JP2012049500A - リチウムイオンキャパシタの製造方法 - 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を提供する。
【解決手段】負極１２０にリチウム供給源１３０を直接接触させ、負極１２０及び該リチウム供給源１３０をドーピング電解液２１０に含浸して負極１２０にリチウムイオンをプレドーピングし、セパレータ１５０を挟んで該リチウムイオンのプレドーピングされた負極１２０及び正極１４０を順次積層して電極セルを形成し、該電極セルの端子に吸着したドーピング電解液２１０を洗浄し、該端子を融着し、該融着した端子を露出して電極セルを封止する。
【選択図】図３
【解決手段】負極１２０にリチウム供給源１３０を直接接触させ、負極１２０及び該リチウム供給源１３０をドーピング電解液２１０に含浸して負極１２０にリチウムイオンをプレドーピングし、セパレータ１５０を挟んで該リチウムイオンのプレドーピングされた負極１２０及び正極１４０を順次積層して電極セルを形成し、該電極セルの端子に吸着したドーピング電解液２１０を洗浄し、該端子を融着し、該融着した端子を露出して電極セルを封止する。
【選択図】図３
Description
本発明は、リチウムイオンキャパシタに関し、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングする工程を行った後、端子の洗浄工程を行うリチウムイオンキャパシタの製造方法に関する。
一般に、電気化学的エネルギー保存装置は、全ての携帯用情報通信機器、電子機器に必須で用いられる完成品機器の核心部品である。また、電気化学的エネルギー保存装置は、未来型電気自動車や携帯用電子装置等に適用可能な新再生エネルギー分野において高品質エネルギー源として確かに用いられるはずである。
電気化学的エネルギー保存装置のうち電気化学キャパシタは、電気二重層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 ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）とに大別される。
該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において多用されているが、小容量という問題を有している。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容量特性を改善する新たな対案として多くの研究がなされている。特に、該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３〜４倍程度の蓄積容量を有している。
該リチウムイオンキャパシタを形成するための工程は、シート形態の正極、分離膜及び負極を順次積層して電極積層体を形成する積層工程と、正極の端子と負極の端子とを各々溶接する溶接工程と、該電極積層体を電解液に含浸して負極にリチウムイオンをプレドーピングするための前処理ドーピング工程と、該電極積層体をアルミニウムでシールするシール工程とを含む。
ここで、負極にリチウムイオンをプレ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とに各々リチウム金属膜を設けた後、電解質溶液に浸漬させることによってなされる。
該プレドーピング工程において、リチウムイオンが負極に円滑に供給されるために、正極及び負極に設けられた集電体は、メッシュ形態で成されなければならないため、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があった。
また、リチウム金属膜は、電極積層体の両端に各々設けられるため、積層された負極全体にリチウムイオンを均一にドーピングするのに困難さがあった。
また、リチウムイオンが電極積層体の内部に設けられた負極に均一にドーピングされるまでの時間が２０日程度が要され、量産への適用に困難さがあった。
本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングする工程を行った後、端子の洗浄工程を行うリチウムイオンキャパシタの製造方法を提供するにその目的がある。
上記目的を解決するために、本実施形態によるリチウムイオンキャパシタの製造方法は、負極にリチウム供給源を直接接触させるステップと、前記負極及び該リチウム供給源をドーピング電解液に含浸して該負極にリチウムイオンをプレドーピングするステップと、セパレータを挟んで前記リチウムイオンのプレドーピングされた負極及び正極を順次積層して電極セルを形成するステップと、前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップと、前記端子を融着するステップと、前記融着した端子を露出して前記電極セルを封止するステップと、を含むことができる。
前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップは、前記電極セルを洗浄液に含浸した後、超音波洗浄によって行われることができる。
また、前記洗浄液は、アセトン及びジエチルカーボネートのうちいずれか１つまたは２つを含むことができる。
また、前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップは、前記端子に吸着した塩を除去する第１の超音波洗浄ステップと、前記端子に吸着した溶媒を除去する第２の超音波洗浄ステップと、を含むことができる。
また、前記リチウム供給源は、リチウムメタル、リチウムを含む酸化物及びリチウムを含む合金のうちいずれか１つを含むことができる。
また、前記負極は、負極集電体と該負極集電体の両面に各々設けられた負極活物質層とを備え、該負極集電体は、無孔のシート形態を有することができる。
また、前記正極は、正極集電体と該正極集電体の両面に各々設けられた正極活物質層とを備え、該正極集電体は、無孔のシート形態を有することができる。
また、前記負極にリチウム供給源を直接接触させるステップにおいて、前記負極及び前記リチウム供給源を交互に積層するステップを含むことができる。
また、前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップの後に、前記電極セルを乾燥するステップをさらに含むことができる。
本実施形態によれば、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングさせることによって、プレドーピング工程時間を短縮し、量産への適用が可能になるという効果を奏する。
また、本実施形態によれば、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングさせることによって、集電体を無孔の形態にすることができ、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗を低くすることができる。
また、本実施形態によれば、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングさせた後、積層セルを形成することによって、各負極に均一にリチウムイオンをプレドーピングすることができる。
また、本実施形態によれば、リチウムイオンのプレドーピング工程を行った後、端子の洗浄工程で該端子に吸着したドーピング電解液を除去することによって、端子の融着不良を防止することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態は図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されることができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下に示している各実施の形態に限定されることなく他の形態で具体化されることができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることができる。明細書全体に渡って同一の参照符号は同一の構成要素を示している。
図１〜図５は、各々本発明の実施形態によるリチウムイオンキャパシタの製造工程を示す斜視図である。
図１を参照して、本発明の実施形態によるリチウムイオンキャパシタを製造するために、まず負極１２０とリチウム供給源１３０とを互いに接触する。
負極１２０は、負極集電体１２１と該負極集電体１２１の両面に各々配設された負極活物質層１２２とを含むことができる。
該負極集電体１２１は、銅及びニッケルのうちの少なくともいずれか一つから成るホイルで構成されることができる。該負極集電体１２１は、リチウムイオンキャパシタの耐抵抗を低くす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してもよい。
負極活物質層１２２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可能な炭素材料、例えばグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）からなることができる。また、負極活物質層１２２はバインダをさらに含むことができる。
負極１２０は、外部電源と接触する負極端子１２３を備えることができる。該負極端子１２３は負極集電体１２１の一側から延在して形成されることができる。
また、リチウム供給源１３０は負極１２０にリチウムイオンを供給する役割をすることができる。該リチウム供給源１３０はリチウムメタル、リチウムを含むリチウム酸化物及びリチウムを含むリチウム合金のうちいずれか１つを含むことができる。
負極１２０が負極集電体１２１の両面に負極活物質層１２２を備える場合、リチウム供給源１３０は負極１２０の両面に各々接触していることができる。ここで、積層ジグを用いて、負極１２０とリチウム供給源１３０とを交互に積層することができる。これにより、多数の負極１２０に一度の工程でリチウムイオンをプレドーピング可能である。
一方、ドーピング電解液２１０を受容しているドーピング槽２００を提供する。該ドーピング電解液２１０は、リチウムイオンのプレドーピング工程でリチウムイオンを移動させる媒質の役割をする。
ドーピング電解液２１０は電解質及び溶媒を含むことができる。該電解質としては、塩の状態で、例えばリチウム塩、アンモニウム塩等が挙げられる。該溶媒としては、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、ジメトキシエタン及びテトラヒドロフラン等が挙げられる。ここで、溶媒は、１つまたは２つ以上を混合して用いられる。しかし、本発明の実施形態では、ドーピング電解液の材料に対して限定するわけではなく、リチウムイオンを移動させることならいかなる材料でもよい。
続いて、互いに接触している負極１２０及びリチウム供給源１３０をドーピング電解液２１０に含浸する。負極１２０とリチウム供給源１３０とは電位差を有することによって、負極１２０とリチウム供給源１３０とが互いに接触、即ち電気的に短絡する場合、リチウムイオンはリチウム供給源１３０から負極１２０にドーピングされることができる。この時、負極１２０とリチウム供給源１３０とは直接接触することによって、従来の充放電によるリチウムイオンのプレドーピング工程よりドーピング時間を短縮することができる。
また、負極１２０に各々リチウムイオンをプレドーピングした後電極セルを形成するため、従来電極セルを形成した後、リチウムイオンを負極にプレドーピングする場合より負極１２０に均一にリチウムイオンをプレドーピング可能である。
続いて、負極１２０にリチウムイオンのプレドーピング工程を完了した後、リチウム供給源１３０が残存する場合、負極からリチウム供給源１３０を分離する工程をさらに行うことができる。
図２を参照して、負極１２０にリチウムイオンをプレドーピングした後、セパレータ１５０を挟んでリチウムイオンのプレドーピングされた負極１２０と正極１４０とを順次積層して電極セル１００ａを形成する。
セパレータ１５０は、負極１２０と正極１４０とを互いに電気的に分離する役割をすることができる。該セパレータ１５０は、紙または不織布であってもよいが、本発明の実施形態ではセパレータ１５０の種類に対して限定するわけではない。
正極１４０は、正極集電体１４１と該正極集電体１４１の両面に各々配設された正極活物質層１４２とを含むことができる。該正極集電体１４１はアルミニウム、チタン、ニオブ及びタンタルのうちの少なくともいずれか一つから成るホイルで構成されることができる。正極集電体１４１は、リチウムイオンキャパシタの耐抵抗を低くす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、正極活物質層１４２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可能な炭素材料、即ち活性炭を含むことができる。また、正極活物質層１４２はバインダをさらに含むことができる。
正極１４０は、外部電源と接続されるための正極端子１４３を備えることができる。該正極端子１４３は、正極集電体１４１の一側から延びて形成されることができる。
電極セル１００ａを形成するための正極１４０及び負極１２０の積層で、正極端子１４３と負極端子１２３とは各々順次積層されることができる。正極端子１４３と負極端子１２３とが互いに離間して配設されて電気的に分離されることができる。
負極端子１２３に負極１２０のプレドーピング工程で、ドーピング電解液が吸着されることができる。後続工程である端子融着工程で、ドーピング電解液により負極端子１２３の融着不良を引き起こすことがある。
図３を参照して、電極セル１００ａの負極端子１２３を超音波洗浄して負極端子１２３に吸着されているドーピング電解液を除去することができる。
該超音波洗浄は、電極セル１００ａの負極端子１２３を洗浄槽３００に収容された洗浄液３１０に含浸させた後行われることができる。該洗浄液３１０は、アセトン及びジエチルカーボネートのうちいずれか１つまたは２つの混合溶液であってもよい。
超音波洗浄は、少なくとも２回、例えば第１の超音波洗浄工程及び第２の超音波洗浄工程を含むことができる。第１の超音波洗浄工程は、ドーピング電解液の塩を除去するために負極端子１２３をジエチルカーボネートに含浸した状態で行われることができる。また、第２の超音波洗浄工程は、ドーピング電解液の溶媒を除去するために負極端子１２３をアセトンに含浸した状態で行われることができる。
また、超音波洗浄は、正極端子１４３にも同時に行われ、正極端子１４３に付着されている汚染物質も併せて除去され、該汚染物質による正極端子の融着不良を防止することができる。
続いて、電極セル１００ａの端子を超音波洗浄の後、該端子に吸着した洗浄液を除去するための乾燥工程をさらに行うことができる。
図４を参照して、超音波洗浄を通じて負極端子１２３らに吸着したドーピング電解液を除去した後、多数積層された負極端子１２３及び多数積層された正極端子１４３を各々融着して一体化する。超音波洗浄で、負極端子１２３に吸着したドーピング電解液を除去することによって、該負極端子１２３の融着不良を防止することができる。
融着工程方法としては、超音波溶接、レーザ溶接及びスポット溶接等が挙げられるが、本発明の実施形態ではこれを限定するわけではない。
続いて、外装ラミネートフィルム１６０を用いて電極セル１００ａを封止する。該外装ラミネートフィルム１６０はアルミニウムからなり、本発明の実施形態ではこれを限定するわけではない。
具体的には、電極セルの封止工程を説明する。まず、電極セル１００ａを挟んで上下部に各々外装ラミネートフィルム１６０を設ける。続いて、これらの外装ラミネートフィルム１６０を熱融着することにより、電極セル１００ａは外装ラミネートフィルム１６０により封止されることができる。該融着した正極端子１４３及び負極端子１２３は外部電源と電気的に接続されるために外装ラミネートフィルム１６０から露出されている。
ここで、熱融着工程は、２枚の外装ラミネートフィルム１６０のエッジに沿って進み、該２枚の外装ラミネートフィルム１６０間に介在する電極セル１００ａに電解液を投入するためのスキ間を残すように行われる。
該電解液は、リチウムイオンを移動させる媒質の役割をするもので、高電圧で電気分解を引き起こさなく、リチウムイオンを安定して保持可能な材料からなることができる。該電解液は、電解質及び溶媒を含むことができる。該電解質は、塩の状態で、例えばリチウム塩またはアンモニウム塩等が挙げられる。溶媒としては、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、ジメトキシエタン及びテトラヒドロフラン等が挙げられる。該溶媒は、１つまたは２つ以上を混合して用いられる。しかし、本発明の実施形態では、電解液の材料に対して限定するわけではなく、リチウムイオンを移動させるものならいかなる材料であってもよい。該電解液は、リチウムイオンのプレドーピング工程で用いられたドーピング電解液と同じ材料または他の材料を用いてもよい。
スキ間に電解液を投入した後、該スキ間を真空封止することによって、リチウムイオンキャパシタ１００を形成することができる。
従って、本発明の実施形態でのように、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングすることによって、プレドーピング工程時間を短縮して、量産への適用が可能になる。
また、本実施形態によれば、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングさせることによって、集電体を無孔の形態で形成して、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗を低くすることができる。
また、本実施形態によれば、負極にリチウム供給源を直接接触してリチウムイオンをプレドーピングさせた後積層セルを形成することによって、各負極に均一にリチウムイオンをプレドーピングさせることができる。
また、本実施形態によれば、リチウムイオンのプレドーピング工程を行った後、端子の洗浄工程で該端子に吸着した電解液を除去することによって、端子の融着不良を防止することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１００ リチウムイオンキャパシタ
１２０ 負極
１２３ 負極端子
１３０ リチウム供給源
１４０ 正極
１４３ 正極端子
１５０ セパレータ
１６０ 外装ラミネートフィルム
２００ ドーピング槽
２１０ ドーピング電解液
３００ 洗浄槽
３１０ 洗浄液
１２０ 負極
１２３ 負極端子
１３０ リチウム供給源
１４０ 正極
１４３ 正極端子
１５０ セパレータ
１６０ 外装ラミネートフィルム
２００ ドーピング槽
２１０ ドーピング電解液
３００ 洗浄槽
３１０ 洗浄液
Claims (9)
- 負極にリチウム供給源を直接接触させるステップと、
前記負極及び前記リチウム供給源をドーピング電解液に含浸して、該負極にリチウムイオンをプレドーピングするステップと、
セパレータを挟んで前記リチウムイオンのプレドーピングされた負極及び正極を順次積層して電極セルを形成するステップと、
前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップと、
前記端子を融着するステップと、
前記融着した端子を露出して前記電極セルを封止するステップと
を含むリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップは、
前記電極セルを洗浄液に含浸した後、超音波洗浄によって行われる請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記洗浄液は、アセトン及びジエチルカーボネートのうちいずれか１つまたは２つを含む請求項２に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップは、
前記端子に吸着した塩を除去する第１の超音波洗浄ステップと、
前記端子に吸着した溶媒を除去する第２の超音波洗浄ステップとを含む請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記リチウム供給源は、リチウムメタル、リチウムを含む酸化物及びリチウムを含む合金のうちいずれか１つを含む請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。
- 前記負極は、負極集電体と該負極集電体の両面に各々設けられた負極活物質層とを備え、
前記負極集電体は、無孔のシート形態を有する請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記正極は、正極集電体と該正極集電体の両面に各々設けられた正極活物質層とを備え、
前記正極集電体は、無孔のシート形態を有する請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記負極にリチウム供給源を直接接触させるステップは、
前記負極及び前記リチウム供給源を交互に積層するステップを含む請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 前記電極セルの端子に吸着したドーピング電解液を洗浄するステップの後に、前記電極セルを乾燥するステップ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。
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