JP2013143422A - リチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極集電体に炭素系材料を主体とする正極活物質合剤を担持させた正極と、負極集電体にリチウムイオンを吸蔵脱離できる材料を主体とする負極活物質合剤を担持させた負極とを備え、電解質としてリチウム塩を用い、正極と負極とがセパレーターを挟んで複数積層され、正極および負極が、それぞれセル内で電気的に結合されているリチウムイオンキャパシタであって、正極集電体と負極集電体が三次元構造の金属多孔体であるリチウムイオンキャパシタ。
【選択図】図1
Description
正極集電体に炭素系材料を主体とする正極活物質合剤を担持させた正極と、負極集電体にリチウムイオンを吸蔵脱離できる材料を主体とする負極活物質合剤を担持させた負極とを備え、電解質としてリチウム塩を用い、前記正極と負極とがセパレーターを挟んで複数積層され、前記正極および負極が、それぞれセル内で電気的に結合されているリチウムイオンキャパシタであって、
前記正極集電体と前記負極集電体が三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする。
前記正極集電体が、アルミニウムを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする。
前記正極集電体が、少なくともクロムを20wt%以上含む三次元構造のニッケルクロム合金多孔体であることを特徴とする。
前記負極集電体が、銅を50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする。
前記負極集電体が、ニッケルを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする。
負極活物質が、金属リチウムに対する電位が1.5V以上の材料であり、
前記負極集電体が、アルミニウムを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体である
ことを特徴とする。
前記正極集電体の正極に占める体積比率が50%未満、および/または、
負極集電体の負極に占める体積比率が50%未満であることを特徴とする。
前記炭素系材料は、比表面積が700m2/g以上の活性炭であることを特徴とする。
前記炭素系材料は、比表面積が300m2/g以上のカーボンナノチューブであることを特徴とする。
はじめに、LICの構成について説明する。図1は、本実施の形態におけるLICの構成を説明する図であり、1はLIC、11は正極、12は負極、13はセパレーターである。そして、14は正極タブ、15は負極タブ、16は正極タブリード、17は負極タブリードである。また、11aは正極活物質合剤、11bは正極集電体、12aは負極活物質合剤、12bは負極集電体である。
(1)概要
正極11は、三次元構造の金属多孔体を集電体として、炭素系材料を主体とする正極活物質合剤が金属多孔体の空孔に充填されて担持されている。なお、前記の「炭素系材料を主体とする」とは、正極活物質として機能する炭素系材料を50wt%超含有していることを示す。また、正極活物質合剤は、正極活物質に加えて、必要に応じて適宜、導電助剤、バインダー等が添加されて構成される。
正極集電体11bとしては、集電性の観点より、三次元構造の金属多孔体が用いられるが、金属多孔体の内でも、Alを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体、またはCrを20wt%以上含む三次元構造のNi−Cr合金多孔体が好ましい。Al、Ni、Cr以外の含有成分としては、耐電解性の観点より、チタン、白金、ステンレス等が挙げられる。
(a)炭素系材料
炭素系材料としては、活性炭やカーボンナノチューブ、グラフェンが使用される。
活性炭としては、比表面積が700m2/g以上の活性炭が好ましく、1000〜4000m2/gであるとより好ましい。また、粒径は、20μm以下であることが好ましい。この範囲とすることにより、LICの静電容量を大きくすることができ、また、内部抵抗を小さくすることできる。
カーボンナノチューブとしては、比表面積が300m2/g以上のカーボンナノチューブが好ましく、400〜1500m2/gであるとより好ましい。また、チューブの長さは、20μm以下であることが好ましく、10μm以下であるとより好ましい。チューブの径は300nm以下が好ましく、100nm以下であるとより好ましい。そして、チューブが開端していると、チューブの内外をイオンの吸着に用いることができ、容量密度を向上させることができるため好ましい。
導電助剤の種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維等が好ましい。これにより、LICの導電性を向上させることができる。導電助剤の含量は限定的でないが、活性炭100質量部に対して0.1〜10質量部程度が好ましい。10質量部を超えると静電容量が低下するおそれがある。
バインダーの種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
(1)概要
負極12は、三次元構造の金属多孔体を集電体として、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料等の負極活物質を主体とする負極活物質合剤が金属多孔体の空孔に充填されて担持されている。なお、前記の「負極活物質を主体とする」とは、負極活物質を50wt%超含有していることを示す。また、必要に応じて、乾燥後にローラープレス機等により加圧成形してもよい。負極の厚みは、一般的に、0.08mm程度にされる。
負極集電体12bとしては、集電性の観点より、三次元構造の金属多孔体が用いられるが、金属多孔体の内でも、CuまたはNiを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体が好ましい。また、チタン酸リチウムなど、金属リチウムに対する電位が1.5V以上の材料を負極活物質として用いる場合には、Alを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体を用いることが好ましい。CuやNi、Al以外の含有成分としては、リチウムと合金化しないとの観点より、鉄、ステンレス等が挙げられる。
負極活物質合剤は、例えば、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を溶媒にまぜ、混合機で攪拌することによりペースト化される。必要に応じて導電助剤、バインダーを含んでもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵脱離できるものであれば特に限定されないが、容量密度の観点から、黒鉛系材料、易黒鉛化炭素材料、グラフェン等の炭素材料が好ましい。
導電助剤としては、前記正極活物質の場合と同様に、公知又は市販のものが使用できる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。
バインダーも、前記正極活物質の場合と同様に、特に種類に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
(1)概要
本発明に係るLICはリチウムを有するため、電解液としては、非水電解液を用いる必要がある。かかる非水電解液は、例えば、充放電に必要なリチウム塩を有機溶媒に溶かしたものを使用することができる。
リチウム塩としては、溶媒への溶解性の観点から、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等を好ましく用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、いずれか2種以上を混合して用いてもよい。
上記リチウム塩を溶かす溶媒としては、イオン伝導度の観点から、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートから選ばれるいずれか1種以上を好ましく用いることができる。
セパレーター13としては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンレテフタラート、ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ガラス繊維等からなる絶縁性膜が好ましい。セパレーターの平均孔径は特に限定されず、通常0.01〜5μm程度であり、平均厚みは通常10〜100μm程度である。
上記の正極11、負極12の間にセパレーター13を配置して、複数積層した後、例えば超音波溶接を用いて各正極11と正極タブ14を、各負極12と負極タブ15を溶接し、さらに正極タブ14と正極タブリード16を、負極タブ15と負極タブリード17とを溶接する。その後、リチウム塩を含む非水電解液を含浸し、さらに、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させる(プレドープ)ことにより、本発明に係るLICの組立が行われる。
11、21、31、41 正極
11a、41a 正極活物質合剤
11b、41b 正極集電体
12、22、32、42 負極
12a、42a 負極活物質合剤
12b、42b 負極集電体
13、43 セパレーター
14、44 正極タブ
15、45 負極タブ
16、46 正極タブリード
17、47 負極タブリード
23、33 Al箔
24、35 活性炭
34 Cu箔
36 黒鉛粉末
Claims (9)
- 正極集電体に炭素系材料を主体とする正極活物質合剤を担持させた正極と、負極集電体にリチウムイオンを吸蔵脱離できる材料を主体とする負極活物質合剤を担持させた負極とを備え、電解質としてリチウム塩を用い、前記正極と負極とがセパレーターを挟んで複数積層され、前記正極および負極が、それぞれセル内で電気的に結合されているリチウムイオンキャパシタであって、
前記正極集電体と前記負極集電体が三次元構造の金属多孔体であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 前記正極集電体が、アルミニウムを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記正極集電体が、少なくともクロムを20wt%以上含む三次元構造のニッケルクロム合金多孔体であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記負極集電体が、銅を50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記負極集電体が、ニッケルを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 負極活物質が、金属リチウムに対する電位が1.5V以上の材料であり、
前記負極集電体が、アルミニウムを50wt%以上含む三次元構造の金属多孔体である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。 - 前記正極集電体の正極に占める体積比率が50%未満、および/または、
負極集電体の負極に占める体積比率が50%未満であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。 - 前記炭素系材料は、比表面積が700m2/g以上の活性炭であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
- 前記炭素系材料は、比表面積が300m2/g以上のカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
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