JPWO2011092990A1 - 電力貯蔵デバイスセルとその製造方法および蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
<電力貯蔵デバイスセルの基本的な構造>
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電力貯蔵デバイスセルの部分的な構成を示す断面図である。図において、電力貯蔵デバイスセルは、集電箔10aの図中下面に活性炭の微粒子を含むキャパシタ正極電極層8が形成されたキャパシタ正極11aと、集電箔10bの図中上面にリチウム含有金属化合物の粒子を含んだリチウム正極層9が形成されたリチウム正極11bと、透過孔4を有する集電箔3の上面と下面にそれぞれキャパシタ負極電極層5とリチウム負極電極層6が形成された共通負極7と、多孔質の絶縁フィルムからなる第1のセパレータ12と、多孔質の絶縁フィルムからなる第2のセパレータ13と、を備え、キャパシタ正極電極層8と共通負極7のキャパシタ負極電極層5が形成された面との間に第1のセパレータ12を挟持してキャパシタ部を形成し、リチウム正極層9と共通負極7のリチウム負極電極層6が形成された面との間に第2のセパレータ13を挟持してリチウム電池部を形成しキャパシタ正極11aとリチウム電池正極11bを短絡接続している。そして、上述した静電容量の低下を防止するための具体的な構成として、共通負極7の電極層5と6を構成する炭素材料を、黒鉛粒子とハードカーボン粒子とを混合して構成し、ハードカーボン粒子の炭素系材料中の比率を5重量%以上70重量%以下としたものである。
ここで、背景技術にて説明したように、上記キャパシタとリチウム電池のハイブリッド構造である電力貯蔵セルデバイスの共通負極を、従来通り黒鉛粒子のみの炭素材料で構成したときには、急速充放電を行った際に静電容量が低下する現象が生じていた。そこで、静電容量が低下したデバイスを分解して観察したところ、共通負極にリチウムデンドライトが生じていることがわかった。リチウムデンドライトの発生は、通常のリチウムイオンキャパシタの場合にも知られている現象であったが、リチウム電池と組み合わされていない状態のときに発生するデンドライトは電極面の全体で生じており、短絡や静電容量の低下を引き起こすことはなかった。一方、キャパシタとリチウム電池のハイブリッド構造の電力貯蔵セルデバイスで急速な充放電を繰り返した場合に発生するリチウムデンドライトは、ハイブリッド構造をとるために設けた共通負極集電箔の透過孔の周辺に集中して発生していた。この集中発生により、リチウムデンドライトがセパレータに向かって大きく成長し、セパレータにまで侵入することで、静電容量維持率が著しく低下することがわかった。また、リチウムデンドライトがさらに対極まで成長すると微小短絡が生じ、内部短絡に至る恐れがあることもわかった。
図1において、共通負極7は、複数の透過孔を面内に分散して設けた負極集電箔3の表裏に、黒鉛粒子とハードカーボン粒子の混合したものを塗布してキャパシタ負極電極層5とリチウム電池負極電極層6を形成することにより構成される。正極としては、正極集電箔10の表裏に、活性炭粒子を含むキャパシタ正極電極層8と、リチウム含有金属化合物粒子を含むリチウム電池正極電極層9を形成したハイブリッド正極11として構成している。キャパシタ正極電極層8とキャパシタ負極電極層5を第1のセパレータ12を介して対峙させ、キャパシタ部を構成し、リチウムイオンの電池正極電極層9とリチウム電池負極電極層6を第2のセパレータ13を介して対峙させている。つまり、集電箔10の一方の面に、キャパシタ正極電極層8、他方の面にリチウム電池正極電極層9が形成された同仕様のハイブリッド正極11を、図1では配置の違い(使用する面の違い)により、11aをキャパシタ正極、11bをリチウム電池正極と、それぞれ役割を変えるようにしている。
共通負極7に用いられるキャパシタ負極電極層5とリチウム電池負極電極層6の材料としては、一般のリチウムイオン電池に使われている高電位からリチウムの吸蔵放出を行うことのできるハードカーボン系粒子と、低電位で大量のリチウムイオンの吸蔵放出を行うことのできる黒鉛系粒子とを混合したものを用いることができる。平均粒子径は、それぞれ1〜20μm程度が望ましい。
電解液としては、例えば電解質であるLiPF6を有機溶媒に含有させた電解液を用いることができ、キャパシタ部とリチウム電池部とで共用する。有機溶媒としては、例えば炭酸プロピレン(PC:Propylene Carbonate)や炭酸エチレン(EC:Ethylene Carbonate)と炭酸ジエチル(DEC:Diethyl Carbonate)などを用いることができる。
[共通負極の作製]
負極電極層5、6として、平均粒径7μmのハードカーボン5部と平均粒径5μmの黒鉛粒子95部とを混合(ハードカーボンの添加量5重量%)した後、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンと、溶媒としてのn−メチルピロリドンからなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを負極集電箔3として、幅300mm、厚さ20μmで、直径1mmの孔(透過孔4)が5mmピッチでパンチングされた銅箔の両面に塗工形成して乾燥し150℃でホットプレスし共通負極とした。この負極を32mm×52mmの短冊に切断し、角から20mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け電流端子タブ部とした。
キャパシタ正極電極層として、平均粒径5μmの活性炭とバインダーとしてのアクリル系ポリマー、溶媒としての水からなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを幅300mm、厚さ50μmの純アルミニウム製の集電箔10Cの片面に塗工し厚さ100μmのキャパシタ正極電極層8を形成して、キャパシタ正極11Cを得た。この正極11Cを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、その部分のキャパシタ正極電極層8を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
厚さ50μmの純アルミ集電箔10Lの裏面にリチウム電池正極電極層として、平均粒径5μmのオリビン型リン酸鉄リチウム、アセチレンブラック、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)をn−メチルピロリドン(NMP)に分散させ100℃で乾燥させて厚さ100μmのリチウム電池正極電極層9を形成し、150℃でホットロールプレスして、リチウム電池正極11Lを得た。この正極11Lを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、そのリチウム電池正極電極層9を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
キャパシタ正極11C(電極層8のみ片面形成)、共通負極7、リチウム電池正極11L(電極層9のみ片面形成)の順に互いの電極層が対向するように中心を揃えて積層し、間にそれぞれ厚さ35μmのセルロース系紙セパレータを1枚ずつはさんだ。2枚の正極11C、11Lの集電タブを重ねてこの集電タブにアルミニウム箔を超音波溶接により接続(短絡)して正極集電端子TPとした。この電極積層体を図5のようにアルミラミネートフィルムの外装に収納し、電解液として、1.8mol/lのLiPF6を含む、エチレンカーボネート−ジエチルカーボネート3:7混合溶媒を注液し、最後にアルミラミネート外装19を封口し試験用セルとした。図5は、アルミラミネート外装を施した試験用セルの半透過図である。図において、アルミラミネートフィルムの外装19は2つ折りして、3辺を熱可塑性樹脂で熱融着20する。電流端子部TP、TNには、金属との密着性を改善した熱可塑性樹脂17を装着した後、外装に熱融着している。図5の底辺については、真空引きを行って電解液を含浸した後、最終的に熱融着して封止した。なお、図5において、外装19が電極部分の大きさと較べて長くなっているのは、3cm×3cmの電極部に面圧をかけて充放電試験を実施する際に、電極から劣化に伴うガスが発生しても、長くなった外装部に発生したガスを溜めて、試験を継続できるようにするためである。なお、正極11C、11Lよりも負極7を外形で4辺とも1mm大きくして、正極と負極のずれによる測定誤差を防いでいる。
このセルについて3cm×3cmの電極部にステンレス製の押さえ板で5kg/cm2の面圧をかけて、60℃環境下で下限電圧1.5V、上限電圧4.3Vで6分間充電、6分間放電(10C)を48時間繰り返す充放電試験を行った。試験前と試験後に、充放電を3回繰り返し、3回目の放電曲線から、静電容量を求めた。初期の静電容量を100%として、試験後の静電容量維持率を求めた。また、試験後、4.2Vまで充電した後の電圧保持を調べ、短時間で大きく電圧が低下するものをリチウムデンドライト発生による微短絡が存在すると判定した。温度を室温ではなく60℃とし、上限電圧を4.2Vまで高めたのは、リチウムデンドライトの発生を加速するためである。また、リチウム塩の濃度も通常(1.2mol/l)よりも高めてリチウムデンドライトの発生しやすい環境とした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6のハードカーボン1の添加量を10重量%としたこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6のハードカーボン1の添加量を30重量%としたこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6のハードカーボン1の添加量を50重量%としたこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6のハードカーボン1の添加量を70重量%としたこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5のハードカーボン1の添加量を30重量%とし、リチウム負極電極層6のハードカーボン1の添加量を10重量%としたこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6を黒鉛粒子2のみを用いて(ハードカーボン粒子1は添加せず)作製したこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5およびリチウム負極電極層6をハードカーボン1のみを用いて(黒鉛粒子2は使用せず)作製したこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5をハードカーボン1のみを用いて(黒鉛粒子2は使用せず)作製し、リチウム負極電極層6を黒鉛粒子2のみを用いて(ハードカーボン1粒子は添加せず)作製したこと以外は、実施例1と同じとした。
キャパシタ負極電極層5を黒鉛粒子2のみを用いて(ハードカーボン粒子1は添加せず)作製し、リチウム負極電極層6をハードカーボン1のみを用いて(黒鉛粒子2は使用せず)作製したこと以外は、実施例1と同じとした。
図6は、この発明の実施の形態2にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。実施の形態1との違いは、共通負極を貫通する貫通孔によって集電箔の透過孔を形成していることである。図において、共通負極207には、負極集電箔203材料として透過孔が形成されていない厚さ約10μm以上20μm以下の銅箔を用い、表裏にハードカーボン粒子と黒鉛粒子を混合したペーストを塗布してキャパシタ負極電極層205とリチウム電池負極電極層206を形成した後に、剣山(生け花で、花や枝の根元と固定するための道具で、金属の台に、複数の針を上向きに並べたもの)のような先端の尖った針状物が面内に並んだものを用いて物理的に共通負極207を貫く貫通孔14を開口して形成した。つまり、孔開け前の金属箔に電極層を塗布した後、突起物を押し当てて貫通孔14を形成し、貫通項14のうちの集電箔203部分を実施の形態1における集電箔の透過孔とした。
図7は、この発明の実施の形態3にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。実施の形態2と同様に、共通負極全体を貫通する貫通孔を有しているが、実施の形態2との違いとして、共通負極全体を貫通する貫通孔の形状を錐状とし、キャパシタ負極電極層側に向かって狭まる貫通孔314Aとリチウム電池負極電極層側に向かって狭まる貫通孔314Bとの2種類(2方向)の貫通孔を設けたことである。そのため突起物は、キャパシタ負極電極層305側からとリチウム電池負極電極層306側からの両方から押し当てることになる。具体的には、共通負極307の穴開け加工方法としては、例えば、底辺0.4mm、高さ0.7mmの四角錐の突起が0.8mm間隔で形成されている金属金型と、表面が平滑な金属板の間に両面に電極層305、306を塗布した共通負極307を設置し、0.3MPa程度の圧力でプレスする操作を表側、裏側それぞれでおこなうことで形成できる。また、針をもったローラーに表裏ひっくり返して2回通して同様に多数の孔を開けることができる。
図8は、この発明の実施の形態4にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。実施の形態1との違いは、共通負極407には、集電箔403の一方の面にキャパシタ負極電極層405が形成され、集電箔403の他方の面であるリチウム電池部側には、電気絶縁層18が形成されていることである。電気絶縁層18としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのフィルムやPVDFを塗布した層などが望ましい。キャパシタ負極電極層5は、リチウム電池負極電極層6としても機能する。そして、電気絶縁層18も含めて共通負極407全体を貫通する錐状の貫通孔414は、電気絶縁層18側から形成しており、電気絶縁層18側からキャパシタ負極電極層405に向かうにつれて狭くなるようになっている。針をもったローラーに、電気絶縁層18側が針に向かうように共通負極407を通すことにより、多数の貫通孔414を開けることができる。開孔率としては、30%以上70%以下が望ましく、開孔率が30%を下回ると、キャパシタ負極電極層5の、リチウム電池負極電極層6としての機能が低下する。また、開孔率が70%を上回ると、負極電極層の面積低下による性能低下をもたらす恐れがある。
図9は、この発明の実施の形態5にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。実施の形態1との違いは、共通負極507には、集電箔503の一方の面にリチウム電池負極電極層507が形成され、集電箔503の他方の面であるキャパシタ側には、電気絶縁層518が形成されていることである。共通負極507については、実施の形態4の共通負極407と厚み方向でちょうど逆の構成になる。リチウム電池負極電極層506は、キャパシタ負極電極層505としても機能する。
図10はこの発明の実施の形態6にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。実施の形態1との違いは、共通負極607の第1のセパレータ12側の電極層605と第2のセパレータ13側の電極層606とにおいて、黒鉛とハードカーボンの比率が異なっており、第1のセパレータ12側の電極層605のハードカーボンの割合が第2のセパレータ13側の電極層606のハードカーボンの割合より高くしている。キャパシタ部側は急速充放電に対応しているため、大電流が流れる。このため、黒鉛が多いと部分的に電位が低下し、リチウムが析出する可能性が高まる。キャパシタ側の電極層605にハードカーボンが多く含まれていると図2で説明したように電位が高い状態でリチウムを挿入可能なため、リチウム析出電位まで電位低下が起こりにくく、短絡が生じにくくなる。
[共通負極の作製]
負極電極層605として、平均粒径7μmのハードカーボン10部と平均粒径5μmの黒鉛粒子90部とを混合(ハードカーボンの添加量10重量%)した後、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンと、溶媒としてのn−メチルピロリドンからなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを負極集電箔603として、幅300mm、厚さ20μmで、直径1mmの孔(透過孔4)が5mmピッチでパンチングされた銅箔の片面に塗布形成して100℃で乾燥した。
キャパシタ正極電極層として、平均粒径5μmの活性炭と導電助剤としてのカーボンブラック、バインダーとしてのアクリル系ポリマー、溶媒としての水からなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを幅300mm、厚さ50μmの純アルミニウム製の集電箔10Cの片面に塗布し厚さ100μmのキャパシタ正極電極層8を形成して、キャパシタ正極11Cを得た。この正極11Cを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、その部分のキャパシタ正極電極層8を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
厚さ50μmの純アルミ集電箔10Lにリチウム電池正極電極層として、平均粒径5μmのオリビン型リン酸鉄リチウム、アセチレンブラック、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)をn−メチルピロリドン(NMP)に分散させ100℃で乾燥させて厚さ100μmのリチウム電池正極電極層9を形成し、100℃でホットロールプレスして、リチウム電池正極11Lを得た。この正極11Lを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、そのリチウム電池正極電極層9を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
キャパシタ正極11C(電極層8のみ片面形成)、共通負極607、リチウム電池正極11L(電極層9のみ片面形成)の順に互いの電極層が対向するように中心を揃えて積層し、間にそれぞれ厚さ35μmのセルロース系紙セパレータを1枚ずつはさんだ。2枚の正極11C、11Lの集電タブを重ねてこの集電タブにアルミニウム箔を超音波溶接により接続(短絡)して正極集電端子TPとした。この電極積層体を実施の形態1で説明した図5のようにアルミラミネートフィルムの外装に収納し、電解液として、1.8mol/lのLiPF6を含む、エチレンカーボネート−ジエチルカーボネート3:7混合溶媒を注液し、最後にアルミラミネート外装19を封口し試験用セルとした。図において、アルミラミネートフィルムの外装19は2つ折りして、3辺を熱可塑性樹脂で熱融着20する。電流端子部TP、TNには、金属との密着性を改善した熱可塑性樹脂17を装着した後、外装に熱融着している。ここでも、底辺については、真空引きを行って電解液を含浸した後、最終的に熱融着して封止した。そして、外装19が電極部分の大きさと較べて長くなっているのは、3cm×3cmの電極部に面圧をかけて充放電試験を実施する際に、電極から劣化に伴うガスが発生しても、長くなった外装部に発生したガスを溜めて、試験を継続できるようにするためである。なお、正極11C、11Lよりも負極7を外形で4辺とも1mm大きくして、正極と負極のずれによる測定誤差を防いでいる。
このセルについて3cm×3cmの電極部にステンレス製の押さえ板で5kg/cm2の面圧をかけて、60℃環境下で下限電圧1.5V、上限電圧4.3Vで6分間充電、6分間放電(10C)を48時間繰り返す充放電試験を行った。試験前と試験後に、充放電を3回繰り返し、3回目の放電曲線から、静電容量を求めた。初期の静電容量を100%として、試験後の静電容量維持率を求めた。また、試験後、4.2Vまで充電した後の電圧保持を調べ、短時間で大きく電圧が低下するものをリチウムデンドライト発生による微短絡が存在すると判定した。温度を室温ではなく60℃とし、上限電圧を4.2Vまで高めたのは、リチウムデンドライトの発生を加速するためである。また、リチウム塩の濃度も通常(1.2mol/l)よりも高めてリチウムデンドライトの発生しやすい環境とした。
キャパシタ負極電極層605のハードカーボンの添加量を25重量%としたこと以外は、実施例7と同じとした。
キャパシタ負極電極層605のハードカーボンの添加量を50重量%としたこと以外は、実施例7と同じとした。
キャパシタ負極電極層605のハードカーボンの添加量を70重量%としたこと以外は、実施例7と同じとした。
キャパシタ負極電極層605のハードカーボンの添加量を10重量%とし、リチウム電池負極電極層606のハードカーボンの添加量を50重量%としたこと以外は、実施例7と同じとした。
本実施の形態7においては、上記実施の形態2から5における共通負極を貫通する貫通孔を設けた場合、貫通孔の電解液が枯渇して静電容量低下の原因になっていることを発見したため、その対策として見出した形態である。図11はこの発明の実施の形態7にかかる電力貯蔵デバイスセルの断面模式図である。本実施の形態にかかる電力貯蔵デバイスセルでは、実施の形態2から5における共通負極を貫通する貫通孔(14,314,414,514に対応し、本実施の形態では714と表記)を作成した際の空間部に対して、共通負極707の電極層705もしくは電極層706の材料を充填したものである。具体的には、共通負極707のうち、一方の電極層705または706(図では706)を塗工後に貫通孔714を形成した後、もう一方の面に残る電極層705を形成すると同時に貫通孔714にその電極層を構成するカーボン材料21を充填した。
[共通負極の作製]
負極電極層706として、平均粒径7μmのハードカーボン5部と平均粒径5μmの黒鉛粒子95部とを混合(ハードカーボンの添加量5重量%)した後、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンと、溶媒としてのn−メチルピロリドンからなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを負極集電箔703として、幅300mm、厚さ12μmの電解銅箔の片面に塗布形成して100℃で乾燥した。作製した片面塗布負極を室温で軽くプレスした後、底辺0.4mm、高さ0.7mmの四角錐の突起が0.8mm間隔で形成されている金属金型と、表面が平滑な金属板の間に片面塗布負極を集電箔が突起部側になるように設置し、0.3MPa程度の圧力で加圧して貫通孔を作製した。
キャパシタ正極電極層として、平均粒径5μmの活性炭と導電助剤としてのカーボンブラック、バインダーとしてのアクリル系ポリマー、溶媒としての水からなる電極ペーストを混合調製した。次にこのペーストを幅300mm、厚さ50μmの純アルミニウム製の集電箔10Cの片面に塗布し厚さ100μmのキャパシタ正極電極層8を形成して、キャパシタ正極11Cを得た。この正極11Cを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、その部分のキャパシタ正極電極層8を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
厚さ50μmの純アルミ集電箔10Lにリチウム電池正極電極層として、平均粒径5μmのオリビン型リン酸鉄リチウム、アセチレンブラック、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)をn−メチルピロリドン(NMP)に分散させ100℃で乾燥させて厚さ100μmのリチウム電池正極電極層9を形成し、100℃でホットロールプレスして、リチウム電池正極11Lを得た。この正極11Lを30mm×50mmの短冊に切断し、角から23mm×20mmの部分を切除して、7mm×20mmのタブ部を設け、そのリチウム電池正極電極層9を剥がし、箔部を露出させて電流端子タブ部とした。
キャパシタ正極11C(電極層8のみ片面形成)、共通負極707、リチウム電池正極11L(電極層9のみ片面形成)の順に互いの電極層が対向するように中心を揃えて積層し、間にそれぞれ厚さ35μmのセルロース系紙セパレータを1枚ずつはさんだ。2枚の正極11C、11Lの集電タブを重ねてこの集電タブにアルミニウム箔を超音波溶接により接続(短絡)して正極集電端子TPとした。
このセルについて3cm×3cmの電極部にステンレス製の押さえ板で5kg/cm2の面圧をかけて、60℃環境下で下限電圧1.5V、上限電圧4.3Vで6分間充電、6分間放電(10C)を48時間繰り返す充放電試験を行った。試験前と試験後に、充放電を3回繰り返し、3回目の放電曲線から、静電容量を求めた。初期の静電容量を100%として、試験後の静電容量維持率を求めた。また、試験後、4.2Vまで充電した後の電圧保持を調べ、短時間で大きく電圧が低下するものをリチウムデンドライト発生による微短絡が存在すると判定した。温度を室温ではなく60℃とし、上限電圧を4.2Vまで高めたのは、リチウムデンドライトの発生を加速するためである。また、リチウム塩の濃度も通常(1.2mol/l)よりも高めてリチウムデンドライトの発生しやすい環境とした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を25重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を50重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を70重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を95重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を95重量%とし、リチウム電池負極電極層706のハードカーボンの添加量を10重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を95重量%とし、リチウム電池負極電極層706のハードカーボンの添加量を20重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を95重量%とし、リチウム電池負極電極層706のハードカーボンの添加量を30重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を95重量%とし、リチウム電池負極電極層706のハードカーボンの添加量を40重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
キャパシタ負極電極層705のハードカーボンの添加量を10重量%とし、リチウム電池負極電極層706のハードカーボンの添加量を50重量%としたこと以外は、実施例12と同じとした。
9 リチウム電池正極電極層(第1の電極層)、 10 正極集電箔(10a:第1の集電箔、10b:第2の集電箔)、 11 正極(11a:ハイブリッド正極(キャパシタ正極扱い)、11b:ハイブリッド正極(リチウム電池正極扱い)、11C:キャパシタ正極、11L:リチウム電池正極、 12 第1のセパレータ、 13 第2のセパレータ、 14 共通負極の貫通孔、 18 電気絶縁層、 19 外装、 20 熱融着部、 21 貫通孔中の(多孔質)充填材
100位の数字は実施の形態ごとの変形例を示す。
Claims (17)
- 第1の集電箔の一方の面に活性炭の微粒子を含む第1の電極層が形成された第1の電極と、
第2の集電箔の一方の面にリチウム含有金属化合物の粒子を含んだ第2の電極層が形成された第2の電極と、
第3の集電箔の少なくとも一方の面に第3の電極層が形成された第3の電極と、
多孔質の絶縁フィルムからなる第1のセパレータと、
多孔質の絶縁フィルムからなる第2のセパレータと、を備え、
前記第3の集電箔には透過孔が形成され、前記第1の電極層と前記第3の電極の一方の面との間に前記第1のセパレータを挟持して前記第3の電極を負極とするキャパシタを形成し、前記第2の電極層と前記第3の電極の他方の面との間に前記第2のセパレータを挟持して前記第3の電極を前記キャパシタとの共通負極とするリチウムイオン電池を形成し、前記第1の電極と前記第2の電極を短絡接続した電力貯蔵デバイスセルであって、
前記第3の電極層は、黒鉛粒子とハードカーボン粒子とを混合した炭素系材料で構成され、前記炭素系材料中の前記ハードカーボン粒子の比率が5重量%以上70重量%以下であることを特徴とする電力貯蔵デバイスセル。 - 前記第2の電極層のリチウム含有金属化合物が、オリビン型リン酸鉄リチウムであることを特徴とする請求項1記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記第3の電極層は、前記第3の集電箔の両面に設けられており、
前記第3の電極層のうち、前記第1のセパレータ側の電極層のハードカーボンの割合が前記第2のセパレータ側の電極層のハードカーボンの割合よりも高いことを特徴とする請求項1または2に記載の電力貯蔵デバイスセル。 - 前記第3の電極に前記第3の電極の厚み方向を貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記第3の電極層は、前記第3の集電箔の両面に設けられており、
前記貫通孔は、当該第3の電極の一方の面側から他方の面側に向かうにつれて狭くなる第1の貫通孔と、当該第3の電極の他方の面側から一方の面側に向かうにつれて狭くなる第2の貫通孔との2種類の貫通孔であることを特徴とする請求項4に記載の電力貯蔵デバイスセル。 - 前記第3の電極は、前記第3の集電箔の一方の面に前記第3の電極層が形成され、前記第3の集電箔の他方の面に絶縁皮膜が設けられ、前記絶縁被膜側から前記第3の電極層に向かうにつれて狭くなる前記第3の電極の厚み方向を貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記第3の電極層を前記第1のセパレータを介して前記第1の電極層に対峙させ、前記絶縁皮膜を前記第2のセパレータを介して前記第2の電極層に対峙させたことを特徴とする請求項6に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記第3の電極層を前記第2のセパレータを介して前記第2の電極層に対峙させ、前記絶縁皮膜を前記第1のセパレータを介して前記第1の電極層に対峙させたことを特徴とする請求項6に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記貫通孔に粒子材料が充填されていることを特徴とする請求項4または5に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記粒子材料が、前記第3の電極の一方の面の電極層を形成する材料であることを特徴とする請求項9に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 前記粒子材料が、前記第3の電極の前記第1のセパレータ側の電極層を形成する材料であることを特徴とする請求項10に記載の電力貯蔵デバイスセル。
- 活性炭の微粒子にバインダーを加えたペーストを前記第1の集電箔に塗布して前記第1の電極層を有する前記第1の電極を形成し、
リチウム含有金属化合物に導電剤とバインダーを加えたペーストを前記第2の集電箔に塗布して前記第2の電極層を有する前記第2の電極を形成し、
炭素系材料にバインダーを加えたペーストを前記第3の集電箔に塗布して前記第3の電極層を有する前記第3の電極を形成し、
前記第1の電極、前記第1のセパレータ、前記第3の電極、前記第2のセパレータ、前記第2の電極を積層して、前記電力貯蔵デバイスセルを製造する方法であって、
前記第3の電極は、前記第3の集電箔に前記透過孔が形成される前にペーストを塗布し、塗布後に突起物を押し当てて前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項4または5に記載の電力貯蔵デバイスセルの製造方法。 - 活性炭の微粒子にバインダーを加えたペーストを前記第1の集電箔に塗布して前記第1の電極層を有する前記第1の電極を形成し、
リチウム含有金属化合物に導電剤とバインダーを加えたペーストを前記第2の集電箔に塗布して前記第2の電極層を有する前記第2の電極を形成し、
炭素系材料にバインダーを加えたペーストを前記第3の集電箔に塗布して前記第3の電極層を有する前記第3の電極を形成し、
前記第1の電極、前記第1のセパレータ、前記第3の電極、前記第2のセパレータ、前記第2の電極を積層して、前記電力貯蔵デバイスセルを製造する方法であって、
前記第3の電極は、前記第3の集電箔に前記透過孔が形成される前にペーストを塗布し、塗布後に前記絶縁被膜側から突起物を押し当てて前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1項に記載の電力貯蔵デバイスセルの製造方法。 - 活性炭の微粒子に導電剤とバインダーを加えたペーストを前記第1の集電箔に塗布して前記第1の電極層を有する前記第1の電極を形成し、
リチウム含有金属化合物に導電剤とバインダーを加えたペーストを前記第2の集電箔に塗布して前記第2の電極層を有する前記第2の電極を形成し、
炭素系材料にバインダーを加えたペーストを前記第3の集電箔に塗布して前記第3の電極層を有する前記第3の電極を形成し、
前記第1の電極、前記第1のセパレータ、前記第3の電極、前記第2のセパレータ、前記第2の電極を積層して、前記電力貯蔵デバイスセルを製造する方法であって、
前記第3の電極は、前記第3の集電箔に前記透過孔が形成される前に一方の面にペーストを塗布・乾燥し、他方の面側から突起物を押し当てて前記貫通孔を形成し、前記貫通孔が形成された他方の面にペーストを塗布・乾燥して前記貫通孔中に粒子材料を充填することを特徴とする請求項9ないし11のいずれか1項に記載の電力貯蔵デバイスセルの製造方法。 - 前記第1の電極および前記第2の電極は、集電箔の一方の面に前記第1の電極層を形成し、他方の面に前記第2の電極層を形成したハイブリッド電極であり、
前記第3の電極、前記第1のセパレータ、前記ハイブリッド電極、前記第2のセパレータの順で積層を繰り返して請求項1ないし11のいずれか1項に記載の電力貯蔵デバイスセルの複数を積層した主積層部を有する積層体で構成したことを特徴とする蓄電デバイス。 - 前記積層体の両端部が前記第3の電極となるように積層したことを特徴とする請求項15に記載の蓄電デバイス。
- 前記第1の電極および前記第2の電極は、集電箔の一方の面に前記第1の電極層を形成し、他方の面に前記第2の電極層を形成したハイブリッド電極であり、
前記第3の電極、前記第1のセパレータ、前記ハイブリッド電極、前記第2のセパレータの順で積層し、積層したものを巻回して請求項1ないし11のいずれか1項に記載の電力貯蔵デバイスセルを構成したことを特徴とする蓄電デバイス。
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