JP2000228213A - エネルギー貯蔵素子およびその製造方法 - Google Patents

エネルギー貯蔵素子およびその製造方法

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JP2000228213A
JP2000228213A JP11026834A JP2683499A JP2000228213A JP 2000228213 A JP2000228213 A JP 2000228213A JP 11026834 A JP11026834 A JP 11026834A JP 2683499 A JP2683499 A JP 2683499A JP 2000228213 A JP2000228213 A JP 2000228213A
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energy storage
electrode
electrolyte
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Takeshige Ichimura
剛重 市村
Hiroshi Kimura
浩 木村
Koichi Tsuda
孝一 津田
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】出力密度のみならずエネルギー密度も高く、か
つ製造容易で安価なキャパシタタイプのエネルギー貯蔵
素子を得る。 【解決手段】チタン金属線よりなるコアー部１１の表面
に、V2O5よりなる電極活性材層１２と、４フッ化エチレ
ン樹脂の不織布に電解質を含浸した保護層１３を配して
ワイヤー状電極１を形成し、結束した多数のワイヤー状
電極１をそれぞれ正電極と負電極に均等に分割し、端部
においてそのコアー部１１を正電極集電板２、あるいは
負電極集電板に電気的に接続して素子ユニットを構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池、電気二
重層コンデンサー等のエネルギー貯蔵素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】バッテリーは、電気エネルギーを化学エ
ネルギーに変換して蓄電できる手軽な電源として、古く
から独占的に使用されてきた。しかしながら、適用分野
の拡大に伴ってバッテリーに対する要求性能も高くな
り、それとともに充放電可能回数が少ないこと、パワー
密度が小さく得られる電流が小さいこと、さらには充電
量のチェックができないこと等の難点が指摘されるに至
った。しかしながら、これらの難点はいずれもバッテリ
ーの動作原理に係わるもので、本質的に避けられない特
性である。
【０００３】このバッテリーの難点を解決するものとし
て注目されている蓄電デバイスが、別の原理に基づくキ
ャパシタであり、所定の蓄電機能を持った高容量のキャ
パシターとすれば、上述のごときバッテリーの難点は完
全に解決される。図４は、従来のキャパシタタイプのエ
ネルギー貯蔵素子の一例の基本構成を示す斜視図であ
る。本エネルギー貯蔵素子は、正電極３１と負電極３２
をセパレータ３３を介して対向させたシートをロール状
に巻回して構成されている。このほか、正電極と負電極
を平面で対向させ、これをセパレータを介して複数個積
層して構成される積層型のエネルギー貯蔵素子も知られ
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようなキャパシタ
タイプのエネルギー貯蔵素子はバッテリーの難点を解消
する特性を備えているが、一方、キャパシターにはエネ
ルギー密度が小さいという難点がある。図５は、蓄電デ
バイスの主要特性であるエネルギー密度と出力密度を示
した特性図である。図に見られるように、バッテリー
は、出力密度は小さいが、エネルギー密度が高く小型化
ができるという利点を備えている。これに対して、電気
二重層キャパシタは、エネルギー密度は小さいが、出力
密度は高くとれる。電気化学キャパシタは、電気二重層
キャパシタをさらに進化させ、エネルギー密度を改善し
たもので、実用化を目指して開発が進められている。
【０００５】このようにエネルギー密度が高いキャパシ
タが得られれば、単独に、あるいはバッテリーと組み合
わせてハイブリッド化することにより、出力密度が高
く、かつエネルギー密度も高い蓄電が可能となる。
【０００６】本発明は、上記のごとき技術の現状を踏ま
えてなされたもので、出力密度が高いとゆう本来の特性
を備えるとともに、エネルギー密度が高く、コンパクト
で、かつ、製造が容易で安価なキャパシタタイプのエネ
ルギー貯蔵素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、正電極、負電極および電解質
を備えてなるエネルギー貯蔵素子において、（１）正電
極と負電極を、いずれも、ワイヤー状に形成されたワイ
ヤー状電極の結束体より構成することとし、（２）例え
ば、上記のワイヤー状電極を、金属材料、導電性高分子
材料、炭素繊維等の金属電導性を有する材料からなるコ
アー部と、その外周に配された、電解質と酸化還元反応
する、例えば白金族元素あるいは遷移金属元素を含む化
学物質からなる電極活性材層と、さらにその外周に配さ
れた、繊維状で多孔性の４弗化エチレン樹脂、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、弗化ビニリデン、ポリオレフィ
ン等の絶縁物に電解質を含浸して形成された保護層とに
より構成することとする。
【０００８】（３）また、上記のワイヤー状電極を、電
極活性材を付着させる槽および保護層を付着させる槽を
含む処理装置にコアー部を形成するワイヤーを連続的に
供給して、ワイヤーの表面に電極活性材層と保護層を形
成した長尺線を製作し、その後所定の長さに切断するこ
とにより製造することとする。
【０００９】（４）また、上記の（２）において、正電
極を構成するワイヤー状電極と負電極を構成するワイヤ
ー状電極を均等に配置して結束し、かつ、その一方の端
部において正電極を構成するワイヤー状電極のそれぞれ
のコアー部を第１の集電板に電気的に接続し、もう一方
の端部において負電極を構成するワイヤー状電極のそれ
ぞれのコアー部を第２の集電板に電気的に接続して基本
単位としての素子ユニットを構成することとする。さら
に、このように構成した素子ユニットを電気的に直列あ
るいは並列に接続してエネルギー貯蔵素子を形成するこ
ととする。
【００１０】上記（１）のごとく、正電極と負電極を、
例えば（２）のように形成されたワイヤー状電極の結束
体より構成することとすれば、結束された多数のワイヤ
ー状電極のそれぞれの表面に電極が配されるので、電極
面積の密度が高く採れる。特にワイヤー状電極を極細線
により形成すれば電極面積の密度がより一層高くなり、
エネルギー密度が上昇する。したがって、コンパクトな
エネルギー貯蔵素子が得られる。
【００１１】また、上記（３）のごとくワイヤー状電極
を製造することとすれば、ワイヤー状電極が一貫して連
続的に製造され、これを結束させることによりエネルギ
ー貯蔵素子が製作されるので、製造方法が簡単となり、
製造コストが大幅に低下することとなる。また、上記
（４）のごとく素子ユニットを構成し、これを組み合わ
せれば、用途に合わせた特性を備えたエネルギー貯蔵素
子が得られることとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１は本発明の実施例のエネルギー貯蔵
素子の素子ユニットの基本構成を示す図で、（ａ）は一
部を切断して示した素子ユニットの斜視図、（ｂ）は素
子ユニットに組み込まれているワイヤー状電極の部分斜
視図である。
【００１３】図１（ａ）に見られるように、本実施例の
素子ユニットは、結束された多数の極細線のワイヤー状
電極１の両端に、正電極集電板２と負電極集電板３を配
し、外側を外筒４で覆って構成されている。このうちワ
イヤー状電極１の結束体は、ほぼ同数の正電極用のワイ
ヤー状電極１と負電極用のワイヤー状電極１を互いに対
をなすように均等に配置して構成されており、正電極用
のワイヤー状電極１の一端は正電極集電板２に、また、
負電極用のワイヤー状電極１の一端は負電極集電板３に
接続されている。
【００１４】ワイヤー状電極１は、図１（ｂ）に見られ
るように、金属電導性をもつコアー部１１、その外周に
配された電極活性材層１２、さらにその外周に配された
保護層１３から構成されている。このうち、コアー部１
１には直径が 50 μｍのチタン金属線が用いられてい
る。電極活性材層１２には電解質と酸化還元反応をする
化学物質としてV2O5が用いられており、その厚さは約１
μｍである。また、保護層１３は、４弗化エチレン樹脂
を素材とする不織布に電解質を含浸して構成されてお
り、正電極と負電極との電気的接触を防止するセパレー
タの役割も果たしている。その厚さは約 30 μｍであ
る。
【００１５】なお、本実施例ではコアー部１１に直径 5
0 μｍのチタン金属線が用いられているが、チタン以外
の金属線を用いてもよく、また、同様に金属電導性を有
する材料である導電性高分子材料、あるいは炭素繊維等
を用いてもよい。またワイヤー状電極１が細いほど素子
のエネルギー密度が増大するので、適正な機械強度が得
られる限りコアー部１１の直径は小さいことが望まし
く、10μｍ〜 0.5 mm の範囲において選定すればよい。
また、本実施例では電極活性材層１２に厚さが約１μｍ
の V2O5 が用いられているが、V2O5に替わって、同様に
電解質と酸化還元反応をする化学物質である RuO2 、Ni
O 等の白金族元素あるいは遷移金属元素を含む化学物質
でもよい。電極活性材層１２の厚さは、上記のコアー部
１１の直径に対応して、10 nm 〜 0.5 mm の範囲におい
て選定すればよい。また、本実施例では保護層１３を４
弗化エチレン樹脂を素材とする不織布に電解質を含浸し
て構成し、その厚さを約 30 μｍとしているが、４弗化
エチレン樹脂に替わって、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、弗化ビニリデン、ポリオレフィン等の絶縁物を用い
てもよく、その厚さは、上記のコアー部１１の直径およ
び電極活性材層１２の厚さに対応して、10μｍ〜 200μ
ｍの範囲において選定すればよい。なお、ワイヤー状電
極１の長さについては特に制限はなく、使用用途に応じ
たキャパシタの必要特性から選定すればよい。
【００１６】図２は、本実施例のエネルギー貯蔵素子の
素子ユニットの端部の基本構成を示す断面図である。結
束した複数のワイヤー状電極１を半数づつ均等に選んだ
のち、一方の群の複数のワイヤー状電極１の端部の保護
層１３と電極活性材層１２を切除してコアー部１１を露
出させ、このコアー部１１を正電極集電板２に電気的に
接触させることによって正電極が形成されている。ま
た、同様に、もう一方の群の複数のワイヤー状電極１の
端部のコアー部１１を負電極集電板３に電気的に接触さ
せることによって負電極が形成されている。
【００１７】図３は、本実施例のエネルギー貯蔵素子の
主要構成要素であるワイヤー状電極１の製造方法を示す
工程図である。ワイヤー状電極１のコアー部１１となる
直径 50 μｍのチタンワイヤーは、ワイヤーリール２１
より引き出され、アセトンあるいはアルコールを満たし
た脱脂槽２２へ送られて洗浄される。チタンワイヤーの
送り速度は毎分 100 mm であり、この送り速度におい
て、脱脂槽２２へ浸漬される時間が３分になるよう構成
されている。洗浄されたチタンワイヤーは、次いで 80
〜 90 ℃に加温された蓚酸10 wt％水溶液を満たしたエ
ッチング槽２３に送られてエッチング洗浄される。エッ
チング洗浄されチタンワイヤーは、水洗槽２４に送ら
れ、エッチング液を除去したのち電極活性材付着槽２５
へと送られる。
【００１８】電極活性材付着槽２５には、電極活性材V2
O5を付着させるための前駆体である溶液、すなわちバナ
ジン酸アンモニウム NH4VO3 と蓚酸と H2Oを３：１： 1
6 の割合で混合した溶液が満たされている。この電極活
性材付着槽２５を通過して表面に電極活性材 V2O5 の前
駆体が付着したワイヤーは、乾燥槽２６において温度60
〜 70 ℃で乾燥されたのち、加熱分解槽２７へと導か
れる。加熱分解槽２７は、空気雰囲気で 345〜355 ℃の
温度に保たれており、ワイヤーの表面に付着した前駆体
は加熱分解し、電極活性材V2O5の層が形成される。形成
されるV2O5の層の厚さは電極活性材付着槽２５中の前駆
体の濃度に依存するが、上記条件の場合には 0.7〜1,0
μｍとなる。
【００１９】電極活性材 V2O5 の層が形成されたワイヤ
ーは引き続いて保護層付着工程へと送られる。保護層付
着槽２８には、繊維状の４弗化エチレン樹脂を水に溶か
してパルプ状に形成したものが満たされており、この槽
を通過することによってワイヤーの電極活性材 V2O5 の
層の上に４弗化エチレン樹脂が約 30 μｍ付着する。引
き続いて、４弗化エチレン樹脂が付着したワイヤーを乾
燥槽２９へ送り約 100℃で乾燥することにより保護層が
形成される。
【００２０】このようにして電極活性材層と保護層を形
成したチタンワイヤーは、巻取りリール３０に巻き取ら
れる。なお、上記の説明では１本のワイヤーについて製
造工程を説明したが、実際の工程では多数本のワイヤー
が並列して処理され、電極活性材層と保護層を形成した
チタンワイヤーが同時に多数本巻き取られることとな
る。
【００２１】巻き取られたワイヤーは、適当な長さに切
断されてワイヤー状電極として形成される。さらにその
両端に、すでに図２を用いて説明したごとく、正電極集
電板と負電極集電板を組み込むことによってエネルギー
貯蔵素子の素子ユニットが形成される。また、得られた
素子ユニットを適宜電気的に接続することにより、それ
ぞれの所要条件に対応した特性を持つエネルギー貯蔵素
子が構成される。
【００２２】このように本実施例の構成のエネルギー貯
蔵素子の素子ユニットにおいては、主要構成要素のワイ
ヤー状電極が、簡単な設備で一貫して連続的に製造でき
るので、製造工程が簡単となり、製作コストが低く抑え
られる。
【００２３】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、正電
極、負電極および電解質を備えてなるエネルギー貯蔵素
子において、 （１）正電極と負電極を、例えば、金属電導性を有する
材料からなるコアー部と電解質と酸化還元反応する化学
物質からなる電極活性材層と絶縁物に電解質を含浸して
形成された保護層により形成されたワイヤー状電極の結
束体より構成することとしたので、素子あるいは素子ユ
ニットがコンパクトに構成されることとなり、エネルギ
ー密度の高いエネルギー貯蔵素子が得られることとなっ
た。
【００２４】（２）また、上記のワイヤー状電極を、電
極活性材を付着させる槽および保護層を付着させる槽を
含む処理装置にコアー部を形成するワイヤーを連続的に
供給して、ワイヤーの表面に電極活性材層と保護層を形
成した長尺線を製作し、その後所定の長さに切断するこ
とにより製造することとすれば、ワイヤー状電極が一貫
して連続的に製造され、これを結束させることによりエ
ネルギー貯蔵素子が製作されるので、製造方法が極めて
簡単となり、製造コストが大幅に低下する。したがっ
て、コンパクトでエネルギー密度が高いばかりでなく、
製造が容易で安価なエネルギー貯蔵素子が得られること
となる。
【００２５】（３）また、上記の（１）において、正電
極を構成するワイヤー状電極と負電極を構成するワイヤ
ー状電極を均等に配置して結束し、かつ、その一方の端
部において正電極を構成するワイヤー状電極のそれぞれ
のコアー部を第１の集電板に電気的に接続し、もう一方
の端部において負電極を構成するワイヤー状電極のそれ
ぞれのコアー部を第２の集電板に電気的に接続して素子
ユニットを構成することとする。さらに、このように構
成した素子ユニットを電気的に直列あるいは並列に接続
してエネルギー貯蔵素子を形成することとすれば、用途
に適合した特性を備えたエネルギー貯蔵素子が容易に構
成できるので、コンパクトでエネルギー密度が高く、か
つ安価に製作できるエネルギー貯蔵素子として好適であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のエネルギー貯蔵素子の素子ユ
ニットの基本構成を示す図で、（ａ）は一部を切断して
示した素子ユニットの斜視図、（ｂ）は素子ユニットに
組み込まれているワイヤー状電極の部分斜視図
【図２】図１の実施例の素子ユニットの端部の基本構成
を示す断面図
【図３】図１の実施例の素子ユニットのワイヤー状電極
の製造方法を示す工程図
【図４】従来のキャパシタタイプのエネルギー貯蔵素子
の基本構成の一例を示す一部分解斜視図
【図５】蓄電デバイスのエネルギー密度と出力密度を示
した特性図
【符号の説明】
１ ワイヤー状電極 ２ 正電極集電板 ３ 負電極集電板 ４ 外筒 １１ コアー部 １２ 電極活性材層 １３ 保護層 ２１ ワイヤーリール ２２ 脱脂槽 ２３ エッチング槽 ２４ 水洗槽 ２５ 電極活性材付着槽 ２６ 乾燥槽 ２７ 加熱分解槽 ２８ 保護層付着層 ２９ 乾燥槽 ３０ 巻取りリール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 4/48 Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｚ 4/52 Ｈ０１Ｇ 9/00 ３０１Ｂ 4/66 ３０１Ｃ 10/40 ３０１Ｊ (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H003 AA02 AA08 BB04 BD02 5H014 AA04 CC01 EE05 EE07 EE10 HH01 HH06 5H017 AA03 CC18 HH03 5H028 AA05 CC11 HH05 5H029 AJ03 AJ14 AK02 AL00 AM02 DJ04 DJ07

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】正電極、負電極および電解質を備えてなる
    エネルギー貯蔵素子において、正電極と負電極が、いず
    れも、ワイヤー状に形成されたワイヤー状電極の結束体
    より構成されていることを特徴とするエネルギー貯蔵素
    子。
  2. 【請求項２】前記のワイヤー状電極が、金属電導性を有
    する材料からなるコアー部と、その外周に配された、電
    解質と酸化還元反応する化学物質からなる電極活性材層
    と、さらにその外周に配された、繊維状で多孔性の絶縁
    物に電解質を含浸して形成された保護層とにより構成さ
    れていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー
    貯蔵素子。
  3. 【請求項３】正電極を構成するワイヤー状電極と負電極
    を構成するワイヤー状電極が均等に配置されて結束さ
    れ、かつ、その一方の端部において正電極を構成するワ
    イヤー状電極のそれぞれのコアー部が第１の集電板に電
    気的に接続され、もう一方の端部において負電極を構成
    するワイヤー状電極のそれぞれのコアー部が第２の集電
    板に電気的に接続されて形成された素子ユニットを１個
    または複数個用いて構成されていることを特徴とする請
    求項２に記載のエネルギー貯蔵素子。
  4. 【請求項４】前記の複数個の素子ユニットを電気的に直
    列あるいは並列に接続して構成されたことを特徴とする
    請求項３に記載のエネルギー貯蔵素子。
  5. 【請求項５】前記のコアー部を形成する金属電導性を有
    する材料が、金属材料、導電性高分子材料および炭素繊
    維のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項
    ２、３または４に記載のエネルギー貯蔵素子。
  6. 【請求項６】前記の電極活性材層を形成する化学物質
    が、白金族元素あるいは遷移金属元素を含む化学物質で
    あることを特徴とする請求項２、３または４に記載のエ
    ネルギー貯蔵素子。
  7. 【請求項７】前記の化学物質が、RuO2、NiO 、V2O5のう
    ちのいずれか一つであることを特徴とする請求項６に記
    載のエネルギー貯蔵素子。
  8. 【請求項８】前記の保護層を形成する繊維状で多孔性の
    絶縁物が、４弗化エチレン樹脂、ポリエチレン、ポリプ
    ロピレン、弗化ビニリデン、ポリオレフィンのうちのい
    ずれか一つであることを特徴とする請求項２、３または
    ４に記載のエネルギー貯蔵素子。
  9. 【請求項９】電解質を含む水溶液あるいは電解質を含む
    有機溶媒を含浸させることにより、前記の保護層に電解
    質が含浸されていることを特徴とする請求項２、３また
    は４に記載のエネルギー貯蔵素子。
  10. 【請求項１０】前記のコアー部の直径が、10μｍ乃至
    0.5 mm であることを特徴とする請求項２、３または４
    に記載のエネルギー貯蔵素子。
  11. 【請求項１１】前記の電極活性材層の厚さが、10 nm 乃
    至 0.2 mm であることを特徴とする請求項２、３または
    ４に記載のエネルギー貯蔵素子。
  12. 【請求項１２】前記の保護層の厚さが、10μｍ乃至 200
    μｍであることを特徴とする請求項２、３または４に記
    載のエネルギー貯蔵素子。
  13. 【請求項１３】正電極、負電極および電解質を備え、か
    つ、正電極と負電極がいずれもワイヤー状に形成された
    ワイヤー状電極の結束体より構成され、かつ、ワイヤー
    状電極が、金属電導性を有する材料からなるコアー部
    と、その外周に配された電極活性材層と、さらにその外
    周に配された、繊維状で多孔性の絶縁物に電解質を含浸
    して形成された保護層とにより構成されたエネルギー貯
    蔵素子の製造方法において、 前記のワイヤー状電極が、電極活性材を付着させる槽お
    よび保護層を付着させる槽を含む処理装置にコアー部を
    形成するワイヤーを連続的に供給して、ワイヤーの表面
    に電極活性材層と保護層を形成した長尺線を製作し、そ
    の後、所定の長さに切断することにより製造されること
    を特徴とするエネルギー貯蔵素子の製造方法。
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Cited By (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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