JP2011192888A - リチウムイオンキャパシタおよびその製造方法、正極およびその製造方法、並びに、蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るリチウムイオンキャパシタは、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液と、を含み、正極活物質層は、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一方を可逆的に担持可能な正極活物質を有し、負極活物質層は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を有し、正極活物質は、フッ素アクリル樹脂によって結着されて正極活物質層をなし、正極活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である。
【選択図】なし
Description
本発明にかかるリチウムイオンキャパシタの一態様は、
正極活物質層を有する正極と、
負極活物質層を有する負極と、
リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液と、
を含み、
前記正極活物質層は、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一方を可逆的に担持可能な正極活物質を有し、
前記負極活物質層は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を有し、
前記正極活物質は、フッ素アクリル樹脂によって結着されて前記正極活物質層をなし、
前記正極活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である。
適用例1において、
前記正極活物質層の比表面積は、前記正極活物質の比表面積の70%以上95%以下であることができる。
適用例1または2において、
さらに、リチウム極を含み、
前記正極および前記負極の少なくとも一方と、前記リチウム極と、の電気化学的接触によって、リチウムイオンが前記正極および前記負極の少なくとも一方に担持されることができる。
本発明にかかるリチウムイオンキャパシタの製造方法の一態様は、
正極活物質層を有する正極を形成する工程と、
負極活物質層を有する負極を形成する工程と、
前記正極および前記負極を、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液に浸漬する工程と、
を含み、
前記正極活物質層は、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一方を可逆的に担持可能な正極活物質を有し、
前記負極活物質層は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を有し、
前記正極活物質層は、
前記正極活物質を溶媒に混合させて溶液を作製した後に、前記溶液に結着剤および増粘剤を添加して形成され、
前記結着剤の添加量は、前記正極活物質に対して、5質量%以上15質量%以下であり、
前記増粘剤の添加量は、前記正極活物質に対して、1質量%以上10質量%以下であり、
前記正極活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である。
適用例4において、
前記正極活物質層の比表面積は、前記正極活物質の比表面積の70%以上95%以下であることができる。
適用例4または5において、
前記結着剤は、フッ素アクリル樹脂を含有することができる。
適用例4ないし6のいずれか1項において、
さらに、リチウム極を形成する工程を含み、
前記浸漬する工程において、前記正極および前記負極の少なくとも一方と、前記リチウム極と、を電気化学的に接触させることができる。
本発明にかかる正極の一態様は、
活物質が、フッ素アクリル樹脂によって結着され、かつ、比表面積が、1530m2/g以上2200m2/g以下である活物質層を有する。
本発明にかかる蓄電デイバスの一態様は、
本発明に係る正極を用いることができる。
本発明にかかる正極の製造方法の一態様は、
活物質を溶媒に混合させて溶液を作製した後に、前記溶液に結着剤および増粘剤を添加して活物質層を形成し、
前記結着剤の添加量は、前記正極活物質に対して、5質量%以上15質量%以下であり、
前記増粘剤の添加量は、前記正極活物質に対して、1質量%以上10質量%以下であり、
前記活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である。
適用例10において、
前記結着剤は、フッ素アクリル樹脂を含有することができる。
まず、本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタについて説明する。図1は、本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタ100を模試的に示す断面図である。図2は、本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタ100を模試的に示す平面図である。なお、図1は、図2のI−I線断面図である。
正極10は、図1に示すように、正極集電体12と、正極活物質層14と、を含むことができる。
正極活物質は、ヘキサフルオロホスフェート(PF6 −)や、テトラフルオロボレート(BF4 −)のようなアニオンを可逆的に担持できる物質である。正極活物質は、例えば、リチウムイオンを担持できてもよい。より具体的には、正極活物質としては、活性炭、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系物質(PAS)などが挙げられる。以下では、正極活物質として活性炭を用いる場合について説明する。
結着剤(バインダー)としては、フッ素アクリル樹脂を用いる。より具体的には、フッ化ビニリデン(VDF)および六フッ化プロピレン(HFP)を含有する単量体成分から得られる含フッ素重合体と、(メタ) アクリル酸アルキルエステル類および官能基含有不飽和単量体を含有する単量体成分から得られる官能基含有重合体と、の複合化重合体などが挙げられる。
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリエチレングリコール(PEG)などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。増粘剤の添加量は、例えば、正極活物質に対して、1質量%以上10質量%以下であることが好ましく、さらには、4.4質量%以上8.6質量%以下であることがより好ましい。これにより、後述するように、正極活物質層14の比表面積を、1530m2/g以上2200m2/g以下とすることができ、エネルギー密度を大きくすることができる。
導電剤としては、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末などを用いることができる。導電剤の添加量は、例えば、正極活物質に対して、6.5質量%程度である。
負極20は、図1に示すように、負極集電体22と、負極活物質層24と、を含むことができる。
リチウム極30は、図1に示すように、リチウム極集電体32と、リチウム箔34と、を含むことができる。
セパレータ40は、電解液、正極活物質、および負極活物質に対して耐久性がある多孔性材料を用いることができる。より具体的には、セパレータ40としては、セルロース、レーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミドなどからなる不織布や、多孔質のフィルムなどを用いることができる。セパレータ40の厚みは、特に限定されないが、例えば、20μm〜50μmである。セパレータ40は、正極10、負極20、およびリチウム極30を互いに隔離することができる。また、セパレータ40は、電解液を浸潤することができる。
電解液としては、リチウム塩を電解質とする非プロトン性有機溶媒電解質溶液を用いる。非プロトン性有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、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、スルホランなどが挙げられる。これらの溶媒は、単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
(1) 実施例1
結着剤として使用するフッ素アクリル樹脂を、フッ素系重合体の重合工程、および(メタ)アクリル系重合工程により得た。
正極スラリーの調整にあたり、フッ素アクリル樹脂の添加量を8質量部、およびCMCの添加量を6質量部とする以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。すなわち、フッ素アクリル樹脂の添加量は、活性炭粉体に対して8.7質量%程度であり、CMCの添加量は、活性炭粉体に対して6.5質量%程度である。
正極スラリーの調整にあたり、フッ素アクリル樹脂の添加量を10質量部、およびCMCの添加量を8質量部とする以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。すなわち、フッ素アクリル樹脂の添加量は、活性炭粉体に対して10.8質量%程度であり、CMCの添加量は、活性炭粉体に対して8.6質量%程度である。
正極活物質として、比表面積1950m2/gの活性炭を用いる以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
正極活物質として、比表面積2600m2/gの活性炭を用いる以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
正極スラリーの調製にあたり、原料の添加順序以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。正極スラリーの調整に際しては、以下の順序で原料を加えた。
正極スラリーの調製にあたり、原料の添加順序以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。正極スラリーの調整に際しては、以下の順序で原料を加えた。
正極スラリーの調整にあたり、フッ素アクリル樹脂の添加量を18質量部、およびCMCの添加量を12質量部とする以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
正極活物質として、比表面積1400m2/gの活性炭粉体を用いる以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
上記の製造方法で得られた正極活物質層を、正極集電体から削り取った。次に、正極活物質層0.2gを試料管に採取し、減圧条件下、200℃で2時間乾燥させた。乾燥後の正極活物質層のBET比表面積を、比表面積測定装置(日本ベル株式会社製:BELSORP−miniII)を用いて測定した。この結果を後述の表1に示す。なお、表1には、正極活物質の比表面積S1と、正極活物質層の比表面積S2と、の比(S2/S1)も示している。
上記の製造方法で得られた正極を用いて、以下のとおりリチウムイオンキャパシタを作製した。
上記の製造方法で得られたリチウムイオンキャパシタを、1.5Aの低電流でセル電圧(正極と負極との電位差)が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1時間行った。次に、150mAの定電流放電でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。この3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、10回目の放電におけるリチウムイオンキャパシタの容量、エネルギー密度、および内部抵抗を測定した。この結果を表1に示す。
10 正極、12 正極集電体、14 正極活物質層、16 正極端子、
18 正極リード、20 負極、22 負極集電体、24 負極活物質層、
26 負極端子、28 負極リード、30 リチウム極、32 リチウム極集電体、
34 リチウム箔、40 セパレータ、50 積層体、
100 リチウムイオンキャパシタ
Claims (11)
- 正極活物質層を有する正極と、
負極活物質層を有する負極と、
リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液と、
を含み、
前記正極活物質層は、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一方を可逆的に担持可能な正極活物質を有し、
前記負極活物質層は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を有し、
前記正極活物質は、フッ素アクリル樹脂によって結着されて前記正極活物質層をなし、
前記正極活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である、リチウムイオンキャパシタ。 - 請求項1において、
前記正極活物質層の比表面積は、前記正極活物質の比表面積の70%以上95%以下である、リチウムイオンキャパシタ。 - 請求項1または2において、
さらに、リチウム極を含み、
前記正極および前記負極の少なくとも一方と、前記リチウム極と、の電気化学的接触によって、リチウムイオンが前記正極および前記負極の少なくとも一方に担持される、リチウムイオンキャパシタ。 - 正極活物質層を有する正極を形成する工程と、
負極活物質層を有する負極を形成する工程と、
前記正極および前記負極を、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液に浸漬する工程と、
を含み、
前記正極活物質層は、リチウムイオンおよびアニオンの少なくとも一方を可逆的に担持可能な正極活物質を有し、
前記負極活物質層は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な負極活物質を有し、
前記正極活物質層は、
前記正極活物質を溶媒に混合させて溶液を作製した後に、前記溶液に結着剤および増粘剤を添加して形成され、
前記結着剤の添加量は、前記正極活物質に対して、5質量%以上15質量%以下であり、
前記増粘剤の添加量は、前記正極活物質に対して、1質量%以上10質量%以下であり、
前記正極活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である、リチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 請求項4において、
前記正極活物質層の比表面積は、前記正極活物質の比表面積の70%以上95%以下である、リチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 請求項4または5において、
前記結着剤は、フッ素アクリル樹脂を含有する、リチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 請求項4ないし6のいずれか1項において、
さらに、リチウム極を形成する工程を含み、
前記浸漬する工程において、前記正極および前記負極の少なくとも一方と、前記リチウム極と、を電気化学的に接触させる、リチウムイオンキャパシタの製造方法。 - 活物質が、フッ素アクリル樹脂によって結着され、かつ、比表面積が、1530m2/g以上2200m2/g以下である活物質層を有する、正極。
- 請求項8において、
前記正極を用いた、蓄電デバイス。 - 活物質を溶媒に混合させて溶液を作製した後に、前記溶液に結着剤および増粘剤を添加して活物質層を形成し、
前記結着剤の添加量は、前記正極活物質に対して、5質量%以上15質量%以下であり、
前記増粘剤の添加量は、前記正極活物質に対して、1質量%以上10質量%以下であり、
前記活物質層の比表面積は、1530m2/g以上2200m2/g以下である、正極の製造方法。 - 請求項10において、
前記結着剤は、フッ素アクリル樹脂を含有する、正極の製造方法。
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