JP2003297433A - 電気化学素子 - Google Patents
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
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- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Abstract
(57)【要約】
【課題】 過充電に対する安全性と信頼性を確保した電
気化学素子を提供する。 【解決手段】 静電電気容量を有する正極と、レドック
ス電気容量を有する負極と、電解液とを備えた電気化学
素子であって、前記負極がLi4MXTi5-XO1 2(M
は、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、MoおよびW
からなる群から選択される少なくとも1種、Xは、0〜
4の範囲で選択される数)を主体とした電極材料から構
成され、前記正極が炭素質材料を主体とした電極材料か
ら構成され、前記負極の90%の充電状態と100%の
充電状態において電位差が0.5V以上あり、前記負極
電気容量と前記正極電気容量の比(負極電気容量/正極
電気容量)が1以下であり、前記電解液の電気容量と前
記負極電気容量の比(電解液電気容量/負極電気容量)
が3.5以上である電気化学素子とする。
気化学素子を提供する。 【解決手段】 静電電気容量を有する正極と、レドック
ス電気容量を有する負極と、電解液とを備えた電気化学
素子であって、前記負極がLi4MXTi5-XO1 2(M
は、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、MoおよびW
からなる群から選択される少なくとも1種、Xは、0〜
4の範囲で選択される数)を主体とした電極材料から構
成され、前記正極が炭素質材料を主体とした電極材料か
ら構成され、前記負極の90%の充電状態と100%の
充電状態において電位差が0.5V以上あり、前記負極
電気容量と前記正極電気容量の比(負極電気容量/正極
電気容量)が1以下であり、前記電解液の電気容量と前
記負極電気容量の比(電解液電気容量/負極電気容量)
が3.5以上である電気化学素子とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池や電気化
学キャパシタなどの電気化学素子に関するものであり、
さらに詳しくは静電電気容量とレドックス電気容量を併
せ持ち、過充電に対する安全性を高めた電気化学素子に
関する。
学キャパシタなどの電気化学素子に関するものであり、
さらに詳しくは静電電気容量とレドックス電気容量を併
せ持ち、過充電に対する安全性を高めた電気化学素子に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、地球の環境問題などからエンジン
駆動であるガソリン車やディーゼル車に代わって、モー
ター駆動である電気自動車あるいはモーターとエンジン
の両方を搭載したハイブリッド車への期待が高まってい
る。これらの電気自動車やハイブリッド車ではモーター
を駆動させるための電源として電池が使われる。
駆動であるガソリン車やディーゼル車に代わって、モー
ター駆動である電気自動車あるいはモーターとエンジン
の両方を搭載したハイブリッド車への期待が高まってい
る。これらの電気自動車やハイブリッド車ではモーター
を駆動させるための電源として電池が使われる。
【0003】電気自動車等に使われる電池は重量や体積
が非常に大きく、コスト的な面も踏まえれば繰り返し使
用できる充電型の電池、すなわち二次電池が好ましい。
この二次電池としては、例えば、鉛電池、ニッケル・カ
ドミウム(ニカド)電池、ニッケル・水素電池などが挙
げられる。これらの二次電池は、イオン伝導性の高い酸
性またはアルカリ性の水系電解液を用いているため大き
な電流を取り出すことができる。
が非常に大きく、コスト的な面も踏まえれば繰り返し使
用できる充電型の電池、すなわち二次電池が好ましい。
この二次電池としては、例えば、鉛電池、ニッケル・カ
ドミウム(ニカド)電池、ニッケル・水素電池などが挙
げられる。これらの二次電池は、イオン伝導性の高い酸
性またはアルカリ性の水系電解液を用いているため大き
な電流を取り出すことができる。
【0004】しかしながら、水系電解液を用いた二次電
池は前記の特長を有するものの、水の電気分解電圧が
1.23Vであるため単セルからはそれ以上の高い電圧
を得ることができない。しかるに、電気自動車等の電源
としては200V前後の高電圧が必要であることから、
それだけ多くの電池を直列に接続しなければならず、電
源の小型・軽量化に際して極めて不利となる。
池は前記の特長を有するものの、水の電気分解電圧が
1.23Vであるため単セルからはそれ以上の高い電圧
を得ることができない。しかるに、電気自動車等の電源
としては200V前後の高電圧が必要であることから、
それだけ多くの電池を直列に接続しなければならず、電
源の小型・軽量化に際して極めて不利となる。
【0005】これに対して、高電圧型の二次電池として
は、有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池が知ら
れている。このリチウムイオン二次電池では分解電圧の
高い有機溶媒を電解液溶媒として用いているため、最も
卑な電位を示すリチウム(イオン)を反応媒体とすれば
3V以上の電位を示す電池を提供することが可能であ
る。現在市販されているリチウムイオン二次電池は、リ
チウムイオンの吸蔵および脱離が可能な炭素を負極材料
とし、コバルトとリチウムの酸化物であるコバルト酸リ
チウム(LiCoO2)を正極材料としているものが主
流である。電解液としては六フッ化リン酸リチウム(L
iPF6)などのリチウム塩を、環状炭酸エステル(例
えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート
など)や鎖状炭酸エステル(例えば、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネートなど)などの混合溶媒に溶
解させたものが用いられている。これらの正極、負極お
よび電解液から構成されたリチウムイオン二次電池は、
平均作動電圧として3.6Vを示す。
は、有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池が知ら
れている。このリチウムイオン二次電池では分解電圧の
高い有機溶媒を電解液溶媒として用いているため、最も
卑な電位を示すリチウム(イオン)を反応媒体とすれば
3V以上の電位を示す電池を提供することが可能であ
る。現在市販されているリチウムイオン二次電池は、リ
チウムイオンの吸蔵および脱離が可能な炭素を負極材料
とし、コバルトとリチウムの酸化物であるコバルト酸リ
チウム(LiCoO2)を正極材料としているものが主
流である。電解液としては六フッ化リン酸リチウム(L
iPF6)などのリチウム塩を、環状炭酸エステル(例
えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート
など)や鎖状炭酸エステル(例えば、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネートなど)などの混合溶媒に溶
解させたものが用いられている。これらの正極、負極お
よび電解液から構成されたリチウムイオン二次電池は、
平均作動電圧として3.6Vを示す。
【0006】前記リチウムイオン二次電池は電圧が高い
ので、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池
など水系電解液を用いた二次電池よりもエネルギー密度
は高い。しかし、このリチウムイオン二次電池はイオン
伝導性の低い有機溶媒を電解液として用いているため、
出力特性に劣るという問題があった。そのため電極の薄
膜化や電解液の改良などが検討されているが、電気自動
車用等の電源としては300A以上の瞬間電流が必要と
されることから、以上の対策だけでは十分対応しきれな
いというのが現状である。
ので、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池
など水系電解液を用いた二次電池よりもエネルギー密度
は高い。しかし、このリチウムイオン二次電池はイオン
伝導性の低い有機溶媒を電解液として用いているため、
出力特性に劣るという問題があった。そのため電極の薄
膜化や電解液の改良などが検討されているが、電気自動
車用等の電源としては300A以上の瞬間電流が必要と
されることから、以上の対策だけでは十分対応しきれな
いというのが現状である。
【0007】そこで、前記リチウムイオン二次電池に代
わる電源として電気二重層を利用したキャパシタが注目
され始めてきた。この電気二重層キャパシタは活性炭な
どの分極性電極を正極、負極とし、プロピレンカーボネ
ートなどの有機溶媒に四フッ化ホウ素または四フッ化リ
ンの四級アンモニウム塩を溶解させたものを電解液とし
た構成であり、電極表面と電解液との界面に生じる電気
二重層を静電電気容量として蓄電する電源である。この
ため、電池のような酸化還元反応を起こさず、その分高
い電流を瞬間的に取り出すことが可能であると共に充放
電サイクルによる容量劣化がないという長所がある。
わる電源として電気二重層を利用したキャパシタが注目
され始めてきた。この電気二重層キャパシタは活性炭な
どの分極性電極を正極、負極とし、プロピレンカーボネ
ートなどの有機溶媒に四フッ化ホウ素または四フッ化リ
ンの四級アンモニウム塩を溶解させたものを電解液とし
た構成であり、電極表面と電解液との界面に生じる電気
二重層を静電電気容量として蓄電する電源である。この
ため、電池のような酸化還元反応を起こさず、その分高
い電流を瞬間的に取り出すことが可能であると共に充放
電サイクルによる容量劣化がないという長所がある。
【0008】しかし、前記電気二重層キャパシタは酸化
還元反応を起こさないために、エネルギー密度は電池と
比較して極端に低くなる。例えば、リチウムイオン二次
電池が250Wh/dm3以上のエネルギー密度を示す
のに対して、電気二重層キャパシタは3Wh/dm3以
下となるのが現状である。したがって、前記電気二重層
キャパシタ単独では大幅に容量が不足するため、前記二
次電池と併用して用いられるのが一般的である。
還元反応を起こさないために、エネルギー密度は電池と
比較して極端に低くなる。例えば、リチウムイオン二次
電池が250Wh/dm3以上のエネルギー密度を示す
のに対して、電気二重層キャパシタは3Wh/dm3以
下となるのが現状である。したがって、前記電気二重層
キャパシタ単独では大幅に容量が不足するため、前記二
次電池と併用して用いられるのが一般的である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】この様な中で、大電流
を取り出すことが可能な電気二重層による静電電気容量
と、高いエネルギー密度を確保できる電気化学的な酸化
還元反応によるレドックス電気容量を併せ持ったハイブ
リッド型セルが考案されている。例えば、負極材料にL
i4Ti5O12を用い、正極材料に活性炭を用い、電解液
にLiPF6を有機溶媒に溶解させた溶液を用いれば、
負極はカチオン(Li+)の挿入・脱離によるレドック
ス電気容量を、正極はアニオン(PF6 -)の吸脱着によ
る静電電気容量を同時に有することができ、前記電気二
重層キャパシタと比較して高いエネルギー密度を示すこ
とができる。したがって、ハイブリッド型セルからなる
キャパシタと電池とを併用化した場合、前記電気二重層
キャパシタと併用化した場合に比べてより電池寿命を長
くさせることができる。
を取り出すことが可能な電気二重層による静電電気容量
と、高いエネルギー密度を確保できる電気化学的な酸化
還元反応によるレドックス電気容量を併せ持ったハイブ
リッド型セルが考案されている。例えば、負極材料にL
i4Ti5O12を用い、正極材料に活性炭を用い、電解液
にLiPF6を有機溶媒に溶解させた溶液を用いれば、
負極はカチオン(Li+)の挿入・脱離によるレドック
ス電気容量を、正極はアニオン(PF6 -)の吸脱着によ
る静電電気容量を同時に有することができ、前記電気二
重層キャパシタと比較して高いエネルギー密度を示すこ
とができる。したがって、ハイブリッド型セルからなる
キャパシタと電池とを併用化した場合、前記電気二重層
キャパシタと併用化した場合に比べてより電池寿命を長
くさせることができる。
【0010】しかし、前記ハイブリッド型セルは通常、
正極の電気容量(30〜50mAh/g)よりも負極で
あるLi4Ti5O12の電気容量(150〜170mAh
/g)が大きい。したがって、円筒型又は角型などの電
気化学素子を作製する場合、その電気化学素子の負極電
気容量は正極電気容量よりも大きくなる。
正極の電気容量(30〜50mAh/g)よりも負極で
あるLi4Ti5O12の電気容量(150〜170mAh
/g)が大きい。したがって、円筒型又は角型などの電
気化学素子を作製する場合、その電気化学素子の負極電
気容量は正極電気容量よりも大きくなる。
【0011】ここで、前記正極はイオンの吸脱着による
静電電気容量を示すため、従来の電気二重層キャパシタ
と同様にその充電電位は充電時間に対しほぼ直線的な変
化を示す。一方、Li4Ti5O12を用いた負極の充電電
位は、リチウム極に対し約1.5V付近で平坦になり時
間による変化はほとんど見られなが、充電が完了すると
電位は0.5V付近まで急激に落ちる。ただし、通常は
前述の通り負極の電気容量の方が正極の電気容量より大
きいので、これらの正極および負極を組み合わせて充電
した場合、負極は充電末期に到達せずに充電電位は平坦
な部分でのみ推移することになるので、充電の中期から
末期にかけてのセルの充電電位は直線的な変化を示すこ
とになる。
静電電気容量を示すため、従来の電気二重層キャパシタ
と同様にその充電電位は充電時間に対しほぼ直線的な変
化を示す。一方、Li4Ti5O12を用いた負極の充電電
位は、リチウム極に対し約1.5V付近で平坦になり時
間による変化はほとんど見られなが、充電が完了すると
電位は0.5V付近まで急激に落ちる。ただし、通常は
前述の通り負極の電気容量の方が正極の電気容量より大
きいので、これらの正極および負極を組み合わせて充電
した場合、負極は充電末期に到達せずに充電電位は平坦
な部分でのみ推移することになるので、充電の中期から
末期にかけてのセルの充電電位は直線的な変化を示すこ
とになる。
【0012】しかし、前述の通りハイブリッド型セルか
らなるキャパシタと電池を並列に接続させて併用電源化
した場合、ハイブリッドキャパシタへの充電は電池を電
源として行われる。すなわち、電池の電圧までキャパシ
タへ充電されるため、電池電圧がキャパシタの充電カッ
ト電圧より高いとキャパシタが過充電される危険があ
る。
らなるキャパシタと電池を並列に接続させて併用電源化
した場合、ハイブリッドキャパシタへの充電は電池を電
源として行われる。すなわち、電池の電圧までキャパシ
タへ充電されるため、電池電圧がキャパシタの充電カッ
ト電圧より高いとキャパシタが過充電される危険があ
る。
【0013】本発明は前記従来の問題を解決するために
なされたものであり、過充電に対する安全性と信頼性を
確保した電気化学素子を提供することを目的とする。
なされたものであり、過充電に対する安全性と信頼性を
確保した電気化学素子を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の電気化学素子は、静電電気容量を有する電
極と、レドックス電気容量を有する電極と、電解液とを
備えた電気化学素子であって、前記レドックス電気容量
を有する電極の90%の充電状態と100%の充電状態
において電位差が0.5V以上あり、前記レドックス電
気容量と前記静電電気容量の比(レドックス電気容量/
静電電気容量)が1以下であり、前記電解液の電気容量
と前記レドックス電気容量の比(電解液電気容量/レド
ックス電気容量)が3.5以上であることを特徴とす
る。
め、本発明の電気化学素子は、静電電気容量を有する電
極と、レドックス電気容量を有する電極と、電解液とを
備えた電気化学素子であって、前記レドックス電気容量
を有する電極の90%の充電状態と100%の充電状態
において電位差が0.5V以上あり、前記レドックス電
気容量と前記静電電気容量の比(レドックス電気容量/
静電電気容量)が1以下であり、前記電解液の電気容量
と前記レドックス電気容量の比(電解液電気容量/レド
ックス電気容量)が3.5以上であることを特徴とす
る。
【0015】より具体的には、本発明の電気化学素子
は、前記レドックス電気容量を有する電極がLi4MXT
i5-XO12(Mは、V、Cr、Mn、Fe、Co、N
i、MoおよびWからなる群から選択される少なくとも
1種、Xは、0〜4の範囲で選択される数)を主体とし
た電極材料から構成され、前記静電電気容量を有する電
極が炭素質材料を主体とした電極材料から構成されるこ
とにより、前記レドックス電気容量を有する電極の充電
末期に見られる急激な電位降下を利用して充電を制御す
ることができ、電池と併用化させても過充電にならず、
過充電に対する安全性と信頼性を確保した電気化学素子
を提供できる。
は、前記レドックス電気容量を有する電極がLi4MXT
i5-XO12(Mは、V、Cr、Mn、Fe、Co、N
i、MoおよびWからなる群から選択される少なくとも
1種、Xは、0〜4の範囲で選択される数)を主体とし
た電極材料から構成され、前記静電電気容量を有する電
極が炭素質材料を主体とした電極材料から構成されるこ
とにより、前記レドックス電気容量を有する電極の充電
末期に見られる急激な電位降下を利用して充電を制御す
ることができ、電池と併用化させても過充電にならず、
過充電に対する安全性と信頼性を確保した電気化学素子
を提供できる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【0017】本発明の電気化学素子は、静電電気容量を
有する電極と、レドックス電気容量を有する電極と、電
解液とを備え、前記レドックス電気容量を有する電極の
90%の充電状態と100%の充電状態において電位差
が0.5V以上あり、前記レドックス電気容量と前記静
電電気容量の比(レドックス電気容量/静電電気容量)
が1以下であり、前記電解液の電気容量と前記レドック
ス電気容量の比(電解液電気容量/レドックス電気容
量)が3.5以上である。
有する電極と、レドックス電気容量を有する電極と、電
解液とを備え、前記レドックス電気容量を有する電極の
90%の充電状態と100%の充電状態において電位差
が0.5V以上あり、前記レドックス電気容量と前記静
電電気容量の比(レドックス電気容量/静電電気容量)
が1以下であり、前記電解液の電気容量と前記レドック
ス電気容量の比(電解液電気容量/レドックス電気容
量)が3.5以上である。
【0018】レドックス電気容量を有する電極として
は、Li4MXTi5-XO12を主体とした電極材料から構
成される電極を負極として用いることができる。この種
の電極は、酸化還元反応を利用したレドックス電気容量
を有し、電極の90%の充電状態と100%の充電状態
において電位差が0.5V以上あり、充電末期で急激に
電位が降下する特徴を有するため、これを利用して充電
を制御できる。
は、Li4MXTi5-XO12を主体とした電極材料から構
成される電極を負極として用いることができる。この種
の電極は、酸化還元反応を利用したレドックス電気容量
を有し、電極の90%の充電状態と100%の充電状態
において電位差が0.5V以上あり、充電末期で急激に
電位が降下する特徴を有するため、これを利用して充電
を制御できる。
【0019】前記負極は、Li4MXTi5-XO12で表現
される複合酸化物を電極材料としている。これはLi4
Ti5O12の組成の中でTiを一部他の金属Mで置換さ
せたものである。ここで、Mは、V、Cr、Mn、F
e、Co、Ni、MoおよびWからなる群から選択され
る金属であり、この中から1種だけでもよいし2種以上
を選択して用いてもよい。また、Xは、0〜4の範囲で
選択される数であり、Xが0の場合は他の金属の置換は
なくLi4Ti5O12そのものとなる。
される複合酸化物を電極材料としている。これはLi4
Ti5O12の組成の中でTiを一部他の金属Mで置換さ
せたものである。ここで、Mは、V、Cr、Mn、F
e、Co、Ni、MoおよびWからなる群から選択され
る金属であり、この中から1種だけでもよいし2種以上
を選択して用いてもよい。また、Xは、0〜4の範囲で
選択される数であり、Xが0の場合は他の金属の置換は
なくLi4Ti5O12そのものとなる。
【0020】前記負極材料であるLi4MXTi5-XO12
の作製方法には特に制限はなく、ゾルゲル法、固相法な
どの従来の方法を用いることができる。また、この負極
材料の粒子径についても特に制限はないが、通常は10
μm以下、特に好ましくは1μm以下の微粒子を用い
る。
の作製方法には特に制限はなく、ゾルゲル法、固相法な
どの従来の方法を用いることができる。また、この負極
材料の粒子径についても特に制限はないが、通常は10
μm以下、特に好ましくは1μm以下の微粒子を用い
る。
【0021】前記Li4MXTi5-XO12は絶縁体である
ため、通常は炭素などの導電補助剤が添加される。添加
方法としては、単にLi4MXTi5-XO12と炭素粉末と
を混合して用いてもよいし、これらを機械的または化学
的に複合化させたものを用いてもよい。
ため、通常は炭素などの導電補助剤が添加される。添加
方法としては、単にLi4MXTi5-XO12と炭素粉末と
を混合して用いてもよいし、これらを機械的または化学
的に複合化させたものを用いてもよい。
【0022】前記Li4MXTi5-XO12と導電補助剤と
の混合物を電極として加工する場合には、必要に応じて
ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンな
どの高分子バインダー溶液を加えて電極合剤を作製し、
得られた電極合剤を適宜の手段で成形して負極とされ
る。例えば、得られた電極合剤を金属箔や金属網などか
らなる集電体に塗布し、乾燥して電極合剤層を形成する
工程を経ることによって本発明の負極が作製される。
の混合物を電極として加工する場合には、必要に応じて
ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンな
どの高分子バインダー溶液を加えて電極合剤を作製し、
得られた電極合剤を適宜の手段で成形して負極とされ
る。例えば、得られた電極合剤を金属箔や金属網などか
らなる集電体に塗布し、乾燥して電極合剤層を形成する
工程を経ることによって本発明の負極が作製される。
【0023】また、静電電気容量を有する電極として
は、PF6 -やBF4 -などのアニオン種の吸脱着を可能と
する導電性物質を主体とした電極材料から構成される電
極を正極として用いることができる。この種の電極は、
電気二重層を利用した静電電気容量のみを有し、充電量
と電位との関係が直線関係にあるものである。
は、PF6 -やBF4 -などのアニオン種の吸脱着を可能と
する導電性物質を主体とした電極材料から構成される電
極を正極として用いることができる。この種の電極は、
電気二重層を利用した静電電気容量のみを有し、充電量
と電位との関係が直線関係にあるものである。
【0024】前記正極材料としては、特に窒素吸着で測
定されるBET比表面積が少なくとも500m2/gで
ある炭素質材料が好ましい。例えば、椰子殻や高分子化
合物などを炭化および賦活処理して得られる活性炭など
が用いられる。比表面積が少なくとも500m2/gあ
れば前記アニオン種の吸脱着量が十分となり、それだけ
高い静電電気容量を得ることができる。また、この正極
材料の粒子径は、正極の薄膜化を容易にするため、10
μm以下であることが好ましい。
定されるBET比表面積が少なくとも500m2/gで
ある炭素質材料が好ましい。例えば、椰子殻や高分子化
合物などを炭化および賦活処理して得られる活性炭など
が用いられる。比表面積が少なくとも500m2/gあ
れば前記アニオン種の吸脱着量が十分となり、それだけ
高い静電電気容量を得ることができる。また、この正極
材料の粒子径は、正極の薄膜化を容易にするため、10
μm以下であることが好ましい。
【0025】また、炭素質材料以外には、ポリチオフェ
ン、ポリアニリン、ポリピロールなどをこの静電電気容
量を有する電極の電極材料として使用できる。
ン、ポリアニリン、ポリピロールなどをこの静電電気容
量を有する電極の電極材料として使用できる。
【0026】前記正極材料を用いて電極を作製するに
は、負極の場合と同様の手法が適用される。すなわち、
活性炭などの前記炭素質材料にポリテトラフルオロエチ
レンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを加えて
混合し、得られた電極合剤を適宜の手段で成形すればよ
い。例えば、上記電極合剤を加圧成形するか、あるいは
上記電極合剤を溶剤に分散させて電極合剤含有ペースト
を調製し(この場合、バインダーはあらかじめ溶剤に溶
解させておいてから電極合剤と混合してもよい)、得ら
れた電極合剤含有ペーストを金属箔や金属網などからな
る集電体に塗布し、その後乾燥して薄膜状の電極合剤層
を形成する工程を経ることによって本発明の正極が作製
される。また、この正極には必要に応じて導電補助剤と
してカーボンブラックや炭素繊維などを加えてもさしつ
かえない。
は、負極の場合と同様の手法が適用される。すなわち、
活性炭などの前記炭素質材料にポリテトラフルオロエチ
レンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを加えて
混合し、得られた電極合剤を適宜の手段で成形すればよ
い。例えば、上記電極合剤を加圧成形するか、あるいは
上記電極合剤を溶剤に分散させて電極合剤含有ペースト
を調製し(この場合、バインダーはあらかじめ溶剤に溶
解させておいてから電極合剤と混合してもよい)、得ら
れた電極合剤含有ペーストを金属箔や金属網などからな
る集電体に塗布し、その後乾燥して薄膜状の電極合剤層
を形成する工程を経ることによって本発明の正極が作製
される。また、この正極には必要に応じて導電補助剤と
してカーボンブラックや炭素繊維などを加えてもさしつ
かえない。
【0027】前記負極と前記正極とを組み合わせて電気
化学素子とする場合に必要となる電解液は、従来のリチ
ウムイオン二次電池に使われているものと同様にリチウ
ム塩を電解質塩として有機溶媒に溶解したものを用いる
ことができる。リチウム塩の種類には制限はないが、そ
の濃度は1〜2mol/dm3程度が好ましい。本発明
の電気化学素子は電解質塩のカチオンとアニオンを反応
媒体とするため、その濃度が1mol/dm3以上であ
ると十分な容量が得られ、2mol/dm3以下である
と電解液の粘度が高くなりすぎず、イオンの伝導性を良
好に保って十分な出力特性が得られるからである。
化学素子とする場合に必要となる電解液は、従来のリチ
ウムイオン二次電池に使われているものと同様にリチウ
ム塩を電解質塩として有機溶媒に溶解したものを用いる
ことができる。リチウム塩の種類には制限はないが、そ
の濃度は1〜2mol/dm3程度が好ましい。本発明
の電気化学素子は電解質塩のカチオンとアニオンを反応
媒体とするため、その濃度が1mol/dm3以上であ
ると十分な容量が得られ、2mol/dm3以下である
と電解液の粘度が高くなりすぎず、イオンの伝導性を良
好に保って十分な出力特性が得られるからである。
【0028】前記電解液の有機溶媒としては、十分な脱
水処理が施されていれば特に種類に制限はなく、例え
ば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブ
チロラクトンなど通常のリチウムイオン二次電池や電気
二重層キャパシタに使われるものが好適に採用できる。
水処理が施されていれば特に種類に制限はなく、例え
ば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブ
チロラクトンなど通常のリチウムイオン二次電池や電気
二重層キャパシタに使われるものが好適に採用できる。
【0029】以上の負極、正極、電解液を用いて本発明
の電気化学素子を構成する場合、レドックス電気容量と
静電電気容量の比(レドックス電気容量/静電電気容
量)を1以下にする必要がある。すなわち、本実施の形
態では、負極電気容量と正極電気容量の比(負極電気容
量/正極電気容量)が1以下であることが必要である。
の電気化学素子を構成する場合、レドックス電気容量と
静電電気容量の比(レドックス電気容量/静電電気容
量)を1以下にする必要がある。すなわち、本実施の形
態では、負極電気容量と正極電気容量の比(負極電気容
量/正極電気容量)が1以下であることが必要である。
【0030】これらの電気容量は、例えば金属リチウム
を対極としたセルで測定された負極活物質または正極活
物質の質量当たりの電気容量(mAh/g)と、前記電
気化学素子の中へ充填する負極活物質または正極活物質
の充填質量(g)から求められる。負極電気容量と正極
電気容量の比を1以下とすることにより、正極よりも負
極が先に充電末期状態になるため、前記負極の充電末期
における電位降下を利用して充電を停止できる。すなわ
ち、例えば、本発明の電気化学素子を他の電池で充電す
る場合、本発明の電気化学素子の充電末期の電圧よりも
低い電圧を有する電池と組み合わすことにより、過充電
を防止して安全な電気化学素子を実現できる。
を対極としたセルで測定された負極活物質または正極活
物質の質量当たりの電気容量(mAh/g)と、前記電
気化学素子の中へ充填する負極活物質または正極活物質
の充填質量(g)から求められる。負極電気容量と正極
電気容量の比を1以下とすることにより、正極よりも負
極が先に充電末期状態になるため、前記負極の充電末期
における電位降下を利用して充電を停止できる。すなわ
ち、例えば、本発明の電気化学素子を他の電池で充電す
る場合、本発明の電気化学素子の充電末期の電圧よりも
低い電圧を有する電池と組み合わすことにより、過充電
を防止して安全な電気化学素子を実現できる。
【0031】さらに、前記電解液の電気容量と前記レド
ックス電気容量の比(電解液電気容量/レドックス電気
容量)が3.5以上であることが必要である。すなわ
ち、本実施の形態では、電解液の電気容量と前記負極の
電気容量の比(電解液電気容量/負極電気容量)が3.
5以上であることが必要である。
ックス電気容量の比(電解液電気容量/レドックス電気
容量)が3.5以上であることが必要である。すなわ
ち、本実施の形態では、電解液の電気容量と前記負極の
電気容量の比(電解液電気容量/負極電気容量)が3.
5以上であることが必要である。
【0032】この電解液電気容量は電解液中に存在する
リチウムイオンのモル数から算出される。電解液電気容
量と負極電気容量の比を3.5以上とすれば、負極の充
電を十分に充電末期まで行うことができ、前記負極の充
電末期における電位降下を利用して充電を確実に停止で
きる。
リチウムイオンのモル数から算出される。電解液電気容
量と負極電気容量の比を3.5以上とすれば、負極の充
電を十分に充電末期まで行うことができ、前記負極の充
電末期における電位降下を利用して充電を確実に停止で
きる。
【0033】本発明の電気化学素子の形状には特に制限
はなく、円筒型、角型、コイン型などを適宜採用するこ
とができる。また、その製造方法にも特に限定はない。
例えば、円筒型の電気化学素子を作製する場合には、シ
ート状に成形した負極と正極とを電池やキャパシタなど
で使用されるものと同様のセパレータを介してロール状
に捲回して捲回体を作製し、これを円筒型の缶に装填し
た後、電解液を注入してから封口すればよい。
はなく、円筒型、角型、コイン型などを適宜採用するこ
とができる。また、その製造方法にも特に限定はない。
例えば、円筒型の電気化学素子を作製する場合には、シ
ート状に成形した負極と正極とを電池やキャパシタなど
で使用されるものと同様のセパレータを介してロール状
に捲回して捲回体を作製し、これを円筒型の缶に装填し
た後、電解液を注入してから封口すればよい。
【0034】
【実施例】次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定
されるものではない。
説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定
されるものではない。
【0035】(実施例1)負極活物質として平均粒子径
が1μm、質量当たりの電気容量が150mAh/gで
あるLi4Ti5O12を60質量部、導電補助剤としてア
セチレンブラックを30質量部、バインダーとしてポリ
テトラフルオロエチレンを10質量部加えて混合し、そ
の混合物を厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布して電
極シートを作製した。
が1μm、質量当たりの電気容量が150mAh/gで
あるLi4Ti5O12を60質量部、導電補助剤としてア
セチレンブラックを30質量部、バインダーとしてポリ
テトラフルオロエチレンを10質量部加えて混合し、そ
の混合物を厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布して電
極シートを作製した。
【0036】得られた電極シートを縦5cm、横5cm
の四角に切断し、294MPaの圧力でプレス処理し
た。これを直径10mmの大きさに打ち抜いて負極とし
た。この負極のアルミニウム箔上に塗布されたLi4T
i5O12の全質量は2mgであり、負極電気容量は0.
3mAhであった。
の四角に切断し、294MPaの圧力でプレス処理し
た。これを直径10mmの大きさに打ち抜いて負極とし
た。この負極のアルミニウム箔上に塗布されたLi4T
i5O12の全質量は2mgであり、負極電気容量は0.
3mAhであった。
【0037】フェノール樹脂を炭化し、水蒸気で賦活処
理した粒子径が5μm、窒素吸着によるBET比表面積
が1500m2/g、質量当たりの電気容量が50mA
h/gである活性炭を90質量部、導電補助剤としてア
セチレンブラックを5質量部、バインダーとしてポリテ
トラフルオロエチレンを5質量部加えて混合し、その混
合物を厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布して電極シ
ートを作製した。
理した粒子径が5μm、窒素吸着によるBET比表面積
が1500m2/g、質量当たりの電気容量が50mA
h/gである活性炭を90質量部、導電補助剤としてア
セチレンブラックを5質量部、バインダーとしてポリテ
トラフルオロエチレンを5質量部加えて混合し、その混
合物を厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布して電極シ
ートを作製した。
【0038】得られた電極シートを縦5cm、横5cm
の四角に切断し、294MPaの圧力でプレス処理し
た。これを直径10mmに打ち抜いて正極とした。この
正極のアルミニウム箔上に塗布された活性炭の全質量は
8mgであり、正極電気容量は0.4mAhであった。
の四角に切断し、294MPaの圧力でプレス処理し
た。これを直径10mmに打ち抜いて正極とした。この
正極のアルミニウム箔上に塗布された活性炭の全質量は
8mgであり、正極電気容量は0.4mAhであった。
【0039】以上により、負極電気容量/正極電気容量
の比は0.3mAh/0.4mAh=0.75となり、
本発明の条件に合致する。
の比は0.3mAh/0.4mAh=0.75となり、
本発明の条件に合致する。
【0040】次に、前記負極および前記正極と、プロピ
レンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1:
2で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.5mol/
dm3の濃度になるように溶解させた電解液を用いて、
直径20mm、高さ1.6mmのコイン形セルを作製し
た。なお、正極と負極の間には厚さ25μmのポリエチ
レン製セパレータを設置した。注入した電解液量から算
出した電解液の電気容量は1.1mAhであり、電解液
電気容量/負極電気容量の比は1.1mAh/0.3m
Ah=3.7となり、本発明の条件に合致する。
レンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1:
2で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.5mol/
dm3の濃度になるように溶解させた電解液を用いて、
直径20mm、高さ1.6mmのコイン形セルを作製し
た。なお、正極と負極の間には厚さ25μmのポリエチ
レン製セパレータを設置した。注入した電解液量から算
出した電解液の電気容量は1.1mAhであり、電解液
電気容量/負極電気容量の比は1.1mAh/0.3m
Ah=3.7となり、本発明の条件に合致する。
【0041】(実施例2)負極活物質としてLi4Fe2
Ti3O12を用い、負極電気容量/正極電気容量の比を
0.9としたこと以外は、すべて実施例1と同様にして
コイン型セルを作製した。
Ti3O12を用い、負極電気容量/正極電気容量の比を
0.9としたこと以外は、すべて実施例1と同様にして
コイン型セルを作製した。
【0042】(実施例3)負極活物質としてLi4Mn2
Ti3O12を用い、電解液電気容量/負極電気容量の比
を4.5としたこと以外は、すべて実施例1と同様にし
てコイン型セルを作製した。
Ti3O12を用い、電解液電気容量/負極電気容量の比
を4.5としたこと以外は、すべて実施例1と同様にし
てコイン型セルを作製した。
【0043】(比較例1)負極電気容量/正極電気容量
の比を1.2としたこと以外は、すべて実施例1と同様
にしてコイン型セルを作製した。
の比を1.2としたこと以外は、すべて実施例1と同様
にしてコイン型セルを作製した。
【0044】(比較例2)電解液電気容量/負極電気容
量の比を3.0としたこと以外は、すべて実施例1と同
様にしてコイン型セルを作製した。
量の比を3.0としたこと以外は、すべて実施例1と同
様にしてコイン型セルを作製した。
【0045】次に、上記実施例1〜3のセルをそれぞれ
0.18mAの電流値で充電した。充電電圧の上限は
4.5Vに設定した。その結果、図1に示すように定格
容量まで充電した後はセル電圧が急激に増大し、充電電
圧の上限である4.5Vに到達し、過剰な電気容量を充
電することなく充電を終了した。充電後のセルを観察し
たところ、セルの外観などに特に変化はみられなかっ
た。なお、図1は実施例1のセルおよび比較例1のセル
の充電曲線を示す。実施例1のセルは、充電開始から9
0分で負極が90%の充電状態となり、100%の充電
状態に達するまでにさらに負極の電位は0.9V低下し
た。この負極の電位低下を利用して、充電を正常に終了
させることができた。
0.18mAの電流値で充電した。充電電圧の上限は
4.5Vに設定した。その結果、図1に示すように定格
容量まで充電した後はセル電圧が急激に増大し、充電電
圧の上限である4.5Vに到達し、過剰な電気容量を充
電することなく充電を終了した。充電後のセルを観察し
たところ、セルの外観などに特に変化はみられなかっ
た。なお、図1は実施例1のセルおよび比較例1のセル
の充電曲線を示す。実施例1のセルは、充電開始から9
0分で負極が90%の充電状態となり、100%の充電
状態に達するまでにさらに負極の電位は0.9V低下し
た。この負極の電位低下を利用して、充電を正常に終了
させることができた。
【0046】一方、比較例1および2のセルを同様にそ
れぞれ0.18mAの電流値で充電した。充電電圧の上
限は4.5Vに設定した。その結果、図1に示すように
定格容量まで充電しても充電曲線は直線状に推移し、
4.5Vの充電上限電圧に到達することなく定格の20
倍量もの過剰な電気容量が充電された。充電を停止して
セルを観察したところ、セルは大きく膨れていた。これ
は電解液が分解されてガス化し、セルの内圧が著しく増
加したことによるものと考えられる。比較例1のセルで
は、負極が充電末期に達する前に正極の充電が終了して
しまったため、前記負極の電位挙動を利用して充電を終
了させることができず、セルが過充電になったものであ
る。
れぞれ0.18mAの電流値で充電した。充電電圧の上
限は4.5Vに設定した。その結果、図1に示すように
定格容量まで充電しても充電曲線は直線状に推移し、
4.5Vの充電上限電圧に到達することなく定格の20
倍量もの過剰な電気容量が充電された。充電を停止して
セルを観察したところ、セルは大きく膨れていた。これ
は電解液が分解されてガス化し、セルの内圧が著しく増
加したことによるものと考えられる。比較例1のセルで
は、負極が充電末期に達する前に正極の充電が終了して
しまったため、前記負極の電位挙動を利用して充電を終
了させることができず、セルが過充電になったものであ
る。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば過
充電に対する安全性と信頼性を確保した電気化学素子を
提供することができる。
充電に対する安全性と信頼性を確保した電気化学素子を
提供することができる。
【図1】実施例1と比較例1の充電曲線を示した図であ
る。
る。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Fターム(参考) 5H029 AJ12 AK08 AL03 AM03 AM07
HJ18 HJ19
5H115 PA15 PC06 PG04 PI16 TR19
TU16
Claims (2)
- 【請求項1】 静電電気容量を有する電極と、レドック
ス電気容量を有する電極と、電解液とを備えた電気化学
素子であって、前記レドックス電気容量を有する電極の
90%の充電状態と100%の充電状態において電位差
が0.5V以上あり、前記レドックス電気容量と前記静
電電気容量の比(レドックス電気容量/静電電気容量)
が1以下であり、前記電解液の電気容量と前記レドック
ス電気容量の比(電解液電気容量/レドックス電気容
量)が3.5以上であることを特徴とする電気化学素
子。 - 【請求項2】 前記レドックス電気容量を有する電極が
Li4MXTi5-XO12(Mは、V、Cr、Mn、Fe、
Co、Ni、MoおよびWからなる群から選択される少
なくとも1種、Xは、0〜4の範囲で選択される数)を
主体とした電極材料から構成され、前記静電電気容量を
有する電極が炭素質材料を主体とした電極材料から構成
されている請求項1に記載の電気化学素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002092522A JP2003297433A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 電気化学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002092522A JP2003297433A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 電気化学素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003297433A true JP2003297433A (ja) | 2003-10-17 |
Family
ID=29386666
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002092522A Withdrawn JP2003297433A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 電気化学素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003297433A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-03-28 JP JP2002092522A patent/JP2003297433A/ja not_active Withdrawn
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP2405512A4 (en) * | 2009-03-06 | 2013-09-04 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostyu Eliont | ANODE MATERIAL FOR ELECTROCHEMICAL CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR |
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US10103382B2 (en) | 2011-04-20 | 2018-10-16 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050607 |