JP2008166309A - Lithium ion capacitor - Google Patents

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勉 藤井
Hideki Shibuya
秀樹 澁谷
Kenji Kojima
健治 小島
Osamu Hatosaki
修 波戸崎
Riza Miyagawa
里咲 宮川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion capacitor, having a high energy density and a high output density and exhibiting high breakdown voltage and high durability. <P>SOLUTION: In the lithium ion capacitor having a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolytic solution of lithium salt as electrolyte, where the negative electrode and/or the positive electrode is doped with lithium ions; the positive electrode active material can dope/undope lithium ions and/or anion reversibly; the negative electrode active material can reversibly dope lithium ions; and the quantity of protons per unit weight of active material in the surface functional group of the positive electrode active material and/or the negative electrode active material is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、正極、負極、及び電解質としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解液を備えたリチウムイオンキャパシタに関する。   The present invention relates to a lithium ion capacitor including a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolytic solution of a lithium salt as an electrolyte.

近年、グラファイト等の炭素材料を負極に用い、正極にLiCoO等のリチウム含有金属酸化物を用いた所謂リチウムイオン二次電池は高容量であり有力な蓄電装置として、主にノート型パソコンや携帯電話の主電源として実用化されている。リチウムイオン二次電池は、電池組立後、充電することにより正極のリチウム含有金属酸化物から負極にリチウムイオンを供給し、更に放電では負極のリチウムイオンを正極に戻すという、いわゆるロッキングチェア型電池であり、高電圧及び高容量を有することを特長としている。 In recent years, a so-called lithium ion secondary battery using a carbon material such as graphite as a negative electrode and a lithium-containing metal oxide such as LiCoO 2 as a positive electrode has a high capacity and is an effective power storage device. It has been put to practical use as the main power source for telephones. The lithium ion secondary battery is a so-called rocking chair type battery in which lithium ions are supplied to the negative electrode from the lithium-containing metal oxide of the positive electrode by charging after the battery is assembled, and the lithium ion of the negative electrode is returned to the positive electrode in the discharge. It has a high voltage and a high capacity.

一方、環境問題がクローズアップされる中、ガソリン車にかわる電気自動車用又はハイブリッド自動車用の蓄電装置(メイン電源と補助電源)の開発が盛んに行われている。また、自動車用の蓄電装置として、これまでは鉛電池が使用されてきた。しかし、車載用の電気設備や機器の充実により、エネルギー密度、出力密度の点から新しい蓄電装置が求められるようになってきている。   On the other hand, while environmental problems are being highlighted, development of power storage devices (main power supply and auxiliary power supply) for electric vehicles or hybrid vehicles replacing gasoline vehicles has been actively conducted. In addition, lead batteries have been used as power storage devices for automobiles. However, with the enhancement of in-vehicle electrical equipment and equipment, new power storage devices are being demanded in terms of energy density and output density.

かかる新しい蓄電装置としては、上記のリチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタが注目されている。しかし、リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高いものの出力特性、安全性やサイクル寿命には問題を残している。一方、電気二重層キャパシタは、ICやLSIのメモリーバックアップ用電源として利用されているが、一充電当たりの放電容量は電池に比べて小さい。しかし、瞬時の充放電特性に優れ、数万サイクル以上の充放電にも耐えるという、リチウムイオン二次電池にはない高い出力特性とメンテナンスフリー性を備えている。   As such a new power storage device, the above lithium ion secondary battery and electric double layer capacitor have attracted attention. However, although the lithium ion secondary battery has a high energy density, there are still problems in output characteristics, safety and cycle life. On the other hand, electric double layer capacitors are used as memory backup power sources for ICs and LSIs, but their discharge capacity per charge is smaller than batteries. However, it has excellent output characteristics and maintenance-free characteristics that are excellent in instantaneous charge / discharge characteristics and withstands charge / discharge of tens of thousands of cycles or more, which is not possible with lithium ion secondary batteries.

電気二重層キャパシタはこうした利点を有してはいるが、従来の一般的な電気二重層キャパシタのエネルギー密度は3〜4Wh/l程度で、リチウムイオン二次電池に比べて二桁程度小さい。電気自動車用を考えた場合、実用化には6〜10Wh/l、普及するには20Wh/lのエネルギー密度が必要であるといわれている。   Although the electric double layer capacitor has such advantages, the energy density of the conventional general electric double layer capacitor is about 3 to 4 Wh / l, which is about two orders of magnitude smaller than that of the lithium ion secondary battery. When considering the use for electric vehicles, it is said that an energy density of 6 to 10 Wh / l is required for practical use and 20 Wh / l is necessary for widespread use.

こうした高エネルギー密度、高出力特性を要する用途に対応する蓄電装置として、近年、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせた、ハイブリッドキャパシタとも呼ばれる蓄電装置が注目されている。ハイブリッドキャパシタでは、通常、正極に分極性電極を使用し、負極に非分極性電極を使用するもので、電池の高いエネルギー密度と電気二重層の高い出力特性を兼ね備えた蓄電装置として注目されている。一方、このキャパシタにおいて、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる負極を金属リチウムと接触させて、予め化学的方法又は電気化学的方法でリチウムイオンを吸蔵、担持(以下、ドープともいう)させて負極電位を下げることにより、耐電圧を高くしエネルギー密度を大幅に大きくすることを意図したキャパシタが提案されている。(特許文献1〜特許文献4参照)   In recent years, a power storage device called a hybrid capacitor, which combines the power storage principles of a lithium ion secondary battery and an electric double layer capacitor, has attracted attention as a power storage device corresponding to applications requiring such high energy density and high output characteristics. In hybrid capacitors, a polarizable electrode is usually used for the positive electrode and a non-polarizable electrode is used for the negative electrode, which is attracting attention as a power storage device that combines high energy density of the battery and high output characteristics of the electric double layer. . On the other hand, in this capacitor, a negative electrode capable of occluding and desorbing lithium ions is brought into contact with metallic lithium, and lithium ions are occluded and supported (hereinafter also referred to as dope) by a chemical method or an electrochemical method in advance. There has been proposed a capacitor intended to increase the withstand voltage and greatly increase the energy density by lowering. (See Patent Document 1 to Patent Document 4)

この種のキャパシタでは、高性能は期待されるものの、負極にリチウムイオンをドープさせる場合に、全負極に対して金属リチウムを貼り付けることを必要とすることや、あるいはセル内の一部に局所的に金属リチウムを配置させ負極と接触させることも可能であるが、ドープが極めて長時間を要することや負極全体に対する均一性のあるドープに問題を有する。特に、電極を捲回した円筒型装置や、複数枚の電極を積層した角型電池のような大型の高容量セルでは実用化は困難とされていた。   Although this type of capacitor is expected to have high performance, when lithium ions are doped into the negative electrode, it is necessary to apply metallic lithium to all the negative electrodes, or locally in a part of the cell. Although it is possible to place metallic lithium in contact with the negative electrode, there is a problem in doping that requires a very long time and that the dope has uniformity over the entire negative electrode. In particular, it has been difficult to put into practical use in a large-capacity cell such as a cylindrical device in which electrodes are wound or a square battery in which a plurality of electrodes are stacked.

しかし、この問題は、セルを構成する負極集電体及び正極集電体の表裏に貫通する孔を設け、この貫通孔を通じてリチウムイオンを移動させ、同時にリチウムイオン供給源である金属リチウムと負極を短絡させることにより、セルの端部に金属リチウムを配置するだけで、セル中の全負極にリチウムイオンをドープできることの発明により、一挙に解決するに至った(特許文献5参照)。なお、リチウムイオンのドープは、通常、負極に対して行なわれるが、負極とともに、又は負極の代わりに正極に行う場合も同様であることが特許文献5に記載されている。   However, this problem is that the negative electrode current collector and the positive electrode current collector that constitute the cell are provided with holes penetrating the front and back surfaces, and lithium ions are moved through the through holes, and at the same time, the lithium metal source and the lithium metal source are negatively charged. By short-circuiting, all the negative electrodes in the cell can be doped with lithium ions simply by arranging metallic lithium at the end of the cell, and the solution has been solved all at once (see Patent Document 5). In addition, although dope of lithium ion is normally performed with respect to a negative electrode, it is described in patent document 5 that it is the same also when performing with a negative electrode with a negative electrode instead of a negative electrode.

かくして、電極を捲回した円筒型装置や、複数枚の電極を積層した角型電池のような大型のセルでも、装置中の全負極に対して短時間にかつ負極全体に均一にリチウムイオンがドープでき、耐電圧が向上することによりエネルギー密度が飛躍的に増大する。この結果、電気二重層キャパシタが本来有する大きい出力密度と相俟って、高容量のキャパシタが実現する見通しが得られた。
特開平8−107048号公報 特開平9−55342号公報 特開平9−232190号公報 特開平11−297578号公報 国際公開WO98/033227号公報
Thus, even in a large-sized cell such as a cylindrical device in which electrodes are wound or a square battery in which a plurality of electrodes are stacked, lithium ions are uniformly distributed over the entire negative electrode in a short time with respect to all the negative electrodes in the device. The energy density can be drastically increased by doping and improving the withstand voltage. As a result, it was possible to realize a high-capacity capacitor in combination with the large power density inherent in the electric double layer capacitor.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-1007048 JP-A-9-55342 Japanese Patent Laid-Open No. 9-232190 JP-A-11-297578 International Publication No. WO98 / 033227

一方、本発明者の知見によると、上記のごとき、負極及び/又は正極に対してリチウムイオンをドープする方式の高エネルギー密度のリチウムイオンキャパシタでは、場合により、得られるキャパシタにおけるセルの厚みが増大し、これにより電解液の液漏れや、内部抵抗の上昇などの不具合が発生し、実用的に大きな問題を引き起こすおそれがあることが見出された。   On the other hand, according to the knowledge of the present inventors, in the case of a high energy density lithium ion capacitor in which lithium ions are doped to the negative electrode and / or the positive electrode as described above, the thickness of the cell in the obtained capacitor increases in some cases. As a result, it has been found that problems such as leakage of the electrolytic solution and an increase in internal resistance may occur, causing a serious problem in practical use.

本発明は、負極及び/又は正極に対してリチウムイオンをドープする方式の高容量のリチウムイオンキャパシタであって、上記のようなセルの厚みの増大に伴う問題を確実に防止し、かつ高い耐電圧、高容量を有するリチウムキャパシタを提供することを課題とする。   The present invention is a high-capacity lithium ion capacitor in which lithium ions are doped into the negative electrode and / or the positive electrode, which reliably prevents the problems associated with the increase in cell thickness as described above and has high resistance to resistance. An object is to provide a lithium capacitor having high voltage and high capacity.

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、上記のリチウムイオンキャパシタにおいて起こるセルの厚みの増大は、負極及び/正極にリチウムイオンをドープさせる工程においてガスが発生することに基づくことがわかり、また、このガスの主成分は、水素ガスであることが分析により確認された。そして、この水素ガスを主成分とするガスの発生は、負極及び/又は正極を構成する活物質が有する表面官能基に存在する解離可能な水素イオン量を低減しておくことにより確実に低減できることが見出された。
本発明はかかる知見に基づくものであり、以下の要旨を有するものである。
In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive research. As a result, the increase in cell thickness that occurs in the above lithium ion capacitor is that gas is generated in the process of doping the negative electrode and / or positive electrode with lithium ions. It was found by analysis that the main component of this gas was hydrogen gas. The generation of gas mainly composed of hydrogen gas can be reliably reduced by reducing the amount of dissociable hydrogen ions present in the surface functional groups of the active material constituting the negative electrode and / or the positive electrode. Was found.
The present invention is based on such knowledge and has the following gist.

(1)正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備え、かつ負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドープされるリチウムイオンキャパシタであって、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であり、負極活物質がリチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であり、かつ、該正極活物質及び/又は負極活物質が有する表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオンの量が低減させられていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
(2)前記正極及び/又は負極が、それぞれ表裏面を貫通する孔を有する集電体を備えており、負極とリチウムイオン供給源との電気化学的接触によって正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2.0V(対Li/Li)以下になるようにリチウムイオンがドープされている上記(1)に記載のリチウムイオンキャパシタ。
(3)負極活物質は、正極活物質に比べて、単位重量あたりの静電容量が3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物質の重量よりも大きい上記(1)又は(2)に記載のリチウムイオンキャパシタ。
(4)表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオンの量が、カチオンによる置換、又はエステル化若しくはアミド化により低減されている上記(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
(5)カチオンが、アルカリ金属イオンである上記(4)に記載のリチウムイオンキャパシタ。
(6)正極活物質が、活性炭、導電性高分子、又は芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子数比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体のいずれかである上記(1)〜(5)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
(7)負極活物質が、炭素材料、又は芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子数比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体である上記(1)〜(6)のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。
(1) A lithium ion capacitor comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolyte solution of a lithium salt as an electrolytic solution, and doped with lithium ions with respect to the negative electrode and / or the positive electrode, the positive electrode active material Is a material capable of reversibly doping and dedoping lithium ions and / or anions, the negative electrode active material is a material capable of reversibly doping and dedoping lithium ions, and the positive electrode active material and / or A lithium ion capacitor characterized in that the amount of dissociable hydrogen ions per unit weight of active material present in a surface functional group of a negative electrode active material is reduced.
(2) The positive electrode and / or the negative electrode each include a current collector having holes penetrating the front and back surfaces, and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited by electrochemical contact between the negative electrode and the lithium ion supply source. The lithium ion capacitor according to (1), wherein lithium ions are doped so that the potential of the positive electrode is 2.0 V (vs. Li / Li + ) or less.
(3) The negative electrode active material has a capacitance per unit weight of 3 times or more as compared with the positive electrode active material, and the positive electrode active material weight is greater than the weight of the negative electrode active material (1) or ( The lithium ion capacitor as described in 2).
(4) Any of the above (1) to (3), wherein the amount of dissociable hydrogen ions per unit weight of the active material present in the surface functional group is reduced by cation substitution, esterification or amidation The lithium ion capacitor according to 1.
(5) The lithium ion capacitor according to (4), wherein the cation is an alkali metal ion.
(6) A polyacene skeleton structure in which the positive electrode active material is a heat-treated product of activated carbon, a conductive polymer, or an aromatic condensation polymer, and the hydrogen atom / carbon atom ratio is 0.50 to 0.05. The lithium ion capacitor according to any one of (1) to (5), wherein the lithium ion capacitor is any one of polyacene-based organic semiconductors.
(7) A polyacene system in which the negative electrode active material is a carbon material or a heat-treated product of an aromatic condensation polymer and has a polyacene skeleton structure in which the atomic ratio of hydrogen atoms / carbon atoms is 0.50 to 0.05 The lithium ion capacitor according to any one of (1) to (6), which is an organic semiconductor.

本発明によれば、予め負極及び/又は正極にリチウムイオンをドープする方式のリチウムイオンキャパシタにおいて、負極及び/又は正極において水素ガスが発生することによりキャパシタにおけるセルの厚みの増大やそれに伴う種々の問題を引き起こすことのない、高いエネルギー密度と高い出力密度を有するとともに、耐電圧が高く耐久性の優れたキャパシタが提供される。本発明において、上記負極及び/又は正極を構成する活物質が有する表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオン(以下プロトンと呼ぶ)の量を低減しておくことにより、キャパシタが何故に上記の特性が得られるかのメカニズムについては、必ずしも明らかではないが、次のように推定される。   According to the present invention, in a lithium ion capacitor of a type in which lithium ions are doped into the negative electrode and / or the positive electrode in advance, hydrogen gas is generated at the negative electrode and / or the positive electrode, thereby increasing the cell thickness in the capacitor and various types associated therewith. Provided is a capacitor having a high energy density and a high output density that does not cause a problem, and has a high withstand voltage and excellent durability. In the present invention, by reducing the amount of dissociable hydrogen ions (hereinafter referred to as protons) per unit weight of the active material present in the surface functional group of the active material constituting the negative electrode and / or positive electrode, Although the mechanism why the above characteristics are obtained by the capacitor is not necessarily clear, it is estimated as follows.

本発明のリチウムイオンキャパシタにおけるリチウムイオンのドープは、通常、キャパシタ内に配置された金属リチウムと負極及び/又は正極が電気化学的に接触した状態で、電解液が系内に注入された時点で開始される。また、金属リチウムがリチウムイオンになる反応が同時に進行し始める。このとき金属リチウム近傍の電解液中ではリチウムイオン濃度が高くなり、その結果、活物質が有する表面官能基のプロトンはリチウムイオンとイオン交換され、脱離したプロトンは還元電位の低い負極及び金属リチウム電極上で還元され、水素ガスが発生するものと考えられる。   Lithium ion doping in the lithium ion capacitor of the present invention is usually performed when the electrolyte is injected into the system in a state where the metal lithium disposed in the capacitor is in electrochemical contact with the negative electrode and / or the positive electrode. Be started. Moreover, the reaction in which metallic lithium becomes lithium ions starts to proceed simultaneously. At this time, the lithium ion concentration is increased in the electrolyte solution near the metal lithium. As a result, the protons of the surface functional groups of the active material are ion-exchanged with the lithium ions, and the desorbed protons are the negative electrode and the metal lithium having a low reduction potential. It is considered that hydrogen gas is generated by reduction on the electrode.

一方、本発明により、正極活物質及び/又は負極活物質の表面官能基に存在するプロトンの量を低減させることにより、正極活物質及び/又は負極活物質から脱離するプロトンの絶対量が減少する。この結果として、リチウムイオンのドープ時に発生するガス量が低減できるものと考えられる。   Meanwhile, according to the present invention, the absolute amount of protons desorbed from the positive electrode active material and / or the negative electrode active material is reduced by reducing the amount of protons present on the surface functional group of the positive electrode active material and / or the negative electrode active material. To do. As a result, it is considered that the amount of gas generated at the time of doping lithium ions can be reduced.

本発明のリチウムイオンキャパシタは、正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機電解液を備え、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であり、かつ負極活物質がリチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質である。ここで、「正極」とは、放電の際に電流が流れ出る側の極であり、「負極」とは放電の際に電流が流れ込む側の極をいう。   The lithium ion capacitor of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic electrolyte of lithium salt as an electrolyte, and the positive electrode active material can be reversibly doped / dedoped with lithium ions and / or anions And the negative electrode active material is a material capable of reversibly doping and dedoping lithium ions. Here, the “positive electrode” is an electrode on the side where current flows out during discharge, and the “negative electrode” is an electrode on the side where current flows in during discharge.

本発明においてドープとは、吸蔵、担持、吸着をも意味し、活物質内にアニオンおよび/またはリチウムイオンが入る現象をいう。また、脱ドープとは、脱離、脱着をも意味し活物質からアニオンおよび/またはリチウムイオンが出る現象をいう。   In the present invention, dope means occlusion, support, and adsorption, and refers to a phenomenon in which anions and / or lithium ions enter an active material. De-doping also means desorption and desorption and refers to a phenomenon in which anions and / or lithium ions are emitted from an active material.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、負極及び/又は正極に対するリチウムイオンのドープにより正極と負極を短絡させた後の正極の電位が好ましくは2.0V(Li/Li、以下同じ)以下にされる。負極及び/又は正極に対するリチウムイオンのドープがされていないキャパシタでは、正極及び負極の電位はいずれも3Vであり、充電前においては、正極と負極を短絡させた後の正極の電位は3Vである。なお、本発明で、正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2.0V以下とは、以下の(A)又は(B)の2つのいずれかの方法で求められる正極の電位が2.0V以下の場合をいう。即ち、(A)リチウムイオンによるドープの後、キャパシタセルの正極端子と負極端子を導線で直接結合させた状態で12時間以上放置した後に短絡を解除し、0.5〜1.5時間内に測定した正極電位。(B)充放電試験機にて12時間以上かけて0Vまで定電流放電させた後に正極端子と負極端子を導線で結合させた状態で12時間以上放置した後に短絡を解除し、0.5〜1.5時間内に測定した正極電位。 In the lithium ion capacitor of the present invention, the potential of the positive electrode after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited by doping lithium ions to the negative electrode and / or the positive electrode is preferably 2.0 V (Li / Li + , the same applies hereinafter) or less. . In a capacitor in which the negative electrode and / or the positive electrode is not doped with lithium ions, the potentials of the positive electrode and the negative electrode are both 3V, and before charging, the potential of the positive electrode after short-circuiting the positive electrode and the negative electrode is 3V. . In the present invention, the potential of the positive electrode after short-circuiting the positive electrode and the negative electrode is 2.0 V or less means that the potential of the positive electrode determined by one of the following two methods (A) or (B) is 2. The case of 0.0V or less. That is, (A) After doping with lithium ions, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the capacitor cell are directly connected with a conductive wire and left for 12 hours or more, then the short circuit is released, and within 0.5 to 1.5 hours Measured positive electrode potential. (B) After discharging at constant current to 0 V over 12 hours in a charge / discharge tester, leaving the positive electrode terminal and the negative electrode terminal connected with a conductive wire for 12 hours or more, releasing the short circuit, 0.5 to Positive electrode potential measured within 1.5 hours.

また、短絡後の正極電位が2.0V以下というのは、リチウムイオンがドープされたすぐ後だけに限られるものではなく、充電状態、放電状態あるいは充放電を繰り返した後に短絡した場合等、いずれかの状態で短絡後の正極電位が2.0V以下となることである。   In addition, the positive electrode potential after short circuit is 2.0 V or less is not limited to just after the lithium ions are doped, and when the battery is short-circuited after repeated charging, discharging or charging / discharging, etc. In this state, the positive electrode potential after the short circuit is 2.0 V or less.

本発明における好ましい態様である、正極電位が2.0V以下にドープされるという意味について、以下に詳細に説明する。上述のように活性炭や炭素材は通常3V(対Li/Li)前後の電位を有しており、正極、負極ともに活性炭を用いてセルを組んだ場合、いずれの電位も約3Vとなるためセル電圧は約0Vとなり、短絡しても正極電位はかわらず約3Vである。また、正極に活性炭、負極にリチウムイオン二次電池にて使用されている黒鉛や難黒鉛化炭素のような炭素材を用いた、いわゆるハイブリッドキャパシタの場合も同様であり、いずれの電位も約3Vとなるためセル電圧は約0Vとなり、短絡しても正極電位はかわらず約3Vである。正極と負極の重量バランスにもよるが、充電すると負極電位が0V近傍まで推移するので、充電電圧を高くすることが可能となるため高電圧、高エネルギー密度を有したキャパシタとなる。一般的に充電電圧の上限は正極での電解液の分解が起こらない電圧に決められるので、正極電位を上限にした場合、負極電位が低下する分、充電電圧を高めることが可能となるのである。しかしながら、短絡時に正極電位が約3Vとなる上述のハイブリッドキャパシタでは、正極の上限電位を例えば4.0Vとした場合、放電時の正極電位は3.0Vまでであり、正極の電位変化は1.0V程度と正極の容量を充分利用できていない。更に、負極にリチウムイオンを挿入(充電)、脱離(放電)した場合、初期の充放電効率が低い場合が多く、放電時に脱離できないリチウムイオンが存在していることが知られている。これは、負極表面にて電解液の分解に消費される場合や、炭素材の構造欠陥部にトラップされる等の説明がなされているが、この場合正極の充放電効率に比べ負極の充放電効率が低くなり、充放電を繰り返した後にセルを短絡させると正極電位は3Vよりも高くなり、更に利用容量は低下する。すなわち、正極は4.0Vから2.0Vまで放電可能であるところ、4.0Vから3.0Vまでしか使えない場合、利用容量として半分しか使っていないこととなり、高電圧にはなるが高容量にはならないのである。 The meaning that the positive electrode potential is doped to 2.0 V or less, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described in detail below. As described above, activated carbon and carbon materials usually have a potential of about 3 V (vs. Li / Li + ), and when the cells are assembled using activated carbon for both the positive and negative electrodes, both potentials are about 3 V. The cell voltage is about 0V, and even if it is short-circuited, the positive electrode potential is about 3V regardless. The same applies to a so-called hybrid capacitor using activated carbon as the positive electrode and a carbon material such as graphite or non-graphitizable carbon used in the lithium ion secondary battery as the negative electrode, and each potential is about 3 V. Therefore, the cell voltage is about 0V, and the positive electrode potential is about 3V even if short-circuited. Although depending on the weight balance between the positive electrode and the negative electrode, when charged, the potential of the negative electrode transitions to around 0 V, so that the charging voltage can be increased, and the capacitor has a high voltage and a high energy density. In general, the upper limit of the charging voltage is determined to be a voltage at which the electrolyte does not decompose at the positive electrode. Therefore, when the positive electrode potential is set to the upper limit, the charging voltage can be increased as the negative electrode potential decreases. . However, in the above-described hybrid capacitor in which the positive electrode potential is about 3 V when short-circuited, when the upper limit potential of the positive electrode is 4.0 V, for example, the positive electrode potential at the time of discharge is up to 3.0 V, and the potential change of the positive electrode is 1. The capacity of the positive electrode of about 0 V is not fully utilized. Furthermore, when lithium ions are inserted (charged) and desorbed (discharged) into the negative electrode, the initial charge / discharge efficiency is often low, and it is known that there are lithium ions that cannot be desorbed during discharge. This is explained when it is consumed in the decomposition of the electrolyte solution on the negative electrode surface or trapped in the structural defect part of the carbon material. In this case, the charge / discharge of the negative electrode is compared with the charge / discharge efficiency of the positive electrode. If the efficiency is lowered and the cell is short-circuited after repeated charging and discharging, the positive electrode potential becomes higher than 3 V, and the utilization capacity further decreases. That is, the positive electrode can be discharged from 4.0 V to 2.0 V. However, when only 4.0 V to 3.0 V can be used, only half of the usage capacity is used. It will not be.

ハイブリッドキャパシタを高電圧、高エネルギー密度だけでなく、高容量そして更にエネルギー密度を高めるためには、正極の利用容量を向上させることが必要である。   In order to increase not only the high voltage and high energy density but also the high capacity and energy density of the hybrid capacitor, it is necessary to improve the utilization capacity of the positive electrode.

短絡後の正極電位が3.0Vよりも低下すればそれだけ利用容量が増え、高容量になるということである。2.0V以下にするためには、セルの充放電により充電される量だけでなく、別途金属リチウムから負極にリチウムイオンを充電することが好ましい。正極と負極以外からリチウムイオンが供給されるので、短絡させた時には、正極、負極、金属リチウムの平衡電位になるため、正極電位、負極電位ともに3.0V以下になる。金属リチウムの量が多くなる程に平衡電位は低くなる。負極材、正極材が変われば平衡電位も変わるので、短絡後の正極電位が好ましくは2.0V以下になるように、負極材、正極材の特性を鑑みて負極に担持させるリチウムイオンの調整をすることが必要である。   If the positive electrode potential after the short circuit falls below 3.0V, the utilization capacity increases and the capacity increases. In order to make it 2.0V or less, it is preferable to charge not only the amount charged by charging / discharging the cell but also separately charging lithium ions from metallic lithium to the negative electrode. Since lithium ions are supplied from other than the positive electrode and the negative electrode, when they are short-circuited, the equilibrium potential of the positive electrode, the negative electrode, and the metallic lithium is reached, so that both the positive electrode potential and the negative electrode potential are 3.0 V or less. As the amount of metallic lithium increases, the equilibrium potential decreases. If the negative electrode material and the positive electrode material change, the equilibrium potential also changes. Therefore, in view of the characteristics of the negative electrode material and the positive electrode material, adjustment of lithium ions to be carried on the negative electrode is preferably performed so that the positive electrode potential after the short circuit is preferably 2.0 V or less. It is necessary to.

本発明においては、キャパシタセルを予め負極及び/又は正極にリチウムイオンをドープし、正極と負極を短絡させた後の正極の電位を好ましくは2.0V以下にすることにより、正極の利用容量が高くなるため高容量となり、大きいエネルギー密度が得られる。リチウムイオンの供給量が多くなるほどに正極と負極を短絡させた時の正極電位は低くなりエネルギー密度は向上する。更に高いエネルギー密度を得る上では1.5V以下、特には1V以下が更に好ましい。正極及び/又は負極に供給されたリチウムイオンの量が少ないと正極と負極を短絡させた時に正極電位が2Vよりも高くなり、セルのエネルギー密度は小さくなる。   In the present invention, the capacitor cell is previously doped with lithium ions in the negative electrode and / or the positive electrode, and the positive electrode potential after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is preferably set to 2.0 V or less, so that the available capacity of the positive electrode is reduced. Higher capacity results in higher capacity and higher energy density. As the supply amount of lithium ions increases, the positive electrode potential when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited decreases and the energy density improves. In order to obtain a higher energy density, 1.5 V or less, particularly 1 V or less is more preferable. When the amount of lithium ions supplied to the positive electrode and / or the negative electrode is small, the positive electrode potential becomes higher than 2 V when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited, and the energy density of the cell is reduced.

本発明で、リチウムイオンのドープは、負極と正極の片方あるいは両方いずれでもよいが、例えば正極に活性炭を用いた場合、リチウムイオンのドープ量が多くなり正極電位が低くなると、リチウムイオンを不可逆的に消費してしまい、セルの容量が低下する等の不具合が生じる場合がある。このため、負極と正極にドープするリチウムイオンは、それぞれの電極活物質を考慮し、これらの不具合を生じないようにするのが好ましい。本発明では、正極のドープ量と負極のドープ量を制御することは工程上煩雑となるため、リチウムイオンのドープは好ましくは負極に対して行われる。   In the present invention, lithium ion doping may be one or both of the negative electrode and the positive electrode. For example, when activated carbon is used for the positive electrode, the lithium ion becomes irreversible when the amount of lithium ion doping increases and the positive electrode potential decreases. May cause problems such as a reduction in cell capacity. For this reason, it is preferable that the lithium ions doped in the negative electrode and the positive electrode do not cause these problems in consideration of the respective electrode active materials. In the present invention, controlling the dope amount of the positive electrode and the dope amount of the negative electrode is complicated in the process, so that doping of lithium ions is preferably performed on the negative electrode.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、特に、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が正極活物質の単位重量当たりの静電容量の3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きくする場合、高電圧且つ高容量のキャパシタが得られる。また、それと同時に、正極の単位重量当たりの静電容量に対して大きな単位重量当たりの静電容量を持つ負極を用いる場合には、負極の電位変化量を変えずに負極活物質重量を減らすことが可能となるため、正極活物質の充填量が多くなりセルの静電容量及び容量が大きくなる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, in particular, the electrostatic capacity per unit weight of the negative electrode active material has more than three times the electrostatic capacity per unit weight of the positive electrode active material, and the positive electrode active material weight is the negative electrode active material When larger than the weight, a capacitor having a high voltage and a high capacity can be obtained. At the same time, when using a negative electrode having a capacitance per unit weight that is larger than the capacitance per unit weight of the positive electrode, the negative electrode active material weight is reduced without changing the potential change amount of the negative electrode. Therefore, the filling amount of the positive electrode active material is increased, and the capacitance and capacity of the cell are increased.

なお、本発明において、キャパシタセル(以下、単にセルもいう)の静電容量及び容量は次のように定義される。セルの静電容量とは、セルの単位電圧当たりセルに流れる電気量(放電カーブの傾き)を示し、単位はF(ファラッド)である。セルの単位重量当たりの静電容量とはセルの静電容量に対するセル内に充填している正極活物質重量と負極活物質重量の合計重量の除で示され、単位はF/gである。また、正極又は負極の静電容量とは、正極あるいは負極の単位電圧当たりセルに流れる電気量(放電カーブの傾き)を示し、単位はFである。正極あるいは負極の単位重量当たりの静電容量とは正極あるいは負極の静電容量をセル内に充填している正極あるいは負極活物質重量の除で示され、単位はF/gである。   In the present invention, the capacitance and capacity of a capacitor cell (hereinafter also simply referred to as a cell) are defined as follows. The capacitance of a cell indicates the amount of electricity flowing through the cell per unit voltage of the cell (the slope of the discharge curve), and the unit is F (farad). The capacitance per unit weight of the cell is expressed by dividing the total weight of the positive electrode active material weight and the negative electrode active material weight filled in the cell with respect to the cell capacitance, and the unit is F / g. The electrostatic capacity of the positive electrode or the negative electrode indicates the amount of electricity flowing through the cell per unit voltage of the positive electrode or the negative electrode (the slope of the discharge curve), and the unit is F. The capacitance per unit weight of the positive electrode or the negative electrode is expressed by dividing the positive electrode or negative electrode capacitance in the cell by the weight of the positive electrode or negative electrode active material, and the unit is F / g.

更に、セル容量とは、セルの放電開始電圧と放電終了電圧の差、即ち電圧変化量とセルの静電容量の積であり単位はC(クーロン)であるが、1Cは1秒間に1Aの電流が流れたときの電荷量であるので本発明においては換算してmAh表示する。正極容量とは放電開始時の正極電位と放電終了時の正極電位の差(正極電位変化量)と正極の静電容量の積であり単位はCまたはmAh、同様に負極容量とは放電開始時の負極電位と放電終了時の負極電位の差(負極電位変化量)と負極の静電容量の積であり単位はCまたはmAhである。これらセル容量と正極容量、負極容量は一致する。   Furthermore, the cell capacity is the difference between the cell discharge start voltage and the discharge end voltage, that is, the product of the voltage change amount and the cell capacitance, and the unit is C (coulomb). 1C is 1A per second. Since it is the amount of charge when current flows, it is converted into mAh in the present invention. The positive electrode capacity is the product of the difference between the positive electrode potential at the start of discharge and the positive electrode potential at the end of discharge (amount of change in positive electrode potential) and the electrostatic capacity of the positive electrode. The unit is C or mAh. The product of the difference between the negative electrode potential and the negative electrode potential at the end of discharge (negative electrode potential change amount) and the negative electrode capacitance, and the unit is C or mAh. These cell capacity, positive electrode capacity, and negative electrode capacity coincide.

本発明のリチウムイオンキャパシタにおいて、予め負極及び/又は正極にリチウムイオンをドープさせる手段は特に限定されない。例えば、リチウムイオンを供給可能な、金属リチウム等のリチウムイオン供給源をリチウム極としてキャパシタセル内に配置できる。リチウムイオン供給源の量(金属リチウム等の重量)は、所定の負極の容量が得られる量だけあればよい。この場合、負極とリチウム極は物理的な接触(短絡)でもよいし、電気化学的にドープさせてもよい。リチウムイオン供給源は、導電性多孔体からなるリチウム極集電体上に形成してもよい。リチウム極集電体となる導電性多孔体としては、ステンレスメッシュ等のリチウムイオン供給源と反応しない金属多孔体が使用できる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, means for doping lithium ions into the negative electrode and / or the positive electrode in advance is not particularly limited. For example, a lithium ion supply source such as metallic lithium capable of supplying lithium ions can be disposed in the capacitor cell as a lithium electrode. The amount of the lithium ion supply source (the weight of metallic lithium or the like) may be as long as a predetermined negative electrode capacity can be obtained. In this case, the negative electrode and the lithium electrode may be in physical contact (short circuit) or may be electrochemically doped. The lithium ion supply source may be formed on a lithium electrode current collector made of a conductive porous body. As the conductive porous body serving as the lithium electrode current collector, a metal porous body that does not react with a lithium ion supply source such as a stainless mesh can be used.

大容量の多層構造のキャパシタセルでは正極及び負極にそれぞれ電気を受配電する正極集電体及び負極集電体が備えられるが、かかる正極集電体及び負極集電体が使用され、かつリチウム極が設けられるセルの場合、リチウム極が負極集電体に対向する位置に設けられ、電気化学的に負極にリチウムイオン供給することが好ましい。この場合、正極集電体及び負極集電体として、例えばエキスパンドメタルのように表裏面を貫通する孔を備えた材料を用い、リチウム極を負極及び/又は正極に対向させて配置する。この貫通孔の形態、数等は特に限定されず、後述する電解液中のリチウムイオンが電極集電体に遮断されることなく電極の表裏間を移動できるように、設定することができる。   A large-capacity multilayer capacitor cell is provided with a positive electrode current collector and a negative electrode current collector for receiving and distributing electricity at the positive electrode and the negative electrode, respectively. The positive electrode current collector and the negative electrode current collector are used, and the lithium electrode In the case of a cell provided with a lithium electrode, it is preferable that the lithium electrode is provided at a position facing the negative electrode current collector and lithium ions are supplied to the negative electrode electrochemically. In this case, as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, for example, a material having holes penetrating the front and back surfaces, such as expanded metal, is used, and the lithium electrode is disposed to face the negative electrode and / or the positive electrode. The form, number, and the like of the through holes are not particularly limited, and can be set so that lithium ions in the electrolyte described later can move between the front and back of the electrode without being blocked by the electrode current collector.

本発明のリチウムイオンキャパシタでは、負極及び/又は正極にドープするリチウム極をセル中の局所的に配置した場合もリチウムイオンのドープが均一に行うことができる。従って、正極及び負極を積層若しくは捲回した大容量のセルの場合も、最外周又は最外側のセルの一部にリチウム極を配置することにより、スムーズにかつ均一に負極にリチウムイオンをドープできる。   In the lithium ion capacitor of the present invention, the lithium ion can be uniformly doped even when the lithium electrode doped in the negative electrode and / or the positive electrode is locally arranged in the cell. Therefore, even in the case of a large-capacity cell in which the positive electrode and the negative electrode are stacked or wound, the lithium electrode can be smoothly and uniformly doped with lithium ions by arranging the lithium electrode in a part of the outermost or outermost cell. .

電極集電体の材質としては、一般にリチウム系電池に提案されている種々の材質を用いることができ、正極集電体にはアルミニウム、ステンレス鋼等、負極集電体にはステンレス鋼、銅、ニッケル等をそれぞれ用いることができる。また、セル内に配置されたリチウムイオン供給源とは、金属リチウムあるいはリチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウム元素を含有し、リチウムイオンを供給することのできる物質をいう。   As the material of the electrode current collector, various materials generally proposed for lithium batteries can be used, such as aluminum and stainless steel for the positive electrode current collector, stainless steel, copper, Nickel or the like can be used. The lithium ion supply source arranged in the cell means a substance that contains at least lithium element and can supply lithium ions, such as metallic lithium or lithium-aluminum alloy.

本発明のリチウムイオンキャパシタにおける正極活物質は、リチウムイオンと、例えばテトラフルオロボレートのようなアニオンを可逆的に担持できる物質からなる。かかる正極活物質としては、種々のものが使用できるが、活性炭、又は芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子数比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体(PAS)が好ましい。   The positive electrode active material in the lithium ion capacitor of the present invention is made of a material capable of reversibly carrying lithium ions and anions such as tetrafluoroborate. As such a positive electrode active material, various materials can be used, such as activated carbon or a heat-treated product of an aromatic condensation polymer, and a polyacene system having a hydrogen atom / carbon atom ratio of 0.50 to 0.05. A polyacene organic semiconductor (PAS) having a skeleton structure is preferred.

正極活物質は、粒度としても広い範囲のものが使用できる。例えば、50%体積累積径(D50ともいう)が2μm以上であり、好ましくは2〜50μm、特に2〜20μmが好適である。また、平均細孔径が好ましくは10nm以下であり、比表面積が好ましくは600〜3000m/g、特には1300〜2500m/gであるのが好適である。 A wide range of particle sizes can be used for the positive electrode active material. For example, the 50% volume cumulative diameter (also referred to as D50) is 2 μm or more, preferably 2 to 50 μm, particularly 2 to 20 μm. The average pore diameter is preferably 10 nm or less, and the specific surface area is preferably 600 to 3000 m 2 / g, particularly 1300 to 2500 m 2 / g.

正極活物質として使用する上記PASはアモルファス構造を有することから、リチウムイオンのドープ・脱ドープに対して膨潤・収縮といった構造変化がないためサイクル特性に優れ、またリチウムイオンのドープ・脱ドープに対して等方的な分子構造(高次構造)であるため急速充電、急速放電にも優れるので好適である。PASの前駆体である芳香族系縮合ポリマーとは、芳香族炭化水素化合物とアルデヒド類との縮合物である。芳香族炭化水素化合物としては、例えばフェノール、クレゾール、キシレノール等の如き、いわゆるフェノール類を好適に用いることができる。例えば、下記式   Since the PAS used as the positive electrode active material has an amorphous structure, there is no structural change such as swelling / shrinkage with respect to doping / dedoping of lithium ions, so that cycle characteristics are excellent, and against doping / dedoping of lithium ions. The isotropic molecular structure (higher order structure) is preferable because it is excellent in rapid charge and rapid discharge. The aromatic condensation polymer that is a precursor of PAS is a condensate of an aromatic hydrocarbon compound and an aldehyde. As the aromatic hydrocarbon compound, so-called phenols such as phenol, cresol, xylenol and the like can be suitably used. For example, the following formula

Figure 2008166309
(ここで、x及びyはそれぞれ独立に、0、1または2である)で表されるメチレン・ビスフェノール類であることができ、あるいはヒドロキシ・ビフェニル類、ヒドロキシナフタレン類であることもできる。なかでも、フェノール類が好適である。
Figure 2008166309
(Wherein x and y are each independently 0, 1 or 2), or may be a hydroxy biphenyl or a hydroxynaphthalene. Of these, phenols are preferred.

また、上記芳香族系縮合ポリマーとしては、上記のフェノール性水酸基を有する芳香族炭化水素化合物の一部をフェノール性水酸基を有さない芳香族炭化水素化合物、例えばキシレン、トルエン、アニリン等で置換した変性芳香族系縮合ポリマー、例えばフェノールとキシレンとホルムアルデヒドとの縮合物を用いることもできる。更に、メラミン、尿素で置換した変性芳香族系ポリマーを用いることもでき、フラン樹脂も好適である。   In addition, as the aromatic condensation polymer, a part of the aromatic hydrocarbon compound having a phenolic hydroxyl group is substituted with an aromatic hydrocarbon compound having no phenolic hydroxyl group, for example, xylene, toluene, aniline, etc. A modified aromatic condensation polymer such as a condensate of phenol, xylene and formaldehyde can also be used. Furthermore, a modified aromatic polymer substituted with melamine or urea can be used, and a furan resin is also suitable.

本発明でPASは次のようにして製造される。即ち、上記芳香族系縮合ポリマーを、非酸化性雰囲気下(真空も含む)中で400〜800℃の適当な温度まで徐々に加熱することにより、水素原子/炭素原子の原子数比(以下H/Cと記す)が0.5〜0.05、好ましくは0.35〜0.10の不溶不融性基体となる。負極として用いる場合はこのまま用いることも可能であるが、正極として用いる場合は750〜900℃程度の温度で適当な時間、HO、CO、Air等の酸化性雰囲気ガスで賦活処理を行うと好適である。上記の不溶不融性基体は、X線回折(CuKα)によれば、メイン・ピークの位置は2θで表して24°以下に存在し、また該メイン・ピークの他に41〜46°の間にブロードな他のピークが存在する。即ち、上記不溶不融性基体は、芳香族系多環構造が適度に発達したポリアセン系骨格構造を有し、かつアモルファス構造を有し、リチウムイオンを安定にドープすることができる。 In the present invention, PAS is manufactured as follows. That is, the aromatic condensation polymer is gradually heated to a suitable temperature of 400 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere (including a vacuum), whereby a hydrogen atom / carbon atom ratio (hereinafter referred to as H). / C) is 0.5 to 0.05, preferably 0.35 to 0.10. When used as a negative electrode, it can be used as it is, but when used as a positive electrode, activation treatment is performed with an oxidizing atmosphere gas such as H 2 O, CO 2 , and Air at a temperature of about 750 to 900 ° C. for an appropriate time. It is preferable. According to X-ray diffraction (CuKα), the insoluble and infusible substrate described above has a main peak position represented by 2θ of 24 ° or less, and between 41 and 46 ° in addition to the main peak. There are other broad peaks. That is, the insoluble infusible substrate has a polyacene skeleton structure in which an aromatic polycyclic structure is appropriately developed, has an amorphous structure, and can be stably doped with lithium ions.

一方、本発明のリチウムイオンキャパシタにおける負極を構成する負極活物質は、リチウムイオンを可逆的に担持できる物質から形成される。好ましい負極活物質としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素等の炭素材料、もしくは上記正極活物質としても記載したPAS等を挙げることができる。   On the other hand, the negative electrode active material constituting the negative electrode in the lithium ion capacitor of the present invention is formed from a material that can reversibly carry lithium ions. Preferable negative electrode active materials include carbon materials such as graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon, or PAS described as the positive electrode active material.

本発明の負極活物質は、D50が0.5〜30μmである負極活物質粒子から形成される。D50は、好ましくは0.5〜15μmであり、特には0.5〜6μmが好適である。また、本発明の負極活物質粒子は、比表面積が好ましくは0.1〜2000m/gであるのが好適であり、好ましくは0.1〜1000m/gであり、特には0.1〜600m/gが好適である。 The negative electrode active material of the present invention is formed from negative electrode active material particles having a D50 of 0.5 to 30 μm. D50 is preferably 0.5 to 15 μm, and particularly preferably 0.5 to 6 μm. Moreover, the negative electrode active material particles of the present invention preferably have a specific surface area of preferably 0.1 to 2000 m 2 / g, preferably 0.1 to 1000 m 2 / g, and particularly 0.1. ˜600 m 2 / g is preferred.

本発明において、上記の正極活物質及び/又は負極活物質は、その有する表面官能基に存在するプロトン量が低減させられることが必要である。これらの電極活物質は、カルボキシル基、フェノール性水酸基、ラクトン基などの表面官能基を有している。本発明では、かかる表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量を好ましくは0.60mmol/g以下に、特に好ましくは0.45mmol/g以下に、更に好ましくは0.36mmol/g以下に低下せしめるのが好適である。本発明における、電極活物質が有する表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量は、活性炭の酸性表面官能基量測定法により求められる。本発明において、電極活物質が有する表面官能基に存在するプロトン量の低減は、正極活物質及び負極活物質の両者を行うのが好ましいが、一般に負極活物質が有する表面官能基に存在するプロトン量は正極活物質が有する表面官能基に存在するプロトン量より低く、発生するガス量が少ないという理由のため、特に、正極活物質、なかでも活性炭からなる正極活物質に行うのが効果的である。   In the present invention, the positive electrode active material and / or the negative electrode active material described above needs to reduce the amount of protons present in the surface functional group of the positive electrode active material and / or negative electrode active material. These electrode active materials have surface functional groups such as a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, and a lactone group. In the present invention, the amount of protons per unit weight of the active material present in the surface functional group is preferably 0.60 mmol / g or less, particularly preferably 0.45 mmol / g or less, more preferably 0.36 mmol / g or less. It is preferable to lower it. In the present invention, the amount of protons per unit weight of the active material present in the surface functional groups of the electrode active material can be determined by an acidic surface functional group content measurement method for activated carbon. In the present invention, it is preferable that both the positive electrode active material and the negative electrode active material are reduced in the amount of protons present on the surface functional group of the electrode active material, but in general, protons present on the surface functional group of the negative electrode active material. The amount is lower than the amount of protons present in the surface functional group of the positive electrode active material, and the amount of gas generated is small, so that it is particularly effective to carry out the positive electrode active material, especially the positive electrode active material made of activated carbon. is there.

本発明において、電極活物質が有する表面官能基に存在するプロトン量を低減する手段は、特に制限されないが、表面官能基のプロトンについて、カチオンによる置換、エステル化若しくはアミド化、又は高熱処理などが好ましい手段として挙げられる。カチオンによる置換は、好ましくはアルカリ金属、アルカリ土類金属などの金属イオン含有水溶液を接触させることにより、表面官能基のプロトンを金属イオンで置換し、プロトンを低減させるものである。金属イオンとしては、置換されるプロトンが1価のイオンであるため、アルカリ金属イオン、なかでもリチウムイオンキャパシタに用いる電解質がリチウム塩であることから、リチウムイオンが好ましい。金属イオン含有水溶液との接触は、通常、10〜60℃で0.5〜24時間にて実施される。この場合、金属イオンによる置換を促進させる手段を併用することできる。かかる促進手段としては、超音波照射、水溶液の撹拌などが挙げられる。なお、表面官能基のプロトンを金属イオンで置換した活物質は、強酸性水溶液と接触させることにより、容易に置換前の状態に戻すことができる。   In the present invention, the means for reducing the amount of protons present on the surface functional group of the electrode active material is not particularly limited, but the proton of the surface functional group may be replaced by a cation, esterified or amidated, or subjected to high heat treatment. It is mentioned as a preferable means. The substitution with a cation preferably involves reducing the proton by substituting the proton of the surface functional group with a metal ion by contacting an aqueous solution containing a metal ion such as an alkali metal or alkaline earth metal. As the metal ion, since the proton to be substituted is a monovalent ion, an alkali metal ion, in particular, an electrolyte used for a lithium ion capacitor is a lithium salt, and thus lithium ion is preferable. Contact with the aqueous solution containing metal ions is usually carried out at 10 to 60 ° C. for 0.5 to 24 hours. In this case, means for promoting substitution with metal ions can be used in combination. Examples of such promoting means include ultrasonic irradiation and stirring of an aqueous solution. In addition, the active material which substituted the proton of the surface functional group with the metal ion can be easily returned to the state before substitution by making it contact with strong acidic aqueous solution.

表面官能基のプロトンのエステル化若しくはアミド化処理によりプロトンを低減させる場合、エステル化処理は、硫酸、硝酸、塩酸などの酸やジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)などの脱水剤の存在下でアルコール類と接触させて実施される。また、アミド化処理はトリエチレングリコールなどの溶媒中でヒドラジンなどの窒素含有化合物と加熱接触、あるいはDCCなどの存在下でアミン化合物と反応させて実施される。これらのエステル化若しくはアミド化は、常法に従って40〜300℃の温度や0.5〜24時間にて実施される。また、高熱処理による場合には、通常、200〜900℃にて1〜10時間にて実施される。この高熱処理によるときには、活物質の基本構造が変化するため、得られるキャパシタの容量が低下する場合がある。   When protons are reduced by the esterification or amidation treatment of protons on the surface functional groups, the esterification treatment is brought into contact with alcohols in the presence of an acid such as sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid, or a dehydrating agent such as dicyclohexylcarbodiimide (DCC). Implemented. The amidation treatment is carried out by reacting with an amine compound in the presence of DCC or the like in the presence of DCC or the like in a solvent such as triethylene glycol with heating with a nitrogen-containing compound such as hydrazine. These esterification or amidation is carried out at a temperature of 40 to 300 ° C. or 0.5 to 24 hours according to a conventional method. Moreover, when performing by high heat processing, it is normally implemented at 200-900 degreeC for 1 to 10 hours. When this high heat treatment is performed, the basic structure of the active material changes, so that the capacitance of the obtained capacitor may be reduced.

本発明では、表面官能基に存在するプロトン量が低減させられた上記の正極活物質及び/又は負極活物質からそれぞれ正極及び/又は負極が形成されるが、既知の手段が使用できる。即ち、電極活物質粉末、バインダー及び必要に応じて導電性粉末を水系又は有機溶媒中に分散させてスラリーとし、該スラリーを必要に応じて使用される集電体に塗布するか、又は上記スラリーを予めシート状に成形し、これを集電体に貼り付けてもよい。ここで使用されるバインダーとしては、例えば、SBR、NBR等のゴム系バインダーや、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。バインダーの使用量は、電極活物質の電気伝導度、電極形状等により異なるが、電極活物質100重量部に対して2〜40重量部の割合で加えることが適当である。導電性粉末としては、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金属粉末等が挙げられる。   In the present invention, the positive electrode and / or the negative electrode are formed from the positive electrode active material and / or the negative electrode active material, respectively, in which the amount of protons present in the surface functional group is reduced, but known means can be used. That is, an electrode active material powder, a binder and, if necessary, a conductive powder are dispersed in an aqueous or organic solvent to form a slurry, and the slurry is applied to a current collector used as necessary, or the slurry May be previously formed into a sheet shape and attached to the current collector. Examples of the binder used here include rubber-based binders such as SBR and NBR, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and thermoplastic resins such as polypropylene, polyethylene and polyacrylate. Can be used. Although the usage-amount of a binder changes with electric conductivity, an electrode shape, etc. of an electrode active material, it is suitable to add in the ratio of 2-40 weight part with respect to 100 weight part of electrode active materials. Examples of the conductive powder include carbon black, graphite, carbon nanotube, carbon nanofiber, and metal powder.

上記で必要に応じて使用される導電性粉末は、電極活物質の電気伝導度、電極形状等により異なるが、電極活物質100重量部に対して好ましくは2〜40重量部、特に好ましくは5〜10重量部使用されるのが好適である。   The conductive powder used as necessary in the above varies depending on the electric conductivity of the electrode active material, the electrode shape, and the like, but is preferably 2 to 40 parts by weight, particularly preferably 5 to 100 parts by weight of the electrode active material. It is preferred to use 10 to 10 parts by weight.

また、本発明のリチウムイオンキャパシタにおける、非プロトン性有機溶媒電解質溶液を形成する非プロトン性有機溶媒としては、例えば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、スルホラン等が挙げられる。更に、これら非プロトン性有機溶媒の二種以上を混合した混合液を用いることもできる。   Examples of the aprotic organic solvent for forming the aprotic organic solvent electrolyte solution in the lithium ion capacitor of the present invention include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethoxyethane, Tetrahydrofuran, dioxolane, methylene chloride, sulfolane and the like can be mentioned. Furthermore, a mixed solution in which two or more of these aprotic organic solvents are mixed can also be used.

また、上記の単一あるいは混合の溶媒に溶解させる電解質は、リチウムイオンを生成しうる電解質であれば、あらゆるものを用いることができる。このような電解質としては、例えばLiClO、LiAsF、LiBF、LiPF、LiN(CSO、LiN(CFSO等が挙げられる。上記の電解質及び溶媒は、充分に脱水された状態で混合され、電解質溶液とするのであるが、電解液中の電解質の濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため少なくとも0.1mol/l以上とすることが好ましく、0.5〜1.5mol/lの範囲内とすることが更に好ましい。 Any electrolyte can be used as long as it is an electrolyte capable of generating lithium ions as the electrolyte dissolved in the single or mixed solvent. Examples of such an electrolyte include LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . The electrolyte and the solvent are mixed in a sufficiently dehydrated state to form an electrolyte solution. The concentration of the electrolyte in the electrolyte is at least 0.1 mol / l or more in order to reduce the internal resistance due to the electrolyte. It is preferable to set it within a range of 0.5 to 1.5 mol / l.

また、本発明のリチウムイオンキャパシタは、特に、帯状の正極と負極とをセパレータを介して捲回させる捲回型セル、板状の正極と負極とをセパレータを介して各3層以上積層された積層型セル、あるいは、板状の正極と負極とをセパレータを介した各3層以上積層物を外装フィルム内に封入したフィルム型セル等の大容量のセルへの適用が望ましい。これらのセルの構造は、国際公開WO00/07255号公報、国際公開WO03/003395号公報、特開2004−266091号公報等により既に知られており、本発明のキャパシタセルもかかる既存のセルと同様な構成とすることができる。   In addition, the lithium ion capacitor of the present invention is particularly a wound type cell in which a belt-like positive electrode and a negative electrode are wound through a separator, and a plate-like positive electrode and a negative electrode are laminated in three or more layers through a separator. It is desirable to apply to a laminated cell, or a large-capacity cell such as a film-type cell in which a laminate of three or more layers each having a plate-like positive electrode and negative electrode through a separator is enclosed in an exterior film. The structures of these cells are already known from International Publication WO 00/07255, International Publication WO 03/003395, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266091, etc., and the capacitor cell of the present invention is similar to such an existing cell. It can be set as a simple structure.

(酸性表面官能基量測定法)
温度を110℃に設定した乾燥機に5g活物質を加えた秤量瓶を静置し、3時間以上乾燥させる。乾燥終了後、予め乾燥させておいたシリカゲルの入ったデシケーター内に活物質の入った秤量瓶を静置し、1時間以上放冷させる。こうしてよく乾燥させた活物質を1g精秤して三角フラスコに加えた後、0.1mol/lの水酸化ナトリウム等の塩基性水溶液と接触させて超音波照射させることにより、活物質が有する表面官能基に存在するプロトンを十分に反応させる。反応終了後、ろ別操作によって得られたろ液を0.05mol/lの塩酸等の酸性水溶液を用いて逆滴定することにより、塩基との中和反応によって消費したプロトン量、すなわち活物質が有する表面官能基に存在するプロトン量が求められる。
(Method for measuring the amount of acidic surface functional groups)
A weighing bottle containing 5 g of active material is allowed to stand in a dryer set at 110 ° C. and dried for 3 hours or more. After completion of drying, the weighing bottle containing the active material is allowed to stand in a desiccator containing silica gel that has been dried in advance, and allowed to cool for 1 hour or longer. After precisely weighing 1 g of the active material thus well dried and adding it to an Erlenmeyer flask, the surface of the active material is brought into contact with a basic aqueous solution such as 0.1 mol / l sodium hydroxide and subjected to ultrasonic irradiation. Protons present in the functional group are sufficiently reacted. After completion of the reaction, the amount of proton consumed by the neutralization reaction with the base, that is, the active material, is obtained by back titrating the filtrate obtained by the filtration operation with an acidic aqueous solution such as 0.05 mol / l hydrochloric acid. The amount of protons present on the surface functional group is determined.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
(正極1製造法)
200gの蒸留水に比表面積1910m/g、表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量0.620mmol/gのアルカリ賦活活性炭20gを加えてよく分散させた後、活性炭1g当り0.280mmolになるように1mol/lの水酸化リチウム水溶液を5.6ml添加し、1時間超音波照射を施して十分に活性炭が有する表面官能基に存在するプロトンを置換した。上記懸濁液を吸引ろ過及び洗浄、乾燥を施すことにより正極活物質を得た。このときの表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量は0.340mmol/gであった。
上記方法により得られた正極活物質を92重量部、アセチレンブラック粉体6重量部、アクリレート系バインダー7重量部、カルボキシメチルセルロース4重量部、水200重量部となる組成にて充分混合することによりスラリーを得た。
Example 1
(Positive electrode 1 manufacturing method)
After adding 20 g of alkali-activated activated carbon having a specific surface area of 1910 m 2 / g and a proton amount of 0.620 mmol / g per unit weight of the active material existing in the surface functional group to 200 g of distilled water and dispersing well, the concentration is reduced to 0.000 per g of activated carbon. 5.6 ml of 1 mol / l lithium hydroxide aqueous solution was added so that it might become 280 mmol, and ultrasonic irradiation was performed for 1 hour, and the proton which exists in the surface functional group which activated carbon fully substituted was replaced. A positive electrode active material was obtained by subjecting the suspension to suction filtration, washing, and drying. At this time, the proton amount per unit weight of the active material present in the surface functional group was 0.340 mmol / g.
A slurry is obtained by sufficiently mixing the positive electrode active material obtained by the above method in a composition of 92 parts by weight, 6 parts by weight of acetylene black powder, 7 parts by weight of an acrylate binder, 4 parts by weight of carboxymethyl cellulose, and 200 parts by weight of water. Got.

厚さ38μm(気孔率47%)のアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)両面に非水系のカーボン系導電塗料(日本アチソン株式会社製:EB−815)をダイコーターにてコーティングし、乾燥することにより導電層が形成された正極用集電体を得た。全体の厚み(集電体厚みと導電層厚みの合計)は52μmであり貫通孔はほぼ導電塗料により閉塞された。上記正極のスラリーをロールコーターにて該正極用集電体の両面に塗工し、真空乾燥後、正極全体の厚さ(両面の正極電極層厚さと両面の導電層厚さと正極集電体厚さの合計)が180μmの正極1を得た。   The aluminum expanded metal (made by Nippon Metal Industry Co., Ltd.) with a thickness of 38 μm (porosity 47%) was coated on both sides with a non-aqueous carbon-based conductive paint (made by Nippon Atson Co., Ltd .: EB-815) with a die coater, A positive electrode current collector having a conductive layer formed thereon was obtained by drying. The total thickness (the sum of the current collector thickness and the conductive layer thickness) was 52 μm, and the through-hole was almost blocked by the conductive paint. The positive electrode slurry is applied to both sides of the positive electrode current collector with a roll coater, and after vacuum drying, the total thickness of the positive electrode (the thickness of the positive electrode layer on both sides, the thickness of the conductive layer on both sides, and the thickness of the positive electrode collector) The positive electrode 1 having a total thickness of 180 μm was obtained.

(負極製造法)
厚さ0.5mmのフェノール樹脂成形板をシリコニット電気炉中に入れ、窒素雰囲気下で550℃まで50℃/時間の速度で、更に670℃まで10℃/時間の速度で昇温、熱処理することによりPASを合成した。かくして得られたPAS板をボールミルで粉砕することにより、D50が4μmのPAS負極粉体を得た。このPAS負極粉体のH/Cは0.22であった。
(Negative electrode manufacturing method)
Put a 0.5 mm thick phenolic resin molded plate in a siliconite electric furnace, heat up and heat-treat at a rate of 50 ° C./hour up to 550 ° C. and further at a rate of 10 ° C./hour up to 670 ° C. in a nitrogen atmosphere. PAS was synthesized by The PAS plate thus obtained was pulverized with a ball mill to obtain a PAS negative electrode powder having a D50 of 4 μm. H / C of this PAS negative electrode powder was 0.22.

次に、上記PAS負極粉体92重量部、アセチレンブラック粉体6重量部、SBR5重量部、カルボキシメチルセルロース4重量部、水200重量部となる組成にて充分混合することにより負極スラリーを得た。   Next, a negative electrode slurry was obtained by sufficiently mixing with 92 parts by weight of the above PAS negative electrode powder, 6 parts by weight of acetylene black powder, 5 parts by weight of SBR, 4 parts by weight of carboxymethylcellulose, and 200 parts by weight of water.

厚さ32μm(気孔率57%)の銅製エキスパンドメタル(日本金属工業株式会社製)両面に負極スラリーをダイコーターにて該負極集電体の両面に塗工し、真空乾燥後、全体の厚さ(両面の負極電極層厚さと負極集電体厚さの合計)が75μmの負極1を得た。   A negative electrode slurry was applied to both sides of a copper expanded metal (manufactured by Nippon Metal Industry Co., Ltd.) having a thickness of 32 μm (porosity 57%) on both sides of the negative electrode current collector with a die coater. Negative electrode 1 having a total thickness of negative electrode layers on both sides and negative electrode current collector thickness of 75 μm was obtained.

(負極活物質の単位重量当たりの静電容量測定)
上記負極1の面積が1.5×2.0cmサイズになるよう1枚切り出し、評価用負極とした。負極の対極として1.5×2.0cmサイズ、厚み200μmの金属リチウム板を厚さ50μmのポリエチレン製不織布をセパレータとして介し負極1の両面に配置させ模擬セルを組んだ。参照極として金属リチウムを用いた。電解液としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で3:4:1とした混合溶媒に、1mol/lの濃度にLiPFを溶解した溶液を用いた。
(Capacitance measurement per unit weight of negative electrode active material)
One piece was cut out so that the area of the negative electrode 1 was 1.5 × 2.0 cm 2 , and used as an evaluation negative electrode. As a counter electrode of the negative electrode, a metal lithium plate having a size of 1.5 × 2.0 cm 2 and a thickness of 200 μm was arranged on both surfaces of the negative electrode 1 with a 50 μm-thick polyethylene non-woven fabric as a separator, and a simulated cell was assembled. Metallic lithium was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a weight ratio of 3: 4: 1 was used.

充電電流1mAにて負極活物質重量に対して600mAh/g分のリチウムイオンをドープし、その後1mAにて1.5Vまで放電を行った。放電開始1分後の負極の電位から0.2V電位変化する間の放電時間より負極1の活物質の単位重量当たりの静電容量を求めたところ912F/gであった。   A lithium ion of 600 mAh / g was doped with respect to the weight of the negative electrode active material at a charging current of 1 mA, and then discharged to 1.5 V at 1 mA. The capacitance per unit weight of the active material of the negative electrode 1 was determined from the discharge time during which the potential of the negative electrode changed 0.2 V from the potential of the negative electrode 1 minute after the start of discharge, and was 912 F / g.

(小型フィルムセル作成方法)
1セル当り、正極1を2.4cm×3.8cmに10枚カットし、負極1を2.5cm×3.9cmに11枚カットし、セパレータとして厚さ35μmのセルロース/レーヨン混合不織布を介して積層し、150℃で12時間乾燥した後、最上部と最下部はセパレータを配置させて4辺をテープ止めして電極積層ユニット1を得た。負極の負極活物質重量に対して600mAh/g分の金属リチウムとしては、厚さ80μmの金属リチウム箔を厚さ100μmのステンレス網に圧着したものを用い、負極と対向するように電極積層ユニットの最外部に2枚配置した。負極(11枚)と金属リチウムを圧着したステンレス網はそれぞれ溶接し、接触させた。参照極として、厚さ120μmの金属リチウム箔を厚さ100μmのステンレス網に圧着したものを電極積層ユニットの最外部に厚さ35μmのセルロース/レーヨン混合不織布製セパレータを介して積層し、さらに、同セルロース/レーヨン混合不織布製セパレータで外周を巻き、テープ止めして電極積層ユニット2を得た。上記電極積層ユニット2の正極集電体の端子溶接部(10枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾3mm、長さ50mm、厚さ0.1mmのアルミニウム製端子を重ねて超音波溶接した。同様に負極集電体の端子溶接部(11枚)および参照極の端子溶接部に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾3mm、長さ50mm、厚さ0.1mmのニッケル製端子を重ねてそれぞれ超音波溶接した。かくして正極および負極に端子が溶接された電極積層ユニットを縦60mm、横30mm、深さ5mmに深絞りした外装ラミネートフィルム1枚と深絞りしていない外装ラミネートフィルム1枚の間に設置した。
(Small film cell creation method)
For each cell, 10 positive electrodes 1 are cut into 2.4 cm × 3.8 cm, 11 negative electrodes 1 are cut into 2.5 cm × 3.9 cm, and the separator is passed through a cellulose / rayon mixed nonwoven fabric having a thickness of 35 μm. After laminating and drying at 150 ° C. for 12 hours, separators were placed on the uppermost part and the lowermost part, and four sides were taped to obtain an electrode laminated unit 1. As the metallic lithium for 600 mAh / g with respect to the negative electrode active material weight of the negative electrode, a metal lithium foil having a thickness of 80 μm bonded to a stainless steel net having a thickness of 100 μm is used. Two sheets were arranged on the outermost part. The negative electrode (11 sheets) and the stainless steel mesh bonded with metallic lithium were welded and brought into contact with each other. As a reference electrode, a metal lithium foil having a thickness of 120 μm bonded to a stainless steel net having a thickness of 100 μm was laminated on the outermost part of the electrode lamination unit via a separator made of a cellulose / rayon mixed nonwoven fabric having a thickness of 35 μm. The outer periphery was wound with a cellulose / rayon mixed nonwoven fabric separator and taped to obtain an electrode laminate unit 2. An aluminum terminal having a width of 3 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.1 mm, in which a sealant film is heat-sealed to the seal portion in advance, is stacked on the terminal welded portion (10 sheets) of the positive electrode current collector of the electrode laminate unit 2. Ultrasonic welding. Similarly, a nickel terminal having a width of 3 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.1 mm in which a sealant film is heat-sealed in advance to the terminal welded portion (11 sheets) of the negative electrode current collector and the terminal welded portion of the reference electrode. Each was supersonic welded. Thus, the electrode lamination unit in which the terminals were welded to the positive electrode and the negative electrode was placed between one exterior laminate film that was deep-drawn 60 mm long, 30 mm wide, and 5 mm deep and one exterior laminate film that was not deep-drawn.

外装ラミネートフィルムの端子部2辺と他の1辺を熱融着した後、電解液としてエチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で3:4:1とした混合溶媒に、1mol/lの濃度にLiPFを溶解した溶液を電極積層ユニットに真空含浸させた後、残り1辺を減圧下にて熱融着し、真空封止を行うことによりフィルム型リチウムイオンキャパシタセル1を3セル組み立てた。 After heat-sealing the two sides of the terminal portion of the exterior laminate film and the other side, 1 mol / l of a mixed solvent in which ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate were used at a weight ratio of 3: 4: 1 as an electrolytic solution. After the electrode laminate unit was vacuum impregnated with a solution in which LiPF 6 was dissolved in concentration, the remaining one side was heat-sealed under reduced pressure and vacuum sealing was performed to assemble three film-type lithium ion capacitor cells 1 It was.

実施例2
メタノール400ml中に実施例1のアルカリ賦活活性炭を30g加え、よく分散させた後、濃硫酸10mlを加えた。その後、50℃に加温しながら24時間撹拌して十分に反応させ、活性炭の表面酸性官能基をエステル化した。次いで、上記懸濁液を吸引ろ過及び洗浄、乾燥を施すことにより得られた活性炭を正極活物質として用いたこと以外は実施例1と同様にして厚み180μmの正極2を作製した。なお、得られた活性炭の表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量は0.230mmol/gだった。 この正極2と負極1を用いて実施例1と同様のフィルム型リチウムイオンキャパシタセル2を3セル組み立てた。
Example 2
30 g of the alkali activated carbon of Example 1 was added to 400 ml of methanol and dispersed well, and then 10 ml of concentrated sulfuric acid was added. Then, it stirred for 24 hours, heating at 50 degreeC, and was made to fully react, and the surface acidic functional group of activated carbon was esterified. Next, a positive electrode 2 having a thickness of 180 μm was produced in the same manner as in Example 1 except that activated carbon obtained by subjecting the suspension to suction filtration, washing, and drying was used as a positive electrode active material. The proton amount per unit weight of the active material present in the surface functional group of the obtained activated carbon was 0.230 mmol / g. Three film-type lithium ion capacitor cells 2 similar to those in Example 1 were assembled using the positive electrode 2 and the negative electrode 1.

実施例3
厚さ0.5mmのフェノール樹脂成形板をシリコニット電気炉中に入れ、窒素雰囲気下で550℃まで50℃/時間の速度で、更に10℃/時間の速度で920℃まで昇温し、引き続き920℃で10時間水蒸気賦活を行うことによりPASを合成した。かくして得られたPAS板をボールミルで粉砕することにより、比表面積1930m/g、表面官能基に存在する単位重量当たりのプロトン量が0.480mmol/g、D50が4μmのPAS正極粉体を得た。このPAS正極粉体のH/Cは0.09であった。
Example 3
A phenol resin molded plate having a thickness of 0.5 mm was placed in a siliconite electric furnace, heated to 550 ° C. at a rate of 50 ° C./hour and further at a rate of 10 ° C./hour to 920 ° C. in a nitrogen atmosphere. PAS was synthesized by steam activation at 10 ° C. for 10 hours. The PAS plate thus obtained was pulverized with a ball mill to obtain a PAS positive electrode powder having a specific surface area of 1930 m 2 / g, a proton amount per unit weight existing in the surface functional group of 0.480 mmol / g, and a D50 of 4 μm. It was. The H / C of this PAS positive electrode powder was 0.09.

上記のPAS正極粉体を実施例1のアルカリ賦活活性炭の代わりに用いたこと以外は実施例1と同様な処理を施して正極活物質を作製し、全体厚み180μmの正極3を作製した。この正極3と負極1を用いて実施例1と同様のフィルム型リチウムイオンキャパシタセル3を3セル組み立てた。   A positive electrode active material was produced by performing the same treatment as in Example 1 except that the above PAS positive electrode powder was used in place of the alkali-activated activated carbon of Example 1, and a positive electrode 3 having a total thickness of 180 μm was produced. Three film-type lithium ion capacitor cells 3 similar to Example 1 were assembled using the positive electrode 3 and the negative electrode 1.

比較例1
1mol/lの水酸化リチウム水溶液を加えないこと以外は実施例1と同様な処理を施したアルカリ賦活活性炭を正極活物質に用いたこと以外は実施例1と同様にしてフィルム型リチウムイオンキャパシタセル4を3セル組み立てた。
Comparative Example 1
A film type lithium ion capacitor cell in the same manner as in Example 1 except that alkali-activated activated carbon treated in the same manner as in Example 1 was used as the positive electrode active material, except that 1 mol / l lithium hydroxide aqueous solution was not added. 4 was assembled in 3 cells.

比較例2
実施例1のアルカリ賦活活性炭に何も処理を施さないものを正極活物質として用いたこと以外は実施例1と同様にしてフィルム型リチウムイオンキャパシタセル5を3セル組み立てた。
Comparative Example 2
Three film-type lithium ion capacitor cells 5 were assembled in the same manner as in Example 1 except that the alkali-activated activated carbon of Example 1 that was not subjected to any treatment was used as the positive electrode active material.

比較例3
実施例3のPAS正極粉体に何も処理を施さないものを正極活物質として用いたこと以外は実施例1と同様にしてフィルム型リチウムイオンキャパシタセル6を3セル組み立てた。
Comparative Example 3
Three film-type lithium ion capacitor cells 6 were assembled in the same manner as in Example 1 except that the PAS positive electrode powder of Example 3 that was not subjected to any treatment was used as the positive electrode active material.

実施例4
実施例1のアルカリ賦活活性炭を静置式電気炉内に入れ、窒素雰囲気下で800℃まで2時間40分で昇温し、その到達温度で4時間保持した。放冷冷却後に取り出した試料を正極活物質として用いたこと以外は実施例1と同様にしてフィルム型リチウムイオンキャパシタセル7を3セル組み立てた。
Example 4
The alkali activated carbon of Example 1 was placed in a static electric furnace, heated to 800 ° C. in 2 hours and 40 minutes in a nitrogen atmosphere, and held at that temperature for 4 hours. Three film type lithium ion capacitor cells 7 were assembled in the same manner as in Example 1 except that the sample taken out after cooling by cooling was used as the positive electrode active material.

(セルの特性評価)
20日間室温にて放置後、各フィルム型キャパシタセルの厚みを計測し、組み立て直後のキャパシタセル厚みからの変化率を求めた。また、各フィルム型キャパシタセルにつき1セルを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに912F/gの静電容量を得るためのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。また、電極積層ユニットの外観及び厚みを調べたところ、キャパシタセル組立前の状態と変わりなかった。
(Characteristic evaluation of cells)
After standing at room temperature for 20 days, the thickness of each film capacitor cell was measured, and the rate of change from the capacitor cell thickness immediately after assembly was determined. Moreover, when one cell was disassembled for each film type capacitor cell, all of the metallic lithium was completely removed. Therefore, lithium ions for obtaining a capacitance of 912 F / g per unit weight of the negative electrode active material were obtained. It was judged that it was doped in advance. Moreover, when the external appearance and thickness of the electrode laminated unit were examined, it was not different from the state before the capacitor cell assembly.

残ったフィルム型キャパシタの各1セルを、25℃で24時間放置した後に、100mAの定電流でセル電圧が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。次いで、100mAの定電流でセル電圧が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、3回目の放電容量を測定した。放電容量、体積エネルギー密度の測定結果、正極活物質の表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量を測定した結果、およびセル厚みの変化率を表1に示す。   After each cell of the remaining film type capacitor was left at 25 ° C. for 24 hours, it was charged with a constant current of 100 mA until the cell voltage reached 3.8 V, and then a constant current of applying a constant voltage of 3.8 V− Constant voltage charging was performed for 1 hour. Next, the battery was discharged at a constant current of 100 mA until the cell voltage reached 2.2V. This 3.8V-2.2V cycle was repeated, and the third discharge capacity was measured. Table 1 shows the measurement results of the discharge capacity and the volume energy density, the measurement results of the proton amount per unit weight of the active material present in the surface functional group of the positive electrode active material, and the cell thickness change rate.

尚、セル厚みの変化率は次式で計算される値とした。また、体積エネルギー密度としては20日間室温にて放置後のセル厚みより計算した。

セル厚み変化率(%)=(20日間室温にて放置後のセル厚み−組み立て直後のキャパシタセル厚み)÷組み立て直後のキャパシタセル厚み×100
The cell thickness change rate was a value calculated by the following equation. The volume energy density was calculated from the cell thickness after standing at room temperature for 20 days.

Cell thickness change rate (%) = (cell thickness after standing at room temperature for 20 days−capacitor cell thickness immediately after assembly) ÷ capacitor cell thickness immediately after assembly × 100

Figure 2008166309
Figure 2008166309

表1に示されているとおり、水酸化リチウムを加えてアルカリ賦活活性炭の表面官能基に存在するプロトンをリチウムイオンで置換した実施例1のセルは、比較例1のセルと比べてセル厚みの増加が抑えられていることから、キャパシタセル内部から発生するガスを低減出来たと言える。また、正極活物質の表面官能基をエステル化した実施例2のセルは、比較例2のセルと比べてセル厚みの増加が抑えられている事から、実施例1と同様にキャパシタ内部から発生するガスを低減出来たと言える。また、正極活物質としてアルカリ賦活活性炭でなくPASを用いた実施例3のセルでもやはり比較例3のセルと比べてセル厚みの増加が抑えられていることから、キャパシタセル内部から発生するガスを低減出来たと言える。一方、正極活物質に熱処理したアルカリ賦活活性炭を用いた実施例4のセルは、比較例1のセルと比べてセル厚みの増加が抑えられていることから、実施例1、2と同様にキャパシタ内部から発生するガスを低減できたと言えるが、実施例1、2のセルと比べて容量が少ないことがわかる。実施例4のセルは正極活物質を熱処理したことで容量が低下したと考えられる。   As shown in Table 1, the cell of Example 1 in which lithium hydroxide was added and the protons present on the surface functional groups of the alkali-activated activated carbon were replaced with lithium ions was compared with the cell of Comparative Example 1 in cell thickness. Since the increase was suppressed, it can be said that the gas generated from the inside of the capacitor cell could be reduced. In addition, the cell of Example 2 in which the surface functional group of the positive electrode active material is esterified is generated from the inside of the capacitor as in Example 1 because the increase in cell thickness is suppressed as compared with the cell of Comparative Example 2. It can be said that the amount of gas used was reduced. Moreover, since the increase in cell thickness is also suppressed in the cell of Example 3 using PAS instead of alkali activated activated carbon as the positive electrode active material as compared with the cell of Comparative Example 3, the gas generated from the inside of the capacitor cell is reduced. It can be said that it has been reduced. On the other hand, since the cell of Example 4 using the alkali activated activated carbon heat-treated as the positive electrode active material is suppressed from increasing in cell thickness as compared with the cell of Comparative Example 1, the capacitor is the same as in Examples 1 and 2. Although it can be said that the gas generated from the inside can be reduced, it can be seen that the capacity is small compared to the cells of Examples 1 and 2. The cell of Example 4 is considered to have a reduced capacity due to the heat treatment of the positive electrode active material.

また、上記測定終了後に正極と負極を短絡させ正極の電位を測定したところ、いずれも0.65〜0.95Vの範囲であり、いずれも2.0V以下であった。正極活物質が有する表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオンの量を低減し、正極と負極を短絡させた時の正極電位が2.0V以下になるよう負極及び/または正極に予めリチウムイオンをドープさせることにより、高いエネルギー密度を有したキャパシタが得られることがわかった。   Moreover, when the positive electrode and the negative electrode were short-circuited after the measurement was completed and the potential of the positive electrode was measured, all were in the range of 0.65 to 0.95 V, and all were 2.0 V or less. The amount of hydrogen ions that can be dissociated per unit weight of the active material present in the surface functional group of the positive electrode active material is reduced, and the positive electrode potential when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited is 2.0 V or less. Alternatively, it was found that a capacitor having a high energy density can be obtained by previously doping the positive electrode with lithium ions.

(正極活物質の単位重量当たりの静電容量測定)
実施例1〜4、比較例1〜3の正極スラリーを、カーボン系導電塗料をコーティングした厚さ20μmのアルミニウム箔片面に塗工、乾燥することにより正極箔電極(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1)、(f1)、(g1)を得た。
(Capacitance measurement per unit weight of positive electrode active material)
The positive electrode slurry of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was applied to a single side of an aluminum foil having a thickness of 20 μm coated with a carbon-based conductive paint and dried to thereby form positive electrode foil electrodes (a1), (b1), ( c1), (d1), (e1), (f1), and (g1) were obtained.

上記正極箔電極(a1)〜(g1)の面積がそれぞれ1.5×2.0cmサイズになるよう1枚切り出し、評価用正極とした。正極の対極として1.5×2.0cmサイズ、厚み200μmの金属リチウム板を厚さ50μmのポリエチレン製不織布をセパレータとして介し各正極箔電極の両面に配置させ模擬セルを組んだ。参照極として金属リチウムを用いた。電解液としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびプロピレンカーボネートを重量比で3:4:1とした混合溶媒に、1mol/lの濃度にLiPFを溶解した溶液を用いた。 One piece was cut out so that the areas of the positive electrode foil electrodes (a1) to (g1) were 1.5 × 2.0 cm 2, respectively, and used as positive electrodes for evaluation. As a counter electrode of the positive electrode, a simulation cell was assembled by arranging a metal lithium plate of 1.5 × 2.0 cm 2 size and thickness of 200 μm on both surfaces of each positive electrode foil electrode through a 50 μm-thick polyethylene non-woven fabric as a separator. Metallic lithium was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate and propylene carbonate in a weight ratio of 3: 4: 1 was used.

充電電流1mAにて3.6Vまで充電しその後定電圧充電を行い、総充電時間1時間の後、1mAにて2.5Vまで放電を行った。3.5V〜2.5V間の放電時間より正極箔電極(a1)〜(g1)の活物質の単位重量当たりの静電容量を求めた各結果を表2に示す。   The battery was charged to 3.6 V at a charging current of 1 mA and then charged at a constant voltage. After a total charging time of 1 hour, the battery was discharged to 2.5 V at 1 mA. Table 2 shows the results obtained by determining the capacitance per unit weight of the active material of the positive electrode foil electrodes (a1) to (g1) from the discharge time between 3.5V and 2.5V.

Figure 2008166309
Figure 2008166309

表2に示すように、活性炭の表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量を化学的に置換又は修飾して低減した実施例1〜3は比較例1〜3と比べ、正極活物質の単位重量当りの静電容量に変化がない一方、窒素雰囲気下において800℃で4時間熱処理した実施例4は、活性炭の表面官能基に存在する活物質単位重量当りのプロトン量を低減出来たが、熱処理によって正極活物質の単位重量当たりの静電容量が低下した。
また、各フィルム型キャパシタの負極活物質の単位重量当たりの静電容量は、いずれも正極活物質の単位重量当たりの静電容量の5倍以上となる。
As shown in Table 2, Examples 1-3 in which the amount of protons per unit weight of the active material existing in the surface functional group of the activated carbon was reduced by chemical substitution or modification were compared with Comparative Examples 1-3 in comparison with the positive electrode active While there was no change in the capacitance per unit weight of the substance, Example 4, which was heat-treated at 800 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere, could reduce the proton amount per unit weight of the active material present in the surface functional groups of the activated carbon. However, the electrostatic capacity per unit weight of the positive electrode active material was reduced by the heat treatment.
Moreover, the electrostatic capacity per unit weight of the negative electrode active material of each film type capacitor is 5 times or more the electrostatic capacity per unit weight of the positive electrode active material.

Claims (7)

正極、負極、及び、電解液としてリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備え、かつ負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドープされるリチウムイオンキャパシタであって、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であり、負極活物質がリチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な物質であり、かつ、該正極活物質及び/又は負極活物質が有する表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオンの量が低減させられていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。   A lithium ion capacitor comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aprotic organic solvent electrolyte solution of lithium salt as an electrolyte, and doped with lithium ions for the negative electrode and / or the positive electrode, wherein the positive electrode active material is lithium ion And / or a material capable of reversibly doping / dedoping anions, a negative electrode active material capable of reversibly doping / dedoping lithium ions, and the positive electrode active material and / or negative electrode active material A lithium ion capacitor characterized in that the amount of dissociable hydrogen ions per unit weight of active material present in a surface functional group of the lithium ion capacitor is reduced. 前記正極及び/又は負極が、それぞれ表裏面を貫通する孔を有する集電体を備えており、負極とリチウムイオン供給源との電気化学的接触によって正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2.0V(対Li/Li)以下になるようにリチウムイオンがドープされている請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。 The positive electrode and / or the negative electrode each include a current collector having holes penetrating the front and back surfaces, and the positive electrode potential after the positive electrode and the negative electrode are short-circuited by electrochemical contact between the negative electrode and the lithium ion supply source. 2. The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein lithium ions are doped so as to be 2.0 V (vs. Li / Li + ) or less. 負極活物質は、正極活物質に比べて、単位重量あたりの静電容量が3倍以上を有し、かつ正極活物質重量が負極活物質の重量よりも大きい請求項1又は2に記載のリチウムイオンキャパシタ。   3. The lithium according to claim 1, wherein the negative electrode active material has a capacitance per unit weight of at least three times that of the positive electrode active material, and the weight of the positive electrode active material is larger than the weight of the negative electrode active material. Ion capacitor. 請求項1に記載の表面官能基に存在する活物質単位重量当りの解離可能な水素イオンの量が、カチオンによる置換、又はエステル化若しくはアミド化により低減されている請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。   The amount of dissociable hydrogen ions per unit weight of the active material present in the surface functional group according to claim 1 is reduced by substitution with a cation, or esterification or amidation. The lithium ion capacitor according to 1. カチオンが、アルカリ金属イオンである請求項4に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to claim 4, wherein the cation is an alkali metal ion. 正極活物質が、活性炭、又は芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子数比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体である請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。   The positive electrode active material is activated carbon or a heat-treated product of an aromatic condensation polymer, and is a polyacene organic semiconductor having a polyacene skeleton structure in which the atomic ratio of hydrogen atoms / carbon atoms is 0.50 to 0.05 The lithium ion capacitor in any one of Claims 1-5. 負極活物質が、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子数比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体である請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。   2. The negative electrode active material is a polyacene organic semiconductor having a polyacene skeleton structure which is a heat-treated product of an aromatic condensation polymer and has a hydrogen atom / carbon atom ratio of 0.50 to 0.05. The lithium ion capacitor in any one of -5.
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