JP2012019187A - リチウムイオンキャパシタの製造方法及びこ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】本発明はリチウムイオンキャパシタの製造方法及びこ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。
【解決手段】本発明によるリチウムイオンキャパシタの製造方法は、陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、上記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、上記陽極及び陰極を充電し上記電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階と、上記陽極及びリチウム金属を短絡させて上記陽極から陰イオンを放出し、上記リチウム金属からリチウムイオンを放出する１次反応と上記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを上記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、上記陽極及び陰極を再充電し上記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階とを含む。
【選択図】図４
【解決手段】本発明によるリチウムイオンキャパシタの製造方法は、陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、上記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、上記陽極及び陰極を充電し上記電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階と、上記陽極及びリチウム金属を短絡させて上記陽極から陰イオンを放出し、上記リチウム金属からリチウムイオンを放出する１次反応と上記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを上記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、上記陽極及び陰極を再充電し上記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階とを含む。
【選択図】図４
Description
本発明はリチウムイオンキャパシタの製造方法及びこれにより製造されたリチウムイオンキャパシタに関し、より具体的には、高い出力密度及び優れた容量を有し、製造工程時間が短縮されたリチウムイオンキャパシタの製造方法及びこ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。
情報通信機器のような各種電子製品における安定的なエネルギーの供給は重要な要素となっている。一般的にこのような機能はキャパシタ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）により行われる。即ち、キャパシタは情報通信機器及び各種電子製品の回路で電気を集めてから送り出す機能を担い、回路内の電気の流れを安定化させる役割をする。一般的なキャパシタは、充放電時間が非常に短くて寿命が長く、出力密度は高いが、エネルギー密度が小さくて貯蔵装置としての使用に制限がある。
このような限界を克服するために、最近では充放電時間が短いながらも出力密度の高い電気二重層キャパシタのような新たな範疇のキャパシタが開発されており、２次電池と共に次世代エネルギー装置として脚光を浴びている。
最近では、電気二重層キャパシタと類似する原理で作動する様々な電気化学素子が開発されており、リチウムイオン２次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシタと呼ばれるエネルギー貯蔵装置が注目されている。このようなハイブリッドキャパシタとして、陽極集電体及び陰極集電体に表裏面を貫通する孔を形成し、陰極電極物質としてリチウムイオンが可逆的に運搬できるものを用い、リチウム金属を陰極または陽極と対向配置し、これらの電気化学的接触によりリチウムイオンが陰極へと運搬されるリチウムイオンキャパシタが提案されている。
リチウムイオンキャパシタは、陰極にリチウムイオンをドープするために様々な方法が試されている。例えば、表裏面を貫通する孔が設けられた集電体に陽極及び陰極を形成し、複数個の陽極及び陰極が積層された積層体にリチウム金属を配置する。上記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを陰極にドープする方法がある。このような場合、リチウムイオンが電極集電体により遮断されることなく移動できるため、積層数の多いセル構成の蓄電装置においても、積層された複数の陰極にリチウムイオンを電気化学的に運搬することが可能となる。
本発明の目的は、製造工程時間が短縮され、高い出力密度及び優れた容量を有することができるリチウムイオンキャパシタの製造方法及びこ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である。
上記の課題を解決するために本発明の一実施形態は、陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、上記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、上記陽極及び陰極を充電し上記電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階と、上記陽極及びリチウム金属を短絡させて上記陽極から陰イオンを放出し、上記リチウム金属からリチウムイオンを放出する１次反応と上記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを上記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、上記陽極及び陰極を再充電し上記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階とを含むリチウムイオンキャパシタの製造方法を提供する。
上記リチウムイオンキャパシタの製造方法において、上記陽極及び陰極を再充電する段階の後に、上記陽極及びリチウム金属を放電し、上記陽極に吸蔵されている陰イオンを放出する段階をさらに含むことができる。
上記キャパシタセルは、複数個の陽極、分離膜及び陰極が積層された積層体であることができる。または、上記キャパシタセルは陽極、分離膜及び陰極が巻き取られた形態であることができる。
上記陽極及び陰極は、導電性シートにリチウムイオンが可逆的に吸蔵されることができる電極物質が形成されたもので、上記導電性シートはホイルまたはメッシュ状であることができる。
上記陽極及びリチウム金属を短絡させる段階は、電圧差を置いて段階的に行われることができる。
本発明の他の実施形態は、陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、上記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、上記陽極及び陰極を充電し上記電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階と、上記陽極及びリチウム金属を短絡させて上記陽極から陰イオンを放出し、上記リチウム金属からリチウムイオンを放出する１次反応と上記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを上記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、上記陽極及び陰極を再充電し上記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを上記陰極に吸蔵する段階とを含んで製造されるリチウムイオンキャパシタを提供する。
本発明の一実施形態によると、陽極はリチウムイオンの貯蔵媒体として活用され、最終的に陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量を増加させることができる。これにより、従来使用されたリチウムイオンの吸蔵工程より時間を短縮させることができる。
また、本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシタは、陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量が増加し、容量に優れ、高い出力密度を有することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に、本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及びサイズ等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同じ符号で示す要素は同じ要素である。
図１は本発明の一実施形態によるキャパシタセルを示す概略的な断面図であり、図２は本発明の一実施形態による陽極を概略的に示す斜視図であり、図３ａから図３ｃは本発明の一実施形態による陰極にリチウムイオンを吸蔵する方法を示す工程模式図であり、図４は本発明の一実施形態による陰極にリチウムイオンが吸蔵される過程を概略的に示す図面である。
先ず、図１に図示されたように、陽極１０、分離膜３０及び陰極２０を順に積層してキャパシタセル５０を用意する。本実施形態におけるキャパシタセル５０は積層体であることができる。上記陽極１０及び陰極２０は所望する電気容量を得るために複数個が積層されることができる。
また、図示しなかったが、キャパシタセルは順に配置された陽極、分離膜及び陰極が巻き取られた形態であることができる。
図２を参照すると、上記陽極１０は導電性シート１１に電極物質１２が形成されたものであることができる。また、図示しなかったが、上記陽極１０は上記導電性シート１１の両面に電極物質１２が形成された両面電極であることができる。
上記電極物質１２はリチウムイオンが可逆的に吸蔵されることができる物質を用いることができ、これに制限されないが、例えば、グラファイト、活性炭、ハードカーボン、コークス等の炭素材料、ポリアセン系物質等を用いることができる。
また、上記電極物質１２と導電性材料を混合して陽極１０を形成することができ、上記導電性材料はこれに制限されないが、例えば、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等を挙げることができる。
上記電極物質１２の厚さは特に制限されないが、例えば、１５から１００μｍで形成されることができる。
上記導電性シート１１は上記電極物質１２に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集める集電体の役割をするもので、金属箔（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｏｉｌ）または導電性ポリマー等から成ることができる。上記金属箔はステンレス、銅、ニッケル等から成ることができる。
また、上記導電性シート１１はホイル（ｆｏｉｌ）状、または貫通ホールを有するメッシュ（ｍｅｓｈ）状であることができる。本実施形態によると、リチウムイオンはリチウム金属から電解液に放出された後、陽極に吸着される過程を経る。リチウムイオンは陽極に吸蔵されてから陰極に伝達される。このような過程を経るため、本実施形態では導電性シートとしてはホイルまたはメッシュを用いることができる。
上記導電性シート１１には、キャパシタセルに電気を印加するためにリード部１１ａが形成されることができる。
また、図示しなかったが、導電性シートを使用せず、電極物質を固体状態のシートに製造し、陽極として用いることができる。
また、本実施形態における上記陰極２０は、上述の陽極１０と同様、導電性シートに電極物質が形成されたものであることができる。
本実施形態において、陽極１０及び陰極２０を電気的に絶縁するために、陽極１０及び陰極２０の間に分離膜３０が配置されることができ、上記分離膜３０はイオンが透過できるように多孔性物質から成ることができる。これに制限されないが、上記多孔性物質はポリプロピレン、ポリエチレン、またはガラス繊維であることができる。
次に、キャパシタセル５０にリチウム金属４０を配置する。本実施形態における上記リチウム金属４０はキャパシタセル５０の最外郭にそれぞれ積層されている。
本実施形態におけるリチウム金属は、陰極に吸蔵されるリチウムイオンを供給するためのもので、適切な位置に配置されることができる。例えば、キャパシタセルの側面に配置されることができる。
図３ａは、リチウム金属が配置されたキャパシタセルを示す概略的な斜視図である。図３ａを参照すると、陽極、陰極及びリチウム金属には、電気を印加するためにリード部１１ａ、２１ａ、４０ａがそれぞれ引き出されている。
次に、図３ｂに図示されたように、キャパシタセルに電解液を含浸するために、キャパシタセルをパウチ（Ｐ）でシーリングし、電解液を注入することができる。上記電解液はリチウム塩を含むものであれば、特に制限されず、当業界に公知のものを用いることができる。
その後、陽極リード部１１ａ及び陰極リード部２１ａに電圧を印加して陽極と陰極の充電を行うことができる。
次に、図３ｃに図示されたように、陽極リード部１１ａ及びリチウム金属リード部４０ａを利用し、陽極及びリチウム金属を短絡させる。
次に、陽極リード部１１ａ及び陰極リード部２１ａを利用して陽極と陰極の再充電を行うことができる（不図示）。それから、陽極リード部１１ａ及びリチウム金属リード部４０ａを利用して陽極及びリチウム金属を放電することができる（不図示）。
図４は、本実施形態による陰極にリチウムイオンが吸蔵される過程を概略的に示す図面である。
陽極及び陰極の充電を行うと、電解液内のリチウムイオンが陰極に吸蔵される（１ｓｔｅｐ）。
その後、陽極とリチウム金属を短絡させると、陽極にある陰イオンが放出され、リチウム金属からリチウムイオンが放出される１次反応が行われる（２−１ｓｔｅｐ）。上記１次反応は、２から４Ｖの電圧下で行われることができる。
上記１次反応の後、電圧を下げ続けると、陽極にリチウムイオンが吸蔵される２次反応が行われる（２−２ｓｔｅｐ）。上記陽極に吸蔵されるリチウムイオンは電解液内に存在するリチウムイオンを含むことができ、リチウム金属から放出されたリチウムイオンと理解することができる。上記２次反応は上記１次反応より電圧を下げて電圧が０Ｖになる過程で行われることができる。
上記陽極とリチウム金属の間の短絡は、上記１次反応及び２次反応を行うために電位差を置いて段階的に徐々に行われることができる。
その後、陽極と陰極の再充電を行うと、陰極にリチウムイオンが吸蔵される。より具体的には、陽極に吸蔵されたリチウムイオンが電解液に放出されて陰極に吸蔵され（３−１ｓｔｅｐ）、電解液にあるリチウムイオンが陰極に吸蔵される（３−２ｓｔｅｐ）。
このとき、陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量は陽極との均衡が取れる範囲までであり、陽極に吸蔵されているリチウムイオンが陰極に吸蔵され、陽極に吸蔵される陰イオンの量の分だけ、さらにリチウムイオンが陰極に吸蔵される。
即ち、本実施形態によると、陽極とリチウム金属が短絡することにより陽極にリチウムイオンが吸蔵され、これにより、後に陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量が増加する。
その後、陽極とリチウム金属を放電させて陽極にある陰イオンを放出させることができる。
上記のような方法により陰極にリチウムイオンを吸蔵した後、パウチの片面を切断して発生した気体を放出させ、内在しているリチウム金属を除去しリチウムイオンキャパシタを完成する。
本実施形態によると、陽極はリチウムイオンの貯蔵媒体として活用され、最終的に陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量を増加させることができる。これにより従来用いられていたリチウムイオンの吸蔵工程より時間を短縮させることができる。
また、本発明の他の実施形態はリチウムイオンキャパシタを提供するもので、本実施形態により製造されたリチウムイオンキャパシタは、陰極に吸蔵されるリチウムイオンの量が増加し、容量に優れて、高い出力密度を有することができる。
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求の範囲により限定される。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能で、これも本発明の範囲に属する。
１０ 陽極
２０ 陰極
３０ 分離膜
４０ リチウム金属
５０ キャパシタセル
２０ 陰極
３０ 分離膜
４０ リチウム金属
５０ キャパシタセル
Claims (7)
- 陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、
前記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、
前記陽極及び前記陰極を充電し前記電解液内のリチウムイオンを前記陰極に吸蔵させる段階と、
前記陽極及びリチウム金属を短絡させて前記陽極から陰イオンを放出させ、前記リチウム金属からリチウムイオンを放出させる１次反応と、前記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを前記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、
前記陽極及び前記陰極を再充電し前記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを前記陰極に吸蔵させる段階と、
を含むリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記陽極及び前記陰極を再充電する段階の後に、前記陽極及びリチウム金属を放電して前記陽極に吸蔵される陰イオンを放出する段階をさらに含む請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記キャパシタセルは、複数個の陽極、分離膜及び陰極が積層された積層体である請求項１または２に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記キャパシタセルは、陽極、分離膜及び陰極が巻き取られた形態である請求項１または２に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記陽極及び前記陰極は、導電性シートにリチウムイオンが可逆的に吸蔵されることができる電極物質が形成されたもので、前記導電性シートはホイルまたはメッシュ状である請求項１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。
- 前記陽極及びリチウム金属を短絡させる段階は、電圧差を置いて段階的に行われる請求項１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。
- 陽極、分離膜及び陰極を含むキャパシタセルにリチウム金属を配置する段階と、
前記キャパシタセルにリチウム塩を含む電解液を含浸する段階と、
前記陽極及び前記陰極を充電し前記電解液内のリチウムイオンを前記陰極に吸蔵させる段階と、
前記陽極及びリチウム金属を短絡させて前記陽極から陰イオンを放出させ、前記リチウム金属からリチウムイオンを放出させる１次反応と、前記リチウム金属から放出されたリチウムイオンを前記陽極に吸蔵させる２次反応を行う段階と、
前記陽極及び前記陰極を再充電し前記陽極に吸蔵されたリチウムイオン及び電解液内のリチウムイオンを前記陰極に吸蔵させる段階と、
を含む製造方法により製造されるリチウムイオンキャパシタ。
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