JP2013235949A

JP2013235949A - リチウムイオンキャパシタの製造方法

Info

Publication number: JP2013235949A
Application number: JP2012107172A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsunaga; 高弘松永
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-21

Abstract

【課題】
リチウムイオンキャパシタを製造する際に生じる製品不良を低減し、より生産性の高い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】
正極、負極およびセパレータを積層して積層体とし、該積層体を電解液に浸漬してリチウムイオンキャパシタを製造する方法において、前記負極の負極集電体にリチウム材料が埋設されていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオンキャパシタの製造方法に関する。

特許文献１は、非水系リチウム型蓄電素子およびその製造方法を開示する。
特許文献１の非水系リチウム型蓄電素子は、リチウム金属箔を負極に重ねて、正極、セパレータとともに積層体とし、これを非水電解液に浸漬してリチウムをドープさせて製造している。しかし、この製法では、リチウム金属箔は薄く剛性が無いために、所定の位置に精確にセットするのに時間を要する、セットする際にシワが発生する、また、積層体に加重をかけて固定化する際にリチウム金属箔が変形してセパレータを突き破り、対極の正極と接触してショートするといった問題点が生じる。さらに、積層体を非水電解液に浸漬すると、リチウムがドープされてリチウム金属箔層が消失するためにその分の隙間が生じ、負極電極と電解液を含んだセパレータとの接触が不十分なものとなって内部抵抗が上昇し、レート特性が低下するといった問題点が生じる。このように、リチウム金属箔を積層してこれをドープさせる特許文献１の製造方法は、製造に際して種々の製品不良を伴う可能性がある。

特開２００６−２８６２１８号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、リチウムイオンキャパシタを製造する際に生じる製品不良を低減し、より生産性の高いリチウムイオンキャパシタの製造方法を提供する。

上記課題を解決する本発明のリチウムイオンキャパシタの製造方法は、正極、負極およびセパレータを積層して積層体とし、該積層体を電解液に浸漬してリチウムイオンキャパシタを製造する方法において、前記負極の負極集電体にリチウム材料が埋設されていることを特徴とする。

本発明のリチウムイオンキャパシタの製造方法によれば、リチウムをドープするためのリチウム材料が負極の負極集電体に埋設されているために、容易に積層体を形成することができる。また、積層体に加重をかけて固定化する際に、ショートなどの不具合が発生したりすることがない。さらに、電解液に浸漬してリチウムをドープさせた後にリチウム材料が消失しても、積層体の層間に隙間を生じることが無く、内部抵抗が上昇してレート特性が低下することが無い。また、負極中心の集電体にリチウム材料が埋設されているために、その両側の負極活性物質層にリチウムが拡散し、ドープに要する時間を短縮することができる。

本発明で使用する負極集電体を模式的に示す図である。本発明で使用する負極集電体の製法を模式的に示す図である。正極、負極およびセパレータを積層した積層体を模式的に示す図である。本発明で製造されたリチウムイオンキャパシタの全体を模式的に示す図である。本発明の実施例における負極の形状を示す図である。本発明の実施例における正極の形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオンキャパシタの製造方法は、正極、負極およびセパレータを積層して積層体とし、該積層体を電解液に浸漬してリチウムイオンキャパシタを製造する方法において、前記負極の負極集電体にリチウム材料が埋設されていることを特徴とする。

正極は、正極集電体とその両面に形成された正極活物質層から構成される。

負極は、正極と同様に、負極集電体とその両面に形成された負極活物質層から構成される。なお、正極および負極は、リチウムイオンキャパシタとして使用できる電極材料であればよく、塗布・プレス工程を経て形成される。

本発明の製法で使用する負極の負極集電体には、リチウム材料が埋設されている。

リチウム材料は、リチウムイオンキャパシタにリチウムイオンをドープするための原料となるものであり、金属リチウムが好ましい。

リチウム材料を埋め込んだ負極集電体を模式的にあらわした例を図１（上面図）に示す。なお、図１は、負極集電体の形状に打ち抜く前の金属プレート１の状態を表しており、実際の負極集電体の形状は図中点線で表されている。また、金属プレート１の中央部の集電体に相当する部分は多数の微細貫通孔が形成されたメッシュ部２が配置されている。メッシュ部２は、イオンの移動が集電体により規制されないようにするためであり、キャパシタ内部のイオン移動を容易にする役割をもつ。

図１（ａ）は、リチウム材料を複数箇所に埋め込んだ負極集電体の一例を示したものであり、メッシュ部２に丸形のリチウム金属３が１０個配置されている。これと同様にして、埋め込むリチウム金属の数と配置の仕方を変えた負極集電体の例を図１（ｂ）〜（ｅ）に示す。埋め込むリチウム金属の形状、大きさ、数、配置の仕方等は、ドープに必要なリチウムの量やリチウムドープの面内均一性などを考慮して必要に応じて適宜変えることができる。

図２を用いて、リチウム材料を埋め込んだ負極集電体の作製方法の例を説明する。なお、図２中、（ａ）は上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＡ−‘Ａ線における断面図である。

図２（ａ）に示すように、金属プレート１の中央部のメッシュ部２に、リチウム金属を埋め込むための円形の孔４を所定の位置にあける。図２（ｂ）は、この状態のＡ−‘Ａ線における断面図である。

次いで、孔４の径よりやや小さい径を有し、プレートの厚さよりやや高い円筒形のリチウム金属３（リチウム材料片）を各孔４にセットする（図２（ｃ））。セットしたリチウム金属３を、プレス５で上から押しつぶして孔４に固定する（図２（ｄ））。この際、セットするリチウム金属３の径および高さは、プレスして押しつぶしたときにしっかりと孔４に固定されるようなものとする。

このようにして得られたリチウム材料を埋め込んだ負極集電体の両面に、グラファイト等の黒鉛材料を主体としたインクを塗工したり、グラファイト等を主体としたシートを導電接着剤を使用して添付したりすることによって、負極を形成する。

セパレータは、正極と負極との内部短絡を防止するものであり、高分子材料の不織布、織布（電気絶縁性を有する多孔質材料）等から構成される。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系材料、ポリアミド系材料、セルロース系材料に代表される高分子材料の多孔膜が例示される。電解液が含浸されたセパレータは、電解液を保持し、正極−負極間のイオン化伝導性を向上させる。

電解液は、電解質物質を溶媒に溶解させたものである。

電解液として、例えば、ＬｉＰＦ_６（六フッ化リン酸リチウム）をＥＣ（エチレンカーボネート）：ＤＥＣ（ジエチルカーボネート）（１：１）溶媒に溶解させたものを用いることができる。

本発明においては、正極６、負極７およびセパレータ８を積層して、まず図３に示されるような積層体を作製する。この際、リチウムをドープするためのリチウム材料３が負極７の負極集電体に埋設されているために、リチウム箔層として積層させる場合に比べて容易に積層体を作製することができる。また、キャパシタにおいて遅い負極の反応が律速となるため、積層体中に負極７を正極６より一枚多く配置することが好ましい。

得られた積層体を固定し、セパレータとその両側の電極（活性物質層）との接触を向上させるために、テープ等によって把持して荷重をかける。この際、リチウム箔層が変形してセパレータを破損することによって生じるショートなどの不具合が発生することがない。

次いで、正極および負極の集電体の所定位置に端子（例えばタブ端子）を接合した後、ラミネートフィルム等で全体を覆って電解液を注入し、積層体を電解液に浸漬させる。このように積層体を電解液に浸漬すると、リチウム金属が負極（黒鉛）との電位差により自然にドープされる。

本発明の製法によれば、ドープさせた後にリチウム材料が消失しても、積層体の層間に隙間を生じることが無く、内部抵抗が上昇してレート特性が低下することが無い。また、負極中心の集電体にリチウム材料が埋設されているために、その両側の負極活性物質層にリチウムが拡散し、ドープに要する時間を短縮することができる。

本発明の製法によって作製されたリチウムイオンキャパシタの全体図の例を図４に示す。

正極電極１１と負極電極１２とがセパレータ１３を介して積層された積層体を、アルミ箔をラミネートしたラミネートフィルム等からなる外装１４でこれを覆った構成となっており、上部に正極タブ端子１５および負極タブ端子１６が設けられている。負極集電体のリチウム埋設部１７のリチウムは、電解液に浸漬後はドープされて消失している。

以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

（負極の形成）
２２０ｍｍ×２５０ｍｍ×厚さ１５μｍのプレート状Ｃｕ板の中央部にメッシュ部（φ０．１〜０．２ｍｍ、開口率３０％）を配置した負極集電体プレートに、ポンチを使用してφ２ｍｍの孔をあけた。次に、同じポンチを使用して、厚さ１００μｍのリチウム箔からφ２ｍｍのリチウム片を打抜いた。この打抜かれたリチウム片を、負極集電プレートに形成された孔に押圧して埋設した。

このようにリチウムを埋設した負極集電体プレートの一方の面に、負極形成用インクを、アプリケーターを使用してギャップ２００μｍで一方向塗布し、乾燥機で３０分（７０〜１００℃）乾燥して、乾燥膜厚１７０〜１８０μｍの負極活物質層を形成した。これと同様にして、集電体プレートのもう一方の面にも同じ負極活物質層を形成した。さらに、プレス機に通して、上下の負極活物質層の厚さが１００〜１２０μｍになるようにした。
これを、図５に示すような電極形状に打ち抜き、負極を形成した。

（正極の形成）
２２０ｍｍ×２５０ｍｍ×厚さ３０μｍのプレート状Ａｌ板の中央部にメッシュ部（φ０．１〜０．２ｍｍ、開口率３０％）を配置した正極集電体プレートの一方の面に、正極形成用インクを、アプリケーターを使用してギャップ２００μｍで一方向塗布し、乾燥機で３０分（７０〜１００℃）乾燥して、乾燥膜厚１８０〜１９０μｍの正極活物質層を形成した。これと同様にして、集電体プレートのもう一方の面にも同じ正極活物質層を形成した。さらに、プレス機に通して、上下の正極活物質層の厚さが１１０〜１３０μｍになるようにした。
これを、図６に示すような電極形状に打抜き、正極を形成した。

（セパレータ）
厚さ５０μｍのセルロース製のセパレータ材料を、負極、正極よりもやや大きめの２１０ｍｍ×１１０ｍｍに切り抜いてセパレータとして使用した。

（リチウムイオンキャパシタの作製）
得られた負極、正極およびセパレータを積層して積層体を形成した。なお、積層体は、上下２箇所でテープを巻きつけて固定した。次いで、正極および負極の集電体の所定位置にタブ端子を接合した後、ラミネートフィルムで覆って電解液（ＬｉＰＦ_６（１ｍｏｌ／Ｌ）、ＥＣ：ＤＥＣ（１：１）溶媒）を注入し、注入口をシールした。

ラミネートフィルム内部に電解液が注入されると、負極活物質層と金属リチウムの標準電位差により金属リチウムが酸化（溶解）され、リチウムイオンが負極にドープされる。なお、リチウムイオンのドープは、約１０〜１００時間で完了する。

１金属プレート
２メッシュ部
３リチウム金属
４孔
５プレス
６正極
７負極
８セパレータ
１１正極電極
１２負極電極
１３セパレータ
１４外装
１５正極タブ端子
１６負極タブ端子
１７リチウム埋設部

Claims

正極、負極およびセパレータを積層して積層体とし、該積層体を電解液に浸漬してリチウムイオンキャパシタを製造する方法において、前記負極の負極集電体にリチウム材料が埋設されていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタの製造方法。
前記負極集電体のリチウム材料が埋設されている部分が、メッシュ部であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記リチウム材料が、前記負極集電体の複数箇所に埋設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
前記リチウム材料を埋設する方法が、前記負極集電体に孔をあける工程と、該孔にリチウム材料片をセットする工程と、セットしたリチウム材料片を押しつぶして前記孔に固定する工程とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法により得られるリチウムイオンキャパシタ。