JP2009272585A - Electrochemical capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器のバックアップ電源やハイブリッド車、燃料電池車などの回生ブレーキや蓄電装置として用いられる電気化学キャパシタに関する発明である。 The present invention relates to an electrochemical capacitor used as a backup power source for electronic devices, a regenerative brake for a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or a power storage device.
従来から、電気二重層キャパシタは蓄電装置として急速放電および急速充電に関して優れた信頼性を有しており、そのため、幅広い分野において主にバックアップ用の電源として用いられていた。 Conventionally, an electric double layer capacitor has an excellent reliability with respect to rapid discharge and rapid charge as a power storage device, and thus has been used mainly as a backup power source in a wide range of fields.
電気二重層キャパシタは一般的に、正極および負極に主に活性炭を用い、電解液を含浸することによって電解液中に含まれているイオンを活性炭表面上で吸脱着することによって充放電を行う。 In general, an electric double layer capacitor uses mainly activated carbon for a positive electrode and a negative electrode, and performs charging / discharging by adsorbing and desorbing ions contained in the electrolytic solution on the surface of the activated carbon by impregnating the electrolytic solution.
電解液の種類は水系と非水系に分類できる。水系の電解液には静電容量が高いが耐電圧が低くなるという特性があり、非水系の電解液には静電容量は低いが耐電圧が高くなるというある種、トレードオフの特性があった。しかし一般的に、キャパシタの蓄電エネルギー量はそのキャパシタの耐電圧の2乗に比例するという性質があるため、非水系である有機系の電解液が使用されてきた。 The type of electrolyte can be classified into aqueous and non-aqueous. Aqueous electrolytes have the characteristics of high electrostatic capacity but low withstand voltage, and non-aqueous electrolytes have certain trade-off characteristics of low electrostatic capacity but high withstand voltage. It was. However, generally, since the amount of energy stored in a capacitor is proportional to the square of the withstand voltage of the capacitor, a non-aqueous organic electrolyte has been used.
近年では新規利用分野の開拓のために、より耐電圧の優れたキャパシタの開発が盛んであった。 In recent years, in order to develop new application fields, development of capacitors with higher withstand voltage has been active.
その一環として開発されたキャパシタが、従来の電気二重層キャパシタよりも高い耐電圧を有した電気化学キャパシタであった。 The capacitor developed as a part of this was an electrochemical capacitor having a higher withstand voltage than a conventional electric double layer capacitor.
電気化学キャパシタは正極に従来通りアルミニウム箔の集電体の表裏面に活性炭を用いた分極性電極層を形成するが、負極の構成が銅などの金属製の集電体の表裏面上に炭素材料で構成された炭素電極層と、さらにその上にリチウム層を形成していることが特徴であった。この構成をとることによって電気化学キャパシタ装置組み立ての際にキャパシタ素子を多量の電解液内へ予め一度含浸すると、負極に形成したリチウム層からリチウムが溶けてプラスに帯電したリチウムイオンとなり、イオン化する反応時にエネルギーを放出し、負極にはマイナスの電荷が蓄積される。これとほぼ同時に、溶出したリチウムイオン及び電解液中に元から存在するリチウムイオンが負極に引き付けられ、負極の炭素材料に吸蔵されていき、負極の電位が低下する(プレドープ)。これにより、正極との電位差を広げ、耐電圧の向上が可能となった。 Electrochemical capacitors form a polarizable electrode layer using activated carbon on the front and back surfaces of an aluminum foil current collector on the positive electrode as before, but the structure of the negative electrode is carbon on the front and back surfaces of a metal current collector such as copper. It is characterized in that a carbon electrode layer made of a material and a lithium layer formed thereon are further formed. By adopting this configuration, when the capacitor element is once impregnated into a large amount of electrolyte during assembly of the electrochemical capacitor device, lithium is melted from the lithium layer formed on the negative electrode to become positively charged lithium ions, which are ionized. Sometimes energy is released and negative charges accumulate in the negative electrode. Almost at the same time, the eluted lithium ions and the lithium ions originally present in the electrolyte are attracted to the negative electrode and are occluded by the carbon material of the negative electrode, thereby lowering the potential of the negative electrode (pre-doping). As a result, the potential difference from the positive electrode is widened, and the withstand voltage can be improved.
また電気二重層キャパシタの開発において次に述べるように、耐電圧向上の研究と並行して、電気化学キャパシタを構成する各部材についても、新たな付加価値を有した部材の開発が進められ、電気化学キャパシタを別の側面から性能向上させることが試みられている。 In the development of electric double layer capacitors, as described below, in parallel with the research on withstand voltage improvement, the development of new value-added members has been promoted for each component of the electrochemical capacitor. Attempts have been made to improve the performance of chemical capacitors from another aspect.
この試みの中で、正極および負極の間に介在して両極の絶縁を目的としているセパレータの発明に関しては、セパレータ構成材としてスポンジ状の多孔質絶縁体を用いることが提案されている。このスポンジ状の多孔質絶縁体を用いることによって、スポンジ状の内部に多量の電解液を含ませ、電気化学キャパシタ稼動中の電解液不足を防ぐことができる。さらに、スポンジ状であるため、充放電の際の分極性電極層の膨張が生じたとしてもセパレータの形状を容易に変形させることによって短絡を防ぐことができるものであった(特許文献1)。 In this attempt, regarding the invention of a separator that is interposed between a positive electrode and a negative electrode for the purpose of insulating both electrodes, it has been proposed to use a sponge-like porous insulator as a separator component. By using this sponge-like porous insulator, a large amount of electrolytic solution can be contained in the sponge-like interior, and shortage of the electrolytic solution during operation of the electrochemical capacitor can be prevented. Furthermore, since it is sponge-like, even if the polarizable electrode layer expands during charging / discharging, it is possible to prevent a short circuit by easily changing the shape of the separator (Patent Document 1).
また上記とは別に、正極あるいは負極一方の電極とその電極の両面上に設けたセパレータが一緒に九十九折りの形状を為し、積層された他方の電極間にある隙間を埋めるように配設されるという発明が提案されている。この構成をとることによって、従来の積層形のキャパシタ素子の製作中に生じたセパレータのめくれによる短絡を抑制することができるものであった(特許文献2)。
しかしながら、従来の電気化学キャパシタでは負極のプレドープを行う際、何らかの衝撃によって、炭素電極層と接している面を有する一部のリチウムがリチウム層から剥離してしまうことがあった。このリチウムの剥離により、リチウム層と炭素材料との接触面積が低減し、プレドープ中に炭素材料表面とリチウム層との間で行われる電位降下のための反応が阻害され、プレドープ負極の電位が十分に降下せず電気化学キャパシタの耐電圧を落とすことがあるということが課題であった。 However, in the conventional electrochemical capacitor, when pre-doping the negative electrode, some lithium having a surface in contact with the carbon electrode layer may be peeled off from the lithium layer by some impact. This lithium peeling reduces the contact area between the lithium layer and the carbon material, hinders the reaction due to the potential drop performed between the carbon material surface and the lithium layer during pre-doping, and the potential of the pre-doped negative electrode is sufficient. It has been a problem that the withstand voltage of the electrochemical capacitor may be lowered without dropping.
本発明はこの炭素電極層と接する一部のリチウムがリチウム層から剥離することを防ぎ、安定した条件によりプレドープを行うことによって安定した耐電圧を有した電気化学キャパシタを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrochemical capacitor having a stable withstand voltage by preventing a part of lithium in contact with the carbon electrode layer from peeling from the lithium layer and performing pre-doping under a stable condition. .
この課題を解決するために本発明では、キャパシタ素子内部にて電極の間に介在するように配設された弾性を有したセパレータにキャパシタ素子巻回時にテンションを加え、テンションを維持した状態で巻回状キャパシタ素子を形成し、セパレータに負荷したテンションによって巻回状キャパシタ素子内部に巻回中心軸に対して略垂直方向の応力が生じるように構成した。 In order to solve this problem, in the present invention, a tension is applied to the elastic separator disposed so as to be interposed between the electrodes inside the capacitor element when the capacitor element is wound, and the winding is performed while maintaining the tension. A spiral capacitor element was formed, and a stress in a direction substantially perpendicular to the winding center axis was generated inside the spiral capacitor element by the tension applied to the separator.
これにより、本発明における電気化学キャパシタはキャパシタ素子の巻回中心軸に対して略垂直方向に向かう応力が働き、それが圧力としてキャパシタ素子全体にかかる。そして、この圧力はプレドープが行われるリチウムにも、リチウムを負極とセパレータを用いて挟み圧着する力として作用する。この作用する力によって、プレドープの際に炭素電極層と接する面を有するリチウムの一部がリチウム層から剥離することがあっても、その剥離したリチウムの一部が本来あった位置に留まり、十分に接面した状態でプレドープを継続することが可能となる。 As a result, the electrochemical capacitor according to the present invention is subjected to a stress in a direction substantially perpendicular to the winding center axis of the capacitor element, which is applied to the entire capacitor element as a pressure. This pressure also acts on the lithium to be pre-doped as a force for sandwiching and pressing the lithium using a negative electrode and a separator. Even if a part of lithium having a surface in contact with the carbon electrode layer is peeled off from the lithium layer by this acting force, the part of the peeled lithium stays at the original position and is sufficient. It becomes possible to continue the pre-doping in a state where it contacts the surface.
この結果、炭素電極層上に形成したリチウム層からより大きく電極電位を下げることが可能となる。 As a result, the electrode potential can be greatly lowered from the lithium layer formed on the carbon electrode layer.
以下に、図面を用いながら請求項1〜3および本発明における実施の形態について説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(本発明の実施形態)
図1は本発明の実施形態による電気化学キャパシタの切り欠き斜視図である。
(Embodiment of the present invention)
FIG. 1 is a cutaway perspective view of an electrochemical capacitor according to an embodiment of the present invention.
図2は同電気化学キャパシタに用いられるキャパシタ素子を固定具で固定した状態を上面から見た図である。 FIG. 2 is a top view of a state in which a capacitor element used in the electrochemical capacitor is fixed with a fixture.
図3(a)および(b)は同キャパシタ素子に設けられた固定部材を剥離する前と剥離した後におけるセパレータの状態を上面から示した図である。 FIGS. 3A and 3B are views showing the state of the separator from before and after the fixing member provided in the capacitor element is peeled off.
図1において、1はキャパシタ素子を示し、このキャパシタ素子1は、正極2と負極3とセパレータ4とで構成されている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a capacitor element. The capacitor element 1 includes a
正極2は厚み約30μmの高純度アルミニウム箔の集電体2aの表裏両面に活性炭を主体とした分極性電極層2bを塗布したものである。因みに、分極性電極層2bは活性炭と結着剤と導電助剤とで構成されている。具体的には、平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭に結着剤として例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)を水に溶かした混合溶液、導電助剤として例えばアセチレンブラックを、それぞれ10:2:1の分量で混合したものを塗布し、除水したものである。
The
負極3は厚み15μmの銅箔の集電体3aの表裏両面に炭素を主体とした炭素電極層3bを形成したものである。因みに、炭素電極層3bは炭素材料と結着剤と導電助剤により構成されている。具体的には、炭素材料として例えば黒鉛を用い、結着剤として例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とCMCとを重量比8:2で用い、導電助剤には正極と同様にアセチレンブラックを用いたものである。これらの材料を混合する場合、炭素材料と導電助材と結着剤との混合比を約80:10:10の割合で用いる。そして、この混合物をコンマコータなどで塗布後の層の厚みがおよそ50μmになるように集電体の表裏面へ塗布し除水したものである。
The
さらに、電気化学キャパシタを組み立てる際には、負極3は炭素材料の表裏両表面上にリチウム箔を配設した構成を有する。このリチウム箔はリチウムイオンとなり炭素電極層内へプレドープされるため、図1には図示されていない。
Furthermore, when assembling the electrochemical capacitor, the
セパレータ4は、例えば弾性に優れたポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオリフィン系樹脂やアラミド繊維を用いる。他にもポリイミド樹脂やポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系材料が本発明の実施形態におけるセパレータ素材として用いる。
For the
セパレータ4を前記正極および前記負極と共に巻回してキャパシタ素子1を形成する際に、正極と負極の間に介在するように配設した。その際に、巻き取り機などの公知の設備で巻回を行うが、例えばセパレータ4を巻き芯部へ送り出すリールの回転速度を従来のキャパシタ素子の巻回工程と逆に回転させることによって、巻き芯部へ送り出されるセパレータ4のテンションを高めることができる。そして、弾性を有した素材を用いたセパレータ4は増したテンションにより伸張し、この伸張した状態を維持して巻き芯部へ巻き取られていく。
When the
巻き取り終了後、セパレータ4の長手方向の端部を電極と共にセパレータ4に長手方向へかけられたテンションが維持されるように固定した。これにより、セパレータ4全体がセパレータ4の間に介在する正極および負極により固定した状態に維持され、巻き芯部へ巻き取られたセパレータ4はテンションがかかる前の形態に戻るために収縮する力が働く。この収縮する力が巻回中心軸に対して略垂直方向へ働くことによりキャパシタ素子1全体を圧縮し、電極とセパレータ4との間の圧力となる。
After the end of winding, the end of the
この圧力によって、負極3に形成したリチウム箔がセパレータ4と負極3によって強固に固定され、炭素電極層3b表面と接した面を有する一部のリチウムが負極3から剥離しようとしても圧力によって固定されているために本来あった位置に留まる。こうしてリチウムの剥離を防ぎ、接触面積を確保することが可能となる。これにより、プレドープを阻害されることなく負極3の安定した電位降下を行うことが可能となり、十分な耐電圧が得られるものである。
By this pressure, the lithium foil formed on the
なお、セパレータ4の厚みに関しては、例えば、従来から使用されている10〜50μm程度の厚みのものを用いる。また、本実施の形態においてキャパシタ素子1は巻回後に巻き芯部を抜き取った中心部が空洞の形状である構成となっているが、絶縁性を有した巻き芯部であればそのままキャパシタ素子1の中心軸に巻き芯部を残した構成としてもよい。
In addition, regarding the thickness of the
続いて、図1を用いてキャパシタ素子1以外の本発明の実施形態による電気化学キャパシタを構成する部材について説明する。 Then, the member which comprises the electrochemical capacitor by embodiment of this invention other than the capacitor element 1 using FIG. 1 is demonstrated.
5はリード線を示す。このリード線5は、正極2および負極3に接続するため、正極リード線5aと負極リード線5bに分類することができる。リード線5は正極2及び負極3の分極性電極層2bおよび炭素電極層3b未形成部分、つまり露出した正極集電体2aおよび負極集電体3a表面と接続し、外部回路との接続を行う。そのため、リード線5の部材は正極集電体2aおよび負極集電体3aとの接続抵抗をできる限り低減するために、例えば正極リード線5aはアルミニウム、負極リード線5bは銅やニッケルを用いた。
6は外装ケースを示す。この外装ケース6は有底円筒状であり、リード線5と接続したキャパシタ素子1とキャパシタ素子1に含浸した駆動用電解液を収容している。駆動用電解液は図1には図示されていない。外装ケースの基材は加工性等の点から例えばアルミニウムを用いる。因みに駆動用電解液には、例えば電解質カチオンとしてLi+、電解質アニオンとしてBF4 -あるいはPF6 -を、溶媒として高誘電率のエチレンカーボネート(EC)と低粘度のジエチルカーボネート(DEC)と重量比1:1に混合した混合溶媒を用いた。これ以外にはDECの代わりにジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)などを用いることや、ECと混合する際に、DEC、DMC、EMCなどから複数選択して混合することなどが考えられる。また、低温特性の向上のためにプロピレンカーボネート(PC)を前記混合溶媒に混合しても良い。
7は封口部材を示す。封口部材7は外装ケース6の開口端内部において外装ケース6内周面と密着するように配設した。そして、封口部材7は封口部材7と接している外装ケース6の開口端内周面の一部に対して、外装ケース6の外周面から外装ケース6内部に向かって絞り加工を施した。この絞り加工によって封口部材7を配設箇所に固定した。
さらに、封口部材7より外部へ突出した外装ケース6の開口端部の一部に外装ケース6内側に向かう曲げ加工を施し、封口部材7の固定強度の強化を図った。また、本発明の実施形態においてはキャパシタ素子1と接続したリード線5が封口部材7を貫通して外部回路と接続するために、封口部材7の一部に貫通孔を設けた。なお、封口部材7には例えばフッ素ゴムを用いた。
Further, a part of the opening end portion of the
さらに、外部接続の方法はリード線5に限らず、例えば、キャパシタ素子1の正極集電体2aおよび負極集電体3aの表裏面において、正極集電体2aおよび負極集電体3aの幅方向の一端に分極性電極層2bおよび炭素電極層3bの未形成部分をそれぞれ設ける。そして、キャパシタ素子1としてセパレータ4および正極2、負極3を巻回する際に分極性電極層2bおよび炭素電極層3bの未形成部分がそれぞれ逆方向へ突出するように、セパレータを介して対向する正極2と負極3を逆方向へ一部ずらした状態で巻回することによって、正極集電体2aおよび負極集電体3aの分極性電極層2bおよび炭素電極層3bの未形成部分で構成された巻回状キャパシタ素子1の両端面と、外装ケース6開口部を封止する部材として用いた通電性を有する端子板内面および外装ケース6内底部とが、それぞれ接触し電気的に接続した端面集電と呼ばれる構成をとってもよい。この場合、例えば端子板外面および外装ケース6外表面と外部回路とが電気的接続を行う。
Further, the external connection method is not limited to the
また、端面集電の構成をとる際に、低抵抗化を図るために巻回状キャパシタ素子1の両端面と端子板および外装ケース6内底部との接続状況を更に良好にする方法として、キャパシタ素子1の両端面に金属の平板である集電板を配設した上で端面集電を行う構成をとってもよい。この構成とすることで、接続面が平面である端子板と接続する部材がキャパシタ素子1ではなく同様に接続面が平面である集電板となり、安定して接続が行える。
As a method for further improving the connection between the both end surfaces of the wound capacitor element 1 and the terminal plate and the inner bottom portion of the
ここで、本実施の形態によるセパレータ4を用いた際の確認方法について説明する。
Here, the confirmation method at the time of using the
図2に示すように、キャパシタ素子1が巻回状を成している時、巻回状のキャパシタ素子1を固定具8によってキャパシタ素子1の外表面を挟み込みなどして巻回形状を変形しない程度の力で圧着固定した。そして図3(a)のようにキャパシタ素子1の巻回形状を維持していた固定部材9を図3(b)に示すように除去する。
As shown in FIG. 2, when the capacitor element 1 has a winding shape, the winding shape is not deformed by sandwiching the outer surface of the capacitor element 1 with the
この時、セパレータ4はテンションが加わっていたためセパレータ4のうち固定部材9によって固定されている長手方向一端から固定具8固定箇所までの部分がテンションから解放され収縮する。よって、固定部材9を除去する前に固定部材9固定箇所から固定具8固定箇所までにおけるセパレータ4の長さを計測することによって、以上のようにセパレータ4の収縮が生じたか固定部材9除去後にセパレータ4の長手方向一端から固定具8固定箇所までの長さを計測すれば確認することが可能である。
At this time, since the tension is applied to the
以上より、本発明による電気化学キャパシタは、正極2と負極3との間に介在するセパレータ4を正極2および負極3と共に重ねて巻回状にする際にセパレータ4に長手方向のテンションをかけることによって、巻回状のキャパシタ素子1に対して巻き芯部へ向かう力が働き、巻回状のキャパシタ素子1を構成する各部材へ働く圧力となる。これにより、負極3の炭素電極表面上に形成したリチウム箔がセパレータ4や負極3によって強固に固定され、炭素材料表面に接した面を有するリチウム箔の一部のリチウムが様々な要因により剥離してしまうことを防ぎ、接触面積を確保することが可能となる。そして、剥離を防ぐことによって、プレドープを阻害されることなく負極3の安定した電位降下が可能となり、十分な耐電圧を得られるものである。
As described above, the electrochemical capacitor according to the present invention applies a longitudinal tension to the
本発明にかかる電気化学キャパシタによると、従来より負極の炭素材料上のリチウム箔のプレドープが安定し、リチウムによる安定した負極の電圧降下が可能となり優れた耐電圧を有するものである。これより、瞬発的に高エネルギーを消費するハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源や回生用等として使用することが期待される。 According to the electrochemical capacitor according to the present invention, the pre-doping of the lithium foil on the carbon material of the negative electrode is more stable than before, and a stable voltage drop of the negative electrode due to lithium is possible and has an excellent withstand voltage. As a result, it is expected to be used as a backup power source or regenerative power for a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle that instantaneously consumes high energy.
1 セパレータ素子
2 正極
2a 正極集電体
2b 分極性電極層
3 負極
3a 負極集電体
3b 炭素電極層
4 セパレータ
5 リード線
5a 正極リード線
5b 負極リード線
6 外装ケース
7 封口部材
8 固定具
9 固定部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
金属製である負極集電体の表裏面上へ炭素材料を主体とした炭素電極層を形成し、この炭素電極層の外表面上へリチウム箔を配設した負極と
多孔質であり絶縁性とともに弾性を有したセパレータとを積重し、
この積重したものを前記セパレータが前記正極と前記負極の間に介在するように巻回状にした構成のキャパシタ素子と、
リチウムイオンを含んだ駆動用電解液と、
前記キャパシタ素子と前記駆動用電解液とを収納した有底円筒状の外装ケースと、
前記外装ケースの開口端部を封止する封口部材と、
前記外装ケース及び前記封口部材から一部が表出するように前記キャパシタ素子と接続したリード線とを、
備えた電気化学キャパシタにおいて、
伸設した前記セパレータの弾性力により巻回状の前記キャパシタ素子が、内部に前記キャパシタ素子の巻回中心軸に対して略垂直方向に作用する応力を有する電気化学キャパシタ。 A positive electrode provided with a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon on the front and back surfaces of a positive electrode current collector made of metal, and a carbon electrode layer mainly composed of a carbon material on the front and back surfaces of a negative electrode current collector made of metal. Forming and stacking a negative electrode having a lithium foil disposed on the outer surface of the carbon electrode layer and a porous separator having elasticity and elasticity;
A capacitor element having a configuration in which the separator is wound so that the separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode;
A driving electrolyte containing lithium ions;
A bottomed cylindrical outer case containing the capacitor element and the driving electrolyte;
A sealing member for sealing the opening end of the exterior case;
A lead wire connected to the capacitor element so that a part thereof is exposed from the outer case and the sealing member,
In the equipped electrochemical capacitor,
An electrochemical capacitor in which the wound capacitor element has a stress acting therein in a direction substantially perpendicular to a winding central axis of the capacitor element due to the elastic force of the extended separator.
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