JP5766068B2 - Capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、負極にアルカリ金属のプレドープを行ったキャパシタ、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a capacitor in which a negative electrode is pre-doped with alkali metal, and a method for manufacturing the same.

ハイブリッド型作業機械等において、回生電力を蓄電するための蓄電器として、リチウムイオンキャパシタ及びリチウムイオン二次電池が注目されている。リチウムイオンキャパシタの負極活物質には、一般的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素系材料が用いられる。負極にリチウムイオンをプレドープすることによって、大きな電圧を得ることができる。正極の分極性電極材料には、電気二重層キャパシタの正極と同様の活性炭等が用いられる。この負極と正極とが、セパレータを挟んで交互に積層される。   2. Description of the Related Art Lithium ion capacitors and lithium ion secondary batteries are attracting attention as power storage devices for storing regenerative power in hybrid work machines and the like. Generally, a carbon-based material capable of inserting and extracting lithium ions is used for the negative electrode active material of the lithium ion capacitor. A large voltage can be obtained by pre-doping lithium ions into the negative electrode. For the polarizable electrode material, activated carbon similar to the positive electrode of the electric double layer capacitor is used. The negative electrode and the positive electrode are alternately stacked with a separator interposed therebetween.

メッシュ状の集電体の両面に、負極活物質や分極性電極材料を含むスラリを成形して正極及び負極を形成する技術が公知である。正極、負極、及びセパレータの積層体にリチウム金属を接触させ、電解液中に放置することにより、負極にリチウムイオンをプレドープすることができる。リチウムイオンは、メッシュ状の集電体の空隙部を厚さ方向に輸送される。   A technique for forming a positive electrode and a negative electrode by forming a slurry containing a negative electrode active material and a polarizable electrode material on both sides of a mesh-like current collector is known. The negative electrode can be pre-doped with lithium ions by bringing lithium metal into contact with the laminate of the positive electrode, the negative electrode, and the separator and leaving it in the electrolytic solution. Lithium ions are transported in the thickness direction through the voids of the mesh current collector.

負極集電体に塗布された負極活物質層の一部を剥離し、その部分に金属リチウムを貼り着けることにより、負極活物質にリチウムイオンをプレドープする方法が提案されている。この方法では、リチウムイオンが負極活物質層内を面内方向に輸送される。   There has been proposed a method in which a part of a negative electrode active material layer applied to a negative electrode current collector is peeled off and metallic lithium is attached to the part, thereby pre-doping lithium ions into the negative electrode active material. In this method, lithium ions are transported in the in-plane direction within the negative electrode active material layer.

特開2009−187753号公報JP 2009-187753 A

メッシュ状の集電体に負極活物質や分極性電極材料を含有するスラリを塗布する方法では、スラリがメッシュの空隙部を通過してしまう。メッシュの空隙部を通過したスラリを、メッシュに保持する必要があるため、塗布方法が制約を受ける。リチウムイオンを面内方向に輸送する方法では、輸送すべき距離が長くなるため、プレドープ時間の短縮化が困難である。   In the method of applying a slurry containing a negative electrode active material or a polarizable electrode material to a mesh current collector, the slurry passes through the voids of the mesh. Since the slurry that has passed through the voids of the mesh needs to be held in the mesh, the coating method is restricted. In the method of transporting lithium ions in the in-plane direction, since the distance to be transported becomes long, it is difficult to shorten the pre-doping time.

本発明の目的は、アルカリ金属イオン、例えばリチウムイオン等のプレドープ時間を短縮することができるキャパシタ、及びその製造方法を提供することである。   The objective of this invention is providing the capacitor which can shorten pre dope time, such as an alkali metal ion, for example, lithium ion, and its manufacturing method.

本発明の一観点によると、
アルカリ金属遷移金属複合酸化物から全てのアルカリ金属が放出された遷移金属酸化物と、活性炭とを含む正電極と、
アルカリ金属の吸蔵及び放出が可能で、アルカリ金属が吸蔵されており、アルカリ金属の吸蔵による蓄電量が、カチオンの吸着による蓄電量よりも大きい負極活物質を含む負電極と、
前記正電極と前記負電極とを隔て、電解液が含浸されたセパレータと
を有するキャパシタが提供される。
According to one aspect of the invention,
A positive electrode comprising a transition metal oxide from which all alkali metals have been released from an alkali metal transition metal composite oxide, and activated carbon;
A negative electrode including a negative electrode active material capable of occlusion and release of alkali metal, wherein the alkali metal is occluded, and the amount of electricity stored by alkali metal occlusion is greater than the amount of electricity stored by cation adsorption;
A capacitor is provided that includes a separator impregnated with an electrolytic solution across the positive electrode and the negative electrode.

本発明の他の観点によると、
(a)アルカリ金属遷移金属複合酸化物と活性炭とを含む正電極と、アルカリ金属の吸蔵及び放出が可能な負極活物質を含む負電極とを、電解液を介して配置する工程と、
(b)前記正電極を形成しているアルカリ金属遷移金属複合酸化物から全てのアルカリ金属を、アルカリ金属イオンとして前記電解液中に放出させると共に、前記電解液中のアルカリ金属イオンを、前記負電極の負極活物質に吸蔵させる工程と
を有するキャパシタの製造方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
(A) a step of disposing a positive electrode containing an alkali metal transition metal complex oxide and activated carbon and a negative electrode containing a negative electrode active material capable of occluding and releasing alkali metal via an electrolytic solution;
(B) All alkali metals are released from the alkali metal transition metal composite oxide forming the positive electrode into the electrolyte as alkali metal ions, and the alkali metal ions in the electrolyte are There is provided a method of manufacturing a capacitor including a step of occluding a negative electrode active material of an electrode.

正電極のアルカリ金属遷移金属複合酸化物内のアルカリ金属が、負電極の負極活物質にプレドープされる。プレドープの原料であるアルカリ金属イオンの輸送距離が短いため、プレドープ時間を短縮することができる。   The alkali metal in the alkali metal transition metal composite oxide of the positive electrode is pre-doped into the negative electrode active material of the negative electrode. Since the transport distance of alkali metal ions, which are the raw materials for pre-doping, is short, the pre-doping time can be shortened.

図1A及び図1Bは、それぞれ実施例によるキャパシタのプレドープ゜前及びプレドープ中における模式図である。1A and 1B are schematic views of a capacitor according to an embodiment before and during pre-doping, respectively. 図2A及び図2Bは、それぞれ実施例によるキャパシタの充電中及び放電中における模式図である。2A and 2B are schematic views during charging and discharging of the capacitor according to the embodiment, respectively. 図3Aは、負極活物質へのプレドープ量と、電極電位との関係を測定した結果を示すグラフであり、図3Bは、図3Aの原点近傍の横軸を拡大したグラフである。FIG. 3A is a graph showing the results of measuring the relationship between the amount of pre-doping into the negative electrode active material and the electrode potential, and FIG. 3B is an enlarged graph of the horizontal axis in the vicinity of the origin in FIG. 3A. 図4は、実施例によるキャパシタのプレドープ、充電、及び放電動作時の電極の電位の変化の一例を示すグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating an example of changes in the potential of the electrodes during pre-doping, charging, and discharging operations of the capacitor according to the example. 実施例によるキャパシタを用いた蓄電セルの分解平面図である。It is a decomposition | disassembly top view of the electrical storage cell using the capacitor by an Example. 実施例によるキャパシタを用いた蓄電セルの断面図である。It is sectional drawing of the electrical storage cell using the capacitor by an Example.

実施例について説明する前に、用語の定義を行う。分極性電極材料の表面にイオンが集合して電気二重層を形成する物理的な作用を「吸着(adsorption)」という。その逆に、分極性電極材料の表面からイオンが離れる物理的な作用を「脱離(desorption)」という。吸着及び脱離は、電気二重層キャパシタの充放電時に正極及び負極で生じる。イオンが電極に取り込まれると同時に酸化還元反応が生じる化学的な作用を「吸蔵(intercalation)」という。イオンが電極から離れると同時に酸化還元反応が生じる化学的な作用を「放出(deintercalation)」という。吸蔵及び放出は、リチウムイオン二次電池の充放電時に、正極及び負極で生じる。   Before describing the examples, terms are defined. The physical action of ions gathering on the surface of the polarizable electrode material to form an electric double layer is called “adsorption”. Conversely, the physical action of ions leaving the surface of the polarizable electrode material is called “desorption”. Adsorption and desorption occur at the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging of the electric double layer capacitor. The chemical action that causes a redox reaction at the same time that ions are taken into the electrode is called "intercalation". The chemical action that causes a redox reaction at the same time that ions leave the electrode is called "deintercalation". Occlusion and release occur at the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging of the lithium ion secondary battery.

主として吸着及び脱離により蓄電及び放電が行われる材料を、「分極性電極材料」という。主として、吸蔵及び放出により蓄電及び放電が行われる材料を、「活物質」という。   A material that is charged and desorbed mainly by adsorption and desorption is referred to as “polarizable electrode material”. A material that is charged and discharged mainly by occlusion and release is called an “active material”.

図1Aに、実施例によるキャパシタの、プレドープ前における模式図を示す。負極集電体10と負極活物質層11とにより負電極15が構成される。正極集電体20と分極性電極層21とにより、正電極25が構成される。   FIG. 1A shows a schematic diagram of the capacitor according to the embodiment before pre-doping. The negative electrode 15 is constituted by the negative electrode current collector 10 and the negative electrode active material layer 11. The positive electrode current collector 20 and the polarizable electrode layer 21 constitute a positive electrode 25.

負極集電体10の表面に、負極活物質層11が配置されている。負極集電体10には、例えば、厚さ約14μmの銅箔が用いられる。負極活物質層11は、負極活物質及び導電助剤をバインダで結着したものである。負極活物質には、例えば黒鉛、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、フラーレン等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンブラック等の導電性微粒子が用いられる。バインダには、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が用いられる。   A negative electrode active material layer 11 is disposed on the surface of the negative electrode current collector 10. For the negative electrode current collector 10, for example, a copper foil having a thickness of about 14 μm is used. The negative electrode active material layer 11 is formed by binding a negative electrode active material and a conductive additive with a binder. As the negative electrode active material, for example, graphite, graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), carbon nanotube, fullerene and the like are used. As the conductive assistant, for example, conductive fine particles such as carbon black are used. As the binder, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) or the like is used.

正極集電体20の表面に、分極性電極層21が配置されている。正極集電体20には、例えば厚さ20μmのアルミニウム箔が用いられる。分極性電極層21は、分極性電極材料、アルカリ金属遷移金属複合酸化物、及び導電助剤をバインダで結着したものである。分極性電極材料には、例えば活性炭が用いられる。アルカリ金属遷移金属複合酸化物は、リチウム等のアルカリ金属と、V、Fe、Co、Mn、Ni、W、Zn、Ti等の遷移金属との複合酸化物である。導電助剤及びバインダには、負極活物質層11の導電助剤及びバインダと同じ材料が用いられる。   A polarizable electrode layer 21 is disposed on the surface of the positive electrode current collector 20. For the positive electrode current collector 20, for example, an aluminum foil having a thickness of 20 μm is used. The polarizable electrode layer 21 is obtained by binding a polarizable electrode material, an alkali metal transition metal composite oxide, and a conductive additive with a binder. For example, activated carbon is used as the polarizable electrode material. The alkali metal transition metal composite oxide is a composite oxide of an alkali metal such as lithium and a transition metal such as V, Fe, Co, Mn, Ni, W, Zn, or Ti. The same material as the conductive assistant and binder of the negative electrode active material layer 11 is used for the conductive assistant and binder.

負極活物質層11と分極性電極層21との間に、電解液が含浸されたセパレータ30が配置されている。セパレータ30には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、セロハン等の多孔質フィルムが用いられる。電解液の溶媒には、例えば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、溶質には、例えばLiPF等のリチウム塩が用いられる。電解液は、カチオンとしてリチウムイオン(Li)を含み、アニオンとして六フッ化リン酸イオン(PF )を含む。 A separator 30 impregnated with an electrolytic solution is disposed between the negative electrode active material layer 11 and the polarizable electrode layer 21. For the separator 30, for example, a porous film made of polyethylene, polypropylene, aramid, polyethylene terephthalate, cellulose, cellophane, or the like is used. For example, a mixed solution of ethylene carbonate and dimethyl carbonate is used as the solvent of the electrolytic solution, and a lithium salt such as LiPF 6 is used as the solute. The electrolytic solution contains lithium ions (Li + ) as cations and hexafluorophosphate ions (PF 6 ) as anions.

図1Bに、プレドープ時におけるキャパシタの模式図を示す。以下、分極性電極層21に含まれるアルカリ金属遷移金属複合酸化物としてコバルト酸リチウム(LiCoO)を用いた例について説明する。 FIG. 1B shows a schematic diagram of the capacitor during pre-doping. Hereinafter, an example in which lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) is used as the alkali metal transition metal composite oxide contained in the polarizable electrode layer 21 will be described.

プレドープ時には、負極集電体10と正極集電体20とを直流電源32に接続し、負極集電体10に対して正極集電体20に正電圧を印加する。分極性電極層21からリチウムが、電解液内に放出される。このとき、放出されたリチウム原子の数と同数の自由電子が発生する。発生した自由電子は、正極集電体20を経由して外部回路に流出する。リチウムの放出により、一部のコバルトが酸化されて、Co3+からCo4+に変化する。 At the time of pre-doping, the negative electrode current collector 10 and the positive electrode current collector 20 are connected to a DC power source 32, and a positive voltage is applied to the positive electrode current collector 20 with respect to the negative electrode current collector 10. Lithium is released from the polarizable electrode layer 21 into the electrolytic solution. At this time, the same number of free electrons as the number of released lithium atoms is generated. The generated free electrons flow out to the external circuit via the positive electrode current collector 20. Due to the release of lithium, a part of cobalt is oxidized and changed from Co 3+ to Co 4+ .

電解液中のリチウムイオンが、負極活物質層11に吸蔵される。吸蔵されたリチウム原子の数と同数の電子が、外部回路から負極集電体10を経由して、負極活物質層11に流入する。   Lithium ions in the electrolytic solution are occluded in the negative electrode active material layer 11. The same number of electrons as the number of occluded lithium atoms flows into the negative electrode active material layer 11 from the external circuit via the negative electrode current collector 10.

分極性電極層21内のすべてのリチウム原子が電解液中に放出された時点で、プレドープが終了する。プレドープ終了時点では、分極性電極層21に、アルカリ金属遷移金属複合酸化物(例えば、LiCoO)からアルカリ金属(例えば、Li)が放出された遷移金属酸化物が残る。負極活物質層11のアルカリ金属収蔵可能量は、分極性電極層21に含まれていたアルカリ金属の量よりも多い。負極活物質層11のアルカリ金属収蔵可能量、及び分極性電極層21に含まれていたアルカリ金属の量は、例えばモル数で表される。このため、分極性電極層21から放出されたアルカリ金属イオンの総モル数と同じモル数のアルカリ金属イオンが、負極活物質層11に吸蔵される。 When all the lithium atoms in the polarizable electrode layer 21 are released into the electrolyte, the pre-doping is finished. At the end of pre-doping, a transition metal oxide in which an alkali metal (for example, Li) is released from an alkali metal transition metal composite oxide (for example, LiCoO 2 ) remains in the polarizable electrode layer 21. The amount of alkali metal that can be stored in the negative electrode active material layer 11 is larger than the amount of alkali metal contained in the polarizable electrode layer 21. The amount of alkali metal that can be stored in the negative electrode active material layer 11 and the amount of alkali metal contained in the polarizable electrode layer 21 are expressed, for example, in terms of moles. For this reason, alkali metal ions having the same number of moles as the total number of moles of alkali metal ions released from the polarizable electrode layer 21 are occluded in the negative electrode active material layer 11.

図2Aに、充電中におけるキャパシタの模式図を示す。充電時には、プレドープ時と同様に、直流電源32により、負極集電体10に対して正極集電体20に正電圧が印加される。   FIG. 2A shows a schematic diagram of the capacitor during charging. At the time of charging, a positive voltage is applied to the positive electrode current collector 20 with respect to the negative electrode current collector 10 by the DC power source 32 as in the case of pre-doping.

正電極25において、分極性電極層21内の電子が、正極集電体20を経由して外部回路に流出することにより、分極性電極層21の表面が正に帯電する。これにより、分極性電極層21の表面に、電解液中のアニオンが吸着され、電気二重層が形成される。負電極15においては、負極活物質層11内の負極活物質に、電解液中のリチウムイオンが吸蔵される。このとき、外部回路から、負極集電体10を経由して、負極活物質層11内に電子が流入する。   In the positive electrode 25, electrons in the polarizable electrode layer 21 flow out to the external circuit via the positive electrode current collector 20, so that the surface of the polarizable electrode layer 21 is positively charged. Thereby, the anion in electrolyte solution is adsorb | sucked to the surface of the polarizable electrode layer 21, and an electrical double layer is formed. In the negative electrode 15, lithium ions in the electrolytic solution are occluded in the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 11. At this time, electrons flow into the negative electrode active material layer 11 from the external circuit via the negative electrode current collector 10.

なお、黒鉛等の負極活物質の表面にも、電気二重層が形成される。ただし、黒鉛等の比表面積は、活性炭等の比表面積に比べて、著しく小さい。このため、負極活物質においては、アルカリ金属イオンの吸蔵による蓄電量が、カチオンの吸着による蓄電量よりも多い。負極活物質層層11でのカチオンの吸着及び脱離による充放電は、実質的に無視することができる。   An electric double layer is also formed on the surface of a negative electrode active material such as graphite. However, the specific surface area of graphite or the like is significantly smaller than that of activated carbon or the like. Therefore, in the negative electrode active material, the amount of electricity stored by occlusion of alkali metal ions is larger than the amount of electricity stored by cation adsorption. Charging / discharging due to adsorption and desorption of cations in the negative electrode active material layer 11 can be substantially ignored.

図2Bに、放電中におけるキャパシタの模式図を示す。負電極15において、負極活物質層11に吸蔵されていたリチウムが、電解液中に放出される。このとき、放出されたリチウムイオンと同数の電子が、負極集電体10を経由して、負荷35が挿入された外部回路に流出する。正電極25においては、外部回路から正極集電体20を経由して、分極性電極層21に電子が流入する。これにより、分極性電極材料の表面に吸着していたアニオンが脱離する。正電極25の電位が、当初の分極性電極層21内に含まれていたアルカリ金属遷移金属複合酸化物の酸化還元電位より低くならない限り、リチウムイオンの吸蔵は生じない。このため、正電極25では、アルカリ金属の吸蔵及び放出ではなく、アニオンの吸着及び脱離により蓄電及び放電が行われる。これに対し、負電極15では、アルカリ金属イオンの吸蔵及び放出により、蓄電及び放電が行われる。   FIG. 2B shows a schematic diagram of the capacitor during discharge. In the negative electrode 15, lithium occluded in the negative electrode active material layer 11 is released into the electrolytic solution. At this time, the same number of electrons as the released lithium ions flow out through the negative electrode current collector 10 to the external circuit in which the load 35 is inserted. In the positive electrode 25, electrons flow into the polarizable electrode layer 21 from the external circuit via the positive electrode current collector 20. Thereby, the anion adsorbed on the surface of the polarizable electrode material is desorbed. As long as the potential of the positive electrode 25 is not lower than the oxidation-reduction potential of the alkali metal transition metal composite oxide contained in the original polarizable electrode layer 21, occlusion of lithium ions does not occur. For this reason, the positive electrode 25 stores and discharges by adsorption and desorption of anions rather than occlusion and release of alkali metals. On the other hand, the negative electrode 15 is charged and discharged by occlusion and release of alkali metal ions.

図3Aに、プレドープ中における負極活物質単位質量あたりのプレドープ量と、負電極15(図1B)の電位との関係を示す。横軸は、プレドープ量を単位「mAh/g」で表す。縦軸は、負電極15の電位を単位「V」で表す。なお、参照電極として、リチウム金属電極を用いた。図3Bに、プレドープ量が50mAh/g以下の範囲を拡大して示す。図3A及び図3B中の曲線a及びbは、それぞれ負極活物質として黒鉛及び難黒鉛化炭素を用いた場合の測定結果を示す。   FIG. 3A shows the relationship between the pre-doping amount per unit mass of the negative electrode active material in the pre-doping and the potential of the negative electrode 15 (FIG. 1B). The horizontal axis represents the amount of pre-doping in the unit of “mAh / g”. The vertical axis represents the potential of the negative electrode 15 in the unit “V”. A lithium metal electrode was used as the reference electrode. FIG. 3B shows an enlarged range where the pre-doping amount is 50 mAh / g or less. Curves a and b in FIGS. 3A and 3B show measurement results when graphite and non-graphitizable carbon are used as the negative electrode active material, respectively.

プレドープ開始当初は、プレドープ量が多くなるに従って、負電極15の電位が急激に低下する。その後、プレドープ量の変化量に対する電位の変化量は小さくなる。   At the beginning of pre-doping, the potential of the negative electrode 15 rapidly decreases as the amount of pre-doping increases. Thereafter, the amount of change in potential with respect to the amount of change in pre-doping amount becomes small.

図4に、プレドープ期間、充電期間、及び放電期間の負電極15及び正電極25の電位変動の一例を示す。横軸は、経過時間を表し、縦軸は電極の電位を表す。図4の実線Vn、Vpは、それぞれ負電極15及び正電極25の電位を示す。時刻t0からt1までの期間がプレドープ期間に対応する。時刻t1からt2までの期間、及び時刻t3からt4までの期間が、充電期間に対応する。時刻t2からt3までの期間、及び時刻t4からt5までの期間が、放電期間に対応する。   FIG. 4 shows an example of potential fluctuations of the negative electrode 15 and the positive electrode 25 during the pre-doping period, the charging period, and the discharging period. The horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the potential of the electrode. Solid lines Vn and Vp in FIG. 4 indicate the potentials of the negative electrode 15 and the positive electrode 25, respectively. The period from time t0 to t1 corresponds to the pre-doping period. A period from time t1 to t2 and a period from time t3 to t4 correspond to the charging period. A period from time t2 to t3 and a period from time t4 to t5 correspond to the discharge period.

プレドープ期間(t0〜t1)には、時間の経過と共に、負電極15の電位VnがV0からV1まで低下する。なお、図3A、図3Bに示した実験結果から、プレドープ開始当初には、電位Vnの低下が急激であり、その後、電位Vnの低下が緩やかになる。このとき、正電極25の電位Vpは殆ど変化しない。   During the pre-doping period (t0 to t1), the potential Vn of the negative electrode 15 decreases from V0 to V1 with time. From the experimental results shown in FIGS. 3A and 3B, at the beginning of pre-doping, the potential Vn decreases rapidly, and thereafter the potential Vn decreases gradually. At this time, the potential Vp of the positive electrode 25 hardly changes.

充電期間(t1〜t2、t3〜t4)には、負電極15の電位VnがV1からV2まで低下し、正電極Vpの電位がV0からV3まで上昇する。ただし、図3A、図3Bの実験結果からわかるように、負電極15の電位の低下は、経過時間に対して緩やかである。正電極25では、電気二重層が形成されるため、正電極25の電位Vpの上昇は、蓄積電荷量に対して直線的である。充電電流が一定の大きさであれば、正電極25の電位Vpの上昇は、経過時間に対して直線的になる。   During the charging period (t1 to t2, t3 to t4), the potential Vn of the negative electrode 15 decreases from V1 to V2, and the potential of the positive electrode Vp increases from V0 to V3. However, as can be seen from the experimental results of FIGS. 3A and 3B, the decrease in the potential of the negative electrode 15 is gradual with respect to the elapsed time. Since the electric double layer is formed in the positive electrode 25, the increase in the potential Vp of the positive electrode 25 is linear with respect to the accumulated charge amount. If the charging current is constant, the increase in the potential Vp of the positive electrode 25 is linear with respect to the elapsed time.

放電期間(t2〜t3、t4〜t5)には、負電極15の電位VnがV2からV1まで上昇し、正電極Vpの電位がV3からV0まで低下する。ただし、負電極15の電位Vnの上昇は、経過時間に対して緩やかである。正電極25の電位Vpの低下は、蓄積電荷量に対して直線的である。放電電流が一定の大きさであれば、正電極25の電位Vpの低下は、経過時間に対して直線的になる。なお、正電極25の電位Vpは、プレドープ完了時点t1のときの電位V0よりも高い状態で放電を終了させることが好ましい。   During the discharge period (t2 to t3, t4 to t5), the potential Vn of the negative electrode 15 increases from V2 to V1, and the potential of the positive electrode Vp decreases from V3 to V0. However, the increase in the potential Vn of the negative electrode 15 is gradual with respect to the elapsed time. The decrease in the potential Vp of the positive electrode 25 is linear with respect to the accumulated charge amount. If the discharge current is constant, the decrease in the potential Vp of the positive electrode 25 is linear with respect to the elapsed time. The discharge is preferably terminated in a state where the potential Vp of the positive electrode 25 is higher than the potential V0 at the pre-doping completion time t1.

実施例によるキャパシタにおいては、充放電時に負電極15の電位Vnの変動が、正電極25の電位Vpの変動に比べて小さい。これに対し、負電極に活性炭等の分極性電極を用いた場合には、負電極の電位Vnの変動が大きくなる。このため、不可逆容量に起因して充放電効率が低下してしまう。実施例においては、負電極15の電位Vnの変動が小さいため、不可逆容量に起因する充放電効率の低下を抑制することができる。   In the capacitor according to the embodiment, the fluctuation of the potential Vn of the negative electrode 15 during charging / discharging is smaller than the fluctuation of the potential Vp of the positive electrode 25. On the other hand, when a polarizable electrode such as activated carbon is used as the negative electrode, the variation in the potential Vn of the negative electrode increases. For this reason, the charge / discharge efficiency is reduced due to the irreversible capacity. In the embodiment, since the fluctuation of the potential Vn of the negative electrode 15 is small, it is possible to suppress a decrease in charge / discharge efficiency due to the irreversible capacity.

図5に、実施例によるキャパシタを含む蓄電セルの分解平面図を示す。電極積層体40が、一対のラミネートフィルムで挟まれ、封止されている。図5には、一方のラミネートフィルムを取り除いた状態の平面図を示す。第1のラミネートフィルム41Aの上に、電極積層体40が配置されている。電極積層体40は、交互に積層された負極板42と正極板43とを有する。相互に隣り合う負極板42と正極板43との間に、セパレータ44が挿入されている。   FIG. 5 is an exploded plan view of a storage cell including a capacitor according to the embodiment. The electrode laminate 40 is sandwiched and sealed between a pair of laminate films. In FIG. 5, the top view of the state which removed one laminate film is shown. The electrode laminate 40 is disposed on the first laminate film 41A. The electrode laminate 40 includes negative plates 42 and positive plates 43 that are alternately laminated. A separator 44 is inserted between the negative electrode plate 42 and the positive electrode plate 43 adjacent to each other.

負極板42の各々は、正方形または長方形の負極蓄電領域42Aと、それよりも小さな負極接続領域42Bとを含む。負極接続領域42Bは、負極蓄電領域42Aの1つの縁のうち、中心よりも一方の端に偏った領域から外方に向かって延びる。正極板43も、同様に正極蓄電領域43Aと正極接続領域43Bとを含む。   Each of the negative electrode plates 42 includes a square or rectangular negative electrode storage region 42A and a smaller negative electrode connection region 42B. The negative electrode connection region 42B extends outward from a region of one edge of the negative electrode storage region 42A that is biased to one end from the center. Similarly, the positive electrode plate 43 includes a positive electrode storage region 43A and a positive electrode connection region 43B.

負極板42及び正極板43は、負極蓄電領域42Aと正極蓄電領域43Aとが重なるように位置合わせされている。また、負極板42の負極接続領域42B同士が重なり、正極板43の正極接続領域43B同士が重なる。負極接続領域42Bと正極接続領域43Bとは重ならない。セパレータ44は、負極蓄電領域42A及び正極蓄電領域43Aよりやや大きい。負極接続領域42B及び正極接続領域43Bは、セパレータ44の縁よりも外側まで延びている。   The negative electrode plate 42 and the positive electrode plate 43 are aligned so that the negative electrode storage region 42A and the positive electrode storage region 43A overlap. Further, the negative electrode connection regions 42B of the negative electrode plate 42 overlap each other, and the positive electrode connection regions 43B of the positive electrode plate 43 overlap each other. The negative electrode connection region 42B and the positive electrode connection region 43B do not overlap. The separator 44 is slightly larger than the negative electrode storage region 42A and the positive electrode storage region 43A. The negative electrode connection region 42 </ b> B and the positive electrode connection region 43 </ b> B extend outward from the edge of the separator 44.

負極接続領域42Bに負電極タブ47が接続され、正極接続領域43Bに正電極タブ48が接続されている。負電極タブ47及び正電極タブ48は、第1のラミネートフィルム41Aの縁よりも外側まで引き出されている。   A negative electrode tab 47 is connected to the negative electrode connection region 42B, and a positive electrode tab 48 is connected to the positive electrode connection region 43B. The negative electrode tab 47 and the positive electrode tab 48 are drawn to the outside of the edge of the first laminate film 41A.

図6に、図5の一点鎖線6−6における断面図を示す。第1のラミネートフィルム41A及び第2のラミネートフィルム41Bからなる容器に、電極積層体40が収容されている。第2のラミネートフィルム41Bは、外周近傍領域において、第1のラミネートフィルム41Aに熱溶着されている。第1のラミネートフィルム41Aと第2のラミネートフィルム41Bとが、蓄電セルの容器を構成する。容器内には、電解液50が充填されている。第1のラミネートフィルム41Aは、ほぼ平坦であり、第2のラミネートフィルム41Bが、電極積層体40の外形に応じて変形している。なお、両方のラミネートフィルムが、電極積層体40の外形に応じて変形するような構造としてもよい。   FIG. 6 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 6-6 in FIG. The electrode laminate 40 is accommodated in a container composed of the first laminate film 41A and the second laminate film 41B. The second laminate film 41B is thermally welded to the first laminate film 41A in the vicinity of the outer periphery. The first laminate film 41A and the second laminate film 41B constitute a storage cell container. The container is filled with an electrolytic solution 50. The first laminate film 41A is substantially flat, and the second laminate film 41B is deformed according to the outer shape of the electrode laminate 40. In addition, it is good also as a structure where both laminate films deform | transform according to the external shape of the electrode laminated body 40. FIG.

負極板42と正極板43とが交互に積層され、両者の間にセパレータ44が挿入されている。負極板42は、負極集電体10と、その両面に形成された負極活物質層11とを含む。正極板43は、正極集電体20と、その両面に形成された分極性電極層21とを含む。負極集電体10、負極活物質層11、正極集電体20、及び分極性電極層21には、それぞれ図1Aに示した負極集電体10、負極活物質層11、正極集電体20、及び分極性電極層21と同一の材料が用いられる。   Negative electrode plates 42 and positive electrode plates 43 are alternately stacked, and a separator 44 is inserted between them. The negative electrode plate 42 includes the negative electrode current collector 10 and the negative electrode active material layers 11 formed on both surfaces thereof. The positive electrode plate 43 includes the positive electrode current collector 20 and the polarizable electrode layers 21 formed on both surfaces thereof. The negative electrode current collector 10, the negative electrode active material layer 11, the positive electrode current collector 20, and the polarizable electrode layer 21 respectively include the negative electrode current collector 10, the negative electrode active material layer 11, and the positive electrode current collector 20 illustrated in FIG. 1A. The same material as that of the polarizable electrode layer 21 is used.

複数の負極板42の負極接続領域42B同士が積み重ねられ、負電極タブ47に接続されている。これらの接続には、例えば超音波溶接が適用される。負電極タブ47は、第1のラミネートフィルム41Aと第2のラミネートフィルム41Bとの間を通って、容器の外まで導出されている。   The negative electrode connection regions 42 </ b> B of the plurality of negative electrode plates 42 are stacked and connected to the negative electrode tab 47. For example, ultrasonic welding is applied to these connections. The negative electrode tab 47 passes through between the first laminate film 41A and the second laminate film 41B and is led out of the container.

同様に、図5に示した正極接続領域43Bも、相互に積み重ねられて、正電極タブ48(図5)に超音波溶接されている。   Similarly, the positive electrode connection regions 43B shown in FIG. 5 are also stacked on each other and ultrasonically welded to the positive electrode tab 48 (FIG. 5).

次に、図5及び図6に示した蓄電セルの製造方法について説明する。負極活物質の微粉末、導電助剤の微粉末、及びバインダに溶剤を加えて、負極用スラリを作製する。溶剤には、例えばN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)が用いられる。この負極用スラリを、負極集電体10の一方の表面に塗布し、乾燥させる。他方の表面にも、同様に負極用スラリを塗布し、乾燥させる。負極集電体10を金型で打ち抜くことにより、負極板42が完成する。   Next, the manufacturing method of the electrical storage cell shown in FIG.5 and FIG.6 is demonstrated. A slurry for the negative electrode is prepared by adding a solvent to the fine powder of the negative electrode active material, the fine powder of the conductive additive, and the binder. For example, N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) is used as the solvent. This negative electrode slurry is applied to one surface of the negative electrode current collector 10 and dried. Similarly, the negative electrode slurry is applied to the other surface and dried. The negative electrode collector 42 is completed by punching out the negative electrode current collector 10 with a mold.

分極性電極材料の微粉末、アルカリ金属遷移金属複合酸化物の微粉末、導電助剤の微粉末、及びバインダに溶剤を加えて正極用スラリを作製する。正極集電体20の両面に、それぞれ正極用スラリを塗布し、乾燥させる。正極集電体20を金型で打ち抜くことにより、正極板43が完成する。   A positive electrode slurry is prepared by adding a solvent to a fine powder of a polarizable electrode material, a fine powder of an alkali metal transition metal composite oxide, a fine powder of a conductive additive, and a binder. A positive electrode slurry is applied to both surfaces of the positive electrode current collector 20 and dried. A positive electrode plate 43 is completed by punching out the positive electrode current collector 20 with a mold.

第1のラミネートフィルム41Aの上に負極板42、セパレータ44、正極板43、及びセパレータ44を、この順番に積み重ねる。この状態で、負電極タブ47及び正電極タブ48を、それぞれ負極接続領域42B及び正極接続領域43Bに超音波溶接する。これらの積層体の上に、第2のラミネートフィルム41Bを配置し、外周部において、第1のラミネートフィルム41Aに熱溶着する。この段階では、外周の一部分に開口部を残しておく。   The negative electrode plate 42, the separator 44, the positive electrode plate 43, and the separator 44 are stacked in this order on the first laminate film 41A. In this state, the negative electrode tab 47 and the positive electrode tab 48 are ultrasonically welded to the negative electrode connection region 42B and the positive electrode connection region 43B, respectively. The second laminate film 41B is disposed on these laminates and thermally welded to the first laminate film 41A at the outer peripheral portion. At this stage, an opening is left in a part of the outer periphery.

第1のラミネートフィルム41Aと第2のラミネートフィルム41Bとで形成された容器内に、開口部から電解液を充填する。電解液を充填した後、容器の開口部を熱溶着により真空封止する。この状態で、負電極タブ47に対して正電極タブ48に正電圧を印加し、プレドープを行う。   An electrolytic solution is filled into the container formed of the first laminate film 41A and the second laminate film 41B from the opening. After filling with the electrolytic solution, the opening of the container is vacuum-sealed by heat welding. In this state, a positive voltage is applied to the positive electrode tab 48 with respect to the negative electrode tab 47 to perform pre-doping.

プレドープ時には、電解液中のアルカリ金属イオンが、負極板42の負極活物質層11に吸蔵される。負極活物質層11に吸蔵されたアルカリ金属イオンと同量のアルカリ金属イオンが、正極板43の分極性電極層21から電解液中に放出される。このため、実質的なアルカリ金属イオンの輸送距離は、セパレータ50の厚さとほぼ等しい。   During pre-doping, alkali metal ions in the electrolytic solution are occluded in the negative electrode active material layer 11 of the negative electrode plate 42. The same amount of alkali metal ions as the alkali metal ions occluded in the negative electrode active material layer 11 is released from the polarizable electrode layer 21 of the positive electrode plate 43 into the electrolytic solution. For this reason, the substantial transport distance of alkali metal ions is substantially equal to the thickness of the separator 50.

従来、電極積層体40の最も外側の表面に金属リチウム板を配置して、リチウムイオンのプレドープが行われていた。この方法では、リチウムイオンが、負極活物質層11の端面から面内方向に拡散することにより、プレドープが行われる。また、集電体をメッシュ構造にして、リチウムイオンを厚さ方向に拡散させる技術が知られている。この場合、金属リチウム板から遠い負極活物質層には、複数の正極板、負極板、及びセパレータを厚さ方向に輸送された後に、リチウムオインがプレドープされる。   Conventionally, lithium ion pre-doping has been performed by placing a metal lithium plate on the outermost surface of the electrode stack 40. In this method, lithium ions are diffused in the in-plane direction from the end face of the negative electrode active material layer 11 to perform pre-doping. In addition, a technique is known in which a current collector has a mesh structure and lithium ions are diffused in the thickness direction. In this case, the negative electrode active material layer far from the metal lithium plate is pre-doped with lithium yne after the plurality of positive plates, negative plates, and separators are transported in the thickness direction.

これに対し、実施例においては、アルカリ金属イオンが輸送される距離は、実質的に1枚のセパレータ50の厚さと等しい。このため、プレドープに要する時間を短縮することができる。   On the other hand, in the embodiment, the distance that the alkali metal ions are transported is substantially equal to the thickness of one separator 50. For this reason, the time required for pre-doping can be shortened.

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 負極集電体
11 負極活物質層
20 正極集電体
21 分極性電極層
30 セパレータ
32 直流電源
35 負荷
40 電極積層体
41A 第1のラミネートフィルム
41B 第2のラミネートフィルム
42 負極板
42A 負極蓄電領域
42B 負極接続領域
43 正極板
43A 正極蓄電領域
43B 正極接続領域
44 セパレータ
47 負電極タブ
48 正電極タブ
50 電解液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Negative electrode collector 11 Negative electrode active material layer 20 Positive electrode current collector 21 Polarization electrode layer 30 Separator 32 DC power supply 35 Load 40 Electrode laminated body 41A First laminate film 41B Second laminate film 42 Negative electrode plate 42A Negative electrode storage region 42B Negative electrode connection region 43 Positive electrode plate 43A Positive electrode storage region 43B Positive electrode connection region 44 Separator 47 Negative electrode tab 48 Positive electrode tab 50 Electrolyte

Claims (3)

アルカリ金属遷移金属複合酸化物から全てのアルカリ金属が放出された遷移金属酸化物と、活性炭とを含む正電極と、
アルカリ金属の吸蔵及び放出が可能で、アルカリ金属が吸蔵されており、アルカリ金属の吸蔵による蓄電量が、カチオンの吸着による蓄電量よりも大きい負極活物質を含む負電極と、
前記正電極と前記負電極とを隔て、電解液が含浸されたセパレータと
を有するキャパシタ。
A positive electrode comprising a transition metal oxide from which all alkali metals have been released from an alkali metal transition metal composite oxide, and activated carbon;
A negative electrode including a negative electrode active material capable of occlusion and release of alkali metal, wherein the alkali metal is occluded, and the amount of electricity stored by alkali metal occlusion is greater than the amount of electricity stored by cation adsorption;
A capacitor having a separator impregnated with an electrolytic solution across the positive electrode and the negative electrode.
前記正電極から放出されたアルカリ金属の量は、前記負電極の負極活物質のアルカリ金属の吸蔵可能量よりも少ない請求項1に記載のキャパシタ。   The capacitor according to claim 1, wherein the amount of alkali metal released from the positive electrode is smaller than the amount of alkali metal that can be occluded in the negative electrode active material of the negative electrode. (a)アルカリ金属遷移金属複合酸化物と活性炭とを含む正電極と、アルカリ金属の吸蔵及び放出が可能な負極活物質を含む負電極とを、電解液を介して配置する工程と、
(b)前記正電極を形成しているアルカリ金属遷移金属複合酸化物から全てのアルカリ金属を、アルカリ金属イオンとして前記電解液中に放出させると共に、前記電解液中のアルカリ金属イオンを、前記負電極の負極活物質に吸蔵させる工程と
を有するキャパシタの製造方法。
(A) a step of disposing a positive electrode containing an alkali metal transition metal complex oxide and activated carbon and a negative electrode containing a negative electrode active material capable of occluding and releasing alkali metal via an electrolytic solution;
(B) All alkali metals are released from the alkali metal transition metal composite oxide forming the positive electrode into the electrolyte as alkali metal ions, and the alkali metal ions in the electrolyte are And a step of occluding the negative electrode active material of the electrode.
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