JP2007109702A

JP2007109702A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2007109702A
Application number: JP2005296223A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Komata; 一義小又
Original assignee: Hitachi AIC Inc
Current assignee: Lincstech Circuit Co Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】正極の電極が活性炭を主体とする分極性電極であり、負極の電極がリチウムを吸蔵、離脱しうる炭素材料を主体とする電極とし、リチウム塩を含んだ電解液からなる電気二重層キャパシタにおいて、エネルギー密度、最大電圧の向上と、高温DC負荷特性の向上のために、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させることか知らせているが、その吸蔵方法として、負極シートと素子外にあるリチウムとをリード線で接続すると、その分、配線部品点数が増加する。
【解決手段】負極側のリードタブは外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるはみ出し部を設け、そのはみ出し部と素子の外部に設けたリチウム金属と接合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関する。

セパレータを挟んで対向する電極と、電解液とを容器中に収容した電気二重層キャパシタの中で、正極の電極が活性炭を主体とする分極性電極であり、負極の電極がリチウムを吸蔵、離脱しうる炭素材料を主体とする電極とし、リチウム塩を含んだ電解液からなる電気二重層キャパシタにおいて、エネルギー密度、最大電圧の向上と、高温DC負荷特性の向上のために、負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させることか知らせている。その吸蔵方法として、特開２００２−２６０９７１号公報には、負極シートとリチウム箔を接触させる方法が、または、リチウム二次電池の製造方法ではあるが、特開平５−２５１１１１号公報には負極シートとリチウム箔を短絡させる方法が記載されている。
特開２００２−２６０９７１号公報特開平５−２５１１１１号公報

しかし、素子が、負極シートと正極シートとを、セパレータを介して捲回する素子の場合、乾燥された負極シート表面にリチウム箔を圧着した後での捲回方法では、乾燥雰囲気中で捲回する必要があるため設備投資が大きいという問題を生じる。また、負極シートと素子外にあるリチウムとをリード線で接続すると、その分、配線部品点数が増加する。

本発明は上記の課題を解決するために、正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極シートと、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極シートとを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記正極集電体と前記負極集電体から引き出されたリードタブが、前記蓋材を貫通した外部端子に接続されている電気二重層キャパシタにおいて、負極側のリードタブは外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるはみ出し部を設けることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極シートと、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極シートとを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記正極集電体と前記負極集電体から引き出されたリードタブが、前記蓋材を貫通した外部端子に接続されている電気二重層キャパシタにおいて、負極側のリードタブは外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるはみ出し部を設け、前記はみ出し部と前記素子の外部に設けたリチウム金属と接合させることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。

本発明により、負極シートと外部に設けたリチウム金属とが電気的に確実に接合させることができるので、リチウム金属と負極シートとの間に電気化学反応を確実にに生じさせやすく、負極炭素材にリチウムイオンがあらかじめ吸蔵やすい。
また、負極側のリードタブが、外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるので、配線部品点数を減らすことができるのと、素子内の二重の配線部分を簡素化できるので、素子効率が向上する。

負極炭素材へのリチウム吸蔵するタイプで、捲回した電気二重層キャパシタは、正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極シートとの正極と、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極シートとの負極を、セパレータを介して積層、捲回された素子と、素子に含浸される電解質とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記正極集電体と前記負極集電体から引き出されたリードタブが、前記蓋材を貫通した外部端子に接続されている。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

正極シートは、活性炭を主体とし、活性炭の他に電子伝導性を向上させる導電材が含まれる。
正極集電体は、電気化学的、化学的に耐食性のある表裏貫通した導電体であれば良い。一般的にはアルミニウム箔からなっている。
正極リードタブは、正極集電体と同じ材質からなり、正極集電体がアルミニウムの場合は、アルミニウム箔を短冊状に切断したものを使用する。正極集電体と正極リードタブとの接続は、たとえばアルミニウムの場合、冷間圧接により行われる。

負極シート１は、Ｌｉイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料に化学的方法及び／または電気化学的方法でＬｉイオンを吸蔵させた炭素質材料で、負極を製造するには、好ましくは、海綿状のシート状多孔質金属に、炭素材料に結合材、溶媒を加えて混練したスラリを塗布等によって気孔中に注入し、負極材料と集電体とを一体化する。
負極集電体２は、多孔質金属の材料を用い、リチウムと合金を形成せず、負極側の使用条件で安定な材料であれば良く、好ましくは開孔率が８０〜９９．５％のニッケル、銅またはこれらの合金が使用される。

負極リードタブ３は、ニッケル、銅またはこれらの合金等の負極集電体と同じ材質からなり、負極集電体２がニッケルの場合は、ニッケル箔を短冊状に切断したものを使用する。
厚さは１０〜３００μｍのものを用い、さらに好ましくは１００〜２００μｍが良い。負極リードタブは、外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出される。その負極リードタブはみ出し部４の長さは、１ｍｍ以上はみ出しものを用い、好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍが良い。さらに好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍが良い。
負極集電体２と負極リードタブ３との接続は、たとえばニッケルの場合、スポット溶接等の抵抗圧接により行われる。

電解液は、リチウム塩を含む非水系のものを使用する。これら正極と負極の特性を能力一杯発揮させるため、分解電圧の高い非水系溶媒が使用される。

収納素子は、正極と負極との間に、たとえば微多孔膜等のセパレータを介在させ、捲回または積層し、外装体に収納後に電解液を注液することで得られる。
外装容器はステンレスやアルミなどの金属製缶を用いる。

負極炭素材料にリチウムをあらかじめ吸蔵させる方法は、外部端子側とは反対側にも引き出される負極リードタブのはみ出した部分に、吸蔵量の必要量以上のリチウムを接合後、素子と接合したリチウムを電解液で満たすことによりなされる。
吸蔵時期は、外装容器に収容後でも良いし、外装容器に収容前の複数の素子を一つのリチウムに接合した状態で大きな容器中でもかまわない。この場合、吸蔵後、リチウムと負極リードタブのはみ出し部分４は切り離された後、素子は外装容器に収容される。
接合は、スポット溶接等の抵抗圧接、冷間圧接、または、超音波やレーザー等の溶接等により原子間隔まで近づけることにより行われる。
負極材へ吸蔵に用いるリチウムは、箔、線、棒材形状等特に限定はない。

正極を次のように作製した。すなわち、フェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭粉末（比表面積２０００ｍ² ／ｇ、平均粒径５μｍ、以下、活性炭Ａとする）８０重量％、導電助剤（電気化学工業社製の導電性カーボンブラック、以下、ＣＢとする）１０重量％、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦとする）１０重量％からなる混合物にＮ−メチル−２ピロリドン（以下、ＮＭＰとする）を添加して混練しスラリを得た。このスラリを厚さ１１０μｍ、３５０Ｖ耐圧で静電容量０．１μＦ/ｃｍ^２、目付け量５ｍｇ／ｃｍ² 、貫通穴を持つエッチングアルミ集電体（以下、Ｅｔ-Ａｌという）のシートの塗布電極を得た。１００℃で１時間乾燥した。乾燥後、ロールプレスし幅２.６ｃｍ長さ８１ｃｍ、厚さ０．２５ｍｍの正極とした。
正極の単極容量は１５１Ｆ、すなわち２Ｖあたりの容量は８４.１ｍＡｈであった。

次に負極を次のように作製した。炭素材料はＸ線回折による［００２］面の面間隔０．３７３ｎｍ、粒径１９μｍの難黒鉛性炭素材料（以下、炭素材料Ａとする）を負極に用い９５重量％、ＰＶＤＦ５重量％からなる混合物にＮＭＰを重量比で３倍量加え、撹拌混合し、炭素材料ＡがＰＶＤＦのＮＭＰ溶液に分散したスラリを得た。
このスラリを目付け量５ｍｇ／ｃｍ^２で、厚さ３５μｍ、開孔率７０％圧延銅のシート（以下、Ｃｕ箔とする）の塗布電極を得た。８０℃で１時間乾燥させた後、ロールプレスし幅３.０ｃｍ長さ９５ｃｍ、厚さ０．１５５ｍｍの負極とした。
この圧縮された負極の炭素材料Ａの担持量は５.４ｍｇ／ｃｍ² であった。

正極側は、幅２．５ｍｍ、長さ４ｃｍの短冊形のアルミリードタブを、片方がはみ出すようにアルミ集電体未塗工部に冷間圧接で接続し、負極側は幅２．５ｍｍ、長さ４ｃｍの短冊形のニッケルリードタブを用いて外部端子側に１ｃｍ、それとは反対側に１ｃｍはみ出すようにはみ出部を設け、Ｃｕ箔未塗工部に超音波溶接で接続した。次に、一対のセパレータを挟んだ構造で捲回素子を作製した。この後、各リードタブと外部端子を超音波接続した。

これをアルゴン雰囲気のグローブボックスに移し、乾燥後、負極リードタブはみ出し部とリチウム金属箔を冷間圧接し接続させた状態で、１．５ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ₆ を溶かしたエチレンカーボネート（以下、ＥＣという）とエチルメチルカーボネート（以下、ＥＭＣという）の容積比１：３の電解液をガラス缶容器中に満たして注入し捲回素子に含浸した。そのあと温度４０℃で３１時間放置した。
この加温操作で負極電極に直向してあった必要充電量より過剰なリチウム箔がイオン化した状態で負極電極に化学的に取り込まれる。
この負極が脱離しうるＬｉ⁺ 量は７１２ｍＡｈであり、負極総充電量当たり充電量４０％であった。
ガラス缶容器から捲回素子を取り出し、負極リードタブのみ出し部からリチウム箔を剥がし、はみ出し部を折りたたむ。素子をＡｌ容器中に入れレーザー溶接で封口した。

捲回素子を実施例１と同様に作製し、各リードタブと外部端子を超音波接続した。
これをアルゴン雰囲気のグローブボックスに移し、乾燥後、負極リードタブはみ出し部と外装容器の内径より小さい直径１ｃｍの円形のリチウム金属箔を冷間圧接し接続させた状態で、外装容器に収容し、１．５ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ₆ を溶かしたエチレンカーボネート（以下、ＥＣという）とエチルメチルカーボネート（以下、ＥＭＣという）の容積比１：３の電解液を注入し、捲回素子に含浸し、レーザー溶接で封口した。そのあと温度４０℃で３１時間放置した。
この負極が脱離しうるＬｉ⁺ 量は７１２ｍＡｈであり、負極総充電量当たり充電量４０％であった。

本発明による負極引き出し電極はみ出し構造の一例を示す模式図

符号の説明

１：負極シート、２：負極集電体、３：負極リードタブ、４：負極リードタブのはみ出し部。

Claims

正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極シートと、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極シートとを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記正極集電体と前記負極集電体から引き出されたリードタブが、前記蓋材を貫通した外部端子に接続されている電気二重層キャパシタにおいて、負極側のリードタブは外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるはみ出し部を設けることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
正極集電体とその表面に設けた主に正極炭素材からなる正極シートと、負極集電体とその表面に設けた主に負極炭素材からなる負極シートとを、セパレータを介して捲回した素子と、電解液とを容器中に収容し、蓋材により封口されていて、前記正極集電体と前記負極集電体から引き出されたリードタブが、前記蓋材を貫通した外部端子に接続されている電気二重層キャパシタにおいて、負極側のリードタブは外部端子側に引き出されるとともに、外部端子側とは反対側にも引き出されるはみ出し部を設け、前記はみ出し部と前記素子の外部に設けたリチウム金属と接合させることを特徴とする電気二重層キャパシタ。