JP2007067188A - Lithium ion capacitor - Google Patents

Lithium ion capacitor Download PDF

Info

Publication number
JP2007067188A
JP2007067188A JP2005251586A JP2005251586A JP2007067188A JP 2007067188 A JP2007067188 A JP 2007067188A JP 2005251586 A JP2005251586 A JP 2005251586A JP 2005251586 A JP2005251586 A JP 2005251586A JP 2007067188 A JP2007067188 A JP 2007067188A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
negative electrode
lithium
lithium ion
active material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005251586A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4732074B2 (en
Inventor
Kohei Matsui
恒平 松井
Riza Takahata
里咲 高畠
Shinichi Tasaki
信一 田▼さき▲
Mitsuo Shiraga
充朗 白髪
Tsutomu Fujii
勉 藤井
Osamu Hatosaki
修 波戸崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Subaru Corp
Original Assignee
Fuji Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Heavy Industries Ltd filed Critical Fuji Heavy Industries Ltd
Priority to JP2005251586A priority Critical patent/JP4732074B2/en
Publication of JP2007067188A publication Critical patent/JP2007067188A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4732074B2 publication Critical patent/JP4732074B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a doping lithium ion capacitor capable of maintaining a high withstand voltage, a high capacity, a DC resistance, and a high energy density in a wide temperature range of a high temperature to a low temperature, especially, even at a low temperature of -30°C. <P>SOLUTION: The lithium ion capacitor is equipped with a positive electrode, a negative electrode, and aprotic organic solvent electrolytic solution of lithium salt as electrolyte. A positive electrode active substance is a substance capable of reversibly holding lithium ion and/or anion, a negative electrode active substance is a substance capable of reversibly holding the lithium ion, and the lithium ion is doped to the negative electrode and/or the positive electrode so that a potential of the positive electrode after short-circuiting the positive and negative electrodes may be 2V or less. The electrolytic solution is aprotic organic solvent containing a mixture of an annular carbonate and a chain-like carbonate, and a lithium salt concentration is 1.3 mol/l or more. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、正極、負極、及び電解質としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解液を備えた、低温特性の優れたリチウムイオンキャパシタに関する。   The present invention relates to a lithium ion capacitor excellent in low temperature characteristics, comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolyte of lithium salt as an electrolyte.

近年、グラファイト等の炭素材料を負極に用い、正極にLiCoO等のリチウム含有金属酸化物を用いた所謂リチウムイオン二次電池は高容量であり有力な蓄電装置として、主にノート型パソコンや携帯電話の主電源として実用化されている。リチウムイオン二次電池は、電池組立後、充電することにより正極のリチウム含有金属酸化物から負極にリチウムイオンを供給し、更に放電では負極のリチウムイオンを正極に戻すという、いわゆるロッキングチェア型電池であり、高電圧及び高容量を有することを特長としている。 In recent years, a so-called lithium ion secondary battery using a carbon material such as graphite as a negative electrode and a lithium-containing metal oxide such as LiCoO 2 as a positive electrode has a high capacity and is an effective power storage device. It has been put to practical use as the main power source for telephones. The lithium ion secondary battery is a so-called rocking chair type battery in which lithium ions are supplied to the negative electrode from the lithium-containing metal oxide of the positive electrode by charging after the battery is assembled, and the lithium ion of the negative electrode is returned to the positive electrode in the discharge. It has a high voltage and a high capacity.

一方、環境問題がクローズアップされる中、ガソリン車にかわる電気自動車用又はハイブリッド自動車用の蓄電装置(メイン電源と補助電源)の開発が盛んに行われ、また、自動車用の蓄電装置として、これまでは鉛電池が使用されてきた。しかし、車載用の電気設備や機器の充実により、エネルギー密度、出力密度の点から新しい蓄電装置が求められるようになってきている。   On the other hand, while environmental problems have been highlighted, the development of power storage devices (main power and auxiliary power) for electric vehicles or hybrid vehicles replacing gasoline vehicles has been actively carried out. Until now, lead batteries have been used. However, with the enhancement of in-vehicle electrical equipment and equipment, new power storage devices are being demanded in terms of energy density and output density.

かかる新しい蓄電装置としては、上記のリチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタが注目されている。しかし、リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高いものの出力特性、安全性やサイクル寿命には問題を残している。一方、電気二重層キャパシタは、ICやLSIのメモリーバックアップ用電源として利用されているが、一充電当たりの放電容量は電池に比べて小さい。しかし、瞬時の充放電特性に優れ、数万サイクル以上の充放電にも耐えるという、リチウムイオン二次電池にはない高い出力特性とメンテナンスフリー性を備えている。   As such a new power storage device, the above lithium ion secondary battery and electric double layer capacitor have attracted attention. However, although the lithium ion secondary battery has a high energy density, there are still problems in output characteristics, safety and cycle life. On the other hand, electric double layer capacitors are used as memory backup power sources for ICs and LSIs, but their discharge capacity per charge is smaller than batteries. However, it has excellent output characteristics and maintenance-free characteristics that are excellent in instantaneous charge / discharge characteristics and withstands charge / discharge of tens of thousands of cycles or more, which is not possible with lithium ion secondary batteries.

電気二重層キャパシタはこうした利点を有してはいるが、従来の一般的な電気二重層キャパシタのエネルギー密度は3〜4Wh/l程度で、リチウムイオン二次電池に比べて二桁程度小さい。電気自動車用を考えた場合、実用化には6〜10Wh/l、普及させるには20Wh/lのエネルギー密度が必要であるといわれている。   Although the electric double layer capacitor has such advantages, the energy density of the conventional general electric double layer capacitor is about 3 to 4 Wh / l, which is about two orders of magnitude smaller than that of the lithium ion secondary battery. When considering the use for electric vehicles, it is said that an energy density of 6 to 10 Wh / l is required for practical use and 20 Wh / l is necessary for spreading.

こうした高エネルギー密度、高出力特性を要する用途に対応する蓄電装置として、近年、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせた、ハイブリットキャパシタとも呼ばれる蓄電装置が注目されている。ハイブリッドキャパシタでは、通常、正極に分極性電極を使用し、負極に非分極性電極を使用するもので、電池の高いエネルギー密度と電気二重層の高い出力特性を兼ね備えた蓄電装置として注目されている。一方、このハイブリッドキャパシタにおいて、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる負極をリチウム金属と接触させて、予め化学的方法又は電気化学的方法でリチウムイオンを吸蔵、担持(以下、ドーピングともいう)させて負極電位を下げることにより、耐電圧を高くしエネルギー密度を大幅に大きくすることを意図したキャパシタが提案されている。(特許文献1〜特許文献4参照)   In recent years, a power storage device called a hybrid capacitor, which combines the power storage principles of a lithium ion secondary battery and an electric double layer capacitor, has attracted attention as a power storage device corresponding to applications requiring such high energy density and high output characteristics. In hybrid capacitors, a polarizable electrode is usually used for the positive electrode and a non-polarizable electrode is used for the negative electrode, which is attracting attention as a power storage device that combines high energy density of the battery and high output characteristics of the electric double layer. . On the other hand, in this hybrid capacitor, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions is brought into contact with lithium metal, and lithium ions are stored and supported (hereinafter also referred to as doping) by a chemical method or an electrochemical method in advance. Capacitors intended to increase the withstand voltage and greatly increase the energy density by lowering the potential have been proposed. (See Patent Document 1 to Patent Document 4)

この種のハイブリッドキャパシタでは、高性能は期待されるものの、負極にリチウムイオンをドーピングさせる場合に、全負極に対して金属リチウムを貼り付けることを必要とすることや、あるいはセル内の一部に局所的にリチウム金属を配置させ負極と接触させることも可能であるが、ドーピングが極めて長時間を要することや負極全体に対する均一性のあるドーピングに問題を有し、特に、電極を捲回した円筒型装置や、複数枚の電極を積層した角型電池のような大型の高容量セルでは実用化は困難とされていた。しかし、この問題は、セルを構成する負極集電体及び正極集電体の表裏に貫通する孔を設け、この貫通孔を通じてリチウムイオンを移動させ、同時にリチウムイオン供給源であるリチウム金属と負極を短絡させることにより、セルの端部にリチウム金属を配置するだけで、セル中の全負極にリチウムイオンをドーピングできることの発明により、一挙に解決するに至った(特許文献5参照)。なお、リチウムイオンのドーピングは、通常、負極に対して行なわれるが、負極とともに、又は負極の代わりに正極に行う場合も同様であることが特許文献5に記載されている。   Although this type of hybrid capacitor is expected to have high performance, when lithium ions are doped into the negative electrode, it is necessary to attach metallic lithium to all the negative electrodes, or to a part of the cell. Although it is possible to place lithium metal locally and contact with the negative electrode, there is a problem in doping that requires a very long time and uniform doping with respect to the whole negative electrode, and in particular, a cylinder in which the electrode is wound. It has been considered difficult to put into practical use in large-sized high-capacity cells such as a type device or a square battery in which a plurality of electrodes are laminated. However, this problem is that the negative electrode current collector and the positive electrode current collector constituting the cell are provided with holes penetrating the front and back surfaces, and lithium ions are moved through the through holes. By short-circuiting, the invention of being able to dope lithium ions to all the negative electrodes in the cell only by arranging lithium metal at the end of the cell has led to a solution (see Patent Document 5). In addition, although doping of lithium ion is normally performed with respect to a negative electrode, it is described in patent document 5 that it is the same also when performing with a negative electrode with a positive electrode instead of a negative electrode.

かくして、電極を捲回した円筒型装置や、複数枚の電極を積層した角型電池のような大型のセルでも、装置中の全負極に対して短時間にかつ負極全体に均一にリチウムイオンがドーピングでき、耐電圧が向上することによりエネルギー密度が飛躍的に増大し、電気二重層キャパシタが本来有する大きい出力密度と相俟って、高容量のキャパシタが実現する見通しが得られた。   Thus, even in a large-sized cell such as a cylindrical device in which electrodes are wound or a square battery in which a plurality of electrodes are stacked, lithium ions are uniformly distributed over the entire negative electrode in a short time with respect to all the negative electrodes in the device. The energy density can be drastically increased by doping and the withstand voltage is improved, and it is expected that a high-capacity capacitor will be realized in combination with the large output density inherent in the electric double layer capacitor.

しかし、かかる高容量のキャパシタを実用化するためには、更に、高い耐電圧、高容量、高エネルギー密度及び高出力密度とすることが要求されるとともに、このような高容量のキャパシタは自動車などの場合を含めて、低温〜高温の広温度範囲で使用されるために広い温度範囲、特に通常問題となる低温度領域で優れた特性を保持することが要求される。
特開平8−107048号公報 特開平9−55342号公報 特開平9−232190号公報 特開平11−297578号公報 国際公開WO98/033227号公報
However, in order to put such a high-capacity capacitor into practical use, it is further required to have a high withstand voltage, a high capacity, a high energy density, and a high output density. In order to be used in a wide temperature range from low temperature to high temperature, it is required to maintain excellent characteristics in a wide temperature range, particularly in a low temperature region that is usually a problem.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-1007048 JP-A-9-55342 Japanese Patent Laid-Open No. 9-232190 JP-A-11-297578 International Publication No. WO98 / 033227

本発明は、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に担持可能な物質であり、かつ負極活物質がリチウムイオンを可逆的に担持可能な物質であり、負極及び/又は正極をリチウムイオン供給源と電気化学的に接触させて、予め負極にリチウムイオンをドーピングする方式のリチウムイオンキャパシタであって、高温〜低温の広温度範囲で、特に、−30℃の低温度においても、高い耐電圧、高容量、低い直流抵抗及び高エネルギー密度を保持できる、優れたリチウムイオンキャパシタを提供することを課題とする。   In the present invention, the positive electrode active material is a material capable of reversibly supporting lithium ions and / or anions, and the negative electrode active material is a material capable of reversibly supporting lithium ions. A lithium ion capacitor that is electrochemically contacted with an ion supply source and previously doped with lithium ions in a negative electrode, and is high in a wide temperature range from high temperature to low temperature, particularly at a low temperature of −30 ° C. It is an object of the present invention to provide an excellent lithium ion capacitor that can maintain a withstand voltage, a high capacity, a low DC resistance, and a high energy density.

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、正極と負極を短絡させた後の正極及び負極電位が2.0V以下となるように、負極及び/又は正極に対してリチウムイオンを予めドーピングさせたリチウムイオンキャパシタにおいては、使用される非プロトン性有機溶媒電解質溶液の特性が、キャパシタの特に低温度領域における耐電圧、容量、直流抵抗及びエネルギー密度と密接に関係し、上記電解質溶液として、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物を含む非プロトン性有機溶媒であり、かつリチウム塩濃度が1.3mol/l以上である溶液を使用することにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research. As a result, the positive electrode and the negative electrode potential after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited are 2.0 V or less with respect to the negative electrode and / or the positive electrode. In a lithium ion capacitor pre-doped with lithium ions, the characteristics of the aprotic organic solvent electrolyte solution used are closely related to the withstand voltage, capacity, direct current resistance and energy density of the capacitor, particularly in the low temperature region, By using a solution which is an aprotic organic solvent containing a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate and has a lithium salt concentration of 1.3 mol / l or more as the electrolyte solution, the above problem can be solved. And reached the present invention.

かくして、本発明は、以下の要旨を有することを特徴とするものである。
(1)正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備えるリチウムイオンキャパシタであって、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に担持可能な物質であり、負極活物質がリチウムイオンを可逆的に担持可能な物質であり、正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2V以下になるように負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドーピングされており、かつ上記電解質溶液が、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物を含む非プロトン性有機溶媒であり、リチウム塩濃度が1.3mol/l以上であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
(2)リチウム塩濃度が1.5〜2.0mol/lである上記(1)に記載のリチウムイオンキャパシタ。
(3)前記正極及び/又は負極が、それぞれ表裏面を貫通する孔を有する集電体を備えており、負極とリチウムイオン供給源との電気化学的接触によってリチウムイオンがドーピングされている上記(1)又は(2)に記載のリチウムイオンキャパシタ。
(4)前記負極活物質は、正極活物質に比べて、単位重量あたりの静電容量が3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物資の重量よりも大きい(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
(5)非プロトン性有機溶媒が、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物である(1)〜(4)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
(6)リチウム塩が、LiPF、LiN(CSO、又はLiN(CFSOである上記(1)〜(5)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
Thus, the present invention is characterized by having the following gist.
(1) A lithium ion capacitor comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolyte solution of a lithium salt as an electrolytic solution, wherein the positive electrode active material is a substance capable of reversibly supporting lithium ions and / or anions. Yes, the negative electrode active material is a material capable of reversibly carrying lithium ions, and the negative electrode and / or the positive electrode is doped with lithium ions so that the potential of the positive electrode after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is 2 V or less. A lithium ion capacitor, wherein the electrolyte solution is an aprotic organic solvent containing a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate, and a lithium salt concentration is 1.3 mol / l or more.
(2) The lithium ion capacitor according to (1), wherein the lithium salt concentration is 1.5 to 2.0 mol / l.
(3) The positive electrode and / or the negative electrode each provided with a current collector having holes penetrating the front and back surfaces, and lithium ions are doped by electrochemical contact between the negative electrode and a lithium ion supply source ( The lithium ion capacitor according to 1) or (2).
(4) The negative electrode active material has a capacitance per unit weight of 3 times or more as compared with the positive electrode active material, and the positive electrode active material weight is larger than the weight of the negative electrode active material (1) to ( The lithium ion capacitor according to any one of 3).
(5) The lithium ion capacitor according to any one of (1) to (4), wherein the aprotic organic solvent is a mixture of ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate.
(6) The lithium ion capacitor according to any one of (1) to (5), wherein the lithium salt is LiPF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , or LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .

本発明によれば、予め負極及び/又は正極にリチウムイオンをドーピングする、特に高容量のリチウムイオンキャパシタであって、低温から高温の広温度範囲で、特に、−30℃の低温度においても、高い耐電圧、高容量、低い直流抵抗及び高エネルギー密度を保持できる、優れたリチウムイオンキャパシタが提供される。本発明において、上記電解質溶液として、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物を含む非プロトン性有機溶媒であり、リチウム塩濃度が1.3mol/l以上である溶液を使用することにより、何故に、上記ドーピング型のリチウムイオンキャパシタの低温度における特性が改良されるかのメカニズムについては、必ずしも明らかではないが、次のように推定される。   According to the present invention, a lithium ion capacitor having a particularly high capacity, in which lithium ions are doped into the negative electrode and / or the positive electrode in advance, in a wide temperature range from a low temperature to a high temperature, particularly at a low temperature of −30 ° C., An excellent lithium ion capacitor capable of maintaining a high withstand voltage, a high capacity, a low DC resistance and a high energy density is provided. In the present invention, the electrolyte solution is an aprotic organic solvent containing a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate, and by using a solution having a lithium salt concentration of 1.3 mol / l or more, why The mechanism of whether the low temperature characteristics of the doping type lithium ion capacitor are improved is not necessarily clear, but is estimated as follows.

リチウムイオンキャパシタにおいては、負極の充放電機構にリチウムイオンのドープ脱ドープ反応を用いているため、低温における直流抵抗の主成分は負極の電荷移動抵抗であると考えられる。電解質溶液中のリチウム塩濃度が高くなると、負極界面近傍のリチウムイオン濃度も増加する。負極界面近傍のリチウムイオン濃度が低温時の電荷移動抵抗に影響を与えることで負極の電荷移動抵抗が減少し、その結果リチウムイオンキャパシタセルの低温時の直流抵抗が減少すると推測される。また、環状カーボネートのみを電解液として用いた場合、常温での特性が低下するが、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を用いることで、低温から高温の特性がバランスよく維持される。   In a lithium ion capacitor, since the lithium ion doping and dedoping reaction is used for the charge / discharge mechanism of the negative electrode, the main component of the DC resistance at low temperatures is considered to be the charge transfer resistance of the negative electrode. As the lithium salt concentration in the electrolyte solution increases, the lithium ion concentration near the negative electrode interface also increases. It is presumed that the lithium ion concentration in the vicinity of the negative electrode interface affects the charge transfer resistance at a low temperature, thereby reducing the charge transfer resistance of the negative electrode, and as a result, reducing the DC resistance at a low temperature of the lithium ion capacitor cell. In addition, when only cyclic carbonate is used as the electrolytic solution, the characteristics at normal temperature are deteriorated, but by using a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate, the characteristics from low temperature to high temperature are maintained in a balanced manner.

本発明のリチウムイオンキャパシタは、正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機電解液を備え、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に担持可能な物質であり、かつ負極活物質がリチウムイオンを可逆的に担持可能な物質である。ここで、「正極」とは、放電の際に電流が流れ出る側の極であり、「負極」とは放電の際に電流が流れ込む側の極をいう。   The lithium ion capacitor of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic electrolyte of lithium salt as an electrolyte, and the positive electrode active material is a substance capable of reversibly supporting lithium ions and / or anions, The negative electrode active material is a material capable of reversibly supporting lithium ions. Here, the “positive electrode” is an electrode on the side where current flows out during discharge, and the “negative electrode” is an electrode on the side where current flows in during discharge.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、負極及び/又は正極に対するリチウムイオンのドーピングにより正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2.0V以下にされていることが必要である。負極及び/又は正極に対するリチウムイオンのドーピングされていないキャパシタでは、正極及び負極の電位はいずれも3Vであり、充電前においては、正極と負極を短絡させた後の正極の電位は3Vである。なお、本発明で、正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2V以下とは、以下の(A)又は(B)の2つのいずれかの方法で求められる正極の電位が2V以下の場合をいう。即ち、(A)リチウムイオンによるドーピングの後、キャパシタセルの正極端子と負極端子を導線で直接結合させた状態で12時間以上放置した後に短絡を解除し、0.5〜1.5時間内に測定した正極電位。(B)充放電試験機にて12時間以上かけて0Vまで定電流放電させた後に正極端子と負極端子を導線で結合させた状態で12時間以上放置した後に短絡を解除し、0.5〜1.5時間内に測定した正極電位。   In the lithium ion capacitor of the present invention, it is necessary that the potential of the positive electrode after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited by doping lithium ions to the negative electrode and / or the positive electrode is 2.0 V or less. In a capacitor in which lithium ions are not doped with respect to the negative electrode and / or the positive electrode, the potentials of the positive electrode and the negative electrode are both 3V, and before charging, the potential of the positive electrode after short-circuiting the positive electrode and the negative electrode is 3V. In the present invention, the potential of the positive electrode after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is 2 V or less. The potential of the positive electrode determined by one of the following two methods (A) or (B) is 2 V or less. Refers to cases. That is, (A) After doping with lithium ions, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the capacitor cell are left in a state of being directly coupled with a conductive wire for 12 hours or more, and then the short circuit is released, and within 0.5 to 1.5 hours Measured positive electrode potential. (B) After discharging at constant current to 0 V over 12 hours in a charge / discharge tester, leaving the positive electrode terminal and the negative electrode terminal connected with a conductive wire for 12 hours or more, releasing the short circuit, 0.5 to Positive electrode potential measured within 1.5 hours.

また、短絡後の正極電位が2.0V以下というのは、リチウムイオンがドーピングされたすぐ後だけに限られるものではなく、充電状態、放電状態あるいは充放電を繰り返した後に短絡した場合等、いずれかの状態で短絡後の正極電位が2.0V以下となることである。   In addition, the positive electrode potential after the short-circuit is 2.0 V or less is not limited to just after the lithium ions are doped, but when the battery is short-circuited after repeated charging, discharging or charging / discharging, etc. In this state, the positive electrode potential after the short circuit is 2.0 V or less.

正極電位が2.0V以下になるということに関し、以下に詳細に説明する。上述のように活性炭や炭素材は通常3V(Li/Li)前後の電位を有しており、正極、負極ともに活性炭を用いてセルを組んだ場合、いずれの電位も約3Vとなるためセル電圧は約0Vとなり、短絡しても正極電位はかわらず約3Vである。また、正極に活性炭、負極にリチウムイオン二次電池にて使用されている黒鉛や難黒鉛化炭素のような炭素材を用いた、いわゆるハイブリットキャパシタの場合も同様であり、いずれの電位も約3Vとなるためセル電圧は約0Vとなり、短絡しても正極電位はかわらず約3Vである。正極と負極の重量バランスにもよるが充電すると負極電位が0V近傍まで推移するので、充電電圧を高くすることが可能となるため高電圧、高エネルギー密度を有したキャパシタとなる。一般的に充電電圧の上限は正極電位の上昇による電解液の分解が起こらない電圧に決められるので、正極電位を上限にした場合、負極電位が低下する分、充電電圧を高めることが可能となるのである。しかしながら、短絡時に正極電位が約3Vとなる上述のハイブリットキャパシタでは、正極の上限電位が例えば4.0Vとした場合、放電時の正極電位は3.0Vまでであり、正極の電位変化は1.0V程度と正極の容量を充分利用できていない。更に、負極にリチウムイオンを挿入(充電)、脱離(放電)した場合、初期の充放電効率が低い場合が多く、放電時に脱離できないリチウムイオンが存在していることが知られている。これは、負極表面にて電解液の分解に消費される場合や、炭素材の構造欠陥部にトラップされる等の説明がなされているが、この場合正極の充放電効率に比べ負極の充放電効率が低くなり、充放電を繰り返した後にセルを短絡させると正極電位は3Vよりも高くなり、更に利用容量は低下する。すなわち、正極は4.0Vから2.0Vまで放電可能であるところ、4.0Vから3.0Vまでしか使えない場合、利用容量として半分しか使っていないこととなり、高電圧にはなるが高容量にはならないのである。 The fact that the positive electrode potential is 2.0 V or less will be described in detail below. As described above, activated carbon and carbon materials usually have a potential of around 3 V (Li / Li + ), and when a cell is formed using activated carbon for both the positive electrode and the negative electrode, both potentials are about 3 V. The voltage is about 0V, and even if it is short-circuited, the positive electrode potential is about 3V regardless. The same applies to a so-called hybrid capacitor using activated carbon as the positive electrode and carbon material such as graphite or non-graphitizable carbon used in the lithium ion secondary battery as the negative electrode. Therefore, the cell voltage is about 0V, and the positive electrode potential is about 3V even if short-circuited. Although depending on the weight balance between the positive electrode and the negative electrode, when charged, the potential of the negative electrode transitions to around 0 V, so that the charging voltage can be increased, so that the capacitor has a high voltage and a high energy density. Generally, the upper limit of the charging voltage is determined to be a voltage at which the electrolyte solution does not decompose due to the increase in the positive electrode potential. Therefore, when the positive electrode potential is set as the upper limit, the charging voltage can be increased by the amount of decrease in the negative electrode potential. It is. However, in the above-described hybrid capacitor in which the positive electrode potential is about 3 V at the time of short circuit, when the upper limit potential of the positive electrode is 4.0 V, for example, the positive electrode potential at the time of discharge is up to 3.0 V, and the potential change of the positive electrode is 1. The capacity of the positive electrode of about 0 V is not fully utilized. Furthermore, when lithium ions are inserted (charged) and desorbed (discharged) into the negative electrode, the initial charge / discharge efficiency is often low, and it is known that there are lithium ions that cannot be desorbed during discharge. This is explained when it is consumed in the decomposition of the electrolyte solution on the negative electrode surface or trapped in the structural defect part of the carbon material. In this case, the charge / discharge of the negative electrode is compared with the charge / discharge efficiency of the positive electrode. If the efficiency is lowered and the cell is short-circuited after repeated charging and discharging, the positive electrode potential becomes higher than 3 V, and the utilization capacity further decreases. That is, the positive electrode can be discharged from 4.0 V to 2.0 V. However, when only 4.0 V to 3.0 V can be used, only half of the usage capacity is used. It will not be.

ハイブリットキャパシタを高電圧、高エネルギー密度だけでなく、高容量そして更にエネルギー密度を高めるためには、正極の利用容量を向上させることが必要である。   In order to increase not only high voltage and high energy density but also high capacity and energy density of the hybrid capacitor, it is necessary to improve the capacity of the positive electrode.

短絡後の正極電位が3.0Vよりも低下すればそれだけ利用容量が増え、高容量になるということである。2.0V以下になるためには、セルの充放電により充電される量だけでなく、別途リチウム金属から負極にリチウムイオンを充電することが好ましい。正極と負極以外からリチウムイオンが供給されるので、短絡させた時には、正極、負極、リチウム金属の平衡電位になるため、正極電位、負極電位ともに3.0V以下になる。リチウム金属の量が多くなる程に平衡電位は低くなる。負極材、正極材が変われば平衡電位も変わるので、短絡後の正極電位が2.0V以下になるように、負極材、正極材の特性を鑑みて負極に担持させるリチウムイオンの調整をすることが必要である。   If the positive electrode potential after the short circuit falls below 3.0V, the utilization capacity increases and the capacity increases. In order to become 2.0 V or less, it is preferable to charge not only the amount charged by charging / discharging the cell but also separately charging lithium ions from lithium metal to the negative electrode. Since lithium ions are supplied from other than the positive electrode and the negative electrode, when they are short-circuited, the equilibrium potentials of the positive electrode, the negative electrode, and the lithium metal are reached, so that both the positive electrode potential and the negative electrode potential are 3.0 V or less. As the amount of lithium metal increases, the equilibrium potential decreases. If the negative electrode material and the positive electrode material change, the equilibrium potential also changes. Therefore, the lithium ions supported on the negative electrode should be adjusted in view of the characteristics of the negative electrode material and the positive electrode material so that the positive electrode potential after short-circuiting is 2.0 V or less. is required.

本発明において、予め負極及び/又は正極にリチウムイオンをドーピングし、正極と負極を短絡させた後の正極の電位を2V以下にすることにより、正極の利用容量が高くなるため高容量となり、大きいエネルギー密度が得られる。リチウムイオンの供給量が多くなるほどに正極と負極を短絡させた時の正極電位は低くなりエネルギー密度は向上する。更に高いエネルギー密度を得る上では1.5V以下、特には1V以下が更に好ましい。正極及び/又は負極に供給されたリチウムイオンの量が少ないと正極と負極を短絡させた時に正極電位が2Vよりも高くなり、セルのエネルギー密度は小さくなる。   In the present invention, the negative electrode and / or the positive electrode is doped with lithium ions in advance, and the positive electrode potential after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is set to 2 V or less, so that the use capacity of the positive electrode is increased and the capacity is increased. Energy density is obtained. As the supply amount of lithium ions increases, the positive electrode potential when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited decreases and the energy density improves. In order to obtain a higher energy density, 1.5 V or less, particularly 1 V or less is more preferable. When the amount of lithium ions supplied to the positive electrode and / or the negative electrode is small, the positive electrode potential becomes higher than 2 V when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited, and the energy density of the cell is reduced.

本発明で、リチウムイオンのドーピングは、負極と正極の片方あるいは両方いずれでもよいが、例えば正極に活性炭を用いた場合、リチウムイオンのドーピング量が多くなり正極電位が低くなると、リチウムイオンを不可逆的に消費してしまい、セルの容量が低下する等の不具合が生じる場合がある。このため、負極と正極にドーピングするリチウムイオンは、それぞれの電極活物質を考慮し、これらの不具合を生じないようにするのが好ましい。本発明では、正極のドーピング量と負極のドーピング量を制御することは工程上煩雑となるため、リチウムイオンのドーピングは好ましくは負極に対して行われる。   In the present invention, lithium ion doping may be either one or both of the negative electrode and the positive electrode. For example, when activated carbon is used for the positive electrode, the lithium ion becomes irreversible when the amount of lithium ion doping increases and the positive electrode potential decreases. May cause problems such as a reduction in cell capacity. For this reason, it is preferable that the lithium ions doped in the negative electrode and the positive electrode do not cause these problems in consideration of the respective electrode active materials. In the present invention, since controlling the doping amount of the positive electrode and the doping amount of the negative electrode becomes complicated in the process, the doping of lithium ions is preferably performed on the negative electrode.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、特に、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が正極活物質の単位重量当たりの静電容量の3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きくする場合、高電圧且つ高容量のキャパシタが得られる。また、それと同時に、正極の単位重量当たりの静電容量に対して大きな単位重量当たりの静電容量を持つ負極を用いる場合には、負極の電位変化量を変えずに負極活物質重量を減らすことが可能となるため、正極活物質の充填量が多くなりセルの静電容量及び容量が大きくなる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, in particular, the electrostatic capacity per unit weight of the negative electrode active material has more than three times the electrostatic capacity per unit weight of the positive electrode active material, and the positive electrode active material weight is the negative electrode active material When larger than the weight, a capacitor having a high voltage and a high capacity can be obtained. At the same time, when using a negative electrode having a capacitance per unit weight that is larger than the capacitance per unit weight of the positive electrode, the negative electrode active material weight is reduced without changing the potential change amount of the negative electrode. Therefore, the filling amount of the positive electrode active material is increased, and the capacitance and capacity of the cell are increased.

なお、本発明において、キャパシタセル(以下、単にセルもいう)の静電容量及び容量は次のように定義される。セルの静電容量とは、セルの単位電圧当たりセルに流れる電気量(放電カーブの傾き)を示し、単位はF(ファラッド)である。セルの単位重量当たりの静電容量とはセルの静電容量に対するセル内に充填している正極活物質重量と負極活物質重量の合計重量の除で示され、単位はF/gである。また、正極又は負極の静電容量とは、正極あるいは負極の単位電圧当たりセルに流れる電気量(放電カーブの傾き)を示し、単位はFである。正極あるいは負極の単位重量当たりの静電容量とは正極あるいは負極の静電容量をセル内に充填している正極あるいは負極活物質重量の除で示され、単位はF/gである。   In the present invention, the capacitance and capacity of a capacitor cell (hereinafter also simply referred to as a cell) are defined as follows. The capacitance of a cell indicates the amount of electricity flowing through the cell per unit voltage of the cell (the slope of the discharge curve), and the unit is F (farad). The capacitance per unit weight of the cell is expressed by dividing the total weight of the positive electrode active material weight and the negative electrode active material weight filled in the cell with respect to the cell capacitance, and the unit is F / g. The electrostatic capacity of the positive electrode or the negative electrode indicates the amount of electricity flowing through the cell per unit voltage of the positive electrode or the negative electrode (the slope of the discharge curve), and the unit is F. The capacitance per unit weight of the positive electrode or the negative electrode is expressed by dividing the positive electrode or negative electrode capacitance in the cell by the weight of the positive electrode or negative electrode active material, and the unit is F / g.

更に、セル容量とは、セルの放電開始電圧と放電終了電圧の差、即ち電圧変化量とセルの静電容量の積であり単位はC(クーロン)であるが、1Cは1秒間に1Aの電流が流れたときの電荷量であるので本発明においては換算してmAh表示する。正極容量とは放電開始時の正極電位と放電終了時の正極電位の差(正極電位変化量)と正極の静電容量の積であり単位はCまたはmAh、同様に負極容量とは放電開始時の負極電位と放電終了時の負極電位の差(負極電位変化量)と負極の静電容量の積であり単位はCまたはmAhである。これらセル容量と正極容量、負極容量は一致する。   Furthermore, the cell capacity is the difference between the cell discharge start voltage and the discharge end voltage, that is, the product of the voltage change amount and the cell capacitance, and the unit is C (coulomb). Since it is the amount of charge when current flows, it is converted into mAh in the present invention. The positive electrode capacity is the product of the difference between the positive electrode potential at the start of discharge and the positive electrode potential at the end of discharge (amount of change in positive electrode potential) and the electrostatic capacity of the positive electrode. The unit is C or mAh. The product of the difference between the negative electrode potential and the negative electrode potential at the end of discharge (negative electrode potential change amount) and the negative electrode capacitance, and the unit is C or mAh. These cell capacity, positive electrode capacity, and negative electrode capacity coincide.

本発明のリチウムイオンキャパシタにおいて、予め負極及び/又は正極にリチウムをドーピングさせる手段は特に限定されない。例えば、リチウムイオンを供給可能な、金属リチウム等のリチウム供給源をリチウム極としてキャパシタセル内に配置できる。リチウム供給源の量(リチウム金属等の重量)は、所定の負極の容量が得られる量だけあればよい。この場合、負極とリチウム極は物理的な接触(短絡)でもよいし、電気化学的にドーピングさせてもよい。リチウム供給源は、導電性多孔体からなるリチウム極集電体上に形成してもよい。リチウム集電体となる導電性多孔体としては、ステンレスメッシュ等のリチウムイオン供給源と反応しない金属多孔体が使用できる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, means for doping lithium in the negative electrode and / or the positive electrode in advance is not particularly limited. For example, a lithium supply source such as metallic lithium capable of supplying lithium ions can be disposed in the capacitor cell as a lithium electrode. The amount of the lithium supply source (weight of lithium metal or the like) may be as long as a predetermined negative electrode capacity can be obtained. In this case, the negative electrode and the lithium electrode may be in physical contact (short circuit) or may be electrochemically doped. The lithium supply source may be formed on a lithium electrode current collector made of a conductive porous body. As the conductive porous body serving as the lithium current collector, a porous metal body that does not react with a lithium ion supply source such as a stainless mesh can be used.

大容量の多層構造のキャパシタセルでは正極及び負極にそれぞれ電気を受配電する正極集電体及び負極集電体が備えられるが、かかる正極集電体及び負極集電体が使用され、かつリチウム極が設けられるセルの場合、リチウム極が負極集電体に対向する位置に設けられ、電気化学的に負極にリチウムイオン供給することが好ましい。この場合、正極集電体及び負極集電体として、例えばエキスパンドメタルのように表裏面を貫通する孔を備えた材料を用い、リチウム極を負極及び/又は正極に対向させて配置する。この貫通孔の形態、数等は特に限定されず、後述する電解液中のリチウムイオンが電極集電体に遮断されることなく電極の表裏間を移動できるように、設定することができる。   A large-capacity multilayer capacitor cell is provided with a positive electrode current collector and a negative electrode current collector for receiving and distributing electricity at the positive electrode and the negative electrode, respectively. The positive electrode current collector and the negative electrode current collector are used, and the lithium electrode In the case of a cell provided with a lithium electrode, it is preferable that the lithium electrode is provided at a position facing the negative electrode current collector and lithium ions are supplied to the negative electrode electrochemically. In this case, as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, for example, a material having holes penetrating the front and back surfaces, such as expanded metal, is used, and the lithium electrode is disposed to face the negative electrode and / or the positive electrode. The form, number, and the like of the through holes are not particularly limited, and can be set so that lithium ions in the electrolyte described later can move between the front and back of the electrode without being blocked by the electrode current collector.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、負極及び/又は正極にドーピングするリチウム極をセル中の局所的に配置した場合もリチウムイオンのドーピングが均一に行うことができる。従って、正極及び負極を積層若しくは捲回した大容量のセルの場合も、最外周又は最外側のセルの一部にリチウム極を配置することにより、スムーズにかつ均一に負極にリチウムイオンをドーピングできる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, lithium ions can be uniformly doped even when a lithium electrode doped in the negative electrode and / or the positive electrode is locally arranged in the cell. Therefore, even in the case of a large-capacity cell in which the positive electrode and the negative electrode are stacked or wound, the lithium electrode can be smoothly and uniformly doped with lithium ions by arranging the lithium electrode in a part of the outermost or outermost cell. .

電極集電体の材質としては、一般にリチウム系電池に提案されている種々の材質を用いることができ、正極集電体にはアルミニウム、ステンレス等、負極集電体にはステンレス、銅、ニッケル等をそれぞれ用いることができる。また、セル内に配置されたリチウム供給源との電気化学的接触によりドーピングする場合のリチウムとは、リチウム金属あるいはリチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することのできる物質をいう。   As the material of the electrode current collector, various materials generally proposed for lithium batteries can be used, such as aluminum and stainless steel for the positive electrode current collector, stainless steel, copper, nickel and the like for the negative electrode current collector. Can be used respectively. In addition, when doping is performed by electrochemical contact with a lithium supply source disposed in the cell, lithium means that at least lithium is contained and lithium ions are supplied like lithium metal or lithium-aluminum alloy. A substance that can be used.

本発明のリチウムイオンキャパシタにおける正極活物質は、リチウムイオンと、例えばテトラフルオロボレートのようなアニオンを可逆的に担持できる物質からなる。かかる正極活物質としては、種々のものが使用できるが、活性炭、又は芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子比が0.5〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体(PAS)等を挙げることができる。   The positive electrode active material in the lithium ion capacitor of the present invention is made of a material capable of reversibly carrying lithium ions and anions such as tetrafluoroborate. As such a positive electrode active material, various materials can be used, and a polyacene skeleton having an atomic ratio of hydrogen atom / carbon atom of 0.5 to 0.05, which is a heat-treated product of activated carbon or an aromatic condensation polymer. Examples thereof include a polyacene organic semiconductor (PAS) having a structure.

一方、本発明のリチウムイオンキャパシタにおける負極を構成する負極活物質は、リチウムイオンを可逆的に担持できる物質から形成される。本発明で使用される好ましい負極活物質としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素等の炭素材料又は上記正極活物質としても使用されるポリアセン系有機半導体(PAS)が好ましい。黒鉛としては、人造黒鉛、天然黒鉛いずれでも良く、難黒鉛化性炭素としてはフェノール樹脂炭、フラン樹脂炭などが挙げられ、易黒鉛化性炭素としては石油コークス、石炭ピッチコークス、ポリ塩化ビニル炭等を挙げることができる。   On the other hand, the negative electrode active material constituting the negative electrode in the lithium ion capacitor of the present invention is formed from a material that can reversibly carry lithium ions. As a preferable negative electrode active material used in the present invention, a carbon material such as graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon, or a polyacene organic semiconductor (PAS) also used as the positive electrode active material is preferable. The graphite may be either artificial graphite or natural graphite. Examples of the non-graphitizable carbon include phenol resin charcoal and furan resin charcoal. Examples of the graphitizable carbon include petroleum coke, coal pitch coke, and polyvinyl chloride carbon. Etc.

正極及び/又は負極活物質として使用される上記PASはアモルファス構造を有することから、リチウムイオンの挿入・脱離に対して膨潤・収縮といった構造変化がないためサイクル特性に優れ、またリチウムイオンの挿入・脱離に対して等方的な分子構造(高次構造)であるため急速充電、急速放電にも優れるので好適である。PASの前駆体である芳香族系縮合ポリマーとは、芳香族炭化水素化合物とアルデヒド類との縮合物である。芳香族炭化水素化合物としては、例えばフェノール、クレゾール、キシレノール等の如き、いわゆるフェノール類を好適に用いることができる。例えば、下記式   Since the PAS used as the positive electrode and / or negative electrode active material has an amorphous structure, there is no structural change such as swelling / shrinkage with respect to insertion / desorption of lithium ions, and cycle characteristics are excellent. -The molecular structure (higher order structure) isotropic with respect to desorption is suitable because it is excellent in rapid charge and rapid discharge. The aromatic condensation polymer that is a precursor of PAS is a condensate of an aromatic hydrocarbon compound and an aldehyde. As the aromatic hydrocarbon compound, so-called phenols such as phenol, cresol, xylenol and the like can be suitably used. For example, the following formula

Figure 2007067188
Figure 2007067188

(ここで、x及びyはそれぞれ独立に、0、1または2である)で表されるメチレン・ビスフェノール類であることができ、あるいはヒドロキシ・ビフェニル類、ヒドロキシナフタレン類であることもできる。なかでも、フェノール類が好適である。 (Wherein x and y are each independently 0, 1 or 2), or may be a hydroxy biphenyl or a hydroxynaphthalene. Of these, phenols are preferred.

また、上記芳香族系縮合ポリマーとしては、上記のフェノール性水酸基を有する芳香族炭化水素化合物の1部をフェノール性水酸基を有さない芳香族炭化水素化合物、例えばキシレン、トルエン、アニリン等で置換した変成芳香族系縮合ポリマー、例えばフェノールとキシレンとホルムアルデヒドとの縮合物を用いることもできる。更に、メラミン、尿素で置換した変成芳香族系ポリマーを用いることもでき、フラン樹脂も好適である。   As the aromatic condensation polymer, a part of the aromatic hydrocarbon compound having a phenolic hydroxyl group is substituted with an aromatic hydrocarbon compound having no phenolic hydroxyl group, such as xylene, toluene, aniline, etc. A modified aromatic condensation polymer such as a condensate of phenol, xylene and formaldehyde can also be used. Furthermore, a modified aromatic polymer substituted with melamine or urea can be used, and a furan resin is also suitable.

本発明でPASは好ましくは次のようにして製造される。即ち、上記芳香族系縮合ポリマーを、非酸化性雰囲気下(真空も含む)中で400〜800°Cの適当な温度まで徐々に加熱することにより、水素原子/炭素原子の原子比(以下H/Cと記す)が0.5〜0.05、好ましくは0.35〜0.10の不溶不融性基体となる。この不溶不融性基体を、非酸化性雰囲気下(真空も含む)中で、350〜800°Cの温度まで、好ましくは400〜750°Cの適当な温度まで徐々に加熱することにより、上記H/Cを有し、かつ例えば賦活処理をすることにより600m/g以上のBET法による比表面積を有する不溶不融性基体を得ることもできる。 In the present invention, the PAS is preferably produced as follows. That is, by gradually heating the aromatic condensation polymer to a suitable temperature of 400 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere (including vacuum), a hydrogen atom / carbon atom ratio (hereinafter referred to as H). / C) is 0.5 to 0.05, preferably 0.35 to 0.10. The insoluble infusible substrate is gradually heated to a temperature of 350 to 800 ° C., preferably 400 to 750 ° C. in a non-oxidizing atmosphere (including vacuum), thereby An insoluble infusible substrate having H / C and having a specific surface area by the BET method of 600 m 2 / g or more can also be obtained by, for example, activation treatment.

上記の不溶不融性基体は、X線回折(CuKα)によれば、メイン・ピークの位置は2θで表して24°以下に存在し、また該メイン・ピークの他に41〜46°の間にブロードな他のピークが存在する。即ち、上記不溶不融性基体は、芳香族系多環構造が適度に発達したポリアセン系骨格構造を有し、かつアモルファス構造を有し、リチウムイオンを安定にドーピングすることができる。   According to X-ray diffraction (CuKα), the insoluble and infusible substrate described above has a main peak position represented by 2θ of 24 ° or less, and between 41 and 46 ° in addition to the main peak. There are other broad peaks. That is, the insoluble infusible substrate has a polyacene skeleton structure in which an aromatic polycyclic structure is appropriately developed, has an amorphous structure, and can be stably doped with lithium ions.

本発明において、上記の正極活物質の粒子径としてはD50が2μm以上であり、好ましくは2〜50μm、特に2〜20μmが最も好ましい。これより小さい粒度の場合には、正極を形成することができない。また、平均細孔径が好ましくは10nm以下であり、比表面積が600〜3000m/gであるのが好適である。また、負極活物質の粒子径としてはD50が0.5〜30μmであり、好ましくは0.5〜15μmであり、特には0.5〜6μmが好適である。また、本発明の負極活物質粒子は、比表面積が好ましくは0.1〜2000m/gであり、好ましくは0.1〜1000m/gであり、特には0.1〜600m/gが好適である。 In the present invention, the particle diameter of the positive electrode active material is such that D50 is 2 μm or more, preferably 2 to 50 μm, and most preferably 2 to 20 μm. When the particle size is smaller than this, the positive electrode cannot be formed. The average pore diameter is preferably 10 nm or less, and the specific surface area is preferably 600 to 3000 m 2 / g. Moreover, as a particle diameter of a negative electrode active material, D50 is 0.5-30 micrometers, Preferably it is 0.5-15 micrometers, Especially 0.5-6 micrometers is suitable. The negative electrode active material particle of the present invention has a specific surface area preferably 0.1~2000m 2 / g, preferably 0.1~1000m 2 / g, particularly 0.1~600m 2 / g Is preferred.

本発明における正極及び負極は、それぞれ上記の正極活物質及び負極活物質から形成されるが、その手段は既知の手段が使用できる。即ち、活物質粒子、バインダー及び必要に応じて導電性粉末を水系又は有機溶媒中に分散させてスラリーとし、該スラリーを必要に応じて使用される集電体に塗布するか、又は上記スラリーを予めシート状に成形し、これを好ましくは導電性接着剤を使用して集電体に貼り付けてもよい。ここで使用されるバインダーとしては、例えば、SBR、NBR等のゴム系バインダーや、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。なかでも、バインダーとしては、ニトリル基を有する(メタ)アクリレート重合体の使用が好ましい。また、ニトリル基を有する(メタ)アクリレート重合体としては、次の3つの重合体、即ち、(メタ)アクリル酸エステルと(メタ)アクリロニトリルとの共重合体(a)、(メタ)アクリル酸エステルと、カルボン酸基を有するビニルモノマーと、(メタ)アクリロニトリルとの共重合体(b)、(メタ)アクリル酸エステルを含む重合体に対し、(メタ)アクリロニトリルがグラフトされてなるグラフト重合体(c)が好ましい。   The positive electrode and negative electrode in the present invention are formed from the above positive electrode active material and negative electrode active material, respectively, and known means can be used. That is, active material particles, a binder and, if necessary, conductive powder are dispersed in an aqueous or organic solvent to form a slurry, and the slurry is applied to a current collector as necessary, or the slurry is It may be formed into a sheet in advance, and this may be attached to the current collector, preferably using a conductive adhesive. Examples of the binder used here include rubber-based binders such as SBR and NBR, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and thermoplastic resins such as polypropylene, polyethylene and polyacrylate. Can be used. Especially, as a binder, use of the (meth) acrylate polymer which has a nitrile group is preferable. Moreover, as the (meth) acrylate polymer having a nitrile group, the following three polymers, that is, a copolymer (a) of (meth) acrylic acid ester and (meth) acrylonitrile, (meth) acrylic acid ester And a copolymer (b) of a vinyl monomer having a carboxylic acid group and (meth) acrylonitrile (b), a polymer containing (meth) acrylic acid ester, and a graft polymer obtained by grafting (meth) acrylonitrile ( c) is preferred.

本発明でバインダーは、水に乳濁又は懸濁させたエマルジョン又はサスペンジョンとして使用されるのが好ましい。エマルジョン又はサスペンジョン中のバインダーの含有量は、固形分として、好ましくは30〜50重量%、特に好ましくは35〜45重量%が好適である。バインダーの使用量は、活物質粒子の電気伝導度、電極形状等によっても異なるが、活物質粒子100重量部に対して、好ましくは1〜20重量%、特に好ましくは2〜10重量%で含有させることが好適である。   In the present invention, the binder is preferably used as an emulsion or suspension emulsified or suspended in water. The content of the binder in the emulsion or suspension is preferably from 30 to 50% by weight, particularly preferably from 35 to 45% by weight, as the solid content. The amount of binder used varies depending on the electrical conductivity of the active material particles, the electrode shape, etc., but is preferably contained in an amount of 1 to 20% by weight, particularly preferably 2 to 10% by weight, based on 100 parts by weight of the active material particles. Is preferable.

本発明において、上記正極及び負極活物質粒子から負極を形成する場合、必要に応じて導電剤が使用される。導電剤としては、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等が挙げられる。導電剤は、活物質粒子の電気伝導度、電極形状等により異なるが、活物質粒子100重量部に対して好ましくは2〜40重量部、特に好ましくは5〜10重量部使用されるのが好適である。   In this invention, when forming a negative electrode from the said positive electrode and negative electrode active material particle, a electrically conductive agent is used as needed. Examples of the conductive agent include acetylene black, graphite, and metal powder. The conductive agent varies depending on the electric conductivity of the active material particles, the electrode shape, and the like, but is preferably 2 to 40 parts by weight, particularly preferably 5 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the active material particles. It is.

また、本発明のリチウムイオンキャパシタにおいて使用される非プロトン性有機溶媒電解質溶液は重要であり、これを形成する非プロトン性有機溶媒としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物を含むことが必要である。環状カーボネートとしては、好ましくは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどが挙げられる。また、鎖状カーボネートとしては、好ましくは、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネートなどが挙げられる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比率は、体積比で、1:99〜80:20が好ましく、特には10:90〜60:40が好適である。   In addition, the aprotic organic solvent electrolyte solution used in the lithium ion capacitor of the present invention is important, and the aprotic organic solvent that forms the solution needs to contain a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. It is. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and the like are preferably used. The chain carbonate is preferably dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate or the like. The mixing ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate is preferably from 1:99 to 80:20, particularly preferably from 10:90 to 60:40, in terms of volume ratio.

本発明の非プロトン性有機溶媒としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物のなかでも、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物が特に好ましく、かかる組み合わせによって、電解液の粘度上昇を抑制し、電解質の解離度を高め、伝導度を高めることができ、また、常温での特性と低温での特性のバランスがとれたキャパシタセルの作製が可能である。   As the aprotic organic solvent of the present invention, a mixture of ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate is particularly preferable among a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate, and the combination suppresses an increase in the viscosity of the electrolyte. In addition, the degree of dissociation of the electrolyte can be increased, the conductivity can be increased, and a capacitor cell in which the characteristics at normal temperature and the characteristics at low temperature are balanced can be manufactured.

本発明の非プロトン性有機溶媒としては、上記したカーボネートを含むことを必須とするが、必要により他の溶媒を含有することができる。このような他の溶媒を含む場合においても、カーボネートは、非プロトン性有機溶媒中、モル基準において、50モル%以上含有することが好ましく、特には、80モル%以上含有するのが好適である。一方、本発明の非プロトン性有機溶媒に含有される上記他の溶媒の例としては、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等が挙げられる。   As the aprotic organic solvent of the present invention, it is essential to contain the above-mentioned carbonate, but other solvents can be contained if necessary. Even when such other solvents are included, the carbonate is preferably contained in an aprotic organic solvent in an amount of 50 mol% or more, particularly preferably 80 mol% or more, on a molar basis. . On the other hand, examples of the other solvent contained in the aprotic organic solvent of the present invention include γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, methylene chloride, sulfolane and the like.

本発明において、上記の非プロトン性有機溶媒に溶解させる電解質は、リチウムイオンを生成しうる電解質が使用できる。このような電解質としては、例えばLiClO、LiAsF、LiBF、LiPF、LiN(CSO、LiN(CFSO等のリチウム塩が挙げられ、なかでもLiPFは高い導電率を得ることができ、酸化安定性にも優れているため特に好ましい。 In the present invention, an electrolyte capable of generating lithium ions can be used as the electrolyte dissolved in the aprotic organic solvent. Examples of such an electrolyte include lithium salts such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . No. 6 is particularly preferable because it can obtain high conductivity and is excellent in oxidation stability.

上記のリチウム塩及び非プロトン性有機溶媒は、充分に脱水された状態で混合され、電解質溶液とされるが、本発明では、電解質溶液中のリチウム塩の濃度は、1.3mol/l以上であることが必要である。リチウム塩の濃度が1.3mol/lより小さい場合には、得られるキャパシタの低温における内部抵抗、静電容量などの特性が劣り、本発明の目的の達成が困難である。リチウム塩の濃度は、好ましくは1.4mol/l以上であり、特に好ましくは1.5mol/l以上が好適である。一方、リチウム塩濃度は、溶媒に溶解する大きい方が好ましいが。過度に大きい場合には、溶媒中への溶解が困難であるばかリでなく、常温での特性が低下する場合があるため、通常、2.5mol/l以下、特には2.0mol/l以下であるのが好適である。   The lithium salt and the aprotic organic solvent are mixed in a sufficiently dehydrated state to form an electrolyte solution. In the present invention, the concentration of the lithium salt in the electrolyte solution is 1.3 mol / l or more. It is necessary to be. When the concentration of the lithium salt is smaller than 1.3 mol / l, the obtained capacitor has poor characteristics such as internal resistance and capacitance at low temperature, and it is difficult to achieve the object of the present invention. The concentration of the lithium salt is preferably 1.4 mol / l or more, particularly preferably 1.5 mol / l or more. On the other hand, it is preferable that the lithium salt concentration is large so that it can be dissolved in a solvent. If it is excessively large, it is difficult to dissolve in a solvent, and the properties at room temperature may deteriorate. Therefore, it is usually 2.5 mol / l or less, particularly 2.0 mol / l or less. Is preferred.

本発明のリチウムイオンキャパシタとしては、特に、帯状の正極と負極とをセパレータを介して捲回させる捲回型セル、板状の正極と負極とをセパレータを介して各3層以上積層された積層型セル、あるいは、板状の正極と負極とをセパレータを介した各3層以上積層物を外装フィルム内に封入したフィルム型セル等の大容量のセルに適する。これらのセルの構造は、国際公開WO00/07255号公報、国際公開WO03/003395号公報、特開2004−266091号公報等により既に知られており、本発明のキャパシタセルもかかる既存のセルと同様な構成とすることができる。   As the lithium ion capacitor of the present invention, in particular, a wound cell in which a strip-like positive electrode and a negative electrode are wound through a separator, and a laminate in which three or more layers each of a plate-like positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator. It is suitable for large-capacity cells such as a type cell or a film type cell in which a laminate of three or more layers each having a plate-like positive electrode and negative electrode through a separator is enclosed in an exterior film. The structures of these cells are already known from International Publication WO 00/07255, International Publication WO 03/003395, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266091, etc., and the capacitor cell of the present invention is similar to such an existing cell. It can be set as a simple structure.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。(負極製造法)
厚さ0.5mmのフェノール樹脂成形板をシリコニット電気炉中に入れ、窒素雰囲気下で550℃まで50℃/時間の速度で、更に10℃/時間の速度で670℃まで昇温し、熱処理し、PASを合成した。かくして得られたPAS板をボールミルで粉砕することにより、平均粒子径が4μmのPAS粉体を得た。このPAS粉体のH/C比は0.2であった。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. (Negative electrode manufacturing method)
A 0.5 mm-thick phenolic resin molded plate is placed in a siliconite electric furnace, heated to 550 ° C. at a rate of 50 ° C./hour, and further at a rate of 10 ° C./hour to 670 ° C. in a nitrogen atmosphere, followed by heat treatment. PAS was synthesized. The PAS plate thus obtained was pulverized with a ball mill to obtain a PAS powder having an average particle size of 4 μm. The H / C ratio of this PAS powder was 0.2.

次に、上記PAS粉体92重量部、アセチレンブラック粉体6重量部、アクリル系バインダー5重量部、カルボキシメチルセルロース3重量部、水200重量部となる組成にて充分混合することによりスラリーを得た。   Next, a slurry was obtained by sufficiently mixing the composition of 92 parts by weight of the PAS powder, 6 parts by weight of acetylene black powder, 5 parts by weight of an acrylic binder, 3 parts by weight of carboxymethyl cellulose, and 200 parts by weight of water. .

厚さ32μm(気孔率57%)の銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)両面に負極のスラリーをロールコーターにて該負極集電体の両面に成形し、真空乾燥後、全体の厚さ(両面の負極電極層厚さと両面の導電層厚さと負極集電体厚さの合計)が89μmの負極を得た。   A slurry of negative electrode is formed on both sides of a copper expanded metal (manufactured by Nippon Metal Industry Co., Ltd.) having a thickness of 32 μm (porosity 57%) on both sides of the negative electrode current collector with a roll coater, vacuum dried, and then the total thickness A negative electrode having a total thickness of negative electrode layers on both sides, conductive layer thickness on both sides, and negative electrode current collector thickness of 89 μm was obtained.

(正極製造法)
比表面積2200m/gの市販活性炭粉末92重量部、アセチレンブラック粉体6重量部、アクリル系バインダー7重量部、カルボキシメチルセルロース4重量部、水200重量部となる組成にて充分混合することによりスラリーを得た。
厚さ38μm(気孔率47%)のアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)両面に非水系のカーボン系導電塗料をロールコーターにてコーティングし、乾燥することにより導電層が形成された正極用集電体を得た。全体の厚み(集電体厚みと導電層厚みの合計)は52μmであり貫通孔はほぼ導電塗料により閉塞された。上記正極のスラリーをロールコーターにて該正極集電体の両面に成形し、真空乾燥後、正極全体の厚さ(両面の正極電極層厚さと両面の導電層厚さと正極集電体厚さの合計)が173μmの正極を得た。
(Positive electrode manufacturing method)
Slurry by mixing thoroughly with a composition of 92 parts by weight of commercially available activated carbon powder having a specific surface area of 2200 m 2 / g, 6 parts by weight of acetylene black powder, 7 parts by weight of acrylic binder, 4 parts by weight of carboxymethylcellulose, and 200 parts by weight of water Got.
A positive electrode with a conductive layer formed by coating a non-aqueous carbon-based conductive paint with a roll coater on both sides of an aluminum expanded metal (made by Nippon Metal Industry Co., Ltd.) with a thickness of 38 μm (porosity 47%). A current collector was obtained. The total thickness (the sum of the current collector thickness and the conductive layer thickness) was 52 μm, and the through-hole was almost blocked by the conductive paint. The positive electrode slurry is formed on both sides of the positive electrode current collector by a roll coater, and after vacuum drying, the thickness of the entire positive electrode (the thickness of the positive electrode layer on both sides, the thickness of the conductive layer on both sides, and the thickness of the positive electrode current collector). A positive electrode having a total of 173 μm was obtained.

(負極の単位重量当たりの静電容量測定)
上記負極を1.5×2.0cmサイズに4枚切り出し、評価用負極とした。負極と対極として1.5×2.0cmサイズ、厚み200μmの金属リチウムを厚さ50μmのポリエチレン製不織布をセパレータとして介し模擬セルを組んだ。参照極として金属リチウムを用いた。電解液としては、プロピレンカーボネートに、1モル/lの濃度にLiPFを溶解した溶液を用いた。充電電流1mAにて負極活物質重量に対して600mAh/g分のリチウムを充電し、その後1mAにて1.5Vまで放電を行った。放電開始後1分後の負極の電位から0.2V電位変化する間の放電時間より負極の単位重量当たりの静電容量を求めたところ912F/gであった。
(Capacitance measurement per unit weight of negative electrode)
Four negative electrodes were cut into 1.5 × 2.0 cm 2 sizes, and used as negative electrodes for evaluation. As a negative electrode and a counter electrode, a simulation cell was assembled with a metallic lithium having a size of 1.5 × 2.0 cm 2 and a thickness of 200 μm as a separator and a nonwoven fabric made of polyethylene having a thickness of 50 μm. Metallic lithium was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 in propylene carbonate at a concentration of 1 mol / l was used. Lithium was charged for 600 mAh / g with respect to the weight of the negative electrode active material at a charging current of 1 mA, and then discharged to 1.5 V at 1 mA. When the electrostatic capacity per unit weight of the negative electrode was determined from the discharge time during which the potential of the negative electrode changed 0.2 V from the potential of the negative electrode 1 minute after the start of discharge, it was 912 F / g.

(正極の単位重量当たりの静電容量測定)
上記正極を1.5×2.0cmサイズに4枚切り出し、評価用正極とした。正極と対極として1.5×2.0cmサイズ、厚み200μmの金属リチウムを厚さ50μmのポリエチレン製不織布をセパレーターとして介し模擬セルを組んだ。参照極としてリチウム金属を用いた。電解液としては、プロピレンカーボネートに、1モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用いた。充電電流1mAにて3.6Vまで充電しその後定電圧充電を行い、総充電時間1時間の後、1mAにて2.5Vまで放電を行った。3.5V〜2.5V間の放電時間より正極の単位重量当たりの静電容量を求めたところ160F/gであった。
(Capacitance measurement per unit weight of positive electrode)
Four positive electrodes were cut into 1.5 × 2.0 cm 2 sizes, and used as positive electrodes for evaluation. As a positive electrode and a counter electrode, a simulation cell was assembled with a lithium metal non-woven fabric having a size of 1.5 × 2.0 cm 2 and a thickness of 200 μm and a thickness of 50 μm as a separator. Lithium metal was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 in propylene carbonate at a concentration of 1 mol / l was used. The battery was charged to 3.6 V at a charging current of 1 mA and then charged at a constant voltage. After a total charging time of 1 hour, the battery was discharged to 2.5 V at 1 mA. When the electrostatic capacity per unit weight of the positive electrode was determined from the discharge time between 3.5 V and 2.5 V, it was 160 F / g.

(フィルム型キャパシタセル作成方法)
正極を2.4cm×3.8cmに5枚カットし、負極を2.4cm×3.8cmに6枚カットし、図1のようにセパレータを介して積層し、150℃12時間乾燥した後、最上部と最下部はセパレータを配置させて4辺をテープ止めして電極積層ユニットを得た。負極活物質重量に対して600mAh/g分のリチウム金属としては、厚さ70μmのリチウム金属箔を厚さ23μmの銅ラスに圧着したものを用い、負極と対向するように電極積層ユニットの最外部に1枚配置した。負極(6枚)とリチウム金属を圧着したステンレス網はそれぞれ溶接し、接触させ電極積層ユニットを得た。上記電極積層ユニットの正極集電体の端子溶接部(5枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾3mm、長さ50mm、厚さ0.1mmのアルミニウム製正極端子を重ねて超音波溶接した。同様に負極集電体の端子溶接部(6枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾3mm、長さ50mm、厚さ0.1mmのニッケル製負極端子を重ねて超音波溶接し、縦60mm、横30mm、深さ3mmに深絞りした外装フィルム1枚と深絞りしていない外装フィルム1枚の間に設置した。
(Film type capacitor cell creation method)
After cutting 5 pieces of the positive electrode to 2.4 cm × 3.8 cm and 6 pieces of the negative electrode to 2.4 cm × 3.8 cm, laminating them via a separator as shown in FIG. 1 and drying at 150 ° C. for 12 hours, Separators were placed on the uppermost and lowermost parts, and four sides were taped to obtain an electrode laminate unit. As the lithium metal for 600 mAh / g with respect to the weight of the negative electrode active material, a lithium metal foil with a thickness of 70 μm is bonded to a copper lath with a thickness of 23 μm, and the outermost part of the electrode stack unit is opposed to the negative electrode. One was placed in the. The negative electrode (six pieces) and the stainless steel mesh bonded with lithium metal were welded and brought into contact with each other to obtain an electrode laminated unit. An aluminum positive terminal having a width of 3 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.1 mm, in which a sealant film is heat-sealed in advance to the seal portion, is stacked on the terminal welded portion (five pieces) of the positive electrode current collector of the electrode laminate unit. Ultrasonic welding. Similarly, a nickel negative electrode terminal having a width of 3 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.1 mm, in which a sealant film is thermally fused in advance to the seal portion, is superposed on the terminal welded portion (six pieces) of the negative electrode current collector, and ultrasonic welding is performed. Then, it was installed between one exterior film deeply drawn to 60 mm in length, 30 mm in width, and 3 mm in depth, and one exterior film not deeply drawn.

外装ラミネートフィルムの端子部2辺と他の1辺を熱融着した後、電解液を真空含浸させ、その後、残り1辺を減圧下にて熱融着し、真空封止を行うことによりフィルム型キャパシタセルを組立てた。   After heat-sealing the two sides of the terminal part of the exterior laminate film and the other side, the film is impregnated with the electrolyte, and then the other side is heat-sealed under reduced pressure and vacuum sealed. Type capacitor cell was assembled.

実施例1では、電解液として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを体積比で3:4:1とした混合溶媒に、1.3モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、3セル作製した。 In Example 1, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.3 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a volume ratio of 3: 4: 1 as an electrolytic solution was used. Three cells were produced.

実施例2では、電解液として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを体積比で3:4:1とした混合溶媒に、1.5モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、3セル作製した。 In Example 2, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.5 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a volume ratio of 3: 4: 1 as an electrolytic solution was used. Three cells were produced.

実施例3では、電解液として、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比で、2:3とした混合溶媒に、1.5モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、3セル作製した。 In Example 3, a solution of LiPF 6 dissolved at a concentration of 1.5 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 2: 3 was used as an electrolytic solution. did.

比較例1では、電解液として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを体積比で3:4:1とした混合溶媒に、1.0モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、3セル作製した。 In Comparative Example 1, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a volume ratio of 3: 4: 1 as an electrolytic solution was used. Three cells were produced.

比較例2では、電解液として、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートを体積比で2:3とした混合溶媒に、1.5モル/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、3セル作製した。 In Comparative Example 2, three cells were produced using a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.5 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate in a volume ratio of 2: 3 as an electrolytic solution.

(セルの特性評価)
セル組み立て後14日間放置後に各1セルずつ分解したところ、リチウム金属はいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに912F/gの静電容量を得るためのリチウムイオンが予備充電されたと判断した。
(Characteristic evaluation of cells)
When each cell was disassembled after standing for 14 days after cell assembly, all the lithium metal was completely lost. Therefore, lithium ions for obtaining a capacitance of 912 F / g per unit weight of the negative electrode active material were obtained. Judged to be precharged.

その後、各1セルずつ、正極と負極を短絡させ正極の電位を測定したところ、いずれの正極電位も0.85〜0.95Vの範囲であり、2.0V以下であった。   Then, when the positive electrode and the negative electrode were short-circuited for each cell and the potential of the positive electrode was measured, all the positive electrode potentials were in the range of 0.85 to 0.95 V, and were 2.0 V or less.

残ったフィルム型キャパシタの各セルを、200mAの定電流でセル電圧が3.8Vになるまで充電し、その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を30分行った。次いで、200mAの定電流でセル電圧1.9Vになるまで放電した。この3.8V−1.9Vサイクルのセル容量、放電開始電圧、放電終了電圧、平均電圧、IRドロップから初期静電容量、エネルギー密度、直流抵抗を算出した。   Each cell of the remaining film-type capacitor was charged with a constant current of 200 mA until the cell voltage reached 3.8 V, and then a constant current-constant voltage charge for applying a constant voltage of 3.8 V was performed for 30 minutes. Next, the battery was discharged at a constant current of 200 mA until the cell voltage reached 1.9V. The initial capacitance, energy density, and direct current resistance were calculated from the cell capacity, discharge start voltage, discharge end voltage, average voltage, and IR drop of this 3.8V-1.9V cycle.

その後、−30℃の恒温槽に3時間放置した後、同様の充放電サイクルを行い、静電容量、直流抵抗を算出した。   Then, after leaving it to stand in a -30 degreeC thermostat for 3 hours, the same charging / discharging cycle was performed, and the electrostatic capacitance and DC resistance were computed.

Figure 2007067188
Figure 2007067188

表1に示されるように、予めリチウムイオンをドーピングさせたセルにおいては、いずれのセルも高いエネルギー密度を有している。なお、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で3:4:1とした混合溶媒に、2.0mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液はセル作製時にLiPFの結晶が析出しており、電解液溶質濃度2.0mol/lのセルが作製できなかったことから、溶質濃度は2.0mol/l以下が好ましい。また、電解液溶媒に環状カーボネートのみを用いた場合(比較例2)、室温での直流抵抗が他のものと比較して大幅に高いことから電解液溶媒は環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒であることが好ましい。 As shown in Table 1, in the cells previously doped with lithium ions, each cell has a high energy density. A solution of LiPF 6 dissolved at a concentration of 2.0 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a weight ratio of 3: 4: 1 causes LiPF 6 crystals to precipitate during cell preparation. Since the cell having an electrolyte solution solute concentration of 2.0 mol / l could not be prepared, the solute concentration is preferably 2.0 mol / l or less. In addition, when only cyclic carbonate is used as the electrolyte solvent (Comparative Example 2), the electrolyte solvent is a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate because DC resistance at room temperature is significantly higher than that of other solvents. It is preferable that

Figure 2007067188
Figure 2007067188

表2に示されるように、本発明の実施例のキャパシタセルは、比較例1に比べて、−30℃における静電容量が高く、また直流抵抗が低いことから低温特性に優れていることがわかる。また、溶質濃度1.3mol/lの場合(実施例1)に比べ溶質濃度1.5mol/lの場合(実施例2)の方が低温特性に優れていることから溶質濃度は1.5mol/l以上とするのが特に好ましい。一方、電解液溶媒に環状カーボネートのみを用いた場合(比較例2)は−30℃での特性は優れるが、室温での特性が実施例のキャパシタセルに比べ大幅に劣る(表1参照)ため、低温〜高温の特性を総合的に判断すると不適である。   As shown in Table 2, the capacitor cell of the example of the present invention has a high capacitance at −30 ° C. and a low DC resistance compared to Comparative Example 1, and thus has excellent low temperature characteristics. Recognize. In addition, since the solute concentration of 1.5 mol / l (Example 2) is superior in low temperature characteristics as compared to the case of solute concentration of 1.3 mol / l (Example 1), the solute concentration is 1.5 mol / l. It is particularly preferable to set it to 1 or more. On the other hand, when only the cyclic carbonate is used as the electrolyte solvent (Comparative Example 2), the characteristics at −30 ° C. are excellent, but the characteristics at room temperature are significantly inferior to the capacitor cell of the example (see Table 1). It is unsuitable to comprehensively judge the characteristics of low temperature to high temperature.

本発明のリチウムイオンキャパシタは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの駆動用または補助用蓄電源として極めて有効である。また、電動自転車、電動車椅子などの駆動用蓄電源、ソーラーエネルギーや風力発電などの各種エネルギーの蓄電装置、あるいは家庭用電気器具の蓄電源などとして好適に用いることができる。   The lithium ion capacitor of the present invention is extremely effective as a drive or auxiliary storage power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles and the like. Further, it can be suitably used as a storage power source for driving such as an electric bicycle or an electric wheelchair, a power storage device for various energy such as solar energy or wind power generation, or a storage power source for household electric appliances.

図1は、実施例1で使用したキャパシタセルの構造を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a capacitor cell used in Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:正極、 1’:集電体(正極)、 2:負極、
2’:集電体(負極)、 3:セパレータ 4:リチウム金属
4’:集電体(リチウム金属) 5:導線
1: positive electrode, 1 ′: current collector (positive electrode), 2: negative electrode,
2 ': Current collector (negative electrode) 3: Separator 4: Lithium metal
4 ': Current collector (lithium metal) 5: Conductor

Claims (6)

正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備えるリチウムイオンキャパシタであって、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に担持可能な物質であり、負極活物質がリチウムイオンを可逆的に担持可能な物質であり、正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2V以下になるように負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドーピングされており、かつ上記電解質溶液が、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物を含む非プロトン性有機溶媒であり、リチウム塩濃度が1.3mol/l以上であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。   A lithium ion capacitor comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolyte solution of a lithium salt as an electrolytic solution, wherein the positive electrode active material is a substance capable of reversibly carrying lithium ions and / or anions, The active material is a material capable of reversibly supporting lithium ions, and the negative electrode and / or the positive electrode is doped with lithium ions so that the potential of the positive electrode after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is 2 V or less. The lithium ion capacitor is characterized in that the electrolyte solution is an aprotic organic solvent containing a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate, and the lithium salt concentration is 1.3 mol / l or more. リチウム塩濃度が1.5〜2.0mol/lである請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein the lithium salt concentration is 1.5 to 2.0 mol / l. 前記正極及び/又は負極が、それぞれ表裏面を貫通する孔を有する集電体を備えており、負極とリチウムイオン供給源との電気化学的接触によってリチウムイオンがドーピングされている請求項1又は2に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The said positive electrode and / or negative electrode are each equipped with the electrical power collector which has the hole which penetrates front and back, respectively, The lithium ion is doped by the electrochemical contact of a negative electrode and a lithium ion supply source. The lithium ion capacitor according to 1. 負極活物質は、正極活物質に比べて、単位重量あたりの静電容量が3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物資の重量よりも大きい請求項1〜3のいずれかに項1又は2に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The negative electrode active material has a capacitance per unit weight of 3 times or more as compared with the positive electrode active material, and the positive electrode active material weight is larger than the weight of the negative electrode active material. Item 3. The lithium ion capacitor according to Item 1 or 2. 非プロトン性有機溶媒が、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物である請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein the aprotic organic solvent is a mixture of ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate. リチウム塩が、LiPF、LiN(CSO、又はLiN(CFSOである請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein the lithium salt is LiPF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , or LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
JP2005251586A 2005-08-31 2005-08-31 Lithium ion capacitor Active JP4732074B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005251586A JP4732074B2 (en) 2005-08-31 2005-08-31 Lithium ion capacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005251586A JP4732074B2 (en) 2005-08-31 2005-08-31 Lithium ion capacitor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007067188A true JP2007067188A (en) 2007-03-15
JP4732074B2 JP4732074B2 (en) 2011-07-27

Family

ID=37929023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005251586A Active JP4732074B2 (en) 2005-08-31 2005-08-31 Lithium ion capacitor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4732074B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008252013A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fuji Heavy Ind Ltd Lithium-ion capacitor
JP2010205769A (en) * 2009-02-27 2010-09-16 Fuji Heavy Ind Ltd Wound-type storage device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105669628A (en) * 2016-01-12 2016-06-15 华南农业大学 Daidzein semiantigen and complete antigen and preparation method and application

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11297578A (en) * 1998-04-10 1999-10-29 Mitsubishi Chemical Corp Electric double-layer capacitor
WO2003003395A1 (en) * 2001-06-29 2003-01-09 Kanebo, Limited Organic electrolyte capacitor
JP2003208925A (en) * 2001-09-20 2003-07-25 Asahi Glass Co Ltd Secondary power supply
JP2005228730A (en) * 2004-01-15 2005-08-25 Asahi Kasei Electronics Co Ltd Nonaqueous lithium type storage element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11297578A (en) * 1998-04-10 1999-10-29 Mitsubishi Chemical Corp Electric double-layer capacitor
WO2003003395A1 (en) * 2001-06-29 2003-01-09 Kanebo, Limited Organic electrolyte capacitor
JP2003208925A (en) * 2001-09-20 2003-07-25 Asahi Glass Co Ltd Secondary power supply
JP2005228730A (en) * 2004-01-15 2005-08-25 Asahi Kasei Electronics Co Ltd Nonaqueous lithium type storage element

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008252013A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fuji Heavy Ind Ltd Lithium-ion capacitor
JP2010205769A (en) * 2009-02-27 2010-09-16 Fuji Heavy Ind Ltd Wound-type storage device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4732074B2 (en) 2011-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4971729B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4731967B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4924966B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4813152B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4705566B2 (en) Electrode material and manufacturing method thereof
JP5236765B2 (en) Organic electrolyte capacitor
JP5322435B2 (en) Negative electrode active material for electricity storage devices
JP4857073B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4813168B2 (en) Lithium ion capacitor
JP2006286919A (en) Lithium ion capacitor
JP2007180431A (en) Lithium ion capacitor
JP2006286926A (en) Lithium ion capacitor
JP2006338963A (en) Lithium ion capacitor
JP2006286923A (en) Lithium ion capacitor
JP2007019108A (en) Lithium ion capacitor
JP2007067088A (en) Lithium ion capacitor
JP4731974B2 (en) Lithium ion capacitor
JP2007180429A (en) Lithium ion capacitor
JP4705404B2 (en) Lithium ion capacitor
JP4732074B2 (en) Lithium ion capacitor
JP5027540B2 (en) Lithium ion capacitor
JP2006310412A (en) Lithium-ion capacitor
JP2008166309A (en) Lithium ion capacitor
JP2008060479A (en) Lithium ion capacitor
JP2007180434A (en) Lithium ion capacitor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080414

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20101115

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101130

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110128

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110405

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110420

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140428

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4732074

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250