JP2011258798A - Electrochemical device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable electrochemical device having no self-discharge failure.SOLUTION: An electrochemical device comprises: an electrochemical element 5 including an electrolyte in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated via a separator so that the negative electrode plate is at an outermost part; an electrode plate for lithium insertion to supply lithium ions in advance by electrochemical contact, which is arranged oppositely to at least one negative electrode plate at the outermost part of the electrochemical device via a separate sheet of which the value of air permeability is larger than that of the separator; a positive-electrode external terminal plate 2 and a negative-electrode external terminal plate 3 that are electrically connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate respectively; and an armoring film sheet 4 that incorporates the electrochemical element 5, the electrode plate for lithium insertion, and the separate sheet and that seals them at a periphery.

Description

本発明は、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池などの電気化学デバイスに関するものである。   The present invention relates to electrochemical devices such as lithium ion capacitors and lithium ion secondary batteries.

ラミネートフィルムによる外装構造を有する充放電可能な電源機能を有する電気化学デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池などがあり、また近年は、電気二重層キャパシタの正極とリチウムイオン二次電池の負極とを組み合わせたハイブリッドタイプのキャパシタ(以下ハイブリッドキャパシタ)も知られている。   Electrochemical devices with a chargeable / dischargeable power supply function having an exterior structure made of a laminate film include electric double layer capacitors and lithium ion secondary batteries. Recently, positive electrodes and lithium ion secondary batteries of electric double layer capacitors are also included. A hybrid type capacitor (hereinafter referred to as a hybrid capacitor) in combination with a negative electrode of a battery is also known.

上述したような電気化学デバイスは、石油埋蔵量問題および地球温暖化等環境への配慮から、電気自動車などのモータ駆動用のエネルギー源、あるいはエネルギー回生システムのキーデバイスとして、さらには無停電電源装置、風力発電、太陽光発電への応用など、様々な新しい用途への適用が検討されており、次世代のデバイスとしてその期待度の高いデバイスである。   Electrochemical devices such as those mentioned above are used as an energy source for driving motors such as electric vehicles, or as a key device for energy regeneration systems, and also as an uninterruptible power supply due to environmental concerns such as oil reserves and global warming. Application to various new uses such as application to wind power generation and solar power generation is being studied, and it is a highly promising device as a next-generation device.

近年、エネルギー源、エネルギー回生用途への適用において電気化学デバイスへのさらなる高エネルギー密度化および低抵抗化が求められている。   In recent years, there has been a demand for higher energy density and lower resistance for electrochemical devices in applications for energy sources and energy regeneration.

電気二重層キャパシタは、一般に使用する電解液の種類により、水系電解液タイプと、非水系電解液タイプとに分類されるが、単一の電気二重層キャパシタの耐電圧は、水系電解液タイプの場合で1.2V程度、非水系電解液タイプの場合でも2.7V程度である。電気二重層キャパシタが蓄積可能なエネルギー容量を増加させるためには、この耐電圧をさらに高くすることが重要であるが、構成上困難である。   Electric double layer capacitors are generally classified into aqueous electrolyte type and non-aqueous electrolyte type depending on the type of electrolyte used. The withstand voltage of a single electric double layer capacitor is that of the aqueous electrolyte type. In some cases, it is about 1.2V, and even in the case of a non-aqueous electrolyte type, it is about 2.7V. In order to increase the energy capacity that can be stored in the electric double layer capacitor, it is important to further increase the withstand voltage, but it is difficult to construct.

一方、リチウムイオン二次電池は、リチウム含有遷移金属酸化物を主成分とする正極、リチウムイオンを吸蔵し、脱離しうる炭素材料を主成分とする負極、およびリチウム塩を含む有機系電解液とから構成されている。リチウムイオン二次電池を充電すると、正極からリチウムイオンが脱離して負極の炭素材料に吸蔵され、放電したときは逆に負極からリチウムイオンが脱離して正極の金属酸化物に吸蔵される。リチウムイオン二次電池は電気二重層キャパシタに比べて高電圧、高容量であるという性質を有するが、一方でその内部抵抗が高く、低抵抗化が困難であるという課題を持つ。   On the other hand, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode mainly composed of a lithium-containing transition metal oxide, a negative electrode mainly composed of a carbon material that can occlude and desorb lithium ions, and an organic electrolyte containing a lithium salt. It is composed of When the lithium ion secondary battery is charged, lithium ions are desorbed from the positive electrode and occluded in the carbon material of the negative electrode. Conversely, when discharged, lithium ions are desorbed from the negative electrode and occluded in the metal oxide of the positive electrode. Lithium ion secondary batteries have the properties of higher voltage and higher capacity than electric double layer capacitors, but have a problem that their internal resistance is high and resistance reduction is difficult.

ハイブリッドキャパシタは、正極に活性炭を用い、負極にリチウムイオンを吸蔵・脱離しうる炭素材料を用いている。充放電時に負極においてリチウムイオンの吸蔵、脱離反応を伴うことから、キャパシタ内部で実際に生じる両電極間の電位差は、負極にリチウム金属を用いた場合に、より卑な値にて推移する。従って、従来の正極、負極に活性炭を用いた電気二重層キャパシタと比較してより高耐電圧化することができ、よって蓄積可能なエネルギー量を電気二重層キャパシタに比較して大きく増加させる(高エネルギー化)ことが可能であり、且つ低抵抗であることから、これらの課題を解決するデバイスとして有力である。   The hybrid capacitor uses activated carbon for the positive electrode and a carbon material that can occlude and desorb lithium ions for the negative electrode. Since the negative electrode is subjected to occlusion and desorption reactions in the negative electrode during charge and discharge, the potential difference between the two electrodes that actually occurs inside the capacitor changes at a lower value when lithium metal is used for the negative electrode. Therefore, the withstand voltage can be further increased as compared with the conventional electric double layer capacitor using activated carbon for the positive electrode and the negative electrode, and the amount of energy that can be stored is greatly increased compared to the electric double layer capacitor (high Energy) and low resistance, it is promising as a device for solving these problems.

ハイブリッドキャパシタは、通常リチウムイオンを吸蔵・脱離可能な炭素材料を主成分としてなる負極材料にリチウムイオンを吸蔵する(以下、リチウムイオンプレドーピングとも記す。)必要があり、特許文献1に記載の技術がある。   The hybrid capacitor normally needs to store lithium ions in a negative electrode material mainly composed of a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions (hereinafter also referred to as lithium ion pre-doping). There is technology.

特許文献1には、以下のことが提案されている。正極、負極並びに電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒溶液を備えた有機電解質電池であって、正極集電体及び負極集電体が、それぞれ表裏面を貫通する孔を備え、負極活物質がリチウムを可逆的に担持可能であり、負極由来のリチウムが負極あるいは正極と対向して配置されたリチウムとの電気化学的接触により担持され、かつ該リチウムの対向面積が負極面積の40%以下である有機電解質電池が記載されている。   Patent Document 1 proposes the following. An organic electrolyte battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent solution of lithium salt as an electrolytic solution, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector each having a hole penetrating the front and back surfaces, and a negative electrode active material Is capable of reversibly supporting lithium, and lithium derived from the negative electrode is supported by electrochemical contact with lithium arranged opposite to the negative electrode or the positive electrode, and the opposing area of the lithium is 40% or less of the negative electrode area An organic electrolyte battery is described.

また、ドープを均一にする対策としては特許文献2に記載の技術がある。表裏面を貫通する孔を有する正極集電体上に形成された正極と、表裏面を貫通する孔を有する負極集電体上に形成された負極と、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒液からなる電解液と、前記負極および/または前記正極に電気化学的接触により予め担持させるリチウムイオンを供給するリチウムイオン供給源と、該リチウムイオン供給源(リチウム挿入用電極板)、前記正極及び前記負極の間に設けられるセパレータとを備え、前記正極および/または前記負極とが交互に3層以上積層されてなるリチウムイオンキャパシタであって、前記正極の正極活物質がリチウムイオンおよび/またはアニオンを可逆的に担持可能な物質を含み、前記負極の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を含み、所定位置に設けられた前記リチウムイオン供給源と隣接する前記正極および/または前記負極との間を40〜120μmの範囲にすべく、少なくとも2枚以上のセパレータを挟装させてなることを特徴とするリチウムイオンキャパシタが提案されている。   Moreover, there exists a technique of patent document 2 as a countermeasure for making dope uniform. From a positive electrode formed on a positive electrode current collector having holes penetrating the front and back surfaces, a negative electrode formed on a negative electrode current collector having holes penetrating the front and back surfaces, and an aprotic organic solvent liquid of lithium salt An electrolyte solution, a lithium ion supply source for supplying lithium ions previously supported on the negative electrode and / or the positive electrode by electrochemical contact, the lithium ion supply source (electrode plate for lithium insertion), the positive electrode, and the negative electrode A positive electrode active material of the positive electrode and reversible of lithium ions and / or anions, wherein the positive electrode and / or the negative electrode are alternately laminated in three or more layers. The negative electrode active material of the negative electrode includes a material capable of reversibly supporting lithium ions, and is disposed at a predetermined position. A lithium ion capacitor is proposed in which at least two separators are sandwiched between the positive electrode and / or the negative electrode adjacent to the lithium ion supply source in a range of 40 to 120 μm. Yes.

特許第3485935号公報Japanese Patent No. 3485935 特開2009−59732号公報JP 2009-59732 A

貫通孔を有する集電体を使用することで、貫通孔を介して複数枚積層された各電極へのリチウムイオンが移動し、リチウムイオンプレドーピングが行え、有用な方法である。しかしながら、積層方向にリチウムイオンの供給源を配置するため、負極とリチウムイオン供給源との抵抗は非常に小さく、電気的接触によりリチウムを対象電極に担持させるため、二極(共有源、担持対象電極)間に流れる電流(リチウムプレドーピング電流)は非常に大きく、対象電極へリチウムイオンをドープする為、対象電極の劣化等不具合を生じる可能性がある。またリチウムイオンの供給源(リチウム挿入用電極板)にもっとも近い担持対象電極と最も遠い電極とのリチウムイオンのドープ量の違いが発生したり、ドープむらにより電極にリチウムデンドライトが析出し電極間のショートの原因となったり、ドープむらによる耐久性の劣化等不具合を生じる可能性がある。   By using a current collector having a through hole, lithium ions move to each of the stacked electrodes through the through hole, and lithium ion pre-doping can be performed, which is a useful method. However, since the lithium ion supply source is arranged in the stacking direction, the resistance between the negative electrode and the lithium ion supply source is very small, and lithium is supported on the target electrode by electrical contact. The current flowing between the electrodes) (lithium pre-doping current) is very large, and the target electrode is doped with lithium ions, which may cause problems such as deterioration of the target electrode. In addition, there is a difference in the doping amount of lithium ions between the electrode to be carried closest to the lithium ion supply source (lithium insertion electrode plate) and the electrode farthest from the lithium ion, or lithium dendrite is deposited on the electrodes due to uneven doping. This may cause a short circuit or cause a problem such as deterioration of durability due to uneven dope.

特許文献2に関しては、リチウムイオン供給源と隣接する電極間に配置するセパレータを2枚以上にすることで、リチウムイオン供給源と隣接する電極の距離を40〜120μmにし、リチウムイオンプレドーピングが積層された対象電極間のドープが均一になるとされている。しかしながら積層された対象電極間には電極の積層枚数分のセパレータが存在し、対象電極の積層位置に応じて、リチウムイオン供給源からの距離、イオンが透過するセパレータの枚数も異なる結果ドープ量が不均一になることになり、技術的な根拠が不明瞭であることが否定できない。また特許文献2にリチウム供給源と担持対象電極の距離を40μ〜120μmとするとあるが、記されている実施例が70μ〜100μmの記載しかない。   With respect to Patent Document 2, the distance between the lithium ion supply source and the adjacent electrode is set to 40 to 120 μm by using two or more separators disposed between the lithium ion supply source and the adjacent electrode, and lithium ion pre-doping is laminated. It is said that the dope between the target electrodes is made uniform. However, there are separators as many as the number of stacked electrodes between the target electrodes that are stacked, and depending on the stacking position of the target electrodes, the distance from the lithium ion source and the number of separators through which ions permeate also differ. It becomes uneven, and it cannot be denied that the technical basis is unclear. Patent Document 2 states that the distance between the lithium supply source and the electrode to be supported is 40 μm to 120 μm, but the described examples are only described as 70 μm to 100 μm.

特許文献1または2に記載のリチウムイオンプレドーピングを行う技術においては、リチウムイオンをドーピングする対象電極の劣化に影響がなく、かつ積層された各電極板間および電極面内でのドーピングのむらがなく、そしてリチウムデンドライト析出がなく、品質・信頼性に優れた電気化学デバイスを提供することが困難であった。即ち本発明の課題は、各電極板間,電極面内で均一にリチウムイオンプレドーピングできる電気化学デバイスを提供することにある。   In the technique of performing lithium ion pre-doping described in Patent Document 1 or 2, there is no influence on the deterioration of the target electrode to be doped with lithium ions, and there is no uneven doping between the stacked electrode plates and in the electrode plane. In addition, it has been difficult to provide an electrochemical device having no lithium dendrite precipitation and excellent quality and reliability. That is, an object of the present invention is to provide an electrochemical device capable of pre-doping lithium ions uniformly between electrode plates and within an electrode surface.

本発明の電気化学デバイスは、正極電極板と負極電極板をセパレータを介して前記負極電極板が最外部となるように積層され電解液を含む電気化学素子と、前記セパレータの透気度の値より大きな値のセパレートシートを介して前記電気化学素子の少なくとも一方の最外部の前記負極電極板と対向して配置された電気化学的な接触により予めリチウムイオンを供給するリチウム挿入用電極板と、前記正極電極板および前記負極電極板にそれぞれ電気的に接続される正極外部端子板および負極外部端子板と、前記電気化学素子とリチウム挿入電極板とセパレートシートを内蔵し周縁部にて密閉する外装フィルムシートとを備えることを特徴とする。   The electrochemical device according to the present invention includes a positive electrode plate and a negative electrode plate laminated via a separator so that the negative electrode plate is the outermost part, an electrochemical element containing an electrolyte, and a value of air permeability of the separator An electrode plate for lithium insertion that supplies lithium ions in advance by electrochemical contact disposed opposite to the outermost negative electrode plate of at least one of the electrochemical elements through a separator sheet having a larger value; A positive external terminal plate and a negative external terminal plate that are electrically connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively, and an exterior that contains the electrochemical element, a lithium insertion electrode plate, and a separate sheet, and is sealed at the periphery. And a film sheet.

さらに、本発明の電気化学デバイスは、前記セパレートシートの透気度が、前記電気化学素子に使用する前記セパレータの透気度の5倍以上2000倍以下であることを特徴とする。   Furthermore, the electrochemical device of the present invention is characterized in that the air permeability of the separate sheet is not less than 5 times and not more than 2000 times the air permeability of the separator used in the electrochemical element.

さらに、本発明の電気化学デバイスは、前記セパレートシートの厚みが、10μm以上200μm以下であることを特徴とする。   Furthermore, the electrochemical device of the present invention is characterized in that the thickness of the separate sheet is 10 μm or more and 200 μm or less.

さらに、本発明の電気化学デバイスは、リチウムイオン二次電池またはハイブリッドキャパシタであることを特徴とする。   Furthermore, the electrochemical device of the present invention is a lithium ion secondary battery or a hybrid capacitor.

本発明により、対象電極へ均一にリチウムイオンプレドーピングができ、品質・信頼性が高い電気化学デバイスの提供が可能となる。   According to the present invention, a lithium ion pre-doping can be uniformly applied to a target electrode, and an electrochemical device having high quality and reliability can be provided.

本発明のハイブリッドキャパシタの形状および内部構成を示す図で、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図、図1(c)は図1(a)のAーA断面図。FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a side view, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A. . 本発明のハイブリッドキャパシタの内部の電気化学素子の構成を示す図で、図2(a)は正極電極板の平面図、図2(b)はセパレータの平面図、図2(c)は負極電極板の平面図、図2(d)はセパレートシートの平面図、図2(e)は負極にリチウムを挿入するリチウム挿入用電極板の平面図。2A and 2B are diagrams showing the configuration of an electrochemical element inside the hybrid capacitor of the present invention, FIG. 2A is a plan view of a positive electrode plate, FIG. 2B is a plan view of a separator, and FIG. 2C is a negative electrode. FIG. 2D is a plan view of a separate sheet, and FIG. 2E is a plan view of a lithium insertion electrode plate for inserting lithium into the negative electrode. 本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図。The perspective view of the electrochemical element of the hybrid capacitor of this invention. セパレートシートを最上面にセットした本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図。The perspective view of the electrochemical element of the hybrid capacitor of this invention which set the separate sheet | seat on the uppermost surface. セパレータを最上面にセットした従来のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図。The perspective view of the electrochemical element of the conventional hybrid capacitor which set the separator on the uppermost surface. 本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子にリチウム挿入用電極板をセットした斜視図。The perspective view which set the electrode plate for lithium insertion to the electrochemical element of the hybrid capacitor of this invention.

以下に、本発明の電気化学デバイスの実施の形態について、ハイブリッドキャパシタを例として図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the electrochemical device of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a hybrid capacitor as an example.

本発明の電気化学デバイスとしてのハイブリッドキャパシタは、セパレータを介して積層する正極電極板と集電体を備える正極電極板と、リチウムを可逆的に吸蔵・脱離可能な負極活物質電極シートと集電体を備える負極電極板と、リチウム塩含有の有機電解液を含む電気化学素子ならびに、負極電極板に対して積層方向に配置し負極電極板に電気化学的な接触により予めリチウムイオンを供給するリチウム挿入用電極板と、電気化学素子とリチウム挿入用電極板の間に配置するセパレートシートと、正極電極板および負極電極板にそれぞれ電気的に接続される正極外部端子板および負極外部端子板を内蔵し、周縁部にて密閉する外装フィルムシートを有している。リチウム挿入用電極板と電気化学素子の間に配置されるセパレートシートは、電気化学素子に使用するセパレータの透気度より大きなもの、つまりイオン透過性が低いもので構成されている。   The hybrid capacitor as an electrochemical device of the present invention comprises a positive electrode plate laminated with a separator and a positive electrode plate comprising a current collector, a negative electrode active material electrode sheet capable of reversibly inserting and extracting lithium, and a collector. A negative electrode plate provided with an electric conductor, an electrochemical element including an organic electrolyte containing a lithium salt, and lithium ions are supplied in advance to the negative electrode plate by electrochemical contact with the negative electrode plate. Built-in electrode plate for lithium insertion, separate sheet placed between the electrochemical element and the electrode plate for lithium insertion, and a positive external terminal plate and a negative external terminal plate electrically connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively The exterior film sheet is hermetically sealed at the peripheral edge. The separate sheet disposed between the lithium insertion electrode plate and the electrochemical element is composed of a sheet having a larger air permeability than that of the separator used for the electrochemical element, that is, a sheet having low ion permeability.

さらに、本発明のハイブリッドキャパシタのセパレートシートの透気度は、電気化学素子に使用するセパレータの透気度の5倍以上2000倍以下、厚みは10μm以上200μm以下のもので構成されていることが好ましい。   Furthermore, the air permeability of the separator sheet of the hybrid capacitor of the present invention is 5 to 2000 times that of the separator used in the electrochemical device, and the thickness is 10 μm to 200 μm. preferable.

本発明のハイブリッドキャパシタでは、電気化学素子とリチウム挿入用電極板の間に配置されて透気度の値がセパレータより大きな、つまりイオン透過性が低いセパレートシートにより、ドーピング電流が制御され、多積層の負極活物質電極シートにおいても、電極面内、積層電極板間で均一にリチウムイオンをドーピングできることで、ハイブリッドキャパシタの高品質・高信頼化が図れる。本発明により従来の課題を解決し、高品質・高信頼化が図られたハイブリッドキャパシタを提供できる。   In the hybrid capacitor of the present invention, the doping current is controlled by a separate sheet that is disposed between the electrochemical element and the electrode plate for lithium insertion and has a larger air permeability value than that of the separator, that is, low ion permeability, so that the multi-layered negative electrode Even in the active material electrode sheet, the lithium capacitor can be uniformly doped within the electrode surface and between the laminated electrode plates, so that high quality and high reliability of the hybrid capacitor can be achieved. According to the present invention, it is possible to provide a hybrid capacitor that solves the conventional problems and achieves high quality and high reliability.

図6は、本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子5とリチウム挿入用電極板12の間に透気度の値がセパレータより大きなセパレートシートを配置させた斜視図である。これは本発明の実施の形態に係る電気化学デバイスの構成の例を図示したもので、特にハイブリッドキャパシタの場合について示したものである。しかし、それ以外の電気化学デバイスであるリチウムイオン二次電池の場合であっても、用いられる正極活物質電極シート、負極活物質電極シートの配置や外部端子板に設けた構成、金属箔を内蔵した外装フィルムシートの構成には特段の相違はなく、いずれの場合であっても適用できる。   FIG. 6 is a perspective view in which a separate sheet having a larger air permeability than the separator is disposed between the electrochemical element 5 of the hybrid capacitor of the present invention and the lithium insertion electrode plate 12. This shows an example of the configuration of the electrochemical device according to the embodiment of the present invention, and particularly shows the case of a hybrid capacitor. However, even in the case of lithium ion secondary batteries that are other electrochemical devices, the arrangement of the positive electrode active material electrode sheet, the arrangement of the negative electrode active material electrode sheet, the configuration provided on the external terminal plate, and the built-in metal foil There is no particular difference in the configuration of the exterior film sheet, which can be applied in any case.

図1は、本発明のハイブリッドキャパシタの形状および内部構成を示す図で、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図、図1(c)は図1(a)のAーA断面図である。ハイブリッドキャパシタ1の上側および下側は外装フィルムシート4によって被覆されており、一方の短辺から正極外部端子板2および負極外部端子板3がそれぞれ延出していて、図1(b)に示す通り、この正極外部端子板2と負極外部端子板3は上側および下側の外装フィルムシート4の間からそれぞれ外部に導出している。また、図1(c)に示す通りハイブリッドキャパシタ1の内部には、後述する電気化学素子5が内蔵されている。電気化学素子の内正極電極板は、正極集電体に正極活物質電極シートが塗工されている。負極電極板は、負極集電体に負極活物質電極シートが塗工されている。正極電極板と負極電極板には、それぞれ正極外部端子板2と負極外部端子板3が接続されている。上側と下側の外装フィルムシート4の間には電解液が充填されており、電気化学素子5は電解液に浸漬された状態となっている。外装フィルムシートは、金属箔とポリオレフィン系フィルムを貼り合わせたラミネートフィルムを使用できる。外装フィルムシートの内側には熱可塑性樹脂が形成され、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酸変性プロピレン、エチレンーメタクリル酸共重合体等が使用できる。   FIG. 1 is a diagram showing the shape and internal configuration of a hybrid capacitor of the present invention, in which FIG. 1 (a) is a plan view, FIG. 1 (b) is a side view, and FIG. 1 (c) is A in FIG. FIG. The upper and lower sides of the hybrid capacitor 1 are covered with an exterior film sheet 4, and the positive external terminal plate 2 and the negative external terminal plate 3 extend from one short side, respectively, as shown in FIG. The positive external terminal plate 2 and the negative external terminal plate 3 are led out from between the upper and lower exterior film sheets 4, respectively. Further, as shown in FIG. 1C, an electrochemical element 5 described later is built in the hybrid capacitor 1. In the electrochemical element, the positive electrode plate has a positive electrode current collector coated with a positive electrode active material electrode sheet. In the negative electrode plate, a negative electrode active material electrode sheet is coated on a negative electrode current collector. A positive electrode external terminal plate 2 and a negative electrode external terminal plate 3 are connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively. An electrolyte solution is filled between the upper and lower exterior film sheets 4, and the electrochemical element 5 is immersed in the electrolyte solution. As the exterior film sheet, a laminated film obtained by bonding a metal foil and a polyolefin film can be used. A thermoplastic resin is formed inside the exterior film sheet, and polyethylene, polypropylene, acid-modified propylene, an ethylene-methacrylic acid copolymer, and the like can be used as the thermoplastic resin.

外装フィルムシート4は、上側および下側より電気化学素子5を包み込んでいるが、周縁部では上側と下側の外装フィルムシート4同士が互いに接着して電解液を含む内容物を密封し、その漏出を防ぐ構成となっている。また、正極外部端子板2および負極外部端子板3が外部に導出する位置(接合部)では、各外部端子板の周囲を被覆して封止する構成となっている。従って、ハイブリッドキャパシタ1は、外装フィルムシート4同士の接着、および外装フィルムシート4による正極外部端子板2と負極外部端子板3の接合部の周囲の被覆によって完全に密封されている。   The exterior film sheet 4 wraps the electrochemical element 5 from the upper side and the lower side, but at the peripheral part, the upper and lower exterior film sheets 4 adhere to each other to seal the contents containing the electrolyte, It is configured to prevent leakage. In addition, at the position where the positive electrode external terminal plate 2 and the negative electrode external terminal plate 3 lead out to the outside (joining portion), the periphery of each external terminal plate is covered and sealed. Therefore, the hybrid capacitor 1 is completely sealed by adhesion between the exterior film sheets 4 and covering around the joint between the positive external terminal plate 2 and the negative external terminal plate 3 by the external film sheet 4.

図2は、本発明のハイブリッドキャパシタの内部の電気化学素子の構成を示す図で、図2(a)は正極電極板の平面図、図2(b)はセパレータの平面図、図2(c)は負極電極板の平面図、図2(d)はセパレートシートの平面図、図2(e)は負極にリチウムを挿入するリチウム挿入用電極板の平面図である。図2(a)に示す正極電極板6は正極活物質電極シート8と正極集電体からなり、このうち正極集電体は、一般的にはアルミニウムやアルミニウム合金などの金属箔からなり、表面と裏面を貫通する孔を有する集電体であり、正極活物質電極シート8は、集電体の片面もしくは両面に、炭素材料を主成分とする活物質を多量に含む電極合剤層であって、バインダおよび導電剤を含むことが多い。端子部の正極電極板6は一般には正極活物質電極シート8を塗工する集電体の一部を延出させたものであるが、何らかの薄い金属体を正極集電体に溶接や圧着などの方法により固定したものでもよい。   2A and 2B are diagrams showing the structure of the electrochemical element inside the hybrid capacitor of the present invention. FIG. 2A is a plan view of the positive electrode plate, FIG. 2B is a plan view of the separator, and FIG. ) Is a plan view of the negative electrode plate, FIG. 2D is a plan view of a separate sheet, and FIG. 2E is a plan view of a lithium insertion electrode plate for inserting lithium into the negative electrode. The positive electrode plate 6 shown in FIG. 2 (a) is composed of a positive electrode active material electrode sheet 8 and a positive electrode current collector, of which the positive electrode current collector is generally composed of a metal foil such as aluminum or aluminum alloy, and has a surface. The positive electrode active material electrode sheet 8 is an electrode mixture layer containing a large amount of an active material mainly composed of a carbon material on one side or both sides of the current collector. Often includes a binder and a conductive agent. The positive electrode plate 6 of the terminal portion is generally a part of the current collector on which the positive electrode active material electrode sheet 8 is applied, but some thin metal body is welded or crimped to the positive electrode current collector. It may be fixed by the above method.

図2(b)に示すセパレータ10は絶縁性の多孔膜であり、一般には正極活物質電極シート8、負極活物質電極シート9よりもやや大きく構成され、比較的透気度の値が小さく電解液が浸透しやすい素材で、正極と負極の絶縁性を保ち且つイオンの透過性が高いことが必要である。   The separator 10 shown in FIG. 2 (b) is an insulating porous film, and is generally configured to be slightly larger than the positive electrode active material electrode sheet 8 and the negative electrode active material electrode sheet 9, and has a relatively small air permeability value. It is necessary for the material to be easily penetrated by the liquid, to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode and to have high ion permeability.

図2(c)に示す負極電極板は負極活物質電極シート9と負極集電体からなり、このうち負極集電体は、一般的には銅や銅合金などの金属箔からなり、表面と裏面を貫通する孔を有する集電体であり、負極活物質電極シート9は集電体の片面もしくは両面に、炭素材料を主成分とする活物質を多量に含む電極合剤層であって、バインダおよび導電剤を含むことが多い。端子部の負極電極板7は一般には負極活物質電極シート9を塗工する集電体の一部を延出させたものであるが、何らかの薄い金属体を負極集電体に溶接や圧着などの方法により固定したものでもよい。なお図2(c)では正極活物質電極シート8と同一形状とした場合を示しているが、両者の面積や形状は同一でなくても構わない。   The negative electrode plate shown in FIG. 2 (c) is composed of a negative electrode active material electrode sheet 9 and a negative electrode current collector. Of these, the negative electrode current collector is generally composed of a metal foil such as copper or copper alloy, A current collector having holes penetrating the back surface, the negative electrode active material electrode sheet 9 is an electrode mixture layer containing a large amount of an active material mainly composed of a carbon material on one or both surfaces of the current collector, Often contains a binder and a conductive agent. The negative electrode plate 7 of the terminal portion is generally a part of the current collector on which the negative electrode active material electrode sheet 9 is applied, but some thin metal body is welded or crimped to the negative electrode current collector. It may be fixed by the above method. In addition, although the case where it is set as the same shape as the positive electrode active material electrode sheet 8 is shown in FIG.2 (c), the area and shape of both may not be the same.

図2(d)に示すセパレートシート11は絶縁性の多孔膜であり、正極活物質電極シート8、負極活物質電極シート9よりもやや大きく構成され、透気度の値が大きく、リチウム挿入用電極板12と負極電極板の絶縁性を保ち且つイオンの透過性が低いことが必要である。また透気度は、JIS C2111(絶縁紙試験方法)に規定される19.2透気度の項に従い、B型試験器(ガーレーデンソーメータ)によって測定された100mlの空気が測定シートを通過するのに要した時間の値である。   A separate sheet 11 shown in FIG. 2 (d) is an insulating porous film, is configured to be slightly larger than the positive electrode active material electrode sheet 8 and the negative electrode active material electrode sheet 9, has a large air permeability, and is used for lithium insertion. It is necessary to maintain the insulation between the electrode plate 12 and the negative electrode plate and to have low ion permeability. In addition, the air permeability conforms to the term of 19.2 air permeability defined in JIS C2111 (insulating paper test method), and 100 ml of air measured by a B-type tester (Gurley densometer) passes through the measurement sheet. It is the value of the time required for

図2(e)に示すリチウム挿入用電極板12は、銅などの金属箔からなる集電体に金属リチウム13を貼り合わせ固定されている。負極活物質電極シートへのリチウム挿入後は、リチウム挿入用電極板を取り出すことが望ましいが、挿入量にあわせた金属リチウムを用い消費させれば内部に配置させておいてもよい。   In the lithium insertion electrode plate 12 shown in FIG. 2 (e), metallic lithium 13 is bonded and fixed to a current collector made of a metal foil such as copper. After inserting lithium into the negative electrode active material electrode sheet, it is desirable to take out the electrode plate for lithium insertion. However, if lithium metal is consumed using the amount of insertion, it may be placed inside.

図6は、本発明のハイブリッドキャパシタの電極積層体の斜視図である。上から図2(e)に示すリチウム挿入用電極板12、図2(d)に示すセパレートシート、図2(c)に示す負極電極板7、図2(b)に示すセパレータ10、図2(a)に示す正極電極板6の順で積層したものである。すなわち、外装フィルムシート内において電気化学素子5の構成は、リチウム挿入用電極板/セパレートシート/負極電極板/セパレータ/正極電極板/セパレータ/・・/セパレータ/正極電極板/セパレータ/負極電極板/セパレータ、もしくは積層枚数が多くなる場合は、リチウム挿入用電極板/セパレートシート/負極電極板/セパレータ/正極電極板/セパレータ/・・/セパレータ/正極電極板/セパレータ/負極電極板/セパレートシート/リチウム挿入用電極板と上下にセパレートシート/リチウム挿入用シートを配置する構造となっている。またさらに積層数が多くなる場合は、リチウム挿入用電極板/セパレートシート/負極電極板/セパレータ/正極電極板/セパレータ/・・/負極電極板/セパレートシート/リチウム挿入用電極板/セパレートシート/負極電極板・・・/セパレータ/正極電極板/セパレータ/負極電極板/セパレートシート/リチウム挿入用電極板というように中間にリチウム金属をCu箔に両面貼りしたリチウム挿入用電極板を配置し、その上下にセパレートシートを配置してもよい。必ずリチウム挿入用電極板と負極電極板の間はセパレートシートを配置する構造とする。   FIG. 6 is a perspective view of the electrode laminate of the hybrid capacitor of the present invention. From above, the lithium insertion electrode plate 12 shown in FIG. 2 (e), the separate sheet shown in FIG. 2 (d), the negative electrode plate 7 shown in FIG. 2 (c), the separator 10 shown in FIG. 2 (b), FIG. The positive electrode plates 6 shown in FIG. That is, the structure of the electrochemical element 5 in the exterior film sheet is lithium insertion electrode plate / separate sheet / negative electrode plate / separator / positive electrode plate / separator /.../ separator / positive electrode plate / separator / negative electrode plate. / Separator or electrode plate for lithium insertion / separate sheet / negative electrode plate / separator / positive electrode plate / separator /.../ separator / positive electrode plate / separator / negative electrode plate / separate sheet / The electrode plate for lithium insertion and the separate sheet / sheet for lithium insertion are arranged above and below. If the number of laminated layers is further increased, the electrode plate for lithium insertion / separate sheet / negative electrode plate / separator / positive electrode plate / separator /.// negative electrode plate / separate sheet / electrode plate for lithium insertion / separate sheet / Negative electrode plate ... / Separator / Positive electrode plate / Separator / Negative electrode plate / Separate sheet / Lithium insertion electrode plate Lithium insertion electrode plate with lithium metal bonded on both sides of Cu foil Separate sheets may be arranged above and below. Be sure to place a separate sheet between the lithium insertion electrode plate and the negative electrode plate.

図3は、セパレートシートおよびリチウム挿入用電極板をセットする前の本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図である。電気化学素子5は、セパレータを介して正極電極板6と負極電極板7を積層して構成されている。この正極電極板6と負極電極板7の一方の短辺から、正極延出部および負極延出部がそれぞれ引き出されている。   FIG. 3 is a perspective view of the electrochemical element of the hybrid capacitor of the present invention before setting a separate sheet and a lithium insertion electrode plate. The electrochemical element 5 is configured by laminating a positive electrode plate 6 and a negative electrode plate 7 via a separator. From one short side of the positive electrode plate 6 and the negative electrode plate 7, a positive electrode extension portion and a negative electrode extension portion are respectively drawn out.

図4は、図3の電気化学素子にセパレートシート11をセットした本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子5の斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the electrochemical element 5 of the hybrid capacitor of the present invention in which a separate sheet 11 is set on the electrochemical element of FIG.

図5は、図3の電気化学素子にセパレータ10をセットした従来のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図である。   FIG. 5 is a perspective view of an electrochemical element of a conventional hybrid capacitor in which a separator 10 is set on the electrochemical element of FIG.

図6は、本発明のハイブリッドキャパシタの電気化学素子にリチウム挿入用電極板12をセットし、正極外部端子板2は正極電極板と負極外部端子板3は負極電極板並びにリチウム挿入用電極板12とそれぞれ超音波溶接された電気化学素子5の斜視図である。リチウム挿入用電極板12の金属リチウムを貼り合わせした面と、電気化学素子5が対向するように配置した。リチウム挿入用電極板12の集電体として、貫通孔を有するパンチングメタルやエキスパンドメタル等をもちいれば金属リチウムを貼り合わせした面を必ずしも電気化学素子と対向する方向にする必要はないが、電気化学素子と対向する方がリチウムを挿入するうえで好ましく、積層体の中間にリチウム挿入電極を配置させる時は、貫通孔を有するパンチングメタルやエキスパンドメタル等を用いるか、金属リチウムをリチウム挿入用電極板12の集電体の表面・裏面の両面に貼り合わせたものを使用する。各外部端子と各電極板の接合方法は、超音波溶接に限られるものではなく、抵抗溶接、レーザ溶接などでもよい。   FIG. 6 shows a lithium insertion electrode plate 12 set in the electrochemical element of the hybrid capacitor of the present invention. The positive external terminal plate 2 is a positive electrode plate, the negative external terminal plate 3 is a negative electrode plate and a lithium insertion electrode plate 12. 2 is a perspective view of an electrochemical element 5 that is ultrasonically welded to each other. It arrange | positioned so that the surface which bonded the lithium metal of the electrode plate 12 for lithium insertion, and the electrochemical element 5 may oppose. If a punching metal or an expanded metal having a through hole is used as the current collector of the lithium insertion electrode plate 12, the surface on which the metallic lithium is bonded does not necessarily have to face the electrochemical element. Opposite the chemical element is preferable for inserting lithium. When the lithium insertion electrode is arranged in the middle of the laminate, a punching metal or an expanded metal having a through hole is used, or lithium metal is used as the lithium insertion electrode. What was bonded to both the front and back surfaces of the current collector of the plate 12 is used. The joining method of each external terminal and each electrode plate is not limited to ultrasonic welding, and may be resistance welding, laser welding, or the like.

ここで、本発明の実施の形態における、積層型のハイブリッドキャパシタの製造方法の例を以下に説明する。正極電極板は、アルミニウム箔またはステンレス箔等からなる金属箔をプレス加工し、箔に表裏面を貫通する孔を有する集電体、いわゆるパンチング箔に炭素材料を主成分とする活物質とバインダ、および導電剤を混合してシート状にした正極活物質電極シートを、一体化させたものである。貫通孔を有する集電体はパンチング箔に限られるものだけではなく、エキスパンドメタル、電解エッチングによる貫通箔、3次元微細構造を有する箔など表裏面を貫通する孔を有するものであればよい。この活物質となる炭素原料としては、木材、鋸屑、椰子殻、パルプ廃液などの植物系物質、石炭、石油重質油、またはそれらを熱分解して得られる石炭系および石油系ピッチ、石油コークス、カーボンエアロゲル、タールピッチなどの化石燃料系物質、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデンなどの合成高分子系物質など各種のものが用いられる。これらの炭素原料を炭化した後に、ガス賦活法もしくは薬品賦活法によって賦活し、比表面積が700m/g〜3000m/gの炭素系活物質を得る。この活物質の比表面積はとくに1000m/g〜2000m/gの場合が好ましい。また、バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー等の含フッ素系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム等のゴム系バインダ、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂などが用いられ、正極活物質電極シートの全体の3質量%〜20質量%程度のバインダを含んで作製させるのが好ましい。このバインダとしては、上記の物質の中では特にポリテトラフルオロエチレンが耐熱性、耐薬品性、作製されるシート状の分極性電極層の強度の観点から好ましい。また、導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛炭素繊維などから選択される物質を、正極活物質電極シートの全体の5質量%〜30質量%程度添加することが好ましい。 Here, an example of a manufacturing method of the multilayer hybrid capacitor in the embodiment of the present invention will be described below. The positive electrode plate is formed by pressing a metal foil made of aluminum foil, stainless steel foil, or the like, and a current collector having holes penetrating the front and back surfaces of the foil, so-called punching foil and an active material and a binder mainly composed of a carbon material, And a positive electrode active material electrode sheet mixed with a conductive agent to form a sheet. The current collector having the through holes is not limited to the punching foil, but may be any one having holes penetrating the front and back surfaces, such as an expanded metal, a through foil by electrolytic etching, and a foil having a three-dimensional microstructure. The carbon raw material used as the active material includes plant materials such as wood, sawdust, coconut husk and pulp waste liquid, coal, heavy petroleum oil, coal-based and petroleum-based pitch obtained by pyrolyzing them, and petroleum coke. Various materials such as fossil fuel materials such as carbon aerogel and tar pitch, and synthetic polymer materials such as phenol resin, polyvinyl chloride resin, and polyvinylidene chloride are used. These carbon material after carbonization, and activating the gas activation method or chemical activation method, the specific surface area to obtain a carbon-based active material of 700m 2 / g~3000m 2 / g. The specific surface area of the active material is particularly preferred if the 1000m 2 / g~2000m 2 / g. As the binder, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and fluoroolefin copolymer cross-linked polymers, rubber binders such as styrene-butadiene rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, etc. are used. It is preferable that the positive electrode active material electrode sheet is made to contain about 3% by mass to 20% by mass of the binder. Among these substances, polytetrafluoroethylene is particularly preferable as the binder from the viewpoint of heat resistance, chemical resistance, and strength of the sheet-like polarizable electrode layer to be produced. Further, as the conductive agent, a material selected from carbon black such as acetylene black and ketjen black, natural graphite, thermally expanded graphite carbon fiber, etc., is about 5% by mass to 30% by mass of the whole positive electrode active material electrode sheet. It is preferable to add.

負極電極板は、銅箔、ニッケル箔またはステンレス箔等からなる金属箔をプレス加工し、箔に表裏面を貫通する孔を有する集電体、いわゆるパンチング箔に、炭素材料を主成分とする活物質とバインダ、および導電剤を混合してシート状にした負極活物質電極シートを、一体化させたものである。貫通孔を有する集電体はパンチング箔に限られるものだけではなく、エキスパンドメタル、3次元微細構造を有する箔など表面裏面を貫通する孔を有するものであればよい。炭素材料を主成分とする活物質としては、リチウムイオンのドープ、脱ドープが可能な、グラファイト、不定形炭素などの炭素系材料を用いることができる。導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックのようなカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛炭素繊維が好ましく、負極活物質電極シートの全体の5〜30質量%程度添加するのが好ましい。またバインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー等の含フッ素系樹脂、ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム等のゴム系バインダ、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂などが用いられ、特にポリフッ化ビニリデンが耐熱性、耐薬品性、シート強度の観点から好ましい。負極活物質電極シートの全体の3〜20質量%程度のバインダを含んで作製させるのが好ましい。ここでは炭素材用に関して記載したが、正極活物質の単位重量当たりの理論容量より非常に大きな理論容量をもつSi等の次世代負極材料を用いた次世代型リチウムイオン二次電池のエネルギー密度向上技術としても検討されており、Si等の負極材を用いても良い。   The negative electrode plate is formed by pressing a metal foil made of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, or the like, and a current collector having holes penetrating the front and back surfaces of the foil, so-called punching foil. A negative electrode active material electrode sheet in which a substance, a binder, and a conductive agent are mixed to form a sheet is integrated. The current collector having a through hole is not limited to the punching foil, but may be any one having a hole penetrating the front and back surfaces, such as an expanded metal and a foil having a three-dimensional microstructure. As an active material mainly composed of a carbon material, a carbon-based material such as graphite or amorphous carbon that can be doped or dedoped with lithium ions can be used. As the conductive agent, carbon black such as acetylene black and ketjen black, natural graphite, and thermally expanded graphite carbon fiber are preferable, and it is preferable to add about 5 to 30% by mass of the entire negative electrode active material electrode sheet. As binders, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and fluoroolefin copolymer crosslinked polymers, rubber-based binders such as polybutadiene rubber and styrene-butadiene rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, etc. In particular, polyvinylidene fluoride is preferable from the viewpoints of heat resistance, chemical resistance, and sheet strength. It is preferable that the negative electrode active material electrode sheet is made to contain about 3 to 20% by mass of the binder. Although described here for carbon materials, the energy density of next-generation lithium-ion secondary batteries using next-generation anode materials such as Si, which has a theoretical capacity much larger than the theoretical capacity per unit weight of the cathode active material It has been studied as a technique, and a negative electrode material such as Si may be used.

次に、正極電極板を作製する方法の例について説明する。以下の例では活物質となる炭素原料としてフェノール樹脂を用い、バインダ物質としてポリテトラフルオロエチレン、また導電剤としてケッチェンブラックを選択している。まず、フェノール樹脂を炭化し、賦活して作製した活性炭粉末とポリテトラフルオロエチレンからなるバインダ、およびケッチェンブラックの三者を混練し、次いで圧延を行ってシート状の活物質電極層を成形する。こうして得られた正極活物質電極シートを、アルミニウムまたはステンレスの貫通孔を有する集電体箔に導電性カーボンペーストを用いて接着する。さらに加熱乾燥することで一体化し、これを正極電極板とする。この際に集電体箔に予め延出部を1箇所形成しておき、そこには正極活物質電極シートを接着しないようにすれば、外部端子板に接続する正極電極板を形成することができる。   Next, an example of a method for producing a positive electrode plate will be described. In the following example, a phenol resin is used as a carbon raw material to be an active material, polytetrafluoroethylene is selected as a binder material, and ketjen black is selected as a conductive agent. First, the activated carbon powder obtained by carbonizing and activating the phenol resin, a binder made of polytetrafluoroethylene, and a ketjen black are kneaded and then rolled to form a sheet-like active material electrode layer . The positive electrode active material electrode sheet thus obtained is adhered to a current collector foil having aluminum or stainless steel through holes using a conductive carbon paste. Furthermore, it integrates by heating-drying and makes this a positive electrode plate. At this time, if one extension portion is formed in advance on the current collector foil and the positive electrode active material electrode sheet is not adhered thereto, a positive electrode plate connected to the external terminal plate can be formed. it can.

正極電極板は、上記の方法以外にも、正極活物質電極シートと貫通孔を有する集電体とを重ね合わせて圧延することにより、これらを互いに圧着させる方法で作製してもよい。またこの正極活物質電極シートは集電体の片面に接着してもよいし、両面に接着してもよい。さらに、メチルセルロースやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを溶媒に溶解した溶液に、上記活物質や導電剤を混合、分散させてスラリーとし、このスラリーを貫通孔を有する集電体の片面あるいは両面に塗工する方法により、正極電極板を作製してもよい。   In addition to the above method, the positive electrode plate may be produced by a method in which a positive electrode active material electrode sheet and a current collector having a through hole are stacked and rolled to bond them together. The positive electrode active material electrode sheet may be adhered to one side of the current collector or may be adhered to both sides. Furthermore, the active material and the conductive agent are mixed and dispersed in a solution in which a binder such as methylcellulose or polyvinylidene fluoride is dissolved in a solvent to form a slurry, and this slurry is applied to one or both sides of a current collector having a through hole. The positive electrode plate may be produced by the method of:

次に、負極電極板を作製する方法の例について説明する。以下の例では活物質となる炭素原料として難黒鉛化炭素材料を用い、バインダ物質としてポリテトラフルオロエチレン、また導電剤としてケッチェンブラックを選択している。まず難黒鉛化炭素材粉末と上記ポリテトラフルオロエチレンからなるバインダ、およびケッチェンブラックの三者を混練し、次いで圧延を行ってシート状の活物質電極層を成形する。こうして得られた負極活物質電極シートを、銅、ニッケルまたはステンレス貫通孔を有する集電体箔に導電性カーボンペーストを用いて接着する。さらに加熱乾燥することで一体化し、これを負極電極板とする。この際に集電体箔に予め延出部を1箇所形成しておき、そこには負極活物質電極シートを接着しないようにすれば、外部端子板に接続する負極電極板を形成することができる。   Next, an example of a method for producing a negative electrode plate will be described. In the following example, a non-graphitizable carbon material is used as a carbon raw material as an active material, polytetrafluoroethylene is selected as a binder material, and ketjen black is selected as a conductive agent. First, the three components of the non-graphitizable carbon material powder, the binder made of the above polytetrafluoroethylene, and ketjen black are kneaded, and then rolled to form a sheet-like active material electrode layer. The negative electrode active material electrode sheet thus obtained is bonded to a current collector foil having copper, nickel, or stainless steel through-holes using a conductive carbon paste. Furthermore, it integrates by heating-drying and makes this a negative electrode plate. At this time, if one extension portion is formed in advance on the current collector foil and the negative electrode active material electrode sheet is not adhered thereto, a negative electrode plate connected to the external terminal plate can be formed. it can.

負極電極板は、上記の方法以外にも、負極活物質電極シートと貫通孔を有する集電体とを重ね合わせて圧延することにより、これらを互いに圧着させる方法で作製してもよい。またこの負極活物質電極シートは集電体の片面に接着してもよいし、両面に接着してもよい。さらに、メチルセルロースやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを溶媒に溶解した溶液に、上記活物質や導電剤を混合、分散させてスラリーとし、このスラリーを貫通孔を有する集電体の片面あるいは両面に塗工する方法により、負極電極板を作製してもよい。   In addition to the above method, the negative electrode plate may be produced by a method in which a negative electrode active material electrode sheet and a current collector having a through hole are stacked and rolled to bond them together. The negative electrode active material electrode sheet may be adhered to one side of the current collector or may be adhered to both sides. Furthermore, the active material and the conductive agent are mixed and dispersed in a solution in which a binder such as methylcellulose or polyvinylidene fluoride is dissolved in a solvent to form a slurry, and this slurry is applied to one or both sides of a current collector having a through hole. The negative electrode plate may be produced by the method of:

また、正極電極板と負極電極板の間や、外装フィルムシートと負極電極板の間に設置されるセパレータは、厚さが薄く(例えば10−40μm)、透気度値が低く(例えば50−300sec/100ml)、電子絶縁性およびイオン透過性が高い材料が好ましい。セパレータの構成材料はとくに限定されるものではないが、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドやポリイミドなどの微多孔質シートや前記樹脂の不織布、もしくはビスコースレイヨンや天然セルロースの抄紙などが好適に使用される。セパレータは作製する電気化学デバイスの種別に応じてその構成材料を選定することが好ましい。   Moreover, the separator installed between the positive electrode plate and the negative electrode plate or between the exterior film sheet and the negative electrode plate has a small thickness (for example, 10 to 40 μm) and a low air permeability value (for example, 50 to 300 sec / 100 ml). A material having high electronic insulation and ion permeability is preferred. The constituent material of the separator is not particularly limited. For example, a microporous sheet such as polyethylene, polypropylene, polyamide or polyimide, a nonwoven fabric of the resin, or papermaking of viscose rayon or natural cellulose is preferably used. The The constituent material of the separator is preferably selected according to the type of electrochemical device to be produced.

次に、リチウム挿入電極板と対向する正極電極板あるいは負極電極板との間に設置されているセパレートシートについて説明する。セパレートシートは、透気度値が高く(例えば1500−150000sec/100ml)、電子絶縁性が高く、またイオン透過性が低い材料が好ましい。セパレートシートの構成材料はとくに限定されるものではないが、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドやポリイミドなどからなる未延伸の樹脂フィルムを延伸により多孔化する延伸法や、抽出可能な充填剤、可塑剤等を配合した未延フィルムから溶媒で充填剤、可塑剤等を抽出して多孔化し、必要に応じて抽出前または抽出後に1軸または2軸延伸を施す抽出法で作製した微多質シートや上記樹脂繊維を3次元構造に重ねあわせ結合した不織布、もしくはビスコースレイヨンや天然セルロースの抄紙などが好適に使用される。セパレートシートは作製する電気化学デバイスの種別に応じてその構成材料を選定することが好ましい。   Next, the separate sheet | seat installed between the positive electrode plate or negative electrode plate which opposes a lithium insertion electrode plate is demonstrated. The separate sheet is preferably made of a material having a high air permeability value (for example, 1500 to 150,000 sec / 100 ml), high electronic insulation, and low ion permeability. The constituent material of the separate sheet is not particularly limited, but for example, a stretching method in which an unstretched resin film made of polyethylene, polypropylene, polyamide or polyimide is made porous by stretching, an extractable filler, a plasticizer, etc. A microporous sheet produced by an extraction method in which a filler, a plasticizer, etc. are extracted from a non-rolled film blended with a solvent to make it porous, and uniaxially or biaxially stretched before or after extraction as necessary. A nonwoven fabric in which resin fibers are overlapped and bonded in a three-dimensional structure, or a papermaking of viscose rayon or natural cellulose is preferably used. It is preferable to select the constituent material of the separate sheet according to the type of electrochemical device to be produced.

正極および負極の各活物質電極シートの寸法形状や枚数は、必ずしも同一である必要はない。   The dimensions and the number of active material electrode sheets of the positive electrode and the negative electrode are not necessarily the same.

以下、実施例および比較例について説明する。なお実施例1〜18および比較例1〜3は電気化学デバイスとしてハイブリッドキャパシタを、実施例19および比較例4はリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製し、各種評価を行ったものである。   Hereinafter, examples and comparative examples will be described. In addition, Examples 1-18 and Comparative Examples 1-3 produced a hybrid capacitor as an electrochemical device, and Example 19 and Comparative Example 4 produced lithium ion secondary batteries, respectively, and performed various evaluations.

(実施例1)
正極活物質である比表面積が1500m/gのフェノール系活性炭の粉末92質量部と、導電剤として黒鉛8質量部混合した粉末に対し、バインダとしてスチレン−ブタジエンゴム3質量部、カルボキシルメチルセルロース3質量部、溶媒として水200質量部となるように加え、混練してスラリーを得た。次いで厚さ20μmのアルミニウムをプレス機により、貫通孔を形成したパンチング箔を集電体として、その両面に上記スラリーを均一に塗布し、その後乾燥させて圧延プレスし、分極性電極層の厚みが両側にそれぞれ30μmの正極活物質電極シートを得た。この正極電極板の厚みは80μmであった。また正極活物質電極シートの端面の一部は集電体がタブ状に延出して取り出せるように電極板を形成しており、その部分の集電体の両面には正極活物質電極シートが形成されておらず、アルミニウム箔が露出していた。
Example 1
With respect to a powder obtained by mixing 92 parts by mass of a phenol-based activated carbon powder having a specific surface area of 1500 m 2 / g as a positive electrode active material and 8 parts by mass of graphite as a conductive agent, 3 parts by mass of styrene-butadiene rubber as a binder and 3 parts by mass of carboxymethyl cellulose And 200 parts by mass of water as a solvent and kneaded to obtain a slurry. Next, using a 20 μm-thick aluminum press, the punching foil having through holes formed thereon is used as a current collector, and the slurry is uniformly applied to both sides thereof, then dried and rolled and pressed. A positive electrode active material electrode sheet of 30 μm was obtained on each side. The thickness of this positive electrode plate was 80 μm. In addition, a part of the end face of the positive electrode active material electrode sheet is formed with an electrode plate so that the current collector can be taken out in a tab shape, and a positive electrode active material electrode sheet is formed on both sides of the current collector of that part. The aluminum foil was exposed.

負極活物質である難黒鉛化材料粉末88質量部と、導電剤としてアセチレンブラック6質量部混合した粉末に対し、バインダとしてスチレン−ブタジエンゴム5質量部、カルボキシルメチルセルロース4質量部、溶媒として水200質量部となるように加え、混練してスラリーを得た。次いで厚さ10μmの銅箔をプレス機により、貫通孔を形成したパンチング箔を集電体として、その両面に上記スラリーを均一に塗布し、その後乾燥させて圧延プレスし、分極性電極層の厚みが両側にそれぞれ20μmの負極活物質電極シートを得た。この負極電極板の厚みは50μmであった。また負極活物質電極シートの端面の一部は集電体がタブ状に延出して取り出せるように電極板を形成しており、その部分の集電体の両面には負極活物質電極シートが形成されておらず、銅箔が露出していた。   With respect to the powder obtained by mixing 88 parts by mass of the non-graphitizable material powder as the negative electrode active material and 6 parts by mass of acetylene black as a conductive agent, 5 parts by mass of styrene-butadiene rubber, 4 parts by mass of carboxymethyl cellulose, and 200 parts by mass of water as a solvent. And kneaded to obtain a slurry. Next, a copper foil having a thickness of 10 μm is pressed by a punching machine, and the slurry is uniformly applied to both sides of the punching foil having through holes formed therein, and then dried and rolled and pressed to obtain a thickness of the polarizable electrode layer. Produced negative electrode active material electrode sheets of 20 μm on both sides. The thickness of this negative electrode plate was 50 μm. In addition, a part of the end face of the negative electrode active material electrode sheet is formed with an electrode plate so that the current collector can be taken out in a tab shape, and a negative electrode active material electrode sheet is formed on both sides of the current collector of that part The copper foil was not exposed.

セパレータとして、厚さ35μm、透気度150sec/100mlの天然セルロース材の薄板を使用した。このセパレータの寸法形状は、上記電極板の延出部を除いた形状よりも少しだけ大きくなるように構成した。   As a separator, a thin plate of natural cellulose material having a thickness of 35 μm and an air permeability of 150 sec / 100 ml was used. The size and shape of the separator was configured to be slightly larger than the shape excluding the extended portion of the electrode plate.

セパレートシートとして、厚さ38μm、透気度45000sec/100mlのポリエチレン製微多孔質シートを使用した。このセパレートシートの寸法形状は、上記電極板の延出部を除いた形状よりも少しだけ大きく、セパレータと同サイズになるように構成した。   As a separate sheet, a polyethylene microporous sheet having a thickness of 38 μm and an air permeability of 45000 sec / 100 ml was used. The size and shape of this separate sheet was configured to be slightly larger than the shape excluding the extended portion of the electrode plate, and to be the same size as the separator.

次いで、セパレータ、負極電極板、セパレータ、正極電極板、セパレータの順番でこれら三者を積層し、最上部にはセパレートシートを積層し、積層体を得た。本実施例では、1試料あたりの積層した正極電極板は4枚、負極電極板は5枚、セパレータは9枚、セパレートシート1枚であり、延出部を除いたその寸法は、正極活物質電極シートが53mm×70mm、負極活物質電極シートが55mm×72mm、セパレータが57mm×74mm、セパレートシートが57mm×74mmであった。また、電極板に形成した延出部は、それぞれの活物質電極シートの同一短辺から延出し、延出部の寸法は、それぞれ9mm×12mmであった。   Subsequently, these three members were stacked in the order of a separator, a negative electrode plate, a separator, a positive electrode plate, and a separator, and a separate sheet was stacked on the top to obtain a stacked body. In this example, four positive electrode plates, five negative electrode plates, nine separators, and one separate sheet were stacked per sample, and the dimensions of the positive electrode active material excluding the extension were The electrode sheet was 53 mm × 70 mm, the negative electrode active material electrode sheet was 55 mm × 72 mm, the separator was 57 mm × 74 mm, and the separate sheet was 57 mm × 74 mm. Moreover, the extension part formed in the electrode plate extended from the same short side of each active material electrode sheet, and the dimension of the extension part was 9 mm x 12 mm, respectively.

正極外部端子板は、長さ20mm、幅10mm、厚さ0.2mmのアルミニウム材を使用し、負極外部端子板は、長さ20mm、幅10mm、厚さ0.2mmのニッケル材を使用した。外装フィルムシートから導出している領域は、長さ10mm、幅10mmであった。外装フィルムシートと熱接着する面には、酸変性ポリオレフィン樹脂からなるシーラントが両面に施されているものを使用した。   The positive electrode external terminal plate was made of an aluminum material having a length of 20 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.2 mm, and the negative electrode external terminal plate was made of a nickel material having a length of 20 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.2 mm. The region derived from the exterior film sheet was 10 mm long and 10 mm wide. As the surface to be thermally bonded to the exterior film sheet, one having a sealant made of an acid-modified polyolefin resin on both sides was used.

次に、銅箔に金属リチウムを貼り合わせリチウム挿入用電極板を作製し、電気化学素子のセパレートシートの上面に配置し、金属リチウムが電気化学素子のセパレートシートと対向するようにした。   Next, metallic lithium was bonded to the copper foil to prepare an electrode plate for lithium insertion, which was placed on the upper surface of the electrochemical element separate sheet so that the metallic lithium was opposed to the electrochemical element separate sheet.

次に、電気化学素子から延出している正極延出部および負極延出部とリチウム挿入用電極板の延伸部を各々束ね、一括して外部端子板の端部にそれぞれ超音波溶接により固定した。2枚の外装フィルムシートでリチウム挿入用電極板を溶接させた電気化学素子を包み込み、正極・負極外部端子板を配置する1辺の短辺を含む3辺の周縁部を熱圧着し、内面に形成した酸変性ポリオレフィン樹脂からなる熱可塑性樹脂層を接合させて袋状とした。この外装フィルムシートの内面の熱可塑性樹脂層の厚みは40μmであった。   Next, the positive electrode extension part and the negative electrode extension part extending from the electrochemical element and the extension part of the lithium insertion electrode plate were bundled, and fixed to the end of the external terminal board by ultrasonic welding in a lump. . An electrochemical element in which a lithium insertion electrode plate is welded with two exterior film sheets is wrapped, and the peripheral edge of three sides including the short side of one side where the positive electrode / negative electrode external terminal plate is arranged is thermocompression bonded to the inner surface. The formed thermoplastic resin layer made of acid-modified polyolefin resin was joined to form a bag. The thickness of the thermoplastic resin layer on the inner surface of this exterior film sheet was 40 μm.

電気化学素子を内蔵し、袋状にした2枚の外装フィルムシートの内部に、電解液を注入した。電解液は、六フッ化リン酸リチウムをプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートを1:1の割合で混合させた混合溶媒に溶解させ、1.0mol/lの濃度に調製したものを使用した。電解液を注入した後に、2枚の外装フィルムシートの残る1辺を、真空雰囲気中にて熱圧着により封止した。負極電極板とリチウム挿入用電極板の電気的接触によりリチウム挿入用電極板から負極の活物質電極シートにリチウムを挿入した。挿入量は、負極活物質重量に対し400mAh/gとした。リチウム挿入完了後、所定電圧でエージングを実施した。エージング実施後、ラミネートを一度開封し、エージングにより生じたガスを抜き取り、開封したラミネート辺を再度真空雰囲気中にて熱圧着し封止した。   An electrolytic solution was injected into the two exterior film sheets having a built-in electrochemical element and formed into a bag shape. As the electrolytic solution, a solution prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate in a mixed solvent in which propylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a ratio of 1: 1 and adjusted to a concentration of 1.0 mol / l was used. After injecting the electrolytic solution, the remaining one side of the two exterior film sheets was sealed by thermocompression bonding in a vacuum atmosphere. Lithium was inserted from the lithium insertion electrode plate into the negative electrode active material electrode sheet by electrical contact between the negative electrode plate and the lithium insertion electrode plate. The amount of insertion was 400 mAh / g based on the weight of the negative electrode active material. After completion of lithium insertion, aging was performed at a predetermined voltage. After the aging was performed, the laminate was opened once, the gas generated by the aging was taken out, and the opened laminate side was again heat-pressed and sealed in a vacuum atmosphere.

以上の方法により、積層型のハイブリッドキャパシタを得た。この方法により作製したハイブリッドキャパシタは50個であった。   A multilayer hybrid capacitor was obtained by the above method. There were 50 hybrid capacitors produced by this method.

(比較例1〜3:従来技術による場合)
実施例1と同様の方法により、ハイブリッドキャパシタ50個を、以下に説明するそれぞれの条件ごとに作製した。作製したハイブリッドキャパシタの寸法形状は実施例1の場合と全く同一である。
(Comparative Examples 1-3: Case of conventional technology)
In the same manner as in Example 1, 50 hybrid capacitors were produced for each condition described below. The dimensions and shape of the fabricated hybrid capacitor are exactly the same as in the first embodiment.

比較例1は、従来技術である特許文献1に記載の類似の構成を、比較例2〜3は従来技術である特許文献2に記載の類似の構成を、ハイブリッドキャパシタの作製に適用したものである。図5は、セパレータを最上面にセットした従来のハイブリッドキャパシタの電気化学素子の斜視図であり、比較例2および比較例3に関しては、最上面に2枚のセパレートシートを用いた。   In Comparative Example 1, a similar configuration described in Patent Document 1 as a prior art is applied, and in Comparative Examples 2-3, a similar configuration described in Patent Document 2 as a prior art is applied to manufacture of a hybrid capacitor. is there. FIG. 5 is a perspective view of an electrochemical element of a conventional hybrid capacitor in which a separator is set on the uppermost surface. Regarding Comparative Example 2 and Comparative Example 3, two separate sheets were used on the uppermost surface.

また、比較例1では実施例1のセパレートシートの代わりに厚み35μ、透気度150sec/100mlの天然セルロース材の薄板を使用した。比較例2では実施例1のセパレートシートの代わりに厚み35μm、透気度150sec/100mlの天然セルロース材の薄板を2枚使用し、比較例3では厚み50μm、透気度200sec/100mlの天然セルロース材の薄板を2枚使用し、電気化学素子最上面のセパレータ以外は、本発明と同様の条件で、ハイブリッドキャパシタ50個ずつ作製した。   In Comparative Example 1, a thin sheet of natural cellulose material having a thickness of 35 μm and an air permeability of 150 sec / 100 ml was used in place of the separate sheet of Example 1. In Comparative Example 2, two sheets of a natural cellulose material having a thickness of 35 μm and an air permeability of 150 sec / 100 ml were used instead of the separate sheet of Example 1, and in Comparative Example 3, natural cellulose having a thickness of 50 μm and an air permeability of 200 sec / 100 ml was used. Two thin plates of the material were used, and 50 hybrid capacitors were produced under the same conditions as in the present invention except for the separator on the uppermost surface of the electrochemical element.

(実施例2〜9:セパレートシートとセパレータの透気度比比較)
実施例1と同様の方法により、ハイブリッドキャパシタ50個を、以下に説明するそれぞれの条件ごとに作製した。作製したハイブリッドキャパシタの寸法形状は実施例1の場合と全く同一であった。
(Examples 2-9: Comparison of air permeability ratio between separate sheet and separator)
In the same manner as in Example 1, 50 hybrid capacitors were produced for each condition described below. The dimensions and shape of the fabricated hybrid capacitor were exactly the same as those in Example 1.

実施例1の試料と、実施例2〜9の試料の異なる点は、使用したセパレートシートの透明度の違いだけであった。実施例2では透気度450sec/100mlのポリエチレン製微多孔質シートを、実施例3では透気度750sec/100ml、実施例4では透気度1500sec/100ml、実施例5では透気度7500sec/100ml、実施例6では透気度15000sec/100ml、実施例7では透気度75000sec/100ml、実施例8では透気度150000sec/100ml、実施例9では透気度300000sec/100mlのポリエチレン製微多孔質シートであった。これらの試料によって、セパレートシート/セパレータの透気度比の違いによる評価を行った。   The only difference between the sample of Example 1 and the samples of Examples 2 to 9 was the difference in transparency of the used separation sheet. In Example 2, a polyethylene microporous sheet having an air permeability of 450 sec / 100 ml, an air permeability of 750 sec / 100 ml in Example 3, an air permeability of 1500 sec / 100 ml in Example 4, and an air permeability of 7500 sec / in Example 5. 100 ml, air permeability of 15000 sec / 100 ml in Example 6, air permeability of 75000 sec / 100 ml in Example 7, air permeability of 150,000 sec / 100 ml in Example 8, air permeability of 300000 sec / 100 ml in Example 9, polyethylene microporous It was a quality sheet. These samples were evaluated based on the difference in the air permeability ratio between the separate sheet and the separator.

(実施例10〜14:セパレートシート材質比較)
実施例1と同様の方法により、ハイブリッドキャパシタ50個を、以下に説明するそれぞれの条件ごとに作製した。作製したハイブリッドキャパシタの寸法形状は実施例1の場合と全く同一であった。
(Examples 10-14: Comparison of separate sheet materials)
In the same manner as in Example 1, 50 hybrid capacitors were produced for each condition described below. The dimensions and shape of the fabricated hybrid capacitor were exactly the same as those in Example 1.

実施例1の試料と、実施例10〜14の試料の異なる点は、セパレートシートの材質の違いだけであった。実施例10ではポリプロピレン製微多孔質シート、実施例11ではガラス繊維シート、実施例12ではポリフェニレンサルファイド製微多孔質シート、実施例13ではポリアミド製微多孔質シート、実施例14ではポリイミド製微多孔質シートであった。これらの試料によって、開孔径による違いの評価を行った。   The only difference between the sample of Example 1 and the samples of Examples 10 to 14 was the difference in the material of the separate sheet. Example 10 is a polypropylene microporous sheet, Example 11 is a glass fiber sheet, Example 12 is a polyphenylene sulfide microporous sheet, Example 13 is a polyamide microporous sheet, and Example 14 is a polyimide microporous sheet. It was a quality sheet. With these samples, the difference due to the hole diameter was evaluated.

(実施例15〜18:セパレートシート厚み)
実施例11と同様の方法により、ハイブリッドキャパシタ50個を、以下に説明するそれぞれの条件ごとに作製した。作製したハイブリッドキャパシタの寸法形状は実施例11の場合と全く同一である。実施例1の試料と、実施例15〜18の試料の異なる点は、セパレートシートの厚みの違いだけであった。実施例15では厚み8μm、実施例16では厚み10μm、実施例17では厚み100μm、実施例18では厚み200μmであった。これらの試料によって、セパレートシート厚みによる違いの評価を行った。
(Examples 15 to 18: thickness of separate sheet)
By the same method as in Example 11, 50 hybrid capacitors were produced for each condition described below. The dimensions and shape of the fabricated hybrid capacitor are exactly the same as those in Example 11. The only difference between the sample of Example 1 and the samples of Examples 15 to 18 was the difference in the thickness of the separate sheet. In Example 15, the thickness was 8 μm, in Example 16, the thickness was 10 μm, in Example 17, the thickness was 100 μm, and in Example 18, the thickness was 200 μm. With these samples, the difference due to the thickness of the separate sheet was evaluated.

(実施例19、比較例4:電気化学デバイスの種類)
実施例1と同様の方法により、リチウムイオン二次電池それぞれ50個を、以下に説明するそれぞれの条件ごとに作製した。実施例19における試料と、実施例1の試料の異なる点は、電気化学デバイスの種類であった。正極活物質に実施例1のフェノール系活性炭ではなくコバルト酸リチウム(LiCoO)を、セパレータに実施例1のセルロース系ではなくポリエチレン系セパレータを用いた。これら以外に関しては、実施例1と同じ材料を用い同様の工法でリチウムイオン二次電池を50個作製し、実施例19とした。比較例4は、実施例1と異なる点は、実施例19と同じく電気化学デバイスの種類である。実施例19とことなる点は、リチウム挿入用電極板と正極あるいは負極電極板の間にセパレータを配置させている点である。
(Example 19, Comparative Example 4: Type of electrochemical device)
In the same manner as in Example 1, 50 lithium ion secondary batteries were produced for each condition described below. The difference between the sample in Example 19 and the sample in Example 1 was the type of electrochemical device. Lithium cobaltate (LiCoO 2 ) was used as the positive electrode active material instead of the phenol-based activated carbon of Example 1, and a polyethylene-based separator was used as the separator instead of the cellulose-based material of Example 1. Except for these, 50 lithium ion secondary batteries were produced in the same manner using the same materials as in Example 1, and Example 19 was obtained. Comparative Example 4 is different from Example 1 in the type of electrochemical device as in Example 19. The difference from Example 19 is that a separator is disposed between the lithium insertion electrode plate and the positive electrode or negative electrode plate.

(評価方法)
実施例1〜19、および比較例1〜4において作製した電気化学デバイスは、それぞれ以下の評価を行った。つまり、直流抵抗(以下DC−Rと呼ぶ)測定評価、容量測定評価、自己放電測定評価の3項目でサンプル作製後と、高温負荷試験(80℃−3.8V/1000時間、50個の中から無作為に10個選び評価を実施)後の特性評価を実施した。実施例1〜19および比較例1〜4では電気化学デバイスを各50個ずつ作製した。
(Evaluation methods)
The electrochemical devices produced in Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated as follows. In other words, after three samples of DC resistance (hereinafter referred to as DC-R) measurement evaluation, capacity measurement evaluation, and self-discharge measurement evaluation, and after high temperature load test (80 ° C.-3.8 V / 1000 hours, 50 samples) Evaluation was performed after selecting 10 samples randomly. In Examples 1-19 and Comparative Examples 1-4, 50 electrochemical devices were produced.

DC−R測定評価は、電気化学デバイスを充放電装置にて所定の定電圧で1時間充電した後、電流値20Cで放電した際のDC−Rを測定した。DC−Rの選別規格は、比較例1から抜き取った20個について測定した直流抵抗値の平均値+3σの値以下とした。選別規格より大きいものは不良とし、評価数に対する不良数から不良率を算出した。またフロート試験後の測定を実施し、サンプル作製後からのDC−Rの上昇率を算出し比較評価を行った。実施例19および比較例4は、リチウムイオン二次電池であるため不良選別・およびフロート試験評価は対象外とした。   DC-R measurement evaluation measured DC-R at the time of discharging with the electric current value 20C, after charging an electrochemical device with the predetermined constant voltage for 1 hour with the charging / discharging apparatus. The selection standard of DC-R was set to be equal to or less than the average value of DC resistance values measured for 20 pieces extracted from Comparative Example 1 + 3σ. Those larger than the screening standard were regarded as defective, and the defect rate was calculated from the number of defects relative to the evaluation number. Moreover, the measurement after a float test was implemented, the raise rate of DC-R after sample preparation was computed, and the comparative evaluation was performed. Since Example 19 and Comparative Example 4 are lithium ion secondary batteries, defect selection and float test evaluation were excluded.

容量測定評価は、電気化学デバイスを充放電装置にて所定の定電圧で1時間充電した後、電流値20Cで使用下限電圧まで放電した際の電流容量を測定した。容量の選別規格は、比較例1から抜き取った20個について測定した容量平均値の90%以上とした。選別規格より小さいものは不良とし、評価数に対する不良数から不良率を算出した。またフロート試験後の測定を実施し、サンプル作製後からの容量の変化率を算出し比較評価を行った。実施例19および比較例4は、リチウムイオン二次電池であるため不良選別・フロート試験評価は対象外とした。   In the capacity measurement evaluation, the electrochemical device was charged at a predetermined constant voltage for 1 hour with a charging / discharging device, and then the current capacity was measured at a current value of 20 C until it was discharged to the use lower limit voltage. The capacity selection standard was 90% or more of the average capacity value measured for 20 samples extracted from Comparative Example 1. Those smaller than the screening standard were regarded as defective, and the defect rate was calculated from the number of defects relative to the evaluation number. Moreover, the measurement after a float test was implemented, the change rate of the capacity | capacitance after sample preparation was computed, and the comparative evaluation was performed. Since Example 19 and Comparative Example 4 are lithium ion secondary batteries, the defect selection / float test evaluation was excluded.

自己放電測定評価は、電気化学デバイスを充放電装置にて所定の定電圧で1時間充電した後、端子間を開回路にした状態で、高温槽にて60℃で72時間放置した後の端子間電圧を測定した。自己放電の選別規格は、比較例1から抜き取った10個について測定した電圧平均値−3σの値以上とした。選別規格より小さいものは不良とし、評価数に対する不良数から不良率を算出した。   Self-discharge measurement evaluation is performed after charging an electrochemical device at a predetermined constant voltage with a charging / discharging device for 1 hour, and then leaving the terminals open circuited and leaving the terminals at 60 ° C. for 72 hours in a high temperature bath The inter-voltage was measured. The self-discharge selection standard was set to a value equal to or higher than the voltage average value −3σ measured for 10 samples extracted from Comparative Example 1. Those smaller than the screening standard were regarded as defective, and the defect rate was calculated from the number of defects relative to the evaluation number.

以上の方法により、実施例1〜19、比較例1〜4における各々の試料の条件ごとに、DC−R測定評価、容量測定評価、自己放電測定評価の4種類の評価をそれぞれ行った。平均容量、平均DC−R、総合不良率、総合結果と自己放電(SD)不良、高温負荷試験DC−R変化率、高温負荷試験容量変化率を表1に示す。   According to the above method, four types of evaluations of DC-R measurement evaluation, capacity measurement evaluation, and self-discharge measurement evaluation were performed for each sample condition in Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 4, respectively. Table 1 shows the average capacity, average DC-R, overall failure rate, overall result and self-discharge (SD) failure, high temperature load test DC-R change rate, and high temperature load test capacity change rate.

Figure 2011258798
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表1に示された、各々の試料の条件に対する4種類の試験の評価結果から、以下のことが分かった。即ち、電気化学デバイスでは、本発明のように、リチウム挿入用電極板と電気化学素子の間に透気度の値がセパレータに対して大きな値のものを使用した場合に、自己放電特性が優れ、高温負荷試験のDC−R上昇率、容量劣化が少なく、いずれも良好な結果が得られた。実施例1のSD不良0%、高温負荷試験後のDC−R上昇率は3.7%、容量変化率は−0.5%と、比較例1のSD不良18%、DC−R上昇率23.4%、容量変化率−5.3%と比較し高温負荷の信頼性が向上していることが分かる。これは、表1のドープ時間に示されるように、セパレートシートをリチウム挿入用電極板と電気化学素子間に用いることで、リチウムドーピングの電流を制御し、微小電流で負極へ均一にリチウムドープを行えたことによると考えられる。比較例1のSD不良品分解を行った結果、積層間の負極の電位のバラツキが大きいこと、また正極電位が著しく下がっているサンプルも確認出来、箇所の特定は出来てはいないが、ドープのむらにより電極上にリチウムデンドライトが析出し正極とショートしている可能性が大である。対して、実施例1のサンプルを抜き取り評価したところ、分解したサンプルのいずれも比較例1であったような積層間の負極電位のバラツキがないことが確認出来、電極間に均一にリチウムイオンをドープ出来ていると考えられる。また高温負荷試験を実施後の実施例1、比較例1の分解評価を行ったところ、比較例1に関しては実施例1と比較し、負極の電位が高い傾向があることが確認でき(比較例1:av.0.05V vs Li/Li、実施例1:av.0.4V vs Li/Li)、負極の電位上昇が劣化の原因と考えられる。高温負荷での負極電位の上昇は、負極へのドープが不均一であることによる影響と考えられる。同様に比較例2、3に関しても同じような傾向が見られ、同様の要因と考える。比較例1と比較例2、3を比較した場合、リチウム挿入用電極板と電気化学素子の間のセパレータを2枚にしても、表1に示されるようにドープ時間は72〜73時間とほぼ変わらないことからドープ電流は変わらないことが確認出来た(実施例1と比較例1〜3)。 From the evaluation results of four types of tests for the conditions of each sample shown in Table 1, the following was found. That is, in the electrochemical device, as in the present invention, the self-discharge characteristic is excellent when the air permeability value between the lithium insertion electrode plate and the electrochemical element is larger than that of the separator. The DC-R increase rate and capacity degradation of the high temperature load test were small, and good results were obtained for both. The SD failure of Example 1 was 0%, the DC-R increase rate after the high temperature load test was 3.7%, the capacity change rate was -0.5%, the SD failure of Comparative Example 1 was 18%, and the DC-R increase rate. It can be seen that the reliability of the high temperature load is improved as compared with 23.4% and the capacity change rate of −5.3%. This is because, as shown in the doping time of Table 1, by using a separate sheet between the lithium insertion electrode plate and the electrochemical element, the lithium doping current is controlled, and the lithium doping is uniformly applied to the negative electrode with a minute current. It is thought that it was done. As a result of disassembling the defective SD product of Comparative Example 1, it was confirmed that there was a large variation in the potential of the negative electrode between the stacks, and that the sample in which the positive electrode potential was remarkably lowered could not be identified. Therefore, it is highly possible that lithium dendrite is deposited on the electrode and short-circuited with the positive electrode. On the other hand, when the sample of Example 1 was sampled and evaluated, it was confirmed that none of the decomposed samples had a variation in negative electrode potential between the layers as in Comparative Example 1, and lithium ions were uniformly distributed between the electrodes. It seems that the dope is made. Moreover, when the decomposition evaluation of Example 1 and Comparative Example 1 after the high temperature load test was performed, it can be confirmed that Comparative Example 1 tends to have a higher negative electrode potential than Comparative Example 1 (Comparative Example). 1: av. 0.05 V vs Li / Li + , Example 1: av. 0.4 V vs Li / Li + ), and the potential increase of the negative electrode is considered to be the cause of deterioration. The increase in the negative electrode potential under a high temperature load is considered to be due to the non-uniform doping of the negative electrode. Similarly, the same tendency is observed for Comparative Examples 2 and 3, which are considered to be the same factors. When comparing Comparative Example 1 with Comparative Examples 2 and 3, even if two separators were provided between the lithium insertion electrode plate and the electrochemical element, the doping time was almost 72 to 73 hours as shown in Table 1. Since it did not change, it was confirmed that the doping current did not change (Example 1 and Comparative Examples 1 to 3).

セパレートシート/セパレータの透気度比は、セパレートシートの透気度値がセパレータの透気度の5〜2000倍であるとSD不良が発生せず、信頼性評価の高温負荷試験においてもDC−R上昇率、容量変化率が小さく好適であることが分かった(実施例1〜9)。透気度比が3の場合、SD不良は無かったが、高温負荷試験において、DC―Rの上昇が10.5%と他の水準と比較し上昇率が高かった。透気度が低いことによりリチウム挿入が不均一となっていたことが、劣化の要因と考える(実施例2)。   When the separation sheet / separator air permeability ratio is 5 to 2000 times that of the separator, the SD defect does not occur, and the DC- It turned out that R rise rate and a capacity | capacitance change rate are small and suitable (Examples 1-9). When the air permeability ratio was 3, there was no SD failure, but in the high-temperature load test, the increase in DC-R was 10.5%, which was higher than other levels. The reason for the deterioration was that the lithium insertion was non-uniform due to the low air permeability (Example 2).

また、このセパレートシートの材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス繊維、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリイミドの比較評価を行った結果、いずれの系でもSD不良が発生せず、信頼性評価の高温負荷試験においても劣化に差異がないことが確認できた(実施例1、実施例10〜14)。   In addition, as a result of comparative evaluation of polyethylene, polypropylene, glass fiber, polyphenylene sulfide, polyamide, and polyimide, the material of this separate sheet does not cause SD failure in any system, and in a high temperature load test for reliability evaluation It was confirmed that there was no difference in deterioration (Example 1, Examples 10 to 14).

なお、セパレートシートの厚みは、10μm以上であるとSD不良が発生せず、信頼性評価試験結果も良好で好適であることが分かった(実施例16〜18)。セパレートシートの厚みが8μmの場合、SD不良が2p発生した、分解評価を行った結果、セパレートシートを介してリチウム挿入用電極板に対向する負極の電位が他の電極と比較し電位が低いことが確認出来た。良品を分解したところ、積層電極間での電位のバラツキも無く安定していることが確認出来た。箇所は特定には至っていないが、試作の際に外圧が掛かり、リチウム挿入電極板とセパレートシートを介して対向する負極電極板の間でショートしたことによると考える(実施例15)。   In addition, it turned out that SD defect does not generate | occur | produce as the thickness of a separate sheet is 10 micrometers or more, and the reliability evaluation test result is also favorable and suitable (Examples 16-18). When the separation sheet has a thickness of 8 μm, 2p of SD failure has occurred. As a result of the decomposition evaluation, the potential of the negative electrode facing the lithium insertion electrode plate through the separate sheet is lower than the other electrodes. Was confirmed. When the non-defective product was disassembled, it was confirmed that there was no potential variation between the laminated electrodes and it was stable. Although the location has not been specified yet, it is considered that an external pressure was applied during the trial production, and the short-circuited between the negative electrode plate opposed to the lithium insertion electrode plate via the separate sheet (Example 15).

さらに、電気化学デバイスであればリチウムイオン二次電池、ハイブリッドキャパシタのいずれにも本発明を適用することが可能であり、ハイブリッドキャパシタと同様に自己放電不良が発生せず好適であることがわかった。(実施例1、実施例19、比較例4)。   Furthermore, it was found that the present invention can be applied to both lithium ion secondary batteries and hybrid capacitors as long as they are electrochemical devices, and it is preferable that no self-discharge failure occurs as in the case of hybrid capacitors. . (Example 1, Example 19, Comparative Example 4).

これより、対象電極へ均一にリチウムイオンプレドーピングができ、品質・信頼性が高い電気化学デバイスの提供できることが確認できた。   Thus, it was confirmed that the target electrode can be uniformly pre-doped with lithium ions, and an electrochemical device having high quality and reliability can be provided.

以上説明したように、本発明の電気化学デバイスでは、リチウム挿入用電極板と電気化学素子の間に、セパレータの透気度値よりも大きなセパレートシートを用いることで、リチウムのドープ電流が制御でき、対象電極の積層間、電極内への均一にドープすることが可能となり、SD特性の改善による品質の高い電気化学デバイスが出来、また信頼性も向上することが出来た。また、上記の各実施例の説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記の実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。   As described above, in the electrochemical device of the present invention, the lithium doping current can be controlled by using a separator sheet larger than the air permeability value of the separator between the lithium insertion electrode plate and the electrochemical element. In addition, it was possible to dope uniformly into the electrodes during the stacking of the target electrodes, and it was possible to produce a high-quality electrochemical device by improving the SD characteristics and to improve the reliability. Further, the description of each of the above examples is for explaining the effect in the case of the embodiment of the present invention, thereby limiting the invention described in the scope of claims or the scope of claims. It does not reduce. Moreover, each part structure of this invention is not restricted to said embodiment, A various deformation | transformation is possible within the technical scope as described in a claim.

1 ハイブリッドキャパシタ
2 正極外部端子板
3 負極外部端子板
4 外装フィルムシート
5 電気化学素子
6 正極電極板
7 負極電極板
8 正極活物質電極シート
9 負極活物質電極シート
10 セパレータ
11 セパレートシート
12 リチウム挿入用電極板
13 金属リチウム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hybrid capacitor 2 Positive electrode external terminal board 3 Negative electrode external terminal board 4 Exterior film sheet 5 Electrochemical element 6 Positive electrode board 7 Negative electrode board 8 Positive electrode active material electrode sheet 9 Negative electrode active material electrode sheet 10 Separator 11 Separate sheet 12 For lithium insertion Electrode plate 13 Metallic lithium

Claims (4)

正極電極板と負極電極板をセパレータを介して前記負極電極板が最外部となるように積層され電解液を含む電気化学素子と、前記セパレータの透気度の値より大きな値のセパレートシートを介して前記電気化学素子の少なくとも一方の最外部の前記負極電極板と対向して配置された電気化学的な接触により予めリチウムイオンを供給するリチウム挿入用電極板と、前記正極電極板および前記負極電極板にそれぞれ電気的に接続される正極外部端子板および負極外部端子板と、前記電気化学素子とリチウム挿入電極板とセパレートシートを内蔵し周縁部にて密閉する外装フィルムシートとを備えることを特徴とする電気化学デバイス。   An electrochemical element that includes a positive electrode plate and a negative electrode plate that are laminated so that the negative electrode plate is disposed on the outermost side through a separator, and a separator sheet that has a value greater than the air permeability of the separator. A lithium insertion electrode plate that supplies lithium ions in advance by electrochemical contact disposed opposite to the outermost negative electrode plate of at least one of the electrochemical elements, the positive electrode plate, and the negative electrode A positive external terminal plate and a negative external terminal plate electrically connected to each of the plates; and an exterior film sheet containing the electrochemical element, a lithium insertion electrode plate, and a separate sheet and hermetically sealed at a peripheral portion. And electrochemical devices. 前記セパレートシートの透気度の値は、前記電気化学素子に使用する前記セパレータの透気度の値の5倍以上2000倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学デバイス。   2. The electrochemical device according to claim 1, wherein an air permeability value of the separate sheet is not less than 5 times and not more than 2000 times an air permeability value of the separator used in the electrochemical element. 前記セパレートシートの厚みは、10μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the separate sheet is 10 µm or more and 200 µm or less. 前記電気化学デバイスが、リチウムイオン二次電池またはハイブリッドキャパシタであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。   The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrochemical device is a lithium ion secondary battery or a hybrid capacitor.
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