JP2011243937A - リチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】陰極にリチウム箔を直接的に接触させて陰極にリチウムイオンをフリードーピングするリチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタを提供する。
【解決手段】本発明はリチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタに関するものであり、セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、リチウム箔、陰極端子を備えた陰極及びリチウム箔を順次的に積層して予備電極積層体を形成する段階；前記予備電極積層体の陽極端子と陰極端子を夫々熔接して電極積層体を形成する段階；前記電極積層体を電解質溶液に浸漬させ、前記リチウム箔から前記陰極にリチウムイオンをフリードーピングする段階；及び前記フリードーピングされた前記陰極を含んだ前記電極積層体をシーリングする段階；を含むことができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明はリチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタに関するものであり、セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、リチウム箔、陰極端子を備えた陰極及びリチウム箔を順次的に積層して予備電極積層体を形成する段階；前記予備電極積層体の陽極端子と陰極端子を夫々熔接して電極積層体を形成する段階；前記電極積層体を電解質溶液に浸漬させ、前記リチウム箔から前記陰極にリチウムイオンをフリードーピングする段階；及び前記フリードーピングされた前記陰極を含んだ前記電極積層体をシーリングする段階；を含むことができる。
【選択図】図１
Description
本発明はリチウムイオンキャパシタに関し、陰極にリチウム箔を直接的に接触させて陰極にリチウムイオンをフリードーピングするリチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタに関する。
一般的に、電気化学的エネルギー貯蔵装置は、全てのポータブル情報通信器機、電子機器において必須的に用いられる完製品器機の核心部品である。また、電気化学的エネルギー貯蔵装置は、未来型電気自動車及びポータブル電子装置等に適用されることができる新再生エネルギー分野のハイクオリティーエネルギー源として明らかに用いられるであろう。
電気化学的エネルギー貯蔵装置のうち電気化学キャパシタは電気二重層の原理を用いる電気二重層キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）と電気化学的酸化-還元反応を用いるハイブリッドスーパーキャパシタ（Ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ）に分けられることができる。
ここで、電気二重層キャパシタは高出力エネルギー特性を必要とする分野で多く用いられているが、電気二重層キャパシタは小さい用量のような問題点を有している。これに比べて、ハイブリッドスーパーキャパシタは、電気二重層キャパシタの用量特性を改善する新しい代案として多くの研究がなされている。特に、ハイブリッドスーパーキャパシタのうちリチウムイオンキャパシタ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＬＩＣ）は電気二重層キャパシタに比べて３から４倍程度の蓄積用量を有することができる。
リチウムイオンキャパシタを形成するための工程は、シート形態を有する陽極、分離膜及び陰極を順次的に積層して電極積層体を形成する積層工程、陽極の端子と陰極の端子を夫々溶接する溶接工程、陰極にリチウムイオンをフリードーピングするための前処理ドーピング工程及び電極積層体をアルミニウムでシーリングするシーリング工程を含むことができる。
ここで、陰極にリチウムイオンをフリードーピングするための工程は電極積層体の最上段層と最下段層に夫々リチウム金属膜を備えた後、電解質溶液に浸漬させることによりなされることができる。
この際、フリードーピング工程でリチウムイオンが陰極に円滑に供給されるために、陽極及び陰極に備えられた集電体はメッシュ形態でしか有することができず、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗が高くなるという問題点があった。
また、リチウム金属膜は電極積層体の両端に夫々備えられるため、積層された陰極全体にリチウムイオンが均一にドーピングされることが困難であった。
また、リチウムイオンが電極積層体の内部に備えられた陰極に均一にドーピングされるまでの時間が２０日くらいかかり、量産適用が困難であった。
従って、本発明はリチウムイオンキャパシタで発生される問題点を解決するために導き出されたものであり、具体的には、陰極にリチウム箔を直接的に接触させて陰極にリチウムイオンをフリードーピングするリチウムイオンキャパシタの製造方法及びそれにより製造されたリチウムイオンキャパシタを提供することをその目的とする。
本発明の目的はリチウムイオンキャパシタの製造方法を提供することである。前記製造方法は、セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、リチウム箔、陰極端子を備えた陰極及びリチウム箔を順次的に積層して予備電極積層体を形成する段階；前記予備電極積層体の陽極端子と陰極端子を夫々熔接して電極積層体を形成する段階；前記電極積層体を電解質溶液に浸漬させ、前記リチウム箔から前記陰極にリチウムイオンをフリードーピングする段階；及び前記フリードーピングされた前記陰極を含んだ前記電極積層体をシーリングする段階；を含むことができる。
ここで、前記陰極は陰極集電体と前記陰極集電体の両面に夫々備えられた陰極活物質層を備え、前記陰極活物質層は前記集電体の少なくとも一部を露出するように形成することができる。
また、前記リチウム箔は前記陰極活物質層上に配置されて前記陰極活物質層から露出された前記陰極集電体の少なくとも一部と接触することができる。
また、前記陰極集電体は無孔のシート形態を有することができる。
また、前記陰極集電体は銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成することができる。
また、前記リチウム箔は前記陰極集電体に対して１／１０の厚さを有することができる。
また、前記陽極は陽極集電体と前記陽極集電体の両面に夫々備えられた陽極活物質層を備えることができる。
また、前記陽極集電体は無孔のシート形態を有することができる。
また、前記陽極集電体はアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成することができる。
本発明の他の目的は前記製造方法により製造されたリチウムイオンキャパシタを提供することである。前記リチウムイオンキャパシタは、セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、陰極端子を備えた陰極を順次的に積層した電極積層体；及び前記電極積層体を密封する外装ラミネートフィルム；を含むことができる。
ここで、前記陰極は陰極集電体と前記陰極集電体の両面に夫々備えられた陰極活物質層を備え、前記陰極活物質層は前記集電体の少なくとも一部を露出するように形成されることができる。
また、前記陰極集電体は無孔のシート形態を有することができる。
また、前記陰極集電体は銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成することができる。
また、前記陽極は陽極集電体と前記陽極集電体の両面に夫々備えられた陽極活物質層を備えることができる。
また、前記陽極集電体は無孔のシート形態を有することができる。
また、前記陽極集電体はアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成することができる。
本発明のリチウムイオンキャパシタは、陰極にリチウム箔を直接的に接触させてリチウムイオンをフリードーピングさせることによって、フリードーピング工程時間を縮めることができて、量産適用が可能になることができる。
また、本発明のリチウムイオンキャパシタは、陰極にリチウム箔を直接的に接触させて集電体を無孔の形態を有することができるため、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗を低めることができる。
また、本発明のリチウムイオンキャパシタは、陰極にリチウム箔を直接的に接触させて各陰極に均一にリチウムイオンをフリードーピングさせることができる。
また、本発明のリチウムイオンキャパシタは、陰極にリチウム箔を直接的に接触させてリチウムイオンをフリードーピングさせることによって、リチウムイオンが集電体やセパレーターを移動しなくても良いため、集電体やセパレーターに対する選択自由度を高めることができる。
本発明の実施例をリチウムイオンキャパシタの製造のための治具の図面を参照して詳細に説明する。以下で紹介される実施例は当業者に本発明の思想が十分に伝達されるための例として提供されるものである。
従って、本発明は以下で説明される実施例に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜のために誇張されて表現されることもできる。明細書の全体における同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
図１から図５は本発明の第１実施例によるリチウムイオンキャパシタの製造工程を説明するために図示した工程図である。ここで、図１は予備電極積層体の分解斜視図であり、図２は図１でのＩ‐Ｉ'線に沿って切断した断面図である。
図１及び図２を参照すると、リチウムイオンキャパシタ１００を製造するために、まず、セパレーター１１０、陽極１２０、セパレーター１１０、リチウム箔１３０、陰極１４０、リチウム箔１３０を順次的に積層して、予備電極積層体１５０ａを形成する。
ここで、セパレーター１１０は陰極１４０と陽極１２０を分離する役割をすることができる。セパレーター１１０は紙または不織布であることができるが、本発明の実施例でセパレーター１１０の種類に対して限定するものではない。
陽極１２０は、陽極集電体１２０ａと陽極集電体１２０ａの両面に夫々配置された陽極活物質層１２０ｂを含むことができる。ここで、陽極１２０は陽極集電体１２０ａと電気的に連結された陽極端子１２０ｃを備えることができる。この際、陽極集電体１２０ａと陽極端子１２０ｃは一体になることができる。
また、陽極集電体１２０ａはアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔からなることができる。この際、陽極集電体１２０ａはリチウムイオンキャパシタ１００の内抵抗を低めるためにメッシュ形態ではなく、即ち無孔のシート形態を有することができる。
また、陽極活物質層１２０ｂはリチウムイオンを可逆的にドーピング及び脱ドーピングすることができる炭素材料、即ち活性炭を含むことができる。これに加えて、陽極活物質層１２０ｂはバインダーをさらに含むことができる。
陰極１４０は陰極集電体１４０ａと陰極集電体１４０ａの両面に夫々配置された陰極活物質層１４０ｂを含むことができる。
ここで、陰極１４０は陰極集電体１４０ａと電気的に連結された陰極端子１４０ｃを備えることができる。この際、陰極集電体１４０ａと陰極端子１４０ｃは一体になることができる。
また、陰極集電体１４０ａは銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔からなることができる。この際、陰極集電体１４０ａはリチウムイオンキャパシタの内抵抗を低めるためにメッシュ形態ではなく、即ち無孔のシート形態を有することができる。
また、陰極活物質層１４０ｂはリチウムイオンを可逆的にドーピング及び脱ドーピングすることができる炭素材質、例えばグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）からなることができる。これに加えて、陰極活物質層１４０ｂはバインダーをさらに含むこともできる。
この際、陰極活物質層１４０ｂは陰極集電体１４０ａの少なくとも一部を露出するように形成することができる。これは、陰極集電体１４０ａとリチウム箔１３０を直接的に接触させるためである。
リチウム箔１３０は陰極１４０にリチウムイオンを供給するための供給源の役割をすることができる。ここで、リチウム箔１３０は積層された陰極１４０に夫々直接的に接触するようになる。即ち、リチウム箔１３０は陰極１４０の両面に夫々配置されることができる。
リチウム箔１３０は陰極１４０、即ち陰極活物質層１４０ｂに対して１／５以下の厚さを有することができる。例えば、リチウム箔１３０は１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。これは、リチウム箔１３０がフリードーピング工程で全部消滅され、陰極１４０にドーピングさせるためである。
リチウム箔１３０は陰極活物質層１４０ｂに直接的に接触すると同時に、リチウム箔１３０の一部は陰極活物質層１４０ｂから露出された陰極集電体１４０ａと接触させることができる。これは、陰極活物質層１４０ｂは炭素素材でリチウム箔と接触する時抵抗の発生により陰極活物質層１４０ｂにリチウムイオンをドーピングすることが容易ではないからである。即ち、導体からなる陰極集電体１４０ａとリチウム箔１３０の間に陰極活物質層１４０ｂが介されるため、陰極活物質層１４０ｂにリチウムイオンが容易にドーピングされることができる。
本発明の実施例で、陽極１２０と陰極１４０は少なくとも２回積層されたことを図示したが、これに限定されるものではない。
図３を参照すると、予備電極積層体１５０ａの陽極端子１２０ｃと陰極端子１４０ｃを夫々熔接して、電極積層体１５０を形成することができる。ここで、熔接工程は超音波熔接を通じて遂行されることができるが、本発明の実施例でこれを限定するものではない。
その後、外装ラミネートフィルム１６０を用いて電極積層体１５０を包装する。ここで、外装ラミネートフィルム１６０はアルミニウムからなることができて、本発明の実施例でこれを限定するものではない。
電極積層体１５０を包装するために、まず、電極積層体１５０を間に置いて上、下部に夫々外装ラミネートフィルム１６０を提供する。その後、二つの外装ラミネートフィルム１６０を熱融着することにより、電極積層体１５０は外装ラミネートフィルム１６０によって包装されることができる。この際、熱融着工程は電極積層体１５０に電解液を供給するための投入口１６０ａを残しておくようにする。
ここで、電解液はリチウムイオンを移動させることができる媒質の役割をするものであり、高電圧で電気分解を起こさなくてリチウムイオンが安定的に存在することができる材質からなることができる。例えば、電解液はリチウム塩が溶解された溶媒を含むことができる。リチウム塩の例としてはＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４及びＬｉＣｌＯ４などであることができる。また、溶媒の例としては非プロトン性有機溶媒であることができる。しかし、本発明の実施例で、電解液の材質に対して限定するものではない。
図４を参照すると、投入口１６０ａに電解液を投入することによって、電極積層体１５０は電解液に含浸されることができる。この際、電解液にリチウム箔１３０が溶解されて陰極１４０にドーピングされることができる。
このように、陰極１４０にリチウムイオンをフリードーピングさせ、陰極１４０の電位を０Ｖ近くまで低めることができて、充電電圧を高めることができる。
図５を参照すると、電解液を投入した後、投入口１６０ａを真空密封させることによって、リチウムイオンキャパシタを形成することができる。
本発明の実施例で、陰極１４０のフリードーピングは、電極積層体１５０を外装ラミネイトフィルム１６０を用いて一部をシーリングした後、内部に電解液を投入して遂行することを説明したが、これに限定されるものではない。例えば、陰極１４０のフリードーピングは、電極積層体１５０を電解液に含浸した後、電解液から電極積層体１５０を取り出した後密封することもできる。
従って、本発明の実施例のように、積層された陰極１４０に夫々リチウム箔１３０を直接的に接触させてリチウムイオンをフリードーピングさせることによって、フリードーピング工程時間を縮めることができる。これによって、リチウムイオンキャパシタの量産性を高めることができる。
また、陰極１４０にリチウム箔１３０を直接的に接触させて陰極集電体１４０ａ及び陽極集電体１２０ａを無孔の形態を有することができるため、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗を低めることができるだけではなく、各陰極１４０に均一にリチウムイオンをフリードーピングさせることができる。
また、陰極１４０にリチウム箔１３０を直接的に接触させてリチウムイオンをフリードーピングさせることによって、リチウムイオンが陰極集電体１４０ａ、陽極集電体１２０ａやセパレーター１１０を移動しなくても良いため、陰極集電体１４０ａ、陽極集電体１２０ａ及びセパレーター１１０の形態に対する選択自由度を高めることができる。
以下、本発明の第１実施例により製造されたリチウムイオンキャパシタの構造を説明する。
図６は本発明の第２実施例によるリチウムイオンキャパシタを説明するために図示した断面図である。
図６を参照すると、本発明の第２実施例によるリチウムイオンキャパシタ１００は、電極積層体１５０及び電解液に含浸された電極積層体１５０を密封する外装ラミネートフィルム１６０を含むことができる。
ここで、電極積層体１５０は順次的に積層されたセパレーター１１０、陽極１２０、セパレーター１１０、及び陰極１４０を備えることができる。
陽極１２０は陽極集電体１２０ａと陽極集電体１２０ａの両面に夫々配置された陽極活物質層１２０ｂを含むことができる。陽極１２０は陽極集電体１２０ａから突出された陽極端子１２０ｃを備えることができる。ここで、陰極１４０のフリードーピング工程が陰極１４０にリチウム箔１３０を直接的に接触させて遂行されるため、リチウムイオンが陽極集電体１２０ａを通過する必要がないため、陽極集電体１２０ａは無孔のシート形態を有することができる。これによって、リチウムイオンキャパシタ１００の内部抵抗を低めることができる。陽極集電体１２０ａで用いられる材質の例としてはアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔であることができる。
陰極１４０は陰極集電体１４０ａと陰極集電体１４０ａの両面に夫々配置された陰極活物質層１４０ｂを含むことができる。陰極１４０は陰極集電体１４０ａから突出された陰極端子１４０ｃを備えることができる。この際、陰極集電体１４０ａの一部は陰極活物質層１４０ｂから露出されることができる。これは、製造工程で説明したように、リチウム箔１３０と陰極集電体１４０ａを接触させて、リチウム箔１３０から陰極活物質層１４０ｂに容易にドーピングするためである。
ここで、陰極１４０のフリードーピング工程が陰極１４０にリチウム箔１３０を直接的に接触させて遂行されるため、リチウムイオンが陰極集電体１４０ａを通過する必要がないため、陰極集電体１４０ａは無孔のシート形態を有することができる。これによって、リチウムイオンキャパシタ１００の内部抵抗を低めることができる。ここで、陰極集電体１４０ａで用いられる材質の例としては銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔であることができる。
従って、本発明の実施例のように、陰極にリチウムイオンを均一にフリードーピングさせることによって、リチウムイオンキャパシタの充電電圧を高めることができる。
１００ リチウムイオンキャパシタ
１１０ セパレーター
１２０ 陽極
１３０ リチウム箔
１４０ 陰極
１５０ 電極積層体
１６０ 外装ラミネートフィルム
１１０ セパレーター
１２０ 陽極
１３０ リチウム箔
１４０ 陰極
１５０ 電極積層体
１６０ 外装ラミネートフィルム
Claims (15)
- セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、リチウム箔、陰極端子を備えた陰極及びリチウム箔を順次的に積層して予備電極積層体を形成する段階；
前記予備電極積層体の陽極端子と陰極端子を夫々熔接して電極積層体を形成する段階；
前記電極積層体を電解質溶液に浸漬させ、前記リチウム箔から前記陰極にリチウムイオンをフリードーピングする段階；及び
前記フリードーピングされた前記陰極を含んだ前記電極積層体をシーリングする段階；
を含むリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記陰極は陰極集電体と前記陰極集電体の両面に夫々備えられた陰極活物質層を備え、
前記陰極活物質層は前記集電体の少なくとも一部を露出するように形成する請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記リチウム箔は前記陰極活物質層上に配置されて前記陰極活物質層から露出された前記陰極集電体の少なくとも一部と接触する請求項２に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陰極集電体は無孔のシート形態を有する請求項２または３に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陰極集電体は銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成する請求項２から４の何れか１項に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記リチウム箔は前記陰極集電体に対して１／１０の厚さを有する請求項２から５の何れか１項に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陽極は陽極集電体と前記陽極集電体の両面に夫々備えられた陽極活物質層を備える請求項１から６の何れか１項に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陽極集電体は無孔のシート形態を有する請求項７に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陽極集電体はアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成する請求項７または８に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- セパレーター、陽極端子を備えた陽極、セパレーター、陰極端子を備えた陰極を順次的に積層した電極積層体；及び
前記電極積層体を密封する外装ラミネートフィルム；
を含んで、
前記陰極は陰極集電体と前記陰極集電体の両面に夫々備えられた陰極活物質層を備え、前記陰極活物質層は前記集電体の少なくとも一部を露出するように形成されるリチウムイオンキャパシタ。 - 前記陰極集電体は無孔のシート形態を有する請求項１０に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記陰極集電体は銅及びニッケルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成する請求項１０または１１に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記陽極は陽極集電体と前記陽極集電体の両面に夫々備えられた陽極活物質層を備える請求項１０から１２の何れか１項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記陽極集電体は無孔のシート形態を有する請求項１３に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記陽極集電体はアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうち少なくとも何れか一つからなる箔で形成する請求項１３または１４に記載のリチウムイオンキャパシタ。
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