JP2009043747A - Hybrid capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Tetsushi Komukai
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hybrid capacitor which can have high volume energy density and long-period cycle characteristics, and a manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: Disclosed is an asymmetrical electrical double layer capacitor which uses a polarizing electrode made principally of active carbon as a positive electrode and a Faraday electrode using an SiLix film and capable of reversibly absorbing Li ions as a negative electrode, and uses a non-aqueous electrolyte containing Li salt as an electrolyte. The SiLix film may be formed by doping an Si film formed on metal foil with Li or may be formed directly on current collector metal foil by sputtering an Si-Li alloy target. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高体積エネルギー密度化が可能な非対称型電気二重層キャパシタに関する。   The present invention relates to an asymmetric electric double layer capacitor capable of increasing the volume energy density.

電気二重層キャパシタは、活性炭を主成分とした正負の分極性電極と電解液中の電解質界面に生じる電気二重層を利用したキャパシタであり、小型機器のメモリバックアップ電源に広く用いられている。また、近年は補助電源や電気自動車などの中型・大型用途にも有望視されており、エネルギー密度の高い電気二重層キャパシタの実現が望まれている。
ここで、キャパシタのセルに蓄積されるエネルギーEは、キャパシタの静電容量C(F)、耐電圧V(V)を用い、E=1/2CV で表わされる。したがって、エネルギー密度向上には、キャパシタの静電容量Cと耐電圧Vが大きいほど有利である。
従来の対称型の電気二重層キャパシタにおいては、電極の主成分である活性炭を得るときの出発物質や賦活条件などの検討により、表面積を増やして静電容量密度を上げるという手法が検討されている。
例えば、石油コークスに水酸化カリウムを混合したものを焼成することにより、比表面積2000m/gないし3500m/gの高比表面積の活性炭を得る手法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、活性炭の比表面積増大には限界があるほか、比表面積を増やすにつれて活性炭が嵩高くなり、体積当たりの静電容量を向上させることが難しくなるという問題がある。また、耐電圧に関しては、過度に電圧を上げると電解液が電気分解して内部抵抗の増加や静電容量の低下を招くという問題があり、水系電解液で1.3V、有機溶媒系電解液で約2.7Vに限界がある。
An electric double layer capacitor is a capacitor that uses an electric double layer generated at the electrolyte interface in an electrolyte and positive and negative polarizable electrodes mainly composed of activated carbon, and is widely used as a memory backup power source for small devices. In recent years, it is also considered promising for medium and large-sized applications such as auxiliary power supplies and electric vehicles, and realization of electric double layer capacitors with high energy density is desired.
Here, the energy E stored in the cell capacitor, the capacitance of the capacitor C (F), using a withstand voltage V (V), is expressed by E = 1 / 2CV 2. Therefore, the larger the electrostatic capacitance C and the withstand voltage V of the capacitor, the more advantageous for improving the energy density.
In conventional symmetrical electric double layer capacitors, a method to increase the capacitance density by increasing the surface area has been studied by examining starting materials and activation conditions when obtaining activated carbon that is the main component of the electrode. .
For example, a method is disclosed in which activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g to 3500 m 2 / g is obtained by firing a mixture of petroleum coke and potassium hydroxide (see, for example, Patent Document 1). .)
However, there is a limit in increasing the specific surface area of activated carbon, and there is a problem that the activated carbon becomes bulky as the specific surface area is increased, and it is difficult to improve the capacitance per volume. As for the withstand voltage, there is a problem that if the voltage is increased excessively, the electrolytic solution is electrolyzed, leading to an increase in internal resistance and a decrease in capacitance. There is a limit of about 2.7V.

静電容量と耐電圧を同時に向上させ、キャパシタのエネルギー密度を上げる手法として、非対称型の電気二重層キャパシタ(以下ハイブリッドキャパシタと称する)が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
これは、正極に活性炭を主体とする分極性電極を、負極にはLiを可逆的に吸蔵放出可能な炭素材料にあらかじめLiをドープしたファラデー電極を、電解液にはLi塩を含んだ有機溶媒系電解液を用いることを特徴としている。このキャパシタを充放電すると、正極(分極性電極)では電解液中のアニオンが吸脱着され、負極(ファラデー電極)ではLiイオンのみが吸蔵、脱離される。また、負極にはあらかじめLiがドープされているため、負極の電位は金属Liに近い電位となっている。すなわち、充電前には正極と負極の間にはすでに3V近い電位差があって、正極(分極性電極)を電解液の電気分解電圧付近まで充電した時の正負極の電位差は約4.3Vとなり、これがキャパシタの耐電圧に相当する。また、負極はファラデー電極であるため、ハイブリッドキャパシタの静電容量は正極の静電容量に等近くなり、従来の両極に分極性電極を用いた対称型の電気二重層キャパシタの約2倍となる。
特開昭63−78513号公報 特開平8−107048号公報
An asymmetric electric double layer capacitor (hereinafter referred to as a hybrid capacitor) has been disclosed as a technique for simultaneously increasing the capacitance and withstand voltage and increasing the energy density of the capacitor (see, for example, Patent Document 2).
This consists of a polarizable electrode mainly composed of activated carbon for the positive electrode, a Faraday electrode doped with Li in advance in a carbon material capable of reversibly occluding and releasing Li, and an organic solvent containing Li salt in the electrolyte. It is characterized by using a system electrolyte. When this capacitor is charged and discharged, the anion in the electrolyte is adsorbed and desorbed at the positive electrode (polarizable electrode), and only the Li ion is occluded and desorbed at the negative electrode (Faraday electrode). In addition, since the negative electrode is preliminarily doped with Li, the potential of the negative electrode is close to that of metal Li. That is, there is already a potential difference of nearly 3 V between the positive electrode and the negative electrode before charging, and the potential difference between the positive and negative electrodes when the positive electrode (polarizable electrode) is charged to near the electrolysis voltage of the electrolyte is about 4.3 V. This corresponds to the withstand voltage of the capacitor. Moreover, since the negative electrode is a Faraday electrode, the capacitance of the hybrid capacitor is equal to the capacitance of the positive electrode, which is about twice that of a symmetric type electric double layer capacitor using a polarizable electrode for both electrodes. .
JP-A-63-78513 Japanese Patent Laid-Open No. 8-1007048

上記のように、ハイブリッドキャパシタのエネルギー密度の向上を図るために、様々な検討がなされているが、更なるエネルギー密度の向上を図るためには、正極および負極の高容量化が効果的といえる。
しかしながら負極の活性炭の表面積増加にも限界があり、また負極材料の黒鉛においてもおのずと理論最大容量372mAh/g、837mAh/mlの限界が生じる。
更なるハイブリッドキャパシタのエネルギー密度向上のために、負極にLiを可逆的に吸蔵放出可能な材料として、二次電池などで検討されているSiやSnを使うことが考えられる。炭素(黒鉛)の単位体積当たりの理論容量は837mAh/mlであるのに対し、Siの単位体積当たりの理論容量は9770mAh/mlであるため、同じ負極容量を得るのに必要な体積を小さくでき、ハイブリッドキャパシタの体積エネルギー密度を向上させることが期待できる。またSnの単位体積当たりの理論容量は7220mAh/mlで、同様にハイブリッドキャパシタの体積エネルギー密度を向上させることが期待できる。
As described above, various studies have been made to improve the energy density of the hybrid capacitor, but it can be said that increasing the capacities of the positive electrode and the negative electrode is effective in order to further improve the energy density. .
However, there is a limit to the increase in the surface area of the activated carbon of the negative electrode, and the limits of the theoretical maximum capacity of 372 mAh / g and 837 mAh / ml naturally occur in the graphite of the negative electrode material.
In order to further improve the energy density of the hybrid capacitor, it is conceivable to use Si or Sn, which has been studied for secondary batteries, as a material capable of reversibly inserting and extracting Li in the negative electrode. The theoretical capacity per unit volume of carbon (graphite) is 837 mAh / ml, whereas the theoretical capacity per unit volume of Si is 9770 mAh / ml, so the volume necessary to obtain the same negative electrode capacity can be reduced. It can be expected that the volume energy density of the hybrid capacitor is improved. Further, the theoretical capacity per unit volume of Sn is 7220 mAh / ml, and it can be expected that the volume energy density of the hybrid capacitor is similarly improved.

本発明の目的は、高体積エネルギー密度が得られ、なおかつ長期サイクル特性が得られるハイブリッドキャパシタ用負極、およびこの負極を用いたハイブリッドキャパシタを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a negative electrode for a hybrid capacitor capable of obtaining a high volume energy density and obtaining long-term cycle characteristics, and a hybrid capacitor using the negative electrode.

本発明は、Liイオンを可逆的に吸蔵しうるファラデー電極として、集電体金属箔上の少なくとも最表部にSiLix膜を形成した負極として用いることにより、前記課題を解決しようとするものである。
すなわち本発明のハイブリッドキャパシタは、正極に活性炭を主体とする分極性電極、負極にLiイオンを可逆的に吸蔵しうるファラデー電極を用い、電解液にLi塩を含む非水系電解液を用いた非対称型電気二重層キャパシタであって、集電体金属箔上に形成された負極のファラデー電極の少なくとも最表部にはSiLix膜が形成されていることを特徴とするものである。
このSiLix膜におけるxは0.3以上5.5以下であることが好ましい。
The present invention seeks to solve the above problem by using as a Faraday electrode capable of reversibly occluding Li ions as a negative electrode having a SiLix film formed on at least the outermost surface of the current collector metal foil. .
That is, the hybrid capacitor of the present invention uses a polarizable electrode mainly composed of activated carbon for the positive electrode, a Faraday electrode capable of reversibly occluding Li ions for the negative electrode, and an asymmetrical solution using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt as the electrolyte. The type electric double layer capacitor is characterized in that a SiLix film is formed on at least the outermost surface of the negative Faraday electrode formed on the current collector metal foil.
In the SiLix film, x is preferably 0.3 or more and 5.5 or less.

本発明のハイブリッドキャパシタの製造方法の一つは、集電体金属箔上にSi膜を形成した後、該Si膜表面に電気化学的にLiをドープして少なくとも最表部にSiLix膜を有する負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することからなるハイブリッドキャパシタの製造方法とした。
また、もう一つの本発明のハイブリッドキャパシタの製造方法は、集電体金属箔上にSi−Li合金膜を形成した後、該Si−Li合金膜表面に電気化学的にLiをドープして少なくとも最表部にSiLix膜を有する負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することからなるハイブリッドキャパシタの製造方法とした。
更に、もう一つの本発明のハイブリッドキャパシタの製造方法は、集電体金属箔上にSiLix膜からなる負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することからなるハイブリッドキャパシタの製造方法とした。
このSiLix膜におけるxは0.3以上5.5以下であることが好ましい。
これら本発明のハイブリッドキャパシタの製造方法においては、前記Si膜もしくはSiLix膜の形成方法として気相蒸着法を利用することができる。そして該気相蒸着法としては、スパッタリング法または真空蒸着法を利用することができる。
One of the methods for manufacturing a hybrid capacitor of the present invention is to form a Si film on a current collector metal foil, then electrochemically dope Li on the surface of the Si film, and have a SiLix film at least on the outermost part. A method for producing a hybrid capacitor was obtained, in which a negative electrode was formed, the negative electrode and a positive electrode made of activated carbon were opposed to each other with a separator interposed therebetween, and a laminate cell was produced using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt.
Further, another method of manufacturing a hybrid capacitor according to the present invention includes forming a Si-Li alloy film on a current collector metal foil, and then electrochemically doping Li on the surface of the Si-Li alloy film. A hybrid capacitor formed by forming a negative electrode having a SiLix film on the outermost surface, making the negative electrode and a positive electrode made of activated carbon face each other with a separator interposed therebetween, and producing a laminate cell using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt It was set as the manufacturing method of this.
Furthermore, another method of manufacturing a hybrid capacitor according to the present invention is to form a negative electrode made of a SiLix film on a current collector metal foil, and to make the negative electrode and a positive electrode made of activated carbon face each other with a separator interposed therebetween. A method for producing a hybrid capacitor comprising producing a laminate cell using a nonaqueous electrolyte solution is included.
In the SiLix film, x is preferably 0.3 or more and 5.5 or less.
In these hybrid capacitor manufacturing methods of the present invention, a vapor deposition method can be used as a method of forming the Si film or the SiLix film. As the vapor deposition method, a sputtering method or a vacuum deposition method can be used.

本発明のハイブリッドキャパシタは、電体金属箔上の少なくとも最表部にSiLix膜を形成したSiLix膜を負極として用いることでサイクル特性に優れたハイブリッドキャパシタを提供することができ、従来の電気二重層キャパシタより体積エネルギー密度を向上させることができる。   The hybrid capacitor of the present invention can provide a hybrid capacitor having excellent cycle characteristics by using a SiLix film having a SiLix film formed on at least the outermost surface of the metal foil as a negative electrode. Volume energy density can be improved more than a capacitor.

ここで、ハイブリッドキャパシタの動作概念について説明する。ハイブリッドキャパシタを充放電した時の正極、負極の電位と電気容量の変化の模式図を図1に示す。充放電時には、正極では電解液中のアニオンの吸着、負極では電解液中のLiイオンの挿入によりそれぞれ電気容量が生じる。充電を始めると正極では電気容量、電位共に増加し、負極では電気容量、電位共に低下する。放電を始めると逆に正極では電気容量、電位共に低下し、負極では電気容量、電位共に増加する。
正負極での電気容量をQ、正負極の静電容量をCおよびC、正負極における電圧変化をΔVおよびΔVとすると、
Q=CΔV=CΔV ・・・・・・(1)
ΔV>>ΔVとすると、(1)式よりC<<Cとなる。このキャパシタはCとCを直列に並べたものになるので、セルの静電容量CcellはCにほぼ等しくなる。したがって、負極材料としては、Li挿入時の電位変化が小さいものほど好ましい。また、正極と負極の電位差がキャパシタの耐電圧に相当するため、Li挿入電位が低いものほど好ましい。SnはLi挿入電位が黒鉛よりも高いため、キャパシタの耐電圧が小さくなってしまう。一方、充電が進んでLiが十分にドープされたSiは、黒鉛とほぼ同等のLi挿入電位を有しており、Li挿入時の電位変化も少ない。また、SiにLiあらかじめ十分にドープしておくことにより、SEI(固体電解質界面層)の形成による不可逆容量を補うことができる。
Here, the operation concept of the hybrid capacitor will be described. FIG. 1 shows a schematic diagram of changes in potential and electric capacity of the positive and negative electrodes when the hybrid capacitor is charged and discharged. At the time of charging / discharging, electric capacity is generated by adsorption of anions in the electrolytic solution in the positive electrode and insertion of Li ions in the electrolytic solution in the negative electrode. When charging is started, both the capacitance and potential increase at the positive electrode, and both the capacitance and potential decrease at the negative electrode. On the contrary, when the discharge is started, both the electric capacity and the potential decrease at the positive electrode, and both the electric capacity and the electric potential increase at the negative electrode.
If the capacitance at the positive and negative electrodes is Q, the capacitance at the positive and negative electrodes is C a and C c , and the voltage change at the positive and negative electrodes is ΔV a and ΔV c ,
Q = C a ΔV a = C c ΔV c (1)
If ΔV c >> ΔV a , C c << C a from equation (1). Since this capacitor has C a and C c arranged in series, the capacitance C cell of the cell is substantially equal to C c . Therefore, the smaller the potential change when inserting Li, the more preferable the negative electrode material. Moreover, since the potential difference between the positive electrode and the negative electrode corresponds to the withstand voltage of the capacitor, a lower Li insertion potential is preferable. Since Sn has a higher Li insertion potential than graphite, the withstand voltage of the capacitor is reduced. On the other hand, Si that is sufficiently charged and Li is sufficiently doped has a Li insertion potential almost equal to that of graphite, and the potential change during insertion of Li is small. In addition, by fully doping Si in advance with Li, the irreversible capacity due to the formation of SEI (solid electrolyte interface layer) can be compensated.

本発明の特徴は、正極に活性炭を主体とする分極性電極、負極にリチウムイオンを可逆的に吸蔵しうるファラデー電極を用い、電解液にリチウム塩を含む非水系電解液を用いたハイブリッドキャパシタであって、負極にSi(ボロンやリンをドープしてn型、p型半導体化したものを含む)またはSi−Li合金にLiをドープしたり、気相蒸着法等により直接形成したSiLixを使用することにある。SiまたはSi−Li合金にLiをドープしたり、直接SiLixを形成することで、電位が十分に下がり不可逆容量が補われ、また正極に比べ負極の容量が十分に大きく、負極の充放電深度を小さくすることができるので、ハイブリッドキャパシタの負極として使用できるようになる。
ここで、SiLix膜中のxは0.3以上5.5以下が好ましい。xが0.3より小さい場合は、負極電位を十分に下げることができず、ハイブリッドキャパシタの耐電圧を大きくできないため好ましくない。また、xが5.5より大きい場合はプレドープ時の体積変化が大きく、ハイブリッドキャパシタを駆動させる際の僅かな体積変化でも集電体からSi膜、Si−Li合金膜もしくはSiLix膜が剥がれてしまうため好ましくない。
SiLixはxが4.4より大きくなるとLiが析出する。リチウムイオン電池の負極としてSiLixを用いる場合、充放電を繰り返したときにこの析出したLiがサイクル特性や安全性・信頼性に悪影響を及ぼすが、ハイブリッドキャパシタの場合はLi利用率が小さいので、さほど問題にはならない。ただ、サイクル特性をより良好にするためにはLiは析出しないことが好ましいので、xは0.3以上4.4以下が好ましい。
また、SiLixは膜作製時あるいは電気化学的なLiドープによる体積変化を抑制した方がサイクル特性は良好になるため、xは出来るだけ小さい方がよいが、電位を低くする観点からはxはできるだけ大きい方が好ましい。そのためxは1.3以上4.1以下がさらに好ましい。
A feature of the present invention is a hybrid capacitor using a polarizable electrode mainly composed of activated carbon as a positive electrode, a Faraday electrode capable of reversibly occluding lithium ions in a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt as an electrolyte. The negative electrode is Si (including boron and phosphorus doped n-type and p-type semiconductors) or Si-Li alloy is doped with Li, or SiLix formed directly by vapor deposition or the like is used. There is to do. By doping Li or directly forming SiLix into Si or Si-Li alloy, the potential is sufficiently lowered to compensate for irreversible capacity, and the capacity of the negative electrode is sufficiently larger than that of the positive electrode, and the charge / discharge depth of the negative electrode is increased. Since it can be made small, it can be used as the negative electrode of a hybrid capacitor.
Here, x in the SiLix film is preferably 0.3 or more and 5.5 or less. When x is smaller than 0.3, the negative electrode potential cannot be lowered sufficiently, and the withstand voltage of the hybrid capacitor cannot be increased. Further, when x is greater than 5.5, the volume change during pre-doping is large, and even a slight volume change when driving the hybrid capacitor causes the Si film, Si-Li alloy film, or SiLix film to peel off from the current collector. Therefore, it is not preferable.
In SiLix, when x becomes larger than 4.4, Li precipitates. When SiLix is used as the negative electrode of a lithium ion battery, the deposited Li has an adverse effect on cycle characteristics, safety and reliability when charging and discharging are repeated, but in the case of a hybrid capacitor, the Li utilization rate is small. It doesn't matter. However, since it is preferable that Li does not precipitate in order to improve the cycle characteristics, x is preferably 0.3 or more and 4.4 or less.
In addition, since SiLix has better cycle characteristics when the volume change due to film formation or electrochemical Li doping is suppressed, x should be as small as possible, but x should be as small as possible from the viewpoint of lowering the potential. Larger is preferable. Therefore, x is more preferably 1.3 or more and 4.1 or less.

SiはSiLi4.4まで金属Liを析出せずにリチウム化反応を起こすことができる。この反応に要する電気量はSi重量当たり4200mAhであり、これがSiの理論容量である。この理論容量に対する実際のLiドープに要した電気量の百分率をドープ深度と定義する。例えば、Siに電気化学的にLiをドープしてSiLi3.3とした場合はドープ深度は75%であり、Liドープに要した電気量はSi重量当たり3150mAhである。
また気相蒸着法で作製したSi−Li合金はあらかじめLiがドープされたSiとみなすことができる。例えばSiLi0.44合金はドープ深度が10%であるとみなせる。
このように作製したSi−Li合金をそのままハイブリッドキャパシタの負極として用いることができるが、必要に応じて電気化学的にLiをプレドープすることにより、さらに電位を下げて負極として用いることもできる。この場合、あらかじめドープされたLi量から算出されるドープ深度と電気化学的にLiをドープする際のLi量から算出されるドープ深度の和が正味のドープ深度である。例えば、SiLi0.44合金に電気化学的にLiをドープしてSiLi3.3とした場合はドープ深度は75%であり、LiドープにLiドープに要した電気量はSi重量当たり2730mAhである。
この定義に基づくと、本発明においてドープ深度は7%以上123%以下が好ましいと言い換えることが出来る。このとき、Si膜に電気化学的にLiをドープする際に要する電気量は、好ましくは負極重量当たり286mAh以上5155mAh以下となる。
Si can cause a lithiation reaction without depositing metallic Li up to SiLi 4.4 . The amount of electricity required for this reaction is 4200 mAh per Si weight, which is the theoretical capacity of Si. The percentage of the amount of electricity required for actual Li doping with respect to this theoretical capacity is defined as the doping depth. For example, when Si is electrochemically doped with Li to form SiLi 3.3 , the doping depth is 75%, and the amount of electricity required for Li doping is 3150 mAh per Si weight.
Moreover, the Si—Li alloy produced by the vapor deposition method can be regarded as Si doped with Li in advance. For example, SiLi 0.44 alloy can be considered to have a doping depth of 10%.
The Si—Li alloy thus produced can be used as a negative electrode of a hybrid capacitor as it is, but it can also be used as a negative electrode by further lowering the potential by electrochemically pre-doping Li as necessary. In this case, the net doping depth is the sum of the doping depth calculated from the Li amount doped in advance and the doping depth calculated from the Li amount when electrochemically doping Li. For example, when SiLi 0.44 alloy is electrochemically doped with Li to form SiLi 3.3 , the doping depth is 75%, and the amount of electricity required for Li doping to Li doping is 2730 mAh per Si weight. .
Based on this definition, it can be said that the doping depth is preferably 7% or more and 123% or less in the present invention. At this time, the amount of electricity required for electrochemically doping Li into the Si film is preferably 286 mAh or more and 5155 mAh or less per negative electrode weight.

SiまたはSi−Li合金にLiをドープする方法としては、電気化学的手法が利用できる。電気化学的手法によるLiのドープは、SiまたはSi−Li合金からなる電極と金属Li電極とを直接貼りあわせ、両極をショートさせることによって行うことができる。あるいはSiまたはSi−Li合金からなる電極と金属Li電極とをセパレータを介して対向させ、Liイオンを含む電解液に浸漬し、SiまたはSi−Li合金からなる電極がカソードとなるように電流を流すことにより行うことも出来る。金属Li電極の貼り合わせによるLiのドープはドープ量の制御が困難であるので、後者が好ましい。Liのドープ量の調整は、電流を流す時間を調節することにより行うことができる。
電気化学的にLiをドープして負極電位をできるだけ下げると、ハイブリッドキャパシタの耐電圧が大きくできるので、エネルギー密度を向上させることができる。Si−Li合金膜はあらかじめLiがドープされているSi膜とみなすことができ、そのままでもハイブリッドキャパシタの負極として用いることができるが、場合によっては電気化学的にLiをプレドープにより、さらに電位を下げることが有効である。
An electrochemical method can be used as a method of doping Si or Si—Li alloy with Li. Li doping by an electrochemical method can be performed by directly bonding an electrode made of Si or a Si—Li alloy and a metal Li electrode and short-circuiting both electrodes. Alternatively, an electrode made of Si or Si—Li alloy and a metal Li electrode are made to face each other through a separator, immersed in an electrolyte containing Li ions, and an electric current is applied so that the electrode made of Si or Si—Li alloy becomes a cathode. It can also be done by flowing. Since the doping of Li by bonding of metal Li electrodes is difficult to control the doping amount, the latter is preferable. The doping amount of Li can be adjusted by adjusting the time during which the current flows.
When the negative electrode potential is lowered as much as possible by doping Li electrochemically, the withstand voltage of the hybrid capacitor can be increased, so that the energy density can be improved. The Si-Li alloy film can be regarded as a Si film doped with Li in advance, and can be used as it is as a negative electrode of a hybrid capacitor. However, in some cases, the potential is further lowered by electrochemically pre-doping Li. It is effective.

使用するSiまたはSi−Li合金は、銅箔、アルミニウム箔、ニッケル箔等からなる集電体上にスパッタリング法あるいは真空蒸着法といった気相蒸着法により形成したSi薄膜またはSi−Li合金薄膜であることが好ましい。これらの方法によれば、集電体上に均一な薄膜を容易に形成することができるほか、集電体と負極材料の密着性を向上させ、充放電に伴う剥離などによる負極の劣化を起こりにくくすることができるからである。またスパッタリング法や真空蒸着法に限らず、イオンプレーティングなど種々の気相成膜法により成膜したSiまたはSi−Li合金薄膜を利用することもできる。   The Si or Si-Li alloy used is a Si thin film or Si-Li alloy thin film formed on a current collector made of copper foil, aluminum foil, nickel foil or the like by a vapor deposition method such as a sputtering method or a vacuum deposition method. It is preferable. According to these methods, a uniform thin film can be easily formed on the current collector, the adhesion between the current collector and the negative electrode material is improved, and the negative electrode is deteriorated due to peeling due to charge and discharge. This is because it can be made difficult. In addition to the sputtering method and the vacuum deposition method, Si or Si—Li alloy thin films formed by various vapor deposition methods such as ion plating can also be used.

本発明のハイブリッドキャパシタ負極材料として、SiとSi−Li合金を挙げているが、Si−Li合金の方が高Li利用率でもサイクル特性が良好なので、負極膜厚を薄くすることが可能である。これはSi−Li合金膜はLiがSi膜中に均一に分散されている構造となり、電気化学的にLiをドープする場合やハイブリッドキャパシタとしてLiを吸蔵脱離する場合に、体積変化が抑制できるためと考えられる。よって、Si−Li合金を負極に用いる方が、体積エネルギー密度を高くすることができる。   As the hybrid capacitor negative electrode material of the present invention, Si and Si—Li alloy are cited, but since the Si—Li alloy has better cycle characteristics even at a high Li utilization rate, the negative electrode film thickness can be reduced. . This is because the Si-Li alloy film has a structure in which Li is uniformly dispersed in the Si film, and volume change can be suppressed when electrochemically doping Li or when absorbing and desorbing Li as a hybrid capacitor. This is probably because of this. Therefore, the volume energy density can be increased by using the Si—Li alloy for the negative electrode.

スパッタリング法でSi−Li合金膜を成膜するためのSi−Li合金ターゲットは、Si−Li合金粉をプレス成形して作製することができる。Si−Li合金ターゲットを作製するためのSi−Li合金粉は、粉末作成中のLiの酸化防止を図るため、Si粉と金属Liをあらかじめ露点を−60℃以下に制御された不活性雰囲気下で合金化することにより作製する。Si粉と金属Liの配合割合は、Liが5〜40wt%程度が適する。これはSiLixにおいてxが0.1〜2.7に相当する。xが0.1より小さいと電気化学的にLiをドープしても体積膨張が大きくなってしまい、ハイブリッドキャパシタのサイクル特性が悪化するためであり、また、xが2.7より大きいと割れのない焼結体の作製が難しくなるためである。
得られたSi−Li合金粉を原料にして、ホットプレスによりSi−Li合金ターゲットを作製する。このSi−Li合金ターゲットは、スパッタリング法に限らず真空蒸着法など種々の気相成膜法の蒸着材として、SiLix膜の形成に利用することができる。
尚、本発明に係るSiLix膜には、空気酸化等により表面の一部又は全部に酸化被膜が形成されたSiLix膜も含まれる。
A Si—Li alloy target for forming a Si—Li alloy film by a sputtering method can be produced by press-molding Si—Li alloy powder. The Si-Li alloy powder for producing the Si-Li alloy target has an inert atmosphere in which the dew point is controlled to -60 ° C or lower in advance in order to prevent oxidation of Li during powder production. It is produced by alloying with. About 5-40 wt% of Li is suitable for the compounding ratio of Si powder and metal Li. This corresponds to x being 0.1 to 2.7 in SiLix. If x is less than 0.1, volume expansion will increase even if Li is electrochemically doped, and the cycle characteristics of the hybrid capacitor will deteriorate, and if x is greater than 2.7, cracking will occur. This is because it becomes difficult to produce a sintered body that does not exist.
Using the obtained Si—Li alloy powder as a raw material, a Si—Li alloy target is produced by hot pressing. This Si—Li alloy target can be used for forming a SiLix film as an evaporation material for various vapor deposition methods such as a vacuum evaporation method as well as a sputtering method.
The SiLix film according to the present invention includes a SiLix film in which an oxide film is formed on part or all of the surface by air oxidation or the like.

前述の通り本発明のハイブリッドキャパシタは、正極に活性炭を主体とする分極性電極、負極にリチウムイオンを可逆的に吸蔵しうるSiLix膜を用い、Li塩を含む非水系電解液から構成される。
正極に使用できる活性炭には、やしがら系活性炭、石油コークス系活性炭等があり、大容量の電気二重層キャパシタを得るには石油コークス系活性炭を使用するのが好ましい。
また、活性炭の賦活処理の方法には、水蒸気賦活処理法、溶融KOH賦活処理法等がある。前記活性炭を、カーボンブラック(導電剤)及び結合剤をアルコールの存在下で混練し、シート状に成形し、次いで乾燥すれば分極性電極が得られる。
分極性電極は、導電性接着剤等を用いて集電体と接合するのが好ましい。接着剤としては、たとえばポリテトラフルオロエチレンが好ましい。また、活性炭粉末、導電剤のカーボンブラック及び接着剤に溶媒を混合してスラリーとし、集電体の金属箔表面に塗布して乾燥し、集電体と一体化することで分極性電極を得られる。
As described above, the hybrid capacitor of the present invention is composed of a non-aqueous electrolyte containing a Li salt, using a polarizable electrode mainly composed of activated carbon for the positive electrode and a SiLix film capable of reversibly occluding lithium ions for the negative electrode.
Activated carbons that can be used for the positive electrode include coconut shell activated carbon and petroleum coke activated carbon. It is preferable to use petroleum coke activated carbon to obtain a large-capacity electric double layer capacitor.
In addition, activated carbon activation treatment methods include a steam activation treatment method, a molten KOH activation treatment method, and the like. If the activated carbon is kneaded with carbon black (conductive agent) and a binder in the presence of alcohol, formed into a sheet, and then dried, a polarizable electrode is obtained.
The polarizable electrode is preferably bonded to the current collector using a conductive adhesive or the like. As the adhesive, for example, polytetrafluoroethylene is preferable. Also, a polarizable electrode is obtained by mixing a solvent with activated carbon powder, carbon black as a conductive agent, and an adhesive to form a slurry, which is applied to the surface of the metal foil of the current collector, dried, and integrated with the current collector. It is done.

また、ハイブリッドキャパシタに用いる非水電解液のリチウム塩は以下のものが例示される。すなわち、LiClO4 、LiCF3 SO3 、LiC(SO2CF3)3 、LiB(C6H5)4 、LiC4F9SO3 、LiC8F17SO3、LiB[C6H3(CF3 )2 −3,5]4 、LiB(C6F5)4 、LiB[C6H4(CF3 )−4]4 、LiBF4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiCF3CO2、LiN(CF3SO2)2 である。なお、上式中[C6 H3 (CF3)2−3,5]はフェニル基の3位と5位に、[C6H4(CF3 )−4]はフェニル基の4位に、それぞれ−CF3 が置換されているものを意味する。   Examples of the lithium salt of the nonaqueous electrolytic solution used for the hybrid capacitor are as follows. That is, LiClO4, LiCF3SO3, LiC (SO2CF3) 3, LiB (C6H5) 4, LiC4F9SO3, LiC8F17SO3, LiB [C6H3 (CF3) 2-3, 5] 4, LiB (C6F5) 4, LiB [C6H4 (CF3) 4] 4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiCF3CO2, LiN (CF3SO2) 2. In the above formula, [C6H3 (CF3) 2-3,5] is substituted at the 3rd and 5th positions of the phenyl group, and [C6H4 (CF3) -4] is substituted at the 4th position of the phenyl group, respectively. Means what

また、非水系電解液の溶媒としては以下のものが好ましく例示される。すなわち、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジオキソラン、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、1,3−プロパンスルトン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン誘導体、シドノン化合物、アセトニトリル、ニトロメタン、アルコキシエタン、トルエンである。
これらの溶媒はそれぞれ単独で使用してもよく、2種以上混合して使用してもよい。
[実施例]
Moreover, the following are preferably exemplified as the solvent of the non-aqueous electrolyte solution. That is, propylene carbonate, propylene carbonate derivative, ethylene carbonate, ethylene carbonate derivative, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, dimethyl sulfoxide, sulfolane, formamide, dimethylformamide, dimethyl Acetamide, dioxolane, phosphate triester, maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, 1,3-propane sultone, 4,5-dihydropyran derivative, nitrobenzene, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran derivative, Denon compounds, acetonitrile, nitromethane, alkoxy ethane, toluene.
These solvents may be used alone or in combination of two or more.
[Example]

以下、実施例により本発明を詳しく説明する。以下の例では、分極性電極としては厚み130μmの市販の活性炭電極(宝泉株式会社製、活性炭層厚み100μm、集電体アルミニウム箔厚み30μm、単極容量0.42F/cm )を使用した。またハイブリッドキャパシタの正極と負極の厚みは、正極と負極の最大放電容量比で約1:40になるように設計した(Si−Li合金負極の場合は約1:20となるようにした。)。キャパシタの静電容量は日本電子機械工業会(EIAJ)規格RC−2377に基づいて算出した。
駆動電圧の上限値をV (V)、下限値をV (V)とし、初期静電容量密度をC(F/cm )としたとき、電極体積当たりのエネルギー密度E(Wh/l)は以下の式(2)の通り算出した。
E=0.5 × C × (V −V )× 1000 / 3600・・・・(2)
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. In the following examples, a commercially available activated carbon electrode having a thickness of 130 μm (manufactured by Hosen Co., Ltd., activated carbon layer thickness 100 μm, current collector aluminum foil thickness 30 μm, single electrode capacity 0.42 F / cm 2 ) was used as the polarizable electrode. . The thickness of the positive and negative electrodes of the hybrid capacitor was designed to be about 1:40 in terms of the maximum discharge capacity ratio of the positive and negative electrodes (in the case of a Si—Li alloy negative electrode, the thickness was about 1:20). . The capacitance of the capacitor was calculated based on the Japan Electronic Machinery Manufacturers Association (EIAJ) standard RC-2377.
The upper limit of the drive voltage V 1 (V), the lower limit value is set to V 2 (V), when the initial capacitance density was C (F / cm 3), the energy density E per electrode volume (Wh / l ) Was calculated as in the following formula (2).
E = 0.5 × C × (V 1 2 -V 2 2) × 1000/3600 ···· (2)

(正極に活性炭、負極にLiをSi重量当たり2100mAhドープしたSiLi2.2膜を使用)
厚み10μmの電解銅箔(福田金属箔粉工業株式会社製)を使用し、この銅箔を15mm×15mmに切断して集電体基板とし、スパッタリングターゲットとして純度99.99%のSiターゲット(高純度化学株式会社製)を用い、マグネトロンスパッタ装置(SH−450、株式会社アルバック製)で4mtorrのアルゴン雰囲気中、Si膜を5.5μm成膜した。このときの負極重量は2.38mgであった。
その後、スポット溶接で銅のリードを取り付け、厚み50μmのセパレータ(TF4050、ニッポン高度紙工業株式会社製)を介してLi箔(厚さ300μm、本城金属株式会社製)と対向させ、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の体積比が1:2である溶媒中に1mol/Lの濃度でLiPF が含まれる電解液(キシダ化学株式会社製、LBG−00018)中で電流密度0.4mA/cm の条件で、Liを電気化学的にドープして負極を作製した。Liドープに要した時間は333minである。この膜はSiLi2.2膜であり、ドープ深度は50%に相当する。このようにして作製した負極を、Alリードを取り付けた15×15mmの活性炭電極とセパレータを挟んで対向させ、ハイブリッドキャパシタの素子を作製した。その後、上記と同じ電解液を用い、アルミラミネートフイルム(厚さ100μm、昭和電工株式会社製)でラミネートセルを作製した。
(Uses SiLi 2.2 film doped with activated carbon for positive electrode and 2100 mAh of Li per Si weight for negative electrode)
An electrolytic copper foil (made by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.) having a thickness of 10 μm was used, and the copper foil was cut into 15 mm × 15 mm to form a current collector substrate, and a Si target having a purity of 99.99% as a sputtering target (high Purity Chemical Co., Ltd.) was used, and a Si film was formed to 5.5 μm in an argon atmosphere of 4 mtorr using a magnetron sputtering apparatus (SH-450, ULVAC, Inc.). The negative electrode weight at this time was 2.38 mg.
After that, a copper lead was attached by spot welding, and opposed to Li foil (thickness 300 μm, manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) via a 50 μm-thick separator (TF4050, manufactured by Nippon Kogyo Co., Ltd.), ethylene carbonate ( EC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 1: 2 in an electrolyte solution (LBG-0918, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) containing LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L. Under the condition of 4 mA / cm 2 , Li was electrochemically doped to produce a negative electrode. The time required for Li doping is 333 min. This film is a SiLi 2.2 film, and the doping depth corresponds to 50%. The negative electrode thus produced was opposed to a 15 × 15 mm activated carbon electrode provided with an Al lead with a separator interposed therebetween to produce a hybrid capacitor element. Thereafter, using the same electrolytic solution as described above, a laminate cell was produced with an aluminum laminate film (thickness: 100 μm, manufactured by Showa Denko KK).

作製したセルを充放電測定システム(株式会社計測器センター製)にて電圧3〜4V、電流密度0.4mA/cm で充放電を行なった。電極体積当たりの初期静電容量(以下初期静電容量密度と記す)は29.1F/cm であった。電極体積当たりのエネルギー密度(以下エネルギー密度と記す)を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。 The produced cell was charged / discharged at a voltage of 3 to 4 V and a current density of 0.4 mA / cm 2 by a charge / discharge measurement system (manufactured by Instrument Center). The initial capacitance per electrode volume (hereinafter referred to as initial capacitance density) was 29.1 F / cm 3 . Table 1 shows the energy density per electrode volume (hereinafter referred to as energy density), and Table 2 shows the capacity reduction rate after 300 cycles.

(正極に活性炭、負極にSi重量当たり3818mAhのLiをドープしたSiLi4.0膜を使用)
Liドープする時間を605minとした以外は、実施例1と同様にしてラミネートセルを作製した。この膜はSiLi4.0膜であり、ドープ深度は91%に相当する。充放電測定の結果、初期静電容量密度は29.5F/cm であった。エネルギー密度を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。
(Use a SiLi 4.0 film doped with activated carbon for the positive electrode and 3818 mAh Li per Si weight for the negative electrode)
A laminate cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the Li doping time was changed to 605 min. This film is a SiLi 4.0 film, and the doping depth corresponds to 91%. As a result of the charge / discharge measurement, the initial capacitance density was 29.5 F / cm 3 . The energy density is shown in Table 1, and the capacity reduction rate after 300 cycles is shown in Table 2.

(正極に活性炭、負極にスパッタリング法にて作製したSiLi0.40にSi重量当たり1722mAhのLiを電気化学的にドープしたSiLi2.2膜を使用)
組成がSiLi0.45(Si−10wt%Li)となるようにSi粉と塊状の金属Liを秤量し、Nb製の皿にSi粉を載せ、ホットプレートでリチウムの融点以上に加熱したところで、塊状の金属LiをSi粉に乗せてLi金属を溶かしてSi粉と反応させ、均一になるように混合してSi−Li合金粉とした。以上の工程は露点が−60℃以下に制御されたグローブボックス内で実施した。作製した合金粉を原料にして、ホットプレスにより焼結体を作製した。焼結条件は500℃−真空中−2hr、プレス圧は248kgf/cm、ターゲット直径は60mmとした。作製したSi−Li合金粉焼結体を銅製バッキングプレートにボンディングして、Si−Li合金ターゲットとした。
(Uses SiLi 2.2 film that is electrochemically doped with 1722 mAh of Li per Si weight in activated carbon for the positive electrode and SiLi 0.40 produced by sputtering for the negative electrode)
When Si powder and bulk metal Li were weighed so that the composition was SiLi 0.45 (Si-10 wt% Li), Si powder was placed on a Nb dish, and heated above the melting point of lithium on a hot plate, Bulk metal Li was placed on Si powder, Li metal was dissolved and reacted with Si powder, and mixed uniformly to obtain Si-Li alloy powder. The above steps were carried out in a glove box whose dew point was controlled to -60 ° C or lower. A sintered body was produced by hot pressing using the produced alloy powder as a raw material. The sintering conditions were 500 ° C.—in vacuum—2 hr, the press pressure was 248 kgf / cm 2 , and the target diameter was 60 mm. The produced Si—Li alloy powder sintered body was bonded to a copper backing plate to obtain an Si—Li alloy target.

厚み18μmの電解銅箔(福田金属箔粉工業株式会社製)を使用し、この銅箔を15mm×15mmに切断して集電体基板とし、上記Si−Li合金をスパッタリングターゲットとして用い、マグネトロンスパッタ装置(SH−450、株式会社アルバック製)で0.53Paのアルゴン雰囲気中、Si−Li膜を4.1μm成膜した。定量分析の結果、Si−Li膜のSi重量は1.12mgであった。膜組成はSiLi0.40(Si−9wt%Li)であり、ターゲット組成とほぼ同じであった。
その後、スポット溶接で上記SiLi0.40膜の銅のリードを取り付け、厚み50μmのセパレータ(TF4050、ニッポン高度紙工業株式会社製)を介してLi箔(300μmt、本城金属株式会社製)と対向させた。さらにエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の体積比が1:2である溶媒中に、1mol/Lの濃度でLiPF6 が含まれる電解液(キシダ化学株式会社製、LBG−00018)で電流密度0.4mA/cm の条件で、Liを電気化学的にドープして負極を作製した。Liドープに要した時間は129minとした。この膜はSiLi2.2膜であり、ドープ深度は50%に相当する。
Using an electrolytic copper foil (made by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.) having a thickness of 18 μm, this copper foil is cut into 15 mm × 15 mm to form a current collector substrate, and using the Si—Li alloy as a sputtering target, magnetron sputtering. A Si—Li film was formed to 4.1 μm in an argon atmosphere of 0.53 Pa using an apparatus (SH-450, manufactured by ULVAC, Inc.). As a result of quantitative analysis, the Si weight of the Si—Li film was 1.12 mg. The film composition was SiLi 0.40 (Si-9 wt% Li), which was almost the same as the target composition.
Then, attaching the leads of copper of the SiLi 0.40 film by spot welding, the thickness of 50μm separator (TF4050, Nippon Kodoshi Co.) Li foil through (300Myumt, manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) and the counter I let you. Furthermore, an electrolyte solution (LBG-0918, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) containing LiPF6 at a concentration of 1 mol / L in a solvent having a volume ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) of 1: 2. A negative electrode was produced by electrochemically doping Li under conditions of a density of 0.4 mA / cm 2 . The time required for Li doping was 129 min. This film is a SiLi 2.2 film, and the doping depth corresponds to 50%.

その後、実施例1と同じようにハイブリッドキャパシタのラミネートセルを作製して、充放電測定をした。
充放電測定の結果、初期静電容量は29.7F/cmであった。エネルギー密度を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。
(比較例1)
Thereafter, a laminate cell of a hybrid capacitor was produced in the same manner as in Example 1, and charge / discharge measurement was performed.
As a result of the charge / discharge measurement, the initial capacitance was 29.7 F / cm 3 . The energy density is shown in Table 1, and the capacity reduction rate after 300 cycles is shown in Table 2.
(Comparative Example 1)

(従来通り、両極に活性炭電極を使用)
15×15mmの活性炭電極を2枚作製し、それぞれにスポット溶接でAlリードを取り付けた。これを、セパレータを挟んで対向させてキャパシタ素子を作製した。
その後、プロピレンカーボネート(PC)溶媒中に1mol/Lの濃度で(CNBFが含まれている電解液(キシダ化学株式会社製、CPG−00005)を用い、アルミラミネートフイルムでラミネートセルを作製した。
作製したセルを充放電測定システムにて電圧1.0〜2.5V、電流密度0.4mA/cmで充放電測定を行なった。充放電測定の結果、初期静電容量は9.0F/cmであった。エネルギー密度を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。
(比較例2)
(As usual, activated carbon electrodes are used for both electrodes)
Two 15 × 15 mm activated carbon electrodes were prepared, and Al leads were attached to each by spot welding. This was made to oppose on both sides of the separator, and the capacitor element was produced.
Thereafter, an electrolytic solution (CPG-00005 manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) containing (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 at a concentration of 1 mol / L in a propylene carbonate (PC) solvent was used, and an aluminum laminate film was used. A laminate cell was produced.
Voltage produced by the cell in charge and discharge measuring system 1.0~2.5V, was subjected to charge and discharge measurement at a current density of 0.4 mA / cm 2. As a result of the charge / discharge measurement, the initial capacitance was 9.0 F / cm 3 . The energy density is shown in Table 1, and the capacity reduction rate after 300 cycles is shown in Table 2.
(Comparative Example 2)

(正極に活性炭、負極にLiをドープしていないSi膜を使用)
Liを電気化学的にドープしなかった以外は実施例1と同様にして、同様の操作を行なってラミネートセルを作製した。作製したセルを実施例1と同様にして充放電測定を行なった。
充放電測定の結果、初期静電容量は28.0F/cmであった。エネルギー密度を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。
(比較例3)
(Use activated carbon for the positive electrode and Si film not doped with Li for the negative electrode)
A laminate cell was produced in the same manner as in Example 1 except that Li was not electrochemically doped. The produced cell was subjected to charge / discharge measurement in the same manner as in Example 1.
As a result of the charge / discharge measurement, the initial capacitance was 28.0 F / cm 3 . The energy density is shown in Table 1, and the capacity reduction rate after 300 cycles is shown in Table 2.
(Comparative Example 3)

(正極に活性炭、負極に負極Si重量当たり5451mAhのLiをドープしたSiLi5.7膜を使用)
Liを電気化学的にドープする時間を865minとした以外は、実施例1と同様にしてラミネートセルを作製した。この膜はSiLi5.7膜であり、ドープ深度は130%に相当する。作製したセルを実施例1と同様にして充放電測定を行なった。
充放電測定の結果、初期静電容量は29.2F/cmであった。エネルギー密度を表1に、また300サイクル後の容量減少率を表2に示す。
(Use a SiLi 5.7 film doped with activated carbon for the positive electrode and 5451 mAh Li per negative electrode Si weight for the negative electrode)
A laminate cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the time for electrochemically doping Li was 865 min. This film is a SiLi 5.7 film, and the doping depth corresponds to 130%. The produced cell was subjected to charge / discharge measurement in the same manner as in Example 1.
As a result of the charge / discharge measurement, the initial capacitance was 29.2 F / cm 3 . The energy density is shown in Table 1, and the capacity reduction rate after 300 cycles is shown in Table 2.

表1より実施例1〜3、および比較例2と3のハイブリッドキャパシタではいずれも比較例1の活性炭電極の静電容量密度より大きい静電容量が得られており、従来のハイブリッドキャパシタより高エネルギー密度であると言える。
表2より実施例1〜3は、300サイクル後の静電容量密度減少率が20%以内で収まっているのに対し、Liのドープ量が請求項の範囲から外れた比較例2と3では、静電容量密度減少率が約50%になってしまい、ハイブリッドキャパシタとして耐久性が十分ではないことが判る。
また、正極を活性炭電極130μmとしたハイブリッドキャパシタを作製する場合、SiLix膜を負極にすれば膜厚は4.1μmでサイクル特性は良好であるが、Si膜を負極にする場合は膜厚が同じ4.1μmでは、十分なサイクル特性は得られない。十分なサイクル特性を得るには、本発明の実施例のようにSi膜厚を5.5μmとして負極容量を大きくし、Li利用率を下げなければならない。このようにすると、セル全体の体積が大きくなるため、ハイブリッドキャパシタの体積エネルギー密度は小さくなる。
従って、SiLix膜を負極にしたハイブリッドキャパシタはサイクル特性が良好で、Si膜より体積エネルギー密度を高くすることができる。
Table 1 shows that the hybrid capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 and 3 all have a capacitance higher than the capacitance density of the activated carbon electrode of Comparative Example 1, which is higher energy than the conventional hybrid capacitor. It can be said that it is density.
From Table 2, in Examples 1 to 3, the decrease rate of capacitance density after 300 cycles was within 20%, whereas in the comparative examples 2 and 3 in which the doping amount of Li was outside the scope of claims, The capacitance density reduction rate is about 50%, which indicates that the durability of the hybrid capacitor is not sufficient.
Also, when a hybrid capacitor having an activated carbon electrode of 130 μm as the positive electrode is manufactured, if the SiLix film is used as the negative electrode, the film thickness is 4.1 μm and the cycle characteristics are good, but when the Si film is used as the negative electrode, the film thickness is the same. When the thickness is 4.1 μm, sufficient cycle characteristics cannot be obtained. In order to obtain sufficient cycle characteristics, it is necessary to increase the negative electrode capacity by lowering the Li utilization rate by setting the Si film thickness to 5.5 μm as in the embodiment of the present invention. In this case, the volume of the entire cell is increased, so that the volume energy density of the hybrid capacitor is decreased.
Therefore, the hybrid capacitor using the SiLix film as the negative electrode has good cycle characteristics and can have a higher volume energy density than the Si film.

以上説明したように、SiまたはSi−Li合金にLiをドープしたSi−Lix膜を負極として用いた本発明のハイブリッドキャパシタは、キャパシタの静電容量密度及びエネルギー密度の向上に有効である。   As described above, the hybrid capacitor of the present invention using the Si-Lix film obtained by doping Li in Si or a Si-Li alloy as the negative electrode is effective in improving the capacitance density and energy density of the capacitor.

本発明のキャパシタは体積エネルギーあたりのエネルギー密度を大きいため、携帯電話やデジタルカメラ等の各種AV機器の小型バックアップ電源に用いることが出来る。   Since the capacitor of the present invention has a high energy density per volume energy, it can be used as a compact backup power source for various AV devices such as mobile phones and digital cameras.

充放電の際の電位変化を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the electric potential change in the case of charging / discharging.

Claims (8)

正極に活性炭を主体とする分極性電極、負極にLiイオンを可逆的に吸蔵しうるファラデー電極を用い、電解液にLi塩を含む非水系電解液を用いた非対称型電気二重層キャパシタであって、集電体金属箔上に形成された負極のファラデー電極の少なくとも最表部にはSiLix膜が形成されていることを特徴とするハイブリッドキャパシタ。   An asymmetric electric double layer capacitor using a polarizable electrode mainly composed of activated carbon as a positive electrode, a Faraday electrode capable of reversibly occluding Li ions in a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing a Li salt as an electrolyte. A hybrid capacitor characterized in that a SiLix film is formed on at least the outermost portion of a negative Faraday electrode formed on a current collector metal foil. 前記SiLix膜のxが、0.3以上5.5以下であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドキャパシタ。   2. The hybrid capacitor according to claim 1, wherein x of the SiLix film is 0.3 or more and 5.5 or less. 集電体金属箔上にSi膜を形成した後、該Si膜表面に電気化学的にLiをドープして少なくとも最表部にSiLix膜を有する負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することを特徴とするハイブリッドキャパシタの製造方法。   After forming a Si film on the current collector metal foil, electrochemically doping Li on the surface of the Si film to form a negative electrode having a SiLix film at least on the outermost surface, the positive electrode comprising the negative electrode and activated carbon; A laminate capacitor is manufactured using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt with a separator interposed therebetween, and a method for manufacturing a hybrid capacitor, comprising: 集電体金属箔上にSi−Li合金膜を形成した後、該Si−Li合金膜表面に電気化学的にLiをドープして少なくとも最表部にSiLix膜を有する負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することを特徴とするハイブリッドキャパシタの製造方法。   After forming a Si-Li alloy film on the current collector metal foil, the surface of the Si-Li alloy film is electrochemically doped with Li to form a negative electrode having a SiLix film at least on the outermost surface. And a positive electrode made of activated carbon facing each other with a separator interposed therebetween, and a laminate cell is produced using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt. 集電体金属箔上にSiLix膜からなる負極を形成し、該負極と活性炭からなる正極とをセパレータを挟んで対向させ、Li塩を含む非水系電解液を用いてラミネートセルを作製することを特徴とするハイブリッドキャパシタの製造方法。   Forming a negative electrode made of a SiLix film on a current collector metal foil, making the negative electrode and a positive electrode made of activated carbon face each other with a separator interposed therebetween, and producing a laminate cell using a non-aqueous electrolyte containing a Li salt A method for manufacturing a hybrid capacitor, which is characterized. 前記SiLix膜のxが、0.3以上5.5以下であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載のハイブリッドキャパシタの製造方法。   6. The method of manufacturing a hybrid capacitor according to claim 3, wherein x of the SiLix film is 0.3 or more and 5.5 or less. 前記Si膜もしくはSiLix膜の形成方法が気相蒸着法であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載のハイブリッドキャパシタの製造方法。   6. The method for manufacturing a hybrid capacitor according to claim 3, wherein the method for forming the Si film or the SiLix film is a vapor deposition method. 前記気相蒸着法がスパッタリング法または真空蒸着法であることを特徴とする請求項7に記載のハイブリッドキャパシタの製造方法。   The method of manufacturing a hybrid capacitor according to claim 7, wherein the vapor deposition method is a sputtering method or a vacuum deposition method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011009221A (en) * 2009-06-29 2011-01-13 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Micro battery of non-balance lithium ion
JP2011187242A (en) * 2010-03-05 2011-09-22 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Power storage device, manufacturing method thereof, secondary battery, and capacitor
US8526166B2 (en) 2010-08-31 2013-09-03 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Lithium ion capacitor
JP2017091994A (en) * 2015-11-17 2017-05-25 株式会社リコー Nonaqueous electrolyte power storage device

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