JP2015170737A - Lithium ion capacitor, power storage device, and shovel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオンキャパシタ、このリチウムイオンキャパシタを含む蓄電装置、及びこの蓄電装置を搭載したショベルに関する。 The present invention relates to a lithium ion capacitor, a power storage device including the lithium ion capacitor, and a shovel equipped with the power storage device.
エネルギ密度の高い蓄電装置として、リチウムイオンキャパシタが注目されている。下記の特許文献1及び2に、正極活物質の質量と負極活物質の質量との比を最適化することにより、内部抵抗を低減させたリチウムイオンキャパシタが開示されている。
As a power storage device with high energy density, a lithium ion capacitor has attracted attention.
リチウムイオンキャパシタは、低温環境下では内部抵抗が上昇する。このため、寒冷地で使用するショベル等にリチウムイオンキャパシタを搭載すると、作業前に数十分の暖機運転を行う必要がある。 The internal resistance of a lithium ion capacitor increases in a low temperature environment. For this reason, when a lithium ion capacitor is mounted on an excavator or the like used in a cold region, it is necessary to perform several tens of minutes of warm-up operation before work.
本発明の目的は、低温環境下での特性の低下を抑制することが可能なリチウムイオンキャパシタを提供することである。本発明の他の目的は、このリチウムイオンキャパシタを含む蓄電装置を提供することである。本発明のさらに他の目的は、この蓄電装置を搭載したショベルを提供することである。 The objective of this invention is providing the lithium ion capacitor which can suppress the fall of the characteristic in a low temperature environment. Another object of the present invention is to provide a power storage device including the lithium ion capacitor. Still another object of the present invention is to provide an excavator equipped with this power storage device.
本発明の一観点によると、
正極集電体に正極活物質を含む正極活物質層を形成した少なくとも1枚の正極と、
負極集電体に負極活物質を含む負極活物質層を形成した少なくとも1枚の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
前記正極及び前記負極に接触する電解液と
を有し、前記正極活物質層と前記負極活物質層との質量の合計に対する前記負極活物質層の質量の比が0.67以上であるリチウムイオンキャパシタが提供される。
According to one aspect of the invention,
At least one positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
At least one negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector;
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
Lithium ions having an electrolyte solution in contact with the positive electrode and the negative electrode, wherein the ratio of the mass of the negative electrode active material layer to the total mass of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 0.67 or more A capacitor is provided.
本発明の他の観点によると、
厚さ方向に積み重ねられた複数の板状のリチウムイオンキャパシタと、
前記リチウムイオンキャパシタの積層体に、積み重ね方向の圧縮力を印加する加圧機構と、
前記リチウムイオンキャパシタ及び前記加圧機構を収容する筐体と
を有し、
前記リチウムイオンキャパシタの各々は、上述の構成を有する蓄電装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A plurality of plate-like lithium ion capacitors stacked in the thickness direction;
A pressure mechanism for applying a compressive force in the stacking direction to the laminate of the lithium ion capacitors;
A housing for housing the lithium ion capacitor and the pressure mechanism;
Each of the lithium ion capacitors is provided with a power storage device having the above-described configuration.
本発明のさらに他の観点によると、
下部走行体と、
前記下部走行体に対して旋回可能に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブーム、アームを含むアタッチメントと、
前記上部旋回体を旋回させる電動機と、
前記電動機に電力を供給する蓄電装置と
を有し、
前記蓄電装置は、上述の構成を有するショベルが提供される。
According to yet another aspect of the invention,
A lower traveling body,
An upper swing body mounted so as to be swingable with respect to the lower traveling body;
An attachment including a boom and an arm attached to the upper swing body;
An electric motor for turning the upper turning body;
A power storage device for supplying electric power to the electric motor,
The power storage device is provided with an excavator having the above-described configuration.
正極活物質層と負極活物質層との質量の合計に対する負極活物質層の質量の比を0.67以上にすると、低温環境下におけるインピーダンス特性の劣化を抑制することができる。 When the ratio of the mass of the negative electrode active material layer to the total mass of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 0.67 or more, deterioration of impedance characteristics in a low temperature environment can be suppressed.
図1Aに、実施例によるリチウムイオンキャパシタの平面図を示す。図1Bに、図1Aの一点鎖線1B−1Bにおける断面図を示す。参照極30、セパレータ40、負極(アノード)20、セパレータ40、正極(カソード)10、セパレータ40、及び参照極30が順番に重ねられて、電極積層体42が構成されている。電極積層体42が、ラミネートフィルム等からなるセル容器50に収容されている。セル容器50内に電解液が充填されている。電解液はセパレータ40に含浸され、正極10及び負極20に接触する。
FIG. 1A shows a plan view of a lithium ion capacitor according to an embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along one-
正極10は、正極集電体11及び正極活物質層12を含む。負極20は、負極集電体21及び負極活物質層22を含む。参照極30は、参照極集電体31及びリチウム箔32を含む。正極集電体11から正極タブ15がセル容器50の外側まで延びる。負極集電体21から負極タブ25がセル容器50の外側まで延びる。参照極集電体31から参照極タブ35がセル容器50の外側まで延びる。
The
次に、リチウムイオンキャパシタの製造方法について説明する。エッチングにより粗面
化した厚さ約30μmのアルミニウム箔に、正極活物質、導電助剤、バインダ、及び増粘剤からなるスラリを塗布する。正極活物質として、例えば活性炭が用いられる。アルミニウム箔にスラリを塗布した後、減圧乾燥させる。減圧乾燥によって、正極活物質を含む正極活物質層12が形成される。正極活物質層12が形成された部分が30cm×30cmの正方形になるように、アルミニウム箔を裁断する。これにより、アルミニウム箔からなる正極集電体11に正極活物質層12が形成された正極10が作製される。なお、裁断時に、正極活物質層12が形成されていない領域のアルミニウム箔からなる正極タブ15も同時に切り出される。
Next, a method for manufacturing a lithium ion capacitor will be described. A slurry made of a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, and a thickener is applied to an aluminum foil having a thickness of about 30 μm roughened by etching. For example, activated carbon is used as the positive electrode active material. After applying slurry to the aluminum foil, it is dried under reduced pressure. The positive electrode
厚さ約10〜15μmの電解銅箔に、負極活物質、導電助剤、バインダ、及び増粘剤からなるスラリを塗布する。負極活物質として、例えば人造黒鉛、ハードカーボン等が用いられる。電解銅箔にスラリを塗布した後、減圧乾燥させる。減圧乾燥によって、負極活物質を含む負極活物質層22が形成される。負極活物質層22が形成された部分が30cm×30cmの正方形になるように、電解銅箔を裁断する。これにより、電解銅箔からなる負極集電体21に負極活物質層22が形成された負極20が作製される。なお、裁断時に、負極活物質層22が形成されていない領域の電解銅箔からなる負極タブ25も同時に切り出される。
A slurry composed of a negative electrode active material, a conductive additive, a binder, and a thickener is applied to an electrolytic copper foil having a thickness of about 10 to 15 μm. As the negative electrode active material, for example, artificial graphite, hard carbon or the like is used. After applying slurry to the electrolytic copper foil, it is dried under reduced pressure. The negative electrode
銅箔からなる参照極集電体31にリチウム箔32を圧延接着する。この銅箔を裁断することにより、参照極30が作製される。なお、裁断時に、参照極タブ35も同時に切り出される。
A
参照極30の上に、セパレータ40、負極20、セパレータ40、正極10、セパレータ40、及び参照極30を積み重ねて電極積層体42を形成する。このとき、正極10の正極活物質層12と、負極20の負極活物質層22とが相互に対向するように、正極10と負極20とを配置する。参照極30は、リチウム箔32が、負極20または正極10に対向するように配置される。セパレータ40には、例えばセルロースで構成される不織布や微多孔質膜が用いられる。電極積層体42をラミネートフィルムで挟み、周囲を熱溶着する。この段階で、周囲の一部分が開放されたセル容器50が作製される。
The
セル容器50内に電解液を注入した後、セル容器50の開放部を封止する。電解液には、例えばリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものが用いられる。リチウム塩として、例えばLiPF6が用いられる。有機溶媒として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合液が用いられる。
After injecting the electrolyte into the
次に、図2を参照して、正極活物質層12及び負極活物質層22の質量の一般的な決定方法について説明する。リチウムイオンキャパシタの静電容量は、正極容量と負極容量とを直列接続した等価回路で表される。正極容量は、正極活物質層12の単位質量あたりの容量Cc(以下、正極単位容量という。)と、正極活物質層12の質量Wcとの積で表される。負極容量は、負極活物質層22の単位質量あたりの容量Ca(以下、負極単位容量という。)と、負極活物質層22の質量Waとの積で表される。従って、正極活物質層12及び負極活物質層22の単位質量あたりのリチウムイオンキャパシタの静電容量をCで表すと、以下の式が成立する。
1/(C×(Wa+Wc))=1/(Ca×Wa)+1/(Cc×Wc)
Next, a general method for determining the mass of the positive electrode
1 / (C × (Wa + Wc)) = 1 / (Ca × Wa) + 1 / (Cc × Wc)
図2に、リチウムイオンキャパシタの静電容量Cと、正極活物質層12及び負極活物質層22の質量Wc、Waとの関係を示す。横軸は、正極活物質層12の質量Wcと負極活物質層22の質量Waとの合計に対する正極活物質層12の質量Wcの比を表す。縦軸は、正極活物質層12の質量Wcと負極活物質層22の質量Waとが等しく、かつ正極単位容量Ccと負極単位容量Caとが等しい場合の静電容量C0を基準としたときの、リチウ
ムイオンキャパシタの規格化静電容量C/C0を表す。正極単位容量Ccと負極単位容量Caとが等しい構造は、電気二重層キャパシタに相当する。リチウムイオンキャパシタにおいては、負極単位容量Caが正極単位容量Ccより大きい。
FIG. 2 shows the relationship between the electrostatic capacity C of the lithium ion capacitor and the masses Wc and Wa of the positive electrode
図2において、菱型、四角、三角、及び丸記号は、それぞれCa/Cc=1、10、20、及び200のときの規格化静電容量C/C0を示す。電気二重層キャパシタにおいては、正極活物質層質量比Wc/(Wc+Wa)=0.5のときに、規格化静電容量C/C0が最大値1になる。リチウムイオンキャパシタにおいては、正極活物質層質量比Wc/(Wc+Wa)が0.7〜0.9の範囲で、大きな静電容量Cが得られることがわかる。
In FIG. 2, rhombus, square, triangle, and circle symbols indicate normalized capacitance C / C 0 when Ca / Cc = 1, 10, 20, and 200, respectively. In the electric double layer capacitor, the normalized capacitance C / C 0 becomes the
ところが、大きな静電容量Cを得るための正極活物質層質量比Wc/(Wc+Wa)の好適な範囲が、ショベル等の作業機械用の蓄電装置として適しているとはいえないことがわかった。以下、ショベル等の作業機械に搭載されるリチウムイオンキャパシタの正極活物質層質量比の好ましい範囲について説明する。 However, it has been found that the preferable range of the positive electrode active material layer mass ratio Wc / (Wc + Wa) for obtaining a large capacitance C is not suitable as a power storage device for a work machine such as an excavator. Hereinafter, the preferable range of the positive electrode active material layer mass ratio of the lithium ion capacitor mounted on a work machine such as an excavator will be described.
図3A及び図3Bに、それぞれ温度30℃及び0℃のときのリチウムイオンキャパシタの交流インピーダンス特性を示す。横軸は、インピーダンスの実部(抵抗)を単位「Ω」で表し、縦軸は、インピーダンスの虚部(リアクタンス)を単位「Ω」で表す。交流インピーダンスは、印加電圧の振幅を10mVとし、測定周波数を0.1Hz〜1MHzの範囲内で変化させて測定した。図3A及び図3Bの細い実線は、正極10と負極20(図1B)との間のインピーダンス(セル全体のインピーダンス)を示し、破線は、正極10と参照極30(図1B)との間のインピーダンス(正極のインピーダンス)を示し、太い実線は、負極20と参照極30(図1B)との間のインピーダンス(負極のインピーダンス)を示す。いずれのグラフにおいても、原点から遠い方の端部が、測定周波数0.1Hzのときのインピーダンスに相当し、原点に近い方の端部が、測定周波数1MHzのときのインピーダンスに相当する。
3A and 3B show AC impedance characteristics of the lithium ion capacitor at temperatures of 30 ° C. and 0 ° C., respectively. The horizontal axis represents the real part (resistance) of the impedance in the unit “Ω”, and the vertical axis represents the imaginary part (reactance) of the impedance in the unit “Ω”. The AC impedance was measured by setting the amplitude of the applied voltage to 10 mV and changing the measurement frequency within the range of 0.1 Hz to 1 MHz. The thin solid line in FIGS. 3A and 3B shows the impedance (impedance of the entire cell) between the
図3A及び図3Bに示したように、温度30℃においては、正極の抵抗が負極の抵抗より高い。ところが、温度が0℃に下がったとき、正極の抵抗は殆ど上昇しないが、負極の抵抗が大幅に増加することがわかる。低温環境下におけるリチウムイオンキャパシタのインピーダンス特性の低下は、負極の抵抗の上昇が原因であることがわかる。図3A及び図3Bに示した評価結果から、リチウムイオンキャパシタの低温環境下における特性の劣化を抑制するためには、負極の抵抗増加を抑制すればよいと考えられる。 As shown in FIGS. 3A and 3B, at a temperature of 30 ° C., the resistance of the positive electrode is higher than the resistance of the negative electrode. However, when the temperature drops to 0 ° C., the resistance of the positive electrode hardly increases, but the resistance of the negative electrode increases significantly. It can be seen that the decrease in the impedance characteristics of the lithium ion capacitor in a low temperature environment is caused by an increase in the resistance of the negative electrode. From the evaluation results shown in FIGS. 3A and 3B, it is considered that the increase in resistance of the negative electrode may be suppressed in order to suppress the deterioration of the characteristics of the lithium ion capacitor in a low temperature environment.
本願の発明者は、負極活物質を増量することにより、低温環境下における負極の抵抗増加を抑制できるのではないかと考えた。この仮説を確かめるために、負極活物質の質量を増加させた試料を作製し、インピーダンス特性を評価した。 The inventor of the present application thought that the increase in the resistance of the negative electrode in a low temperature environment could be suppressed by increasing the amount of the negative electrode active material. In order to confirm this hypothesis, a sample in which the mass of the negative electrode active material was increased was prepared, and the impedance characteristics were evaluated.
図4A及び図4Bに、評価用の試料の概略断面図を示す。以下、図1Bに示したリチウムイオンキャパシタとの相違点について説明する。図1Bに示したリチウムイオンキャパシタでは、負極集電体21の片面のみに負極活物質層22が形成されていた。
4A and 4B are schematic cross-sectional views of the sample for evaluation. Hereinafter, differences from the lithium ion capacitor illustrated in FIG. 1B will be described. In the lithium ion capacitor illustrated in FIG. 1B, the negative electrode
図4Aに示した試料では、負極集電体21の両面に負極活物質層22が形成されている。負極活物質層22の各々の質量は、図1Bに示した負極活物質層22の質量と同一である。このため、図4Aに示した試料の負極活物質層22の質量は、図1Bに示したリチウムイオンキャパシタの負極活物質層22の質量の2倍になる。
In the sample shown in FIG. 4A, negative electrode active material layers 22 are formed on both surfaces of the negative electrode
図4Bに示した試料では、負極集電体21の両面に負極活物質層22が形成された負極20が2枚配置されている。このため、図4Bに示した試料の負極活物質層22の質量は、図1Bに示したリチウムイオンキャパシタの負極活物質層22の質量の4倍になる。一
方の負極集電体21が他方の負極集電体21に溶接されている。一方の負極集電体21のみがセル容器50の外側まで導出されている。
In the sample shown in FIG. 4B, two
図5A及び図5Bに、それぞれ、負極活物質としてハードカーボンを使用した試料の抵抗及びキャパシタンスの温度特性の測定結果を示す。図5A及び図5Bの横軸は、温度を単位「℃」で表し、図5Aの縦軸は抵抗を単位「Ω」で表し、図5Bの縦軸はキャパシタンスを単位「F」で表す。図中の四角、丸、及び三角記号は、それぞれ図1B、図4A、及び図4Bに示した構造の試料に対応する。四角、丸、及び三角記号で示された試料の負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)は、それぞれ0.66、0.80、及び0.89である。 FIG. 5A and FIG. 5B show measurement results of resistance and capacitance temperature characteristics of a sample using hard carbon as a negative electrode active material, respectively. The horizontal axis of FIGS. 5A and 5B represents temperature in units of “° C.”, the vertical axis of FIG. 5A represents resistance in units of “Ω”, and the vertical axis of FIG. 5B represents capacitance in units of “F”. Squares, circles, and triangles in the figure correspond to samples having the structures shown in FIGS. 1B, 4A, and 4B, respectively. The negative electrode active material layer mass ratios Wa / (Wc + Wa) of the samples indicated by squares, circles, and triangles are 0.66, 0.80, and 0.89, respectively.
抵抗及びキャパシタンスは、定電流低電圧充電と、定電流放電とを5回繰り返して測定された充放電特性から算出した。より具体的には、抵抗は、放電開始時における内部抵抗に起因する電圧降下量から算出した。キャパシタンスは、電圧の時間変化から求まる放電エネルギ量から算出した。 Resistance and capacitance were calculated from charge / discharge characteristics measured by repeating constant current / low voltage charge and constant current discharge five times. More specifically, the resistance was calculated from the amount of voltage drop caused by the internal resistance at the start of discharge. The capacitance was calculated from the amount of discharge energy obtained from the time change of voltage.
図5Aに示すように、温度が低下するに従って、抵抗が大きくなる。温度が20℃よりも低い領域において、各試料の抵抗の差が広がっている。負極活物質層質量比が大きい試料ほど、温度が低下したときの抵抗の上昇幅が小さいことがわかる。 As shown in FIG. 5A, the resistance increases as the temperature decreases. In the region where the temperature is lower than 20 ° C., the difference in resistance of each sample widens. It can be seen that the larger the negative electrode active material layer mass ratio, the smaller the increase in resistance when the temperature is lowered.
図5Bに示すように、キャパシタンスは、温度変化の影響を受けにくく、3つの試料において、キャパシタンスに有意な差は見られない。 As shown in FIG. 5B, the capacitance is not easily affected by temperature changes, and no significant difference in capacitance is seen among the three samples.
図5A及び図5Bに示した評価結果から、低温におけるインピーダンス特性の劣化を抑制するために、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)を、0.67以上にすることが好ましく、0.80以上にすることがより好ましいことが導かれる。また、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)が0.89以下の範囲において、低温時における良好なインピーダンス特性が得られることが確認された。 From the evaluation results shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is preferably set to 0.67 or more in order to suppress deterioration of impedance characteristics at low temperatures, It is derived that the above is more preferable. In addition, it was confirmed that good impedance characteristics at low temperatures can be obtained when the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is 0.89 or less.
図6A及び図6Bに、それぞれ、負極活物質として黒鉛を使用した試料の抵抗及びキャパシタンスの温度特性の測定結果を示す。図6A及び図6Bの横軸は、温度を単位「℃」で表し、図6Aの縦軸は抵抗を単位「Ω」で表し、図6Bの縦軸はキャパシタンスを単位「F」で表す。負極活物質として黒鉛を用いた試料においては、負極活物質層22(図1B)の厚さを調整することにより、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)を変化させた。図中の三角、四角記号は、それぞれ負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)が0.46、0.67の試料に相当する。 FIG. 6A and FIG. 6B show measurement results of resistance and capacitance temperature characteristics of a sample using graphite as a negative electrode active material, respectively. 6A and 6B, the horizontal axis represents temperature in units of “° C.”, the vertical axis in FIG. 6A represents resistance in units of “Ω”, and the vertical axis in FIG. 6B represents capacitance in units of “F”. In the sample using graphite as the negative electrode active material, the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) was changed by adjusting the thickness of the negative electrode active material layer 22 (FIG. 1B). The triangle and square symbols in the figure correspond to samples having negative electrode active material layer mass ratios Wa / (Wc + Wa) of 0.46 and 0.67, respectively.
図6Aに示すように、負極活物質に黒鉛を用いた場合においても、負極活物質層の質量が大きい試料ほど、低温における抵抗が低いことがわかる。また、キャパシタンスには、2つの試料に有意な差は見られない。負極活物質に黒鉛を用いる場合にも、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)を、0.67以上にすることにより、低温時における抵抗の増大を抑制できると考えられる。 As shown in FIG. 6A, even when graphite is used as the negative electrode active material, it can be seen that the sample having a larger mass of the negative electrode active material layer has lower resistance at low temperatures. Also, there is no significant difference in capacitance between the two samples. Even when graphite is used for the negative electrode active material, it is considered that an increase in resistance at a low temperature can be suppressed by setting the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) to 0.67 or more.
図2に示したグラフから、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)を0.67以上、すなわちWc/(Wc+Wa)を0.33以下にすると、規格化静電容量Cが1よりも小さくなってしまう。このように、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)を0.67以上にすることは、活性物質の単位質量あたりの静電容量の点では、有利な効果は得られない。ただし、低温における抵抗の増大を抑制することが望まれる用途には、負極活物質層質量比を上述の範囲とする十分な効果が得られる。例えば、寒冷地で稼働するショベル等に、上述の負極活物質層質量比を持つリチウムイオンキャパシタを採用することにより、
暖機運転の時間を短縮し、稼働効率を高めることができる。
From the graph shown in FIG. 2, when the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is 0.67 or more, that is, Wc / (Wc + Wa) is 0.33 or less, the normalized capacitance C is smaller than 1. turn into. Thus, when the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is 0.67 or more, an advantageous effect cannot be obtained in terms of the capacitance per unit mass of the active material. However, for applications where it is desired to suppress an increase in resistance at low temperatures, a sufficient effect is obtained in which the mass ratio of the negative electrode active material layer is in the above range. For example, by adopting a lithium ion capacitor having the above-mentioned negative electrode active material layer mass ratio to a shovel or the like operating in a cold region,
The warm-up time can be shortened and the operating efficiency can be increased.
図7Aに、他の実施例によるリチウムイオンキャパシタの平面図を示す。ほぼ長方形の平面形状を有するセル容器50の、相互に反対側の2つの縁から、それぞれ正極タブ15及び負極タブ25が引き出されている。
FIG. 7A shows a plan view of a lithium ion capacitor according to another embodiment. A
図7Bに、図7Aの一点鎖線7B−7Bにおける断面図を示す。2枚のラミネートフィルム50A、50Bによりセル容器50が構成されている。ラミネートフィルム50A、50Bは、電極積層体42を挟み、電極積層体42を密封する。電極積層体42は、交互に積層された正極10及び負極20を含む。正極10と負極20とは、両者の間に配置されたセパレータ40によって絶縁されている。電極積層体42の詳細な構造については、後に、図8A〜図8Cを参照して説明する。
FIG. 7B is a cross-sectional view taken along one-
一方のラミネートフィルム50Bは、ほぼ平坦であり、他方のラミネートフィルム50Aは、電極積層体42の形状を反映して変形している。
One
正極10及び負極20は、それぞれ両者の重なり領域から、相互に反対向き(図7Aにおいて、左向き及び右向き)に延びた接続部10A、20Aを有する。複数の正極10の接続部10Aが重ね合わされ、正極タブ15に溶接されている。複数の負極20の接続部20Aが重ね合わされ、負極タブ25に溶接されている。正極タブ15及び負極タブ25には、例えばアルミニウム板または銅板が用いられる。
Each of the
正極タブ15及び負極タブ25は、ラミネートフィルム50Aとラミネートフィルム50Bとの間を通って、セル容器50の外側まで導出されている。正極タブ15及び負極タブ25は、導出箇所において、ラミネートフィルム50Aとラミネートフィルム50Bとに熱溶着されている。
The
正極10の接続部10Aと、ラミネートフィルム50Aとの間に、ガス抜き弁26が配置されている。ガス抜き弁26は、ラミネートフィルム50Aに形成されたガス抜き孔27を塞ぐように配置され、ラミネートフィルム50Aに熱溶着されている。セル容器50内で発生したガスが、ガス抜き弁26及びガス抜き孔27を通って外部に排出される。セル容器50内は真空排気されている。このため、ラミネートフィルム50A、50Bは、大気圧により、電極積層体42及びガス抜き弁26の外形に沿うように、変形している。
A
図8A〜図8Cに、それぞれ電極積層体42の三種類の構成例の断面図を示す。図8Aに示した構成例では、正極集電体11の片面にのみ正極活物質層12が形成されており、負極集電体21の両面に、負極活物質層22が形成されている。これにより、負極活物質層22の質量と正極活物質層12の質量とを調整している。
8A to 8C are cross-sectional views of three types of configuration examples of the
図8Bに示した構成例では、正極集電体11の両面に正極活物質層12が形成されており、負極集電体21の両面に、負極活物質層22が形成されている。負極活物質層22が正極活物質層12よりも厚い。このように、正極活物質層12と負極活物質層22との厚さを調整することにより、負極活物質層22の質量と正極活物質層12の質量とが調整される。
In the configuration example shown in FIG. 8B, the positive electrode active material layers 12 are formed on both surfaces of the positive electrode
図8Cに示した構成例では、正極活物質層12と負極活物質層22とが、ほぼ等しい厚さを諷する。1枚の正極10に対して、2枚の負極20が配置されている。具体的には、正極10の間に、2枚の負極20が配置されている。なお、1枚の正極10に対して、3枚以上の負極20を配置してもよい。このように、負極20の枚数を調整することにより、負極活物質層22の質量と正極活物質層12の質量とが調整される。
In the configuration example shown in FIG. 8C, the positive electrode
図8A〜図8Cのいずれの構成例においても、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)が、0.67以上、より好ましくは0.8以上に調整されている。さらに、負極活物質層質量比Wa/(Wc+Wa)が0.89以下に調整されている。 8A to 8C, the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is adjusted to 0.67 or more, more preferably 0.8 or more. Further, the negative electrode active material layer mass ratio Wa / (Wc + Wa) is adjusted to 0.89 or less.
図9A及び図9Bに、それぞれ他の実施例による蓄電装置の蓋60及び下部筐体70の斜視図を示す。図9Bに示すように、下部筐体70が、底面71及び側面72を含み、上方に開口部が設けられている。側面72は、底面71の外周線の全域に亘って配置されている。図9Aに示した蓋60が、下部筐体70の開口部を塞ぐ。
9A and 9B are perspective views of a
底面71の上に、2つの蓄電モジュール73が搭載されている。底面71に平行な面をxy面とし、底面71の法線方向をz方向とするxyz直交座標系を定義する。2つの蓄電モジュール73が隔てられた方向をx方向とする。蓄電モジュール73の各々は、y方向に積み重ねられた複数の蓄電セルを含み、電気エネルギの充放電を行う。蓄電セルの各々には、図7A〜図7B、図8A〜図8Cに示したいずれかの実施例によるリチウムイオンキャパシタが用いられる。蓄電モジュール73の詳細な構成については、後に、図11A及び図11Bを参照して説明する。
Two
y方向に垂直な1つの側面72にコネクタボックス79が設けられている。コネクタボックス79内の空間と、下部筐体70内の空間とは、開口78を介して連通している。コネクタボックス79の上方の開口部は、コネクタ端子が配置されるコネクタ板で塞がれる。
A
底面71に、剛性を増すための第1のリブ75、第2のリブ76、及び第3のリブ77が形成されている。第1のリブ75は、2つの蓄電モジュール73の間に配置され、x方向と交差する方向(y方向)に伸びる。第1のリブ75の一方の端部は、コネクタボックス79が設けられている側面72とは反対側の側面72に連続している。
A
第2のリブ76は、第1のリブ75に連続し、x方向に伸びる。第1のリブ75は、第2のリブ76の中央に接続されている。第3のリブ77は、第2のリブ76の両端からy方向に伸び、コネクタボックス79が設けられている側面72まで達する。開口78は、2本の第3のリブ77が側面72に接続されている箇所の間に形成されている。
The
底面71を基準として、第1のリブ75、第2のリブ76、及び第3のリブ77は、側面72よりも低い。下部筐体70の開口部を蓋60で塞いだ状態で、第1のリブ75と蓋60との間、第2のリブ76と蓋60との間、及び第3のリブ77と蓋60との間に隙間が形成される。
With reference to the
底面71、側面72、第1のリブ75、第2のリブ76、第3のリブ77、及びコネクタボックス79は、鋳造法により一体成型される。材料として、例えばアルミニウムが用いられる。
The
図10に、下部筐体70、及び下部筐体70に搭載されている部品の平面図を示す。2つの蓄電モジュール73が、x方向に離れて搭載されている。第1のリブ75が、2つの蓄電モジュール73が搭載された領域の間をy方向に通過する。第1のリブ75の一方の端部は、側面72に連続する。第1のリブ75の他方の端部は、y方向に関して蓄電モジュール73の端部よりも外側に位置する。この端部から、第2のリブ76がx方向に伸びる。第2のリブ76は、x方向に関して、蓄電モジュール73の各々と部分的に重なる。第2のリブ76の両端から、第3のリブ77がy方向に伸び、コネクタボックス79が設けられた側面72に達する。
FIG. 10 is a plan view of the
第2のリブ76、第3のリブ77、及びコネクタボックス79で囲まれた領域に、一対の中継部材82が配置されている。コネクタボックス79内にリレー回路83が配置されている。すなわち、リレー回路83は、蓄電モジュール73に対してy方向に離れた位置に搭載されている。
A pair of
蓄電モジュール73の各々は、y方向の両端に、それぞれ端子81を有する。端子81を通して、蓄電モジュール73の充放電が行われる。コネクタボックス79から遠い方の端子81同士が、ヒューズ、安全スイッチ等を含む電気回路部品84を介して、相互に電気的に接続されている。
Each of the
コネクタボックス79に近い方の端子81は、それぞれバスバー85により、中継部材82に電気的に接続される。バスバー85は、第2のリブ76と交差する。中継部材82は、バスバー86によりリレー回路83に接続される。バスバー86は、開口78(図1B)を通過する。
図11Aに、蓄電モジュール73の平面図を示す。板状の蓄電セル90と伝熱板91とが交互に厚さ方向(y方向)に積み重ねられている。なお、複数枚、例えば2枚の蓄電セル90に対して1枚の伝熱板91を配置してもよい。蓄電セル90の各々から、一対の電極タブ92が引き出されている。一対の電極タブ92は、x方向に、かつ相互に反対向きに引き出されている。相互に隣り合う蓄電セル90の電極タブ92同士を接続することにより、複数の蓄電セル90が直列接続されている。両端の蓄電セル90の電極タブ92が、それぞれ蓄電モジュール73の2つの端子81に接続される。
FIG. 11A shows a plan view of the
加圧機構96が、蓄電セル90と伝熱板91とが積み重ねられた積層構造に、積層方向の圧縮力を印加する。加圧機構96は、積層構造の両端に配置された加圧板93、及び一方の加圧板93から他方の加圧板93まで達する複数のタイロッド94を含む。ナットでタイロッド94を締め付けることにより、蓄電セル90と伝熱板91との積層構造に、積層方向の圧縮力を印加することができる。
The
図11Bに、図11Aの一点鎖線11B−11Bにおける断面図を示す。加圧板93が、下部筐体70の底面71にねじ止めされている。伝熱板91の下端が底面71に接触し、上端が蓋60に接触する。蓋60は下部筐体70にボルト等で締め付けて固定されており、伝熱板91に、z方向の圧縮力が印加されている。この圧縮力により、蓄電モジュール73が下部筐体70(図9B)と蓋60(図9A)とからなる筐体内に強固に、かつ摺動不能に固定される。
FIG. 11B is a cross-sectional view taken along one-
底面71内に冷却媒体用の流路95が形成され、蓋60内にも冷却媒体用の流路65が形成されている。流路95、65に冷却媒体、例えば冷却水を流通させることにより、伝熱板91を介して蓄電セル90を冷却することができる。
A cooling
図12に、実施例による蓄電装置が搭載されたショベルの側面図を示す。下部走行体100に、上部旋回体101が旋回可能に搭載されている。上部旋回体101にブーム103、アーム105、及びバケット107を含むアタッチメントが連結されている。ブームシリンダ104の伸縮により、ブーム103の姿勢が変化する。アームシリンダ106の伸縮により、アーム105の姿勢が変化する。バケットシリンダ108の伸縮により、バケット107の姿勢が変化する。ブームシリンダ104、アームシリンダ106、及びバケットシリンダ108は、油圧駆動される。ショベルの機体、具体的には上部旋回体101に、旋回電動機102、エンジン110、電動発電機111、蓄電装置115が搭載されている。
FIG. 12 shows a side view of an excavator equipped with the power storage device according to the embodiment. An upper turning body 101 is mounted on the lower traveling body 100 so as to be turnable. An attachment including a
図13に、ショベルのブロック図を示す。図13において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気制御系を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。 FIG. 13 shows a block diagram of the excavator. In FIG. 13, the mechanical power system is represented by a double line, the high-pressure hydraulic line is represented by a thick solid line, the electric control system is represented by a thin solid line, and the pilot line is represented by a broken line.
エンジン110の駆動軸がトルク伝達機構121の入力軸に連結されている。エンジン110には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。
The drive shaft of
電動発電機111の駆動軸が、トルク伝達機構121の他の入力軸に連結されている。電動発電機111は、電動(アシスト)運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。トルク伝達機構121は、2つの入力軸と1つの出力軸とを有する。この出力軸に、メインポンプ122の駆動軸が連結されている。
The drive shaft of the
メインポンプ122に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機111がアシスト運転を行い、電動発電機111の駆動力がトルク伝達機構121を介してメインポンプ122に伝達される。これにより、エンジン110に加わる負荷が軽減される。一方、メインポンプ122に加わる負荷が小さい場合には、エンジン110の駆動力がトルク伝達機構121を介して電動発電機111に伝達されることにより、電動発電機111が発電運転される。
When the load applied to the
メインポンプ122は、高圧油圧ライン123を介して、コントロールバルブ124に油圧を供給する。コントロールバルブ124は、運転者からの指令により、油圧モータ109A、109B、ブームシリンダ104、アームシリンダ106、及びバケットシリンダ108に油圧を分配する。油圧モータ109A及び109Bは、それぞれ下部走行体100(図12)に備えられた左右の2本のクローラを駆動する。
The
電動発電機111がインバータ113Aを介して蓄電回路112に接続されている。旋回電動機102がインバータ113Bを介して蓄電回路112に接続されている。インバータ113A、113B、及び蓄電回路112は、制御装置135により制御される。
インバータ113Aは、制御装置135からの指令に基づき、電動発電機111の運転制御を行う。電動発電機111のアシスト運転と発電運転との切り替えが、インバータ113Aにより行われる。
Inverter 113 </ b> A controls operation of
電動発電機111がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路112からインバータ113Aを通して電動発電機111に供給される。電動発電機111が発電運転されている期間は、電動発電機111によって発電された電力が、インバータ113Aを通して蓄電回路112に供給される。これにより、蓄電回路112内の蓄電装置115が充電される。蓄電回路112内の蓄電装置115には、図9A〜図11Bに示した実施例による蓄電装置が用いられる。
During the period in which the
旋回電動機102は、インバータ113Bによって交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回電動機102の力行動作中は、蓄電回路112からインバータ113Bを介して旋回電動機102に電力が供給される。旋回電動機102が、減速機131を介して、上部旋回体101(図12)を旋回させる。回生動作時には、上部旋回体101の回転運動が、減速機131を介して旋回電動機102に伝達されることにより、旋回電動機102が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ113Bを介して蓄電回路112に供給される。これにより、蓄電回路112内の蓄電装置115が充電される。
The swing
レゾルバ132が、旋回電動機102の回転軸の回転方向の位置を検出する。レゾルバ132の検出結果が、制御装置135に入力される。旋回電動機102の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。
The
メカニカルブレーキ133が、旋回電動機102の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ133の制動状態と解除状態とは、制御装置135からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。
A
パイロットポンプ125が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン126を介して操作装置128に供給される。操作装置128は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置128は、パイロットライン126から供給される1次側の油圧を、運転者の操作に応じて、2次側の油圧に変換する。2次側の油圧は、油圧ライン129を介してコントロールバルブ124に伝達されると共に、他の油圧ライン130を介して圧力センサ127に伝達される。
The
圧力センサ127で検出された圧力の検出結果が、制御装置135に入力される。これにより、制御装置135は、下部走行体100、旋回電動機102、ブーム103、アーム105、及びバケット107(図12)の操作の状況を検知することができる。
The pressure detection result detected by the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 正極
10A 接続部
11 正極集電体
12 正極活物質
15 正極タブ
20 負極
20A 接続部
21 負極集電体
22 負極活物質
25 負極タブ
26 ガス抜き弁
27 ガス抜き孔
30 参照極
31 参照極集電体
32 リチウム箔
35 参照極タブ
40 セパレータ
42 電極積層体
50 セル容器
50A、50B ラミネートフィルム
60 蓋
70 下部筐体
71 底面
72 側面
73 蓄電モジュール
75 第1のリブ
76 第2のリブ
77 第3のリブ
78 開口
79 コネクタボックス
81 端子
82 中継部材
83 リレー回路
84 電気回路部品
85、86 バスバー
90 蓄電セル
91 伝熱板
92 電極タブ
93 加圧板
94 タイロッド
95 流路
96 加圧機構
100 下部走行体
101 上部旋回体
102 旋回電動機
103 ブーム
104 ブームシリンダ
105 アーム
106 アームシリンダ
107 バケット
108 バケットシリンダ
109A 油圧モータ
109B 油圧モータ
110 エンジン
111 電動発電機
112 蓄電回路
113A インバータ
113B インバータ
115 蓄電装置
121 トルク伝達機構
122 メインポンプ
123 高圧油圧ライン
124 コントロールバルブ
125 パイロットポンプ
126 パイロットライン
127 圧力センサ
128 操作装置
129、130 油圧ライン
131 減速機
132 レゾルバ
133 メカニカルブレーキ
135 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (11)
負極集電体に負極活物質を含む負極活物質層を形成した少なくとも1枚の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
前記正極及び前記負極に接触する電解液と
を有し、前記正極活物質層と前記負極活物質層との質量の合計に対する前記負極活物質層の質量の比が0.67以上であるリチウムイオンキャパシタ。 At least one positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
At least one negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector;
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
Lithium ions having an electrolyte solution in contact with the positive electrode and the negative electrode, wherein the ratio of the mass of the negative electrode active material layer to the total mass of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 0.67 or more Capacitor.
前記リチウムイオンキャパシタの積層体に、積み重ね方向の圧縮力を印加する加圧機構と、
前記リチウムイオンキャパシタ及び前記加圧機構を収容する筐体と
を有し、
前記リチウムイオンキャパシタの各々は、
正極集電体に正極活物質を含む正極活物質層を形成した少なくとも1枚の正極と、
負極集電体に負極活物質を含む負極活物質層を形成した少なくとも1枚の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
前記正極及び前記負極に接触する電解液と
を有し、前記正極活物質層と前記負極活物質層との質量の合計に対する前記負極活物質層の質量の比が0.67以上である蓄電装置。 A plurality of plate-like lithium ion capacitors stacked in the thickness direction;
A pressure mechanism for applying a compressive force in the stacking direction to the laminate of the lithium ion capacitors;
A housing for housing the lithium ion capacitor and the pressure mechanism;
Each of the lithium ion capacitors is
At least one positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
At least one negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector;
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A power storage device having an electrolyte solution in contact with the positive electrode and the negative electrode, wherein a ratio of a mass of the negative electrode active material layer to a total mass of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 0.67 or more .
前記下部走行体に対して旋回可能に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブーム、アームを含むアタッチメントと、
前記上部旋回体を旋回させる電動機と、
前記電動機に電力を供給する蓄電装置と
を有し、
前記蓄電装置は、
厚さ方向に積み重ねられた複数の板状のリチウムイオンキャパシタと、
前記リチウムイオンキャパシタの積層体に、積み重ね方向の圧縮力を印加する加圧機構と、
前記リチウムイオンキャパシタ及び前記加圧機構を収容する筐体と
を有し、
前記リチウムイオンキャパシタの各々は、
正極集電体に正極活物質を含む正極活物質層を形成した少なくとも1枚の正極と、
負極集電体に負極活物質を含む負極活物質層を形成した少なくとも1枚の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
前記正極及び前記負極に接触する電解液と
を有し、前記正極活物質層と前記負極活物質層との質量の合計に対する前記負極活物質層の質量の比が0.67以上であるショベル。 A lower traveling body,
An upper swing body mounted so as to be swingable with respect to the lower traveling body;
An attachment including a boom and an arm attached to the upper swing body;
An electric motor for turning the upper turning body;
A power storage device for supplying electric power to the electric motor,
The power storage device
A plurality of plate-like lithium ion capacitors stacked in the thickness direction;
A pressure mechanism for applying a compressive force in the stacking direction to the laminate of the lithium ion capacitors;
A housing for housing the lithium ion capacitor and the pressure mechanism;
Each of the lithium ion capacitors is
At least one positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector;
At least one negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector;
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
An excavator having an electrolyte solution in contact with the positive electrode and the negative electrode, wherein a ratio of a mass of the negative electrode active material layer to a total mass of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is 0.67 or more.
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