JP2018164011A - 電気化学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】プレドープばらつきの抑制。【解決手段】電気化学デバイスは、第１電極ユニットと、リチウムイオン供給源とを具備する。上記第１電極ユニットにおいては、第１正極と第１負極とが第１セパレータを介して交互に積層されている。上記リチウムイオン供給源は、上記第１負極に電気的に接続された第１金属箔と、上記第１金属箔に対向し上記第１負極に電気的に接続された第２金属箔とを有する。上記負極には、上記第１金属箔と上記第２金属箔との間に設けられた金属リチウム層からリチウムイオンのプレドープがなされている。【選択図】図１

Description

本発明は、負極、正極及び集電体を有する電気化学デバイスに関する。

大容量キャパシタとして、エネルギー密度が高いリチウムイオンキャパシタが検討されている。リチウムイオンキャパシタにおいては、リチウムイオンを負極にプレドープすることを要する。リチウムイオンキャパシタを長期間にわたり安定させるには、負極へのリチウムイオンのプレドープがより均一になされていることが望ましい。

例えば、リチウムイオンのプレドープは、金属リチウム等のリチウム源と負極を電気的に接続し、電解液に浸漬することによって行われる。例えば、負極と正極とが交互に配置された電極ユニット外に、負極に電気的に接続された金属箔が設けられ、この金属箔に金属リチウム層が配置される。そして、電極ユニット、金属箔及び金属リチウム層は、電解液に浸漬され、電解液に溶解したリチウムイオンが電極ユニット中の負極に供給される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００６／１１２０６８号

しかしながら、金属箔に設けた金属リチウム層が不均一に溶解し、金属箔付近に金属リチウムが残存した場合、負極におけるリチウムイオンのプレドープのばらつきがより大きくなる可能性がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、負極におけるリチウムイオンのプレドープのばらつきが抑制された電気化学デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、第１電極ユニットと、リチウムイオン供給源とを具備する。上記第１電極ユニットにおいては、第１正極と第１負極とが第１セパレータを介して交互に積層されている。上記リチウムイオン供給源は、複数の貫通孔を有し上記第１負極に電気的に接続された第１金属箔と、上記第１金属箔に対向し上記第１負極に電気的に接続された第２金属箔とを有する。上記第１負極には、上記第１金属箔と上記第２金属箔との間に設けられた金属リチウム層からリチウムイオンのプレドープがなされている。

このような電気化学デバイスによれば、上記第１金属箔と上記第２金属箔との間に、未溶解の金属リチウム層が残存しにくくなる。これにより、上記金属リチウム層が満遍なく電解液に溶解して、上記負極におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

上記の電気化学デバイスにおいては、上記第１電極ユニットと上記リチウムイオン供給源との間に第２セパレータをさらに具備してもよい。上記第１金属箔は、上記第２金属箔と上記第２セパレータとの間に設けられている。

このような電気化学デバイスによれば、上記リチウムイオン供給源と上記電極ユニットとが直接的に接触しなくなる。

上記の電気化学デバイスにおいては、上記リチウムイオン供給源において、上記第１金属箔の主面と、上記第２金属箔の主面とは、接触可能に構成されてもよい。

このような電気化学デバイスによれば、上記金属リチウム層の上記第１金属箔及び上記第２金属箔に対する接触の機会が増加する。これにより、上記金属リチウム層が満遍なく電解液に溶解して、上記負極におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

上記の電気化学デバイスは、第２正極と第２負極とが第３セパレータを介して交互に積層された第２電極ユニットをさらに具備してもよい。上記リチウムイオン供給源は、上記第１電極ユニットと上記第２電極ユニットとの間に設けられている。上記第２金属箔には、複数の貫通孔が設けられている。

このような電気化学デバイスによれば、上記金属リチウム層が満遍なく電解液に溶解して、上記負極におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

また、上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、電極ユニットと、リチウムイオン供給源とを具備する。上記電極ユニットは、正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたセパレータを有する。上記リチウムイオン供給源は、複数の貫通孔を有し上記負極に電気的に接続された第１金属箔と、上記第１金属箔に対向し上記第１負極に電気的に接続された第２金属箔とを有する。上記負極には、上記第１金属箔と上記第２金属箔との間に設けられた金属リチウム層からリチウムイオンのプレドープがなされている。このような電気化学デバイスによれば、上記第１金属箔と上記第２金属箔との間に、未溶解の金属リチウム層が残存しにくくなる。これにより、上記金属リチウム層が満遍なく電解液に溶解して、上記負極におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

以上述べたように、本発明によれば、負極におけるリチウムイオンのプレドープのばらつきがより抑制された電気化学デバイスが提供される。

図（ａ）は、本実施形態に係る電気化学デバイスを示す模式的断面図である。図（ｂ）は、本実施形態に係る電気化学デバイス内の電極ユニットを示す模式的断面図である。 比較例に係る電気化学デバイスの作用を示す模式的断面図である。 本実施形態に係る電気化学デバイスの作用を示す模式的断面図である。 本実施形態に係る電極ユニットを示す模式的断面図である。 図（ａ）は、本実施形態に係る外装フィルムに封止された電気化学デバイスを示す模式的断面図である。図（ｂ）は、本実施形態に係る外装フィルムに封止された電気化学デバイスを示す模式的斜視図である。 本実施形態に係るリチウムイオン供給源の変形例を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。

［電気化学デバイスの構成］
本実施形態に係る電気化学デバイス１００の構成を以下に説明する。本実施形態で例示される電気化学デバイス１００は、リチウムイオンキャパシタである。

図１（ａ）は、本実施形態に係る電気化学デバイスを示す模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る電気化学デバイス内の電極ユニットを示す模式的断面図である。

図１（ａ）に示すように、電気化学デバイス１００は、電極ユニット１０１（第１電極ユニット）と、リチウムイオン供給源１８０と、セパレータ１５２（第２セパレータ）とを具備する。電気化学デバイス１００において、電極ユニット１０１、リチウムイオン供給源１８０及びセパレータ１５２は、電解液によって浸漬されることが可能である。電極ユニット１０１及びリチウムイオン供給源１８０のそれぞれは、図示する数に限らず、それぞれが複数設けられてもよい。

図１（ａ）には、リチウムイオンが電極ユニット１０１にプレドープされる前の状態が表されている。電極ユニット１０１及びリチウムイオン供給源１８０は、Ｘ−Ｙ軸平面おいて、例えば、矩形状である。リチウムイオン供給源１８０は、例えば、シート状である。本実施形態では、電極ユニット１０１からリチウムイオン供給源１８０に向かう方向を上方、リチウムイオン供給源１８０から電極ユニット１０１に向かう方向を下方とする。

リチウムイオン供給源１８０は、Ｚ軸方向において、電極ユニット１０１に並ぶ。例えば、リチウムイオン供給源１８０は、Ｚ軸方向において、セパレータ１５２を介して電極ユニット１０１に対向する。例えば、リチウムイオン供給源１８０の主面１８０ｄ（下面）は、電極ユニット１０１の主面１０１ｕ（上面）とＺ軸方向において重なっている。リチウムイオン供給源１８０は、金属箔１８１（第１金属箔）と、金属箔１８２（第２金属箔）と、金属リチウム層１８３とを有する。

金属リチウム層１８３は、金属箔１８１と金属箔１８２との間に設けられている。金属箔１８２は、金属リチウム層１８３を介して金属箔１８１に対向する。金属箔１８１は、Ｚ軸方向において、金属箔１８２とセパレータ１５２との間に設けられている。金属箔１８１、１８２のそれぞれは、電極ユニット１０１の負極１３０と直接的または間接的な電気的接続がなされている。

金属箔１８１には、複数の貫通孔１８１ｈが設けられている。貫通孔１８１ｈの孔径は、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。ＸＹ平面における複数の貫通孔１８１ｈの占有率（金属箔１８１の開口率）は、１０％以上３０％以下である。複数の貫通孔は、金属箔１８２に設けられてもよい。

金属リチウム層１８３は圧着等によって金属箔１８１または金属箔１８２に固定されている。金属リチウム層１８３は、金属箔１８１の主面または金属箔１８２の主面に沿って均等な厚さを有する。

セパレータ１５２は、電極ユニット１０１を囲む。これにより、セパレータ１５２が電極ユニット１０１とリチウムイオン供給源１８０との間に設けられ、リチウムイオン供給源１８０の電極ユニット１０１への直接的な接触が避けられる。セパレータ１５２は、電解液中に含まれるイオンを透過する。図１（ａ）の例では、セパレータ１５２は、電極ユニット１０１のＸＺ軸平面における任意の断面において電極ユニット１０１に捲回されている。電極ユニット１０１のＸＺ軸平面における任意の断面においてセパレータ１５２は、多重に捲回されてもよい。

また、図１（ａ）の例では、電極ユニット１０１のＹ軸方向における端部１０１ｅは、セパレータ１５２から開放されている。電極ユニット１０１は、端部１０１ｅを経由してリチウムイオン供給源１８０、他の電極ユニット及び電極端子等の外部との電気的な接続を取ることができる。

図１（ｂ）に示すように、電極ユニット１０１は、負極１３０（第１負極）と、正極１４０（第１正極）と、セパレータ１５１（第１セパレータ）を有する。負極１３０、正極１４０、セパレータ１５１及びリチウムイオン供給源１８０のそれぞれは、ＸＹ平面において平行に配置されている。負極１３０、正極１４０、及びセパレータ１５１のそれぞれは、例えば、シート状である。

電極ユニット１０１においては、正極１４０と負極１３０とがセパレータ１５１を介して交互にＺ軸方向に積層されている。図１（ｂ）の例では、正極１４０と負極１３０とがセパレータ１５１を介して交互に積層する方向がＺ軸方向に対応している。複数の正極１４０同士は、直接的または間接的に電気的な接続がなされている。複数の負極１３０同士は、直接的または間接的に電気的な接続がなされている。負極１３０の個数及び正極１４０の個数は、図示される数に限られない。

負極１３０は、負極集電体１３２と、負極活物質層１３３とを有する。負極活物質層１３３は、負極集電体１３２の主面１３２ａ、１３２ｂに設けられている。すなわち、Ｚ軸方向において、負極集電体１３２は、２つの負極活物質層１３３の間に設けられている。負極１３０における任意の負極集電体１３２は、直接的または間接的に、他の負極集電体１３２、金属箔１８１、１８２、負極端子等に電気的に接続されている。

正極１４０は、正極集電体１４２と、正極活物質層１４３とを有する。正極活物質層１４３は、正極集電体１４２の主面１４２ａ、１４２ｂに設けられている。すなわち、Ｚ軸方向において、正極集電体１４２は、２つの正極活物質層１４３の間に設けられている。正極１４０における任意の正極集電体１４２は、直接的または間接的に、他の正極集電体１４２、正極端子等に電気的に接続されている。

セパレータ１５１は、負極１３０と正極１４０とを絶縁する。セパレータ１５１は、負極１３０と正極１４０を隔て、電解液中に含まれるイオンを透過する。

電極ユニット１０１の負極１３０に接続されたリチウムイオン供給源１８０が電解液に浸漬されると、金属リチウム層１８３が電解液に溶ける。これにより、電解液中のリチウムイオンが電極ユニット１０１の負極１３０にプレドープされる。すなわち、負極１３０には、金属箔１８１と金属箔１８２との間に設けられた金属リチウム層１８３からリチウムイオンのプレドープがなされる。また、電気化学デバイス１００は、外装フィルムで封止可能な構造となっており、電解液注入後、減圧下で封止される。この封止による締め付けにより、金属箔１８１及び金属箔１８２は、互いに近づく方向に押圧力を受けている。

例えば、プレドープが進行し、金属リチウム層１８３が電解液に溶けて金属リチウム層１８３の厚さが薄くなるにつれ、金属箔１８１と、金属箔１８２とがより接近する。そして、金属リチウム層１８３の溶解が終了した場合、例えば、金属箔１８１の主面１８１ｕと、金属箔１８２の主面１８２ｄとはさらに接近したり、接触したりする。

また、本実施形態の電極ユニット１０１においては、正極１４０と負極１３０とがセパレータ１５１を介して交互に積層されているのではなく、正極１４０と負極１３０とがそれぞれ１つ設けられ、正極１４０と負極１３０との間にセパレータ１５１が介在した構成であってもよい。

電気化学デバイス１００の材料について説明する。

金属箔１８１、１８２は、例えば、銅箔である。金属リチウム層１８３は、例えば、金属リチウム箔である。金属リチウム層１８３の量は、リチウムイオンのプレドープにおいて負極活物質層１３３にドープ可能な範囲で任意に調整される。

負極集電体１３２は、例えば、金属箔である。金属箔には、複数の貫通孔が設けられてもよい。負極集電体１３２は、例えば、銅箔等でもよい。負極活物質層１３３に含まれる負極活物質は、電解液中のリチウムイオンを吸蔵と放出とが可能な材料であり、例えば難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、グラファイトやソフトカーボン等の炭素系材料でもよい。負極活物質層１３３は、負極活物質がバインダ樹脂と混合されたものでもよく、さらに導電助剤を含んでもよい。例えば、負極活物質層１３３は、上記の活物質、導電助剤及び合成樹脂のスラリー状の混合物を塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。

バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂でよい。バインダ樹脂は、例えばカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。

導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させるものでよい。導電助剤は、例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。

正極集電体１４２の材料は、例えば、アルミニウム等である。正極活物質層１４３に含まれる正極活物質は、例えば、活性炭、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、または複数の遷移元素から構成されるリチウム複合酸化物等の活物質の少なくともいずれかを含む。正極活物質層１４３は、上記の活物質、導電助剤（例えば、カーボンブラック）及び合成樹脂（例えば、ＰＴＦＥ等）のスラリー状の混合物を塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。

セパレータ１５１、１５２は、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等でもよい。セパレータ１５１、１５２は、ガラス繊維、セルロース繊維、ポリエチレン樹脂等のプラスチック繊維等からなる多孔質シートでもよい。

電解液は、任意に選択することが可能である。例えば、電解液において、カチオンとしては、リチウムイオンを少なくとも含む。アニオンとしてはＢＦ_４ ⁻（四フッ化ホウ酸イオン）、ＰＦ_６ ⁻（六フッ化リン酸イオン）、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻（ＴＦＳＡイオン）等のアニオンを含み、溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、スルホラン、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、エチルイソプロピルスルホン等を含むものとすることができる。具体的には、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）または、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）のプロピレンカーボネート溶液等でもよい。

［電気化学デバイスの作用］

本実施形態に係る電気化学デバイス１００の作用を説明する前に、比較例に係る電気化学デバイス５００の作用について説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、比較例に係る電気化学デバイスの作用を示す模式的断面図である。

図２（ａ）に示すように、比較例に係る電気化学デバイス５００は、金属箔１８２を有するものの、金属箔１８１を有していない。電気化学デバイス５００のリチウムイオン供給源５８０は、金属リチウム層１８３と金属箔１８２とからなる。

プレドープにおいて、電極ユニット１０１、リチウムイオン供給源５８０及びセパレータ１５２が電解液１２０に浸漬されると、金属箔１８２は、金属リチウムから電子（ｅ）を受け取り、イオンとなったリチウムイオン（Ｌｉ^＋）が電解液１２０に放出される。電解液１２０に放出されたリチウムイオンは、セパレータ１５２を通過して、電極ユニット１０１の負極１３０（負極活物質層１３３）にドープされ始める。

ここで、電解液１２０は、金属リチウム層１８３の結晶粒界、金属リチウム層１８３と金属箔１８２との界面等に浸み込む場合がある。これにより、プレドープでは、金属リチウム層１８３の厚さが均一に減らず、複数の金属リチウム層１８３が島状となって残存する場合がある。例えば、プレドープが進行すると、金属箔１８２とセパレータ１５２との間に、フレーク状または粉状の未反応の金属リチウム層１８３が生成する場合がある（図２（ｂ））。

このような電解液に溶けない未反応の金属リチウム層１８３が金属箔１８２から離れ、分散すると、個々の金属リチウム層１８３は、金属リチウムから電子を受容できる受容体（例えば、金属箔１８２）を失う。これにより、金属箔１８２とセパレータ１５２との間に、フレーク状または粉状の金属リチウム層１８３が分散したまま残存する。特に、金属箔１８２が対向するセパレータ１５２は絶縁体であるため、個々の金属リチウム層１８３がセパレータ１５２に接したとしても、セパレータ１５２は、金属リチウムから電子を受けることができない。

すなわち、比較例に係る電気化学デバイス５００においては、金属箔１８２とセパレータ１５２との間に、電解液１２０に未溶解の金属リチウム層１８３が残存しやすい。これにより、電気化学デバイス５００においては、負極１３０におけるリチウムイオンのプレドープの分布が不均一になりやすい。例えば、残存する金属リチウム層１８３付近の負極１３０では、リチウムイオンのプレドープ量が局所的に減少する。

これに対して、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の作用を説明する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施形態に係る電気化学デバイスの作用を示す模式的断面図である。

図３（ａ）に示すように、プレドープにおいて、電極ユニット１０１、リチウムイオン供給源１８０及びセパレータ１５２が電解液１２０に浸漬されると、金属箔１８２は、金属リチウムから電子を受け取り、リチウムイオンが電解液１２０に放出される。リチウムイオンは、セパレータ１５２を通過して、電極ユニット１０１の負極１３０（負極活物質層１３３）にドープされ始める。

電気化学デバイス１００においても、プレドープが進行すると、金属箔１８１と金属箔１８２との間に、フレーク状または粉状の金属リチウム層１８３が生成する場合がある（図３（ｂ））。

しかしながら、電気化学デバイス１００においては、フレーク状または粉状の金属リチウム層１８３が金属箔１８２から離れたとしても、個々の金属リチウム層１８３が金属箔１８２に対向する金属箔１８１に接触しやすくなっている。この結果、電気化学デバイス１００においては、比較例に比べて、金属リチウム層１８３がフレーク状または粉状の金属リチウムとして、より残存しにくくなっている。

また、電気化学デバイス１００においては、金属箔１８１及び金属箔１８２が互いに近づくように、金属箔１８１及び金属箔１８２が押圧力を受けている。これにより、電気化学デバイス１００においては、個々の金属リチウム層１８３が金属箔１８１と金属箔１８２とによって強制的に挟まれている。この結果、電気化学デバイス１００においては、比較例に比べて個々の金属リチウム層１８３が集電体（金属箔１８１、１８２）に接触する確率が高くなっている。

このように、電気化学デバイス１００によれば、金属箔１８１と金属箔１８２との間に、未溶解の金属リチウム層１８３が残存しにくくなる（図３（ｃ））。これにより、電気化学デバイス１００では、金属箔１８１と金属箔１８２との間に設けられた金属リチウム層１８３が満遍なく電解液１２０に溶解して、未反応の金属リチウム層１８３が減少する。この結果、電気化学デバイス１００では、負極１３０におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

図４は、本実施形態に係る電極ユニットを示す模式的断面図である。

電気化学デバイス１００は、電極ユニット１０１に限らず、別の電極ユニット１０２（第２電極ユニット）を具備してもよい。電極ユニット１０２においては、正極１４５（第２正極）と負極１３５（第２負極）とがセパレータ１５３（第３セパレータ）を介してＺ軸方向に交互に積層されている。負極１３５は、負極集電体１３７と、負極集電体１３７を挟む負極活物質層１３８とを有する。正極１４５は、正極集電体１４７と、正極集電体１４７を挟む正極活物質層１４８とを有する。

リチウムイオン供給源１８０は、Ｚ軸方向において電極ユニット１０１と電極ユニット１０２との間に設けられている。金属箔１８２には、複数の貫通孔１８２ｈが設けられている。正極１４５の構成、材料は、正極１４０と同じである。負極１３５の構成、材料は、負極１３０と同じである。セパレータ１５３の構成、材料は、セパレータ１５１と同じである。

負極１３５における任意の負極集電体１３７は、直接的または間接的に、他の負極集電体１３７、金属箔１８１、１８２、負極端子等に電気的に接続されている。正極１４０における任意の正極集電体１４７は、直接的または間接的に、他の正極集電体１４７、正極端子等に電気的に接続されている。

このような構成であれば、プレドープ後、金属箔１８１、１８２間において金属リチウム層１８３が残存しにくくなるとともに、電極ユニット１０２の増設によって蓄電容量が増加する。さらに、金属リチウム層１８３は、貫通孔１８１ｈを介して、電極ユニット１０１に満遍なく行き渡るとともに、貫通孔１８２ｈを介しても電極ユニット１０２に満遍なく行き渡る。

図５（ａ）は、本実施形態に係る外装フィルムに封止された電気化学デバイスを示す模式的断面図である。図５（ｂ）は、本実施形態に係る外装フィルムに封止された電気化学デバイスを示す模式的斜視図である。図５（ａ）には、図５（ｂ）のＡ−Ａ線断面が示されている。

図５（ａ）に示すように、電気化学デバイス１００は、電極ユニット１０１、１０２、１０３が外装フィルム１０６に封止されている。電極ユニット１０３の構成は、例えば、電極ユニット１０１と同じである。電極ユニット１０１と電極ユニット１０２との間及び電極ユニット１０２と電極ユニット１０３との間には、リチウムイオン供給源１８０が設けられている。負極端子１３１は、電極ユニット１０１、１０２、１０３のそれぞれの負極に電気的に接続されている。正極端子１４１は、電極ユニット１０１、１０２、１０３のそれぞれの正極に電気的に接続されている。

外装フィルム１０６は、外装フィルム１０６ａと外装フィルム１０６ｂとを有する。外装フィルム１０６ａと、外装フィルム１０６ｂとは、電極ユニット１０１、１０２、１０３の中央に位置する電極ユニット１０１の外周で、例えば、熱圧着等によって接合されている。これにより、リチウムイオン供給源１８０及び電極ユニット１０１、１０２、１０３は、外装フィルム１０６によって密閉されるため、例えば、電解液注入後、減圧下で封止ことにより、外装フィルム内部は外部の気圧よりも低く、外装フィルム１０６は、外装フィルム１０６の内部に押圧力を与え、金属箔１８１と金属箔１８２とが近づく押圧力が金属箔１８１と金属箔１８２に与えられる。リチウムイオン供給源１８０及び電極ユニット１０１、１０２、１０３を包む外装フィルム１０６は、リチウムイオン供給源１８０及び電極ユニット１０１、１０２、１０３よりもＸ−Ｙ平面における寸法が大きく、電極面積またはそれ以上の面積で電極ユニット１０１、１０２、１０３を加圧することでも金属箔１８１と金属箔１８２に押圧力を与える。

図６は、本実施形態に係るリチウムイオン供給源の変形例を示す模式的断面図である。

リチウムイオン供給源１８０においては、金属箔１８１の主面１８１ｄよりも主面１８１ｕのほうが粗く構成され、金属箔１８２の主面１８２ｕよりも主面１８２ｄのほうが粗く構成されている。金属箔１８１、１８２の表面を粗くする手法は、例えば、サンドブラスト等である。

このような構成によれば、プレドープの進行中、金属リチウム層１８３が金属箔１８１の主面１８１ｕまたは金属箔１８２の主面１８２ｄに接触する機会がさらに増加する。これにより、金属リチウム層１８３は、さらに満遍なく電解液１２０に溶解して、未反応の金属リチウム層１８３がより減少する。この結果、電気化学デバイス１００では、負極１３０におけるリチウムイオンのプレドープ分布がより均一になる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、負極１３０、正極１４０、セパレータ１５１及びリチウムイオン供給源１８０のそれぞれは、軸芯を中心に捲回されてもよい。

本実施形態に係る電気化学デバイス１００（図１（ａ）、（ｂ））が作製された。ここで、電極ユニット１０１は、９個の正極１４０と、１０個の負極１３０とを含む。電極ユニット１０１の平面サイズは、１００ｍｍ×１００ｍｍである。電気デバイス１００の容量は、３００ｍＡｈである。電気化学デバイス１００は、リチウムイオン供給源１８０を上に向けて、温度３０℃、３０日間保管された。この３０日間の保管後、金属箔１８１、１８２に金属リチウム層１８３の残存がないことが確認された。

さらに、この電気化学デバイス１００に対して、充電条件：３０Ａ、３．８Ｖ（定電流充電）、放電条件：３０Ａ、２．２Ｖ（定電流放電）、試験温度：６０℃での５万回の充放電サイクル試験を行った。試験後、電気化学デバイス１００の内部抵抗は、試験開始前の内部抵抗の１２０％程度であった。

一方、比較例に係る電気化学デバイス５００（図２）も作製された。電気化学デバイス５００の構成は、リチウムイオン供給源１８０以外は電気化学デバイス１００と同じである。すなわち、比較例では、リチウムイオン供給源１８０に金属箔１８１が設けられていない。比較例では、温度３０℃下での保管期間をさらに長くして６０日としたが、金属箔１８２に金属リチウム層１８３の残存があることが確認された。

さらに、この電気化学デバイス５００に対して、充電条件：３０Ａ、３．８Ｖ（定電流充電）、放電条件：３０Ａ、２．２Ｖ（定電流放電）、試験温度：６０℃での５万回の充放電サイクル試験を行った。試験後、電気化学デバイス５００の内部抵抗は、試験開始前の内部抵抗の１７０％まで上昇した。

１００、５００…電気化学デバイス
１０１、１０２、１０３…電極ユニット
１０１ｕ、１３２ａ、１４２ａ、１８０ｄ、１８１ｕ、１８２ｄ…主面
１０１ｅ、１３０ｅ…端部
１０６、１０６ａ、１０６ｂ…外装フィルム
１２０…電解液
１３０、１３５…負極
１３１…負極端子
１３２、１３７…負極集電体
１３３、１３８…負極活物質層
１４０、１４５…正極
１４１…正極端子
１４２、１４７…正極集電体
１４３、１４８…正極活物質層
１５１、１５２、１５３…セパレータ
１８０、５８０…リチウムイオン供給源
１８１、１８２…金属箔
１８１ｈ、１８２ｈ…貫通孔
１８３…金属リチウム層

Claims (5)

1. 第１正極と第１負極とが第１セパレータを介して交互に積層された第１電極ユニットと、
   複数の貫通孔を有し前記第１負極に電気的に接続された第１金属箔と、前記第１金属箔に対向し前記第１負極に電気的に接続された第２金属箔とを有するリチウムイオン供給源と
   を具備し、
   前記第１負極には、前記第１金属箔と前記第２金属箔との間に設けられた金属リチウム層からリチウムイオンのプレドープがなされている
   電気化学デバイス。
2. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記第１電極ユニットと前記リチウムイオン供給源との間に第２セパレータをさらに具備し、
   前記第１金属箔は、前記第２金属箔と前記第２セパレータとの間に設けられている
   電気化学デバイス。
3. 請求項１または２に記載の電気化学デバイスであって、
   前記リチウムイオン供給源において、前記第１金属箔の主面と、前記第２金属箔の主面とは、接触可能に構成されている
   電気化学デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気化学デバイスであって、
   第２正極と第２負極とが第３セパレータを介して交互に積層された第２電極ユニットをさらに具備し、
   前記リチウムイオン供給源は、前記第１電極ユニットと前記第２電極ユニットとの間に設けられ、
   前記第２金属箔には、複数の貫通孔が設けられている
   電気化学デバイス。
5. 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータを有する電極ユニットと、
   複数の貫通孔を有し前記負極に電気的に接続された第１金属箔と、前記第１金属箔に対向し前記第１負極に電気的に接続された第２金属箔とを有するリチウムイオン供給源と
   を具備し、
   前記負極には、前記第１金属箔と前記第２金属箔との間に設けられた金属リチウム層からリチウムイオンのプレドープがなされている
   電気化学デバイス。

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