JP2016181603A - Lithium ion capacitor - Google Patents

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茉紀 服部
Maki Hattori
茉紀 服部
真嶋 正利
Masatoshi Mashima
正利 真嶋
光靖 小川
Mitsuyasu Ogawa
光靖 小川
奥野 一樹
Kazuki Okuno
一樹 奥野
昂真 沼田
Koma Numata
昂真 沼田
高橋 賢治
Kenji Takahashi
賢治 高橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion capacitor which is high in output, and in which the delamination of a negative electrode mixture accompanying gas generation is suppressed.SOLUTION: A lithium ion capacitor comprises: a positive electrode; a negative electrode; a separator interposed between the positive and negative electrodes; and a lithium ion-conducting electrolyte. The positive electrode includes: a positive electrode current collector; and a positive electrode active material supported by the positive electrode current collector. The negative electrode includes: a negative electrode current collector; and a negative electrode mixture supported by the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is composed of a metal porous body having a 3D mesh-like skeleton. The negative electrode mixture includes a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions, and carbon black; the content of the carbon black is 20 pts.mass or more to 100 pts.mass of the negative electrode active material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、カーボンブラックを含む負極を用い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 using a negative electrode containing carbon black.

環境問題がクローズアップされる中、太陽光または風力などのクリーンエネルギーを電力に変換し、電気エネルギーとして蓄電するシステムの開発が盛んに行われている。このような蓄電デバイスとしては、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどが知られている。最近では、瞬時の充放電特性に優れるとともに、取り扱い性に優れるといった観点から、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどのキャパシタが注目されている。   While environmental problems are being highlighted, systems for converting clean energy such as sunlight or wind power into electric power and storing it as electric energy are being actively developed. As such an electricity storage device, a lithium ion secondary battery, an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, and the like are known. Recently, capacitors such as an electric double layer capacitor and a lithium ion capacitor have been attracting attention from the viewpoints of excellent instantaneous charge / discharge characteristics and excellent handleability.

リチウムイオンキャパシタは、一般に、正極、負極、これらの間に介在するセパレータ、およびリチウムイオン伝導性の電解質を含む。正極には、分極性電極が使用され、負極には、金属箔などで形成された集電体と、この集電体の表面に形成された電極合剤層とを含む電極が使用される。負極合剤は、負極活物質、導電助剤、およびバインダなどを含む(特許文献1など)。負極活物質としては、黒鉛やハードカーボンなどのリチウムイオンを吸蔵および放出する材料が使用される。   A lithium ion capacitor generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed therebetween, and a lithium ion conductive electrolyte. A polarizable electrode is used for the positive electrode, and an electrode including a current collector formed of a metal foil or the like and an electrode mixture layer formed on the surface of the current collector is used for the negative electrode. A negative electrode mixture contains a negative electrode active material, a conductive support agent, a binder, etc. (patent document 1 etc.). As the negative electrode active material, materials that occlude and release lithium ions such as graphite and hard carbon are used.

特開2012−134236号公報JP 2012-134236 A

リチウムイオンキャパシタの負極には、リチウムイオンを吸蔵および放出(または挿入および脱離)する負極活物質が使用される。リチウムイオンキャパシタの内部抵抗には、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴う抵抗(反応抵抗)が加わるため、分極性電極を負極に用いる二重層キャパシタとは異なり、負極の抵抗が大きくなり易く、出力を高め難い。   A negative electrode active material that occludes and releases (or inserts and desorbs) lithium ions is used for the negative electrode of the lithium ion capacitor. Unlike the double-layer capacitor that uses a polarizable electrode for the negative electrode, the negative electrode resistance tends to increase and the output increases because the resistance (reaction resistance) associated with the insertion and extraction of lithium ions is added to the internal resistance of the lithium ion capacitor. It is difficult to raise.

負極の導電性を向上できれば出力を高め易いと考えられる。しかし、負極の導電性を向上させるためにカーボンブラックなどの導電助剤の割合を多くすると、電解質と導電助剤との副反応が顕著になる。その結果、多量のガスが発生して、負極集電体である金属箔や金属シートから負極合剤が剥離する。   If the conductivity of the negative electrode can be improved, the output can be easily increased. However, when the proportion of the conductive aid such as carbon black is increased in order to improve the conductivity of the negative electrode, the side reaction between the electrolyte and the conductive aid becomes remarkable. As a result, a large amount of gas is generated, and the negative electrode mixture is peeled off from the metal foil or metal sheet that is the negative electrode current collector.

本発明の目的は、出力が高く、ガス発生に伴う負極合剤の剥離が抑制されたリチウムイオンキャパシタを提供することである。   An object of the present invention is to provide a lithium ion capacitor that has high output and suppresses peeling of the negative electrode mixture accompanying gas generation.

本発明の一局面は、正極、負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータ、およびリチウムイオン伝導性の電解質を含み、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に担持された正極活物質とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤とを含み、
前記負極集電体は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、
前記負極合剤は、リチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質と、カーボンブラックとを含み、
前記カーボンブラックの量は、前記負極活物質100質量部に対して20質量部以上である、リチウムイオンキャパシタに関する。
One aspect of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lithium ion conductive electrolyte,
The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material supported on the positive electrode current collector,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector,
The negative electrode current collector is a porous metal body having a three-dimensional network skeleton,
The negative electrode mixture includes a negative electrode active material that occludes and releases lithium ions, and carbon black,
The amount of the carbon black relates to a lithium ion capacitor, which is 20 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.

本発明によれば、リチウムイオンキャパシタにおいて、ガス発生に伴う負極合剤の剥離を抑制できるとともに、出力を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a lithium ion capacitor, while being able to suppress peeling of the negative mix accompanying gas generation, an output can be raised.

本発明の一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタの外観を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view showing roughly the appearance of a lithium ion capacitor concerning one embodiment of the present invention. 図1のリチウムイオンキャパシタを正面から見たときの内部構造を概略的に示す一部断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view schematically showing an internal structure when the lithium ion capacitor of FIG. 1 is viewed from the front. 図2のIII−III線による矢視断面図である。It is arrow sectional drawing by the III-III line of FIG.

[発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタは、(1)正極、負極、正極と負極との間に介在するセパレータ、およびリチウムイオン伝導性の電解質を含む。正極は、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質とを含み、負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤とを含む。負極集電体は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、負極合剤は、リチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質と、カーボンブラックとを含み、カーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対して20質量部以上である。
[Description of Embodiment of the Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
A lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention includes (1) a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lithium ion conductive electrolyte. The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material supported on the positive electrode current collector, and the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is a metal porous body having a three-dimensional network skeleton, the negative electrode mixture includes a negative electrode active material that absorbs and releases lithium ions, and carbon black, and the amount of carbon black is It is 20 mass parts or more with respect to 100 mass parts of active materials.

負極にカーボンブラックを多く添加すると導電性が向上して、直流抵抗が小さくなると期待される。しかし、カーボンブラックの量が多くなると、カーボンブラックと電解質との副反応によるガス発生が顕著になる。金属箔を負極集電体に用いた場合、負極合剤層内で多量のガスが発生すると、負極合剤が剥離して充放電を繰り返し行うことができなくなる。   Addition of a large amount of carbon black to the negative electrode is expected to improve conductivity and reduce DC resistance. However, when the amount of carbon black increases, gas generation due to a side reaction between the carbon black and the electrolyte becomes remarkable. When a metal foil is used for the negative electrode current collector, if a large amount of gas is generated in the negative electrode mixture layer, the negative electrode mixture is peeled off and charging / discharging cannot be repeated.

本実施形態では、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を負極集電体として用いるため、負極合剤に多くのカーボンブラックを添加することでガスが発生しても、ガスの移動経路が多く、負極からガスを抜き出し易い。よって、負極合剤の剥離を抑制できる。また、負極が多くのカーボンブラックを含むことで導電性が増し、これにより直流抵抗を低減できる。そして、意外なことに、負極合剤に占めるカーボンブラックの割合が大きいことで、負極活物質によるリチウムイオンの吸蔵および放出に関わる反応抵抗までも低減できる。リチウムイオンキャパシタの出力を低下させる内部抵抗のうち、反応抵抗の寄与は直流抵抗の寄与よりも大きい。そのため、反応抵抗を低減することで、リチウムイオンキャパシタを効果的に高出力化できる。なお、詳細は定かではないが、反応抵抗が低減されるのは、集電体が三次元網目状の骨格を有することで、負極内部に電解質を多く保持することができることによるものと考えられる。   In this embodiment, since the metal porous body having a three-dimensional network skeleton is used as the negative electrode current collector, even if gas is generated by adding a large amount of carbon black to the negative electrode mixture, the gas movement path is In many cases, gas is easily extracted from the negative electrode. Therefore, peeling of the negative electrode mixture can be suppressed. Moreover, electroconductivity increases because a negative electrode contains many carbon blacks, Thereby, DC resistance can be reduced. Surprisingly, since the proportion of carbon black in the negative electrode mixture is large, it is possible to reduce even the reaction resistance related to insertion and extraction of lithium ions by the negative electrode active material. Of the internal resistance that reduces the output of the lithium ion capacitor, the contribution of the reaction resistance is greater than the contribution of the direct current resistance. Therefore, the lithium ion capacitor can be effectively increased in output by reducing the reaction resistance. Although details are not clear, it is considered that the reaction resistance is reduced because the current collector has a three-dimensional network-like skeleton, so that a large amount of electrolyte can be held inside the negative electrode.

カーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対して、(2)20質量部〜500質量部であることが好ましく、(3)20質量部〜200質量部であることがさらに好ましい。カーボンブラックの量がこのような範囲である場合、高容量を確保しながら、高出力を得ることができる。   The amount of carbon black is preferably (2) 20 parts by mass to 500 parts by mass, and (3) 20 parts by mass to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of carbon black is within such a range, a high output can be obtained while securing a high capacity.

(4)負極集電体の骨格は内部に空洞を有する(つまり、中空である)ことが好ましい。この場合、ガスの移動経路が多くなるとともに、負極を作製する際に厚み方向に圧縮し易くなり、高容量化の観点から有利である。   (4) The skeleton of the negative electrode current collector preferably has a cavity inside (that is, is hollow). In this case, the gas movement path increases, and the negative electrode is easily compressed in the thickness direction, which is advantageous from the viewpoint of increasing the capacity.

(5)負極の厚みは、100μm〜2000μmであることが好ましい。一般に、このように負極の厚みが大きいと、高い出力を確保し難い。しかし、負極が多くのカーボンブラックを含むことで、負極の厚みが大きいにも関わらず、負極の抵抗(特に、反応抵抗)を低減できるため、高出力を確保できる。   (5) The thickness of the negative electrode is preferably 100 μm to 2000 μm. Generally, when the thickness of the negative electrode is large as described above, it is difficult to ensure a high output. However, since the negative electrode contains a lot of carbon black, the resistance (particularly, reaction resistance) of the negative electrode can be reduced although the thickness of the negative electrode is large, so that high output can be secured.

(6)正極集電体は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であることが好ましい。この場合、ガスの移動経路が多くなるとともに、正極の容量を高め易いため、リチウムイオンキャパシタを高容量化する観点から有利である。   (6) The positive electrode current collector is preferably a porous metal body having a three-dimensional network skeleton. This is advantageous from the viewpoint of increasing the capacity of the lithium ion capacitor because the number of gas movement paths increases and the capacity of the positive electrode is easily increased.

[発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係るリチウムイオンキャパシタの具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the invention]
Specific examples of the lithium ion capacitor according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the attached claim, and is intended that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included. .

リチウムイオンキャパシタは、正極、負極、正極および負極の間に介在するセパレータ、およびリチウム伝導性の電解質を含む。以下に各要素についてより詳細に説明する。
(負極)
負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤とを含む。
負極集電体としては、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体が使用される。三次元網目状の骨格とは、金属で形成された繊維部(または棒状部)を有し、繊維部が三次元的に連結して網目状のネットワークを形成した骨格またはその構造を意味する。つまり、負極集電体は、複数の繊維部(または棒状部)を含むことができ、これらの複数の繊維部は、三次元的に連結して三次元網目状の骨格を形成している。
負極集電体の材質(金属多孔体を構成する金属)としては、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼などが好ましい。
The lithium ion capacitor includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lithium conductive electrolyte. Each element will be described in detail below.
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector.
As the negative electrode current collector, a porous metal body having a three-dimensional network skeleton is used. The three-dimensional network-like skeleton means a skeleton having a fiber part (or a rod-like part) formed of metal, and the fiber parts are three-dimensionally connected to form a network network or a structure thereof. That is, the negative electrode current collector can include a plurality of fiber portions (or rod-shaped portions), and the plurality of fiber portions are three-dimensionally connected to form a three-dimensional network skeleton.
The material of the negative electrode current collector (metal constituting the metal porous body) is preferably copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, stainless steel, or the like.

負極集電体は、連続空隙を有する樹脂製の多孔体(樹脂発泡体、樹脂製の不織布など)を、例えば、メッキ処理などにより、集電体を構成する金属で被覆し、樹脂を除去することにより形成できる。得られる負極集電体は、樹脂製多孔体の形状に対応して、1つ1つがセル状の空孔を多数有しており、これらのセル状の空孔が連通した連続空隙(つまり、連通孔)を有する。隣り合うセル状の空孔の間には、開口(または窓)が形成され、この開口により空孔が連通した状態となることが好ましい。三次元網目状の骨格を有する負極集電体を用いることで、ガスが発生しても移動し易くなるため、負極合剤の剥離が抑制される。   The negative electrode current collector covers a resin porous body (resin foam, resin nonwoven fabric, etc.) having continuous voids with a metal constituting the current collector, for example, by plating, and removes the resin. Can be formed. Each of the obtained negative electrode current collectors has a large number of cell-like pores corresponding to the shape of the resin porous body, and the continuous pores in which these cell-like pores communicate (that is, Communication hole). It is preferable that an opening (or window) is formed between the adjacent cellular holes, and the holes communicate with each other. By using a negative electrode current collector having a three-dimensional network-like skeleton, it is easy to move even if gas is generated, so that peeling of the negative electrode mixture is suppressed.

負極集電体の気孔率は、負極を作製する前(または負極合剤を担持させる前)の状態で、例えば、30体積%〜99体積%、好ましくは50体積%〜98体積%、さらに好ましくは80体積%〜98体積%または90体積%〜98体積%である。気孔率がこのような範囲である場合、負極合剤の充填率を高めやすく、高容量化の点で有利である。   The porosity of the negative electrode current collector is, for example, 30% by volume to 99% by volume, preferably 50% by volume to 98% by volume, more preferably before the negative electrode is produced (or before the negative electrode mixture is supported). Is 80% to 98% by volume or 90% to 98% by volume. When the porosity is in such a range, it is easy to increase the filling rate of the negative electrode mixture, which is advantageous in terms of increasing the capacity.

作製した負極において、負極集電体の気孔率は、例えば、10体積%〜50体積%であり、15体積%〜40体積%または20体積%〜40体積%であることが好ましい。負極における負極集電体の気孔率がこのような範囲である場合、負極合剤の剥離をさらに抑制し易く、反応抵抗をさらに低減し易い。なお、負極における負極集電体の気孔率は、負極を作製する前(または負極合剤を担持させる前)の負極集電体の気孔率の、例えば、1/2以下、好ましくは2/5以下または1/3以下である。気孔率の比がこのような範囲である場合、ガス発生を抑制しながら、高容量化し易い。
なお、集電体の気孔率は、集電体の質量および集電体を構成する金属の密度から集電体に占める金属の体積を求め、この体積が集電体の見かけの体積に占める割合(体積%)を算出することにより求めることができる。
In the produced negative electrode, the porosity of the negative electrode current collector is, for example, 10 volume% to 50 volume%, and preferably 15 volume% to 40 volume% or 20 volume% to 40 volume%. When the porosity of the negative electrode current collector in the negative electrode is in such a range, it is easy to further suppress the peeling of the negative electrode mixture and to further reduce the reaction resistance. The porosity of the negative electrode current collector in the negative electrode is, for example, ½ or less, preferably 2/5, of the porosity of the negative electrode current collector before the negative electrode is manufactured (or before the negative electrode mixture is supported). Or 1/3 or less. When the porosity ratio is in such a range, it is easy to increase the capacity while suppressing gas generation.
Note that the porosity of the current collector is obtained by calculating the volume of the metal in the current collector from the mass of the current collector and the density of the metal constituting the current collector, and the ratio of the volume to the apparent volume of the current collector. It can be obtained by calculating (volume%).

集電体の三次元網目状の骨格における平均空孔径(連通するセル状の空孔の平均径)は、負極合剤を担持させる前の状態で、例えば、50μm〜1000μm、好ましくは100μm〜900μm、さらに好ましくは350μm〜900μmである。平均空孔径がこのような範囲である場合、負極合剤を充填し易く、高容量化の点で有利である。   The average pore diameter in the three-dimensional network skeleton of the current collector (average diameter of communicating cell-like pores) is, for example, 50 μm to 1000 μm, preferably 100 μm to 900 μm, before the negative electrode mixture is supported. More preferably, it is 350 micrometers-900 micrometers. When the average pore diameter is in such a range, it is easy to fill the negative electrode mixture, which is advantageous in terms of increasing the capacity.

作製した負極において、集電体の平均空孔径は、例えば、40μm〜800μmであり、80μm〜700μmまたは250μm〜600μmであることが好ましい。負極における集電体の平均空孔径がこのような範囲である場合、負極合剤の剥離をさらに抑制し易く、反応抵抗をさらに低減し易い。   In the produced negative electrode, the average pore diameter of the current collector is, for example, 40 μm to 800 μm, and preferably 80 μm to 700 μm or 250 μm to 600 μm. When the average pore diameter of the current collector in the negative electrode is in such a range, peeling of the negative electrode mixture can be further suppressed and reaction resistance can be further reduced.

集電体の平均空孔径は、集電体(または負極)の厚み方向と平行な断面の走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)写真の三次元網目状の骨格部分について、厚み方向と平行な方向(縦)および厚み方向と垂直な方向(横)との1インチ長さ当たりのセル数(空孔の数)をそれぞれ計測して平均値を算出し、平均値の逆数を平均空孔径として求めることができる。   The average pore diameter of the current collector is parallel to the thickness direction of a three-dimensional mesh-like skeleton portion of a scanning electron microscope (SEM) photograph having a cross section parallel to the thickness direction of the current collector (or negative electrode). The average value is calculated by measuring the number of cells per inch (number of vacancies) in each direction (vertical) and the direction perpendicular to the thickness direction (horizontal), and the reciprocal of the average value is the average pore diameter. Can be obtained as

負極集電体の比表面積(BET比表面積)は、負極を作製する前(または負極合剤を担持させる前)の状態で、例えば、100cm2/g〜700cm2/gであり、好ましくは100cm2/g〜600cm2/gである。比表面積がこのような範囲である場合、負極合剤を充填し易く、高容量化の点で有利である。 The specific surface area of the negative electrode current collector (BET specific surface area) is, in a state before (or prior to carrying a negative electrode mixture) to produce a negative electrode, for example, a 100cm 2 / g~700cm 2 / g, preferably 100cm 2 / g to 600 cm 2 / g. When the specific surface area is in such a range, it is easy to fill the negative electrode mixture, which is advantageous in terms of increasing the capacity.

好ましい実施形態では、負極集電体の三次元網目状の骨格は、内部に空洞を有する(つまり、中空である)。骨格内の空洞は、樹脂製の多孔体の除去により形成される。負極集電体の骨格内の空洞は、連通孔状であってもよく、このような骨格は、トンネル状またはチューブ状になっている。中空の骨格を有する負極集電体は、嵩高い三次元構造を有しながらも、極めて軽量である。圧縮前における骨格内部の空洞の幅は、平均値で、例えば、0.5μm〜5.0μm、好ましくは1.0μm〜4.0μmまたは2.0μm〜3.0μmである。空洞の幅の平均値は、集電体の厚み方向と平行な断面のSEM写真において、任意に選択した複数の箇所(例えば、10箇所)について空洞の幅を計測し、平均化することにより求めることができる。   In a preferred embodiment, the three-dimensional network skeleton of the negative electrode current collector has a cavity inside (that is, is hollow). The cavity in the skeleton is formed by removing the porous resin body. The cavity in the skeleton of the negative electrode current collector may have a communication hole shape, and such a skeleton has a tunnel shape or a tube shape. A negative electrode current collector having a hollow skeleton is extremely lightweight while having a bulky three-dimensional structure. The width of the cavity inside the skeleton before compression is an average value, for example, 0.5 μm to 5.0 μm, preferably 1.0 μm to 4.0 μm or 2.0 μm to 3.0 μm. The average value of the width of the cavity is obtained by measuring and averaging the width of the cavity at a plurality of arbitrarily selected locations (for example, 10 locations) in the SEM photograph of the cross section parallel to the thickness direction of the current collector. be able to.

負極合剤は、負極活物質とカーボンブラックとを含む。負極合剤は、必要に応じて、さらにバインダを含んでもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する材料が使用される。このような材料は、充放電の際にファラデー反応を起こすものである。
The negative electrode mixture includes a negative electrode active material and carbon black. The negative electrode mixture may further contain a binder as necessary.
As the negative electrode active material, a material that occludes and releases (or inserts and desorbs) lithium ions is used. Such materials cause a Faraday reaction during charging and discharging.

上記材料としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する炭素材料(第1炭素材料とも言う)の他、リチウムチタン酸化物(スピネル型リチウムチタン酸化物など)、ケイ素酸化物、ケイ素合金、錫酸化物、錫合金が挙げられる。第1炭素材料としては、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛など)などが例示できる。負極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。負極活物質は、理論容量が300mAh/g以上であるものが好ましい。   Examples of the material include a carbon material (also referred to as a first carbon material) that occludes and releases (or inserts and desorbs) lithium ions, lithium titanium oxide (such as spinel type lithium titanium oxide), silicon oxide, and the like. Products, silicon alloys, tin oxides, and tin alloys. Examples of the first carbon material include graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphite (natural graphite, artificial graphite, etc.) and the like. A negative electrode active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. The negative electrode active material preferably has a theoretical capacity of 300 mAh / g or more.

負極活物質のうち、第1炭素材料が好ましく、特に、黒鉛および/またはハードカーボンが好ましい。負極における負極活物質の充填性が高く、電解質との副反応を抑制し易い観点から、第1炭素材料の平均粒径は、1μm〜20μmであることが好ましく、2μm〜15μmであることがさらに好ましい。
なお、本明細書中、平均粒径とは、レーザー回折式の粒度分布測定で得られる粒度分布における体積基準のメディアン径(D50)を意味する。
Of the negative electrode active materials, the first carbon material is preferable, and graphite and / or hard carbon is particularly preferable. The average particle size of the first carbon material is preferably 1 μm to 20 μm, and more preferably 2 μm to 15 μm, from the viewpoint that the negative electrode active material in the negative electrode is highly filled and side reactions with the electrolyte are easy to suppress. preferable.
In the present specification, the average particle diameter means a volume-based median diameter (D 50 ) in the particle size distribution obtained by laser diffraction particle size distribution measurement.

カーボンブラックは、導電助剤として機能する。カーボンブラックとしては、リチウムイオンキャパシタの導電助剤として使用されるものであれば特に制限なく使用することができる。カーボンブラックの具体例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ディスクブラックなどが挙げられる。カーボンブラックは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。カーボンブラックのうち、より高い導電性が得られる観点から、アセチレンブラックおよび/またはケッチェンブラックが好ましい。必要に応じて、カーボンブラック以外の導電助剤、例えば、炭素繊維および/または金属繊維などを併用してもよい。   Carbon black functions as a conductive aid. As carbon black, any carbon black can be used without particular limitation as long as it is used as a conductive aid for a lithium ion capacitor. Specific examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, thermal black, furnace black, channel black, and disk black. Carbon black can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Among carbon blacks, acetylene black and / or ketjen black are preferable from the viewpoint of obtaining higher conductivity. If necessary, a conductive aid other than carbon black, such as carbon fiber and / or metal fiber, may be used in combination.

本実施形態では、負極活物質に対して多くのカーボンブラックを使用することで、負極の直流抵抗だけでなく、反応抵抗を大幅に低減することができる。カーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対して、20質量部以上であり、好ましくは25質量部以上、さらに好ましくは30質量部以上もしくは40質量部以上である。カーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対して、例えば、500質量部以下とすることができ、好ましくは300質量部以下または200質量部以下である。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。負極活物質100質量部に対するカーボンブラックの量は、例えば、20質量部〜500質量部、25質量部〜500質量部、20質量部〜300質量部、または20質量部〜200質量部であってもよい。   In the present embodiment, by using a large amount of carbon black for the negative electrode active material, not only the direct current resistance of the negative electrode but also the reaction resistance can be greatly reduced. The amount of carbon black is 20 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material, preferably 25 parts by mass or more, more preferably 30 parts by mass or more or 40 parts by mass or more. The amount of carbon black can be, for example, 500 parts by mass or less, preferably 300 parts by mass or less or 200 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. These lower limit values and upper limit values can be arbitrarily combined. The amount of carbon black with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material is, for example, 20 parts by mass to 500 parts by mass, 25 parts by mass to 500 parts by mass, 20 parts by mass to 300 parts by mass, or 20 parts by mass to 200 parts by mass. Also good.

バインダの種類は特に制限されず、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:polyvinylidene fluoride)、およびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリビニルクロリドなどの塩素含有ビニル樹脂;ポリオレフィン樹脂;スチレンブタジエンゴムなどのゴム状重合体;ポリビニルピロリドン;ポリビニルアルコール;ならびに、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体などを用いることができる。バインダは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。   The type of the binder is not particularly limited. For example, a polyvinylidene fluoride (PVDF) and a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene; a chlorine-containing vinyl resin such as polyvinyl chloride; a polyolefin resin; a rubber-like material such as styrene butadiene rubber Polymers; polyvinyl pyrrolidone; polyvinyl alcohol; and cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose can be used. A binder can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

バインダの量は、負極活物質100質量部に対して、例えば、1質量部〜20質量部であり、好ましくは2質量部〜15質量部、さらに好ましくは3質量部〜12質量部である。バインダの量がこのような範囲である場合、負極合剤の剥離を抑制する効果をさらに高めることができる。   The amount of the binder is, for example, 1 part by mass to 20 parts by mass, preferably 2 parts by mass to 15 parts by mass, and more preferably 3 parts by mass to 12 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of the binder is in such a range, the effect of suppressing the peeling of the negative electrode mixture can be further enhanced.

負極は、負極合剤を調製し、負極集電体に負極合剤を担持させ、担持物を厚み方向に圧縮(または圧延)することにより得られる。担持物の段階および/または担持物を圧縮した段階などで、乾燥処理してもよい。   The negative electrode is obtained by preparing a negative electrode mixture, supporting the negative electrode mixture on a negative electrode current collector, and compressing (or rolling) the support in the thickness direction. You may dry-process in the stage of the support and / or the stage which compressed the support.

負極集電体に担持させる負極合剤は、通常、負極合剤の構成成分(負極活物質、カーボンブラック、バインダなど)を含むスラリーの形態で使用される。負極合剤スラリーは、負極合剤の構成成分を、分散媒に分散することにより得られる。分散媒としては、例えば、水、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:N−methyl−2−pyrrolidone)などの有機溶媒、もしくは水と有機溶媒との混合溶媒などが用いられる。   The negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector is usually used in the form of a slurry containing the constituent components of the negative electrode mixture (negative electrode active material, carbon black, binder, etc.). The negative electrode mixture slurry is obtained by dispersing the components of the negative electrode mixture in a dispersion medium. As the dispersion medium, for example, water, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), a mixed solvent of water and an organic solvent, or the like is used.

負極の厚みは、例えば、100μm〜2000μmの範囲から選択でき、好ましくは150μm〜2000μmである。負極の厚みがこのような範囲である場合、高い容量が得られ易い。負極の厚みが大きい場合(例えば、100μm以上または150μm以上である場合)、一般には出力を高め難い。しかし、本実施形態によれば、直流抵抗だけでなく、出力への寄与が大きい反応抵抗を低減することができるため、負極の厚みが上記のように大きくても高出力を確保することができる。   The thickness of a negative electrode can be selected from the range of 100 micrometers-2000 micrometers, for example, Preferably it is 150 micrometers-2000 micrometers. When the thickness of the negative electrode is in such a range, a high capacity is easily obtained. When the thickness of the negative electrode is large (for example, when it is 100 μm or more or 150 μm or more), it is generally difficult to increase the output. However, according to the present embodiment, not only the direct current resistance but also the reaction resistance that greatly contributes to the output can be reduced, so that a high output can be ensured even if the thickness of the negative electrode is large as described above. .

負極において、負極活物質にはリチウムイオンが担持(プレドープ)されていることが望ましい。リチウムイオンを負極活物質にプレドープすることで、負極の電位を十分に低くすることができ、負極の容量を大きくすることができる。リチウムイオンのプレドープは公知の方法で行うことができる。リチウムイオンのプレドープは、リチウムイオンキャパシタの組み立て前に行ってもよく、リチウムイオンキャパシタ内で行ってもよい。   In the negative electrode, the negative electrode active material is preferably supported (pre-doped) with lithium ions. By pre-doping lithium ions into the negative electrode active material, the potential of the negative electrode can be sufficiently lowered, and the capacity of the negative electrode can be increased. The pre-doping of lithium ions can be performed by a known method. The lithium ion pre-doping may be performed before the lithium ion capacitor is assembled, or may be performed in the lithium ion capacitor.

負極の直流抵抗は、3.0Ω・cm2以下であることが好ましく、1.5Ω・cm2以下であることがさらに好ましい。
本実施形態では、負極の反応抵抗を、4.5Ω・cm2以下、好ましくは3.0Ω・cm2以下、さらに好ましくは1.5Ω・cm2以下に低減することもできる。
負極の直流抵抗および反応抵抗は、例えば、交流インピーダンス法により求めることができる。
DC resistance of the anode is preferably at 3.0Ω · cm 2 or less, and more preferably 1.5 [Omega · cm 2 or less.
In this embodiment, the reaction resistance of the negative electrode can be reduced to 4.5 Ω · cm 2 or less, preferably 3.0 Ω · cm 2 or less, more preferably 1.5 Ω · cm 2 or less.
The direct current resistance and reaction resistance of the negative electrode can be determined, for example, by the alternating current impedance method.

(正極)
正極は、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質(または正極合剤)とを含む。正極合剤は、正極活物質に加え、導電助剤および/またはバインダを含んでもよい。
正極集電体の材質としては、アルミニウム、またはアルミニウム合金などが好ましい。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material (or a positive electrode mixture) supported on the positive electrode current collector. The positive electrode mixture may contain a conductive additive and / or a binder in addition to the positive electrode active material.
The material for the positive electrode current collector is preferably aluminum or an aluminum alloy.

正極集電体は、金属箔であってもよいが、負極とのバランス、高容量化およびガスの流通し易さの観点から、金属多孔体であることが好ましく、特に、負極集電体について説明したような三次元網目状の骨格(特に、中空の骨格)を有するものが好ましい。金属多孔体の気孔率、平均空孔径、比表面積、骨格内部の空洞の幅などは、負極集電体について例示した範囲から適宜選択できる。正極集電体は、樹脂製の多孔体を金属で被覆する際に、金属としてアルミニウムやアルミニウム合金を用い、負極集電体の場合に準じて作製することができる。   The positive electrode current collector may be a metal foil, but is preferably a metal porous body from the viewpoint of balance with the negative electrode, increase in capacity, and ease of gas distribution. Those having the three-dimensional network skeleton as described (particularly, a hollow skeleton) are preferable. The porosity, average pore diameter, specific surface area, width of the cavity inside the skeleton, and the like of the metal porous body can be appropriately selected from the ranges exemplified for the negative electrode current collector. The positive electrode current collector can be produced according to the case of the negative electrode current collector using aluminum or an aluminum alloy as the metal when the resin porous body is coated with the metal.

正極活物質は、少なくともアニオン(電解質に含まれるアニオン)を可逆的に担持する材料を含むことが好ましい。このような材料は、電解質に含まれるアニオンおよびカチオンを可逆的に担持する材料であってもよい。少なくともアニオンを可逆的に担持する材料には、少なくともアニオンを吸着および脱離する材料、少なくともアニオンを吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する材料などが含まれる。前者は、充放電の際に非ファラデー反応を起こす材料であり、後者は、充放電の際にファラデー反応を起こす材料である。   The positive electrode active material preferably includes a material that reversibly carries at least an anion (an anion contained in the electrolyte). Such a material may be a material that reversibly carries anions and cations contained in the electrolyte. The material that reversibly carries at least an anion includes a material that adsorbs and desorbs at least an anion, a material that absorbs and desorbs at least an anion (or insertion and desorption), and the like. The former is a material that causes a non-Faraday reaction during charging and discharging, and the latter is a material that causes a Faraday reaction during charging and discharging.

少なくともアニオンを吸着および脱離する材料としては、多孔質炭素材料(第2炭素材料とも言う)が好ましく使用できる。第2炭素材料としては、活性炭が好ましい。
活性炭としては、キャパシタに使用される公知のものを使用できる。活性炭の原料としては、例えば、木材;ヤシ殻;パルプ廃液;石炭またはその熱分解により得られる石炭系ピッチ;重質油またはその熱分解により得られる石油系ピッチ;フェノール樹脂などが挙げられる。活性炭は、賦活処理されたものであることが好ましい。
活性炭の平均粒径は、特に限定されないが、20μm以下であることが好ましく、3μm〜15μmであることがより好ましい。
As a material that adsorbs and desorbs at least anions, a porous carbon material (also referred to as a second carbon material) can be preferably used. As the second carbon material, activated carbon is preferable.
As the activated carbon, known ones used for capacitors can be used. Examples of the raw material of activated carbon include wood; coconut shells; pulp waste liquid; coal or coal-based pitch obtained by thermal decomposition thereof; heavy oil or petroleum-based pitch obtained by thermal decomposition thereof; phenol resin and the like. The activated carbon is preferably activated.
The average particle size of the activated carbon is not particularly limited, but is preferably 20 μm or less, and more preferably 3 μm to 15 μm.

活性炭の比表面積(BET比表面積)は、特に限定されないが、800m2/g〜3000m2/gが好ましく、1500m2/g〜3000m2/gがさらに好ましい。比表面積がこのような範囲である場合、リチウムイオンキャパシタの静電容量を大きくする上で有利であるとともに、内部抵抗を小さくし易い。また、より高出力が得られ易い。活性炭は、一種を単独で用いてもよく、二種以上(例えば、原料、平均粒径および/または比表面積が異なる二種以上)を組み合わせて使用してもよい。 The specific surface area of the activated carbon (BET specific surface area) is not particularly limited, but is preferably 800m 2 / g~3000m 2 / g, more preferably 1500m 2 / g~3000m 2 / g. When the specific surface area is in such a range, it is advantageous for increasing the capacitance of the lithium ion capacitor, and the internal resistance can be easily reduced. Moreover, it is easy to obtain a higher output. Activated carbon may be used alone or in combination of two or more (for example, two or more having different raw materials, average particle diameter and / or specific surface area).

少なくともアニオンを吸蔵および放出する材料としては、例えば、ナノポーラスカーボン、メソポーラスカーボン、マイクロポーラスカーボンなどの微細孔を有する多孔質炭素材料(第3炭素材料とも言う)が好ましく使用できる。第3炭素材料としては、微細孔のサイズが、例えば、0.1nm〜100nmであるナノポーラスカーボンが好ましい。   As a material that absorbs and releases at least anions, for example, a porous carbon material (also referred to as a third carbon material) having fine pores such as nanoporous carbon, mesoporous carbon, and microporous carbon can be preferably used. As the third carbon material, nanoporous carbon having a fine pore size of, for example, 0.1 nm to 100 nm is preferable.

これらの材料のうち、少なくともアニオンを吸着および脱離する材料、特に活性炭が好ましい。
正極活物質中の活性炭の含有量は、80質量%〜100質量%であることが好ましく、90質量%〜100質量%であってもよい。正極活物質が、活性炭のみを含む場合も好ましい。
Of these materials, materials that adsorb and desorb at least anions, particularly activated carbon, are preferred.
The content of activated carbon in the positive electrode active material is preferably 80% by mass to 100% by mass, and may be 90% by mass to 100% by mass. It is also preferred that the positive electrode active material contains only activated carbon.

導電助剤は、特に制限されず、負極合剤について例示したカーボンブラック、およびカーボンブラック以外の導電助剤などから適宜選択できる。導電助剤は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。導電助剤の量は、正極活物質100質量部に対して、例えば1質量部〜15質量部である。   The conductive auxiliary agent is not particularly limited, and can be appropriately selected from carbon black exemplified for the negative electrode mixture, conductive auxiliary agents other than carbon black, and the like. A conductive support agent can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. The quantity of a conductive support agent is 1 mass part-15 mass parts with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials, for example.

バインダとしては、負極合剤について例示したものから適宜選択できる。正極活物質100質量部に対するバインダの量は、負極合剤について記載した負極活物質100質量部に対するバインダの量の範囲から適宜選択できる。
正極の厚みは、例えば、50μm〜2000μmの範囲から適宜選択できる。正極集電体として三次元網目状の金属多孔体を用いる場合、正極の厚みは、例えば、100μm〜2000μm、好ましくは400μm〜2000μmである。
As a binder, it can select suitably from what was illustrated about the negative mix. The amount of the binder with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material can be appropriately selected from the range of the amount of the binder with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material described for the negative electrode mixture.
The thickness of a positive electrode can be suitably selected from the range of 50 micrometers-2000 micrometers, for example. When a three-dimensional network metal porous body is used as the positive electrode current collector, the thickness of the positive electrode is, for example, 100 μm to 2000 μm, preferably 400 μm to 2000 μm.

正極は、例えば、正極集電体に、正極活物質(または正極合剤)を担持することにより形成できる。より具体的には、正極は、正極合剤を正極集電体に塗布または充填し、厚み方向に圧縮(または圧延)することにより形成できる。正極合剤は、負極合剤の場合と同様に、通常、正極合剤の構成成分を含むスラリーの形態で使用される。   The positive electrode can be formed, for example, by supporting a positive electrode active material (or a positive electrode mixture) on a positive electrode current collector. More specifically, the positive electrode can be formed by applying or filling a positive electrode mixture on the positive electrode current collector and compressing (or rolling) it in the thickness direction. As in the case of the negative electrode mixture, the positive electrode mixture is usually used in the form of a slurry containing the components of the positive electrode mixture.

(セパレータ)
セパレータは、イオン透過性を有し、正極と負極との間に介在して、これらを物理的に離間させて短絡を防止する。セパレータは、多孔質構造を有し、細孔内に電解質を保持することで、イオンを透過させる。セパレータの材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン;ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル;ポリアミド;ポリイミド;セルロース;ガラス繊維などを用いることができる。
セパレータの平均孔径は特に制限されず、例えば、0.01μm〜5μm程度である。セパレータの厚みは特に制限されず、例えば、10μm〜100μm程度である。
(Separator)
The separator has ion permeability, is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and physically separates them to prevent a short circuit. The separator has a porous structure and allows ions to pass through by holding an electrolyte in the pores. As a material of the separator, for example, polyolefin such as polyethylene and polypropylene; polyester such as polyethylene terephthalate; polyamide; polyimide; cellulose; glass fiber and the like can be used.
The average pore diameter of the separator is not particularly limited, and is, for example, about 0.01 μm to 5 μm. The thickness of the separator is not particularly limited, and is, for example, about 10 μm to 100 μm.

(電解質)
電解質は、リチウムイオンおよびアニオンを含み、リチウムイオン伝導性を示す。電解質としては、例えば、非水溶媒(または有機溶媒)にリチウムイオンとアニオンとの塩(リチウム塩)を溶解させた有機電解質の他、リチウムイオンとアニオンとを含むイオン液体などが用いられる。電解質は、リチウムイオン(第1カチオン)以外のカチオン(後述する第2カチオン)をさらに含んでもよい。
(Electrolytes)
The electrolyte contains lithium ions and anions and exhibits lithium ion conductivity. As the electrolyte, for example, an ionic liquid containing lithium ions and anions is used in addition to an organic electrolyte in which a salt (lithium salt) of lithium ions and anions is dissolved in a nonaqueous solvent (or an organic solvent). The electrolyte may further contain a cation (second cation described later) other than lithium ions (first cation).

有機電解質は、非水溶媒およびリチウム塩に加え、イオン液体および/または添加剤などを含むことができる。ただし、電解質中の非水溶媒およびリチウム塩の含有量の合計は、例えば、60質量%〜100質量%、好ましくは80質量%〜100質量%である。   The organic electrolyte can contain an ionic liquid and / or an additive in addition to the non-aqueous solvent and the lithium salt. However, the total content of the nonaqueous solvent and the lithium salt in the electrolyte is, for example, 60% by mass to 100% by mass, and preferably 80% by mass to 100% by mass.

本明細書中、イオン液体は、溶融状態の塩(溶融塩)と同義であり、アニオンとカチオン(リチウムイオンなど)とで構成される液状イオン性物質である。
電解質にイオン液体を用いる場合、電解質は、イオン液体に加え、非水溶媒および/または添加剤などを含むことができる。ただし、電解質中のイオン液体の含有量は、60質量%〜100質量%であることが好ましく、80質量%〜100質量%または90質量%〜100質量%であってもよい。
In this specification, an ionic liquid is synonymous with a salt (molten salt) in a molten state, and is a liquid ionic substance composed of an anion and a cation (such as lithium ion).
When an ionic liquid is used for the electrolyte, the electrolyte can contain a nonaqueous solvent and / or an additive in addition to the ionic liquid. However, the content of the ionic liquid in the electrolyte is preferably 60% by mass to 100% by mass, and may be 80% by mass to 100% by mass or 90% by mass to 100% by mass.

低温特性などの観点からは、有機溶媒を含む電解質を用いることが好ましい。電解質の分解をできるだけ抑制する観点からは、イオン液体を含む電解質を用いることが好ましく、イオン液体および有機溶媒を含む電解質を用いてもよい。
電解質におけるリチウム塩またはリチウムイオンの濃度は、例えば、0.3mol/L〜5.0mol/Lの範囲から適宜選択できる。
From the viewpoint of low temperature characteristics and the like, it is preferable to use an electrolyte containing an organic solvent. From the viewpoint of suppressing the decomposition of the electrolyte as much as possible, an electrolyte containing an ionic liquid is preferably used, and an electrolyte containing an ionic liquid and an organic solvent may be used.
The concentration of the lithium salt or lithium ion in the electrolyte can be appropriately selected from the range of 0.3 mol / L to 5.0 mol / L, for example.

有機電解質に含まれる第1アニオン(リチウム塩を構成するアニオン)の種類は特に限定されず、例えば、フッ素含有酸のアニオン(ヘキサフルオロリン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオンなど)、過塩素酸イオン、オキサレート基を有する酸素酸のアニオン[ビス(オキサラト)ボレートイオン(B(C242 -)、トリス(オキサラト)ホスフェートイオン(P(C243 -)など]、フルオロアルカンスルホン酸のアニオン[トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 -)など]、ビススルホニルアミドアニオンなどが挙げられる。有機電解質は、一種の第1アニオンを含んでもよく、二種以上の第1アニオンを含んでもよい。 The kind of the first anion (anion constituting the lithium salt) contained in the organic electrolyte is not particularly limited. For example, anion of a fluorine-containing acid (hexafluorophosphate ion, tetrafluoroborate ion, etc.), perchlorate ion , Anions of oxyacids having an oxalate group [bis (oxalato) borate ion (B (C 2 O 4 ) 2 ), tris (oxalato) phosphate ion (P (C 2 O 4 ) 3 ) and the like], fluoroalkanes Examples include sulfonic acid anions [trifluoromethanesulfonic acid ion (CF 3 SO 3 ) and the like], bissulfonylamide anions, and the like. The organic electrolyte may contain a kind of first anion, or may contain two or more kinds of first anions.

上記のビススルホニルアミドアニオンとしては、例えば、ビス(フルオロスルホニル)アミドアニオン(FSA-:bis(fluorosulfonyl)amide anion))、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミドアニオン(TFSA-:bis(trifluoromethylsulfonyl)amide anion)、(フルオロスルホニル)(パーフルオロアルキルスルホニル)アミドアニオン[(FSO2)(CF3SO2)N-など]などが挙げられる。これらの中では、FSA-が好ましい。 Examples of the bissulfonylamide anion include bis (fluorosulfonyl) amide anion (FSA : bis (fluorosulfonyl) amide anion), bis (trifluoromethylsulfonyl) amide anion (TFSA : bis (trifluoromethylsulfamide) amide anion. ), (Fluorosulfonyl) (perfluoroalkylsulfonyl) amide anion [(FSO 2 ) (CF 3 SO 2 ) N etc.] and the like. Of these, FSA - is preferred.

非水溶媒は、特に限定されず、リチウムイオンキャパシタに使用される公知の非水溶媒が使用できる。非水溶媒は、イオン伝導度の観点から、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトンなどの環状炭酸エステルなどを好ましく用いることができる。非水溶媒は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。   The non-aqueous solvent is not particularly limited, and a known non-aqueous solvent used for a lithium ion capacitor can be used. Non-aqueous solvents include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate; cyclic carbonates such as γ-butyrolactone. Etc. can be preferably used. A non-aqueous solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

イオン液体は、リチウムイオンとアニオン(第2アニオン)との塩を含む。イオン液体は、リチウムイオン以外の第2カチオン(または第2カチオンと第2アニオンとの溶融塩)をさらに含んでもよい。
第2アニオンとしては、ビススルホニルアミドアニオンを用いることが好ましい。ビススルホニルアミドアニオンとしては、第1アニオンについて例示したものと同様のものから選択できる。イオン液体は、一種の第2アニオンを含んでいてもよく、二種以上の第2アニオンを含んでもよい。
The ionic liquid contains a salt of lithium ions and anions (second anions). The ionic liquid may further contain a second cation other than lithium ions (or a molten salt of the second cation and the second anion).
As the second anion, a bissulfonylamide anion is preferably used. The bissulfonylamide anion can be selected from those similar to those exemplified for the first anion. The ionic liquid may contain a kind of second anion, or may contain two or more kinds of second anions.

第2カチオンとしては、例えば、リチウムイオン以外の無機カチオン、有機カチオンが挙げられる。無機カチオンとしては、例えば、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン(ナトリウムイオン、カリウムイオンなど)、アルカリ土類金属イオン、アンモニウムイオンなどが挙げられる。イオン液体は、一種の第2カチオンを含んでいてもよく、二種以上の第2カチオンを含んでもよい。第2カチオンは、無機カチオンであってもよいが、有機カチオンであることが好ましい。   Examples of the second cation include inorganic cations other than lithium ions and organic cations. Examples of inorganic cations include alkali metal ions (sodium ions, potassium ions, etc.) other than lithium ions, alkaline earth metal ions, ammonium ions, and the like. The ionic liquid may contain one kind of second cation, and may contain two or more kinds of second cation. The second cation may be an inorganic cation, but is preferably an organic cation.

有機カチオンとしては、脂肪族アミン、脂環族アミンまたは芳香族アミンに由来するカチオン(例えば、第4級アンモニウムカチオンなど)の他、窒素含有へテロ環を有するカチオン(つまり、環状アミンに由来するカチオン)などの窒素含有オニウムカチオン、イオウ含有オニウムカチオン、リン含有オニウムカチオンなどが例示できる。
有機カチオンのうち、特に、第4級アンモニウムカチオンの他、窒素含有ヘテロ環骨格として、ピロリジン、ピリジン、またはイミダゾール骨格を有するカチオンが好ましい。
Organic cations include cations derived from aliphatic amines, alicyclic amines or aromatic amines (for example, quaternary ammonium cations), as well as cations having nitrogen-containing heterocycles (that is, derived from cyclic amines). Examples thereof include nitrogen-containing onium cations such as cations), sulfur-containing onium cations, and phosphorus-containing onium cations.
Among organic cations, in particular, a cation having a pyrrolidine, pyridine, or imidazole skeleton as a nitrogen-containing heterocyclic skeleton in addition to a quaternary ammonium cation is preferable.

有機カチオンの具体例としては、テトラエチルアンモニウムカチオン(TEA+:tetraethylammonium cation)、メチルトリエチルアンモニウムカチオン(TEMA+:methyltriethylammonium cation)などのテトラアルキルアンモニウムカチオン;1−メチル−1−プロピルピロリジニウムカチオン(MPPY+:1−methyl−1−propylpyrrolidinium cation)、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムカチオン(MBPY+:1−butyl−1−methylpyrrolidinium cation);1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン(EMI+: 1−ethyl−3−methylimidazolium cation)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン(BMI+:1−buthyl−3−methylimidazolium cation)などが挙げられる。 Specific examples of the organic cation include tetraalkylammonium cation (TEA + : tetraethylammonium cation), methyltriethylammonium cation (TEMA + : methyltriethylammonium cation) and the like; 1-methyl-1-propylpyrrolidinium cation (MPPY) + : 1-methyl-1-propylpyrrolidinium cation, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium cation (MBPY + : 1-butyl-1-methylpyrrolidinium cation); 1-ethyl-3-methylimidazolium cation (EMI + : 1-ethyl-3-methylimidazolium cati n), 1-butyl-3-methylimidazolium cation (BMI +: 1-buthyl- 3-methylimidazolium cation) and the like.

本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタは、例えば、(a)正極と負極との間にセパレータを介在させて電極群を形成する工程、ならびに(b)電極群および電解質をセルケース内に収容する工程を経ることにより製造できる。工程(b)の後、必要に応じて、リチウムイオンキャパシタ内に発生したガスを、セルケースに設けた弁(後述の安全弁など)からリチウムイオンキャパシタ外に排出してもよい。   The lithium ion capacitor according to this embodiment includes, for example, (a) a step of forming an electrode group with a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and (b) a step of housing the electrode group and the electrolyte in a cell case. It can manufacture by going through. After step (b), if necessary, the gas generated in the lithium ion capacitor may be discharged out of the lithium ion capacitor from a valve (such as a safety valve described later) provided in the cell case.

図1に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタの外観を斜視図により示す。図2は、図1のリチウムイオンキャパシタを正面から見たときの内部構造を示す一部断面図である。図3は、図2のリチウムイオンキャパシタの内部構造の一部を示す、図2のIII−III線による矢示断面図である。   FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a lithium ion capacitor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an internal structure when the lithium ion capacitor of FIG. 1 is viewed from the front. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2 showing a part of the internal structure of the lithium ion capacitor in FIG.

リチウムイオンキャパシタ10は、電極群12および非水電解質(図示せず)と、これらを収容するセルケースとを備えている。セルケースは、ケース本体14と、ケース本体14の開口端部を封口する封口板16とを含む。図示例では、セルケースは角形である。   The lithium ion capacitor 10 includes an electrode group 12, a non-aqueous electrolyte (not shown), and a cell case that accommodates them. The cell case includes a case body 14 and a sealing plate 16 that seals the open end of the case body 14. In the illustrated example, the cell case has a square shape.

電極群12は、シート状の複数の正極18と、シート状の複数の負極20とを含んでいる。正極18と負極20とは、セパレータ21を間に挟んで、交互に積層されている。セパレータ21は、正極18を内部に収容するように袋状に形成されているが、セパレータの形状は特に限定されない。正極18は、正極集電体22と、正極活物質(具体的には、正極合剤)とを含む。負極20は、負極集電体24と、負極合剤とを含む。なお、図3では、電極と集電体とを区別して示すことが困難であるため、同一要素により電極と集電体とを示す。   The electrode group 12 includes a plurality of sheet-like positive electrodes 18 and a plurality of sheet-like negative electrodes 20. The positive electrode 18 and the negative electrode 20 are alternately stacked with the separator 21 interposed therebetween. The separator 21 is formed in a bag shape so as to accommodate the positive electrode 18 therein, but the shape of the separator is not particularly limited. The positive electrode 18 includes a positive electrode current collector 22 and a positive electrode active material (specifically, a positive electrode mixture). The negative electrode 20 includes a negative electrode current collector 24 and a negative electrode mixture. In FIG. 3, it is difficult to distinguish between the electrode and the current collector, and therefore, the electrode and the current collector are indicated by the same element.

封口板16は、複数の正極18と電気的に接続された正極外部端子40と、複数の負極20と電気的に接続された負極外部端子42とを有している。封口板16の中央部には、安全弁44が設けられている。また、封口板16には、安全弁44を中心にして、正極外部端子40寄りの位置に、注液孔を塞ぐ液栓48が取り付けられている。   The sealing plate 16 includes a positive external terminal 40 electrically connected to the plurality of positive electrodes 18 and a negative external terminal 42 electrically connected to the plurality of negative electrodes 20. A safety valve 44 is provided at the center of the sealing plate 16. Further, a liquid stopper 48 that closes the liquid injection hole is attached to the sealing plate 16 at a position near the positive electrode external terminal 40 with the safety valve 44 as the center.

電極群12において、正極集電体22は、タブ状の正極接続部26を有し、負極集電体24は、タブ状の負極接続部28を有している。図1に示すように、正極接続部26は、正極外部端子40寄りの位置に形成され、負極接続部28は、負極外部端子42寄りの位置に形成されている。各接続部は、集電体と同じ材質で、集電体と一体に形成することが好ましい。   In the electrode group 12, the positive electrode current collector 22 has a tab-shaped positive electrode connection portion 26, and the negative electrode current collector 24 has a tab-shaped negative electrode connection portion 28. As shown in FIG. 1, the positive electrode connection portion 26 is formed at a position near the positive electrode external terminal 40, and the negative electrode connection portion 28 is formed at a position near the negative electrode external terminal 42. Each connecting portion is preferably made of the same material as the current collector and formed integrally with the current collector.

隣接する正極接続部26の間には、第1導電性スペーサ30が配されている。同様に、隣接する負極接続部28の間にも、第2導電性スペーサが配される。第1導電性スペーサ30および第2導電性スペーサは、それぞれ、導体を含む板状の部材で形成できる。ただし、第1導電性スペーサ30は、正極接続部26との密着性を高めるために、金属多孔体で形成することが好ましく、特に、正極集電体22と同じ材料(例えば、金属多孔体)で形成することが好ましい。そして、第2導電性スペーサも、第1導電性スペーサ30の場合と同様に金属多孔体で形成することが好ましく、特に、負極集電体24と同じ材料(例えば、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体)で形成することが好ましい。   A first conductive spacer 30 is disposed between the adjacent positive electrode connection portions 26. Similarly, a second conductive spacer is disposed between adjacent negative electrode connection portions 28. The first conductive spacer 30 and the second conductive spacer can each be formed of a plate-like member including a conductor. However, the first conductive spacer 30 is preferably formed of a metal porous body in order to improve the adhesion with the positive electrode connection portion 26, and in particular, the same material as the positive electrode current collector 22 (for example, a metal porous body). It is preferable to form by. The second conductive spacer is also preferably formed of a porous metal material as in the case of the first conductive spacer 30, and in particular, the same material as the negative electrode current collector 24 (for example, a three-dimensional network skeleton) It is preferable to form a porous metal body.

図示例では、正極18の正極接続部26には、第1締結部材(リベット)34を挿通するための貫通孔36が設けられている。また、第1導電性スペーサ30にも、正極接続部26の貫通孔36と重なる位置に、第1締結部材34を挿通するための貫通孔37が設けられている。また、正極18の場合と同様に、負極20の負極接続部28にも、第2締結部材(リベット)を挿通するための貫通孔が設けられている。第2導電性スペーサにも、負極接続部28の貫通孔と重なる位置に、第2締結部材を挿通するための貫通孔が設けられている。   In the illustrated example, a through hole 36 for inserting a first fastening member (rivet) 34 is provided in the positive electrode connecting portion 26 of the positive electrode 18. The first conductive spacer 30 is also provided with a through hole 37 for inserting the first fastening member 34 at a position overlapping the through hole 36 of the positive electrode connecting portion 26. Similarly to the case of the positive electrode 18, the negative electrode connecting portion 28 of the negative electrode 20 is provided with a through hole for inserting the second fastening member (rivet). The second conductive spacer is also provided with a through hole for inserting the second fastening member at a position overlapping the through hole of the negative electrode connecting portion 28.

正極18と、正極外部端子40とは、正極リード62を介して電気的に接続されている。同様に、負極20と、負極外部端子42とは、負極リードを介して電気的に接続されている。図示例の正極リード62は、横断面がL字形状の部材であり、互いに垂直な、板状の第1部分62aと、第2部分62bとを有している。第2部分62bは、第1締結部材34を挿通するための1つ以上の貫通孔を有している。この貫通孔に挿通された第1締結部材34により、第2部分62bが正極接続部26と接触した状態で固定される。負極リードも、正極リード62と同様の形状を有しており、正極リード62の場合と同様にして、負極接続部28に固体される。   The positive electrode 18 and the positive electrode external terminal 40 are electrically connected via a positive electrode lead 62. Similarly, the negative electrode 20 and the negative external terminal 42 are electrically connected via a negative electrode lead. The positive electrode lead 62 in the illustrated example is a member having an L-shaped cross section, and has a plate-like first portion 62a and a second portion 62b that are perpendicular to each other. The second portion 62 b has one or more through holes for inserting the first fastening member 34. By the first fastening member 34 inserted through the through hole, the second portion 62b is fixed in a state of being in contact with the positive electrode connecting portion 26. The negative electrode lead also has the same shape as the positive electrode lead 62 and is solidified in the negative electrode connection portion 28 in the same manner as the positive electrode lead 62.

セルケースは、ポリマーフィルムなどで構成してもよいが、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス鋼などの金属製であることが好ましい。金属製のセルケースは、必要に応じて、めっき処理されていてもよい。   The cell case may be made of a polymer film or the like, but is preferably made of a metal such as aluminum, aluminum alloy, iron or stainless steel. The metal cell case may be plated as necessary.

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

実施例1
下記の手順でリチウムイオンキャパシタを作製した。
(1)正極の作製
(a)正極集電体の作製
熱硬化性ポリウレタンの発泡体(気孔率:95体積%、表面1インチ(=2.54cm)長さ当たりの空孔(セル)数:約50個、縦100mm×横30mm×厚み1.1mm)を準備した。
発泡体を、黒鉛、カーボンブラック(平均粒径D50:0.5μm)、樹脂バインダ、浸透剤、および消泡剤を含む導電性懸濁液の中に浸漬した後、乾燥することにより、発泡体の表面に導電性層を形成した。なお、懸濁液中の黒鉛およびカーボンブラックの含有量は合計で25質量%であった。
Example 1
A lithium ion capacitor was produced according to the following procedure.
(1) Production of positive electrode (a) Production of positive electrode current collector Thermosetting polyurethane foam (porosity: 95 vol%, surface 1 inch (= 2.54 cm) Number of pores (cells) per length: About 50, 100 mm long × 30 mm wide × 1.1 mm thick) were prepared.
The foam is immersed in a conductive suspension containing graphite, carbon black (average particle size D 50 : 0.5 μm), a resin binder, a penetrating agent, and an antifoaming agent, and then dried to foam. A conductive layer was formed on the surface of the body. The total content of graphite and carbon black in the suspension was 25% by mass.

表面に導電性層を形成した発泡体を、溶融塩アルミニウムメッキ浴中に浸漬して、電流密度3.6A/dm2の直流電流を90分間印加することにより、アルミニウム層を形成した。なお、発泡体の見掛け面積当たりのアルミニウム層の質量は、150g/m2であった。溶融塩アルミニウムメッキ浴は、33mol%の1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライドおよび67mol%の塩化アルミニウムを含み、温度は40℃であった。 The foam having the conductive layer formed on the surface was immersed in a molten salt aluminum plating bath, and a direct current having a current density of 3.6 A / dm 2 was applied for 90 minutes to form an aluminum layer. The mass of the aluminum layer per apparent area of the foam was 150 g / m 2 . The molten salt aluminum plating bath contained 33 mol% 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride and 67 mol% aluminum chloride, and the temperature was 40 ° C.

表面にアルミニウム層が形成された発泡体を、500℃の塩化リチウム−塩化カリウム共晶溶融塩中に浸漬し、−1Vの負電位を30分間印加することにより、発泡体を分解させた。得られたアルミニウム製の多孔体を、溶融塩から取り出して冷却し、水洗し、乾燥させることにより正極集電体を得た。得られた正極集電体は、発泡体の空孔形状を反映した、空孔が連通した三次元網目状の多孔構造を有し、気孔率は94体積%であり、平均空孔径は550μmであり、BET比表面積は、350cm2/gであり、厚みは1000μmであった。また、三次元網目状のアルミニウム製の骨格は、発泡体の除去により形成された連通孔状の空洞を内部に有していた。このようにして正極集電体を得た。 The foam with the aluminum layer formed on the surface was immersed in a lithium chloride-potassium chloride eutectic molten salt at 500 ° C., and a negative potential of −1 V was applied for 30 minutes to decompose the foam. The obtained aluminum porous body was taken out from the molten salt, cooled, washed with water, and dried to obtain a positive electrode current collector. The obtained positive electrode current collector has a three-dimensional network-like porous structure in which pores communicate, reflecting the pore shape of the foam, has a porosity of 94% by volume, and an average pore diameter of 550 μm. Yes, the BET specific surface area was 350 cm 2 / g, and the thickness was 1000 μm. In addition, the three-dimensional mesh-like aluminum skeleton had a communication hole-like cavity formed by removing the foam. In this way, a positive electrode current collector was obtained.

(b)正極の作製
正極活物質として活性炭粉末(比表面積:2300m2/g、平均粒径D50:約5μm)および導電助剤としてアセチレンブラック、バインダとしてPVDF(12質量%濃度でPVDFを含むNMP溶液)、および分散媒としてのNMPを、混合機にて混合、攪拌することにより、正極合剤スラリーを調製した。スラリー中の各成分の質量比は、活性炭:アセチレンブラック:PVDF=87:3:10であり、固形分濃度は30質量%であった。
(B) Preparation of positive electrode Activated carbon powder (specific surface area: 2300 m 2 / g, average particle diameter D 50 : about 5 μm) as a positive electrode active material, acetylene black as a conductive additive, and PVDF (containing 12% by mass concentration of PVDF) as a binder NMP solution) and NMP as a dispersion medium were mixed and stirred in a mixer to prepare a positive electrode mixture slurry. The mass ratio of each component in the slurry was activated carbon: acetylene black: PVDF = 87: 3: 10, and the solid content concentration was 30% by mass.

得られた正極合剤スラリーを、上記工程(a)で得られた集電体にダイコーターを用いて充填し、充填物を、100℃で30分間乾燥した。次いで、乾燥物を、一対のロールを用いて厚み方向に圧縮することにより、厚み900μmの正極を作製した。   The obtained positive electrode mixture slurry was filled into the current collector obtained in the step (a) using a die coater, and the filling was dried at 100 ° C. for 30 minutes. Next, the dried product was compressed in the thickness direction using a pair of rolls, to produce a positive electrode having a thickness of 900 μm.

(2)負極の作製
(a)負極集電体の作製
正極集電体の作製で用いたものと同じ熱硬化性ポリウレタンの発泡体の表面に、1cm2当たりのCu量が20mgとなるように、スパッタリングによりCu被膜(導電性層)を形成した。
表面に導電性層を形成した発泡体を、硫酸銅メッキ浴中に浸漬して、陰極電流密度2A/dm2の直流電流を印加することにより、表面にCu層を形成した。硫酸銅メッキ浴は、250g/Lの硫酸銅、50g/Lの硫酸、および30g/Lの塩化銅を含み、温度は30℃であった。
(2) Production of negative electrode (a) Production of negative electrode current collector The amount of Cu per cm 2 is 20 mg on the surface of the same thermosetting polyurethane foam used in the production of the positive electrode current collector. Then, a Cu film (conductive layer) was formed by sputtering.
A foam having a conductive layer formed on the surface was immersed in a copper sulfate plating bath, and a direct current having a cathode current density of 2 A / dm 2 was applied to form a Cu layer on the surface. The copper sulfate plating bath contained 250 g / L copper sulfate, 50 g / L sulfuric acid, and 30 g / L copper chloride, and the temperature was 30 ° C.

表面にCu層が形成された発泡体を、大気雰囲気下、700℃で熱処理することにより、発泡体を分解させ、次いで、水素雰囲気下で焼成して表面に形成された酸化被膜を還元することにより、銅製の多孔体(負極集電体)を得た。得られた負極集電体は、発泡体の空孔形状を反映した、空孔が連通した三次元網目状の多孔構造を有しており、気孔率は92体積%であり、平均空孔径は550μmであり、BET比表面積は200cm2/gであり、厚みは800μmであった。また、三次元網目状の銅製の骨格は、発泡体の除去により形成された連通孔状の空洞を内部に有していた。 The foam with the Cu layer formed on the surface is heat-treated at 700 ° C. in an air atmosphere to decompose the foam, and then fired in a hydrogen atmosphere to reduce the oxide film formed on the surface. Thus, a copper porous body (negative electrode current collector) was obtained. The obtained negative electrode current collector has a three-dimensional network-like porous structure in which pores communicate, reflecting the pore shape of the foam, has a porosity of 92% by volume, and an average pore diameter is It was 550 μm, the BET specific surface area was 200 cm 2 / g, and the thickness was 800 μm. In addition, the three-dimensional network copper skeleton had a communication hole-like cavity formed by removing the foam.

(b)負極の作製
負極活物質としての人造黒鉛粉末(平均粒径D50:5μm)と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、バインダとしてのPVDFと、分散媒としてのNMPとを混合することにより、負極合剤スラリーを調製した。黒鉛粉末と、アセチレンブラックと、PVDFとの質量比は、100:26.3:5.3であった。なお、黒鉛粉末およびアセチレンブラックの合計と、PVDFとの質量比は、96:4とした。
(B) Production of negative electrode Artificial graphite powder (average particle diameter D 50 : 5 μm) as a negative electrode active material, acetylene black as a conductive additive, PVDF as a binder, and NMP as a dispersion medium are mixed. Thus, a negative electrode mixture slurry was prepared. The mass ratio of the graphite powder, acetylene black, and PVDF was 100: 26.3: 5.3. The mass ratio of the graphite powder and acetylene black to PVDF was 96: 4.

得られた負極合剤スラリーを、上記工程(a)で得られた集電体にダイコーターを用いて充填し、充填物を100℃で60分乾燥させた。乾燥物を、一対のロールを用いて厚み方向に圧縮することにより、厚み200μmの負極を作製した。負極における負極集電体の気孔率は30体積%であり、平均空孔径は400μmであった。
なお、工程(1)および(2)では、プレドープ後の負極の充電可能な容量が、正極の容量の約1.2倍となるように、正極合剤および負極合剤の充填量を調節した。
The obtained negative electrode mixture slurry was filled into the current collector obtained in the step (a) using a die coater, and the filling was dried at 100 ° C. for 60 minutes. The dried product was compressed in the thickness direction using a pair of rolls to produce a negative electrode having a thickness of 200 μm. The porosity of the negative electrode current collector in the negative electrode was 30% by volume, and the average pore diameter was 400 μm.
In the steps (1) and (2), the filling amounts of the positive electrode mixture and the negative electrode mixture were adjusted so that the chargeable capacity of the negative electrode after pre-doping was about 1.2 times the capacity of the positive electrode. .

(3)リチウム極の作製
集電体としてのパンチング銅箔(厚み:20μm、開口径:50μm、開口率50%、2cm×2cm)の一方の表面に、リチウム箔(厚み:50μm)を圧着することにより、リチウム極を作製した。リチウム極の集電体の他方の表面には、ニッケル製のリードを溶接した。
(3) Production of lithium electrode A lithium foil (thickness: 50 μm) is pressure-bonded to one surface of a punching copper foil (thickness: 20 μm, opening diameter: 50 μm, opening ratio 50%, 2 cm × 2 cm) as a current collector. Thus, a lithium electrode was produced. A nickel lead was welded to the other surface of the current collector of the lithium electrode.

(4)リチウムイオンキャパシタの作製
上記(1)および(2)で得られた正極および負極を、それぞれ、1.5cm×1.5cmのサイズに切り出し、1辺に沿って幅0.5cmの部分の合剤を取り除いて集電体露出部を形成した。正極の集電体露出部には、アルミニウム製のリードを、負極集電体露出部には、ニッケル製のリードを、それぞれ溶接した。なお、各正極および負極において、合剤が存在する部分の面積は、いずれも、1.5cm2であった。
(4) Production of Lithium Ion Capacitor The positive electrode and the negative electrode obtained in the above (1) and (2) were each cut into a size of 1.5 cm × 1.5 cm, and a portion having a width of 0.5 cm along one side The mixture was removed to form a current collector exposed portion. An aluminum lead was welded to the positive electrode current collector exposed portion, and a nickel lead was welded to the negative electrode current collector exposed portion. In each positive electrode and negative electrode, the area of the portion where the mixture was present was 1.5 cm 2 .

正極と負極との間に、乾燥させたセルロース製のセパレータ(厚み:30μm)を介在させて積層することにより、単セルの電極群を形成した。電極群の負極側に、ガラス繊維製のセパレータを介在させて、さらにリチウム極を積層した。得られた積層物を、アルミニウムラミネートシートで作製されたセルケース内に収容した。   By laminating a separator made of cellulose (thickness: 30 μm) between the positive electrode and the negative electrode, a single cell electrode group was formed. A lithium electrode was further laminated on the negative electrode side of the electrode group with a glass fiber separator interposed therebetween. The obtained laminate was accommodated in a cell case made of an aluminum laminate sheet.

次いで、非水電解質をセルケース内に注入して、正極、負極およびセパレータに含浸させた。最後に真空シーラーにて減圧しながらセルケースを封止した。非水電解質としては、エチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートを体積比1:1で含む混合溶媒に、リチウム塩としてLiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように溶解させた溶液を用いた。 Next, a nonaqueous electrolyte was injected into the cell case, and impregnated into the positive electrode, the negative electrode, and the separator. Finally, the cell case was sealed while reducing the pressure with a vacuum sealer. As the non-aqueous electrolyte, a solution in which LiPF 6 as a lithium salt was dissolved to a concentration of 1.0 mol / L in a mixed solvent containing ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 1: 1 was used.

負極のリード線とリチウム極のリード線とを、セルケース外部で電源に接続し、0.2mA/cm2の電流で金属リチウムに対して負極の電位が0Vになるまで充電することにより、リチウム極から電極群に含まれる負極にリチウムイオンをプレドープした。このようにしてリチウムイオンキャパシタA1を作製した。 The lead wire of the negative electrode and the lead wire of the lithium electrode are connected to a power source outside the cell case, and charged with a current of 0.2 mA / cm 2 until the negative electrode potential becomes 0 V with respect to metallic lithium. Lithium ions were pre-doped from the electrode to the negative electrode included in the electrode group. In this way, a lithium ion capacitor A1 was produced.

(5)評価
リチウムイオンキャパシタまたは負極について、下記の評価を行った。
(a)直流抵抗および反応抵抗
負極の直流抵抗および反応抵抗を、交流インピーダンス法により、電圧振幅5mVおよび周波数範囲0.1Hz〜1MHzの条件で測定した。具体的には、交流インピーダンス測定で得られるナイキスト線図において、実軸との交点までの抵抗を直流抵抗、半円成分を反応抵抗とした。
(5) Evaluation The following evaluation was performed on the lithium ion capacitor or the negative electrode.
(A) DC resistance and reaction resistance The DC resistance and reaction resistance of the negative electrode were measured by the AC impedance method under conditions of a voltage amplitude of 5 mV and a frequency range of 0.1 Hz to 1 MHz. Specifically, in the Nyquist diagram obtained by alternating current impedance measurement, the resistance to the intersection with the real axis is defined as direct current resistance, and the semicircular component is defined as reaction resistance.

(b)固定抵抗(JEITA規格による固定抵抗)
リチウムイオンキャパシタを用いて、2.7mA/cm2の電流で、上限電圧3.8Vまで充電し、2.7mA/cm2の電流で、電圧が2.2Vになるまで放電した。このときの充放電曲線から固定抵抗(Ω)を求めた。
(B) Fixed resistance (fixed resistance according to JEITA standards)
With lithium ion capacitor, in the current 2.7mA / cm 2, and charged to the upper limit voltage 3.8 V at a current 2.7mA / cm 2, and then discharged until the voltage becomes 2.2V. The fixed resistance (Ω) was determined from the charge / discharge curve at this time.

(c)エネルギー密度
リチウムイオンキャパシタを用いて、0.50mA/cm2の電流で、上限電圧3.8Vまで充電し、0.25mA/cm2の電流で、電圧が2.2Vになるまで放電した。このときの放電容量から、エネルギー密度(Wh/L)を求めた。
(C) Energy density Using a lithium ion capacitor, the battery is charged at a current of 0.50 mA / cm 2 to an upper limit voltage of 3.8 V, and discharged at a current of 0.25 mA / cm 2 until the voltage reaches 2.2 V. did. The energy density (Wh / L) was determined from the discharge capacity at this time.

(d)負極合剤の剥離
リチウムイオンキャパシタを用いて、1.0mA/cm2の電流で、上限電圧3.8Vまで充電し、1.0mA/cm2の電流で、電圧が2.2Vになるまで放電した。この充放電サイクルを30回繰り返した。次いで、リチウムイオンキャパシタを分解し、負極合剤の剥離を目視で観察した。
Using a peeling lithium ion capacitor of (d) negative electrode mixture, in the current 1.0 mA / cm 2, and charged to the upper limit voltage 3.8 V at a current 1.0 mA / cm 2, the voltage to 2.2V Discharged until This charge / discharge cycle was repeated 30 times. Next, the lithium ion capacitor was disassembled, and peeling of the negative electrode mixture was visually observed.

比較例1
実施例1の(1)で用いた正極合剤スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚み20μm)の片面に塗布し、220℃にて12時間乾燥させた。乾燥物を、一対のロールを用いて厚み方向に圧縮することにより、厚み100μmの正極を作製した。
Comparative Example 1
The positive electrode mixture slurry used in (1) of Example 1 was applied to one side of an aluminum foil (thickness 20 μm) as a positive electrode current collector and dried at 220 ° C. for 12 hours. The dried product was compressed in the thickness direction using a pair of rolls to produce a positive electrode having a thickness of 100 μm.

実施例1の(2)で用いた負極合剤スラリーを、負極集電体としての銅箔(厚み20μm)の片面に塗布し、120℃にて12時間乾燥させた。乾燥物を一対のロールを用いて厚み方向に圧縮することにより、厚み80μmの負極を作製した。
このようにして作製した正極および負極を用いる以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオンキャパシタを作製し、評価を行った。
The negative electrode mixture slurry used in (2) of Example 1 was applied to one side of a copper foil (thickness 20 μm) as a negative electrode current collector and dried at 120 ° C. for 12 hours. The dried product was compressed in the thickness direction using a pair of rolls to produce a negative electrode having a thickness of 80 μm.
A lithium ion capacitor was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode and the negative electrode thus produced were used.

実施例2〜4および比較例2
負極活物質(黒鉛)100質量部に対するカーボンブラックの量を表1に示すように変更する以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオンキャパシタを作製し、評価を行った。なお、黒鉛およびカーボンブラックの合計と、PVDFとの質量比は、96:4とした。
実施例および比較例の結果を表1に示す。実施例1〜4のリチウムイオンキャパシタはA1〜A4であり、比較例1〜2のリチウムイオンキャパシタはB1〜B2である。なお、表1中、CBの列はカーボンブラックの黒鉛100質量部に対する質量部である。
Examples 2 to 4 and Comparative Example 2
A lithium ion capacitor was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon black relative to 100 parts by mass of the negative electrode active material (graphite) was changed as shown in Table 1. The mass ratio of the total graphite and carbon black to PVDF was 96: 4.
The results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1. The lithium ion capacitors of Examples 1 to 4 are A1 to A4, and the lithium ion capacitors of Comparative Examples 1 to 2 are B1 to B2. In Table 1, the CB column represents parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon black graphite.

Figure 2016181603
Figure 2016181603

表1に示されるように、実施例では、直流抵抗だけでなく、反応抵抗が大きく低減されており、固定抵抗も小さくなった。よって、高出力が得られた。一方、金属箔集電体を用いた比較例1では、負極は実施例1と同割合のカーボンブラックを含むにも拘わらず、負極の反応抵抗は実施例よりも大きくなり、固定抵抗も大きくなった。カーボンブラックの量が少ない比較例2でも、反応抵抗が大きくなった。
また、実施例では、充放電を繰り返した後も、負極合剤の剥離は全く見られなかったのに対し、比較例1では、負極合剤の剥離が顕著であった。
As shown in Table 1, in the example, not only the direct current resistance but also the reaction resistance was greatly reduced, and the fixed resistance was also reduced. Therefore, high output was obtained. On the other hand, in Comparative Example 1 using the metal foil current collector, although the negative electrode contains the same proportion of carbon black as in Example 1, the reaction resistance of the negative electrode is larger than that of the example and the fixed resistance is also increased. It was. Even in Comparative Example 2 in which the amount of carbon black was small, the reaction resistance increased.
In the examples, no peeling of the negative electrode mixture was observed even after repeated charge and discharge, whereas in Comparative Example 1, the peeling of the negative electrode mixture was remarkable.

本発明の一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタでは、負極の反応抵抗の増加が抑制され、高出力化が可能であるとともに、負極合剤の剥離も抑制できる。よって、高出力が求められる様々な用途に適用することができる。   In the lithium ion capacitor according to one embodiment of the present invention, an increase in the reaction resistance of the negative electrode is suppressed, high output is possible, and peeling of the negative electrode mixture can be suppressed. Therefore, it can be applied to various uses that require high output.

10:リチウムイオンキャパシタ
12:電極群
14:ケース本体
16:封口板
18:正極
20:負極
21:セパレータ
22:正極集電体
24:負極集電体
26:正極接続部
28:負極接続部
30:第1導電性スペーサ
34:第1締結部材
36、37:貫通孔
40:正極外部端子
42:負極外部端子
44:安全弁
48:液栓
62:正極リード
62a:第1部分
62b:第2部分
10: Lithium ion capacitor 12: Electrode group 14: Case body 16: Sealing plate 18: Positive electrode 20: Negative electrode 21: Separator 22: Positive electrode current collector 24: Negative electrode current collector 26: Positive electrode connection part 28: Negative electrode connection part 30: First conductive spacer 34: First fastening member 36, 37: Through hole 40: Positive external terminal 42: Negative external terminal 44: Safety valve 48: Liquid stopper 62: Positive lead 62a: First part 62b: Second part

Claims (6)

正極、負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータ、およびリチウムイオン伝導性の電解質を含み、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に担持された正極活物質とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤とを含み、
前記負極集電体は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、
前記負極合剤は、リチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質と、カーボンブラックとを含み、
前記カーボンブラックの量は、前記負極活物質100質量部に対して20質量部以上である、リチウムイオンキャパシタ。
A positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a lithium ion conductive electrolyte;
The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material supported on the positive electrode current collector,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector,
The negative electrode current collector is a porous metal body having a three-dimensional network skeleton,
The negative electrode mixture includes a negative electrode active material that occludes and releases lithium ions, and carbon black,
The amount of the carbon black is 20 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
前記カーボンブラックの量は、前記負極活物質100質量部に対して20質量部〜500質量部である、請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ。   2. The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein an amount of the carbon black is 20 parts by mass to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. 前記カーボンブラックの量は、前記負極活物質100質量部に対して20質量部〜200質量部である、請求項1または請求項2に記載のリチウムイオンキャパシタ。   3. The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein an amount of the carbon black is 20 parts by mass to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. 前記骨格は内部に空洞を有する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein the skeleton has a cavity inside. 前記負極の厚みは、100μm〜2000μmである、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。   5. The lithium ion capacitor according to claim 1, wherein a thickness of the negative electrode is 100 μm to 2000 μm. 前記正極集電体は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタ。   The lithium ion capacitor according to any one of claims 1 to 5, wherein the positive electrode current collector is a porous metal body having a three-dimensional network skeleton.
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