CN107452513A - 锂离子电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种维持初始的高容量和低内阻，并且在低温环境下进而经过高温高电压环境后的特性变化都小的锂离子电容器。本发明的锂离子电容器，具有电解液，该电解液含有包含20～50体积份的碳酸亚丙酯、10～35体积份的碳酸二甲酯和15～70体积份的碳酸甲乙酯的100体积份的溶剂、以及作为电解质的双(氟磺酰)亚胺锂。

Description

锂离子电容器
技术领域
本发明涉及锂离子电容器。
背景技术
使用非水电解液的双电荷层电容器，由于溶剂的电解电压高，所以能够提高耐电压，能够蓄积大的能量。特别是，锂离子电容器由于每单位体积的静电电容比双电荷层电容器大，另外，通过使负极的放电深度变浅、使用极化性的正极材料，能够比锂离子二次电池寿命长。近年来，锂离子电容器要求低温时的内阻的降低和高温状态的可靠性的确保。关于低温特性，被认为是因电解液中的电解质的解离变得难以发生或电解液的粘度变高而内阻上升，关于高温可靠性，被认为是作为电解质的PF6 －等阴离子分解而产生氟化氢等分解物，因此单体的各种特性变差。
为了解决上述问题，例如专利文献1中提案有一种锂离子电池，其使用将六氟磷酸锂(LiPF6)和双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)的混合物用作电解质，将环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合溶剂用作非水类电解液溶剂而成的电解液。专利文献2中提案有一种锂离子电池，其使用将LiFSI作为电解质，将链状碳酸酯、环状碳酸酯、链状酯和环状醚的混合溶剂作为非水类电解液溶剂而成的电解液。专利文献3中提案有一种锂离子电池，其使用将LiFSI作为电解质，将环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合溶剂作为非水类电解液溶剂而成的电解液。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-101900号公报
专利文献2：日本特开2013-225388号公报
专利文献3：日本特开2015-79636号公报
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1的发明所示，将LiPF6和LiFSI混合而得的此类电解质不仅无法得到充分的低温特性，而且当为了提高低温特性而使用作为低粘度溶剂的链状碳酸酯时，会在高温(例如70℃)发生LiPF6的分解，从而损害器件的高温可靠性。另外，如专利文献2的发明所示，当使用链状酯或环状醚作为低粘度溶剂时，尽管能改善低温特性，但是在高温(例如70℃)下负极和这些溶剂会发生反应，所以会损害器件的高温可靠性。另一方面，在专利文献3中记载了如果使用LiFSI的高浓度电解液则能够改善锂离子二次电池的特性，但由于电解液的浓度越高离子的解离度越低，所以在锂离子电容器的情况下内阻会大幅上升。
本发明鉴于上述问题，课题在于提供一种维持初始的高容量和低内阻，并且在低温环境下进而经过高温高电压环境后的特性变化都小的锂离子电容器。
用于解决课题的方法
本发明人锐意研讨的结果，完成了以下内容的本发明。
本发明的锂离子电容器含有电解液。电解液含有包含20～50体积份的碳酸亚丙酯、10～35体积份的碳酸二甲酯和15～70体积份的碳酸甲乙酯的100体积份的溶剂、以及作为电解质的双(氟磺酰)亚胺锂。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种初始的高容量和低内阻不逊色于现有技术，并且在低温环境下进而经过高温、高电压环境后的特性变化小的锂离子电容器。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的锂离子电容器的示意图。
附图标记说明
10…正极
11…正极集电体
12…正极电极层
20…负极
21…负极集电体
22…负极电极层
30…隔膜
41…正极端子
42…负极端子
50…元件
60…封口橡胶
70…封装罐
具体实施方式
以下适当参照附图对本发明进行详述。但是，本发明并不限定于图示的方式，另外，附图中有时对发明的特征部分强调表现，所以并不保证附图各部分的比例尺的准确性。
图1是作为电化学电容器的一例的锂离子电容器的示意图。图1(A)是平面透视图，图1(B)是分解图，图1(C)是截面图。锂离子电容器例如具有：蓄电元件50，该蓄电元件50具有正极10、负极20、和在正极10与负极20之间的隔膜30；以及收纳该蓄电元件50的封装罐70。在此，一对端子41和42分别与正极10和负极20连接。端子41、42通过封口橡胶60延伸至外部。后述的电解液被封入到容器70的内部，浸渍正极10和负极20的活性物质12和22、或者隔膜30。通过将封口橡胶60用封装罐70敛缝，能够确保锂离子电容器的密封性。
图1(C)中图示了在正极集电体11和负极集电体21的一方的面上配置有正极电极层12和负极电极层22的结构。本发明中，电极的结构等没有特别限定，例如电极层也可以配置于集电体的两面。另外，锂离子电容器并不限定于图示的圆筒型，也可以为层压型、硬币型等其他方式。元件50的形状也没有特别限定，可以为图示那样的卷绕结构，元件50可以为层叠结构，封装罐70也可以为方形的罐。
隔膜30构成为能够防止多个电极(典型的是正极、负极)彼此的物理接触即可，这样的防止接触的方式并没有特别限定。另外，隔膜30优选为多孔性，通过在其空孔内保持电解液来合适地形成电极间的导电路线。隔膜30的材质没有特别限定，可以非限定性地举出例如多孔性的纤维素、聚丙烯、聚乙烯、氟系树脂等。
图1的方式的锂离子电容器中，在由金属箔构成的正极集电体11和负极集电体21的表面上根据需要分别可以经由导电性粘接剂或导电性涂层(未图示)形成正极电极层12和负极电极层22。
为了得到集电体而使用的金属箔，能够没有特别限定地使用由呈导电性的金属构成的板状体，作为材质合适的可以举出铝和铜。关于金属箔的大小和厚度等尺寸没有特别限定，能够适当参照电化学电容器的现有技术。
电极层12和22能够使用具有锂离子电容器的极化性电极层中所用的公知的结构的电极层。电极层12和22通常包含选自例如聚苯胺(PAN)、多并苯类半导体物质(PAS)、活性炭、炭黑、石墨、碳纳米管等的活性物质。电极层12和22中也可以根据需要包含锂离子电容器的极化性电极层中所用的导电剂、粘合剂等其他成分。
本发明中电解液的组成具有特征性。
锂离子电容器的电解液适合为非水电解液，电解液中包含有机溶剂和电解质。
本发明中，电解质至少包含LiFSI。电解液中的LiFSI的浓度为1.0mol/L以上时初始的静电电容特别高，为1.6mol/L以下时低温时的内阻变化率特别小，所以更优选1.0～1.6mol/L。优选LiFSI占电解质的大部分，例如为电解质总量的90wt％以上，优选为95wt％以上，特别优选除了无法避免的杂质以外全部都是LiFSI。
作为电解液的溶剂，必须包含碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)这三种化合物。100体积份的溶剂中包含20～50体积份的PC、10～35体积份的DMC和15～70体积份的EMC。优选上述三种化合物占溶剂的大部分，例如为100体积份的溶剂中的90体积份以上，优选为95体积份以上，特别优选除了无法避免的杂质以外全部都是上述三种化合物。
本发明中，电解液中，也可以作为添加剂，适当添加例如碳酸亚乙烯酯(VC)、氟化碳酸亚乙酯(FEC)等在不会对本发明的效果带来坏影响的范围内作用于负极来形成良好的覆膜的添加剂。
本发明中，电解液的结构以外没有特别限定，关于锂离子电容器的形状和制造方法等可以适当参照现有技术。也能够参照以下的实施例的结构。
(实施例)
以下利用实施例对本发明进行详细说明。但是，本发明并不限定于实施例的方式。
[制造方法]
调制包含作为电极活性物质的原料的多并苯类半导体物质(PAS)、以及作为粘合剂的羧甲基纤维素和丁苯橡胶的浆，将该浆涂敷于铝箔上得到正极。负极使用由酚醛树脂原料构成的难石墨化碳作为活性物质，以羧甲基纤维素和丁苯橡胶作为粘合剂调制浆，将其涂敷到实施了打孔加工的铜箔上制作成片状。在这些电极间夹着纤维素类的隔膜，通过超声波焊接将引出端子安装到集电体后将它们卷绕，用聚酰亚胺的粘合胶带固定元件。在制作出的元件上安装封口橡胶以约180℃进行真空干燥之后，在负极上粘贴锂箔，将元件放入到容器中。之后，在将后述的电解液注入到容器后，将封口橡胶的部分敛缝而制作出锂离子电容器的单体。
[评价方法]
关于得到的各锂离子电容器，作为初始特性，测定了室温的静电电容和内阻。静电电容使用充放电试验器(东洋系统株式会社制TOSCAT-3200)，根据在室温下将锂离子电容器以500mA进行30分钟充电至3.8V之后以50mA放电至2.2V时的放电曲线的斜率来计算出。内阻使用充放电试验器(东洋系统株式会社制TOSCAT-3200)，根据在室温下将锂离子电容器以140mA进行30分钟充电至3.8V之后以140mA放电至2.2V时的电压降低来计算出。
之后，进行了低温特性评价和浮充电(float)试验。低温特性评价是在－40℃的恒温槽中放置2小时之后，测定静电电容、内阻。浮充电试验是在70℃的恒温槽中以3.8V的电压连续充电1000小时之后，将单体放冷至室温，测定静电电容、内阻。关于低温特性评价和浮充电试验后的静电电容和内阻，将相对于作为初始特性的测定值(100％)的相对值作为百分比计算出。
各制造编号的锂离子电容器的电解液的结构记载如下。
制造编号中带“*”的相当于比较例。
溶剂和电解质的标记如下所述。
PC……碳酸亚丙酯
DMC……碳酸二甲酯
EMC……碳酸甲乙酯
EC……碳酸亚乙酯
MP……丙酸甲酯
电解质的浓度的单位为mol/L。
各制造例的锂离子电容器的评价结果记载如下。
制造编号中带“*”的相当于比较例。
评价项目的记号的意思如下所述。
C……静电电容(初始特性)[F]
R……内阻(初始特性)[mΩ]
－40C……低温特性评价时的静电电容的相对值(％)
－40R……低温特性评价时的内阻的相对值(％)
FC……浮充电试验后的静电电容的相对值(％)
FR……浮充电试验后的内阻的相对值(％)
其中，“相对值”是以上述的初始特性的测定值(100％)为基准时的、低温特性评价和浮充电试验后的各特性值的相对值(％)。
对上述结果进行考察。在制造编号3～10、13～14、16～17、19～21和23中，内阻显示低于60mΩ的良好的特性。
关于低温特性评价，制造编号4、6、8、10、13～14、16～17和19～21，低温下的容量维持率为40％以上且内阻变化率低于5000％，考虑到是－40℃这样的低温显示了良好的特性。另一方面，如制造编号1、3、5、7、9、11、23和24所示，当存在一定量以上的DMC或EC时，由于－40℃时这些溶剂凝固，所以导致内阻变化率大幅上升的结果。特别是在制造编号24中，溶剂凝固显著到无法测定内阻和静电电容的地步。另外，－40℃时，可以看到链状碳酸酯中的EMC的比例越增加，内阻变化率越变大的趋势，因此，暗示了使用以不凝固的程度含有多的DMC的电解液比较好。
关于浮充电试验后的容量维持率和内阻变化率，除了在电解液的溶剂中使用了MP的制造编号23以外，大致显示良好的结果。

Claims (3)

1.一种锂离子电容器，其特征在于：
具有电解液，该电解液含有包含20～50体积份的碳酸亚丙酯、10～35体积份的碳酸二甲酯和15～70体积份的碳酸甲乙酯的100体积份的溶剂以及作为电解质的双(氟磺酰)亚胺锂。
2.如权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：
电解液中的双(氟磺酰)亚胺锂的浓度为1.0～1.6mol/l。
3.如权利要求1或2所述的锂离子电容器，其特征在于：
碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯这三种化合物占100体积份的溶剂的90体积份以上。
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