JP2013182925A - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学セルに関し、詳しくは、電気化学キャパシタ、二次電池などに用いられる電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical cell, and more particularly to an electrochemical cell used for an electrochemical capacitor, a secondary battery and the like.
従来より、ハイブリッド車両や燃料電池車両に搭載される蓄電デバイスとして、リチウムイオン電池などの二次電池、電気二重層キャパシタおよびハイブリッドキャパシタなどの電気化学キャパシタの検討および開発が進められている。 2. Description of the Related Art Conventionally, studies and development of secondary batteries such as lithium ion batteries, electrochemical capacitors such as electric double layer capacitors and hybrid capacitors have been underway as power storage devices mounted on hybrid vehicles and fuel cell vehicles.
このような蓄電デバイスは、一般的に、正極と、負極と、これら電極間に介在されるセパレータと、電極およびセパレータを収容し、これらを浸漬するように電解液が満たされているセル槽とを有している。そして、各電極において、電気二重層および/または酸化還元反応により蓄電されるエネルギーが放電されることにより、蓄電デバイスの充放電が行なわれる。 Such an electricity storage device generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between these electrodes, a cell tank containing an electrode and a separator and filled with an electrolyte so as to immerse them, and have. In each electrode, the energy stored by the electric double layer and / or the oxidation-reduction reaction is discharged, so that the storage device is charged and discharged.
このような蓄電デバイスでは、電解液として、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)などのリチウム塩を、エチレンカーボネート(C3H4O3)などの有機溶媒に溶解させた有機電解液が用いられている。しかるに、このような有機電解液は、充電時において酸化分解され、ガス(例えば、CO2など)を発生させる場合がある。ガスが発生すると、ガスが蓄電デバイスのセル内に滞留し、内部抵抗を向上させることにより、出力特性の低下を惹起する場合がある。 In such an electricity storage device, as an electrolytic solution, for example, an organic electrolytic solution in which a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate (C 3 H 4 O 3 ). Is used. However, such an organic electrolyte may be oxidized and decomposed during charging to generate a gas (for example, CO 2 ). When the gas is generated, the gas stays in the cell of the electricity storage device and may improve the internal resistance, thereby causing a decrease in output characteristics.
このような不具合を解決するため、例えば、正極と、正極に対して対向配置される負極と、正極および負極が浸漬される電解液とを備え、正極および負極のそれぞれの端部には、その長手方向と直交する幅方向の全域において、集電用タブ(集電体の、塗工層が形成されていない領域)が備えられ、正極および/または負極の塗工層が形成されている領域には、電流が流れる方向に沿って、具体的には、正極および/または負極の長手方向に沿って、塗工層の長辺長さと略同一長さで正極および/または負極の厚み方向を貫通する貫通部を備えている電気化学セルが、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In order to solve such a problem, for example, a positive electrode, a negative electrode disposed opposite to the positive electrode, and an electrolyte solution in which the positive electrode and the negative electrode are immersed are provided, A region where a current collecting tab (a region where the coating layer of the current collector is not formed) is provided in the entire region in the width direction orthogonal to the longitudinal direction, and a coating layer of the positive electrode and / or the negative electrode is formed The thickness direction of the positive electrode and / or negative electrode is substantially the same as the long side length of the coating layer along the direction in which the current flows, specifically, along the longitudinal direction of the positive electrode and / or negative electrode. An electrochemical cell having a penetrating portion that penetrates has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このような電気化学セルによれば、電解液の酸化分解によって発生するガスを貫通部によって除去することができるので、内部抵抗の低減、および、出力特性の向上を図ることができる。 According to such an electrochemical cell, the gas generated by the oxidative decomposition of the electrolytic solution can be removed by the penetrating portion, so that the internal resistance can be reduced and the output characteristics can be improved.
一方、このような電気化学セルにおいて、ガスは貫通部に沿って移動する傾向にあるため、上記のように貫通部を塗工層の長辺長さと略同一長さとなるように形成すると、貫通部の長手方向途中にガスが滞留することによりイオンの移動が阻害され、内部抵抗が大きくなるという不具合がある。 On the other hand, in such an electrochemical cell, gas tends to move along the penetrating portion. Therefore, if the penetrating portion is formed to have substantially the same length as the long side length of the coating layer as described above, the penetrating portion is formed. There is a problem in that the gas stays in the middle of the longitudinal direction of the part, thereby inhibiting the movement of ions and increasing the internal resistance.
また、上記のように貫通部を塗工層の長辺長さと略同一長さとなるように形成すると、正極および/または負極の有効面積が小さくなり、電気容量の低下を惹起する場合があり、さらには、局部的に充放電され、デンドライトによる短絡が惹起される場合がある。 In addition, when the penetrating portion is formed to have substantially the same length as the long side length of the coating layer as described above, the effective area of the positive electrode and / or the negative electrode is reduced, which may cause a decrease in electric capacity. Furthermore, charging / discharging locally may cause a short circuit due to dendrite.
一方、特許文献1には、断続的に形成された貫通部、すなわち、ミシン目状の貫通部の開示もあるが、このように貫通部を形成する場合、長手方向途中の貫通部が、正極および/または負極の端部(一辺)に臨まず、やはり、ガスが滞留することによりイオンの移動が阻害され、内部抵抗が大きくなるという不具合がある。
On the other hand,
本発明の目的は、簡易な構成により、内部抵抗を抑制することができ、優れた電気容量を確保するとともに、短絡を抑制できる電気化学セルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electrochemical cell capable of suppressing internal resistance with a simple configuration, ensuring an excellent electric capacity, and suppressing a short circuit.
上記目的を達成するために、本発明の電気化学セルは、正極と、前記正極に対して対向配置される負極と、前記正極および前記負極が浸漬される電解液とを備え、前記正極および/または前記負極は、短辺および長辺を備える長方形状に形成されるとともに、その厚み方向を貫通する貫通部を備えており、すべての前記貫通部の長手方向一方側端部が、前記正極および/または前記負極の鉛直方向下端辺を除く少なくとも一辺に臨むように形成されるとともに、前記貫通部の長手方向長さが、前記短辺長さ未満であり、かつ、前記貫通部は、前記一辺に臨む前記一方側端部が、前記一辺に臨まない前記他方側端部に対して、鉛直方向上方に配置されるように形成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an electrochemical cell of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode disposed to face the positive electrode, and an electrolyte in which the positive electrode and the negative electrode are immersed, and the positive electrode and / or Alternatively, the negative electrode is formed in a rectangular shape having a short side and a long side, and includes a penetrating portion penetrating in the thickness direction, and one end portion in the longitudinal direction of all the penetrating portions is the positive electrode and / Or is formed so as to face at least one side excluding the lower end in the vertical direction of the negative electrode, and the longitudinal length of the penetrating portion is less than the short side length, and the penetrating portion is the one side The one side end portion facing the side is formed so as to be arranged vertically above the other side end portion not facing the one side.
また、本発明の電気化学セルでは、前記貫通部が、前記正極および前記負極の両方に備えられており、前記正極および前記負極の対向方向に投影した投影面において、前記正極に備えられた前記貫通部と、前記負極に備えられた前記貫通部とが、互いに重複しないことが好適である。 Further, in the electrochemical cell of the present invention, the through portion is provided in both the positive electrode and the negative electrode, and the projection surface projected in the facing direction of the positive electrode and the negative electrode is provided in the positive electrode. It is preferable that the penetration portion and the penetration portion provided in the negative electrode do not overlap each other.
また、本発明の電気化学セルでは、前記貫通部が、前記正極および/または前記負極の水平方向一方側および水平方向他方側のそれぞれに配置されており、前記水平方向一方側に配置される前記貫通部の前記長手方向他方側端部と、前記水平方向他方側に配置される前記貫通部の前記長手方向他方側端部とが、前記水平方向沿って対向しないことが好適である。 Moreover, in the electrochemical cell of the present invention, the penetrating portion is disposed on each of one side in the horizontal direction and the other side in the horizontal direction of the positive electrode and / or the negative electrode, and is disposed on the one side in the horizontal direction. It is preferable that the other end in the longitudinal direction of the penetrating part and the other end in the other longitudinal direction of the penetrating part arranged on the other side in the horizontal direction do not oppose each other along the horizontal direction.
本発明の電気化学セルでは、すべての貫通部の長手方向一方側端部が、正極および/または負極の鉛直方向下端辺を除く少なくとも一辺に臨むように形成されるとともに、その長手方向長さが、正極および/または負極の短辺長さ未満であり、さらに、貫通部の上記した一辺に臨む一方側端部が、その一辺に臨まない他方側端部に対して、鉛直方向上方に配置される。 In the electrochemical cell of the present invention, the one end in the longitudinal direction of all the penetrating parts is formed to face at least one side excluding the lower end in the vertical direction of the positive electrode and / or the negative electrode, and the length in the longitudinal direction is Further, the length of the positive electrode and / or the negative electrode is less than the short side length, and the one side end portion of the penetrating portion facing one side is disposed vertically above the other side end portion not facing the one side. The
そのため、本発明の電気化学セルでは、電解液の酸化分解によって発生するガス(気泡)は、浮力により貫通部に沿って移動し、その長手方向一方側端部において脱離する。また、本発明の電気化学セルでは、貫通部が正極および/または負極の短辺長さ未満と短いので、ガスが貫通部の長手方向途中で滞留することなく、効率良く脱離される。 Therefore, in the electrochemical cell of the present invention, gas (bubbles) generated by oxidative decomposition of the electrolytic solution moves along the penetrating portion by buoyancy and desorbs at one end portion in the longitudinal direction. Moreover, in the electrochemical cell of this invention, since a penetration part is as short as less than the short side length of a positive electrode and / or a negative electrode, gas is efficiently desorbed, without staying in the middle of the longitudinal direction of a penetration part.
その結果、本発明の電気化学セルでは、貫通部にガスが滞留することを抑制でき、その結果、イオンの移動の阻害を抑制できるので、内部抵抗の増大を抑制できる。 As a result, in the electrochemical cell of the present invention, it is possible to suppress the gas from staying in the penetrating portion. As a result, it is possible to suppress the inhibition of ion movement, and thus it is possible to suppress the increase in internal resistance.
また、本発明の電気化学セルでは、貫通部が正極および/または負極の短辺長さ未満であるため、正極および/または負極の有効面積を十分に確保することができ、電気容量の低下を抑制することができ、さらに、局部的な充放電を抑制することができるので、デンドライトによる短絡を抑制することができる。 Further, in the electrochemical cell of the present invention, since the penetrating portion is less than the short side length of the positive electrode and / or the negative electrode, a sufficient effective area of the positive electrode and / or the negative electrode can be ensured, and the electric capacity is reduced. Since it can suppress and local charge / discharge can be suppressed, the short circuit by a dendrite can be suppressed.
図1は、本発明の電気化学セルの一実施形態を示すハイブリッドキャパシタの概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid capacitor showing an embodiment of an electrochemical cell of the present invention.
図1において、ハイブリッドキャパシタ1は、正極2と、正極2に対して間隔を隔てて対向配置される負極3と、正極2と負極3との間に介在されるセパレータ4と、正極2、負極3、セパレータ4および必要により設けられる捕捉部材7(後述)を収容するセル槽5と、セル槽5に貯留され、正極2、負極3およびセパレータ4が浸漬される電解液6とを備えている。なお、ハイブリッドキャパシタ1は、ラボスケールで採用される電池セルであって、工業的には、このハイブリッドキャパシタ1を、公知の技術によって適宜スケールアップしたものが採用される。
In FIG. 1, a
正極2は、分極性カーボンからなる正極材料(分極性カーボン材料)を含有し、例えば、正極材料と、導電剤と、ポリマーバインダとを配合して得られる混合物からなる電極シートを、所定の形状(詳しくは後述)に成形した後、必要により乾燥させることにより形成される。
The
正極材料は、例えば、カーボン材を賦活処理することにより得られる。 The positive electrode material is obtained by, for example, activating a carbon material.
カーボン材としては、例えば、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。 Examples of the carbon material include soft carbon and hard carbon.
ソフトカーボンは、例えば、不活性雰囲気中での熱処理によって、炭素原子で構成される六角網面が、ハードカーボンの六角網面よりも相対的に規則的な積層構造(黒鉛構造)を形成しやすいカーボンの総称である。具体的には、不活性雰囲気中、2000〜3000℃、好ましくは、2500℃で熱処理されたときに、(002)面の平均面間隔d002が3.40Å以下、好ましくは、3.35〜3.40Åとなる結晶構造を形成するカーボンの総称である。 With soft carbon, for example, by heat treatment in an inert atmosphere, the hexagonal network surface composed of carbon atoms tends to form a relatively regular laminated structure (graphite structure) than the hexagonal network surface of hard carbon. A general term for carbon. Specifically, when heat-treated in an inert atmosphere at 2000 to 3000 ° C., preferably 2500 ° C., the (002) plane average plane distance d 002 is 3.40 mm or less, preferably 3.35 to It is a general term for carbon that forms a crystal structure of 3.40%.
具体的なソフトカーボンとしては、例えば、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、メソフェーズ系ピッチなどのピッチ類、例えば、石油系ニードルコークス、石炭系ニードルコークス、アントラセン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどの易黒鉛化性コークス類などの熱分解物などが挙げられる。これらは単独使用または2種以上併用することができる。 Specific soft carbons include, for example, pitches such as petroleum pitches, coal pitches, and mesophase pitches, and graphites such as petroleum needle cokes, coal needle cokes, anthracene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, etc. Thermally decomposed products such as chemical coke. These can be used alone or in combination of two or more.
また、ハードカーボンは、例えば、不活性雰囲気中、2500℃で熱処理されたときに、(002)面の平均面間隔d002が3.40Åを超える結晶構造を形成するカーボンの総称である。 Also, hard carbon, for example, in an inert atmosphere, when it is heat treated at 2500 ° C., is a general term for carbon to form a crystal structure of greater than 3.40Å average spacing d 002 of (002) plane.
具体的なハードカーボンとしては、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フルフラール樹脂、レゾルシノール樹脂、シリコーン樹脂、キシレン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂、例えば、サーマルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、チャネルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、例えば、フリュードコークス、ギルソナイトコークスなど易黒鉛化性コークスとは異なる難黒鉛化性コークス、例えば、やしがら、木粉などの植物系原料、例えば、ガラス状炭素などの熱分解物などが挙げられる。 Specific hard carbons include, for example, phenol resins, melamine resins, urea resins, furan resins, epoxy resins, alkyd resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, furfural resins, resorcinol resins, silicone resins, xylene resins, urethanes. Thermosetting resin such as resin, for example, carbon black such as thermal black, furnace black, lamp black, channel black, acetylene black, for example, non-graphitizable coke such as flue coke and gilsonite coke Examples include coke, for example, plant raw materials such as palm, wood flour, and the like, for example, pyrolysates such as glassy carbon.
これらは、単独使用または併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、ソフトカーボンが挙げられる。 These can be used alone or in combination. Of these, soft carbon is preferable.
賦活処理としては、例えば、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化セシウム(CsOH)、水酸化ルビジウム(RbOH)などを賦活剤として用いるアルカリ賦活処理、例えば、塩化亜鉛(ZnCl2)、リン酸(H3PO4)などを賦活剤として用いる薬品賦活処理、例えば、二酸化炭素(CO2)、空気などを賦活剤として用いるガス賦活処理、例えば、水蒸気(H2O)を賦活剤として用いる水蒸気賦活処理などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、アルカリ賦活処理が挙げられ、さらに好ましくは、水酸化カリウム(KOH)を賦活剤として用いるアルカリ賦活処理(KOH賦活処理)が挙げられる。 As the activation treatment, for example, alkaline activation treatment using potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), cesium hydroxide (CsOH), rubidium hydroxide (RbOH) or the like as an activator. For example, chemical activation treatment using zinc chloride (ZnCl 2 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or the like as an activator, for example, gas activation treatment using carbon dioxide (CO 2 ), air or the like as an activator, for example, Examples include steam activation treatment using steam (H 2 O) as an activator. Among these, Preferably, an alkali activation process is mentioned, More preferably, the alkali activation process (KOH activation process) which uses potassium hydroxide (KOH) as an activator is mentioned.
賦活処理は、例えば、KOH賦活処理の場合、窒素雰囲気下において、カーボン材を、例えば、500〜800℃で予備焼成し、次いで、700〜1000℃でKOHとともに焼成する。用いられるKOHの量は、例えば、カーボン材1重量部に対して、0.5〜5重量部である。 In the activation treatment, for example, in the case of KOH activation treatment, the carbon material is pre-fired at 500 to 800 ° C., for example, and then fired together with KOH at 700 to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere. The amount of KOH used is, for example, 0.5 to 5 parts by weight with respect to 1 part by weight of the carbon material.
上記賦活処理によって得られる正極材料を正極2に用いたハイブリッドキャパシタでは、例えば、正極2の電位が4.23V vs.Li/Li+以上となる充放電サイクルにおいて、正極2に比較的大きな不可逆容量を発現させることができる。そのため、放電過程において、より低い電位にまで正極の放電が可能となる。その結果、正極2の電気容量を拡大することができる。
In the hybrid capacitor using the positive electrode material obtained by the activation process as the
正極材料は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が70〜99重量%の割合となるように配合される。 A positive electrode material is mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 70 to 99 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
導電剤としては、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the conductive agent include carbon black, ketjen black, and acetylene black. These can be used alone or in combination of two or more.
また、導電剤は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が0〜20重量%の割合となるように配合される。つまり、導電剤は、配合しても配合しなくてもよい。 Moreover, a electrically conductive agent is mix | blended so that the weight ratio of solid content may be a ratio of 0-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example. That is, the conductive agent may or may not be blended.
ポリマーバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、フルオロオレフィンビニルエーテル共重合体架橋ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸などが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、PVdFが挙げられる。 Examples of the polymer binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluoroolefin copolymer crosslinked polymer, fluoroolefin vinyl ether copolymer crosslinked polymer, carboxymethyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, and polyacryl. An acid etc. are mentioned. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, PVdF is preferable.
また、ポリマーバインダは、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が1〜20重量%の割合となるように配合される。 Moreover, a polymer binder is mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 1-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
そして、正極2を形成するには、正極材料、導電剤およびポリマーバインダを配合した混合物を、溶媒中で攪拌してスラリー(固形分:10〜60重量%)を得る。次いで、スラリーを正極側集電体8aの表面に塗工し、正極側塗工層9aを形成した後、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して電極シートを得る。次いで、電極シートを所定の形状(詳しくは後述)に裁断した後、必要によりさらに乾燥させる。これにより、正極2が得られる。
And in order to form the
溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)などの非プロトン性極性溶媒、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、水などのプロトン性極性溶媒、例えば、トルエン、キシレン、イソホロン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸メチル、フタル酸ジメチルなどの低極性溶媒が挙げられる。これらのうち、好ましくは、非プロトン性極性溶媒が挙げられ、さらに好ましくは、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。 Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethylformamide (DMF), for example, protic polar solvents such as ethanol, methanol, propanol, butanol, and water, for example, Low polar solvents such as toluene, xylene, isophorone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, methyl acetate, dimethyl phthalate and the like can be mentioned. Among these, Preferably, an aprotic polar solvent is mentioned, More preferably, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is mentioned.
正極側集電体8aとしては、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔などの金属箔が挙げられる。
Examples of the positive electrode side
正極側集電体8aの厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、ラボスケールでは、例えば、10〜50μmであり、正極側塗工層9aの厚さが、例えば、10〜140μmであり、正極2の厚さ(正極側集電体8aおよび正極側塗工層9aの合計厚さ)が、例えば、30〜150μmである。
Although the thickness of the positive electrode side
負極3は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する電極であって、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出可能な負極材料を含有している。
The
より具体的には、負極3は、例えば、負極材料と、ポリマーバインダとを配合して得られる混合物からなる電極シートを、所定の形状(詳しくは後述)に成形した後、必要により乾燥させることにより形成される。
More specifically, the
負極材料としては、特に制限されないが、例えば、上記したハードカーボン、上記したソフトカーボン、グラファイトなどが挙げられる。 The negative electrode material is not particularly limited, and examples thereof include the hard carbon described above, the soft carbon described above, and graphite.
グラファイトとしては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛化メソフェーズカーボン繊維、黒鉛ウィスカ、黒鉛化炭素繊維、ピッチ、コークスなどの縮合多環炭化水素化合物の熱分解物などのグラファイト系炭素材料が挙げられる。 Examples of graphite include pyrolytic products of condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as natural graphite, artificial graphite, graphitized mesophase carbon microspheres, graphitized mesophase carbon fibers, graphite whiskers, graphitized carbon fibers, pitch, and coke. A graphite-type carbon material is mentioned.
これらは単独使用または2種以上併用することができる。また、グラファイトは、粉末状のもの(例えば、平均粒径が25μm以下のもの)が好ましく用いられる。 These can be used alone or in combination of two or more. Further, graphite is preferably used in the form of powder (for example, having an average particle size of 25 μm or less).
そして、上記のような負極材料は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が80〜99重量%の割合となるように配合される。 And the above negative electrode materials are mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 80 to 99 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
ポリマーバインダとしては、例えば、上記したポリマーバインダが挙げられ、好ましくは、PVdFが挙げられる。また、ポリマーバインダは、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が1〜10重量%の割合となるように配合される。 Examples of the polymer binder include the polymer binder described above, and preferably PVdF. Moreover, a polymer binder is mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 1 to 10 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
また、負極の製造においては、必要により、さらに、導電剤を配合することもできる。 Moreover, in manufacture of a negative electrode, a electrically conductive agent can also be mix | blended as needed.
導電剤としては、例えば、上記した導電剤が挙げられる。また、導電剤は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が0〜20重量%の割合となるように配合される。 Examples of the conductive agent include the above-described conductive agents. Moreover, a electrically conductive agent is mix | blended so that the weight ratio of solid content may be a ratio of 0-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
そして、負極3を形成するには、例えば、まず、負極材料およびポリマーバインダを配合した混合物を、溶媒中で攪拌してスラリー(固形分:10〜60重量%)を得る。次いで、スラリーを負極側集電体8bの表面に塗工し、負極側塗工層9bを形成した後、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して電極シートを得る。次いで、電極シートを所定の形状(詳しくは後述)に裁断した後、必要によりさらに乾燥させる。これにより、負極3が得られる。
In order to form the
溶媒としては、例えば、上記した溶媒が挙げられ、好ましくは、非プロトン性極性溶媒が挙げられ、さらに好ましくは、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。 Examples of the solvent include the above-mentioned solvents, preferably an aprotic polar solvent, and more preferably N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
また、負極側集電体8bとしては、例えば、上記した金属箔が挙げられる。
Moreover, as the negative electrode side
負極側集電体8bの厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、ラボスケールでは、例えば、10〜50μmであり、負極側塗工層9bの厚さが、例えば、5〜60μmであり、負極3の厚さ(負極側集電体8bおよび負極側塗工層9bの合計厚さ)が、例えば、15〜70μmである。
Although the thickness of the negative electrode side
セパレータ4としては、例えば、ガラス繊維、セラミックス繊維、ウィスカなどの無機繊維、例えば、セルロースなどの天然繊維、例えば、ポリオレフィン、ポリエステルなどの有機繊維などからなるセパレータが挙げられる。 Examples of the separator 4 include separators made of inorganic fibers such as glass fibers, ceramic fibers, and whiskers, natural fibers such as cellulose, and organic fibers such as polyolefin and polyester.
また、セパレータ4の厚さおよび大きさは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、ラボスケールでは、厚さが、例えば、15〜150μmであり、大きさが、例えば、矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、55〜115mmであり、長手方向と直交する方向(幅方向)長さが、例えば、50〜100mmである。
Further, the thickness and size of the separator 4 vary depending on the scale of the
セル槽5は、正極2、負極3、セパレータ4および電解液6を封止する公知の容器であって、鉛直方向上部に、公知の逆止弁12を備えている。
The
電解液6は、リチウム塩を含む有機溶媒を含有しており、具体的には、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解させることにより調製される。 The electrolytic solution 6 contains an organic solvent containing a lithium salt. Specifically, for example, the electrolytic solution 6 is prepared by dissolving a lithium salt in an organic solvent.
リチウム塩としては、ハロゲンを含むアニオン成分を有し、例えば、LiClO4、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiC4F9SO3、LiC8F17SO3、LiB[C6H3(CF3)2−3,5]4、LiB(C6F5)4、LiB[C6H4(CF3)−4]4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3CO2、LiN(CF3SO2)2などが挙げられる。なお、上式中[C6H3(CF3)2−3,5]は、フェニル基の3位と5位に、[C6H4(CF3)−4]はフェニル基の4位に、それぞれ−CF3が置換されているものを意味する。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 The lithium salt has an anion component containing halogen. For example, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC 8 F 17 SO 3 , LiB [C 6 H 3 (CF 3) 2 -3,5] 4, LiB (C 6 F 5) 4, LiB [C 6 H 4 (CF 3) -4] 4, LiBF 4, LiPF 6, LiAsF 6, LiSbF 6 , LiCF 3 CO 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and the like. In the above formula, [C 6 H 3 (CF 3 ) 2 -3, 5] is in the 3rd and 5th positions of the phenyl group, and [C 6 H 4 (CF 3 ) -4] is in the 4th position of the phenyl group. Each of which is substituted with —CF 3 . These can be used alone or in combination of two or more.
有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、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、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、ジメチルスルホキシド(DMSO)、スルホラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジオキソラン、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、1,3−プロパンスルトン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン誘導体、シドノン化合物、アセトニトリル、ニトロメタン、アルコキシエタン、トルエンなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the organic solvent include propylene carbonate, propylene carbonate derivatives, ethylene carbonate, ethylene carbonate derivatives, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, dimethyl sulfoxide (DMSO), Sulfolane, formamide, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), dioxolane, phosphoric acid triester, maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, 1,3-propane sultone, 4,5-dihydropyran derivative, Nitrobenzene, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran, tetrahydrofuran derivatives, sydnone compounds, acetonitrile, nitromethane, alkoxy ethane, and toluene. These can be used alone or in combination of two or more.
そして、電解液6を調製するには、例えば、リチウム塩の濃度が、例えば、0.5〜5mol/L、好ましくは、1〜3mol/Lとなるように、また、電解液6中の水分量が、例えば、50ppm以下、好ましくは、10ppm以下となるように、リチウム塩を有機溶媒に溶解する。 In order to prepare the electrolytic solution 6, for example, the concentration of the lithium salt is, for example, 0.5 to 5 mol / L, preferably 1 to 3 mol / L. The lithium salt is dissolved in an organic solvent so that the amount is, for example, 50 ppm or less, preferably 10 ppm or less.
図2は、図1に示すハイブリッドキャパシタに用いられる正極および負極の一実施形態(貫通部の長手方向一方側端部が正極および/または負極の水平方向一端辺または水平方向他端辺に臨む形態)の正面図である。 2 shows an embodiment of a positive electrode and a negative electrode used in the hybrid capacitor shown in FIG. 1 (a configuration in which one end in the longitudinal direction of the through portion faces one end in the horizontal direction or the other end in the horizontal direction of the positive and / or negative electrode. Is a front view.
このハイブリッドキャパシタ1において、正極2および/または負極3は、短辺および長辺を備える長方形状(略矩形板形状)に形成されている。
In the
正極2および/または負極3の短辺と長辺との長さの比は、例えば、長辺長さ100%に対して、短辺長さが、例えば、40〜90%、好ましくは、55〜85%である。
The ratio of the length of the short side to the long side of the
より具体的には、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2は、正面視略矩形状に形成された正極側集電体8aの一方側表面に、長方形状の正極側塗工層9aが積層されることによって(図1参照)、長方形状に形成されている。
More specifically, in this
正極側集電体8aのサイズは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、長手方向長さが、例えば、46〜97mm、好ましくは、67〜97mm、幅方向長さが、例えば、41〜73mm、好ましくは、53〜73mmである。
Although the size of the positive electrode side
このような正極2は、その一辺の一部、具体的には、長手方向一方側の一辺において、幅方向一方側端部のみに、正極側集電用タブ11aを備えている。
Such a
正極側集電用タブ11aは、正極2の一辺の幅方向の一方側端部において、その長手方向に沿って突出するように形成される正面視略矩形状の金属箔であって、例えば、上記した正極側集電体8aと同様の材料から、正極側集電体8aから連続するように、正極側集電体8aと一体的に形成されている。
The positive electrode side
正極側集電用タブ11aのサイズは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、長手方向長さが、例えば、12〜39mm、好ましくは、22〜39mm、幅方向長さが、例えば、21mm以上であり、例えば、73mm未満、好ましくは、37mm以下である。
The size of the positive electrode side
また、正極側集電用タブ11aの幅方向長さは、正極2の幅方向長さに対して、例えば、28%以上であり、例えば、100%未満、好ましくは、50%以下である。
Moreover, the width direction length of the positive electrode side
また、負極3は、正面視略矩形状に形成された負極側集電体8bの一方側表面に、長方形状の負極側塗工層9bが積層されることによって(図1参照)、長方形状に形成されている。
Further, the
負極側集電体8bのサイズは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、長手方向長さが、例えば、50〜105mm、好ましくは、75〜105mm、幅方向長さが、例えば、45〜80mm、好ましくは、60〜80mmである。
Although the size of the negative electrode side
このような負極3は、その一辺の一部、具体的には、長手方向一方側の一辺において、幅方向一方側端部のみに、負極側集電用タブ11bを備えている。
Such a
負極側集電用タブ11bは、負極3の一辺の幅方向の一方側端部において、その長手方向に沿って突出するように形成される正面視略矩形状の金属箔であって、例えば、上記した負極側集電体8bと同様の材料から、負極側集電体8bから連続するように、負極側集電体8bと一体的に形成されている。
The negative electrode side
負極側集電用タブ11bのサイズは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、長手方向長さが、例えば、10〜44m、好ましくは、20〜44mm、幅方向長さが、例えば、25mm以上であり、例えば、80mm未満、好ましくは、40mm以下である。
The size of the negative electrode side
また、負極側集電用タブ11bの幅方向長さは、負極3の幅方向長さに対して、例えば、31%以上であり、例えば、100%未満、好ましくは、50%以下である。
Moreover, the width direction length of the negative electrode side
また、このハイブリッドキャパシタ1において、正極2および/または負極3は、その厚み方向を貫通する貫通部10を備えている。
In the
より具体的には、このハイブリッドキャパシタ1では、上記により得られた正極2、および、上記により得られた負極3のいずれか、または、それらの両方の、塗工層9(正極側塗工層9aおよび/または負極側塗工層9b)が形成される領域に、塗工層9および集電体8(正極側集電体8aおよび/または負極側集電体8b)の厚み方向を貫通する貫通部10が、形成されている。好ましくは、正極2および負極3の両方に、貫通部10が形成されている。
More specifically, in this
貫通部10の形状は、特に制限されず、例えば、直線状、例えば、S字状、J字状などの曲線状などが挙げられ、好ましくは、直線状が挙げられる。
The shape of the penetrating
このような貫通部10は、その長手方向(貫通部10が曲線状などである場合、一端と他端とを結ぶ線分の長手方向。以下同様)長さが、正極2および/または負極3の短辺長さ未満のスリット状に形成されている。
Such a penetrating
貫通部10の長手方向長さは、正極2および/または負極3の短辺長さ未満であれば特に制限されないが、正極2および/または負極3の短辺長さに対して、例えば、20〜95%、好ましくは、30〜90%である。
The length in the longitudinal direction of the penetrating
また、この正極2および/または負極3では、すべての貫通部10の長手方向一方側端部aが、正極2および/または負極3の鉛直方向下端辺Aを除く少なくとも一辺に臨んでいる。
Further, in the
すなわち、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2および/または負極3の短辺が、鉛直方向下端辺Aおよび鉛直方向上端辺Bとなり、また、長辺が、水平方向一端辺Cおよび水平方向他端辺Dとなるように、正極2および/または負極3が配置されている。
That is, in this
そして、貫通部10の長手方向一方側端部aは、鉛直方向下端辺Aを除く少なくとも一辺、すなわち、鉛直方向上端辺B、水平方向一端辺Cおよび水平方向他端辺Dの少なくともいずれか一辺に臨んでいる。
And the longitudinal direction one side edge part a of the
より具体的には、図2において、貫通部10は、正極2および/または負極3の水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)および水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)のそれぞれにおいて、複数(10本づつ)、互いに並行となるように配置されている。
More specifically, in FIG. 2, the penetrating
そして、水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)に配置されている貫通部10の長手方向一方側端部aは、水平方向一端辺Cに臨んでいる。また、水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)に配置されている貫通部10の長手方向一方側端部aは、水平方向他端辺Dに臨んでいる。
And the longitudinal direction one side edge part a of the
また、これら貫通部10の長手方向他方側端部bは、正極2および/または負極3の水平方向中央近傍に配置されており、すべての貫通部10の長手方向一方側端部aは、一辺に臨まない長手方向他方側端部bに対して、鉛直方向上方に配置されている。
Moreover, the longitudinal direction other side edge part b of these
つまり、すべての貫通部10は、その長手方向他方側端部bが鉛直方向最下端となり、かつ、長手方向他方側端部bから長手方向一方側端部aに向かうに従って、常に鉛直方向上側向かってに延びる(上昇する)ように、形成されている。
That is, all the penetrating
とりわけ、貫通部10が直線状である場合、貫通部10は、正極2および/または負極3の鉛直方向下端辺Aと並行な直線(仮想線参照)に対して、所定の角度θを成すように形成される。
In particular, when the penetrating
貫通部10が鉛直方向下端辺Aと並行な直線に対して成す角度θは、直角または鋭角側の角の角度として、例えば、0°<θ≦90°、好ましくは、20°<θ≦90°の範囲である。
The angle θ formed by the penetrating
なお、貫通部10の数およびサイズは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なり、目的および用途に応じて適宜設定される。
Note that the number and size of the through
また、貫通部10が複数形成される場合において、各貫通部10の間隔(貫通部10が延びる方向と直交する方向における間隔)は、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なり、目的および用途に応じて適宜設定される。
Further, when a plurality of through
また、貫通部10は、好ましくは、正極2および/または負極3の、塗工層9が形成される領域の全体において、均一に形成される。
Further, the penetrating
なお、図2に示す実施形態において、貫通部10は、正極2および負極3の両方の水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)および水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)のそれぞれにおいて、複数(10本づつ)、互いに並行となるように配置されているが、貫通部10の形成される位置は、上記に限定されず、例えば、より一層正極2および負極3の周端縁の近傍に、貫通部10を配置することができる(図2破線参照)。
In the embodiment shown in FIG. 2, the penetrating
このようなスリット状の貫通部10は、特に制限されないが、例えば、金属製の刃物によって、正極2および/または負極3を、その厚み方向を貫通するように切り込むことにより、形成される。
Such a slit-like through
このようにして、正極2および/または負極3に貫通部10を形成することにより、電解液6の酸化分解によって発生するガスを、その貫通部10を介して除去することができる。
Thus, by forming the
すなわち、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、ハイブリッドキャパシタ1を、公知の方法によってラミネートセルとして形成した後、充電させ、その後、ラミネートセルを一度開封することにより、充電時(とりわけ、初回の充電時)に発生するガスを除去することができる。
That is, in this
具体的には、例えば、上記した正極2、負極3およびセパレータ4を積層し、得られた積層体を、セル槽5(例えば、アルミニウム製のラミネートフィルムなど)に収容する。その後、セル槽5に電解液6を注入することにより、ラミネートセルとしてハイブリッドキャパシタ1を形成する。
Specifically, for example, the
そして、この方法では、得られたハイブリッドキャパシタ1を、製品として出荷する前に、1回以上(数回〜数百回)充電させ(プレサイクル)、電解液6を酸化分解させることにより、ガスを発生させる。次いで、ハイブリッドキャパシタ1のラミネートセルを一旦開封して、貫通部10を介してガスを除去し、その後、ラミネートセルを再度封止する。
In this method, the obtained
これにより、電解液6の酸化分解によって発生するガスを、ハイブリッドキャパシタ1から、貫通部10によって良好に除去することができる。
Thereby, the gas generated by the oxidative decomposition of the electrolytic solution 6 can be satisfactorily removed from the
さらに、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、ガス捕集部(図示せず)をハイブリッドキャパシタ1に連通するように形成し、充電時に発生するガスを、そのガス捕集部とともに、ハイブリッドキャパシタ1から除去することもできる。
Furthermore, in this
すなわち、この方法では、例えば、上記したハイブリッドキャパシタ1を形成するとともに、逆止弁12を介して、その内部と連通するガス捕集部を設ける。次いで、そのハイブリッドキャパシタ1を、製品として出荷する前に、1回以上(数回〜数百回)充電させ(プレサイクル)、電解液6を酸化分解させることにより、ガスを発生させ、そのガスを、正極2および/または負極3に形成されている貫通部10を介して、逆止弁12からガス捕集部に導入する。そして、この方法では、ハイブリッドキャパシタ1からガスが捕集されたガス捕集部を切り離すとともに、その切り離された部分を、再度封止する。
That is, in this method, for example, the above-described
これにより、電解液6の酸化分解によって発生するガスを、貫通部10およびガス捕集部(図示せず)によって、簡易かつ確実に除去することができる。
Thereby, the gas generated by the oxidative decomposition of the electrolytic solution 6 can be easily and reliably removed by the penetrating
さらに、このようなハイブリッドキャパシタ1では、上記のプレサイクルにおいて発生するガスのみならず、継続的な使用により電解液6が酸化分解して生じるガスをも、例えば、貫通部10を介して、逆止弁12から継続的に除去することができる。
Further, in such a
このようにして、正極2および/または負極3に貫通部10を形成することにより、電解液6の酸化分解によって発生するガスを、その貫通部10を介して除去することができる。
Thus, by forming the
そのため、このようなハイブリッドキャパシタ1によれば、良好にエネルギー密度を維持することができ、さらには、内部抵抗を低減することができ、その結果、出力特性の向上を図ることができる。
Therefore, according to such a
そして、このハイブリッドキャパシタ1では、すべての貫通部10の長手方向一方側端部aが、正極2および/または負極3の鉛直方向下端辺Aを除く少なくとも一辺(図2の辺B、辺C、辺D)に臨むように形成されるとともに、その長手方向長さが、正極2および/または負極3の短辺長さ未満であり、さらに、貫通部10の上記した一辺に臨む一方側端部aが、その一辺に臨まない他方側端部bに対して、鉛直方向上方に配置される。
And in this
そのため、このハイブリッドキャパシタ1では、電解液6の酸化分解によって発生するガス(気泡)は、浮力により貫通部10に沿って移動し、その長手方向一方側端部aにおいて脱離する。また、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10が正極2および/または負極3の短辺長さ未満と短いので、ガスが貫通部10の長手方向途中で滞留することなく、効率良く脱離される。
Therefore, in this
その結果、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10にガスが滞留することを抑制でき、その結果、イオンの移動の阻害を抑制できるので、内部抵抗の増大を抑制できる。
As a result, in this
また、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10が正極2および/または負極3の短辺長さ未満であるため、正極2および/または負極3の有効面積を十分に確保することができ、電気容量の低下を抑制することができ、さらに、局部的な充放電を抑制することができるので、デンドライトによる短絡を抑制することができる。
Moreover, in this
そして、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2の電位が、好ましくは、4.23V vs Li/Li+以上とされる。
In the
正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上とするには、例えば、負極3にソフトカーボンおよび/またはハードカーボンを用いた場合には、セル電圧を3V以上で印加する。
In order to set the potential of the
正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上とすれば、ハイブリッドキャパシタ1のエネルギー密度の向上を図ることができる。
If the potential of the
一方、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上などの高電位とした場合に、正極2の不可逆容量の発現に起因して、電解液6に含まれるアニオン(例えば、LiPF6に含まれるPF6 −など)から誘導される負極活性阻害物質が生成する場合がある。
On the other hand, in this
負極活性阻害物質が生成する過程、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因してHFが生成する過程は、以下のように推考される。
The process in which the negative electrode activity inhibitor is generated, for example, the process in which HF is generated due to the development of the irreversible capacity of the
まず、正極2および負極3に上記した所定電圧(すなわち、4.23V vs Li/Li+以上)を印加すると、電解液6内では、例えば、正極2や電解液6に含まれる水分や有機物から、下記式(1)(2)に示すように、プロトン(H+)が生成する。
(1) 2H2O→O2+4H++4e−
(2) R−H→R+H++e−(Rは、アルキル基)
そして、生成したプロトンが、電解液6に含まれるアニオン(例えば、LiPF6に含まれるPF6 −など)と反応し、HFが生成する(下記式(3)参照)。
(3) PF6 −+H+→PF5+HF
HFのような負極活性阻害物質は、負極3の電気容量を低下させて、ハイブリッドキャパシタ1のエネルギー密度を低下させるおそれがある。
First, when the above-described predetermined voltage (that is, 4.23 V vs Li / Li + or more) is applied to the
(1) 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e −
(2) R−H → R + H + + e − (R is an alkyl group)
Then, the generated protons, anion contained in the electrolytic solution 6 (for example, PF 6 contained in LiPF 6 -, etc.) and react, HF is generated (see the following formula (3)).
(3) PF 6 − + H + → PF 5 + HF
A negative electrode activity-inhibiting substance such as HF may reduce the electric capacity of the
そのため、このハイブリッドキャパシタ1では、好ましくは、正極2と負極3との間、正極2内部および負極3内部の少なくともいずれかに、電解液6に含まれるアニオンから誘導される負極活性阻害物質を捕捉する捕捉剤を含有させる。
Therefore, in this
ハイブリッドキャパシタ1に捕捉剤を含有させることにより、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因して負極活性阻害物質が生成しても、その負極活性阻害物質を捕捉剤で捕捉することができる。
By including a capture agent in the
捕捉剤としては、例えば、炭酸リチウム(Li2CO3)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)など、アルカリ金属の炭酸塩などが挙げられる。これらは、単独または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、炭酸リチウムが挙げられる。 Examples of the scavenger include alkali metal carbonates such as lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), and potassium carbonate (K 2 CO 3 ). These can be used alone or in combination of two or more. Of these, lithium carbonate is preferable.
より具体的には、例えば、捕捉剤が、正極2と負極3との間に含有(配置)される場合には、捕捉剤は、好ましくは、捕捉部材7として形成される。
More specifically, for example, when the capture agent is contained (arranged) between the
捕捉部材7は、例えば、負極活性阻害物質を捕捉するための捕捉剤と、ポリマーバインダとを加圧延伸することにより得られるシートである。
The capturing
ポリマーバインダとしては、例えば、上記したポリマーバインダが挙げられ、好ましくは、PTFEが挙げられる。 Examples of the polymer binder include the above-described polymer binder, and preferably PTFE.
そして、捕捉部材7を形成するには、例えば、まず、捕捉剤と、ポリマーバインダとを、例えば、捕捉剤:ポリマーバインダの配合割合が、固形分の重量割合で20:80〜98:2、好ましくは、50:50〜90:10となるように配合して、混合物を調製する。次いで、混合物を、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して捕捉剤含有シートを得る。
And in order to form the capture |
そして、捕捉剤含有シートを所定の形状(例えば、矩形状)に打ち抜いた後、必要により乾燥させる。これにより、捕捉部材7が得られる。
Then, the scavenger-containing sheet is punched into a predetermined shape (for example, a rectangular shape) and then dried as necessary. Thereby, the
そして、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、図1に示されるように、セパレータ4として、正極2側に配置されるセパレータ4aと負極3側に配置されるセパレータ4bとを設け、これらセパレータ4aと4bとの間に、捕捉部材7を設ける。
In this
捕捉部材7を設けることによって、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因して負極活性阻害物質が生成しても、その負極活性阻害物質を捕捉部材7で捕捉することができる。また、このような捕捉部材7は、捕捉剤含有セパレータとして、セパレータを兼ねることができる。
By providing the
また、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、捕捉部材7を形成することなく、捕捉剤として、上記の炭酸塩を、セパレータ4aとセパレータ4bとの間に配置することもできる。
In the
炭酸塩をセパレータ4aとセパレータ4bとの間に配置するには、例えば、粉末状の炭酸塩をセパレータ4aまたはセパレータ4bの一方の表面に添加し、当該表面と他方のセパレータ4a(4b)の表面とで、炭酸塩を挟み込む。
In order to arrange the carbonate between the
また、このハイブリッドキャパシタ1において、炭酸塩は、正極2および/または負極3の表面にコーティングされていてもよい。
In the
炭酸塩を正極2および/または負極3の表面にコーティングするには、例えば、炭酸塩および結合剤を配合した混合物を、溶媒中で攪拌混合し、それを正極2および/または負極3上に塗布後、乾燥させる。
In order to coat the carbonate on the surface of the
結合剤としては、例えば、上記したポリマーバインダなどが挙げられる。 Examples of the binder include the polymer binder described above.
溶媒としては、例えば、上記した溶媒が挙げられ、好ましくは、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)や水が挙げられる。 Examples of the solvent include the above-mentioned solvents, preferably NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and water.
さらに、このハイブリッドキャパシタ1では、捕捉剤として、リチウム箔を用いることもできる。
Furthermore, in this
リチウム箔としては、公知のリチウム箔を用いることができ、例えば、円形状、矩形状に形成される。 As the lithium foil, a known lithium foil can be used. For example, the lithium foil is formed in a circular shape or a rectangular shape.
また、リチウム箔は、好ましくは、その表面積が正極2および負極3の表面積と略同一面積、または、より広い面積となるように形成される。リチウム箔の表面積がこのような面積であると、負極活性阻害物質(例えば、HFなど)を、効率よく捕捉することができる。
The lithium foil is preferably formed so that the surface area thereof is substantially the same as or larger than the surface areas of the
さらに、その厚みは、例えば、0.01〜0.1mmであり、好ましくは、0.01〜0.05mmである。 Furthermore, the thickness is 0.01-0.1 mm, for example, Preferably, it is 0.01-0.05 mm.
また、リチウム箔には、その厚み方向に複数の孔が形成されている。このような孔が形成されることによって、電解液6が、セパレータ4aとセパレータ4bとの間を通過することができ、充放電することができる。
The lithium foil has a plurality of holes in the thickness direction. By forming such a hole, the electrolytic solution 6 can pass between the
なお、リチウム箔は、リチウム金属であればよく、例えば、捕捉剤として、リチウム粉末やペースト状のリチウムを設けることもできる。 The lithium foil may be any lithium metal. For example, lithium powder or paste-like lithium may be provided as a scavenger.
また、上記したリチウム金属のほか、Si−N結合を有する化合物(例えば、ペルヒドロポリシラザン、メチルポリシラザンなど)をセル槽5内に含めることによっても、負極活性阻害物質を捕捉することができる。この場合、負極活性阻害物質は、Si−N結合を有する化合物に捕捉されて安定化する。 In addition to the lithium metal described above, the negative electrode activity inhibitor can also be captured by including in the cell tank 5 a compound having a Si—N bond (for example, perhydropolysilazane, methylpolysilazane, etc.). In this case, the negative electrode activity inhibiting substance is captured and stabilized by the compound having a Si—N bond.
また、捕捉剤が、正極2内部および/または負極3内部に含有される場合には、捕捉剤は、例えば、正極2および/または負極3の材料成分として用いられる。
When the scavenger is contained in the
すなわち、このような場合には、捕捉剤(例えば、炭酸塩、リチウム粉末など)が、正極2および/または負極3の製造工程において、正極材料または負極材料とともに配合される。これにより、捕捉剤が、正極2内部および/または負極3内部に含有される。
That is, in such a case, a scavenger (for example, carbonate, lithium powder, etc.) is blended with the positive electrode material or the negative electrode material in the manufacturing process of the
そして、このような捕捉剤(捕捉部材7)は、正極2で発現する不可逆容量1mAhに対して、好ましくは、2×10−5mol〜175×10−5molの割合で含まれる。
Then, such scavenger (catching member 7), to the irreversible capacity 1mAh expressed in the
捕捉剤の量が、このような範囲であると、より一層優れたエネルギー密度を発現することができる。 When the amount of the scavenger is within such a range, a further excellent energy density can be expressed.
例えば、上記式(1)〜(3)を参照すると、電子1molの流れに伴い、HFが1mol生成する。すなわち、正極2で発現する不可逆容量をQ(mAh)とし、ファラデー定数を96500(C/mol)すると、ハイブリッドキャパシタ1で発生するHFの発生量MHFは、MHF=3.6×Q×F−1(mol)となる。
For example, referring to the above formulas (1) to (3), 1 mol of HF is generated with the flow of 1 mol of electrons. In other words, the irreversible capacity expressed in
また、Li2CO3を捕捉剤として用いた場合、下記式(4)に示すように、HFがLi2CO3に捕捉されて(Li2CO3と反応して)、LiFおよびH2CO3が生成する。
(4) Li2CO3+2HF→2LiF+H2CO3
上記式(4)に示すように、1molのHFを捕捉するためには、0.5molのLi2CO3が必要である。より具体的には、Li2CO3の必要量MLi2CO3は、MLi2CO3=0.5MHF=1.8×Q×F−1(mol)であり、F=96500を代入すると、MLi2CO3=2×10−5×Q(mol)である。すなわち、Li2CO3が、不可逆容量Q(mAh)に対して2×10−5×Qmol以上含まれることによって、HFを十分捕捉することができる。その結果、負極活性阻害物質(HF)に起因するエネルギー密度の低下を抑制できるので、より一層優れたエネルギー密度を発現することができる。
In the case of using the Li 2 CO 3 as a scavenger, as shown in the following formula (4), HF is (reacts with Li 2 CO 3) is trapped in Li 2 CO 3, LiF and H 2 CO 3 is generated.
(4) Li 2 CO 3 + 2HF → 2LiF + H 2 CO 3
As shown in the above formula (4), 0.5 mol of Li 2 CO 3 is required to capture 1 mol of HF. More specifically, the required amount M Li2CO3 of Li 2 CO 3 is M Li2CO3 = 0.5M HF = 1.8 × Q × F −1 (mol). When F = 96500 is substituted, M Li2CO3 = 2 × 10 −5 × Q (mol). That is, when Li 2 CO 3 is contained 2 × 10 −5 × Qmol or more with respect to the irreversible capacity Q (mAh), HF can be sufficiently captured. As a result, since a decrease in energy density due to the negative electrode activity inhibitor (HF) can be suppressed, a further excellent energy density can be expressed.
図3は、図1に示すハイブリッドキャパシタに用いられる正極および負極の他の実施形態(正極と負極とを対向させたときに、その対向方向に投影した投影面において、正極に備えられた貫通部と、負極に備えられた貫通部とが、互いに重複しない形態)の正面図である。 FIG. 3 shows another embodiment of the positive electrode and the negative electrode used in the hybrid capacitor shown in FIG. 1 (when the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other, the through-hole provided in the positive electrode is projected in the facing direction. And a through-hole provided in the negative electrode is a front view of a form in which they do not overlap each other.
図2に示す実施形態では、貫通部10が、正極2および負極3のそれぞれに対して同様に形成されているが、このような正極2および正極3を対向配置させると(図1参照)、正極2および負極3の対向方向に投影した投影面において、正極2の貫通部10と、負極3の貫通部10とが重複する。
In the embodiment shown in FIG. 2, the penetrating
このような場合、正極2および/または負極3に破損(破れなど)を生じる場合があり、また、ハイブリッドキャパシタ1の電気容量が低下する場合がある。
In such a case, the
そこで、例えば、図3に示すように、正極2および負極3の対向方向に投影した投影面において、正極2に備えられた貫通部10と、負極3に備えられた貫通部10とが、互いに重複しないように、正極2および負極3に貫通部10を備えることができる。
Therefore, for example, as shown in FIG. 3, in the projection surface projected in the opposing direction of the
より具体的には、図3(a)において、貫通部10は、正極2および負極3の両方の水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)および水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)のそれぞれにおいて、複数(10本づつ)、互いに並行となるように配置されている。
More specifically, in FIG. 3A, the penetrating
また、正極2に形成された貫通部10と、負極3に形成された貫通部10とは、同一パターンで形成されている。
Further, the penetrating
そして、このような正極2および負極3では、図3(b)が参照されるように、正極2の貫通部10と、負極3の貫通部10とが、正極2および負極3を対向配置したときに、その対向方向に投影した投影面において、互いに重複しないように、配置されている。
And in such a
つまり、正極2の互いに隣接する貫通部10の間に、負極3の貫通部10が、齟齬状に配置されている。
That is, the
このようなハイブリッドキャパシタ1によれば、正極2および/または負極3の破損を抑制することができるとともに、ハイブリッドキャパシタ1の電気容量の低下を抑制することができる。
According to such a
図4は、図1に示すハイブリッドキャパシタに用いられる正極および負極の他の実施形態(水平方向一方側に配置される貫通部の長手方向他方側端部と、水平方向他方側に配置される貫通部の長手方向他方側端部とが、水平方向に沿って対向しない形態)の正面図である。 4 shows another embodiment of the positive electrode and the negative electrode used in the hybrid capacitor shown in FIG. 1 (the other end portion in the longitudinal direction of the penetrating portion arranged on one side in the horizontal direction and the penetrating member arranged on the other side in the horizontal direction. It is a front view of the longitudinal direction other side edge part of a part which does not oppose along a horizontal direction.
図2に示す実施形態では、貫通部10は、正極2および/または負極3の水平方向中央線に対して対称となるように形成されており、水平方向一方側の貫通部10の長手方向他方側端部bと、水平方向他方側の貫通部10の長手方向他方側端部bとが、水平方向に沿って対向するように配置されている。
In the embodiment shown in FIG. 2, the penetrating
このような場合、水平方向一方側の貫通部10の長手方向他方側端部bと、水平方向他方側の貫通部10の長手方向他方側端部bとが、互いに近接するため、それらの間において、正極2および/または負極3に破損(破れなど)を生じる場合がある。
In such a case, the longitudinal direction other side end portion b of the penetrating
そこで、例えば、図4に示すように、水平方向一方側に形成される貫通部10の長手方向他方側端部bと、水平方向他方側に形成される貫通部10の長手方向他方側端部bとが、水平方向に沿って対向しないように配置することができる。
Therefore, for example, as shown in FIG. 4, the other end b in the longitudinal direction of the penetrating
より具体的には、図4において、貫通部10は、正極2および/または負極3の水平方向一方側および水平方向他方側のそれぞれに配置されている。そして、水平方向一方側に配置される貫通部10と、水平方向他方側に配置される貫通部10とは、正極2および/または負極3の水平方向中央線に対して非対称に形成されており、水平方向一方側の貫通部10の長手方向他方側端部bと、水平方向他方側の貫通部10の長手方向他方側端部bとが、水平方向に沿って対向しないように、配置されている。
More specifically, in FIG. 4, the penetrating
つまり、このような正極2および/または負極3では、水平方向一方側の貫通部10の長手方向他方側端部bと、水平方向他方側の貫通部10の長手方向他方側端部bとが、相対的に離隔されている。
That is, in the
このようなハイブリッドキャパシタ1では、正極2および/または負極3の破損を抑制することができる。
In such a
図5は、図1に示すハイブリッドキャパシタに用いられる正極および負極の他の実施形態(貫通部の長手方向一方側端部が正極および/または負極の鉛直方向上端辺、水平方向一端辺または水平方向他端辺に臨む形態)の正面図、図6は、図1に示すハイブリッドキャパシタに用いられる正極および負極の他の実施形態(貫通部の長手方向一方側端部が正極および/または負極の鉛直方向上端辺に臨む形態)の正面図である。 FIG. 5 shows another embodiment of the positive electrode and the negative electrode used in the hybrid capacitor shown in FIG. 1 (the one end on the longitudinal side of the penetrating portion is the upper end in the vertical direction, one end in the horizontal direction, or the horizontal direction of the negative electrode) FIG. 6 shows another embodiment of the positive electrode and the negative electrode used in the hybrid capacitor shown in FIG. 1 (the one end on the longitudinal side of the through portion is the vertical of the positive electrode and / or the negative electrode). It is a front view of a form facing the upper end side in the direction.
上記した説明では、正極2および/または負極3の短辺を、鉛直方向下端辺Aおよび鉛直方向上端辺Bとしているが、例えば、図5に示すように、正極2および/または負極3の長辺を鉛直方向下端辺Aおよび鉛直方向上端辺Bとすることもできる。
In the above description, the short side of the
また、上記した説明では、貫通部10の長手方向一方側端部aが、正極2および/または負極3の水平方向一端辺Cまたは水平方向他端辺Dの2辺のいずれか一方に臨んでいるが、例えば、図5に示すように、貫通部10の長手方向一方側端部aを、鉛直方向上端辺B、水平方向一端辺Cおよび水平方向他端辺Dの3辺のいずれか一辺に臨ませることもできる。
Further, in the above description, the one end a in the longitudinal direction of the penetrating
具体的には、図5に示す実施形態では、長方形状に形成される正極2および負極3の長辺が、鉛直方向下端辺Aおよび鉛直方向上端辺Bとされ、短辺が、水平方向一端辺Cおよび水平方向他端辺Dとされている。
Specifically, in the embodiment shown in FIG. 5, the long sides of the
そして、このような実施形態において、貫通部10は、正極2および/または負極3の水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)、水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)、および、水平方向中央近傍のそれぞれにおいて、複数、互いに並行となるように配置されている。
And in such embodiment, the
そして、水平方向一方側(水平方向一端辺Cの側)に配置されている貫通部10の長手方向一方側端部aは、水平方向一端辺Cに臨んでおり、それら貫通部10は、鉛直方向下端辺Aと並行な直線に対して所定の角度θを成すように形成されている。
And the longitudinal direction one side edge part a of the
また、水平方向他方側(水平方向他方辺Dの側)に配置されている貫通部10の長手方向一方側端部aは、水平方向他端辺Dに臨んでおり、それら貫通部10は、鉛直方向下端辺Aと並行な直線に対して所定の角度θを成すように形成されている。
Moreover, the longitudinal direction one side edge part a of the
さらに、水平方向中央近傍に配置されている貫通部10の長手方向一方側端部aは、鉛直方向上端辺Bに臨んでおり、それら貫通部10は、鉛直方向下端辺Aと並行な直線に対して直角(90°)を成すように形成されている。
Furthermore, the longitudinal direction one side edge part a of the
さらに、上記したように、長方形状に形成される正極2および負極3の長辺が、鉛直方向下端辺Aおよび鉛直方向上端辺Bとされる場合、例えば、図6に示すように、すべての貫通部10の長手方向一方側端部aを、鉛直方向上端辺Bに臨ませることもできる。
Furthermore, as described above, when the long sides of the
より具体的には、この実施形態では、集電用タブ11が、正極2および/または負極3の水平方向一端辺Cの全長にわたって形成されており、すべての貫通部10が、水平方向に沿って等間隔に配置され、その長手方向一方側端部aが、鉛直方向上端辺Bに臨み、鉛直方向下端辺Aと並行な直線に対して直角(90°)を成すように形成されている。
More specifically, in this embodiment, the current collecting tab 11 is formed over the entire length of one side C of the
図5または図6に示す正極2および/または負極3を用いて得られるハイブリッドキャパシタ1でも、すべての貫通部10の長手方向一方側端部aが、正極2および/または負極3の鉛直方向下端辺Aを除く少なくとも一辺(図2の辺B、辺C、辺D)に臨むように形成されるとともに、その長手方向長さが、正極2および/または負極3の短辺長さ未満であり、さらに、貫通部10の上記した一辺に臨む一方側端部aが、その一辺に臨まない他方側端部bに対して、鉛直方向上方に配置される。
Also in the
そのため、このハイブリッドキャパシタ1では、電解液6の酸化分解によって発生するガス(気泡)は、浮力により貫通部10に沿って移動し、その長手方向一方側端部aにおいて脱離する。また、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10が正極2および/または負極3の短辺長さ未満と短いので、ガスが貫通部10の長手方向途中で滞留することなく、効率良く脱離される。
Therefore, in this
その結果、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10にガスが滞留することを抑制でき、その結果、イオンの移動の阻害を抑制できるので、内部抵抗の増大を抑制できる。
As a result, in this
また、このハイブリッドキャパシタ1では、貫通部10が正極2および/または負極3の短辺長さ未満であるため、正極2および/または負極3の有効面積を十分に確保することができ、電気容量の低下を抑制することができ、さらに、局部的な充放電を抑制することができるので、デンドライトによる短絡を抑制することができる。
Moreover, in this
なお、上記した説明では、正極2および/または負極3に集電用タブ11を設けたが、目的および用途によっては、正極2および/または負極3に集電用タブ11を設けることなく、ハイブリッドキャパシタ1を形成することもできる。
In the above description, the current collecting tab 11 is provided on the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、ハイブリッドキャパシタ1を、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池に変更することができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible within the range of a claim description. For example, the
例えば、電気二重層キャパシタの場合には、負極および負極の材料として、例えば、活性炭が用いられる。 For example, in the case of an electric double layer capacitor, for example, activated carbon is used as a material for the negative electrode and the negative electrode.
一方、リチウムイオン電池の場合には、正極の材料として、上記した正極2に用いられる材料の代わりに、種々の酸化物、硫化物が用いられ、例えば、二酸化マンガン(MnO2)、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4,LiMnO2など)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO2など)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO2など)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、バナジウム酸化物(例えば、V2O5など)などが用いられる。また、導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料などの有機材料も用いることができる。
On the other hand, in the case of a lithium ion battery, various oxides and sulfides are used as the positive electrode material instead of the material used for the
そして、本発明の電気化学セルは、例えば、自動車(ハイブリッド車両など)に搭載される駆動用電池、ノートパソコン、携帯電話などのメモリバックアップ電源などの各種工業製品として、好適に用いることができる。 And the electrochemical cell of this invention can be used suitably as various industrial products, such as memory backup power supplies, such as a drive battery mounted in a motor vehicle (hybrid vehicle etc.), a notebook personal computer, a mobile phone, etc., for example.
1 ハイブリッドキャパシタ
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 セル槽
6 電解液
7 捕捉部材
8a 正極側集電体
8b 負極側集電体
9a 正極側塗工層
9b 負極側塗工層
10 貫通部
11a 正極側集電用タブ
11b 負極側集電用タブ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記正極に対して対向配置される負極と、
前記正極および前記負極が浸漬される電解液とを備え、
前記正極および/または前記負極は、短辺および長辺を備える長方形状に形成されるとともに、その厚み方向を貫通する貫通部を備えており、
すべての前記貫通部の長手方向一方側端部が、前記正極および/または前記負極の鉛直方向下端辺を除く少なくとも一辺に臨むように形成されるとともに、前記貫通部の長手方向長さが、前記短辺長さ未満であり、かつ、
前記貫通部は、前記一辺に臨む前記一方側端部が、前記一辺に臨まない前記他方側端部に対して、鉛直方向上方に配置されるように形成されていることを特徴とする、電気化学セル。 A positive electrode;
A negative electrode disposed opposite to the positive electrode;
An electrolyte solution in which the positive electrode and the negative electrode are immersed,
The positive electrode and / or the negative electrode is formed in a rectangular shape having a short side and a long side, and includes a penetrating portion that penetrates the thickness direction thereof.
One end of each penetrating portion in the longitudinal direction is formed so as to face at least one side excluding the lower end in the vertical direction of the positive electrode and / or the negative electrode, and the longitudinal length of the penetrating portion is Less than the short side length, and
The penetrating part is formed such that the one side end facing the one side is arranged vertically above the other side end not facing the one side. Chemical cell.
前記正極および前記負極の対向方向に投影した投影面において、前記正極に備えられた前記貫通部と、前記負極に備えられた前記貫通部とが、互いに重複しないことを特徴とする、請求項1に記載の電気化学セル。 The penetrating portion is provided in both the positive electrode and the negative electrode;
2. The projection surface projected in the opposing direction of the positive electrode and the negative electrode, wherein the through part provided in the positive electrode and the through part provided in the negative electrode do not overlap each other. The electrochemical cell according to 1.
前記水平方向一方側に配置される前記貫通部の前記長手方向他方側端部と、
前記水平方向他方側に配置される前記貫通部の前記長手方向他方側端部とが、
前記水平方向沿って対向しないことを特徴とする、請求項1または2に記載の電気化学セル。 The penetrating portion is disposed on each of the one side in the horizontal direction and the other side in the horizontal direction of the positive electrode and / or the negative electrode;
The longitudinal direction other side end portion of the penetrating portion disposed on the one horizontal side;
The longitudinal direction other side end of the penetrating portion arranged on the other side in the horizontal direction,
The electrochemical cell according to claim 1, wherein the electrochemical cell is not opposed along the horizontal direction.
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---|---|---|---|---|
JP2019192617A (en) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | 京セラ株式会社 | Flow battery |
-
2012
- 2012-02-29 JP JP2012043981A patent/JP2013182925A/en active Pending
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