JP2011165930A - Power storage device, and method of manufacturing shared negative electrode of the same - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオンキャパシタとリチウム電池との構造を内蔵し、負極を共通として、この共通負極に負極孔を設けた電力貯蔵デバイスにおいて、急速充放電サイクルを繰り返しても、短絡したり、サイクル特性が低下したりしない電力貯蔵デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】リチウムイオンキャパシタ側の負極電極層の放電容量がリチウムイオンキャパシタ側の正極電極層の放電容量よりも大きく、リチウム電池側の負極電極層の放電容量がリチウム電池側の正極電極層の放電容量よりも大きくなるように構成した。
【選択図】図1In a power storage device having a built-in structure of a lithium ion capacitor and a lithium battery and having a negative electrode in common and a negative electrode hole provided in the common negative electrode, even if a rapid charge / discharge cycle is repeated, short-circuiting or cycle characteristics An object of the present invention is to provide an electric power storage device that does not deteriorate.
The discharge capacity of the negative electrode layer on the lithium ion capacitor side is larger than the discharge capacity of the positive electrode layer on the lithium ion capacitor side, and the discharge capacity of the negative electrode layer on the lithium battery side is higher than that of the positive electrode layer on the lithium battery side. It was configured to be larger than the discharge capacity.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、リチウムイオンキャパシタとリチウム二次電池との構成を内蔵した電力貯蔵デバイス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power storage device having a built-in configuration of a lithium ion capacitor and a lithium secondary battery, and a manufacturing method thereof.
電気二重層キャパシタは、活性炭などのカーボン材料とバインダーからなるシート状の正、負極と、両極を電気的に絶縁する多孔質セパレータと、これらに含浸された電解液で構成されている。両極と電解液との界面に発生する電気二重層の静電容量により電解液中のイオンが電極間を移動することにより充放電を行うため電気化学反応を伴わない。このため、電気二重層キャパシタは充放電レート特性、サイクル特性に優れており、電子機器のバックアップ電源や自動車を始めとした各種輸送機の電源として用いられている。しかし、電気二重層キャパシタは電池に比べるとエネルギー密度が低いことが問題である。 The electric double layer capacitor is composed of a sheet-like positive and negative electrode made of a carbon material such as activated carbon and a binder, a porous separator that electrically insulates both electrodes, and an electrolytic solution impregnated therein. Since the ions in the electrolyte move between the electrodes due to the capacitance of the electric double layer generated at the interface between the two electrodes and the electrolyte, no electrochemical reaction occurs. For this reason, the electric double layer capacitor is excellent in charge / discharge rate characteristics and cycle characteristics, and is used as a backup power source for electronic devices and a power source for various transportation equipment including automobiles. However, there is a problem that the electric double layer capacitor has a lower energy density than the battery.
一方、リチウム二次電池は、LiCoO2等のリチウム含有金属酸化物を正極に、黒鉛等の炭素材料を負極に使用することで、充電時には正極のリチウム含有金属酸化物から負極にリチウムを供給し、放電時には負極中のリチウムを正極に戻すというリチウムイオンの挿入・脱離反応を利用している。この電池は電圧が高く、高エネルギー密度であるため、携帯機器用電源や電動工具、家電製品などに広く使用されている。しかし、リチウム二次電池はエネルギー密度が高い反面、出力特性やサイクル特性、安全性の面で問題がある。 On the other hand, lithium secondary batteries use lithium-containing metal oxides such as LiCoO 2 for the positive electrode and carbon materials such as graphite for the negative electrode, so that lithium is supplied from the lithium-containing metal oxide of the positive electrode to the negative electrode during charging. In the discharge, lithium ion insertion / desorption reaction of returning lithium in the negative electrode to the positive electrode is used. Since this battery has a high voltage and high energy density, it is widely used in power supplies for portable devices, electric tools, home appliances, and the like. However, while the lithium secondary battery has a high energy density, there are problems in terms of output characteristics, cycle characteristics, and safety.
これに対して、近年リチウム二次電池と電気二重層キャパシタを組み合わせたリチウムイオンキャパシタ(LIC)の開発が盛んに行われている。このLICは正極電極層に電気二重層キャパシタ用活性炭、負極電極層にリチウム電池用炭素材料を用いたハイブリッド型のキャパシタである。このLICは負極電極層にリチウムイオンをドープすることにより負極電位を低くして高いセル電圧を得ることができるため、従来の電気二重層キャパシタに比べてエネルギー密度の向上が図れる。 On the other hand, in recent years, lithium ion capacitors (LIC) in which lithium secondary batteries and electric double layer capacitors are combined have been actively developed. This LIC is a hybrid type capacitor using an activated carbon for an electric double layer capacitor as a positive electrode layer and a carbon material for a lithium battery as a negative electrode layer. In this LIC, the negative electrode potential can be lowered and a high cell voltage can be obtained by doping lithium ions in the negative electrode layer, so that the energy density can be improved as compared with the conventional electric double layer capacitor.
LICのエネルギー密度をさらに向上させるため、LICとリチウム二次電池の構造を内蔵した電力貯蔵デバイスとして、特許文献1や特許文献2に開示されたものが提案されている。特許文献1に開示されている電力貯蔵デバイスは、貫通孔を有する集電箔の片側に負極電極層を設けた共通負極を有し、負極電極層を設けた側に対向する面はリチウムイオンキャパシタの正極、もう一方の面にはリチウム二次電池正極を配した構造になっている。このデバイスの両正極を接続して充放電を行うことにより、LICの出力密度とリチウム二次電池のエネルギー密度を兼ね備えた理想的な電力貯蔵デバイスを実現している。
In order to further improve the energy density of the LIC, those disclosed in
しかしながら、特許文献1に示された電力貯蔵デバイスを作成して試験したところ、急速充放電サイクルを繰り返すと、短絡したり、初期に容量が大きく低下したりすることがあり、特許文献1に開示された技術だけでは実用的な電力貯蔵デバイスが得られないという課題があることが判明した。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、急速充放電サイクルを繰り返しても短絡せず、初期に容量が大きく低下することのない電力貯蔵デバイスを得ることを目的とする。
However, when the power storage device shown in
This invention was made in order to solve the above-mentioned subject, and it aims at obtaining the electric power storage device which does not short-circuit even if it repeats a quick charge / discharge cycle, and a capacity | capacitance does not fall large initially. To do.
この発明に係る電力貯蔵デバイスは、キャパシタ正極集電箔の一方の面にリチウムイオンキャパシタ正極電極層が形成されたキャパシタ正極と、電池正極集電箔の一方の面にリチウム電池正極電極層が形成された電池正極と、負極集電箔の一方の面にリチウムイオンキャパシタ負極電極層が形成され、負極集電箔の他方の面にリチウム電池負極電極層が形成されるとともに、リチウムイオンキャパシタ負極電極層がリチウムイオンキャパシタ正極電極層に対向して配置され、リチウム電池負極電極層がリチウム電池正極電極層に対向して配置された共通負極と、リチウムイオンキャパシタ正極電極層とリチウムイオンキャパシタ負極電極層との間に設けられた第一のセパレータと、リチウム電池正極電極層とリチウム電池負極電極層との間に設けられた第二のセパレータとを備え、共通負極は一方の面から負極集電箔を貫く複数の負極孔を有するとともに、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量がリチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きく、リチウム電池負極電極層の放電容量がリチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きくしたものである。 The power storage device according to the present invention includes a capacitor positive electrode having a lithium ion capacitor positive electrode layer formed on one surface of the capacitor positive electrode current collector foil, and a lithium battery positive electrode layer formed on one surface of the battery positive electrode current collector foil. The lithium ion capacitor negative electrode layer is formed on one surface of the battery positive electrode and the negative electrode current collector foil, and the lithium battery negative electrode layer is formed on the other surface of the negative electrode current collector foil. A common negative electrode in which a layer is disposed opposite to the lithium ion capacitor positive electrode layer, and a lithium battery negative electrode layer is disposed opposite to the lithium battery positive electrode layer; a lithium ion capacitor positive electrode layer; and a lithium ion capacitor negative electrode layer A first separator provided between the lithium battery positive electrode layer and the lithium battery negative electrode layer. The common negative electrode has a plurality of negative electrode holes penetrating the negative electrode current collector foil from one side, and the discharge capacity of the lithium ion capacitor negative electrode layer is the discharge of the lithium ion capacitor positive electrode layer. It is larger than the capacity, and the discharge capacity of the lithium battery negative electrode layer is larger than the discharge capacity of the lithium battery positive electrode layer.
この発明によれば、リチウムイオンキャパシタ負極電極層及びリチウム電池負極電極層の電気化学容量を各々が対向する正極電極層の放電容量より大きくしたため、急速充放電サイクルによる短絡や急激な容量低下がなく、良好なサイクル特性が得られる。 According to the present invention, the electrochemical capacities of the lithium ion capacitor negative electrode layer and the lithium battery negative electrode layer are larger than the discharge capacities of the positive electrode layers facing each other, so there is no short circuit or rapid capacity drop due to the rapid charge / discharge cycle. Good cycle characteristics can be obtained.
実施の形態1.
本発明者らは、特許文献1に開示された電力貯蔵デバイスの問題点の原因を調査究明した。特許文献1の図1の構造の場合は貫通孔周辺に金属リチウムが析出しており、図12の構造の場合は共通負極の第二セパレータ(電池側のセパレータ)と対向する負極電極層表面に金属リチウムの存在が確認された。このことから、第二セパレータと対向する負極電極層の電気化学容量が不足しているため、充電時に挿入しきれなかった余剰なリチウムイオンが銅箔もしくは負極表面に析出し、セパレータを突き破って内部短絡を引き起こしたり、負極電極層の劣化が促進され容量低下したりする原因となっていることが判明した。そこで、本発明者らは、貫通孔周辺及び第二セパレータと対向する負極電極層表面にリチウム金属が形成されるのを防止し、急速充放電での安定性に優れた電力貯蔵デバイスを実現することを検討した。
The present inventors investigated and investigated the cause of the problem of the power storage device disclosed in
図1は、この発明の実施の形態1による電力貯蔵デバイスのセルの概略構成を示す断面図である。図は単一ユニットを示しているが、セル全体としては必要な容量に達するように図1の構造を積層、もしくは長尺の電極を捲回したものであってもよい。図1において、1はリチウムイオンキャパシタ(LIC)正極で、平滑なアルミニウム箔である正極集電箔(キャパシタ正極集電箔とも称する)2の片側の面にリチウムイオンキャパシタ正極電極層3が形成された構成となっている。5はリチウム電池正極で、正極集電箔(電池集電箔とも称する)2の片側の面にリチウム電池正極電極層4が形成された構成となっている。6は共通負極であり、銅箔からなる負極集電箔7の両面にリチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9が形成された構成となっている。
1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a cell of a power storage device according to
リチウムイオンキャパシタ正極電極層3とリチウムイオンキャパシタ負極電極層8を第一のセパレータ11を介して対向させ、リチウムイオンキャパシタ部30を構成し、リチウム電池正極電極層4とリチウム電池負極電極層9を第二のセパレータ12を介して対向させてリチウム電池部40を構成している
The lithium ion capacitor
リチウムイオンキャパシタ正極電極層3の材料は表面積が広く静電容量が大きいカーボン材料を用いる。このカーボン材料としては、例えば、直径10μm程度の粒子状の活性炭などであり、水蒸気賦活活性炭、アルカリ活性炭やナノゲートカーボンなどを用いることができる。電極層は圧延法、塗布法およびモールド成形法などにより、バインダによっての片面の全域に結着して形成する。従って、電極層の外形形状は、電流端子部を除いて集電箔の形状と同じである。なお、バインダにはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などのフッ素樹脂やSBR(スチレンブタジエンラバー)系やアクリル系合成ゴム、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などを用いる。
The material of the lithium ion capacitor
電極層の代表的な厚さは、50μm〜150μmであるが、使用するカーボンの種類などで最適な厚さが異なり、ここでは正極電極層を100μmとしている。 The typical thickness of the electrode layer is 50 μm to 150 μm, but the optimum thickness differs depending on the type of carbon used, and the positive electrode layer is 100 μm here.
リチウム電池正極電極層4の材料としては、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリチウム二次電池の正極電極層として一般的に用いられるリチウム金属化合物、あるいはこれらの複合体が望ましいがこれらに限るものではない。中でも、オリビン型結晶構造を有するリン酸鉄リチウムを用いた場合、負極に炭素材料を使用したときの作動電圧範囲がリチウムイオンキャパシタの作動電圧範囲内にあり、リチウム電池部の容量を効率的に使用できる。
As a material of the lithium battery
集電箔2や集電箔7の代表的な厚さは、8〜50μmであるが、この電力貯蔵デバイスを充放電する際の充放電電流によって選定する。充放電電流が大電流の場合には、内部抵抗を小さくするために厚い集電箔が用いられ、充放電電流が小さい場合には、エネルギー密度を向上する観点から、できるだけ薄いものが用いられる。
A typical thickness of the
負極電極層の材料としては電気化学反応によってリチウムの脱挿入が可能な材料を用いる。本実施の形態では黒鉛やハードカーボンを用いているが、それに限定されるものはない。例えばソフトカーボン、スズやシリコン系の合金などリチウム電池の負極として用いられている負極材料などが使用可能である。この場合、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の静電容量はリチウムイオンキャパシタ正極の静電容量より十分大きいことが望ましい。これは、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の容量が少ないと充放電時の負極の電位変化が大きく、サイクル特性が低下してしまうからである。 As a material for the negative electrode layer, a material capable of desorption / insertion of lithium by an electrochemical reaction is used. In this embodiment, graphite or hard carbon is used, but it is not limited thereto. For example, a negative electrode material used as a negative electrode of a lithium battery such as soft carbon, tin, or a silicon-based alloy can be used. In this case, it is desirable that the capacitance of the lithium ion capacitor negative electrode layer be sufficiently larger than the capacitance of the lithium ion capacitor positive electrode. This is because if the capacity of the negative electrode layer of the lithium ion capacitor is small, the potential change of the negative electrode during charging / discharging is large, and the cycle characteristics deteriorate.
本発明では、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8の放電容量をリチウムイオンキャパシタ正極電極層3の放電容量より大きくするとともに、リチウム電池負極電極層9の放
電容量をリチウム電池正極電極層4の放電容量より大きくしている。本発明者らの解析により、第二セパレータと対向する負極電極層、すなわちリチウム電池側の負極電極層の電気化学容量が不足していると、充電時に挿入しきれなかった余剰なリチウムイオンが集電箔もしくは負極表面に部分的に析出し、負極表面や負極電極層内部で反応分布が生じ、負極電極層の劣化が促進され容量が低下したり、セパレータを突き破って内部短絡を引き起こしたりする原因となることが判明した。したがって、上記のように、特にリチウム電池負極電極層9の放電容量をリチウム電池正極電極層4の放電容量より大きくすることで、充電時にリチウムイオンが余剰となることなく、負極電極層に十分に挿入され、集電箔や負極表面にリチウムが析出することがなくなり、リチウムの析出が原因である内部短絡や容量低下が抑えられる。また、リチウムイオンキャパシタ負極電極層についても、リチウム電池部と同様にリチウムイオンキャパシタ負極電極層の容量が不足していると、リチウム電池負極電極層と同様な理由で内部短絡や容量低下を引き起こす。また、リチウムイオンキャパシタ負極電極層は特に高レートの入出力が行われるため、リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量より十分大きな容量を有する必要がある。
In the present invention, the discharge capacity of the lithium ion capacitor
塗工後の電極は気孔率が高く密度が低すぎ、この高い気孔率を適正な気孔率に調整するため、所定の温度で平滑ロール(カレンダーロール)プレスを行って電極層を加圧する。負極には、リチウムイオンを透過させるために負極集電箔及び負極電極層にイオンが拡散する経路として多数の負極孔10が形成されている。図2にこの負極孔10を形成する方法の一例を示す。図2において、負極孔は、多数の針状の突起が形成された突起金型14と表面が平滑な平滑金属板15との間に、集電箔となる集電箔材料70の一方の面にキャパシタ負極電極層となるキャパシタ負極電極層材料80、他方の面に電池負極電極層となる電池負極材料90を塗工した共通負極原反60を設置し、プレスすることにより形成される。プレス後の負極電極層について穴を形成する場合もあるが、プレス前の負極電極層材料60を所定の温度及び圧力でプレスすることによって穴形成と負極電極層の気孔率調整とを同時に行うことも可能である。また、プレス前の負極電極層材料に穿孔処理を行った後、所定の温度、圧力でプレスを行い、気孔率の調整を行ってもよい。
図2の方法によれば、共通負極原反に剪断力が加わることがなく負極孔が形成された共通負極に与えるダメージを抑えることができる。
The electrode after coating has a high porosity and a density that is too low, and in order to adjust this high porosity to an appropriate porosity, a smooth roll (calendar roll) press is performed at a predetermined temperature to pressurize the electrode layer. In the negative electrode, a large number of negative electrode holes 10 are formed as paths through which ions diffuse into the negative electrode current collector foil and the negative electrode layer in order to transmit lithium ions. FIG. 2 shows an example of a method for forming the
According to the method of FIG. 2, no shear force is applied to the common negative electrode original fabric, and damage to the common negative electrode in which the negative electrode hole is formed can be suppressed.
孔の形状は突起金型の突起の形状によるところが大きいが、孔の大きさや開口率はプレス時の押圧力やプレス回数、平滑金属板15と負極電極材料60の間のスペーサ16の材質や厚さに依存する。このプレスは平板プレスで行うこともできるが、ロール型のプレスで実施すればより大面積の電極原反を効率よくプレスすることができる。いずれのプレス方式においても、プレス圧力、温度、金型に形成する突起の形状やロール間のギャップ、プレス回数、及び金型と負極電極層材料の間のスペーサ16の調節により、負極表面及び負極集電箔の開口率を自由に調節することが可能である。
The shape of the hole largely depends on the shape of the protrusion of the protrusion mold, but the size and opening ratio of the hole are the pressing force and the number of times of pressing, the material and thickness of the
セパレータは、負極と正極とを隔離し、両極間の絶縁を確保しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。第一セパレータ11及び第二セパレータ12は例えば、ポリエチレンやポリプロピレン製の微多孔膜により構成されている。また、セルロース系の紙セパレータやポリエステル製の不織布等も適している。
The separator separates the negative electrode from the positive electrode and allows lithium ions to pass through while ensuring insulation between the two electrodes. The
本実施の形態において、電解液は、特に限定されないが、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの電解質を有機溶媒に溶解したものを挙げることができる。有機溶媒としては、ジメトキシエタン、ジエチルエーテル等のエーテル系溶媒、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、エチルメチルカーボネート(MEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等のエステル系溶媒、γ―ブチロラクトン(GBL)、テトラヒド
ロフラン(THF)、テトラヒドロピラン(THP)、1,3−ジオキサン(DOX)、リン酸エチルジメチル(EDMP)、リン酸トリメチル(TMP)、リン酸プロピルジメチル(PDMP)などの溶媒を挙げることができ、これらを単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。さらに、電解液には、他の添加物が含まれていても良い。電解液の組合せ例として、LiPF6/EC+DEC、LiBF4/EC+DEC、LiN(CF3SO2)2/EC+DEC、LiN(C2F5SO2)2/EC+DEC、LiPF6/EC+PC、LiPF6/EC+GBL、LiBF4/EC+PC、LiBF4/EC+GBL、LiBF4/EDMP、LiBF4/EC+EDMP、LiN(CF3SO2)2/EC+GBL、LiN(C2F5SO2)2/EC+GBL、LiN(CF3SO2)2/EC+EDMP、LiN(C2F5SO2)2/EC+EDMP等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、100℃以上の高温においても、イオン伝導性を有するために、有機溶媒はEC、PC、GBLなどの高沸点溶媒を含むことが望ましい。
In the present embodiment, the electrolytic solution is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and other electrolytes dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents include ether solvents such as dimethoxyethane and diethyl ether, and ester solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), ethyl methyl carbonate (MEC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). Solvent, γ-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), tetrahydropyran (THP), 1,3-dioxane (DOX), ethyl dimethyl phosphate (EDMP), trimethyl phosphate (TMP), propyl dimethyl phosphate (PDMP) ) And the like, and these can be used alone or in combination of two or more. Furthermore, the electrolyte solution may contain other additives. Examples of combinations of electrolytes include LiPF 6 / EC + DEC, LiBF 4 / EC + DEC, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 / EC + DEC, LiN (C 2 F5SO 2 ) 2 / EC + DEC, LiPF 6 / EC + PC, LiPF 6 / EC + GBL, LiBF 4 / EC + PC, LiBF 4 / EC + GBL,
通常、このような電力貯蔵デバイスは容器中に収納される。本実施の形態において、容器は特に限定はしないが、ステンレス、アルミニウムなどの金属からなる円筒型又は角型の容器、金属と樹脂により構成されるラミネートフィルムからなる袋状又は箱型の容器でもよい。このラミネートフィルムによる容器は熱融着(ヒートシール)によってシールすることができ、デバイス内部からの電解液の漏出やデバイス外部からの水分の侵入を防げるものであればよい。シール部に熱融着性を有する樹脂フィルムを用いることもできるが、金属を蒸着したり、金属めっきでコートしたり、アルミ等の金属箔をラミネートしたものが好ましい。容器として金属を用いる場合、十分な厚さがあれば単独で用いることもできるが、一般には軽量化のために、数ミクロンから数十ミクロンの厚さの金属箔に樹脂がラミネートされたものが用いられる。そして、その内面には熱融着性を付与するためのポリエチレンやポリプロピレンのフィルム、外面には強度向上のためのポリエチレンテレフタレートや延伸ナイロンフィルムを積層させることが好ましい。 Usually, such a power storage device is housed in a container. In the present embodiment, the container is not particularly limited, but may be a cylindrical or square container made of a metal such as stainless steel or aluminum, or a bag-like or box-shaped container made of a laminate film made of a metal and a resin. . The container made of this laminate film can be sealed by heat fusion (heat sealing), and any container that can prevent leakage of the electrolytic solution from the inside of the device and moisture from the outside of the device may be used. Although a resin film having heat-fusibility can be used for the seal portion, it is preferable to deposit a metal, coat with metal plating, or laminate a metal foil such as aluminum. When a metal is used as a container, it can be used alone as long as it has a sufficient thickness. Generally, however, a resin is laminated on a metal foil having a thickness of several microns to several tens of microns in order to reduce the weight. Used. And it is preferable to laminate | stack the polyethylene terephthalate and stretched nylon film for an intensity | strength improvement on the outer surface, and the polyethylene or polypropylene film for providing heat-fusibility.
袋状容器の形成方法は各種のものが適用可能であり、例えば、角形に裁断したフィルムを二つ折りにして3方をヒートシールする方法、円筒型に形成したフィルムの両開口部をヒートシールする方法等を挙げることができる。容器材料は裁断したままのものを用いる場合もあるが、電極体に対応した凹部をプレス加工してから用いることもできる。ヒートシールした後に余分な容器材料を切断したり、曲げ加工を施したりしてもよい。 Various methods can be used for forming the bag-like container. For example, a film cut into a square shape is folded in half and heat-sealed in three directions, or both openings of the film formed in a cylindrical shape are heat-sealed. The method etc. can be mentioned. The container material may be used as it is cut, but it can also be used after pressing a recess corresponding to the electrode body. Excess container material may be cut or bent after heat sealing.
本実施の形態による電力貯蔵デバイスは、負極に対して正極が対向しており、この正負極間に電解液を含浸させたセパレータが存在している構造であればよく、平板状の電極を複数枚重ね合わせた積層型構造、帯状の電極を巻回した巻き型構造、帯状の電極を折り畳みながら重ねた折り畳み型構造、又はこれらを組み合わせた複合構造にしてもよい。負極に対向する正極の面積を少し(約1%〜約10%)小さくすることにより、正負極間のイオン伝導性を向上させることができる。 The power storage device according to the present embodiment may have a structure in which a positive electrode is opposed to a negative electrode, and a separator impregnated with an electrolyte solution is present between the positive and negative electrodes. A laminated structure in which sheets are stacked, a wound structure in which strip-shaped electrodes are wound, a folded structure in which strip-shaped electrodes are folded while being folded, or a composite structure in which these are combined may be used. By reducing the area of the positive electrode facing the negative electrode slightly (about 1% to about 10%), the ion conductivity between the positive and negative electrodes can be improved.
また、集電箔部分に接続される集電端子は、デバイス内で安定に存在する導電性の材質であれば特に限定はしないが、正極ではアルミニウム、負極ではニッケルあるいは銅などの金属やニッケルメッキ銅のようなメッキ金属で形成されたものを集電箔に接合したものでも良い。また、集電箔の端部付近であって電極層が塗布されていない部分を集電端子としてもよい。 The current collector terminal connected to the current collector foil portion is not particularly limited as long as it is a conductive material that is stably present in the device, but the positive electrode is made of aluminum, the negative electrode is made of metal such as nickel or copper, or nickel plated. What formed by plating metal like copper and joined to current collection foil may be used. Moreover, it is good also considering the part near the edge part of current collection foil, and the electrode layer being not apply | coated as a current collection terminal.
この実施の形態における電力貯蔵デバイスの実施例を具体的な数値を挙げて説明すると共に、得られた電力貯蔵デバイスセルの性能について複数の比較例と比較した結果を示す。 The example of the power storage device in this embodiment will be described with specific numerical values, and the results of the power storage device cell obtained will be compared with a plurality of comparative examples.
実施例1.
〈共通負極の作製〉
負極電極層の材料としての黒鉛とバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン、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
極集電箔として、幅300mm、厚さ20μmの銅箔の両面に塗工形成した。この共通負極原反をカレンダーロールプレスにて105℃で加圧して電極の気孔率を調整した。負極電極層の目付量は片面あたり10mg/cm2とした。なお、この負極電極層の単位重量あたりの放電容量は320mAh/gであった。従って単位面積あたりの放電容量は片面あたり3.2mAh/cm2である。
Example 1.
<Preparation of common negative electrode>
An electrode paste comprising graphite as a material for the negative electrode layer, polyvinylidene fluoride as a binder, and n-methylpyrrolidone as a solvent was prepared by mixing. Next, this paste was applied to both sides of a copper foil having a width of 300 mm and a thickness of 20 μm as a negative electrode current collector foil. This common negative electrode raw material was pressurized at 105 ° C. with a calender roll press to adjust the porosity of the electrode. The basis weight of the negative electrode layer was 10 mg / cm 2 per side. In addition, the discharge capacity per unit weight of this negative electrode layer was 320 mAh / g. Accordingly, the discharge capacity per unit area is 3.2 mAh / cm 2 per side.
なお、負極電極層の放電容量は以下のようにして測定した。上記で作製した負極をφ12mmに打ち抜いて、作用極とする。別に、厚さ0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて対極とし、厚さ40μmのセルロース系紙セパレータを間に挟み、この電極群を2032型コインセルに入れ、電解液として1.2mol/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の混合溶媒を注液しコイン型セルを作製した。このセルについて、25℃の一定温度下、電流密度100mA/gで、電圧範囲0V−2Vで充放電を繰り返し、5回目の放電容量を放電容量の測定値とした。 The discharge capacity of the negative electrode layer was measured as follows. The negative electrode produced above is punched into φ12 mm to obtain a working electrode. Separately, a 0.15 mm thick lithium foil was punched out to φ14 mm as a counter electrode, a 40 μm thick cellulosic paper separator was sandwiched between them, and this electrode group was placed in a 2032 type coin cell. A coin-type cell was produced by injecting a mixed solvent of ethylene carbonate-diethyl carbonate containing LiPF 6 . This cell was repeatedly charged and discharged at a current density of 100 mA / g and a voltage range of 0 V to 2 V at a constant temperature of 25 ° C., and the discharge capacity at the fifth time was taken as a measured value of the discharge capacity.
〈負極の穿孔処理〉
次に底辺0.6mm、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共通負極を設置し、さらにその上にアクリル板を乗せて0.3MPaの圧力でプレスする操作を2回繰り返した。1回目と2回目で共通負極の位置をずらして穴の位置が重ならず均一になるようにして穿孔処理を行い、負極孔を有する共通負極を作製した。孔の形状は金属金型の突起と同じ四角錐の形状となり、側面断面は図1の負極孔10として示す形状となった。穿孔後の負極表面(穿孔面)を観察したところ、1辺約110μmの正方形の穴が一定間隔で形成されていた。また、負極裏
面(穿孔面と逆側の面)に穴は観察されなかった。穿孔後の共通負極の一部を切り出し、N−メチルピロリドン溶媒中に浸漬し、電極層を剥離除去したところ、負極集電箔の開口率は1.3%であった。
<Negative electrode drilling>
Next, a common negative electrode is placed between a metal mold with square pyramid projections with a base of 0.6 mm and a height of 0.7 mm spaced at intervals of 0.8 mm, and a metal plate with a smooth surface. The operation of placing the plate and pressing at a pressure of 0.3 MPa was repeated twice. A common negative electrode having negative electrode holes was prepared by shifting the position of the common negative electrode in the first time and the second time so that the positions of the holes were uniform without overlapping. The shape of the hole was the same quadrangular pyramid shape as the protrusion of the metal mold, and the side cross section was the shape shown as the
〈負極の加工〉
この共通負極を一辺30mm×43mmの長方形に切り出し、長尺方向の端部7mmの電極層を剥がして集電タブとした。短辺側の電極層の一部を剥がして集電タブとした。その後負極集電タブにNiメッキ銅箔を超音波溶接により接続して負極集電端子とした。従って、この負極の放電容量は計算上34.6mAhとなる。
<Negative electrode processing>
This common negative electrode was cut into a rectangle with a side of 30 mm × 43 mm, and the electrode layer having an end portion of 7 mm in the longitudinal direction was peeled off to form a current collecting tab. A part of the electrode layer on the short side was removed to form a current collecting tab. Thereafter, Ni-plated copper foil was connected to the negative electrode current collecting tab by ultrasonic welding to obtain a negative electrode current collecting terminal. Therefore, the discharge capacity of this negative electrode is calculated to be 34.6 mAh.
〈リチウムイオンキャパシタ正極の作製〉
正極電極層の材料として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20μmのアルミニウム箔の片面に塗工形成し、乾燥した。この正極原反をカレンダーロールプレスにて加圧して電極の気孔率を調整した。リチウムイオンキャパシタ正極電極層の目付量は8.0mg/cm2とした。なお、このリチウムイオンキャパシタ正極電極層の単位重量あたりの放電容量は45mAh/gであった。従って単位面積あたりの放電容量は0.36mAh/cm2である。このリチウムイオンキャパシタ正極を29mm×42mmの長方形に切り出し、長尺方向の端部7mmの電極層を剥がして集電タブとした。従って、このリチウムイオンキャパシタ正極の放電容量は計算上3.7mAhとなる。
<Preparation of positive electrode for lithium ion capacitor>
An electrode paste made of activated carbon as a material for the positive electrode layer, an acrylic polymer as a binder, and water as a solvent was mixed and prepared. Next, this paste was applied to one side of an aluminum foil having a width of 300 mm and a thickness of 20 μm, and dried. This positive electrode original fabric was pressurized with a calender roll press to adjust the porosity of the electrode. The basis weight of the lithium ion capacitor positive electrode layer was 8.0 mg / cm 2 . In addition, the discharge capacity per unit weight of this lithium ion capacitor positive electrode layer was 45 mAh / g. Accordingly, the discharge capacity per unit area is 0.36 mAh / cm 2 . This lithium ion capacitor positive electrode was cut into a 29 mm × 42 mm rectangle, and the electrode layer of the
なお、リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量は以下のようにして測定した。上記で作製したリチウムイオンキャパシタ正極をφ12mmに打ち抜いて、作用極とする。厚さ0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて対極とし、厚さ40μmのセルロース系紙セパレータを間に挟み、この電極群を2032型コインセルに入れ、電解液として1.2mol/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の混合溶媒を注液しコイン型セルを作製した。このセルについて、25℃の一定温度下、電流密度100mA/gで、電圧範囲0V−4.2Vで充放電を繰り返し、5回目の放電容量を測定値とした。 The discharge capacity of the lithium ion capacitor positive electrode layer was measured as follows. The lithium ion capacitor positive electrode produced above is punched out to φ12 mm to obtain a working electrode. A 0.15 mm thick lithium foil is punched out to 14 mm to make a counter electrode, a 40 μm thick cellulose paper separator is sandwiched between them, and this electrode group is placed in a 2032 type coin cell, and 1.2 mol / l LiPF 6 is used as an electrolyte. A coin-type cell was prepared by injecting a mixed solvent of ethylene carbonate-diethyl carbonate containing With respect to this cell, charging and discharging were repeated at a current density of 100 mA / g and a voltage range of 0 V to 4.2 V at a constant temperature of 25 ° C., and the discharge capacity at the fifth time was taken as a measured value.
〈リチウム電池正極の作製〉
厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にリチウム電池正極電極層の材料としてのリン酸鉄リチウム、及び導電材としての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をNMP溶媒に分散させた電極ペーストを塗工形成し、乾燥した。この正極をカレ
ンダーロールプレスにて加圧して電極の気孔率を調整した。リチウム電池正極電極層の目付量は12mg/cm2とした。なお、このリチウム電池正極電極層の単位重量あたりの放電容量は150mAh/gであった。従って単位面積あたりの放電容量は1.8mAh/cm2である。
<Preparation of lithium battery positive electrode>
An electrode paste in which lithium iron phosphate as a material of a lithium battery positive electrode layer, acetylene black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder are dispersed in an NMP solvent is formed on one surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm. And dried. This positive electrode was pressed with a calender roll press to adjust the porosity of the electrode. The basis weight of the lithium battery positive electrode layer was 12 mg / cm 2 . In addition, the discharge capacity per unit weight of this lithium battery positive electrode layer was 150 mAh / g. Accordingly, the discharge capacity per unit area is 1.8 mAh / cm 2 .
なお、リチウム電池正極電極層の放電容量は以下のようにして測定した。上記で作製したリチウム電池正極をφ12mmに打ち抜いて、作用極とする。厚さ0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて対極とし、厚さ40μmのセルロース系紙セパレータを間に挟み、この電極群を2032型コインセルに入れ、電解液として1.2mol/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の混合溶媒を注液しコイン型セルを作製した。このセルについて、25℃の一定温度下、電流密度100mA/gで、電圧範囲2.7V−4.0Vで充放電を繰り返し、5回目の放電容量を測定値とした。 The discharge capacity of the lithium battery positive electrode layer was measured as follows. The lithium battery positive electrode produced above is punched out to φ12 mm to obtain a working electrode. A 0.15 mm thick lithium foil is punched out to 14 mm to make a counter electrode, a 40 μm thick cellulose paper separator is sandwiched between them, and this electrode group is placed in a 2032 type coin cell, and 1.2 mol / l LiPF 6 is used as an electrolyte. A coin-type cell was prepared by injecting a mixed solvent of ethylene carbonate-diethyl carbonate containing This cell was repeatedly charged and discharged at a current density of 100 mA / g and a voltage range of 2.7 V to 4.0 V at a constant temperature of 25 ° C., and the discharge capacity at the fifth time was taken as a measured value.
このリチウム電池正極を29mm×42mmの長方形に切り出し、長尺方向の端部7mmの電極層を剥がして集電タブとした。従って、このリチウム電池正極電極層の放電容量は計算上18.3mAhとなる。
This lithium battery positive electrode was cut into a rectangle of 29 mm × 42 mm, and the electrode layer of the
〈セルの作製〉
リチウムイオンキャパシタ正極、共通負極、リチウム電池正極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、リチウムイオンキャパシタ正極と共通負極、リチウム電池正極と共通負極それぞれの間に、それぞれ厚さ40μmのセルロース系紙セパレータをはさんだ(第一セパレータ及び第二セパレータ)。この時、図1で示すように共通負極の穿孔面をリチウム電池正極と対向させた。リチウムイオンキャパシタ正極集電タブとリチウム電池正極集電タブを重ね、これらにアルミニウム箔を超音波溶接により接続して正極集電端子とした。
<Production of cell>
The lithium ion capacitor positive electrode, the common negative electrode, and the lithium battery positive electrode are stacked in order so that the respective electrode layers face each other, and the thicknesses are respectively between the lithium ion capacitor positive electrode and the common negative electrode, and the lithium battery positive electrode and the common negative electrode. A 40 μm cellulosic paper separator was sandwiched (first separator and second separator). At this time, as shown in FIG. 1, the perforated surface of the common negative electrode was opposed to the lithium battery positive electrode. A lithium ion capacitor positive electrode current collector tab and a lithium battery positive electrode current collector tab were stacked, and an aluminum foil was connected thereto by ultrasonic welding to form a positive electrode current collector terminal.
この電極積層体を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、1.2mol/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の混合溶媒を注液し、最後にアルミラミネート外装を封口した。その後、正極端子を充放電装置の+端子に、負極端子を−端子に接続して2mAで4VまでのCC−CV充電を行い、負極へのリチウムイオンのドープを行い試験用セルとした。 This electrode laminate was housed in an aluminum laminate film exterior, and an ethylene carbonate-diethyl carbonate mixed solvent containing 1.2 mol / l LiPF 6 was injected as an electrolyte, and finally the aluminum laminate exterior was sealed. . Then, the positive electrode terminal was connected to the + terminal of the charge / discharge device, the negative electrode terminal was connected to the-terminal, CC-CV charging up to 4 V was performed at 2 mA, and the negative electrode was doped with lithium ions to obtain a test cell.
実施の形態2.
負極電極層の材料は、上述のように、黒鉛やハードカーボン、あるいはソフトカーボン、スズやシリコン系の合金などなどが使用可能である。実施の形態1ではリチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9とは同じ材料を用いたが、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9とで異なる材料を用いれば、用途に応じて負極を最適化することができる。特に高レートに入出力(充放電)が行われるリチウムイオンキャパシタ負極電極層の劣化を軽減する構成にできるため、良好なサイクル特性および信頼性の高い電力貯蔵デバイスを構成することができる。例えば、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8の材料として高レートの入出力を行っても長寿命が得られるハードカーボンを用い、リチウム電池負極電極層9の材料として放電容量が大きい黒鉛を用いることが考えられる。以下に、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9とで異なる材料を用いた実施例を示す。
As described above, graphite, hard carbon, soft carbon, tin, a silicon alloy, or the like can be used as the material for the negative electrode layer. In the first embodiment, the same material is used for the lithium ion capacitor
実施例2.
〈共通負極の作製〉
負極電極層の材料としての黒鉛とバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン、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として、幅300mm、厚さ20μmの銅箔の片面に塗工形成した。また、負極電極層の材料としてのハードカーボンとバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン、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。このペーストを黒鉛を電極層の材料とした負極電極層の裏面に塗工形成した。この電極原反をカレンダーロールプレスにて105℃で加圧して電極の気孔率を調整した。黒鉛を使用した負極電極層の目付量は10mg/cm2とし、ハードカーボンを使用した負極電極層の目付量は11mg/cm2とした。なお、ハードカーボンを負極電極層として用いた場合の単位重量あたりの容量は300mAh/gであった。従って単位面積あたりの放電容量は3.3mAh/cm2である。負極の穿孔は黒鉛を使用した負極電極層側より行った。
Example 2
<Preparation of common negative electrode>
An electrode paste comprising graphite as a material for the negative electrode layer, polyvinylidene fluoride as a binder, and n-methylpyrrolidone as a solvent was prepared by mixing. Next, this paste was applied as a negative electrode current collector foil to one side of a copper foil having a width of 300 mm and a thickness of 20 μm. Further, an electrode paste comprising hard carbon as a material for the negative electrode layer, polyvinylidene fluoride as a binder, and n-methylpyrrolidone as a solvent was mixed and prepared. This paste was applied to the back surface of the negative electrode layer using graphite as an electrode layer material. This electrode fabric was pressed at 105 ° C. with a calender roll press to adjust the porosity of the electrode. The basis weight of the negative electrode layer using graphite was 10 mg / cm 2, and the basis weight of the negative electrode layer using hard carbon was 11 mg / cm 2 . In addition, the capacity | capacitance per unit weight at the time of using hard carbon as a negative electrode layer was 300 mAh / g. Therefore, the discharge capacity per unit area is 3.3 mAh / cm 2 . The negative electrode was perforated from the negative electrode layer side using graphite.
〈セルの作製〉
リチウムイオンキャパシタ正極、共通負極、リチウム電池正極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、電極層間にはそれぞれ厚さ40μmのセルロース系紙セパレータをはさんだ(第一セパレータ及び第二セパレータ)。この時、共通負極のハードカーボンを使用した負極電極層をリチウムイオンキャパシタ正極と対向させた。リチウムイオンキャパシタ正極集電タブとリチウム電池正極集電タブを重ね、これらにアルミニウム箔を超音波溶接により接続して正極集電端子とした。その他の作製方法は実施例1と同様にした。
以上により、実施例2の電力貯蔵デバイスは、実施の形態1で説明したのと同様、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量は、リチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きく、リチウム電池負極電極層の放電容量はリチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きい電力貯蔵デバイスとなる。
<Production of cell>
A lithium ion capacitor positive electrode, a common negative electrode, and a lithium battery positive electrode were laminated in order so that the electrode layers face each other, and a cellulosic paper separator having a thickness of 40 μm was sandwiched between the electrode layers (first separator and Second separator). At this time, the negative electrode layer using the hard carbon of the common negative electrode was opposed to the lithium ion capacitor positive electrode. A lithium ion capacitor positive electrode current collector tab and a lithium battery positive electrode current collector tab were stacked, and an aluminum foil was connected thereto by ultrasonic welding to form a positive electrode current collector terminal. Other manufacturing methods were the same as those in Example 1.
As described above, in the power storage device of Example 2, as described in the first embodiment, the discharge capacity of the lithium ion capacitor negative electrode layer is larger than the discharge capacity of the lithium battery positive electrode layer, and the lithium battery negative electrode The discharge capacity of the layer is a power storage device that is greater than the discharge capacity of the positive electrode layer of the lithium ion capacitor.
実施の形態3.
負極電極層の材料は、上述のように、黒鉛やハードカーボン、あるいはソフトカーボン、スズやシリコン系の合金などなどが使用可能である。また、これらの材料のうち複数の材料を混合したものを用いることもできる。本実施の形態3は、負極電極層にこのような混合材料を用いた実施の形態である。図1の構成の電力貯蔵デバイスのセルにおいて、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9とで材料の混合比が異なる材料を用いれば、用途に応じて負極を最適化することができ、特に高レートの入出力(充放電)が行われるリチウムイオンキャパシタ負極電極層の劣化を軽減する構成にできるため、良好なサイクル特性および信頼性の高い電力貯蔵デバイスを構成することができる。例えば、混合する材料として黒鉛とハードカーボンを用いる。そしてリチウムイオンキャパシタ負極電極層8の材料として高レートの入出力を行っても長寿命が得られるハードカーボンの比率が高い混合材料を用い、リチウム電池負極電極層9の材料として放電容量が大きい黒鉛の比率が高い混合材料を用いることが考えられる。以下に、リチウムイオンキャパシタ負極電極層8とリチウム電池負極電極層9とで混合比が異なる材料を用いた実施例を示す。
As described above, graphite, hard carbon, soft carbon, tin, a silicon alloy, or the like can be used as the material for the negative electrode layer. Moreover, what mixed several materials among these materials can also be used. The third embodiment is an embodiment in which such a mixed material is used for the negative electrode layer. In the cell of the power storage device having the configuration of FIG. 1, if materials having different mixing ratios of the lithium ion capacitor
実施例3.
〈共通負極の作製〉
負極電極層の材料としての黒鉛及びハードカーボンを4:6の比率で混合し、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン、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。このペーストを負極集電箔として、幅300mm、厚さ20μmの銅箔の片面に塗工形成して片面電極とした。負極電極層の目付量は10mg/cm2とした。なお、この負極電極層の単位重量あたりの容量は310mAh/gであった。従って、この負極電極層の単位面積当たりの放電容量は3.1mAh/cm2である。次に、負極電極層の材料として黒鉛及びハードカーボンを2:8の比率で混合し、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン、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、片面電極の裏側に塗工形成した。裏面の負極電極層の目付量は10mg/cm2とした。なお、この負極電極層の単位重量あたりの容量は300mAh/gであった。従って、この負極電極層の単位面積当たりの放電容量は3.0mAh/cm2である。この電極原反をカレンダーロールプレスにて105℃で加圧して電極の気孔率を調整した。いずれの負極電極層の目付量も10mg/cm2とした。負極の穿孔は、負極電極層の比率が黒鉛の方が多い電極層側より行った。その他の作製方法は実施例1と同様にした。
Example 3
<Preparation of common negative electrode>
Graphite and hard carbon as a material for the negative electrode layer were mixed at a ratio of 4: 6, and an electrode paste composed of polyvinylidene fluoride as a binder and n-methylpyrrolidone as a solvent was mixed and prepared. This paste was applied as a negative electrode current collector foil to one side of a copper foil having a width of 300 mm and a thickness of 20 μm to form a single-sided electrode. The basis weight of the negative electrode layer was 10 mg / cm 2 . The capacity per unit weight of this negative electrode layer was 310 mAh / g. Therefore, the discharge capacity per unit area of this negative electrode layer is 3.1 mAh / cm 2 . Next, graphite and hard carbon are mixed at a ratio of 2: 8 as a material for the negative electrode layer, and an electrode paste composed of polyvinylidene fluoride as a binder and n-methylpyrrolidone as a solvent is mixed and prepared. The coating was formed. The basis weight of the negative electrode layer on the back surface was 10 mg / cm 2 . The capacity per unit weight of this negative electrode layer was 300 mAh / g. Therefore, the discharge capacity per unit area of the negative electrode layer is 3.0 mAh / cm 2 . This electrode fabric was pressed at 105 ° C. with a calender roll press to adjust the porosity of the electrode. The basis weight of any negative electrode layer was also set to 10 mg / cm 2 . The negative electrode was perforated from the electrode layer side in which the ratio of the negative electrode layer was larger in graphite. Other manufacturing methods were the same as those in Example 1.
〈セルの作製〉
リチウムイオンキャパシタ正極、共通負極、リチウム電池正極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、電極層間にそれぞれ厚さ40μmのセルロース系紙セパレータをはさんだ(第一セパレータ及び第二セパレータ)。この時、ハードカーボンの比率がより高い、黒鉛:ハードカーボンが2:8の負極電極層をリチウムイオンキャパシタ正極と対向させた。リチウムイオンキャパシタ正極集電タブとリチウム電池正極集電タブを重ね、これらにアルミニウム箔を超音波溶接により接続して正極集電端子とした。その他の作製方法は実施例1と同様にした。
<Production of cell>
The lithium ion capacitor positive electrode, the common negative electrode, and the lithium battery positive electrode were laminated in order so that the respective electrode layers face each other, and a cellulosic paper separator having a thickness of 40 μm was sandwiched between the electrode layers (the first separator and the first separator). Two separators). At this time, the negative electrode layer having a higher ratio of hard carbon and graphite: hard carbon of 2: 8 was opposed to the lithium ion capacitor positive electrode. A lithium ion capacitor positive electrode current collector tab and a lithium battery positive electrode current collector tab were stacked, and an aluminum foil was connected thereto by ultrasonic welding to form a positive electrode current collector terminal. Other manufacturing methods were the same as those in Example 1.
以上により、実施例3の電力貯蔵デバイスは、実施の形態1で説明したのと同様、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量は、リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きく、リチウム電池負極電極層の放電容量はリチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きい電力貯蔵デバイスとなる。 As described above, in the power storage device of Example 3, as described in the first embodiment, the discharge capacity of the lithium ion capacitor negative electrode layer is larger than the discharge capacity of the lithium ion capacitor positive electrode layer, and the lithium battery negative electrode The discharge capacity of the electrode layer is a power storage device larger than the discharge capacity of the positive electrode layer of the lithium battery.
実施の形態4.
実施の形態4は、共通負極の製造方法のうち穿孔処理に関するものである。図3に、本発明の実施の形態4による穿孔処理方法を示す。図3に示すように、長尺の共通負極原反60を多数の円錐や四角錐など形状をした針状突起23を有する穿孔ロール17と表面が平滑な面である平滑ロール18の間を通すことによって穿孔処理して多数の負極孔10を有する共通負極6とすることができる。このようなロールでの穿孔処理によれば、長尺の共通負極に対して多数の負極孔の形成が効率よくでき、大量の負極を簡単に製造できる。以下に、実施例4として図3に示すロールで作製した負極の例を示す。
The fourth embodiment relates to a perforation process in the method for manufacturing a common negative electrode. FIG. 3 shows a perforation processing method according to
実施例4
作製した共通負極原反60を底辺の直径0.7mm、高さ0.6mmの円錐の突起が0.8mm間隔で形成されている穿孔ロール17と表面が平滑な平滑ロール18の間を通し、穿孔を行った。穴開け後の負極表面を観察したところ、直径約160μmの円形の穴が多数形成されていた。また負極裏面に穴は観察されなかった。穿孔後の負極の一部を切り出し、N−メチルピロリドン溶媒中に浸漬し、電極層を剥離除去したところ、負極集電箔の開口率は1.2%であった。その他の作製方法は実施例1と同様にした。
Example 4
The prepared common negative electrode
実施の形態5.
図4は、本発明の実施の形態5による電力貯蔵デバイスの構造の概略構成を示す断面図である。図4に示すように、例えば図1に示す電力貯蔵デバイスを複数積層することによ
り大容量のデバイスを構成できる。以下に、図4の電力貯蔵デバイスの作製方法を示す。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the structure of the power storage device according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, for example, a large-capacity device can be configured by stacking a plurality of power storage devices shown in FIG. A method for manufacturing the power storage device of FIG. 4 will be described below.
実施例5.
〈負極の作製〉〈負極の穿孔処理〉〈負極の加工〉は実施例1と同様に作製した。
〈共通正極の作製〉積層構造の場合、両端以外の正極は集電箔2の一面にリチウムイオンキャパシタの正極電極層3、もう一方の面にリチウム電池の正極電極層が設けられる。この共通正極13の作製方法は以下のようである。リチウムイオンキャパシタの正極電極層の材料として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20μmのアルミニウム箔の片面に塗工形成した。この電極の裏面にリチウム電池の正極電極層の材料であるリン酸鉄リチウム、アセチレンブラック、PVDFをNMPに分散させた電極ペーストを塗工形成し、100℃で乾燥させた後、ロールプレスして気孔率を調整した。29mm×42mmの長方形に切り出し、長尺方向の端部7mmの電極層を剥がして集電タブとした。
また、積層の片端となるリチウムイオンキャパシタ正極1、及び他の片端となるリチウム電池正極5の作製は実施例1と同様に行った。
Example 5 FIG.
<Preparation of Negative Electrode><Pole Drilling Process><Processing of Negative Electrode> was prepared in the same manner as in Example 1.
<Preparation of Common Positive Electrode> In the case of a laminated structure, positive electrodes other than both ends are provided with a
Further, the lithium ion capacitor
〈セルの作製〉
リチウム電池正極5の上に、共通負極6、共通正極13の順に交互に9枚ずつ重ね合わせた後、その上にさらに共通負極6、リチウムイオンキャパシタ正極1を互いの電極層が対向するように中心を揃えて積層し、正負の電極層間にそれぞれ厚さ40μmのセルロー
ス系紙セパレータ11および12をはさんだ。リチウムイオンキャパシタ正極集電タブとリチウム電池正極集電タブ及び正極集電タブを重ね、これらにアルミニウム箔を超音波溶接により接続して正極端子19とした。また、各々の負極集電タブも重ねこれらにNiメッキ銅箔を超音波溶接により接続して負極端子20とした。
<Production of cell>
Nine sheets of the common
この電極積層体を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、1.2mol/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の混合溶媒を注液し、最後にアルミラミネート外装を封口した。その後、正極端子を充放電装置の+端子に、負極端子を−端子に接続して20mAで4VまでのCC−CV充電を行い、負極へのリチウムイオンのドープを行い試験用セルとした。 This electrode laminate was housed in an aluminum laminate film exterior, and an ethylene carbonate-diethyl carbonate mixed solvent containing 1.2 mol / l LiPF 6 was injected as an electrolyte, and finally the aluminum laminate exterior was sealed. . Then, the positive electrode terminal was connected to the + terminal of the charge / discharge device, the negative electrode terminal was connected to the-terminal, CC-CV charge up to 4 V was performed at 20 mA, and the negative electrode was doped with lithium ions to obtain a test cell.
実施の形態6.
図5は、本発明の実施の形態6による電力貯蔵デバイスの概略構成を示す断面図である。図5に示すように、例えば図1に示す電力貯蔵デバイスを大面積で作製し、それを捲回することにより大容量のデバイスを構成できる。以下に、図5の電力貯蔵デバイスの作製方法を示す。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the power storage device according to the sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, for example, the power storage device shown in FIG. 1 is manufactured in a large area, and a large-capacity device can be configured by winding it. A method for manufacturing the power storage device of FIG. 5 will be described below.
実施例6.
〈負極の作製〉〈負極の穿孔処理〉は実施例1と同様に作製した。
〈負極の加工〉
穿孔後の負極を262mm×50mmの短冊に切断し、長尺方向の端部10mmの負極電極層を一辺のみ剥して、箔部を露出させて集電タブとした。その後負極集電タブにNiメッキ銅箔を超音波溶接により接続して負極端子22とした。
Example 6
<Preparation of Negative Electrode><Porosion treatment of negative electrode> was prepared in the same manner as in Example 1.
<Negative electrode processing>
The negative electrode after perforation was cut into 262 mm × 50 mm strips, the negative electrode layer having an end portion of 10 mm in the longitudinal direction was peeled only on one side, and the foil portion was exposed to form a current collecting tab. Thereafter, Ni-plated copper foil was connected to the negative electrode current collecting tab by ultrasonic welding to form a
〈共通正極の作製〉捲回構造の場合についても、両端以外の正極は集電箔2の一面にリチウムイオンキャパシタの正極電極層3、もう一方の面にリチウム電池の正極電極層が設けられる。この共通正極13の作製方法は実施例5と同様にリチウムイオンキャパシタの正極電極層の材料として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20μ
mのアルミニウム箔の片面に塗工形成した。この電極の裏面にリチウム電池の正極電極層の材料であるリン酸鉄リチウム、アセチレンブラック、PVDFをNMPに分散させた電極ペーストを塗工形成し、100℃で乾燥させた後、ロールプレスして気孔率を調整した。この正極を248mm×46mmの短冊に切断し、長尺方向の端部10mmの正極電極層及びリチウムイオンドープ層を一辺のみ剥がし、箔部を露出させて集電タブとした。その後集電タブにアルミニウム箔を超音波溶接により接続して正極端子21とした。
<Preparation of Common Positive Electrode> Also in the case of a wound structure, positive electrodes other than both ends are provided with a
The coating was formed on one side of an aluminum foil of m. An electrode paste in which lithium iron phosphate, acetylene black, and PVDF, which are materials for the positive electrode layer of the lithium battery, are dispersed in NMP is applied and formed on the back surface of the electrode, dried at 100 ° C., and then roll pressed. The porosity was adjusted. This positive electrode was cut into a strip of 248 mm × 46 mm, the positive electrode layer and the lithium ion doped layer having an end portion of 10 mm in the longitudinal direction were peeled off, and the foil portion was exposed to form a current collecting tab. Thereafter, an aluminum foil was connected to the current collecting tab by ultrasonic welding to form a
〈セルの作製〉
各部材を十分に乾燥させた後、正極電極層と負極電極層が対向するように正極と負極を向かいあわせ、その間にセパレータを挟み込み重ね合わせた後、端部より捲き回してテープで固定した。この際、負極の穿孔面がリチウム電池正極と対向する様にセルを作製した。これをアルミラミネートシートで作製した外装袋に入れ、電解液として、1.2mol/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、最後に外装容器であるアルミラミネート外装を封口し、この実施の形態における電力貯蔵デバイスセルを完成させた。その後、共通負極へのリチウムイオン挿入を促進するために、正極端子を充放電装置の+端子に、負極端子を−端子に接続して20mAで4.0VまでのCC−CV充電を行い、負極へのリチウムイオンのドープを行い試験用セルとした。
<Production of cell>
After each member was sufficiently dried, the positive electrode and the negative electrode were faced each other so that the positive electrode layer and the negative electrode layer were opposed to each other, and the separator was sandwiched between them, and then rolled around and fixed with a tape. At this time, the cell was fabricated so that the perforated surface of the negative electrode was opposed to the lithium battery positive electrode. This is put in an outer bag made of an aluminum laminate sheet, and an electrolyte solution containing 1.2 mol / l LiPF 6 and a mixed solvent of ethylene carbonate-diethyl carbonate 3: 7 is injected into the outer bag. The laminate sheath was sealed to complete the power storage device cell in this embodiment. Thereafter, in order to promote the insertion of lithium ions into the common negative electrode, the positive electrode terminal is connected to the positive terminal of the charge / discharge device, the negative electrode terminal is connected to the negative terminal, and CC-CV charging is performed up to 4.0 V at 20 mA. A test cell was prepared by doping lithium ions into the cell.
実施の形態7.
図6は、本発明の実施の形態7による電力貯蔵デバイスの概略構成を示す断面図である。これまでの実施の形態では、共通負極の穿孔面をリチウム電池正極と対向させた構成としたが、逆に、共通負極の穿孔面をリチウムキャパシタ正極と対向させた構成としても良い。実施例7の電力貯蔵デバイスは、共通負極の穿孔面をリチウムキャパシタ正極と対向させた構成のものである。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the power storage device according to the seventh embodiment of the present invention. In the embodiments so far, the perforated surface of the common negative electrode is opposed to the lithium battery positive electrode, but conversely, the perforated surface of the common negative electrode may be opposed to the lithium capacitor positive electrode. The power storage device of Example 7 has a configuration in which the perforated surface of the common negative electrode is opposed to the lithium capacitor positive electrode.
実施例7.
実施例6のセルの作製時に負極の穿孔面がリチウムイオンキャパシタ正極と対向するようにしてセルを作製したこと以外は実施例6と同様に作製した。
Example 7
A cell was produced in the same manner as in Example 6 except that the cell was produced such that the perforated surface of the negative electrode was opposed to the positive electrode of the lithium ion capacitor when the cell of Example 6 was produced.
比較例.
以下に、以上の本発明による電力貯蔵デバイスの実施例1〜7と比較する、比較例の電力貯蔵デバイスを示す。
Comparative example.
Below, the electric power storage device of the comparative example compared with the Examples 1-7 of the electric power storage device by the above this invention is shown.
上記実施例の電力貯蔵デバイスは、リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量は、リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きく、リチウム電池負極電極層の放電容量はリチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きい電力貯蔵デバイスとなっている。これらの実施例の電力貯蔵デバイスと比較するため、以下のように、負極電極層がリチウムイオンキャパシタ側だけに形成されたもの(比較例1)、およびリチウム電池負極電極層の放電容量がリチウムイオン正極電極層の放電容量よりも少ないもの(比較例2)を作製した。 In the power storage device of the above embodiment, the discharge capacity of the lithium ion capacitor negative electrode layer is larger than the discharge capacity of the lithium ion capacitor positive electrode layer, and the discharge capacity of the lithium battery negative electrode layer is the discharge capacity of the lithium battery positive electrode layer. It is a larger power storage device. For comparison with the power storage devices of these examples, the negative electrode layer formed only on the lithium ion capacitor side (Comparative Example 1) and the discharge capacity of the lithium battery negative electrode layer were as follows. A material having less discharge capacity than the positive electrode layer (Comparative Example 2) was produced.
また、本発明による電力貯蔵デバイスは、共通負極集電箔に貫通孔を有している。この貫通孔を有することにより、キャパシタ側の負極電極層8と電池側の負極電極層9との間でイオン電導性が確保される。すなわち初期の充電操作によりリチウム電池正極電極層からリチウム電池負極電極層にドープされたリチウムはこの貫通孔を通ってリチウムイオンキャパシタ負極電極層へと到達する。これによってリチウムイオンキャパシタ負極にリチウムイオンが供給され、キャパシタとして機能できるようになる。また、通常の充放電動作時においても、貫通孔を通じてリチウムイオンの移動がある。この貫通孔の開口率が小さいと、初期の充電時にリチウムイオンのドープが不十分になり、所定の容量が得られな
い。開口率が大きくなると負極電極層の反応面積の減少による容量低下や、強度の低下により集電箔から電極層が部分的に剥れることによる容量低下が生じる。
そこで、本発明者らは、貫通孔の開口率について、上記実施例の電力貯蔵デバイスと異なる開口率の共通負極集電箔の電力貯蔵デバイスを作製して特性を比較することにした(比較例3および4)。以下に、比較例の電力貯蔵デバイスの概要を示す。
The power storage device according to the present invention has a through hole in the common negative electrode current collector foil. By having this through hole, ionic conductivity is ensured between the
Therefore, the present inventors made a power storage device of a common negative electrode current collector foil having an aperture ratio different from that of the power storage device of the above-described embodiment with respect to the aperture ratio of the through hole, and compared the characteristics (Comparative Example). 3 and 4). Below, the outline | summary of the power storage device of a comparative example is shown.
比較例1.
実施例1の共通負極の作製において、負極電極層の塗布をリチウムイオンキャパシタ正極と対向する側の面のみとした。なお、負極電極層の目付量は10mg/cm2とした。負極の穴開け加工においては、電極層が塗工されていない銅箔表面から穿孔を行った。
Comparative Example 1
In the production of the common negative electrode of Example 1, the negative electrode layer was applied only to the surface facing the lithium ion capacitor positive electrode. The basis weight of the negative electrode layer was 10 mg / cm 2 . In the drilling of the negative electrode, perforation was performed from the surface of the copper foil on which the electrode layer was not applied.
比較例2.
実施例1の共通負極の作製において、負極電極層を銅箔の両面に塗布形成したが、リチウムイオンキャパシタ正極と対向する側の面の目付量は10mg/cm2とし、リチウム電池正極と対向する側の目付量は4mg/cm2とした。従ってリチウムイオンキャパシタ正極に対向する負極電極層の単位面積あたりの放電容量は3.2mAh/cm2となり、リチウム電池正極に対向する負極電極層の単位面積あたりの放電容量は1.28mAh/cm2となりリチウム電池正極の2.1mAh/cm2より少なかった。
負極の穿孔処理は、目付量が4mg/cm2のリチウム電池正極と対向する側となる負極電極層側から穿孔を行った。
Comparative Example 2
In the preparation of the common negative electrode of Example 1, the negative electrode layer was applied and formed on both sides of the copper foil, but the basis weight of the side facing the lithium ion capacitor positive electrode was 10 mg / cm 2 and opposed to the lithium battery positive electrode. The basis weight on the side was 4 mg / cm 2 . Therefore, the discharge capacity per unit area of the negative electrode layer facing the lithium ion capacitor positive electrode is 3.2 mAh / cm 2 , and the discharge capacity per unit area of the negative electrode layer facing the lithium battery positive electrode is 1.28 mAh / cm 2. And less than 2.1 mAh / cm 2 of the lithium battery positive electrode.
For the perforation treatment of the negative electrode, perforation was performed from the negative electrode layer side that is the side facing the positive electrode of the lithium battery having a basis weight of 4 mg / cm 2 .
比較例3.(貫通孔の開口率が1%未満)
〈負極の穿孔処理〉
底辺0.5mm、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負極を設置し、さらにその上にアクリル板を乗せて0.3MPaの圧力でプレスする操作を2回繰り返した。1回目と2回目で負極位置をずらして穴の位置が重ならず均一になるようにして穿孔処理を行った。穿孔後の負極表面(穿孔面)を観察したところ、1辺約100μmの正方形の穴が一定間隔で形成されていた。また、負極裏面(穿孔面と逆側の面)に穴は観察されなかった。穿孔後の負極の一部を切り出し、N−メチルピロリドン溶媒中に浸漬し、電極層を剥離除去したところ、負極集電箔の開口率は0.9%であった。その他は実施例1と同様にした。
Comparative Example 3 (Opening ratio of through holes is less than 1%)
<Negative electrode drilling>
A negative electrode is placed between a metal mold with quadrangular pyramid projections with a bottom of 0.5 mm and a height of 0.7 mm formed at 0.8 mm intervals and a metal plate with a smooth surface, and an acrylic plate is placed on it. The operation of pressing at a pressure of 0.3 MPa was repeated twice. The drilling process was performed by shifting the position of the negative electrode in the first time and the second time so that the positions of the holes were uniform without overlapping. When the surface of the negative electrode (perforated surface) after drilling was observed, square holes with a side of about 100 μm were formed at regular intervals. Moreover, no hole was observed on the back surface of the negative electrode (surface opposite to the perforated surface). When a part of the negative electrode after perforation was cut out and immersed in an N-methylpyrrolidone solvent and the electrode layer was peeled and removed, the aperture ratio of the negative electrode current collector foil was 0.9%. Others were the same as in Example 1.
比較例4.(貫通孔の開口率が15%以上)
〈負極の穿孔処理〉
底辺0.5mm、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負極を設置し、さらにその上にシリコンゴムシート及びアクリル板を乗せて0.5MPaの圧力でプレスする操作を8回繰り返した。穿孔後の負極表面(穿孔面)を観察したところ、1辺約160μmの正方形の穴が多数形成され
ていた。また、負極裏面(穿孔面と逆側の面)に穴は観察されなかった。穿孔後の負極の一部を切り出し、N−メチルピロリドン溶媒中に浸漬し、電極層を剥離除去したところ、負極集電箔の開口率は16%であった。その他の作製方法は実施例1と同様にした。
Comparative Example 4 (Opening ratio of through holes is 15% or more)
<Negative electrode drilling>
A negative electrode is placed between a metal mold in which quadrangular pyramid projections with a base of 0.5 mm and a height of 0.7 mm are formed at intervals of 0.8 mm, and a metal plate with a smooth surface, and a silicon rubber sheet and The operation of placing an acrylic plate and pressing at a pressure of 0.5 MPa was repeated 8 times. Observation of the negative electrode surface (perforated surface) after perforation revealed that many square holes each having a side of about 160 μm were formed. Moreover, no hole was observed on the back surface of the negative electrode (surface opposite to the perforated surface). When a part of the negative electrode after perforation was cut out, immersed in an N-methylpyrrolidone solvent, and the electrode layer was peeled and removed, the aperture ratio of the negative electrode current collector foil was 16%. Other manufacturing methods were the same as those in Example 1.
まとめ.
各実施の形態で示した実施例と比較例の電力貯蔵デバイスセルについて、表1に正、負極各電極層の単位重量あたりの放電容量及び電極層形成時の目付量、電極面積から求めた放電容量を示す。実施例1〜7のセルにおいては、リチウムイオンキャパシタ部、リチウム電池部いずれも各々の正極の放電容量に比べて負極の放電容量の方が多くなっているが、比較例1のセルは負極電極層がリチウムイオンキャパシタ部のみにしか形成されていないため、リチウム電池負極の放電容量がなく、また、比較例2のセルはリチウム電池負極の放電容量がリチウム電池正極の放電容量より少なくなっている。
Summary.
For the power storage device cells of the examples and comparative examples shown in each embodiment, Table 1 shows the discharge capacity per unit weight of the positive and negative electrode layers, the basis weight when forming the electrode layers, and the discharge determined from the electrode area. Indicates capacity. In the cells of Examples 1 to 7, both the lithium ion capacitor part and the lithium battery part had a larger negative electrode discharge capacity than the positive electrode discharge capacity. Since the layer is formed only on the lithium ion capacitor portion, there is no discharge capacity of the lithium battery negative electrode, and in the cell of Comparative Example 2, the discharge capacity of the lithium battery negative electrode is less than the discharge capacity of the lithium battery positive electrode. .
比較例3および比較例4の各電極の放電容量は実施例1と同じで、負極孔の開口率が実施例1と異なる。
The discharge capacity of each electrode of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 is the same as that of Example 1, and the aperture ratio of the negative electrode hole is different from that of Example 1.
以上の電力貯蔵デバイスセルについて25℃環境下で下限電圧2.0V、上限電圧4.0Vの範囲で充放電試験を行った。充放電電流は実施例1〜4及び比較例1〜4については20mAとし、実施例5〜7については200mAとした。次にこれらのセルを実施例1〜4及び比較例1〜4については150mAで、実施例5〜7については1500mAでいずれも4V-2Vの範囲で充放電を繰り返すサイクル試験を行った。 The above power storage device cell was subjected to a charge / discharge test in a range of a lower limit voltage of 2.0 V and an upper limit voltage of 4.0 V under a 25 ° C. environment. The charge / discharge current was 20 mA for Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, and 200 mA for Examples 5 to 7. Next, these cells were subjected to a cycle test in which charging / discharging was repeated at 150 mA for Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 and 1500 mA for Examples 5 to 7 in the range of 4V-2V.
表2に、各セルにおける20mA放電時の放電容量及びサイクル試験における5000サイクル後の容量維持率を示す。表2より、実施例1〜7のセルはリチウムイオンキャパシタ部、リチウム電池部いずれも各々の正極の放電容量に比べて負極の放電容量の方が多くなっているため良好な放電容量及びサイクル時の容量維持率が得られた。しかし、比較
例1のセルは共通負極のリチウム電池正極と対向するリチウム電池負極電極層がなく、充放電に寄与できる負極は集電箔の開口部分を通じてリチウムイオンキャパシタ部の負極電極層の一部のみであるため、反応面積が極端に小さく放電容量が少なかった。また、高レートのサイクル試験において孔周辺にリチウム金属が発生し、このデンドライト状に成長したリチウム金属がセパレータを突き破ったことが原因で3200サイクル時点において内部短絡が発生して電力貯蔵デバイスとして機能しなくなった。また、比較例2のセルは共通負極のリチウム電池負極電極層の容量が、対向するリチウム電池正極より少ないため、十分な放電容量が得られず、また、サイクル試験においても負極中の少ない電極層が酷使されるため電極層の劣化が著しく、5000サイクル後の容量維持率は51%と低かった。
Table 2 shows the discharge capacity at 20 mA discharge in each cell and the capacity maintenance rate after 5000 cycles in the cycle test. From Table 2, the cells of Examples 1 to 7 have good discharge capacity and cycle time because the discharge capacity of the negative electrode is larger than the discharge capacity of each positive electrode part and the lithium battery part. The capacity retention rate was obtained. However, the cell of Comparative Example 1 has no lithium battery negative electrode layer facing the lithium battery positive electrode of the common negative electrode, and the negative electrode that can contribute to charging and discharging is part of the negative electrode layer of the lithium ion capacitor part through the opening of the current collector foil. Therefore, the reaction area was extremely small and the discharge capacity was small. In addition, lithium metal is generated around the hole in a high-rate cycle test, and the lithium metal grown in a dendritic state breaks through the separator, causing an internal short circuit at 3200 cycles and functioning as a power storage device. lost. Moreover, since the capacity | capacitance of the lithium battery negative electrode layer of the battery of the comparative example 2 is smaller than the lithium battery positive electrode which opposes the cell of the comparative example 2, sufficient discharge capacity cannot be obtained, and there are few electrode layers in a negative electrode also in a cycle test Since the electrode layer was abused, the electrode layer was significantly deteriorated, and the capacity retention rate after 5000 cycles was as low as 51%.
以上のように、リチウムイオンキャパシタ部、リチウム電池部いずれも各々の正極電極層の放電容量に比べて負極電極層の放電容量の方を多くすることで、良好な放電容量およびサイクル時の容量維持が得られることがわかる。 As described above, the discharge capacity of the negative electrode layer is increased compared to the discharge capacity of each positive electrode layer in both the lithium ion capacitor part and the lithium battery part, so that a good discharge capacity and capacity maintenance during cycling can be maintained. It can be seen that
比較例3は共通負極の集電箔の開口率が0.9%と低いため、リチウムイオンのドープ量が少なく、このためリチウムイオンキャパシタ部の容量が得られず放電容量が少なかった。また、実施例1に比べて、サイクル試験におけるリチウムイオンキャパシタ部の効果が少なくなり、2000サイクル後、5000サイクル後の容量維持率も低かった。 In Comparative Example 3, since the aperture ratio of the common negative electrode current collector foil was as low as 0.9%, the doping amount of lithium ions was small, so that the capacity of the lithium ion capacitor portion could not be obtained and the discharge capacity was small. Moreover, compared with Example 1, the effect of the lithium ion capacitor part in the cycle test was reduced, and the capacity retention rate after 2000 cycles and 5000 cycles was also low.
また、比較例4は共通負極の集電箔の開口率が16%と高いため、リチウムイオンのドープは十分であったが、複数回の穿孔処理により負極電極層が脆くなり部分的に欠落する現象が生じた。また、2000サイクル後の容量維持率は良好であったが、5000サイクル後の容量維持率は低かった。これはサイクル時にリチウム電池部の充放電にリチウムイオンキャパシタ正極側の負極電極層の一部が使用されるため容量劣化が少ないが、孔周辺の負極電極層には電流が集中しやすく、電極層の劣化が促進されるため、3000サイクル付近から急激に容量維持率が低下した。
以上から、共通負極の集電箔の開口率、すなわち負極孔の開口率は1%〜15%が好ましいことが判明した。
Further, in Comparative Example 4, since the aperture ratio of the common negative electrode current collector foil was as high as 16%, lithium ion doping was sufficient, but the negative electrode layer became brittle and partially lost due to multiple perforations. A phenomenon occurred. Further, the capacity retention rate after 2000 cycles was good, but the capacity retention rate after 5000 cycles was low. This is because there is little capacity deterioration because part of the negative electrode layer on the positive electrode side of the lithium ion capacitor is used for charging and discharging the lithium battery part during cycling, but current tends to concentrate on the negative electrode layer around the hole. Since the deterioration of the battery was promoted, the capacity retention rate suddenly decreased from around 3000 cycles.
From the above, it was found that the aperture ratio of the common negative electrode current collector foil, that is, the aperture ratio of the negative electrode hole, is preferably 1% to 15%.
1:リチウムイオンキャパシタ正極 2:正極集電箔
3:リチウムイオンキャパシタ正極電極層
4:リチウム電池正極電極層 5:リチウム電池正極
6:共通負極 7:負極集電箔
8:リチウムイオンキャパシタ負極電極層
9:リチウム電池負極電極層 10:負極孔
11:第一セパレータ 12:第二セパレータ
13:共通正極 14:突起金型
15:平滑金属板 16:スペーサー
17:穿孔ロール 18:平滑ロール
19、21:正極端子 20、22:負極端子
23:針状突起 30:リチウムイオンキャパシタ部
40:リチウム電池部 60:共通負極原反
1: lithium ion capacitor positive electrode 2: positive electrode current collector foil 3: lithium ion capacitor positive electrode layer 4: lithium battery positive electrode layer 5: lithium battery positive electrode 6: common negative electrode 7: negative electrode current collector foil 8: lithium ion capacitor negative electrode layer 9: Negative electrode layer of lithium battery 10: Negative electrode hole 11: First separator 12: Second separator 13: Common positive electrode 14: Projection die 15: Smooth metal plate 16: Spacer 17: Perforated roll 18:
Claims (12)
電池正極集電箔の一方の面にリチウム電池正極電極層が形成されたリチウム電池正極と、負極集電箔の一方の面にリチウムイオンキャパシタ負極電極層が形成され、上記負極集電箔の他方の面にリチウム電池負極電極層が形成されるとともに、上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層が上記リチウムイオンキャパシタ正極電極層に対向して配置され、上記リチウム電池負極電極層が上記リチウム電池正極電極層に対向して配置された共通負極と、
上記リチウムイオンキャパシタ正極電極層と上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層との間に設けられた第一のセパレータと、
上記リチウム電池正極電極層と上記リチウム電池負極電極層との間に設けられた第二のセパレータとを備え、
上記共通負極は一方の面から上記負極集電箔を貫く複数の負極孔を有するとともに、上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量が上記リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きく、上記リチウム電池負極電極層の放電容量が上記リチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きいことを特徴とする電力貯蔵デバイス。 A capacitor positive electrode having a lithium ion capacitor positive electrode layer formed on one surface of the capacitor positive electrode current collector foil;
A lithium battery positive electrode having a lithium battery positive electrode layer formed on one surface of the battery positive electrode current collector foil, and a lithium ion capacitor negative electrode layer formed on one surface of the negative electrode current collector foil, the other of the negative electrode current collector foils A lithium battery negative electrode layer is formed on the surface, the lithium ion capacitor negative electrode layer is disposed opposite to the lithium ion capacitor positive electrode layer, and the lithium battery negative electrode layer is disposed on the lithium battery positive electrode layer. A common negative electrode arranged oppositely,
A first separator provided between the lithium ion capacitor positive electrode layer and the lithium ion capacitor negative electrode layer;
A second separator provided between the lithium battery positive electrode layer and the lithium battery negative electrode layer,
The common negative electrode has a plurality of negative electrode holes penetrating the negative electrode current collector foil from one side, the discharge capacity of the lithium ion capacitor negative electrode layer is larger than the discharge capacity of the lithium ion capacitor positive electrode layer, A power storage device, wherein a discharge capacity of the battery negative electrode layer is larger than a discharge capacity of the lithium battery positive electrode layer.
負極集電箔の一方の面にリチウムイオンキャパシタ負極電極層が形成され、上記負極集電箔の他方の面にリチウム電池負極電極層が形成された共通負極と、
第一のセパレータと、
第二のセパレータとを複数有し、
上記第一のセパレータ、上記共通負極、上記第二のセパレータ、上記共通正極を順次、上記リチウム電池負極電極層と上記リチウム電池正極電極層とで上記第二のセパレータを挟
むように、上記リチウムイオン正極電極層と上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層とで上記第一のセパレータを挟むように、かつ最外面の一方の面は第一のセパレータとなり、最外面の他方の面は第二のセパレータとなるよう積層し、
上記最外面の第一のセパレータの外側に、正極集電箔の片面にリチウムイオンキャパシタ正極電極層が形成された正極を、当該リチウムイオンキャパシタ正極電極層が上記最外面の第一のセパレータの側になるように配置し、
上記最外面の第二のセパレータの外側に、正極集電箔の片面にリチウム電池正極電極層が形成されたリチウム電池正極を、当該リチウム電池正極電極層が上記最外面の第二のセパレータの側になるように配置した電力貯蔵デバイスにおいて、
上記共通負極は一方の面から上記負極集電箔を貫く複数の負極孔を有するとともに、互いに対向する上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層と上記リチウムイオンキャパシタ正極電極層において上記リチウムイオンキャパシタ負極電極層の放電容量が上記リチウムイオンキャパシタ正極電極層の放電容量よりも大きく、互いに対向する上記リチウム電池負極電極層と上記リチウム電池正極電極層において上記リチウム電池負極電極層の放電容量が上記リチウム電池正極電極層の放電容量よりも大きいことを特徴とする電力貯蔵デバイス。 A common positive electrode in which a lithium ion capacitor positive electrode layer is formed on one surface of the positive electrode current collector foil and a lithium battery positive electrode layer is formed on the other surface of the positive electrode current collector foil;
A common negative electrode in which a lithium ion capacitor negative electrode layer is formed on one surface of the negative electrode current collector foil, and a lithium battery negative electrode layer is formed on the other surface of the negative electrode current collector foil;
A first separator;
A plurality of second separators,
The first separator, the common negative electrode, the second separator, and the common positive electrode are sequentially arranged so that the second separator is sandwiched between the lithium battery negative electrode layer and the lithium battery positive electrode layer. The first separator is sandwiched between the positive electrode layer and the lithium ion capacitor negative electrode layer, and one outermost surface is the first separator, and the other outermost surface is the second separator. Laminated so that
A positive electrode having a lithium ion capacitor positive electrode layer formed on one side of the positive electrode current collector foil is disposed outside the first outermost separator, and the lithium ion capacitor positive electrode layer is disposed on the outermost first separator side. Arrange to be
A lithium battery positive electrode having a lithium battery positive electrode layer formed on one side of the positive electrode current collector foil on the outer side of the second separator on the outermost surface, and the lithium battery positive electrode layer on the second separator side on the outermost surface. In a power storage device arranged to be
The common negative electrode has a plurality of negative electrode holes penetrating the negative electrode current collector foil from one surface, and the lithium ion capacitor negative electrode layer and the lithium ion capacitor positive electrode layer facing each other, The discharge capacity of the lithium battery negative electrode layer in the lithium battery negative electrode layer and the lithium battery positive electrode layer facing each other is larger than the discharge capacity of the lithium ion capacitor positive electrode layer. A power storage device having a discharge capacity larger than that of the power storage device.
負極集電箔の一方の面に形成された負極電極層側から上記負極集電箔を貫通して他方の面に形成された負極電極層まで到達する穿孔を形成することを特徴とする電力貯蔵デバイスの共通負極の製造方法。 In the manufacturing method of the common negative electrode of the electric power storage device of Claim 1 or Claim 9,
Power storage characterized by forming perforations that penetrate from the negative electrode layer formed on one surface of the negative electrode current collector foil to the negative electrode layer formed on the other surface through the negative electrode current collector foil A method for manufacturing a common negative electrode of a device.
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2010
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