KR101863399B1 - 축전 디바이스 - Google Patents

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유우 와타나베
마코토 다구치
겐지 고지마
다카시 치바
히로부미 스즈키
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제이에무에나지 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고에너지 밀도이며 또한 고출력의 축전 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 본 발명의 축전 디바이스는, (A) 정극 전극층이 형성된 정극과, (B) 부극 전극층이 형성된 부극과, (C) 전해액을 갖는 (D) 축전 디바이스이며, (A) 정극 전극층의 중량을 WA, (B) 부극 전극층의 중량을 WB, (A) 정극 전극층이 형성된 정극의 두께를 TA라고 하였을 때, 1.02≤WA/WB≤2.08이고, 또한 390㎛≤TA≤750㎛를 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

축전 디바이스 {POWER STORAGE DEVICE}
본 발명은 고전압, 고에너지 밀도, 고출력 특성이 우수한 축전 디바이스에 관한 것이다.
환경 문제가 클로즈 업되는 가운데, 태양광 발전이나 풍력 발전에 의한 클린 에너지의 저장 시스템이나, 가솔린차를 대체하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 사용되는 축전 디바이스의 개발이 활발하게 행해지고 있다. 또한, 최근에는 파워 윈도우나 IT 관련 기기 등의 차량 탑재 장치나 설비가 고성능ㆍ고기능화되는 것에 수반하여, 고에너지 밀도 및 고출력 특성을 갖는 새로운 축전 디바이스의 개발이 요구되고 있다.
그리고, 고에너지 밀도 및 고출력 특성을 필요로 하는 용도에 대응하는 축전 디바이스로서, 최근, 리튬 이온 이차 전지 및 전기 이중층 캐패시터의 축전 원리가 조합된, 하이브리드 캐패시터라고 칭해지는 축전 디바이스가 주목받고 있다. 이러한 하이브리드 캐패시터로서는, 정극에 활성탄, 부극에 리튬 이온을 흡장, 탈리할 수 있는 탄소 재료를 사용하고, 부극에는 미리 화학적 방법 또는 전기 화학적 방법에 의해 리튬 이온을 흡장, 담지(「도프」라고도 칭해짐)시켜 부극의 전위를 낮춤으로써, 고에너지 밀도가 얻어지는 축전 디바이스가 제안되어 있다(예를 들어 특허 문헌 1 참조).
따라서, 고에너지 밀도화를 목적으로 한 하이브리드 캐패시터형 축전 디바이스가 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 2 참조). 그러나, 고성능이 기대되기는 하지만, 하이브리드 캐패시터형 축전 디바이스는 집전체, 세퍼레이터, 전해액의 중량이 크기 때문에, 8 내지 16Wh/Kg의 에너지 밀도가 주류이었다. 또한, 에너지 밀도를 높이면 수명이 저하되기 쉽다고 하는 문제가 있어, 고에너지 밀도의 축전 디바이스의 실용화가 곤란하게 되었다.
일본 특허 공개 평8-107048호 공보 일본 특허 제4015993호 공보
본 발명은 이상의 이유를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 고에너지 밀도이며, 또한 고출력의 축전 디바이스를 제공하는 데 있다.
본 발명의 축전 디바이스는, (A) 정극 전극층이 형성된 정극과, (B) 부극 전극층이 형성된 부극과, (C) 전해액을 갖는 (D) 축전 디바이스이며,
상기 (A) 정극 전극층의 중량을 WA , 상기 (B) 부극 전극층의 중량을 WB , 상기 (A) 정극 전극층이 형성된 정극의 두께를 TA라고 하였을 때, 1.02≤WA/WB≤2.08이고, 또한 390㎛≤TA≤750㎛를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는, 상기 (D) 축전 디바이스의 중량을 WD, 상기 (C) 전해액의 중량을 WC라고 하였을 때, 0.19≤(WA+WB)/WD≤0.28이고, 또한 1.58≤WC/(WA+WB)≤1.85를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는 500≤√(TA 2×WA/WB)≤1000을 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는, 상기 (B) 부극 전극층이 형성된 부극의 두께를 TB라고 하였을 때, 100㎛≤TB≤300㎛를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 (D) 축전 디바이스는 적층형 전극 유닛 또는 권회형 전극 유닛을 갖는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성의 (D) 축전 디바이스는, 상기 정극 및 상기 부극이 세퍼레이터를 개재하여 적층 또는 권회되어 이루어지는 구성의 적층형 전극 유닛 또는 권회형 전극 유닛을 갖고 있으며, 당해 정극이 표리면을 관통하는 구멍을 갖는 집전체를 복수 갖고, 당해 복수의 집전체가 정극 전극층을 개재하여 적층되어 이루어지는 구성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는 리튬 이온 캐패시터로서 적합하다.
본 발명에 따르면, 상기 조건에서 축전 디바이스를 구성함으로써, 보다 높은 에너지 밀도이며, 또한 고출력의 축전 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 축전 디바이스는, 예를 들어 하이브리드 캐패시터형 리튬 이온 캐패시터나, 리튬 이차 전지, 전기 이중층 캐패시터 등에도 적용할 수 있다.
이하에 있어서, 리튬 이온 캐패시터를 예로서, 본 발명의 (D) 축전 디바이스를 설명한다.
리튬 이온 캐패시터는, 기본적으로 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층 혹은 권회시켜 이루어지는 전극 유닛(적층형 전극 유닛 혹은 권회형 전극 유닛)을 외장 용기 내에 갖는 것이다. 외장 용기는 원통형, 각형, 라미네이트형 등의 것을 적절하게 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것이 아니다.
여기에, 리튬 이온 캐패시터가, 정극 및 부극이 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층되어 이루어지는 구성의 적층형 전극 유닛을 갖고 이루어지는 것인 경우에는, 통상, 적층형 전극 유닛을 구성하는 부극의 수는 정극의 수보다도 많고, 당해 적층형 전극 유닛을 구성하는 부극의 각각이 1매 이상의 정극과 대향하고, 최외층이 부극이 되도록 적층된 구성이 된다.
본 명세서에 있어서, 「도프」란 흡장, 흡착 또는 삽입을 의미하며, 넓게는 정극 활물질에 리튬 이온 및 음이온 중 적어도 한쪽이 들어가는 현상, 혹은 또한 부극 활물질에 리튬 이온이 들어가는 현상을 말한다. 또한, 「탈도프」란 탈리, 방출을 의미하며, 정극 활물질로부터 리튬 이온 혹은 음이온이 탈리하는 현상, 또는 부극 활물질로부터 리튬 이온이 탈리하는 현상을 말한다.
부극 및 정극 중 적어도 한쪽에 리튬 이온을 미리 도프하는 방법으로서는, 예를 들어 금속 리튬 등의 리튬 이온 공급원을 리튬극으로서 캐패시터 셀 내에 배치하고, 부극 및 정극 중 적어도 한쪽과 리튬 이온 공급원과의 전기 화학적 접촉에 의해 리튬 이온을 도프시키는 방법이 이용된다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터에서는, 리튬극을 셀 중에 국소적으로 배치하여 전기 화학적으로 접촉시킴으로써도, 부극 및 정극 중 적어도 한쪽에 리튬 이온을 균일하게 도프할 수 있다.
따라서, 정극 및 부극을 적층 또는 더 권회하여 이루어지는 대용량의 셀을 구성하는 경우에도, 최외주 또는 최외층에 위치되는 셀의 일부에 리튬극을 배치함으로써, 부극 및 정극 중 적어도 한쪽에 원활하고 또한 균일하게 리튬 이온을 도프할 수 있다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터는, 예를 들어 정극 집전체에 정극 활물질층을 형성한 정극, 제1 세퍼레이터, 부극 집전체에 부극 활물질층을 형성한 부극, 제2 세퍼레이터를 이 순서대로 권회 또는 적층시켜 정극과 접촉하지 않도록 제1 세퍼레이터의 잉여부에 적어도 1개의 리튬 이온 공급원을 배치하고, 부극 집전체와 리튬 이온 공급원을 단락시켜 리튬 이온 캐패시터 요소를 구성한다. 각형, 원통형 또는 라미네이트 형상의 외장 용기에 리튬 이온 캐패시터 요소를 봉입한 후, 전해액을 충전함으로써 리튬극의 도프가 개시되며, 부극 활물질층 중에 리튬 이온을 도프할 수 있다. 이에 의해 리튬 이온 캐패시터가 구성된다.
이하, 본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터를 구성하는 요소의 각각에 대하여 설명한다.
[집전체]
정극 및 부극에는, 각각 전기를 수배전하는 정극 집전체 및 부극 집전체가 구비된다. 정극 집전체 및 부극 집전체로서는, 예를 들어 익스팬드 메탈이나, 전해 에칭 등의 에칭 처리 등에 의해 표리면에 개구되는 미세한 관통 구멍이 형성된 재료를 사용하여, 리튬극을 부극 및 정극 중 적어도 한쪽에 대향시켜 배치함으로써, 전기 화학적으로 리튬 이온을 공급하는 것이 바람직하다. 관통 구멍의 형태, 수 등은 특별히 한정되지 않으며, 전해액 중의 리튬 이온이 각 전극 집전체에 차단되지 않고, 전극의 표리간을 이동할 수 있도록 설정할 수 있다.
[정극 집전체]
정극 집전체의 재질로서는 알루미늄, 스테인리스강 등을 사용할 수 있다. 정극 집전체의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상 1 내지 50㎛이면 되며, 5 내지 40㎛가 바람직하고, 10 내지 40㎛가 특히 바람직하다.
정극 집전체의 관통 구멍을 형성하는 방법은, 기계적인 타입에 의해 개공을 형성하는 방법, 에칭 처리, CO2 레이저, YAG 레이저 또는 UV 레이저 등의 레이저 처리 등을 들 수 있는데, 각 방법에 의해 형성되는 관통 구멍의 형상이 상이하므로, 목적으로 하는 형상이 얻어지도록 형성 조건을 적절하게 최적화할 수 있다. 관통 구멍의 구멍 직경은, 예를 들어 0.001 내지 1mm이고, 0.001 내지 0.3mm가 바람직하고, 0.005 내지 0.3mm가 특히 바람직하다.
또한, 정극 집전체의 개구율은 10 내지 60％가 바람직하고, 10 내지 50％가 보다 바람직하다.
[정극 활물질]
정극 활물질로서는, 리튬 이온 및 테트라플루오로보레이트 등 중 적어도 1종의 음이온을 가역적으로 도프ㆍ탈도프 가능한 물질이 사용되며, 예를 들어 활성탄 분말을 들 수 있다. 활성탄은, 그 비표면적이 1000 내지 2800m2/g인 것이 바람직하고, 1900 내지 2600m2/g인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 활성탄의 50％ 체적 누적 직경(D50)(평균 입자 직경)은, 활성탄의 충전 밀도의 관점에서 2 내지 8㎛가 바람직하고, 특히 3 내지 8㎛가 바람직하다. 활성탄의 비표면적 및 D50이 상기 범위에 있으면, 리튬 이온 캐패시터의 에너지 밀도를 더 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서의 50％ 체적 누적 직경(D50)의 값은, 예를 들어 마이크로 트랙법에 의해 구해진다.
[(A) 정극의 두께: TA]
정극 활물질을 집전체에 도포, 인쇄, 사출, 분무, 증착 또는 압착 등에 의해 부착시킴으로써 형성되는 도전층 및 정극 활물질층으로 이루어지는 정극 전극층과 당해 집전체의 총 두께, 즉 집전체의 두께와 정극 전극층의 두께의 합계 두께를 정극의 두께 TA라고 하였을 때, 390㎛≤TA≤750㎛인 것이 바람직하다. 정극의 두께를 상기 범위로 함으로써, 저항 상승을 억제하면서 고에너지 밀도화를 도모할 수 있다.
[부극 집전체]
부극 집전체로서는 스테인리스강, 구리, 니켈 등을 사용할 수 있다. 이 부극 집전체의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상 1 내지 50㎛이면 되며, 5 내지 40㎛가 바람직하고, 10 내지 30㎛가 특히 바람직하다.
부극 집전체의 관통 구멍을 형성하는 방법은, 기계적인 타입에 의해 개공을 형성하는 방법, 에칭 처리, CO2 레이저, YAG 레이저 또는 UV 레이저 등의 레이저 처리 등을 들 수 있는데, 각 방법에 의해 형성되는 관통 구멍의 형상이 상이하므로, 목적으로 하는 형상이 얻어지도록 형성 조건을 적절하게 최적화할 수 있다. 관통 구멍의 구멍 직경은, 예를 들어 0.001 내지 1mm이고, 0.001 내지 0.3mm가 바람직하고, 0.005 내지 0.3mm가 특히 바람직하다.
또한, 부극 집전체의 개구율은 10 내지 60％가 바람직하고, 10 내지 50％가 보다 바람직하다.
[부극 활물질]
부극 활물질로서는, 리튬 이온을 가역적으로 도프ㆍ탈도프 가능한 물질 중 흑연계 재료가 사용된다. 구체적으로는 인조 흑연, 천연 흑연, 흑연계 복합 입자를 들 수 있다.
여기서, 「흑연계 복합 입자」란, 결정성 재료로 이루어지는 입자의 표면을 비결정성 재료에 의해 피복한 구성을 갖고, 구체적으로는 흑연(그래파이트) 등의 결정성 재료로 이루어지는 입자의 표면이 타르 혹은 피치 유래의 비결정성 카본 등의 비결정성 재료에 의해 피복되어 이루어지는 것이다.
상기 흑연계 복합 입자는, 예를 들어 흑연(그래파이트)의 표면을 타르나 피치 등으로 피복하고, 열처리를 행함으로써 표면의 타르나 피치를 탄화하는 방법에 의해 얻어지는 탄소 전극 물질이다. 이러한 흑연계 복합 입자에 있어서, 흑연 입자 표면에서의 타르나 피치 유래의 비결정성 카본에 의한 피복의 유무는, 라만 스펙트럼, XRD 등의 측정에 의해 확인할 수 있다.
부극 활물질의 입도는, 출력 향상의 관점에서 50％ 체적 누적 직경(D50)이 1.0 내지 10㎛의 범위인 것이 바람직하고, D50이 2 내지 5㎛의 범위인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 50％ 체적 누적 직경(D50)은, 예를 들어 마이크로 트랙법에 의해 구해지는 값이다.
[(B) 부극의 두께: TB]
부극 활물질을 집전체에 도포, 인쇄, 사출, 분무, 증착 또는 압착 등에 의해 부착시킴으로써 형성되는 부극 활물질층, 및 필요에 따라 형성되는 도전층으로 이루어지는 부극 전극층과 당해 집전체의 총 두께, 즉 집전체의 두께와 부극 전극층의 두께의 합계 두께를 부극의 두께 TB라고 하였을 때, 100㎛≤TB≤300㎛인 것이 바람직하다. 부극의 두께 TB의 값을 상기 범위로 함으로써, 고에너지 밀도화를 도모함과 함께 내구성을 향상시킬 수 있다.
[정극 전극층의 중량 WA 및 부극 전극층의 중량 WB]
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터에 있어서, 부극 전극층의 중량 WB에 대한 정극 전극층의 중량 WA의 비율 WA/WB의 값은 1.02≤WA/WB≤2.08의 범위인 것이 바람직하다. 당해 비율의 값을 이 범위로 함으로써, 부극의 정전 용량을 보다 효율적으로 사용하는 것이 가능하게 되어, 가일층의 고에너지 밀도화를 도모할 수 있다.
[√(TA 2×WA/WB)]
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터의 정극의 두께 TA의 제곱 TA 2와, 정극 전극층의 중량 WA의 부극 전극층의 중량 WB에 대한 비율(WA/WB)과의 곱의 평방근의 값 [√(TA 2×WA/WB)]는 500≤√(TA 2×WA/WB)≤1000의 범위인 것이 바람직하다. 당해 값을 이 범위로 함으로써, 부극의 정전 용량을 보다 효율적으로 사용하는 것이 가능하게 되어, 가일층의 고에너지 밀도화를 도모할 수 있다.
[바인더]
상기와 같은 정극 활물질층을 갖는 정극 및 부극 활물질층을 갖는 부극의 제작은, 통상 사용되는 기지의 방법에 의해 행할 수 있다.
예를 들어, 각 전극(정극 또는 부극)은, 각 활물질 분말(정극 활물질 또는 부극 활물질)과, 바인더와, 필요에 따라 도전재, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 등의 증점제를 물 또는 유기 용매에 첨가하여 혼합하고, 얻어지는 슬러리를 집전체에 도포하는 방법, 혹은 당해 슬러리를 시트 형상으로 성형한 것을 집전체에 부착함으로써 제작할 수 있다.
상기의 각 전극의 제작에 있어서, 바인더로서는, 예를 들어 SBR 등의 고무계 바인더, 폴리사불화에틸렌, 폴리불화비닐리덴 등을 아크릴계 수지로 시드 중합시킨 불소 함유계 수지, 아크릴계 수지 등을 사용할 수 있다.
또한, 도전재로서는, 예를 들어 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 그래파이트, 금속 분말 등을 들 수 있다.
바인더 및 도전재의 각각의 첨가량은, 사용하는 활물질의 전기 전도도, 제작되는 전극의 형상 등에 따라서도 상이하지만, 모두, 통상, 활물질에 대하여 2 내지 40질량％인 것이 바람직하다.
[세퍼레이터]
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터에서의 세퍼레이터의 재료로서는, JISP8117에 준거한 방법에 의해 측정된 투기도가 1 내지 500sec의 범위 내에 있는 재료를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 셀룰로오스, 폴리올레핀, 셀룰로오스/레이온 등으로 구성되는 부직포나 미다공질막 등 중에서 적절하게 선택한 것을 사용할 수 있으며, 또한 이들 부직포나 미다공질막 등의 표면에 세라믹 등을 도포하여 내열성을 향상시킨 것을 사용하여도 된다. 특히 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 셀룰로오스/레이온으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 세퍼레이터의 두께는, 예를 들어 1 내지 100㎛이고, 5 내지 50㎛가 바람직하다.
[(C) 전해액]
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터에 있어서는, 전해액으로서 리튬염의 비프로톤성 유기 용매에 의한 전해질 용액이 사용된다.
[전해액의 비프로톤성 유기 용매]
전해액을 구성하는 비프로톤성 유기 용매로서는, 예를 들어 에틸렌카르보네이트(EC), 프로필렌카르보네이트(PC), 부틸렌카르보네이트 등의 환상 카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 메틸에틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트(DEC), 메틸프로필카르보네이트 등의 쇄상 카르보네이트를 들 수 있다. 이들 중 2종 이상을 혼합한 혼합 용매를 사용하여도 되며, 특히, 점도가 낮고, 해리도가 높고, 이온 전도도가 높은 전해액이 얻어지기 때문에, 환상 카르보네이트와 쇄상 카르보네이트의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
혼합 용매의 구체예로서는 EC/PC/DEC의 혼합 용매, EC/DEC의 혼합 용매 등을 들 수 있다. 이러한 혼합 용매에서의 환상 카르보네이트와 쇄상 카르보네이트의 비율은, 중량으로 1:99 내지 80:20인 것이 바람직하고, 10:90 내지 60:40인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서 전해액이 되는 유기 용매는 환상 카르보네이트 및 쇄상 카르보네이트 이외의 유기 용매, 예를 들어 γ-부티로락톤 등의 환상 에스테르, 술포란 등의 환상 술폰, 디옥솔란 등의 환상 에테르, 프로피온산 에틸 등의 쇄상 카르복실산 에스테르, 디메톡시에탄 등의 쇄상 에테르 등을 함유하는 것이어도 된다.
[전해질]
전해액에서의 전해질의 리튬염으로서는, 예를 들어 LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, LiN(C2F3SO2)2, LiN(CF3SO2)2 등을 들 수 있으며, 특히, 이온 전도성이 높고, 저저항이기 때문에 LiPF6이 적절하게 사용된다. 전해액에서의 리튬염의 농도는, 낮은 내부 저항이 얻어지기 때문에 0.1mol/L 이상인 것이 바람직하고, 0.5 내지 1.5mol/L인 것이 보다 바람직하다.
[(D) 리튬 이온 캐패시터의 중량 WD]
이상의 각 구성 요소를 사용하여 리튬 이온 캐패시터가 구성된다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터는, 당해 리튬 이온 캐패시터의 중량 WC에 대한, 정극 전극층의 중량 WA와 부극 전극층의 중량 WB의 합의 비율 [(WA+WB)/WD]의 값이 0.19≤(WA+WB)/WD≤0.28인 것이 바람직하다. 당해 비율의 값을 이 범위로 함으로써, 보다 고에너지 밀도화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터는, 정극 전극층의 중량 WA와 부극 전극층의 중량 WB의 합에 대한 전해액의 중량 WC의 비율 [WC/(WA+WB)]의 값이 1.58≤WC/(WA+WB)≤1.85인 것이 바람직하다. 당해 비율의 값을 이 범위로 함으로써, 보다 고에너지 밀도화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
[리튬 이온 캐패시터의 구조]
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 형태에 한정되지 않고 다양한 변경이 가능하다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터의 구조로서는, 특히, 띠 형상의 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회시키는 권회형 셀, 판 형상 또는 시트 형상의 정극과 부극이 세퍼레이터를 개재하여 각 3층 이상 적층된 적층형 셀, 이렇게 적층된 구성의 유닛이 외장 필름 내 또는 각형 외장 캔 내에 봉입된 적층 셀 등을 들 수 있다.
이들 캐패시터 셀의 구조는, 일본 특허 공개 제2004-266091호 공보 등에 의해 기지된 것이며, 그들 캐패시터 셀과 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.
또한, 리튬 이온 캐패시터가 정극 및 부극이 세퍼레이터를 개재하여 적층 또는 권회되어 이루어지는 구성의 전극 유닛(적층형 전극 유닛 또는 권회형 전극 유닛)을 갖고 이루어지는 것인 경우에 있어서는, 전극 유닛을 구성하는 정극이 표리면을 관통하는 구멍을 갖는 정극 집전체를 복수 갖고, 당해 복수의 집전체가 정극 전극층을 개재하여 적층되어 이루어지는 구성을 갖는 것이어도 된다. 이와 같은 구성의 리튬 이온 캐패시터에 있어서는, 한층 더한 저저항화 및 장수명화를 도모할 수 있다.
또한, 복수의 정극 집전체를 갖는 정극은, 예를 들어 정극 집전체의 양면 또는 편면에 정극 활물질층 및 도전층으로 이루어지는 정극 전극층이 형성된 적층체를 복수 준비하고, 그것들을 중첩하여 적층함으로써 제작할 수 있다.
또한, 복수의 정극 집전체를 갖는 정극에 있어서, 정극의 두께 TA란, 복수의 정극 집전체의 각각의 두께와, 이들 복수의 정극 집전체에 형성된 모든 정극 전극층의 각각의 두께의 합계 두께이다.
본 발명에 관한 리튬 이온 캐패시터에 있어서, 정극 활물질층 및 도전층으로 이루어지는 정극 전극층의 중량 WA는 예를 들어 8 내지 15g, 부극 활물질층 및 도전층으로 이루어지는 부극 전극층의 중량 WB는 예를 들어 3.5 내지 12g, 전해액의 중량 WC는 예를 들어 15 내지 45g이며, 리튬 이온 캐패시터의 중량 WD는 예를 들어 50 내지 100g이지만, 이들은 다양한 조건에 따라 상이하며, 또한 적절한 범위로부터 선택되는 것이다.
<실시예>
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1: S1]
(1) 정극 시트의 제작
시판되고 있는 50％ 체적 누적 직경(D50)의 값이 3㎛인 활성탄 입자 10중량부와, 아세틸렌 블랙 분체 1.1중량부와, 이소프로판올 20중량부를 충분히 혼합하여 슬러리를 얻고, 이것에 폴리사불화에틸렌으로 이루어지는 바인더 0.7중량부를 첨가하여 혼련물을 제작하고, 이것을 압연 롤러를 사용하여 시트 형상으로 성형하여 두께 210㎛의 정극 시트체를 얻었다.
관통 구멍 직경 0.3mm, 개구율 40％, 두께 30㎛의 알루미늄 케미컬 에칭박을 정극 집전체로 하여 그 양면에 도전층 형성용 도전성 도료를 코팅하고, 바로 상기 정극 시트체를 정극 집전체의 양면에 부착하고, 계속해서 압연 롤러로 정극 집전체와 정극 시트체를 밀착시킨 후, 진공 건조하여 정극의 두께(정극 집전체 및 양면의 도전층의 두께와 양면의 정극 시트체에 의한 정극 활물질층의 두께와의 합계) TA가 461㎛인 정극 재료를 얻었다.
이와 같이 하여 얻어진, 정극 집전체의 일부분에 도전층 및 정극 활물질층이 적층되어 이루어지는 정극 재료를, 도전층 및 정극 활물질층이 적층되어 있는 부분(이하, 정극 시트에 대하여 「도포 시공부」라고도 함)이 60mm×65mm, 어느 층도 형성되어 있지 않은 부분(이하, 정극 시트에 대하여 「미도포 시공부」라고도 함)이 60mm×15mm가 되도록 60mm×80mm의 크기로 절단함으로써, 정극 집전체의 양면에 도전층을 개재하여 정극 활물질층이 형성되어 이루어지는 정극 시트를 제작하였다.
(2) 부극 시트의 제작
관통 구멍 직경 0.3mm, 개구율 43％, 두께 20㎛의 구리제 케미컬 에칭박으로 이루어지는 부극 집전체의 양면에, 50％ 체적 누적 직경(D50)의 값이 2㎛인 흑연 입자(시판 중인 흑연을 분쇄한 것)로 이루어지는 부극 활물질과, SBR 바인더(JSR 가부시끼가이샤제: TRD2001)를 함유하여 이루어지는 슬러리를, 종형 다이 방식의 양면 도공기를 사용하여, 도포 시공 폭이 85mm, 도포 시공 속도가 8m/min인 도포 시공 조건에 의해, 부극의 두께(부극 집전체 및 양면의 부극 활물질층의 두께와의 합계) TB가 181㎛가 되도록 양면 도포 시공한 후, 200℃에서 24시간의 조건으로 감압 건조시킴으로써, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다.
이와 같이 하여 얻어진, 부극 집전체의 일부분에 전극층이 형성되어 이루어지는 재료를, 전극층이 형성되어 있는 부분(이하, 부극 시트에 대하여 「도포 시공부」라고도 함)이 65mm×70mm, 전극층이 형성되어 있지 않은 부분(이하, 부극 시트에 대하여 「미도포 시공부」라고도 함)이 65mm×15mm가 되도록 65mm×85mm의 크기로 절단함으로써, 부극 집전체의 양면에 전극층이 형성되어 이루어지는 부극 시트를 제작하였다.
(3) 세퍼레이터의 제작
두께 20㎛, 투기도 120sec의 셀룰로오스/레이온 복합 재료로 이루어지는 필름을 67mm×90mm로 절단하여 세퍼레이터를 제작하였다.
(4) 리튬 이온 캐패시터 요소의 제작
우선, 정극 시트 7매, 부극 시트 8매, 세퍼레이터 16매를 준비하여, 정극 시트와 부극 시트를 각각의 도포 시공부는 겹치지만, 각각의 미도포 시공부는 반대측이 되어 겹치지 않도록 세퍼레이터, 부극 시트, 세퍼레이터, 정극 시트의 순서로 적재하고, 적재물의 4변을 테이프에 의해 고정함으로써 전극 적층 유닛을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.51g, 부극 전극층의 중량 WB는 6.34g이었다.
계속해서, 두께 195㎛의 리튬 금속을 박 형상으로 절단하고, 두께 20㎛의 구리제 케미컬 에칭박에 압착함으로써 리튬 이온 공급 부재를 제작하고, 이 리튬 이온 공급 부재를 전극 적층 유닛의 상측에 부극 시트와 대향하도록 배치하였다.
그리고, 제작한 전극 적층 유닛의 7매의 정극 시트의 각각의 미도포 시공부에, 미리 시일 부분에 실란트 필름을 열 융착한 폭 30mm, 길이 30mm, 두께 0.2mm의 알루미늄제 정극용 전원 탭을 겹쳐 용접하였다. 한편, 전극 적층 유닛의 8매의 부극 시트의 각각의 미도포 시공부 및 리튬 이온 공급 부재의 각각에, 미리 시일 부분에 실란트 필름을 열 융착한 폭 30mm, 길이 30mm, 두께 0.2mm의 니켈 도금한 구리제 부극용 전원 탭을 겹쳐 용접하여, 이것으로 리튬 이온 캐패시터 요소를 제작하였다.
(5) 리튬 이온 캐패시터의 제작
폴리프로필렌층, 알루미늄층 및 나일론층이 적층되어 이루어지고, 치수가 세로 90mm, 가로 117mm, 두께 0.15mm이고, 중앙 부분에 세로 70mm, 가로 97mm의 드로잉 가공이 실시된 한쪽의 외장 필름, 및 폴리프로필렌층, 알루미늄층 및 나일론층이 적층되어 이루어지고, 치수가 세로 90mm, 가로 117mm, 두께 0.15mm의 다른쪽의 외장 필름을 제작하였다.
계속해서, 다른쪽의 외장 필름 상에서의 중앙 부분에, 리튬 이온 캐패시터 요소를, 그 정극용 전원 탭 및 부극용 전원 탭의 각각이 다른쪽의 외장 필름의 단부로부터 외측으로 돌출되도록 배치하고, 이 리튬 이온 캐패시터 요소에 한쪽의 외장 필름을 중첩하고, 한쪽의 외장 필름 및 다른쪽의 외장 필름의 외주연부에서의 정극용 전원 탭 및 부극용 전원 탭이 돌출된 2변을 포함하는 3변을 열 융착하였다.
한편, 에틸렌카르보네이트, 프로필렌카르보네이트 및 디에틸카르보네이트를 체적비로 3:1:4의 비율로 혼합한 혼합 용매를 사용하고, 첨가제로서 하기 식 (1)로 표시되는 리튬비스(옥살레이토)보레이트를 전해액 전체 중량에 대하여 0.2중량％의 비율로 함유하는, 농도 1.2mol/L의 LiPF6을 포함하는 전해액을 제조하였다.
계속해서, 한쪽의 외장 필름 및 다른쪽의 외장 필름의 사이에 상기 전해액 25.5g을 주입한 후, 한쪽의 외장 필름 및 다른쪽의 외장 필름의 외주연부에서의 나머지 1변을 열 융착하였다.
이상과 같이 하여 시험용 라미네이트 외장 리튬 이온 캐패시터 셀(이하, 간단히 「셀」이라고도 함) S1을 제작하였다. 이 셀 S1의 중량 WD는 66.8g이었다.
Figure 112013088393481-pct00001
이상, 본 발명의 셀 S1의 구성 요건에 대하여 설명하였는데, 이하, 셀 S1에 기초하여 본 발명의 셀 S2 내지 S13 및 비교용 셀 C1 내지 C11의 구성 요건에 대하여 나타낸다.
[실시예 2: S2]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 226㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 27.7g)을 충전하여 두께 250㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S2(WD 70.9g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.51g, 부극 전극층의 중량 WB는 8.02g이었다.
[실시예 3: S3]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 122㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 22.6g)을 충전하여 두께 120㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S3(WD 61.5g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.51g, 부극 전극층의 중량 WB는 4.15g이었다.
[실시예 4: S4]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 정극의 두께 TA를 390㎛로 설정하고, 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다.
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 156㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 22.3g)을 충전하여 두께 165㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S4(WD 61.4g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 7.34g, 부극 전극층의 중량 WB는 5.42g이었다.
[실시예 5: S5]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 106㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 19.8g)을 충전하여 두께 105㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지의 구성으로 셀 S5(WD 56.9g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 7.34g, 부극 전극층의 중량 WB는 3.55g이었다.
[실시예 6: S6]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 정극의 두께 TA를 747㎛로 설정하고, 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다.
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 273㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 37.4g)을 충전하여 두께 300㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S6(WD 86.8g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 12.85g, 부극 전극층의 중량 WB는 9.78g이었다.
[실시예 7: S7]
실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 28.6g)을 충전한 것 이외에는, 실시예 3과 마찬가지의 구성으로 셀 S7(WD 67.5g)을 제작하였다.
[실시예 8: S8]
실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 18.6g)을 충전한 것 이외에는, 실시예 3과 마찬가지의 구성으로 셀 S8(WD 57.5g)을 제작하였다.
[실시예 9: S9]
실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 42.4g)을 충전한 것 이외에는, 실시예 6과 마찬가지의 구성으로 셀 S9(WD 91.8g)를 제작하였다.
[실시예 10: S10]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 342㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 40.9g)을 충전하여 두께 390㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 6과 마찬가지의 구성으로 셀 S10(WD 93.1g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 12.85g, 부극 전극층의 중량 WB는 12.37g이었다.
[실시예 11: S11]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 2매의 정극 시트가 적층되고, 당해 2매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(2매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 461㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 정극 시트 14매(1개의 정극을 형성하기 위한 2매의 정극 시트 7조), 부극 시트 8매, 세퍼레이터 16매를 준비하여, 정극 시트와 부극 시트를 각각의 도포 시공부는 겹치지만, 각각의 미도포 시공부는 반대측이 되어 겹치지 않도록 세퍼레이터, 부극 시트, 세퍼레이터, 1개의 정극을 형성하기 위한 2매의 정극 시트 1조(구체적으로는 정극 시트, 정극 시트)의 순서로 적재한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 2매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 2매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 계속해서, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 24.8g)을 충전하여 얻어진 전극 적층 유닛을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S11(WD 65.7g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.12g, 부극 전극층의 중량 WB는 6.34g이었다.
[실시예 12: S12]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 2매의 정극 시트가 적층되고, 당해 2매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(2매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 747㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 또한, 실시예 6에서 사용한 부극 전극 시트와 마찬가지로 하여 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 273㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 2매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 2매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 38.5g)을 충전하고, 실시예 11과 마찬가지의 구성으로 셀 S12(WD 88.5g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 13.48g, 부극 전극층의 중량 WB는 9.78g이었다.
[실시예 13: S13]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 3매의 정극 시트가 적층되고, 당해 3매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(3매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 747㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 정극 시트 21매(1개의 정극을 형성하기 위한 3매의 정극 시트 7조), 부극 시트 8매, 세퍼레이터 16매를 준비하여, 정극 시트와 부극 시트를 각각의 도포 시공부는 겹치지만, 각각의 미도포 시공부는 반대측이 되어 겹치지 않도록 세퍼레이터, 부극 시트, 세퍼레이터, 1개의 정극을 형성하기 위한 3매의 정극 시트 1조(구체적으로는 정극 시트, 정극 시트, 정극 시트)의 순서로 적재한 것 이외에는, 실시예 12와 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 3매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 3매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 계속해서, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 37.5g)을 충전하여 얻어진 전극 적층 유닛을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 S13(WD 86.9g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 12.87g, 부극 전극층의 중량 WB는 9.78g이었다.
[비교예 1: C1]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 257㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 29.3g)을 충전하여 두께 290㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 C1(WD 73.7g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.51g, 부극 전극층의 중량 WB는 9.19g이었다.
[비교예 2: C2]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 116㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 22.2g)을 충전하여 두께 110㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 C2(WD 60.9g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 8.51g, 부극 전극층의 중량 WB는 3.89g이었다.
[비교예 3: C3]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 정극의 두께 TA를 385㎛로 설정하고, 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다.
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 154㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 22.0g)을 충전하여 두께 165㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 C3(WD 61.0g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 7.26g, 부극 전극층의 중량 WB는 5.35g이었다.
[비교예 4: C4]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 219㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 25.2g)을 충전하여 두께 245㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 비교예 3과 마찬가지의 구성으로 셀 C4(WD 66.8g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 7.26g, 부극 전극층의 중량 WB는 7.75g이었다.
[비교예 5: C5]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 99㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 19.3g)을 충전하여 두께 95㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 비교예 3과 마찬가지의 구성으로 셀 C5(WD 56.0g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 7.26g, 부극 전극층의 중량 WB는 3.28g이었다.
[비교예 6: C6]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 정극의 두께 TA를 838㎛로 설정하고, 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다.
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 300㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 40.9g)을 충전하여 두께 335㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 구성으로 셀 C6(WD 92.7g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 14.13g, 부극 전극층의 중량 WB는 10.79g이었다.
[비교예 7: C7]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 429㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 47.4g)을 충전하여 두께 500㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 비교예 6과 마찬가지의 구성으로 셀 C7(WD 104.4g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 14.13g, 부극 전극층의 중량 WB는 15.63g이었다.
[비교예 8: C8]
부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 189㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 35.4g)을 충전하여 두께 190㎛의 리튬 금속을 사용한 것 이외에는, 비교예 6과 마찬가지의 구성으로 셀 C8(WD 82.6g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 14.13g, 부극 전극층의 중량 WB는 6.63g이었다.
[비교예 9: C9]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 2매의 정극 시트가 적층되고, 당해 2매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(2매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 385㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 또한, 비교예 3에서 사용한 부극 전극 시트와 마찬가지로 하여 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 154㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 2매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 2매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 21.0g)을 충전하고, 실시예 11과 마찬가지의 구성으로 셀 C9(WD 59.4g)를 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 6.67g, 부극 전극층의 중량 WB는 5.35g이었다.
[비교예 10: C10]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 2매의 정극 시트가 적층되고, 당해 2매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(2매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 838㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 또한, 비교예 8에서 사용한 부극 전극 시트와 마찬가지로 하여 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 189㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성한 것 이외에는, 실시예 11과 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 2매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 2매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 37.3g)을 충전하고, 실시예 11과 마찬가지의 구성으로 셀 C10(WD 85.6g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 15.24g, 부극 전극층의 중량 WB는 6.63g이었다.
[비교예 11: C11]
도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 3매의 정극 시트가 적층되고, 당해 3매의 정극 시트의 미도포 시공부가 겹쳐져 전기적으로 접속된 구성의 것을 1개의 정극으로 하고, 정극의 두께(3매의 정극 시트의 두께의 합계) TA가 838㎛가 되도록 정극 집전체의 양면에 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성하였다. 또한, 비교예 10에서 사용한 부극 전극 시트와 마찬가지로 하여 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 양면에 갖는 부극의 두께 TB를 189㎛로 설정하고, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 형성한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지로 하여 전극 적층 유닛을 제작하였다. 여기에, 얻어진 전극 적층 유닛에 있어서, 당해 전극 적층 유닛을 구성하는 정극의 각각은 3매의 정극 시트에 의해 형성되어 있고, 복수(구체적으로는 3매)의 정극 집전체가 도전층과 정극 활물질층으로 이루어지는 전극층을 개재하여 적층된 구성의 것이다. 그리고, 실시예 1과 마찬가지 조성비의 전해액(WC 36.2g)을 충전하고, 실시예 13과 마찬가지의 구성으로 셀 C11(WD 83.9g)을 제작하였다. 정극 전극층의 중량 WA는 14.60g, 부극 전극층의 중량 WB는 6.63g이었다.
[시험용 라미네이트 외장 리튬 이온 캐패시터 셀의 평가]
상기의 본 발명의 셀 S1 내지 S13 및 비교용 셀 C1 내지 C11의 각각에 대하여, 하기의 항목을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
(a) 중량 에너지 밀도
시험용 라미네이트 외장 리튬 이온 캐패시터 셀에 대하여, 1CA의 정전류에 의해 캐패시터의 전압이 3.8V가 될 때까지 충전하고, 그 후 3.8V의 정전압을 인가하는 정전류-정전압 충전을 0.5시간 행하였다. 계속해서, 1CA의 정전류에 의해 캐패시터의 전압이 2.2V가 될 때까지 방전한 결과, 구해진 에너지량으로부터 중량 에너지 밀도(Wh/kg)를 구하였다.
(b) 용량 유지율
상기 충방전을 5000사이클 반복하였을 때의 용량 유지율(％)을 구하였다.
[교류 내부 저항]
(c) 교류 내부 저항과 정전 용량의 곱 RㆍC
시험용 라미네이트 외장 리튬 이온 캐패시터 셀의 25℃±5℃의 환경하에서의 1KHz의 교류 내부 저항 R(Ω)을 측정하고, 이것과 당해 셀의 정전 용량 C의 곱 RㆍC(ΩㆍF)를 구하였다.
장치: 히오끼 덴끼사제 AC 밀리옴 하이테스터 3560
측정 온도: 25℃
상기 평가 항목 (a) 내지 (c)의 평가 기준은 하기와 같다. 또한, 종합 판정에 있어서는, 평가 항목 (a) 내지 (c) 중 어느 하나라도 평가 「A」가 있는 경우에는 종합 판정을 「불량」이라고 하고, 그 이외의 경우, 즉 평가 「A」가 없는 경우에는 종합 판정을 「양호」라고 하였다.
(a) 중량 에너지 밀도
「A」: 17(Wh/kg) 미만이며 불량함
「B」: 17(Wh/kg) 이상 18(Wh/kg) 미만이며 양호함
「C」: 18(Wh/kg) 이상이며 매우 양호함
(b) 용량 유지율
「A」: 93(％) 미만이며 불량함
「B」: 93(％) 이상 95(％) 미만이며 양호함
「C」: 95(％) 이상이며 매우 양호함
(c) 교류 내부 저항(RㆍC)
「A」: 10(ΩㆍF)보다 커서 불량함
「B」: 10(ΩㆍF) 이하이며 양호함
Figure 112013088393481-pct00002
본 발명의 실시예에 관한 셀 S1 내지 S13은, 1.02≤WA/WB≤2.08 및 390㎛≤TA≤750㎛를 만족하기 때문에, 에너지 밀도가 높고, 저저항, 장수명이다. 특히 셀 S1 및 S5는 500≤√(TA 2×WA/WB)≤1000을 만족하기 때문에 에너지 밀도가 높은 것이 명확하다.
또한, 실시예에 관한 셀 S11 내지 S13은, 정극이 복수의 정극 집전체를 갖는 구성의 것이기 때문에, 저저항 및 장수명이 되는 것이 명확하다.
비교예의 셀 C1은 1.02>(WA/WB)이기 때문에, 실시예의 셀 S1, S2 및 S3보다도 에너지 밀도가 낮고, 비교예의 셀 C2는 (WA/WB)>2.08이기 때문에, 실시예의 셀 S1, S2 및 S3보다도 사이클 특성이 낮은 것이었다.
또한, 비교예의 셀 C3 및 C4는 390㎛>TA이기 때문에 실시예의 셀 S4 및 S5보다도 에너지 밀도가 낮고, 비교예의 셀 C5는 390㎛>TA인 한편 500≤√(TA 2×WA/WB)≤1000을 만족하기 때문에 에너지 밀도는 실시예의 셀 S4 및 S5와 동등하기는 하지만, (WA/WB)>2.08이기 때문에 사이클 특성이 낮고, 비교예의 셀 C6, C7 및 C8은 TA>750㎛이기 때문에 에너지 밀도는 높기는 하지만, 실시예의 셀 S6보다도 저항이 높은 것이었다.
또한, 비교예의 C9 내지 C11은, 정극이 복수의 정극 집전체를 갖는 구성의 것이기 때문에 저저항이 되기는 하지만, 1.02≤WA/WB≤2.08 및/또는 390㎛≤TA≤750㎛를 만족하지 않기 때문에 고에너지 밀도와 장수명의 양립이 불가능한 것이었다.

Claims (7)

  1. (A) 정극 전극층이 형성된 정극과,
    (B) 부극 전극층이 형성된 부극과,
    (C) 전해액을 갖는
    (D) 축전 디바이스이며,
    상기 (A) 정극 전극층의 중량을 WA,
    상기 (B) 부극 전극층의 중량을 WB,
    상기 (A) 정극 전극층이 형성된 정극의 두께를 TA라고 하였을 때,
    1.02≤WA/WB≤2.08이고, 또한 390㎛≤TA≤750㎛를 만족하고,
    상기 (D) 축전 디바이스의 중량을 WD,
    상기 (C) 전해액의 중량을 WC라고 하였을 때,
    0.19≤(WA+WB)/WD≤0.28이고, 또한 1.58≤WC/(WA+WB)≤1.85를 만족하는 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 500≤√(TA 2×WA/WB)≤1000을 만족하는 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (B) 부극 전극층이 형성된 부극의 두께를 TB라고 하였을 때, 100㎛≤TB≤300㎛를 만족하는 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (D) 축전 디바이스가 적층형 전극 유닛 또는 권회형 전극 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (D) 축전 디바이스가, 상기 정극 및 상기 부극이 세퍼레이터를 개재하여 적층 또는 권회되어 이루어지는 구성의 적층형 전극 유닛 또는 권회형 전극 유닛을 갖고 있으며, 당해 정극이 표리면을 관통하는 구멍을 갖는 집전체를 복수 갖고, 당해 복수의 집전체가 정극 전극층을 개재하여 적층되어 이루어지는 구성을 갖는 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 리튬 이온 캐패시터인 것을 특징으로 하는, 축전 디바이스.
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