JP2020047830A - Capacitor - Google Patents

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Abstract

To provide a power storage device capable of achieving no problems in reliability and safety even after repetitive quick charge is executed.SOLUTION: The capacitor ensures that an average value of an entropy change ΔSobtained from the following expression (1) is at least 82 J/K*mol: An average value of ΔS=ΔS+ΔS+ΔS)/3(1), where each of ΔSto ΔSis an entropy change when a voltage E(V) of the capacitor uses an upper-limit value of a rated voltage, a lower-limit value of the rated voltage or (the upper-limit value of the rated voltage + the lower-limit value of the rated voltage)/2.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、キャパシタに関する。   The present invention relates to a capacitor.

リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスは、小型でエネルギー密度が高く、ポータブル電子機器の電源として広く用いられている。そして、更なるエネルギー密度の向上とともに信頼性、安全性の向上を目指した研究開発が盛んに行なわれている。   Power storage devices such as lithium ion secondary batteries are small and have high energy densities, and are widely used as power sources for portable electronic devices. Research and development are being actively conducted to further improve the energy density and reliability and safety.

ところで、リチウムイオン電池の信頼性、安全性を向上するには、充放電時の発熱量を制御することが重要であることが知られている。かかる課題に対し、特許文献1では、充電時又は放電時のエントロピー発熱が負となるリチウム容量範囲が広くなるような電極合剤層を含む電極を備えるリチウムイオン電池が提案されている。   By the way, it is known that it is important to control the amount of heat generated during charging and discharging in order to improve the reliability and safety of lithium ion batteries. To cope with this problem, Patent Literature 1 proposes a lithium ion battery including an electrode including an electrode mixture layer in which the range of lithium capacity in which entropy heat generation during charging or discharging is negative is widened.

国際公開第2014/155496号International Publication No. WO 2014/155496

しかしながら、特許文献1に開示されているリチウムイオン電池を急速充電する場合、信頼性(劣化し難さ)、安全性が不十分であることが分かった。電池やキャパシタなどの蓄電デバイスの放電速度は、使用用途等で異なる一方、急速充電することは蓄電デバイス全般に要求されている。このため、急速充電を繰り返しても信頼性、安全性に問題が生じない蓄電デバイスが求められるが、リチウムイオン電池では、電極の構成上、かかる課題を解決することが困難であることが分かった。   However, it has been found that when the lithium ion battery disclosed in Patent Literature 1 is rapidly charged, reliability (hardness of deterioration) and safety are insufficient. While the discharge speed of a power storage device such as a battery or a capacitor differs depending on the intended use, rapid charging is required for power storage devices in general. For this reason, an energy storage device that does not cause a problem in reliability and safety even after repeated rapid charging is required. However, it has been found that it is difficult to solve such a problem in a lithium ion battery due to the configuration of the electrodes. .

本発明は、前記課題に鑑み、繰り返し急速充電を行っても、信頼性、安全性に問題が生じない蓄電デバイスを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power storage device that does not cause a problem in reliability and safety even when rapid charging is repeatedly performed.

かかる実情に鑑み、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、従来の蓄電デバイスより、充電時のエントロピー変化量が大きいキャパシタとすることにより、充放電過程全体として蓄電デバイスの発熱に伴う温度上昇を抑制でき、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   In view of such circumstances, the inventors of the present invention have conducted intensive studies, and found that a capacitor whose entropy change amount during charging is larger than that of a conventional power storage device increases the temperature due to heat generation of the power storage device as a whole charge / discharge process. Have been found to be able to solve the above problems, and have completed the present invention.

本発明の一実施形態に係るキャパシタ(以下「本キャパシタ」ともいう。)は、下記式(1)により求められるエントロピー変化ΔSEの平均値が82J/K・mol以上であることを特徴とする。
なお、リチウムイオン電池ではあるが、前記特許文献1の図14から見積もる限り、特許文献1に開示されているリチウムイオン電池の前記ΔSEの平均値は、20J/K・mol程度である。
(Hereinafter also referred to as "the capacitor".) Capacitor according to an embodiment of the present invention, the average value of entropy change [Delta] S E obtained by the following equation (1) is characterized in that at 82J / K · mol or more .
Although it is a lithium ion battery, as long as estimated from Figure 14 of Patent Document 1, the average value of the [Delta] S E of the lithium ion battery disclosed in Patent Document 1 is about 20J / K · mol.

ΔSEの平均値=(ΔSEa+ΔSEb+ΔSEc)/3 (1)
前記式(1)において、ΔSEa、ΔSEb及びΔSEcはそれぞれ、下記式(1−1)で算出される。
Average value of ΔS E = (ΔS Ea + ΔS Eb + ΔS Ec ) / 3 (1)
In the above equation (1), ΔS Ea , ΔS Eb and ΔS Ec are respectively calculated by the following equation (1-1).

ΔSE=−n×9.65×104(C/mol)×ΔV0/ΔT (1−1)
前記式(1−1)において、
ΔSEはΔSEa、ΔSEb又はΔSEcのいずれかであり、
nは電極反応に関与する電荷数であり、
ΔV0/ΔTは、25℃の恒温槽内においてキャパシタの電圧がE(V)になるよう10Cの電流値で調整したキャパシタを、温度T=20℃、22℃、24℃、26℃、28℃又は30℃の恒温槽にそれぞれ所定の時間放置した後の開回路電圧V0を測定し、横軸をT(K)、縦軸を開回路電圧V0(V)として前記測定結果をプロットしたグラフにおいて、最小二乗法により求められる直線の傾きを意味する。
前記ΔSEaは、前記E(V)を「定格電圧の上限値」にした場合のエントロピー変化であり、前記ΔSEbは、前記E(V)を「定格電圧の下限値」にした場合のエントロピー変化であり、前記ΔSEcは、前記E(V)を「(前記上限値+前記下限値)/2」にした場合のエントロピー変化である。
なお、9.65×104(C/mol)は、ファラデー定数である。
ΔS E = −n × 9.65 × 10 4 (C / mol) × ΔV 0 / ΔT (1-1)
In the above formula (1-1),
ΔS E is any of ΔS Ea , ΔS Eb or ΔS Ec ,
n is the number of charges involved in the electrode reaction,
ΔV 0 / ΔT is obtained by adjusting a capacitor adjusted at a current value of 10 C so that the voltage of the capacitor becomes E (V) in a 25 ° C. constant temperature bath at a temperature T = 20 ° C., 22 ° C., 24 ° C., 26 ° C., 28 The open circuit voltage V 0 after leaving each in a constant temperature bath at 30 ° C. or 30 ° C. for a predetermined time was measured, and the measurement results were plotted with the horizontal axis representing T (K) and the vertical axis representing open circuit voltage V 0 (V). In the graph shown, it means the slope of a straight line obtained by the least squares method.
The ΔS Ea is an entropy change when the E (V) is set to the “upper limit of the rated voltage”, and the ΔS Eb is an entropy change when the E (V) is set to the “lower limit of the rated voltage”. ΔS Ec is an entropy change when E (V) is set to “(the upper limit value + the lower limit value) / 2”.
Note that 9.65 × 10 4 (C / mol) is a Faraday constant.

前記所定の時間とは、下記A及びBのうち長い方の時間を意味する。
A:25℃の恒温槽内において、10Cの電流値で24時間定電流定電圧充電を行うことにより、キャパシタの電圧をその定格電圧の上限値になるよう調整したキャパシタを、20℃の恒温槽中に放置した際に、放置開始から開回路電圧が最大値を示すまでに要した時間(分)
B:キャパシタの静電容量が2000F未満の場合は30分、2000F以上の場合は静電容量(F)/2000×60(分)
The predetermined time means a longer time of the following A and B.
A: A capacitor in which the voltage of the capacitor is adjusted to the upper limit of the rated voltage by performing constant-current constant-voltage charging at a current value of 10 C for 24 hours in a constant-temperature bath of 25 ° C. Time (minutes) required for the open circuit voltage to reach the maximum value from the start of standing when left inside
B: 30 minutes when the capacitance of the capacitor is less than 2000F, and capacitance (F) / 2000 × 60 (min) when the capacitance is 2000F or more.

本キャパシタは、充電時のエントロピー変化に伴う吸熱量が従来の蓄電デバイスより大きいため、繰り返し急速充電を行っても劣化し難く、しかも安全性にも優れる。   Since the present capacitor has a larger heat absorption due to a change in entropy at the time of charging than a conventional power storage device, it does not easily deteriorate even after repeated rapid charging, and is excellent in safety.

≪キャパシタ≫
本キャパシタとしては特に限定されないが、電気化学キャパシタであることが好ましい。電気化学キャパシタは、電極の界面において、電極と電解質中のイオンとの間で電子の授受を伴わない非ファラデー反応、又は、電子の授受を伴うファラデー反応に起因して発現する容量を利用したキャパシタである。
電気化学キャパシタとしては、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタ等が挙げられるが、ハイブリッドキャパシタが好ましい。ハイブリッドキャパシタとしては、例えば、ナトリウムイオンキャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、マグネシウムイオンキャパシタが挙げられ、これらの中でも特にリチウムイオンキャパシタが好ましい。
≪Capacitors≫
The present capacitor is not particularly limited, but is preferably an electrochemical capacitor. Electrochemical capacitors are non-Faraday reactions that do not involve the transfer of electrons between the electrodes and ions in the electrolyte at the electrode interface, or capacitors that use the capacitance developed due to the Faraday reaction that involves the transfer of electrons. It is.
Examples of the electrochemical capacitor include an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, and a redox capacitor, and a hybrid capacitor is preferable. Examples of the hybrid capacitor include a sodium ion capacitor, a lithium ion capacitor, and a magnesium ion capacitor, and among these, a lithium ion capacitor is particularly preferable.

<エントロピー変化ΔSEの平均値>
本発明において、定格電圧とは、キャパシタを使用する際、安定して使用できる電圧の上下限値であり、市販のキャパシタであれば、カタログや仕様書に記載されている定格電圧を意味する。リチウムイオンキャパシタの場合、定格電圧は、通常2.2V−3.8Vである。
<Average value of entropy change ΔS E>
In the present invention, the rated voltage is the upper and lower limits of a voltage that can be used stably when a capacitor is used. For a commercially available capacitor, the rated voltage means a rated voltage described in a catalog or specification. In the case of a lithium ion capacitor, the rated voltage is usually 2.2V-3.8V.

前記ΔSEを測定するに際し、先ず、前記所定の時間(放置時間)を以下の方法で測定し、下記A及びBで得られた時間のうち長い方の時間を決定する。
A:25℃の恒温槽内において、10Cの電流値で24時間定電流定電圧(以下「CCCV」ともいう。)充電を行うことにより、キャパシタの電圧を、該キャパシタの定格電圧の上限値になるよう調整した後、恒温槽の温度を20℃にし、該20℃の恒温槽中に放置した際に、放置開始から開回路電圧が最大値を示すまでに要した時間(分)を測定する。
B:キャパシタの静電容量が2000F未満の場合は30分とし、該静電容量が2000F以上の場合は、静電容量(F)/2000×60(分)とする。
In measuring the ΔS E , first, the predetermined time (leaving time) is measured by the following method, and the longer one of the times obtained in A and B below is determined.
A: A constant current constant voltage (hereinafter, also referred to as “CCCV”) charging is performed at a current value of 10 C for 24 hours in a constant temperature bath at 25 ° C., so that the voltage of the capacitor is set to the upper limit of the rated voltage of the capacitor. After the adjustment, the temperature of the thermostat is set to 20 ° C., and when the thermostat is left in the thermostat at 20 ° C., the time (minutes) required from the start of standing to when the open circuit voltage shows the maximum value is measured. .
B: When the capacitance of the capacitor is less than 2000F, the time is 30 minutes. When the capacitance is 2000F or more, the capacitance is (F) / 2000 × 60 (minutes).

なお、キャパシタの静電容量は、該キャパシタをその定格電圧の上限値から下限値に放電した際に求められる静電容量である。   Note that the capacitance of a capacitor is the capacitance obtained when the capacitor is discharged from the upper limit value to the lower limit value of the rated voltage.

前記所定の時間(放置時間)を測定又は決定した後、以下のようにΔV0/ΔTを算出する。
25℃の恒温槽内において、キャパシタの電圧が所定電圧E(V)になるよう10Cの電流値で調整し、調整後のキャパシタを、温度T=20℃、22℃、24℃、26℃、28℃又は30℃の恒温槽にそれぞれ所定の時間放置した後の開回路電圧V0を測定し、横軸をT(K)、縦軸を開回路電圧V0(V)として測定結果をプロットしたグラフにおいて、最小二乗法により求められる直線の傾き(ΔV0/ΔT)を算出する。
After measuring or determining the predetermined time (leaving time), ΔV 0 / ΔT is calculated as follows.
In a constant temperature bath at 25 ° C., the voltage of the capacitor is adjusted at a current value of 10 C so as to be a predetermined voltage E (V), and the capacitor after the adjustment is subjected to temperature T = 20 ° C., 22 ° C., 24 ° C., 26 ° C. The open circuit voltage V 0 after being left in a constant temperature bath at 28 ° C. or 30 ° C. for a predetermined time is measured, and the horizontal axis is T (K), and the vertical axis is the open circuit voltage V 0 (V). In the graph, the slope (ΔV 0 / ΔT) of the straight line obtained by the least squares method is calculated.

より具体的には先ず、25℃の恒温槽内において、10Cの電流値で24時間CCCV充電を行うことにより、E(V)が定格電圧の上限値になるよう調整する。そして、調整後のキャパシタを、T=30℃の恒温槽に所定の時間放置した後のV0を測定する。続いて、恒温槽内の温度を25℃に変更し、10Cの電流値で24時間CCCV放電を行うことにより、E(V)が定格電圧の下限値になるよう調整する。そして、調整後のキャパシタを、T=30℃の恒温槽に所定の時間放置した後のV0を測定する。T=28℃、26℃、24℃、22℃及び20℃においても同様の操作を繰り返すことにより、E(V)を定格電圧の上限値にした場合と下限値にした場合について、ΔV0/ΔTを算出する。 More specifically, first, CCCV charging is performed at a current value of 10 C for 24 hours in a thermostat at 25 ° C., so that E (V) is adjusted to the upper limit of the rated voltage. Then, V 0 is measured after the adjusted capacitor is left in a thermostat at T = 30 ° C. for a predetermined time. Subsequently, the temperature in the thermostatic chamber is changed to 25 ° C., and CCCV discharge is performed at a current value of 10 C for 24 hours, so that E (V) becomes the lower limit of the rated voltage. Then, V 0 is measured after the adjusted capacitor is left in a thermostat at T = 30 ° C. for a predetermined time. The same operation is repeated at T = 28 ° C., 26 ° C., 24 ° C., 22 ° C., and 20 ° C., so that ΔV 0 / E (V) is set to the upper limit value and the lower limit value of the rated voltage. Calculate ΔT.

次に、恒温槽内の温度を25℃に変更し、10Cの電流値で24時間CCCV充電を行うことにより、E(V)が「(定格電圧の上限値+定格電圧の下限値)/2」になるよう調整する。そして、調整後のキャパシタを、T=30℃の恒温槽に所定の時間放置した後のV0を測定する。続いて、10Cの電流値で24時間CCCV放電を行うことにより、E(V)が定格電圧の下限値になるよう調整する。その後、恒温槽内の温度を25℃に変更し、10Cの電流値で24時間CCCV充電を行うことにより、E(V)が「(定格電圧の上限値+定格電圧の下限値)/2」になるよう調整する。そして、調整後のキャパシタを、T=28℃の恒温槽に所定の時間放置した後のV0を測定する。T=26℃、24℃、22℃及び20℃においても同様の操作を繰り返すことにより、E(V)を「(定格電圧の上限値+定格電圧の下限値)/2」にした場合について、ΔV0/ΔTを算出する。 Next, by changing the temperature in the thermostat to 25 ° C. and performing CCCV charging at a current value of 10 C for 24 hours, E (V) becomes “(upper limit of rated voltage + lower limit of rated voltage) / 2. "To adjust. Then, V 0 is measured after the adjusted capacitor is left in a thermostat at T = 30 ° C. for a predetermined time. Subsequently, by performing CCCV discharge at a current value of 10 C for 24 hours, E (V) is adjusted to be the lower limit of the rated voltage. After that, the temperature in the thermostatic chamber is changed to 25 ° C., and the CCCV charging is performed at a current value of 10 C for 24 hours, so that E (V) becomes “(upper limit of rated voltage + lower limit of rated voltage) / 2”. Adjust so that Then, V 0 is measured after leaving the adjusted capacitor in a thermostat at T = 28 ° C. for a predetermined time. By repeating the same operation at T = 26 ° C., 24 ° C., 22 ° C., and 20 ° C., when E (V) is set to “(upper limit of rated voltage + lower limit of rated voltage) / 2”, Calculate ΔV 0 / ΔT.

キャパシタは、電池と同様に、充放電反応に伴い、発熱又は吸熱する。
大島孝昌ら、「小型リチウムイオン二次電池の急速充放電時の発熱挙動」、電気学会論文誌B、2004年、124巻、12号、p.1521−1527を参考にすると、この反応における吸発熱は、理想的な可逆状態の場合、定温定圧下における熱力学的関係式ΔG=ΔH−TΔSにおけるTΔSに関係する。このため、本発明では、吸発熱因子として、エントロピー変化ΔSを考慮する。
ここで、ギブズエネルギー変化とエントロピー変化の関係式[−ΔS=δ(ΔG)/ΔT]及びギブズエネルギー変化と電池の起電力との関係式[−ΔG=nFE]から、ΔSは下記式で表すことができる。
ΔS=n・F・(ΔE/ΔT)
[n:電極反応に関与する電荷数、F:ファラデー定数(C/mol)、E:電池の起電力(V)]
Like a battery, a capacitor generates or absorbs heat due to a charge / discharge reaction.
Takamasa Oshima, et al., "Exothermic Behavior of Small Lithium-Ion Secondary Batteries During Rapid Charge / Discharge", IEEJ Transactions on Materials, B, 2004, Vol. 124, No. 12, p. With reference to 1521-1527, the endothermic heat generation in this reaction is related to TΔS in a thermodynamic relational expression ΔG = ΔH−TΔS under a constant temperature and a constant pressure in an ideal reversible state. For this reason, in the present invention, the entropy change ΔS is considered as an endothermic factor.
Here, from the relational expression [−ΔS = δ (ΔG) / ΔT] between the Gibbs energy change and the entropy change and the relational expression [−ΔG = nFE] between the Gibbs energy change and the battery electromotive force, ΔS is represented by the following expression. be able to.
ΔS = n · F · (ΔE / ΔT)
[N: number of charges involved in electrode reaction, F: Faraday constant (C / mol), E: electromotive force (V) of battery]

前記電池の起電力Eを開回路電圧V0(V)に近似できるとすると、キャパシタの充電時のエントロピー変化に伴う熱量は、近似的に下記式(1−1)で表すことができる。
ΔSE=−n・9.65×104・(ΔV0/ΔT) (1−1)
Assuming that the electromotive force E of the battery can be approximated to the open circuit voltage V 0 (V), the amount of heat accompanying the entropy change at the time of charging the capacitor can be approximately expressed by the following equation (1-1).
ΔS E = −n · 9.65 × 10 4 · (ΔV 0 / ΔT) (1-1)

式(1−1)におけるnは、例えば、1価のイオンであるリチウムイオンやナトリウムイオンが電極反応に関与する場合、n=1となり、2価のイオンであるマグネシウムイオンが電極反応に関与する場合、n=2となる。この式(1−1)に、前記で算出したΔV0/ΔTを代入することで、所定電圧E(V)におけるΔSEを算出できる。 N in the formula (1-1) is, for example, n = 1 when a monovalent lithium ion or sodium ion participates in the electrode reaction, and a divalent magnesium ion participates in the electrode reaction. In this case, n = 2. This equation (1-1), by substituting [Delta] V 0 / [Delta] T calculated above, can be calculated [Delta] S E at a predetermined voltage E (V).

なお、本発明では、前記所定電圧E(V)として、「定格電圧の上限値」、「定格電圧の下限値」及び「(前記上限値+前記下限値)/2」を採用し、電圧Eがこれらそれぞれの場合のΔSEa、ΔSEb及びΔSEcを用いて、下記式(1)により平均値を算出した。本発明者らは、この平均値を82J/K・mol以上にすることで、繰り返し急速充電を行っても、信頼性、安全性に問題が生じないキャパシタを提供できることを見出した。
ΔSEの平均値=(ΔSEa+ΔSEb+ΔSEc)/3 (1)
In the present invention, as the predetermined voltage E (V), “the upper limit value of the rated voltage”, “the lower limit value of the rated voltage”, and “(the upper limit value + the lower limit value) / 2” are employed. Using ΔS Ea , ΔS Eb, and ΔS Ec in each case, the average value was calculated by the following equation (1). The present inventors have found that by setting this average value to 82 J / K · mol or more, it is possible to provide a capacitor that does not cause a problem in reliability and safety even after repeated rapid charging.
Average value of ΔS E = (ΔS Ea + ΔS Eb + ΔS Ec ) / 3 (1)

本キャパシタがリチウムイオンキャパシタである場合、前記「定格電圧の上限値」、「定格電圧の下限値」及び「(前記上限値+前記下限値)/2」は、それぞれ、3.8V、2.2V及び3.0Vであることが好ましい。この場合、ΔSEa=ΔS3.8、ΔSEb=ΔS2.2、ΔSEc=ΔS3.0、であり、前記式(1)は下記式の通りとなる。
ΔSEの平均値=(ΔS3.8+ΔS2.2+ΔS3.0)/3
When the present capacitor is a lithium ion capacitor, the “upper limit value of rated voltage”, “lower limit value of rated voltage” and “(the upper limit value + the lower limit value) / 2” are 3.8V, 2. It is preferably 2 V and 3.0 V. In this case, ΔS Ea = ΔS 3.8 , ΔS Eb = ΔS 2.2 , ΔS Ec = ΔS 3.0 , and the above equation (1) is as follows.
Average value of ΔS E = (ΔS 3.8 + ΔS 2.2 + ΔS 3.0 ) / 3

ΔSEの平均値の下限値は、好ましくは83J/K・mol、さらに好ましくは84J/K・mol、特に好ましくは85J/K・molである。一方、ΔSEの平均値の上限値は、好ましくは200J/K・mol、特に好ましくは150J/K・molである。
前記平均値が82J/K・mol未満であると、所望の効果が得られないおそれがある。一方、前記平均値が大きくなり過ぎると、放電時の発熱が大きくなり過ぎるため、充放電を繰り返すとキャパシタセルが劣化し易くなるおそれがある。
The lower limit of the average value of [Delta] S E is preferably 83J / K · mol, more preferably 84J / K · mol, particularly preferably 85J / K · mol. On the other hand, the upper limit value of the average value of [Delta] S E is preferably 200 J / K · mol, particularly preferably 150J / K · mol.
If the average value is less than 82 J / K · mol, a desired effect may not be obtained. On the other hand, if the average value is too large, the heat generated at the time of discharge will be too large. Therefore, when charging and discharging are repeated, the capacitor cells may be liable to deteriorate.

前記平均値の値に大きく影響する因子としては、後述する正極活物質、負極活物質及び電解質の組み合わせが挙げられる。これらの因子を調整することにより、前記平均値を所定の範囲にすることができる。   Factors that greatly affect the average value include a combination of a positive electrode active material, a negative electrode active material, and an electrolyte described below. By adjusting these factors, the average value can be set within a predetermined range.

<キャパシタの構成>
本キャパシタは、通常、正極、負極及び電解質を備える。
<Configuration of capacitor>
The present capacitor usually includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte.

[正極]
前記正極は、通常、正極活物質を含む。
正極活物質としては特に限定されないが、陰イオンを吸蔵・放出可能な正極活物質が好ましく、活性炭、カーボンナノチューブがより好ましい。
前記正極に用いる正極活物質は、1種でもよいし、2種以上でもよい。
[Positive electrode]
The positive electrode usually contains a positive electrode active material.
The positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably a positive electrode active material capable of storing and releasing anions, and more preferably activated carbon and carbon nanotubes.
The positive electrode active material used for the positive electrode may be one type or two or more types.

前記正極としては、例えば、正極集電体上に前記正極活物質を含む正極活物質層が形成された積層体が挙げられる。
前記正極活物質層は、通常、正極活物質及びバインダー等を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布し、乾燥させることにより製造することができる。
また、前記正極は、導電層を有していてもよい。
Examples of the positive electrode include a laminate in which a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector.
The positive electrode active material layer can be usually manufactured by preparing a slurry containing a positive electrode active material, a binder, and the like, applying the slurry on a current collector, and drying the slurry.
Further, the positive electrode may have a conductive layer.

正極に用いられる正極集電体としては、アルミニウム、ステンレス等の板状体が好ましく、表裏面を貫通する貫通孔を有していてもよい。
正極集電体の厚みは、通常10〜50μmである。
The positive electrode current collector used for the positive electrode is preferably a plate-like body such as aluminum or stainless steel, and may have a through hole penetrating the front and back surfaces.
The thickness of the positive electrode current collector is usually 10 to 50 μm.

前記バインダーとしては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、NBR等のゴム系バインダー;ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、特開2009−246137号公報に開示されているようなフッ素変性(メタ)アクリル系バインダー等のフッ素系バインダー;ポリプロピレン;ポリエチレンを挙げることができる。
前記バインダーは、1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
Examples of the binder include a rubber-based binder such as styrene-butadiene rubber (SBR) and NBR; polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and fluorine as disclosed in JP-A-2009-246137. Fluorine binders such as a modified (meth) acrylic binder; polypropylene; polyethylene.
As the binder, one kind may be used, or two or more kinds may be used.

正極活物質層は、更に、カーボンブラック、炭素繊維、黒鉛、金属粉末等の導電剤;カルボキシルメチルセルロース(CMC)、そのNa塩又はアンモニウム塩、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン等の増粘剤などを含んでいてもよい。
これらは、1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
The positive electrode active material layer further includes a conductive agent such as carbon black, carbon fiber, graphite, and metal powder; carboxymethyl cellulose (CMC), its Na salt or ammonium salt, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl alcohol, Thickeners such as oxidized starch, phosphorylated starch, and casein may be included.
These may be used alone or in combination of two or more.

前記正極活物質層に含まれ得るバインダー、増粘剤等の高分子成分の使用量は、正極活物質100質量部に対して好ましくは1〜20質量部、特に好ましくは2〜15質量部である。   The amount of the polymer component such as a binder and a thickener that can be contained in the positive electrode active material layer is preferably 1 to 20 parts by mass, particularly preferably 2 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. is there.

[負極]
本キャパシタにおける負極は、通常、負極活物質を含む。
負極活物質としては特に限定されないが、陽イオンを吸蔵・放出可能な負極活物質が好ましく、特にリチウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質が好ましい。より具体的には、黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素、黒鉛粒子をピッチや樹脂の炭化物で被覆した複合炭素材料等の炭素材料;リチウム、ナトリウム又はマグネシウムと合金化が可能な金属若しくは半金属又はこれら金属若しくは半金属の酸化物を含む材料;チタン酸リチウムが好ましい。
前記負極に用いる負極活物質は、1種でもよいし、2種以上でもよい。
[Negative electrode]
The negative electrode of the present capacitor usually contains a negative electrode active material.
The negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably a negative electrode active material capable of storing and releasing cations, and particularly preferably a negative electrode active material capable of storing and releasing lithium ions, sodium ions, and magnesium ions. More specifically, a carbon material such as graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, a composite carbon material in which graphite particles are coated with pitch or resin carbide; a metal which can be alloyed with lithium, sodium or magnesium or Semimetals or materials containing oxides of these metals or semimetals; lithium titanate is preferred.
The negative electrode active material used for the negative electrode may be one type or two or more types.

負極としては、前記正極と同様、例えば、負極集電体上に前記負極活物質を含む負極活物質層が形成された積層体が挙げられる。
負極に用いられる負極集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス等の板状体が好ましく、表裏面を貫通する貫通孔を有していてもよい。
負極集電体の厚みは、通常10〜50μmである。
負極活物質層は、正極と同様、バインダーやその他の成分を含んでいてもよく、それらの具体例や使用量は、前記正極の場合と同様である。
As the negative electrode, similarly to the positive electrode, for example, a laminate in which a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector is given.
The negative electrode current collector used for the negative electrode is preferably a plate-like body such as copper, nickel, and stainless steel, and may have a through hole penetrating the front and back surfaces.
The thickness of the negative electrode current collector is usually 10 to 50 μm.
The negative electrode active material layer may contain a binder and other components as in the case of the positive electrode, and specific examples and the amounts thereof are the same as in the case of the positive electrode.

[電解質]
前記電解質としては特に限定されないが、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩、有機オニウム塩等が挙げられ、中でもリチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩が好ましい。
電解質を構成するアニオン部としては、例えば、PF6 -、PF3(C253 -、PF3(CF33 -、BF4 -、BF2(CF)2 -、BF3(CF3-、B(CN)4 -、N(FSO22 -、N(CF3SO22 -、N(C25SO22 -、Cl-、Br-、ClO4 -が挙げられる。
前記電解質は、1種を使用してもよく、2種以上を使用してもよい。
[Electrolytes]
The electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include lithium salts, sodium salts, magnesium salts, and organic onium salts. Of these, lithium salts, sodium salts, and magnesium salts are preferred.
Examples of the anion portion constituting the electrolyte include PF 6 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , PF 3 (CF 3 ) 3 , BF 4 , BF 2 (CF) 2 , and BF 3 ( CF 3) -, B (CN ) 4 -, N (FSO 2) 2 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, N (C 2 F 5 SO 2) 2 -, Cl -, Br -, ClO 4 -
As the electrolyte, one kind may be used, or two or more kinds may be used.

電解質は、通常、溶媒中に溶解された電解液の状態で用いられる。電解質を溶解させるための溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒が好ましい。非プロトン性の有機溶媒として、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホランが挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよいし、2種以上を使用してもよい。
粘度が低く、イオン伝導度が高い電解液が得られる等の点から、前記溶媒として、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒を用いることが好ましい。
The electrolyte is usually used in a state of an electrolytic solution dissolved in a solvent. As a solvent for dissolving the electrolyte, an aprotic organic solvent is preferable. Examples of the aprotic organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolan, methylene chloride, and sulfolane. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
It is preferable to use a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate as the solvent from the viewpoint that an electrolyte having a low viscosity and a high ionic conductivity can be obtained.

前記電解液中の電解質の濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、0.1モル/L以上であることが好ましく、0.5〜1.5モル/Lであることがより好ましい。なお、電解質は、ゲル状又は固体状であってもよい。この場合、電解質の漏液を抑制することができる。   The concentration of the electrolyte in the electrolyte is preferably 0.1 mol / L or more, more preferably 0.5 to 1.5 mol / L, in order to reduce the internal resistance due to the electrolyte. The electrolyte may be in a gel or solid state. In this case, electrolyte leakage can be suppressed.

本キャパシタがリチウムイオンキャパシタである場合、フルオロリン酸リチウム(モノフルオロリン酸リチウム及びジフルオロリン酸リチウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種)を含む電解液を使用することが好ましい。フルオロリン酸リチウムの含有割合の下限値は、電解液中、好ましくは0.01質量%、特に好ましくは0.05質量%である。一方、フルオロリン酸リチウムの含有割合の上限値は、電解液中、好ましくは10質量%、さらに好ましくは5質量%、特に好ましくは3質量%である。   When the present capacitor is a lithium ion capacitor, it is preferable to use an electrolyte containing lithium fluorophosphate (at least one selected from the group consisting of lithium monofluorophosphate and lithium difluorophosphate). The lower limit of the content ratio of lithium fluorophosphate in the electrolytic solution is preferably 0.01% by mass, and particularly preferably 0.05% by mass. On the other hand, the upper limit of the content ratio of lithium fluorophosphate in the electrolytic solution is preferably 10% by mass, more preferably 5% by mass, and particularly preferably 3% by mass.

本キャパシタがリチウムイオンキャパシタである場合、電解液には更にスルトン類を添加することが好ましい。スルトン類は、1種を使用してもよく、2種以上を使用してもよい。
なお、スルトン類は、キャパシタの充放電に伴い分解することがあるが、本明細書では、キャパシタを作製する際に用いる電解液がスルトン類を含めば、電解液がスルトン類を含むという。
When the present capacitor is a lithium ion capacitor, it is preferable to further add sultones to the electrolytic solution. One or two or more sultones may be used.
Note that sultones may be decomposed as the capacitor is charged or discharged, but in this specification, if the electrolyte used for manufacturing the capacitor includes the sultone, the electrolyte includes the sultone.

前記スルトン類としては、例えば、下記式(B)や(C)で表される化合物が挙げられる。   Examples of the sultones include compounds represented by the following formulas (B) and (C).

Figure 2020047830
Figure 2020047830

式(B)中、RB1〜RB6はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、又はハロゲン原子によって置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基であり、nは0〜3の整数である。
ハロゲン原子としては、フッ素原子が好ましく、炭素数1〜6のアルキル基としては、炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、nとしては、1〜3が好ましく、1〜2がより好ましく、1が特に好ましい。
In the formula (B), R B1 to R B6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may be substituted by a halogen atom, and n is an integer of 0 to 3 It is.
The halogen atom is preferably a fluorine atom, the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferably an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and n is preferably 1 to 3, more preferably 1 to 2, and 1 Is particularly preferred.

Figure 2020047830
Figure 2020047830

式(C)中、RC1〜RC4はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、又はハロゲン原子によって置換されていてもよい炭素数1〜6のアルキル基であり、nは0〜3の整数である。
これらハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基及びnの好ましい例示は、式(B)中の好ましい例示と同様である。
In the formula (C), R C1 to R C4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may be substituted by a halogen atom, and n is an integer of 0 to 3 It is.
Preferred examples of the halogen atom, the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and n are the same as the preferred examples in the formula (B).

前記スルトン類としては、プロパンスルトン、1−プロペン1,3−スルトンが好ましい。   As the sultones, propane sultone and 1-propene 1,3-sultone are preferred.

スルトン類を用いる場合、該スルトン類の電解液への添加量の下限値は、電解液100質量%に対して、好ましくは0.01質量%である。一方、スルトン類の電解液への添加量の上限値は、電解液100質量%に対して、好ましくは10質量%、さらに好ましくは5質量%、特に好ましくは2質量%である。なお、この添加量は、キャパシタを作製する際に用いる電解液への添加量のことをいう。   When sultones are used, the lower limit of the amount of the sultones added to the electrolytic solution is preferably 0.01% by mass with respect to 100% by mass of the electrolytic solution. On the other hand, the upper limit of the amount of sultones added to the electrolytic solution is preferably 10% by mass, more preferably 5% by mass, and particularly preferably 2% by mass, based on 100% by mass of the electrolytic solution. Note that this addition amount refers to the addition amount to the electrolytic solution used when manufacturing the capacitor.

電解質が電解液の状態で用いられる場合、正極と負極の間には、通常、正極と負極とが物理的に接触しないように、セパレータが用いられる。
該セパレータとしては、例えば、セルロースレーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等を原料とする不織布又は多孔質フィルムを挙げることができる。
When the electrolyte is used in the form of an electrolytic solution, a separator is usually used between the positive electrode and the negative electrode so that the positive electrode and the negative electrode do not physically contact each other.
Examples of the separator include a nonwoven fabric or a porous film made of cellulose rayon, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester, polyimide, or the like.

キャパシタの構造としては、例えば、板状の正極と負極とがセパレータ又はゲル状若しくは固体状の電解質を介して積層された積層体が外装フィルム内等に封入された積層型セル、帯状の正極と負極とがセパレータ又はゲル状若しくは固体状の電解質を介して捲回された積層体が角型又は円筒型等の容器に収納された捲回型セルを挙げることができる。
また、キャパシタの構造として、板状の集電体の一方の面に正極が、他方の面に負極が形成された電極が、セパレータを介して積層されている、双曲(バイポーラ)型セルを挙げることもできる。
特に、キャパシタの構造が角型又は円筒型等の容器に収納された捲回型セルである場合、発熱の影響を受けやすいため、本キャパシタが好適である。
As the structure of the capacitor, for example, a laminated cell in which a laminate in which a plate-shaped positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator or a gel or solid electrolyte is enclosed in an exterior film or the like, a band-shaped positive electrode and A wound cell in which a laminate obtained by winding a negative electrode with a separator or a gel or solid electrolyte through a container such as a square or cylindrical container can be given.
As a structure of the capacitor, a hyperbolic (bipolar) type cell in which a positive electrode is formed on one surface of a plate-shaped current collector and an electrode having a negative electrode formed on the other surface is laminated with a separator interposed therebetween. You can also mention.
In particular, when the capacitor is a wound cell housed in a rectangular or cylindrical container, the capacitor is suitable because it is easily affected by heat generation.

本キャパシタがリチウムイオンキャパシタである場合、負極に対してリチウムイオンが予めドープされていることが好ましい。リチウムイオンを予めドープする方法については、例えば、国際公開第1998/033227号、国際公開第2000/007255号を参照すればよい。   When the present capacitor is a lithium ion capacitor, it is preferable that the negative electrode is doped with lithium ions in advance. For the method of doping lithium ions in advance, for example, International Patent Publication Nos. WO 1998/033227 and WO 2000/007255 may be referred to.

以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は、下記実施例に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
<正極の作製>
比表面積が2000m2/gである市販の活性炭粉末92質量部、アセチレンブラック粉末6質量部、アクリル系樹脂バインダー7質量部、CMC4質量部及び水200質量部を撹拌混合し、スラリーを調製した。
気孔率47%、厚さ38μmのアルミニウム製エキスパンドメタル(正極集電体)の両面に非水系のカーボン系導電塗料をロールコーターにて塗工した後、真空乾燥し、全厚さ52μmの導電層付き正極集電体を得た。この導電層付き正極集電体の両面に、前記スラリーをロールコーターにて塗工した後、真空乾燥し、全厚さ200μmの積層体を得た。なお、正極集電体の表裏面とも、導電層及び正極活物質層が積層された部分(以下、「塗工部」ともいう。)と、いずれの層も形成されてない部分(以下、「未塗工部」ともいう。)が生じるように導電層及び電極層を形成した。なお、塗工部における正極集電体の貫通孔は、導電層によりほぼ閉塞されていた。このようにして得られた積層体を、塗工部が98mm×126mm、未塗工部が98mm×15mmの大きさになるように、98mm×141mmの大きさに切断することにより、正極を作製した。
[Example 1]
<Preparation of positive electrode>
92 parts by mass of a commercially available activated carbon powder having a specific surface area of 2000 m 2 / g, 6 parts by mass of acetylene black powder, 7 parts by mass of an acrylic resin binder, 4 parts by mass of CMC and 200 parts by mass of water were stirred and mixed to prepare a slurry.
A non-aqueous carbon-based conductive paint is applied on both sides of an aluminum expanded metal (positive electrode current collector) having a porosity of 47% and a thickness of 38 μm using a roll coater, and then dried in a vacuum to form a conductive layer having a total thickness of 52 μm. To obtain a positive electrode current collector. The slurry was applied to both sides of the positive electrode current collector with a conductive layer by a roll coater, and then dried in vacuum to obtain a laminate having a total thickness of 200 μm. Note that both the front and back surfaces of the positive electrode current collector, a portion where the conductive layer and the positive electrode active material layer are stacked (hereinafter, also referred to as a “coated portion”), and a portion where neither layer is formed (hereinafter, “ The conductive layer and the electrode layer were formed so as to generate an “uncoated portion”. In addition, the through-hole of the positive electrode current collector in the coating part was almost closed by the conductive layer. The thus obtained laminate is cut into a size of 98 mm × 141 mm so that the coated portion has a size of 98 mm × 126 mm and the uncoated portion has a size of 98 mm × 15 mm, thereby producing a positive electrode. did.

<負極の作製>
平均粒径4μmの黒鉛粉末100質量部と軟化点110℃、メソフェーズ量(QI(キノリン不溶分)量)13%の光学的等方性ピッチ50質量部とを加熱ニーダーで混捏し、これを非酸化性雰囲気下800℃で焼成した。得られた焼成物を平均粒子径が8μmになるように粉砕し、再度非酸化性雰囲気下にて1000℃で焼成し、負極活物質を得た。得られた負極活物質92質量部、アセチレンブラック粉末6質量部、SBR5質量部、CMC3質量部及び水200質量部を撹拌混合し、スラリーを調製した。得られたスラリーを、気孔率57%、厚さ32μmの銅製エキスパンドメタルからなる負極集電体の両面にロールコーターにて塗工した後、真空乾燥し、全厚さ80μmの積層体を得た。このようにして得られた積層体を、塗工部が100mm×128mm、未塗工部が100mm×15mmの大きさになるように、100mm×143mmの大きさに切断することにより、負極を作製した。
<Preparation of negative electrode>
100 parts by mass of a graphite powder having an average particle diameter of 4 μm and 50 parts by mass of an optically isotropic pitch having a softening point of 110 ° C. and a mesophase amount (QI (quinoline insoluble matter) amount) of 13% are kneaded with a heating kneader, and this is kneaded. It was fired at 800 ° C. in an oxidizing atmosphere. The obtained fired product was pulverized so that the average particle diameter became 8 μm, and fired again at 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to obtain a negative electrode active material. 92 parts by mass of the obtained negative electrode active material, 6 parts by mass of acetylene black powder, 5 parts by mass of SBR, 3 parts by mass of CMC and 200 parts by mass of water were stirred and mixed to prepare a slurry. The obtained slurry was applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of copper expanded metal having a porosity of 57% and a thickness of 32 μm using a roll coater, and then dried under vacuum to obtain a laminate having a total thickness of 80 μm. . A negative electrode is prepared by cutting the thus obtained laminate into a size of 100 mm x 143 mm so that the coated portion has a size of 100 mm x 128 mm and the uncoated portion has a size of 100 mm x 15 mm. did.

<リチウムイオンキャパシタ要素の作製>
先ず、正極10枚、負極11枚、厚みが50μmのセパレータ22枚を用意し、正極と負極とを、それぞれの塗工部は重なるが、それぞれの未塗工部は反対側になり重ならないよう、セパレータ、負極、セパレータ、正極の順で積重し、得られた積重体の4辺をテープにより固定することにより、電極積重体を作製した。次いで、厚み100μmのリチウム箔を切断し、厚さ40μmのステンレス網に圧着させることにより、リチウムイオン供給部材を作製し、このリチウムイオン供給部材を電極積重体の一方にセパレータを介して負極と対向するよう配置することで電極積層ユニットを得た。そして、作製した電極積層ユニットの10枚の正極の各々の未塗工部に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した、幅50mm、長さ50mm、厚さ0.2mmのアルミニウム製の正極用電源タブを重ねて超音波溶接した。一方、電極積層ユニットの11枚の負極の各々の未塗工部及びリチウムイオン供給部材に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した幅50mm、長さ50mm、厚さ0.2mmの銅製の負極用電源タブを重ねて抵抗溶接した。以上のようにして、リチウムイオンキャパシタ要素を作製した。
<Production of lithium-ion capacitor element>
First, 10 positive electrodes, 11 negative electrodes, and 22 separators each having a thickness of 50 μm were prepared. The coated portions of the positive electrode and the negative electrode were overlapped with each other, but the uncoated portions were on opposite sides and did not overlap. , A separator, a negative electrode, a separator, and a positive electrode were stacked in this order, and four sides of the obtained stacked body were fixed with a tape to prepare an electrode stacked body. Then, a lithium foil having a thickness of 100 μm is cut and pressed on a stainless steel net having a thickness of 40 μm to prepare a lithium ion supply member. The lithium ion supply member faces one of the electrode stacks with a negative electrode via a separator. Thus, an electrode stacking unit was obtained. An aluminum positive electrode having a width of 50 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.2 mm, in which a sealant film was previously heat-sealed to the uncoated portion of each of the ten positive electrodes of the produced electrode stacking unit at the sealing portion. The power supply tabs were overlapped and ultrasonically welded. On the other hand, the uncoated portion and the lithium-ion supply member of each of the 11 negative electrodes of the electrode stacking unit were previously heat-sealed with a sealant film to the sealing portion in a seal 50 mm in width, 50 mm in length, and 0.2 mm in thickness. The negative electrode power supply tabs were overlapped and resistance welded. As described above, a lithium ion capacitor element was manufactured.

<リチウムイオンキャパシタの作製>
次いで、ポリプロピレン(PP)層、アルミニウム層及びナイロン層が積層されており、寸法が125mm(縦幅)×160mm(横幅)×0.15mm(厚み)で、中央部分に、105mm(縦幅)×140mm(横幅)の絞り加工が施された上部外装フィルム(接合部となる外周縁部の幅が10mm)と、PP層、アルミニウム層及びナイロン層が積層されており、寸法が125mm(縦幅)×160mm(横幅)×0.15mm(厚み)の下部外装フィルムとを作製した。次いで、下部外装フィルム上における収容部となる位置に、リチウムイオンキャパシタ要素を、その正極用電源タブ及び負極用電源タブの各々が、下部外装フィルムの端部から外方に突出するよう配置し、このリチウムイオンキャパシタ要素に、上部外装フィルムを重ね合わせ、上部外装フィルム及び下部外装フィルムの外周縁部における三辺(正極用電源タブ及び負極用電源タブが突出する2辺及び長手方向の1辺)を熱融着することにより、当該三辺に収容部を取り囲む接合部を形成した。
<Production of lithium ion capacitor>
Next, a polypropylene (PP) layer, an aluminum layer and a nylon layer are laminated, and the dimensions are 125 mm (length) × 160 mm (width) × 0.15 mm (thickness), and 105 mm (length) × 140 mm (width) of the upper exterior film subjected to drawing processing (width of the outer peripheral edge serving as a joining portion is 10 mm), a PP layer, an aluminum layer, and a nylon layer are laminated, and the dimension is 125 mm (length). A lower exterior film of × 160 mm (width) × 0.15 mm (thickness) was produced. Next, the lithium ion capacitor element is arranged at a position to be a housing portion on the lower exterior film, and each of the positive electrode power tab and the negative electrode power tab is arranged to protrude outward from an end of the lower exterior film, The upper exterior film is superimposed on this lithium ion capacitor element, and three sides (two sides where the power tab for the positive electrode and the power tab for the negative electrode protrude and one side in the longitudinal direction) at the outer peripheral edges of the upper exterior film and the lower exterior film. Was heat-fused to form a joint around the housing on the three sides.

非プロトン性有機溶媒として、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジメチルカーボネート(体積比で、それぞれ、3:4:3)の混合溶媒を用い、濃度1.2mol/LのLiPF6を含む溶液を調製した後に、添加剤(ジフルオロリン酸リチウム)を電解液に対し0.5質量%加え、電解液とした。 As an aprotic organic solvent, a mixed solvent of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio: 3: 4: 3, respectively) was used to prepare a solution containing LiPF 6 having a concentration of 1.2 mol / L. Thereafter, an additive (lithium difluorophosphate) was added in an amount of 0.5% by mass based on the electrolytic solution to obtain an electrolytic solution.

次いで、前記外装フィルム間の収容部に、得られた電解液を注入した後、外装フィルムの外周縁部における残りの一辺を熱融着した。そして、この状態で、10日間放置することにより、リチウム箔(リチウムイオン供給部材)からリチウムイオンを負極にドープした。このようにして、試験用ラミネート外装リチウムイオンキャパシタを作製した。   Next, after injecting the obtained electrolytic solution into the accommodating portion between the exterior films, the other side of the outer peripheral edge of the exterior film was heat-sealed. Then, in this state, the negative electrode was doped with lithium ions from a lithium foil (lithium ion supply member) by being left for 10 days. In this way, a laminated lithium ion capacitor for a test laminate was produced.

<セル特性の評価>
前記リチウムイオンキャパシタに対し、10Aの定電流でセルの電圧が定格電圧の上限値3.8Vになるまで充電し、その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を0.5時間行った。次いで、10Aの定電流でセルの電圧が定格電圧の下限値2.2Vになるまで放電した際の静電容量を測定した。静電容量の測定結果は、1110Fであった。
また、この際、放電直前の電圧と放電開始から100msec後の電圧との差を放電電流で除した値を内部抵抗とした。内部抵抗の測定結果は、1.2mΩであった。
これらの結果を表1に示す。なお、表1における、実施例2及び比較例1〜2の静電容量及び内部抵抗の結果は、実施例1における静電容量及び内部抵抗の値をそれぞれ100とした場合の相対値である。
<Evaluation of cell characteristics>
The lithium-ion capacitor is charged at a constant current of 10 A until the cell voltage reaches the upper limit value of the rated voltage of 3.8 V, and then a constant current-constant voltage charging of applying a constant voltage of 3.8 V is performed for 0.5. Time went. Next, the capacitance when the cell was discharged at a constant current of 10 A until the voltage of the cell reached the lower limit value of 2.2 V of the rated voltage was measured. The measurement result of the capacitance was 1110F.
At this time, the value obtained by dividing the difference between the voltage immediately before the discharge and the voltage 100 msec after the start of the discharge by the discharge current was defined as the internal resistance. The measurement result of the internal resistance was 1.2 mΩ.
Table 1 shows the results. In Table 1, the results of the capacitance and the internal resistance of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 are relative values when the values of the capacitance and the internal resistance in Example 1 are each 100.

<ΔSEの測定>
先ず、恒温槽に放置する所定の時間を決定するため、以下の測定を行った。25℃の恒温槽内において、充電電圧(定格電圧の上限値)を3.8Vとして10Cの電流値で24時間CCCV充電を行った。その後、恒温槽内の温度を20℃に変更したところ、30分後にリチウムイオンキャパシタの開回路電圧(OCV)が最大値を示したことから、恒温槽に放置する時間は30分とした。
前記リチウムイオンキャパシタセルの充電時のΔSEは、大島孝昌ら、「小型リチウムイオン二次電池の急速充放電時の発熱挙動」、電気学会論文誌B、2004年、124巻、12号、p.1521−1527を参考にして、以下のように測定した。
<Measurement of ΔS E>
First, the following measurement was performed in order to determine a predetermined time to be left in a thermostat. CCCV charging was performed at a current value of 10 C for 24 hours at a charging voltage (upper limit of the rated voltage) of 3.8 V in a constant temperature bath at 25 ° C. After that, when the temperature in the thermostat was changed to 20 ° C., the open circuit voltage (OCV) of the lithium ion capacitor showed the maximum value after 30 minutes.
The ΔS E during charging of the lithium ion capacitor cell was calculated by Takamasa Oshima et al., “Heat generation behavior during rapid charge / discharge of a small lithium ion secondary battery”, IEEJ Transactions on Science, B, 2004, Vol. 124, No. 12, p. . It measured as follows with reference to 1521-1527.

25℃の恒温槽内において、E=3.8V(定格電圧の上限値)として10Cの電流値で24時間CCCV充電を行った。その後、恒温槽内の温度Tを30℃に変更し、30分経過後にリチウムイオンキャパシタのOCVを測定した。続いて、恒温槽内の温度を25℃に変更して、E=2.2V(定格電圧の下限値)として10Cの電流値で24時間CCCV放電を行った。その後、恒温槽内の温度Tを30℃に変更し、30分経過後にリチウムイオンキャパシタのOCVを測定した。
これらの測定を、
E=3.8V;T=30℃
E=2.2V;T=30℃
と表す。
以降、同様にして以下の順でOCV測定を行った。なお、OCV測定をする以外のCCCV充電及びCCCV放電の際の恒温槽の温度はいずれも25℃とした。
CCCV charging was performed at a current value of 10 C for 24 hours in a thermostat at 25 ° C. with E = 3.8 V (upper limit of the rated voltage). Then, the temperature T in the thermostat was changed to 30 ° C., and after 30 minutes, the OCV of the lithium ion capacitor was measured. Subsequently, the temperature in the thermostat was changed to 25 ° C., and CCCV discharge was performed at a current value of 10 C for 24 hours with E = 2.2 V (lower limit value of the rated voltage). Then, the temperature T in the thermostat was changed to 30 ° C., and after 30 minutes, the OCV of the lithium ion capacitor was measured.
These measurements,
E = 3.8V; T = 30 ° C.
E = 2.2V; T = 30 ° C.
It expresses.
Thereafter, the OCV measurement was similarly performed in the following order. In addition, the temperature of the thermostat at the time of CCCV charge and CCCV discharge other than performing OCV measurement was set to 25 ° C.

E=3.8V;T=28℃
E=2.2V;T=28℃
E=3.8V;T=26℃
E=2.2V;T=26℃
E=3.8V;T=24℃
E=2.2V;T=24℃
E=3.8V;T=22℃
E=2.2V;T=22℃
E=3.8V;T=20℃
E=2.2V;T=20℃
E = 3.8V; T = 28 ° C.
E = 2.2V; T = 28 ° C.
E = 3.8V; T = 26 ° C.
E = 2.2V; T = 26 ° C.
E = 3.8V; T = 24 ° C.
E = 2.2V; T = 24 ° C.
E = 3.8V; T = 22 ° C.
E = 2.2V; T = 22 ° C.
E = 3.8V; T = 20 ° C.
E = 2.2V; T = 20 ° C.

以上のように測定した、恒温槽内の各温度T(K)に対するOCVの値の関係を、E=3.8Vの場合及びE=2.2Vの場合それぞれについてプロットし、最小二乗法によりOCVの傾き(ΔV0/ΔT)を計算し、前記式(1−1)によりΔSE(J/K・mol)を算出した。その結果、E=3.8V及びE=2.2VにおけるΔSEは、それぞれ55.5J/K・mol、112.4J/K・molであった。 The relationship of the OCV value with respect to each temperature T (K) in the thermostat measured as described above is plotted for each of the cases of E = 3.8 V and E = 2.2 V, and the OCV is calculated by the least square method. Was calculated (ΔV 0 / ΔT), and ΔS E (J / K · mol) was calculated by the above equation (1-1). As a result, ΔS E at E = 3.8 V and E = 2.2 V were 55.5 J / K · mol and 112.4 J / K · mol, respectively.

25℃の恒温槽内において、E=3.0Vとして10Cの電流値で24時間CCCV充電を行った。その後、恒温槽内の温度Tを30℃に変更し、30分経過後にリチウムイオンキャパシタの(E=3.0V;T=30℃での)OCVを測定した。続いて、設定電圧を2.2Vとして10Cの電流値で24時間CCCV放電を行った。その後、恒温槽内の温度を25℃に変更して、E=3.0Vとして10Cの電流値で24時間CCCV充電を行った。続いて、恒温槽内の温度Tを28℃に変更し、30分経過後にリチウムイオンキャパシタの(E=3.0V;T=28℃での)OCVを測定した。同様の操作を繰り返して、E=3.0V;T=26℃、E=3.0V;T=24℃、E=3.0V;T=22℃、E=3.0V;T=20℃でのOCV測定を行った。   CCCV charging was performed at a current value of 10 C for 24 hours in a 25 ° C. constant temperature bath at E = 3.0 V. Then, the temperature T in the thermostat was changed to 30 ° C., and after 30 minutes, the OCV (at E = 3.0 V; T = 30 ° C.) of the lithium ion capacitor was measured. Subsequently, CCCV discharge was performed at a current value of 10 C for 24 hours at a set voltage of 2.2 V. Thereafter, the temperature in the thermostat was changed to 25 ° C., and CCCV charging was performed at a current value of 10 C for 24 hours with E = 3.0 V. Subsequently, the temperature T in the thermostat was changed to 28 ° C., and after 30 minutes, the OCV (at E = 3.0 V; T = 28 ° C.) of the lithium ion capacitor was measured. By repeating the same operation, E = 3.0 V; T = 26 ° C., E = 3.0 V; T = 24 ° C., E = 3.0 V; T = 22 ° C., E = 3.0 V; T = 20 ° C. OCV measurement was performed.

その結果、E=3.0VにおけるΔSEは、93.0J/K・molであった。以上のことから、E=3.8V、E=3.0V及びE=2.2Vの3点におけるΔSEの平均値は、87.0J/K・molであった。結果を表1に示す。 As a result, [Delta] S E in the E = 3.0 V was 93.0J / K · mol. From the above, E = 3.8 V, the average value of [Delta] S E in the three points E = 3.0 V and E = 2.2V was 87.0J / K · mol. Table 1 shows the results.

<大電流で充電した際の発熱量の測定>
前記リチウムイオンキャパシタを25℃の環境下において100Aの電流で定格電圧の下限値2.2Vから上限値3.8Vまで断熱的に充電した際の発熱量を、セルの表面に貼り付けた熱電対により測定した温度変化及びセルの熱容量から計算した。その結果、発熱量は−210Jとなり、このような大電流で充電した場合でも、該充電過程は、実質的に吸熱過程であり、(急速)充放電による劣化が抑制される蓄電デバイスであることが確認された。結果を表1に示す。
<Measurement of calorific value when charged with large current>
The amount of heat generated when the lithium ion capacitor was adiabatically charged from a lower limit value of 2.2 V to an upper limit value of 3.8 V at a current of 100 A under an environment of 25 ° C. was measured using a thermocouple attached to the surface of the cell. And the heat capacity of the cell. As a result, the calorific value becomes -210 J. Even when the battery is charged with such a large current, the charging process is substantially an endothermic process, and is a power storage device in which deterioration due to (rapid) charging and discharging is suppressed. Was confirmed. Table 1 shows the results.

<急速充電でのサイクル試験>
前記リチウムイオンキャパシタを、60℃において100Aで定格電圧の上限値3.8Vまで充電後、10Aで定格電圧の下限値2.2Vまで放電する充放電サイクル試験を実施した。この充放電を1サイクルとし、10000サイクル後のセルの厚みを測定した。結果を表1に示す。なお、表1における、実施例2及び比較例1〜2のサイクル試験の結果は、実施例1のセルを用いたサイクル試験後のセルの厚みの増加量を100とした場合の相対値である。この値が小さい程、急速充電を繰り返しても劣化し難く、安全性にも優れることを意味する。
<Cycle test with quick charge>
A charge-discharge cycle test was performed in which the lithium-ion capacitor was charged at 60 ° C. at 100 A to the upper limit of the rated voltage of 3.8 V, and then discharged at 10 A to the lower limit of the rated voltage of 2.2 V. This charge / discharge was defined as one cycle, and the cell thickness after 10,000 cycles was measured. Table 1 shows the results. In Table 1, the results of the cycle tests of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 are relative values when the increase in the thickness of the cell after the cycle test using the cell of Example 1 is 100. . The smaller the value, the more difficult it is to deteriorate even after repeated rapid charging, and the better the safety.

[実施例2]
前記実施例1において、電解液に添加した添加剤を、1質量%のジフルオロリン酸リチウム及び0.05質量%の1−プロペン1,3−スルトンに変更した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオンキャパシタを作製し、各種評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, except that the additive added to the electrolytic solution was changed to 1% by mass of lithium difluorophosphate and 0.05% by mass of 1-propene 1,3-sultone. To produce a lithium ion capacitor, and various evaluations were made. Table 1 shows the results.

[比較例1]
前記実施例1において、電解液に添加剤を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にしてリチウムイオンキャパシタを作製し、各種評価を行った。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
In Example 1, a lithium ion capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that no additive was added to the electrolytic solution, and various evaluations were performed. Table 1 shows the results.

[比較例2]
前記実施例1において、負極を実施例1の正極と同様の構成にした上、リチウムイオン供給部材を使用しなかった(即ち、リチウムイオンを負極にドープしなかった)こと以外は、実施例1と同様にしてキャパシタセルを作製した。
この比較例2で得られたキャパシタは、電気二重層キャパシタであり、定格電圧の上限値は1.6V、下限値は0Vであった。ΔSEの測定においては、E=1.6V、E=0.8V及びE=0Vの3点における平均値を求めた。セル特性の評価、大電流で充電した際の発熱量の測定及び急速充電でのサイクル試験においても、0−1.6Vで評価を行った。評価結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
Example 1 Example 1 was repeated except that the negative electrode had the same structure as the positive electrode of Example 1 and that no lithium ion supply member was used (that is, lithium ions were not doped into the negative electrode). In the same manner as in the above, a capacitor cell was produced.
The capacitor obtained in Comparative Example 2 was an electric double layer capacitor, and the upper limit of the rated voltage was 1.6 V and the lower limit was 0 V. In the measurement of ΔS E , the average value at three points of E = 1.6 V, E = 0.8 V, and E = 0 V was obtained. In the evaluation of the cell characteristics, the measurement of the calorific value when charged with a large current, and the cycle test in rapid charging, the evaluation was performed at 0 to 1.6 V. Table 1 shows the evaluation results.

Figure 2020047830
Figure 2020047830

Claims (7)

下記式(1)により求められるエントロピー変化ΔSEの平均値が82J/K・mol以上であるキャパシタ。
ΔSEの平均値=(ΔSEa+ΔSEb+ΔSEc)/3 (1)
[式(1)において、ΔSEa、ΔSEb及びΔSEcはそれぞれ、下記式(1−1)で算出される。]
ΔSE=−n×9.65×104(C/mol)×ΔV0/ΔT (1−1)
[式(1−1)において、
ΔSEはΔSEa、ΔSEb又はΔSEcのいずれかであり、
nは電極反応に関与する電荷数であり、
ΔV0/ΔTは、25℃の恒温槽内においてキャパシタの電圧がE(V)になるよう10Cの電流値で調整したキャパシタを、温度T=20℃、22℃、24℃、26℃、28℃又は30℃の恒温槽にそれぞれ所定の時間放置した後の開回路電圧V0を測定し、横軸をT(K)、縦軸を開回路電圧V0(V)として前記測定結果をプロットしたグラフにおいて、最小二乗法により求められる直線の傾きを意味する。
前記ΔSEaは、前記E(V)を「定格電圧の上限値」にした場合のエントロピー変化であり、
前記ΔSEbは、前記E(V)を「定格電圧の下限値」にした場合のエントロピー変化であり、
前記ΔSEcは、前記E(V)を「(前記上限値+前記下限値)/2」にした場合のエントロピー変化である。
前記所定の時間とは、下記A及びBのうち長い方の時間を意味する。
A:25℃の恒温槽内において、10Cの電流値で24時間定電流定電圧充電を行うことにより、キャパシタの電圧をその定格電圧の上限値になるよう調整したキャパシタを、20℃の恒温槽中に放置した際に、放置開始から開回路電圧が最大値を示すまでに要した時間(分)
B:キャパシタの静電容量が2000F未満の場合は30分、2000F以上の場合は静電容量(F)/2000×60(分)]
A capacitor having an average value of the entropy change ΔS E obtained by the following equation (1) of 82 J / K · mol or more.
Average value of ΔS E = (ΔS Ea + ΔS Eb + ΔS Ec ) / 3 (1)
[In equation (1), ΔS Ea , ΔS Eb, and ΔS Ec are each calculated by the following equation (1-1). ]
ΔS E = −n × 9.65 × 10 4 (C / mol) × ΔV 0 / ΔT (1-1)
[In the formula (1-1),
ΔS E is any of ΔS Ea , ΔS Eb or ΔS Ec ,
n is the number of charges involved in the electrode reaction,
ΔV 0 / ΔT is obtained by adjusting a capacitor adjusted at a current value of 10 C so that the voltage of the capacitor becomes E (V) in a 25 ° C. constant temperature bath at a temperature T = 20 ° C., 22 ° C., 24 ° C., 26 ° C., 28 The open circuit voltage V 0 after leaving each in a constant temperature bath at 30 ° C. or 30 ° C. for a predetermined time was measured, and the measurement results were plotted with the horizontal axis representing T (K) and the vertical axis representing open circuit voltage V 0 (V). In the graph shown, it means the slope of a straight line obtained by the least squares method.
The ΔS Ea is an entropy change when the E (V) is set to the “upper limit of the rated voltage”,
The ΔS Eb is an entropy change when the E (V) is set to “the lower limit of the rated voltage”,
The ΔS Ec is an entropy change when the E (V) is set to “(the upper limit value + the lower limit value) / 2”.
The predetermined time means a longer time of the following A and B.
A: A capacitor whose voltage has been adjusted to the upper limit of the rated voltage by performing constant-current constant-voltage charging at a current value of 10 C for 24 hours in a 25 ° C. constant temperature bath in a 25 ° C. constant temperature bath. Time (minutes) required for the open circuit voltage to reach the maximum value from the start of standing when left inside
B: 30 minutes when the capacitance of the capacitor is less than 2000F, and capacitance (F) / 2000 × 60 (min) when the capacitance is 2000F or more]
リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩及び有機オニウム塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む電解質を備える、請求項1に記載のキャパシタ。   The capacitor according to claim 1, further comprising an electrolyte containing at least one selected from the group consisting of a lithium salt, a sodium salt, a magnesium salt, and an organic onium salt. 前記エントロピー変化ΔSEの平均値が200J/K・mol以下である、請求項1又は2に記載のキャパシタ。 3. The capacitor according to claim 1, wherein the average value of the entropy change ΔS E is 200 J / K · mol or less. 4. 下記式(1)により求められるエントロピー変化ΔSEの平均値が82J/K・mol以上であるリチウムイオンキャパシタ。
ΔSEの平均値=(ΔS3.8+ΔS3.0+ΔS2.2)/3 (1)
[式(1)において、ΔS3.8、ΔS3.0及びΔS2.2はそれぞれ、下記式(1−1)で算出される。]
ΔSE=−9.65×104(C/mol)×ΔV0/ΔT (1−1)
[式(1−1)において、
ΔSEはΔS3.8、ΔS3.0又はΔS2.2のいずれかであり、
ΔV0/ΔTは、25℃の恒温槽内においてリチウムイオンキャパシタの電圧がE(V)になるよう10Cの電流値で調整したリチウムイオンキャパシタを、温度T=20℃、22℃、24℃、26℃、28℃又は30℃の恒温槽にそれぞれ所定の時間放置した後の開回路電圧V0を測定し、横軸をT(K)、縦軸を開回路電圧V0(V)として前記測定結果をプロットしたグラフにおいて、最小二乗法により求められる直線の傾きを意味する。
前記ΔS3.8は、前記E(V)を3.8Vにした場合のエントロピー変化であり、
前記ΔS3.0は、前記E(V)を3.0Vにした場合のエントロピー変化であり、
前記ΔS2.2は、前記E(V)を2.2Vにした場合のエントロピー変化である。
前記所定の時間とは、下記A及びBのうち長い方の時間を意味する。
A:25℃の恒温槽内において、10Cの電流値で24時間定電流定電圧充電を行うことにより、リチウムイオンキャパシタの電圧を3.8Vになるよう調整したリチウムイオンキャパシタを、20℃の恒温槽中に放置した際に、放置開始から開回路電圧が最大値を示すまでに要した時間(分)
B:リチウムイオンキャパシタの静電容量が2000F未満の場合は30分、2000F以上の場合は静電容量(F)/2000×60(分)]
A lithium ion capacitor in which the average value of the entropy change ΔS E obtained by the following equation (1) is 82 J / K · mol or more.
Average value of ΔS E = (ΔS 3.8 + ΔS 3.0 + ΔS 2.2 ) / 3 (1)
[In equation (1), ΔS 3.8 , ΔS 3.0 and ΔS 2.2 are each calculated by the following equation (1-1). ]
ΔS E = −9.65 × 10 4 (C / mol) × ΔV 0 / ΔT (1-1)
[In the formula (1-1),
ΔS E is any of ΔS 3.8 , ΔS 3.0 or ΔS 2.2 ,
ΔV 0 / ΔT is obtained by adjusting a lithium ion capacitor adjusted at a current value of 10 C so that the voltage of the lithium ion capacitor becomes E (V) in a thermostat at 25 ° C., at a temperature T = 20 ° C., 22 ° C., 24 ° C. The open circuit voltage V 0 after being left in a constant temperature bath at 26 ° C., 28 ° C. or 30 ° C. for a predetermined time was measured, and the horizontal axis was T (K), and the vertical axis was the open circuit voltage V 0 (V). In a graph in which the measurement results are plotted, it means the slope of a straight line obtained by the least squares method.
ΔS 3.8 is an entropy change when the E (V) is set to 3.8 V,
The ΔS 3.0 is an entropy change when the E (V) is set to 3.0 V,
ΔS 2.2 is an entropy change when E (V) is set to 2.2V.
The predetermined time means a longer time of the following A and B.
A: A lithium ion capacitor whose voltage was adjusted to 3.8 V by performing constant current constant voltage charging at a current value of 10 C for 24 hours in a constant temperature bath of 25 ° C. was heated at a constant temperature of 20 ° C. Time (minutes) required for the open circuit voltage to reach the maximum value from the start of standing when left in the bath
B: 30 minutes when the capacitance of the lithium ion capacitor is less than 2000F, and capacitance (F) / 2000 × 60 (min) when the capacitance is 2000F or more]
フルオロリン酸リチウムを含む電解液を備える、請求項4に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to claim 4, further comprising an electrolytic solution containing lithium fluorophosphate. 前記電解液がスルトン類を更に含む、請求項5に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to claim 5, wherein the electrolyte further includes sultones. 前記エントロピー変化ΔSEの平均値が200J/K・mol以下である、請求項4〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。 The lithium ion capacitor according to claim 4, wherein the average value of the entropy change ΔS E is 200 J / K · mol or less.
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