された蓄電部とを備えている。蓄電部は、正極210として本実施形態のアルミニウムの短繊維Aを用いる電極を備えている。また、正極210と対抗する負極220と、正極210と負極220との間に配置されたセパレータ230とを有する。正極210には正極入出力端子210aが接続され、負極220にも同様に負極入出力端子220aが接続され、各入出力端子は容器200の外まで延びている。
[Application to electric double layer capacitors]
9 shows an example of an electric double layer capacitor using the electrodes of this embodiment. This electric double layer capacitor includes, for example, a container 200 and a storage unit housed in the container 200. The storage unit includes an electrode using the aluminum short fibers A of this embodiment as a positive electrode 210. The storage unit also includes a negative electrode 220 opposed to the positive electrode 210, and a separator 230 disposed between the positive electrode 210 and the negative electrode 220. A positive electrode input/output terminal 210a is connected to the positive electrode 210, and a negative electrode input/output terminal 220a is similarly connected to the negative electrode 220, with each input/output terminal extending to the outside of the container 200.

この場合、正極210に用いられる集電体10には吸着物質粉が保持されている。また、負極220は公知の電気二重層キャパシタの負極の構造および材質を有していれば良く、例えばアルミニウム箔から成る集電体221と、集電体の厚さ方向一方の面に塗布された電極層222とを有する。電極層222には吸着物質粉、導電助剤、バインダー等が含まれている。 In this case, the current collector 10 used for the positive electrode 210 holds the adsorbent powder. The negative electrode 220 may have the structure and material of a known negative electrode of an electric double layer capacitor, and may have, for example, a current collector 221 made of aluminum foil and an electrode layer 222 applied to one surface of the current collector in the thickness direction. The electrode layer 222 contains the adsorbent powder, a conductive additive, a binder, etc.

セパレータ230は正極210と負極220とを電気的に絶縁し、イオン透過性があり、正極210および負極220との接触面で酸化・還元に対する耐性を有するものであれば良い。例えば、多孔質のポリマーや無機材料、有機と無機のハイブリット材料、ガラス繊維等を用いることが可能である。なお、電気二重層キャパシタに用いられる公知のセパレータを用いることが可能である。 The separator 230 may be any material that electrically insulates the positive electrode 210 and the negative electrode 220, is ion permeable, and has resistance to oxidation and reduction at the contact surface with the positive electrode 210 and the negative electrode 220. For example, it is possible to use porous polymers, inorganic materials, organic-inorganic hybrid materials, glass fibers, etc. It is also possible to use known separators used in electric double layer capacitors.

前記蓄電部を収容した容器200内には電解液が満たされている。電解液は非水系溶媒及び電解質を含有している。電解質や非水系溶媒は電気二重層キャパシタに用いられる公知の物質であれば良い。電解質として例えばアンモニウム塩、ホスホニウム塩等を使用でき、非水系溶媒として例えば環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ニトリル類、含イオウ化合物等を使用できる。 The container 200 housing the storage unit is filled with an electrolytic solution. The electrolytic solution contains a non-aqueous solvent and an electrolyte. The electrolyte and non-aqueous solvent may be any known substance used in electric double layer capacitors. For example, ammonium salts, phosphonium salts, etc. can be used as the electrolyte, and for example, cyclic carbonate esters, chain carbonate esters, cyclic esters, chain esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles, sulfur-containing compounds, etc. can be used as the non-aqueous solvent.

この電気二重層キャパシタは、正極210に用いられる集電体10の一端が正極入出力端子210aに接続される。また、正極210に用いられる集電体10には、その厚さ方向一方の面から他方の面までの全ての範囲に吸着物質粉が充填されており、多くの吸着物質粉が集電体10の短繊維Aに接触している。このため、正極入出力端子210aに電子を運ぶ短繊維Aと吸着物質粉との距離が近くなり、充放電速度を向上する上で有利である。従来の正極の構造は負極220と同じであるため、負極220と比べると上記利点を理解し易い。
なお、前記電気二重層キャパシタにおいて、負極220に本実施形態のアルミニウムの短繊維Aを用いる電極の構造を用いることも可能である。また、正極210および負極220に本実施形態の銅の短繊維Aを用いる電極の構造を用いることも可能である。
In this electric double layer capacitor, one end of the current collector 10 used in the positive electrode 210 is connected to the positive electrode input/output terminal 210a. The current collector 10 used in the positive electrode 210 is filled with adsorbent powder over the entire range from one surface to the other surface in the thickness direction, and most of the adsorbent powder is in contact with the short fibers A of the current collector 10. This reduces the distance between the short fibers A that carry electrons to the positive electrode input/output terminal 210a and the adsorbent powder, which is advantageous in improving the charge/discharge rate. The structure of the conventional positive electrode is the same as that of the negative electrode 220, so the above advantages are easier to understand compared to the negative electrode 220.
In the electric double layer capacitor, it is also possible to use an electrode structure in which the aluminum short fibers A of this embodiment are used for the negative electrode 220. It is also possible to use an electrode structure in which the copper short fibers A of this embodiment are used for the positive electrode 210 and the negative electrode 220.

本実施形態によれば、上述のように高純度のアルミニウムの短繊維Aや銅の短繊維Aの近傍に活物質粉20や吸着物質粉を配した蓄電デバイスの電極を形成することが可能である。これにより、より容量が高く、変形抵抗の少ない、充放電性に優れた蓄電デバイスの製造が可能となる。 According to this embodiment, it is possible to form an electrode for an electricity storage device in which active material powder 20 or adsorbent powder is disposed in the vicinity of high-purity aluminum short fibers A or copper short fibers A as described above. This makes it possible to manufacture an electricity storage device with higher capacity, less deformation resistance, and excellent charging and discharging properties.

また、例えば、通常のキャパシタや二次電池などに使用されるアルミニウム箔の製造は、スラブと呼ばれる非常に大型の四角柱のアルミ鋳塊を造り、切断、加熱して何回も圧延し、更に表面処理等を施して製作される。このため、非常に多くのエネルギーとコストを要する。一方、本実施形態に使用するアルミニウム又は銅の短繊維Aはビビリ振動切削等により製造することが可能である。また吸着物質粉、活物質粉20、導電助剤30などを保持した集電体10を圧延し箔を形成する際に、プレス圧も小さくすることができる。このため、大型の設備を必要とせず、容易にかつ低コストで集電体箔や正極箔を製造することが可能となる。 For example, the aluminum foil used in ordinary capacitors and secondary batteries is manufactured by making a very large rectangular aluminum ingot called a slab, cutting it, heating it, rolling it many times, and then performing surface treatments, etc. This requires a lot of energy and costs. On the other hand, the aluminum or copper short fibers A used in this embodiment can be manufactured by chatter vibration cutting, etc. In addition, when rolling the current collector 10 holding the adsorbent powder, active material powder 20, conductive additive 30, etc. to form the foil, the pressing pressure can be reduced. This makes it possible to manufacture current collector foils and positive electrode foils easily and at low cost without requiring large facilities.

このように、本実施形態によれば、所定形状に成形したスラリーを乾燥させると、アルミニウム又は銅の短繊維Aが互いに電気的に接続され、アルミニウム又は銅の短繊維Aにより集電体10が形成される。また、スラリーS内ではアルミニウム又は銅の短繊維Aと吸着物質粉又は活物質粉20とが混ぜられているので、スラリーSを乾燥させると、集電体10の短繊維Aの間に形成された隙間に吸着物質粉又は活物質粉20が入り込む。このため、吸着物質粉又は活物質粉20が短繊維Aに直接接触し、又は、短繊維Aの近傍に配置され、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとの間で電子の授受が行われる際に、その移動抵抗を小さくすることができる。 Thus, according to this embodiment, when the slurry formed into a predetermined shape is dried, the aluminum or copper short fibers A are electrically connected to each other, and the aluminum or copper short fibers A form the current collector 10. In addition, since the aluminum or copper short fibers A and the adsorbent powder or active material powder 20 are mixed in the slurry S, when the slurry S is dried, the adsorbent powder or active material powder 20 enters the gaps formed between the short fibers A of the current collector 10. Therefore, the adsorbent powder or active material powder 20 is in direct contact with the short fibers A or is arranged in the vicinity of the short fibers A, and when electrons are exchanged between the adsorbent powder or active material powder 20 and the short fibers A, the transfer resistance can be reduced.

また、スラリーSにカーボン繊維CFが混ぜられているので、電極となった際に、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとが直接接触していない場合でも、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとがカーボン繊維CFを介して電気的に接続される。また、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとが直接接触している場合でも、カーボン繊維CFによる接続があることによって、吸着物質粉又は活物質粉20と短繊維Aとの間の電気抵抗が更に低減される。 In addition, because carbon fiber CF is mixed into the slurry S, when the electrode is formed, even if the adsorbent powder or active material powder 20 and the short fiber A are not in direct contact with each other, the adsorbent powder or active material powder 20 and the short fiber A are electrically connected via the carbon fiber CF. Even if the adsorbent powder or active material powder 20 and the short fiber A are in direct contact with each other, the electrical resistance between the adsorbent powder or active material powder 20 and the short fiber A is further reduced due to the connection by the carbon fiber CF.

また、短繊維Aから成る不織布状集電体又は分散した短繊維A同士が接続された集電体を有する電極は、アルミニウム箔等を集電体として使うものに比べ、小さな力でも容易に曲がる。このため、電極の設置スペースが限られている場合は、その設置を容易にすることも可能であり、使用時に少し変形が加わる位置に電極が設けられる場合でも、電極から生ずる反力が小さくなり、これにより機器の寿命を向上することを期待できる。 Furthermore, electrodes having a nonwoven current collector made of short fibers A or a current collector in which dispersed short fibers A are connected together bend easily with a small force compared to electrodes that use aluminum foil or the like as a current collector. This makes it easier to install the electrodes when the installation space is limited, and even if the electrodes are installed in a position where they are subject to slight deformation during use, the reaction force generated by the electrodes is smaller, which is expected to improve the lifespan of the equipment.

10 集電体
20 活物質粉
30 導電助剤
A アルミニウム又は銅の短繊維
B バインダー
S スラリー
CF カーボン繊維
REFERENCE SIGNS LIST 10 Current collector 20 Active material powder 30 Conductive assistant A Aluminum or copper short fiber B Binder S Slurry CF Carbon fiber

Claims (6)

アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、導電助剤と、バインダーと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を少なくとも含む液状又はゲル状のスラリーを作製するスラリー作製工程と、
前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、
前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって電極を形成する乾燥工程と、を有する蓄電デバイスの電極の製造方法であって、
前記短繊維の平均長さは25mm以下である、蓄電デバイスの電極の製造方法。
a slurry preparation step of preparing a liquid or gel-like slurry containing at least short aluminum or copper fibers, an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging or an active material powder that undergoes a chemical reaction during charging and discharging, a conductive assistant, a binder, and carbon fibers having an average diameter of 0.5 μm or less;
A forming step of forming the slurry into a predetermined shape;
A method for manufacturing an electrode for an electricity storage device, comprising: a drying step of forming an electrode by drying the slurry formed into the predetermined shape,
The method for producing an electrode for an electricity storage device, wherein the short fibers have an average length of 25 mm or less.
前記短繊維は、純度が99.9%以上のアルミニウムから成る請求項1に記載の電極の製造方法。 The method for manufacturing an electrode according to claim 1, wherein the short fibers are made of aluminum with a purity of 99.9% or more. 平均長さが15mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維と、
前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉又は充放電時に化学反応する活物質粉と、主にカーボン微粒子とカーボブラックと黒鉛の粒子のうち少なくとも1つと、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を備える蓄電デバイスの電極。
Short aluminum or copper fibers having an average length of 15 mm or less;
An electrode for an electricity storage device comprising: an adsorbent powder that adsorbs electrolyte ions during charging or an active material powder that undergoes a chemical reaction during charging and discharging, the active material powder filling gaps formed between the aluminum or copper short fibers; at least one of fine carbon particles, carbon black, and graphite particles; and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less.
前記短繊維は、純度が99.9%以上のアルミニウムから成り、
前記電極は、2本の前記短繊維が交差するように接触している部分を少なくとも1箇所有し、該交差部分において前記2本の短繊維が互いに食い込んでいる請求項3に記載の電極。
The short fibers are made of aluminum having a purity of 99.9% or more,
The electrode according to claim 3 , wherein the electrode has at least one portion where two of the short fibers are in contact with each other so as to cross each other, and the two short fibers are embedded in each other at the crossing portion.
アルミニウム又は銅の短繊維と、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉と、バインダーと、主にカーボン微粒とカーボンブラックと黒鉛の粒子のうち少なくとも1つと、を少なくとも含む液状又はゲル状のスラリーを作製するスラリー作製工程と、
前記スラリーを所定形状に成形する成形工程と、
前記所定形状に成形された前記スラリーを乾燥させることによって電極を形成する乾燥工程と、を有するキャパシタの電極の製造方法であって、
前記短繊維の平均長さは15mm以下である、キャパシタの電極の製造方法。
a slurry preparation step of preparing a liquid or gel-like slurry containing at least aluminum or copper short fibers, an adsorbent powder to which electrolyte ions are adsorbed during charging, a binder, and at least one of fine carbon particles, carbon black, and graphite particles ;
A forming step of forming the slurry into a predetermined shape;
and drying the slurry formed into the predetermined shape to form an electrode,
The method for manufacturing a capacitor electrode, wherein the short fibers have an average length of 15 mm or less.
平均長さが25mm以下であるアルミニウム又は銅の短繊維と、
前記アルミニウム又は銅の短繊維間に形成された隙間に入り込んでおり、充電時に電解質イオンが吸着する吸着物質粉と、導電助剤と、平均太さが0.5μm以下であるカーボン繊維と、を備えるキャパシタの電極。
Short aluminum or copper fibers having an average length of 25 mm or less;
A capacitor electrode comprising: an adsorbent powder that fills the gaps formed between the aluminum or copper short fibers and adsorbs electrolyte ions during charging; a conductive assistant; and carbon fibers having an average thickness of 0.5 μm or less.
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