JP2011066325A - Electrochemical capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学キャパシタ、詳しくは、電気二重層による蓄電と、酸化還元反応による蓄電とを併有するハイブリッドキャパシタに関する。 The present invention relates to an electrochemical capacitor, and more particularly, to a hybrid capacitor having both power storage by an electric double layer and power storage by an oxidation-reduction reaction.
従来、ハイブリッド車両や燃料電池車両に搭載される蓄電デバイスとして、高出力かつ長寿命である、電気二重層キャパシタが知られている。
電気二重層キャパシタでは、正極−負極間に電圧が印加されることにより、正極および負極上にそれぞれアニオンおよびカチオンが引き寄せられて電荷層(電気二重層)が形成される。電気二重層キャパシタは、この電気二重層の形成によってエネルギーを蓄えることができる。
Conventionally, an electric double layer capacitor having a high output and a long life is known as an electric storage device mounted on a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle.
In the electric double layer capacitor, when a voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode, anions and cations are attracted to the positive electrode and the negative electrode, respectively, and a charge layer (electric double layer) is formed. The electric double layer capacitor can store energy by forming the electric double layer.
さらに近年では、キャパシタのエネルギー密度を向上させるべく、電気二重層に加え、正極もしくは負極における酸化還元反応によってエネルギーを蓄えるハイブリッドキャパシタが提案されている。ハイブリッドキャパシタには、例えば、リチウム塩(例えば、LiPF6)を含有する有機溶媒からなる電解液と、セパレータと、セパレータを挟んで対向配置される正極および負極とが備えられる。正極は、例えば、アニオンの物理的な吸着・脱離により電荷を蓄える分極性カーボン電極からなる。一方、負極は、例えば、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能なカーボン電極からなる。 Furthermore, in recent years, in order to improve the energy density of the capacitor, a hybrid capacitor that stores energy by an oxidation-reduction reaction in the positive electrode or the negative electrode in addition to the electric double layer has been proposed. The hybrid capacitor includes, for example, an electrolytic solution made of an organic solvent containing a lithium salt (for example, LiPF 6 ), a separator, and a positive electrode and a negative electrode that are opposed to each other with the separator interposed therebetween. The positive electrode is made of, for example, a polarizable carbon electrode that stores charges by physical adsorption / desorption of anions. On the other hand, the negative electrode is made of, for example, a carbon electrode capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions.
しかし、ハイブリッドキャパシタにおいて、正極電位が過剰に高くなる(例えば、4.23V vs.Li/Li+以上)と、電解液中のアニオン(例えば、LiPF6に含まれるPF6 −など)から、負極の電気容量を低下させる遊離酸(例えば、HFなど)などの負極活性阻害物質が生成する場合がある。負極の電気容量が低下すると、キャパシタのエネルギー密度が低下するため、そのような遊離酸を捕捉する必要がある。 However, in the hybrid capacitor, when the positive electrode potential becomes excessively high (for example, 4.23 V vs. Li / Li + or more), the anion (for example, PF 6 − contained in LiPF 6 ) in the electrolyte solution causes the negative electrode In some cases, a negative electrode activity inhibitor such as a free acid (for example, HF) that lowers the electric capacity of the negative electrode is generated. When the electric capacity of the negative electrode is reduced, the energy density of the capacitor is reduced, so it is necessary to capture such free acid.
そこで、例えば、セラミックスフィルタ製のセパレータと、KOH賦活ソフトカーボン、ケッチェンブラックECPおよびPTEFディスパーションを、85:5:10の重量比で配合した混合物からなる正極と、人造黒鉛、ソフトカーボンおよびPVdFを、22.5:67.5:10の重量比で配合した混合物からなる負極と、LiPF6を含むエチレンカーボネート+ジエチルカーボネート溶媒からなる電解液と、Li2CO3粉末およびPTFEを、80:20の重量比で配合した混合物からなる捕捉剤とを備えるハイブリッドキャパシタが提案されている(例えば、特許文献1(実施例2)参照。)。 Therefore, for example, a separator made of a ceramic filter, a positive electrode composed of a mixture of KOH activated soft carbon, ketjen black ECP and PTEF dispersion in a weight ratio of 85: 5: 10, artificial graphite, soft carbon and PVdF A negative electrode made of a mixture of 22.5: 67.5: 10, an electrolytic solution made of ethylene carbonate + diethyl carbonate solvent containing LiPF 6 , a Li 2 CO 3 powder and PTFE, 80: There has been proposed a hybrid capacitor including a scavenger composed of a mixture blended at a weight ratio of 20 (see, for example, Patent Document 1 (Example 2)).
特許文献1に記載のハイブリッドキャパシタでは、正極に高電圧(例えば、4.23V vs.Li/Li+以上)を印加した場合にも、負極の劣化を抑制でき、エネルギーの高密度化を図ることができる。
In the hybrid capacitor described in
しかしながら、特許文献1に記載のハイブリッドキャパシタの充放電サイクル耐久性(エネルギー密度の維持率)は、いまだ十分ではなく、キャパシタを扱う各種分野では、充放電サイクル耐久性のさらなる向上が要求されている。
本発明の目的は、簡易な構成により、充放電サイクル耐久性の向上を図ることのできる電気化学キャパシタを提供することにある。
However, the charge / discharge cycle durability (maintenance rate of energy density) of the hybrid capacitor described in
The objective of this invention is providing the electrochemical capacitor which can aim at the improvement of charging / discharging cycle durability by simple structure.
上記目的を達成するために、本発明の電気化学キャパシタは、分極性カーボン材料を含有する正極活物質を担持する正極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出可能な材料を含有する負極活物質を担持し、前記負極活物質が前記正極活物質に対して対向するように配置される負極と、リチウム塩を含む有機溶媒を含有し、前記正極および前記負極が浸漬される電解液とを備え、前記負極活物質の担持領域を、前記対向方向に沿って前記正極活物質の担持領域に向けて投影した投影面内において、前記負極活物質の担持面積に対する、前記正極活物質の担持面積の比が、1未満であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the electrochemical capacitor of the present invention comprises a positive electrode carrying a positive electrode active material containing a polarizable carbon material, and a negative electrode active material containing a material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions. A negative electrode disposed so that the negative electrode active material faces the positive electrode active material, and an electrolyte containing an organic solvent containing a lithium salt and in which the positive electrode and the negative electrode are immersed , In the projection plane obtained by projecting the negative electrode active material support area toward the positive electrode active material support area along the facing direction, the positive electrode active material support area with respect to the negative electrode active material support area The ratio is less than 1.
また、本発明の電気化学キャパシタでは、前記正極活物質の担持領域を、前記対向方向に沿って前記負極活物質の担持領域に向けて投影した投影面内において、前記正極活物質の担持領域が、前記負極活物質の担持領域に全て含まれていることが好適である。
また、本発明の電気化学キャパシタでは、前記負極活物質の担持面積に対する、前記正極活物質の担持面積の比が、0.6以上であることが好適である。
In the electrochemical capacitor of the present invention, the positive electrode active material support region is projected in a projection plane in which the positive electrode active material support region is projected toward the negative electrode active material support region along the facing direction. It is preferable that the negative electrode active material is entirely contained in the supporting region.
In the electrochemical capacitor according to the present invention, it is preferable that a ratio of the supported area of the positive electrode active material to the supported area of the negative electrode active material is 0.6 or more.
また、本発明の電気化学キャパシタでは、前記正極活物質が、KOH賦活ソフトカーボンを含有することが好適である。
また、本発明の電気化学キャパシタでは、前記正極の電位が、4.23V vs.Li/Li+以上であることが好適である。
また、本発明の電気化学キャパシタでは、前記正極と前記負極との間、前記正極内部および前記負極内部の少なくともいずれかに、前記電解液に含まれるアニオンから誘導される負極活性阻害物質を捕捉する捕捉剤を含有することが好適である。
In the electrochemical capacitor of the present invention, it is preferable that the positive electrode active material contains KOH activated soft carbon.
In the electrochemical capacitor of the present invention, the potential of the positive electrode is 4.23 V vs. It is suitable that it is more than Li / Li + .
Moreover, in the electrochemical capacitor of the present invention, the negative electrode activity-inhibiting substance derived from the anion contained in the electrolytic solution is captured between the positive electrode and the negative electrode, at least one of the positive electrode and the negative electrode. It is preferred to contain a scavenger.
本発明の電気化学キャパシタによれば、負極活物質の担持領域を、正極活物質と負極活物質とが対向する方向に沿って正極活物質の担持領域に向けて投影した投影面内において、負極活物質の担持面積に対する、正極活物質の担持面積の比が、1未満とされているため、簡易に充放電サイクル耐久性の向上を図ることができる。 According to the electrochemical capacitor of the present invention, the negative electrode active material supporting region is projected in the projection plane projected toward the positive electrode active material supporting region along the direction in which the positive electrode active material and the negative electrode active material face each other. Since the ratio of the positive electrode active material support area to the active material support area is less than 1, the charge / discharge cycle durability can be easily improved.
図1は、本発明の電気化学キャパシタの一実施形態を示すハイブリッドキャパシタの概略構成図である。
図1において、ハイブリッドキャパシタ1は、正極2と、正極2に対して間隔を隔てて対向配置される負極3と、正極2と負極3との間に介在されるセパレータ4と、正極2、負極3およびセパレータ4を収容するセル槽5と、セル槽5に貯留され、正極2、負極3およびセパレータ4が浸漬される電解液6とを備えている。なお、ハイブリッドキャパシタ1は、ラボスケールで採用される電池セルであって、工業的には、このハイブリッドキャパシタ1を、公知の技術によって適宜スケールアップしたものが採用される。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid capacitor showing an embodiment of an electrochemical capacitor of the present invention.
In FIG. 1, a
正極2は、分極性カーボンからなる正極材料(分極性カーボン材料)を含有する正極活物質を担持している。
このような正極2は、例えば、正極材料を含有する正極活物質と、導電剤と、ポリマーバインダとを配合して得られる混合物を、正極側集電体8a(後述)に塗工し、正極活物質が担持された電極シートを製造して、その電極シートを、所定の形状(例えば、矩形状、円形状)に成形した後、必要により乾燥させることにより、形成される。
The
Such a
正極材料は、例えば、カーボン材を賦活処理することにより得られる。
カーボン材としては、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボンなどが挙げられる。
ソフトカーボンは、例えば、不活性雰囲気中での熱処理によって、炭素原子で構成される六角網面が、ハードカーボンの六角網面よりも相対的に規則的な積層構造(黒鉛構造)を形成しやすいカーボンの総称である。具体的には、不活性雰囲気中、2000〜3000℃、好ましくは、2500℃で熱処理されたときに、(002)面の平均面間隔d002が3.40Å以下、好ましくは、3.35〜3.40Åとなる結晶構造を形成するカーボンの総称である。
The positive electrode material is obtained by, for example, activating a carbon material.
Examples of the carbon material include hard carbon and soft carbon.
With soft carbon, for example, by heat treatment in an inert atmosphere, the hexagonal network surface composed of carbon atoms tends to form a relatively regular laminated structure (graphite structure) than the hexagonal network surface of hard carbon. A general term for carbon. Specifically, when heat-treated in an inert atmosphere at 2000 to 3000 ° C., preferably 2500 ° C., the (002) plane average plane distance d 002 is 3.40 mm or less, preferably 3.35 to It is a general term for carbon that forms a crystal structure of 3.40%.
具体的なソフトカーボンとしては、例えば、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、メソフェーズ系ピッチなどのピッチ類、例えば、石油系ニードルコークス、石炭系ニードルコークス、アントラセン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどの易黒鉛化性コークス類などの熱分解物などが挙げられる。これらは単独使用または2種以上併用することができる。 Specific soft carbons include, for example, pitches such as petroleum pitches, coal pitches, and mesophase pitches, and graphites such as petroleum needle coke, coal needle coke, anthracene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, and the like. Thermally decomposed products such as chemical coke. These can be used alone or in combination of two or more.
また、ハードカーボンは、例えば、不活性雰囲気中、2500℃で熱処理されたときに、(002)面の平均面間隔d002が3.40Åを超える結晶構造を形成するカーボンの総称である。
具体的なハードカーボンとしては、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フルフラール樹脂、レゾルシノール樹脂、シリコーン樹脂、キシレン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂、例えば、サーマルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、チャネルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、例えば、フリュードコークス、ギルソナイトコークスなど易黒鉛化性コークスとは異なる難黒鉛化性コークス、例えば、やしがら、木粉などの植物系原料、例えば、ガラス状炭素などの熱分解物などが挙げられる。
Also, hard carbon, for example, in an inert atmosphere, when it is heat treated at 2500 ° C., is a general term for carbon to form a crystal structure of greater than 3.40Å average spacing d 002 of (002) plane.
Specific examples of the hard carbon include phenol resin, melamine resin, urea resin, furan resin, epoxy resin, alkyd resin, unsaturated polyester resin, diallyl phthalate resin, furfural resin, resorcinol resin, silicone resin, xylene resin, urethane. Thermosetting resin such as resin, for example, carbon black such as thermal black, furnace black, lamp black, channel black, acetylene black, for example, non-graphitizable coke such as flue coke and gilsonite coke Examples include coke, for example, plant raw materials such as palm, wood flour, and the like, for example, pyrolysates such as glassy carbon.
これらは、単独使用または併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、ソフトカーボンが挙げられる。
賦活処理としては、例えば、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化セシウム(CsOH)、水酸化ルビジウム(RbOH)などを賦活剤として用いるアルカリ賦活処理、例えば、塩化亜鉛(ZnCl2)、リン酸(H3PO4)などを賦活剤として用いる薬品賦活処理、例えば、二酸化炭素(CO2)、空気などを賦活剤として用いるガス賦活処理、例えば、水蒸気(H2O)を賦活剤として用いる水蒸気賦活処理などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、アルカリ賦活処理が挙げられ、さらに好ましくは、水酸化カリウム(KOH)を賦活剤として用いるアルカリ賦活処理(KOH賦活処理)が挙げられる。
These can be used alone or in combination. Of these, soft carbon is preferable.
As the activation treatment, for example, alkaline activation treatment using potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), cesium hydroxide (CsOH), rubidium hydroxide (RbOH) or the like as an activator. For example, chemical activation treatment using zinc chloride (ZnCl 2 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or the like as an activator, for example, gas activation treatment using carbon dioxide (CO 2 ), air or the like as an activator, for example, Examples include steam activation treatment using steam (H 2 O) as an activator. Among these, Preferably, an alkali activation process is mentioned, More preferably, the alkali activation process (KOH activation process) which uses potassium hydroxide (KOH) as an activator is mentioned.
賦活処理は、例えば、KOH賦活処理の場合、窒素雰囲気下において、カーボン材を、例えば、500〜800℃で予備焼成し、次いで、700〜1000℃でKOHとともに焼成する。用いられるKOHの量は、例えば、カーボン材1重量部に対して、0.5〜5重量部である。
上記賦活処理によって得られる正極材料を正極2に用いたハイブリッドキャパシタでは、例えば、正極2の電位が4.23V vs.Li/Li+以上となる充放電サイクルにおいて、正極2に比較的大きな不可逆容量を発現させることができる。そのため、放電過程において、より低い電位にまで正極の放電が可能となる。その結果、正極2の電気容量を拡大することができる。
In the activation treatment, for example, in the case of KOH activation treatment, the carbon material is pre-fired at 500 to 800 ° C., for example, and then fired together with KOH at 700 to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere. The amount of KOH used is, for example, 0.5 to 5 parts by weight with respect to 1 part by weight of the carbon material.
In the hybrid capacitor using the positive electrode material obtained by the activation process as the
正極材料は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が70〜99重量%の割合となるように配合される。
導電剤としては、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。
また、導電剤は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が0〜20重量%の割合となるように配合される。つまり、導電剤は、配合しても配合しなくてもよい。
The positive electrode material is blended so that, for example, the weight ratio of the solid content is 70 to 99% by weight with respect to the total amount of the mixture.
Examples of the conductive agent include carbon black, ketjen black, and acetylene black. These can be used alone or in combination of two or more.
Moreover, a electrically conductive agent is mix | blended so that the weight ratio of solid content may be a ratio of 0-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example. That is, the conductive agent may or may not be blended.
ポリマーバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、フルオロオレフィンビニルエーテル共重合体架橋ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸などが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、PVdFが挙げられる。 Examples of the polymer binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluoroolefin copolymer crosslinked polymer, fluoroolefin vinyl ether copolymer crosslinked polymer, carboxymethyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, and polyacryl. An acid etc. are mentioned. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, PVdF is preferable.
また、ポリマーバインダは、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が1〜20重量%の割合となるように配合される。
そして、正極2を形成するには、正極材料(正極活物質)、導電剤およびポリマーバインダを配合した混合物を、溶媒中で攪拌してスラリー(固形分:10〜60重量%)を得る。次いで、スラリーを正極側集電体8aの表面に塗工し、正極側塗工層9aを形成した後、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して、正極活物質が担持された電極シートを得る。次いで、電極シートを所定の形状(例えば、矩形状、円形状)に裁断、または、打ち抜いた後、必要によりさらに乾燥させる。これにより、正極活物質が担持された正極2が得られる。
Moreover, a polymer binder is mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 1-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
And in order to form the
溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)などの非プロトン性極性溶媒、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、水などのプロトン性極性溶媒、例えば、トルエン、キシレン、イソホロン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸メチル、フタル酸ジメチルなどの低極性溶媒が挙げられる。これらのうち、好ましくは、非プロトン性極性溶媒が挙げられ、さらに好ましくは、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。 Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethylformamide (DMF), for example, protic polar solvents such as ethanol, methanol, propanol, butanol, and water, for example, Low polar solvents such as toluene, xylene, isophorone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, methyl acetate, dimethyl phthalate and the like can be mentioned. Among these, Preferably, an aprotic polar solvent is mentioned, More preferably, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is mentioned.
正極側集電体8aとしては、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔などの金属箔が挙げられる。
正極側集電体8aの厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、10〜50μmである。
このような方法により得られる正極2の厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、厚さが30〜150μmであって、正極側集電体8aを除く厚さ(すなわち、正極側塗工層9aの厚さ)が10〜140μmである。
Examples of the positive electrode side
The thickness of the positive electrode side
The thickness of the
また、正極2の大きさは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、例えば、矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、10〜200mm、長手方向と直交する方向(幅方向)長さが、例えば、10〜200mmであり、また、円形状の場合には、直径が、例えば、5〜15mmである。
また、このような正極2において、正極活物質が担持される面(正極側塗工層9aが塗工される面)の大きさは、正極2が矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、5〜185mm、幅方向長さが、例えば、5〜185mmであり、また、円形状の場合には、直径が、例えば、13mmである。
Moreover, although the magnitude | size of the
Further, in such a
また、正極2における、正極活物質の担持面積(正極側塗工層9aの塗工面積)は、例えば、25〜34225mm2である。
負極3は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する電極であって、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出可能な負極材料を含有する負極活物質を担持している。
このような負極3は、例えば、負極材料を含有する負極活物質と、ポリマーバインダとを配合して得られる混合物を、負極側集電体8bに塗工し、負極活物質が担持された電極シートを製造して、その電極シートを、所定の形状(例えば、矩形状、円形状)に成形した後、必要により乾燥させることにより、形成される。
Moreover, the support area of the positive electrode active material (coating area of the positive electrode
The
Such a
負極材料としては、特に制限されないが、例えば、上記したハードカーボン、上記したソフトカーボン、グラファイトなどが挙げられる。
グラファイトとしては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛化メソフェーズカーボン繊維、黒鉛ウィスカ、黒鉛化炭素繊維、ピッチ、コークスなどの縮合多環炭化水素化合物の熱分解物などのグラファイト系炭素材料が挙げられる。
The negative electrode material is not particularly limited, and examples thereof include the hard carbon described above, the soft carbon described above, and graphite.
Examples of graphite include pyrolytic products of condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as natural graphite, artificial graphite, graphitized mesophase carbon microspheres, graphitized mesophase carbon fiber, graphite whisker, graphitized carbon fiber, pitch, and coke. A graphite-type carbon material is mentioned.
これらは単独使用または2種以上併用することができる。また、グラファイトは、粉末状のもの(例えば、平均粒径が25μm以下のもの)が好ましく用いられる。
そして、上記のような負極材料は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が80〜99重量%の割合となるように配合される。
ポリマーバインダとしては、例えば、上記したポリマーバインダが挙げられ、好ましくは、PVdFが挙げられる。また、ポリマーバインダは、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が1〜10重量%の割合となるように配合される。
These can be used alone or in combination of two or more. Further, graphite is preferably used in the form of powder (for example, having an average particle size of 25 μm or less).
And the above negative electrode materials are mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 80 to 99 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
Examples of the polymer binder include the polymer binder described above, and preferably PVdF. Moreover, a polymer binder is mix | blended so that the weight ratio of solid content may become a ratio of 1 to 10 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
また、負極の製造においては、必要により、さらに、導電剤を配合することもできる。
導電剤としては、例えば、上記した導電剤が挙げられる。また、導電剤は、混合物全量に対して、例えば、固形分の重量割合が0〜20重量%の割合となるように配合される。
そして、負極3を形成するには、例えば、まず、負極材料(負極活物質)およびポリマーバインダを配合した混合物を、溶媒中で攪拌してスラリー(固形分:10〜60重量%)を得る。次いで、スラリーを負極側集電体8bの表面に塗工し、負極側塗工層9bを形成した後、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して、負極活物質が担持された電極シートを得る。次いで、電極シートを所定の形状(例えば、矩形状、円形状)に裁断、または、打ち抜いた後、必要によりさらに乾燥させる。これにより、負極活物質が担持された負極3が得られる。
Moreover, in manufacture of a negative electrode, a electrically conductive agent can also be mix | blended as needed.
Examples of the conductive agent include the above-described conductive agents. Moreover, a electrically conductive agent is mix | blended so that the weight ratio of solid content may be a ratio of 0-20 weight% with respect to the mixture whole quantity, for example.
And in order to form the
溶媒としては、例えば、上記した溶媒が挙げられ、好ましくは、非プロトン性極性溶媒が挙げられ、さらに好ましくは、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。
また、負極側集電体8bとしては、例えば、上記した金属箔が挙げられる。
負極側集電体8bの厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、10〜50μmである。
Examples of the solvent include the above-mentioned solvents, preferably an aprotic polar solvent, and more preferably N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
Moreover, as the negative electrode side
Although the thickness of the negative
上記のような方法により得られる負極3の厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、5〜70μmであって、負極側集電体8bを除く厚さ(すなわち、負極側塗工層9bの厚さ)が5〜60μmである。
また、負極3の大きさは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、例えば、矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、10〜200mm、長手方向と直交する方向(幅方向)長さが、例えば、10〜200mmであり、また、円形状の場合には、直径が、例えば、5〜15mmである。
The thickness of the
Moreover, although the magnitude | size of the
また、このような負極3において、負極活物質が担持される面(負極側塗工層9bの塗工される面)の大きさは、負極3が矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、6〜190mm、幅方向長さが、例えば、6〜190mmであり、また、円形状の場合には、直径が、例えば、14mmである。
また、負極3における、負極活物質の担持面積(負極側塗工層9bの塗工面積)は、例えば、36〜36100mm2である。
In addition, in such a
Moreover, the supporting area of the negative electrode active material (the coating area of the negative electrode
このような負極3は、図1に示すように、負極活物質(負極側塗工層9b)が、正極活物質(正極側塗工層9a)に対して対向するように配置される。
セパレータ4としては、例えば、ガラス繊維、セラミックス繊維、ウィスカなどの無機繊維、例えば、セルロースなどの天然繊維、例えば、ポリオレフィン、ポリエステルなどの有機繊維などからなるセパレータが挙げられる。
As shown in FIG. 1, such a
Examples of the separator 4 include separators made of inorganic fibers such as glass fibers, ceramic fibers, and whiskers, natural fibers such as cellulose, and organic fibers such as polyolefin and polyester.
また、セパレータ4の厚さは、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、厚さが15〜100μmである。
また、セパレータ4の大きさは、その正極2および負極3に対する対向面の面積が正極2および負極3よりも大きければ、特に制限されず、ハイブリッドキャパシタ1のスケールにより異なるが、例えば、ラボスケールでは、例えば、矩形状の場合には、長手方向長さが、例えば、15〜220mmであり、幅方向長さが、例えば、15〜220mmである。また、円形状の場合には、直径が、例えば、10〜25mmである。
Moreover, although the thickness of the separator 4 changes with scales of the
The size of the separator 4 is not particularly limited as long as the area of the surface facing the
電解液6は、リチウム塩を含む有機溶媒を含有しており、具体的には、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解させることにより調製される。
リチウム塩としては、ハロゲンを含むアニオン成分を有し、例えば、LiClO4、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiC4F9SO3、LiC8F17SO3、LiB[C6H3(CF3)2−3,5]4、LiB(C6F5)4、LiB[C6H4(CF3)−4]4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3CO2、LiN(CF3SO2)2などが挙げられる。なお、上式中[C6H3(CF3)2−3,5]は,フェニル基の3位と5位に、[C6H4(CF3)−4]はフェニル基の4位に、それぞれ−CF3が置換されているものを意味する。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。
The
The lithium salt has an anion component containing halogen. For example, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC 8 F 17 SO 3 , LiB [C 6 H 3 (CF 3) 2 -3,5] 4, LiB (C 6 F 5) 4, LiB [C 6 H 4 (CF 3) -4] 4, LiBF 4,
有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、ジメチルスルホキシド(DMSO)、スルホラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジオキソラン、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、1,3−プロパンスルトン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン誘導体、シドノン化合物、アセトニトリル、ニトロメタン、アルコキシエタン、トルエンなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the organic solvent include propylene carbonate, propylene carbonate derivatives, ethylene carbonate, ethylene carbonate derivatives, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, dimethyl sulfoxide (DMSO), Sulfolane, formamide, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), dioxolane, phosphoric acid triester, maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, 1,3-propane sultone, 4,5-dihydropyran derivative, Nitrobenzene, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran, tetrahydrofuran derivatives, sydnone compounds, acetonitrile, nitromethane, alkoxy ethane, and toluene. These can be used alone or in combination of two or more.
そして、電解液6を調製するには、例えば、リチウム塩の濃度が、例えば、0.5〜5mol/L、好ましくは、1〜3mol/Lとなるように、また、電解液6中の水分量が、例えば、50ppm以下、好ましくは、10ppm以下となるように、リチウム塩を有機溶媒に溶解する。
図2は、図1に示すハイブリッドキャパシタに採用される正極および負極の正面図である。
In order to prepare the
FIG. 2 is a front view of a positive electrode and a negative electrode employed in the hybrid capacitor shown in FIG.
図2に示すように、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2と負極3とが略同一形状(ともに矩形状の凸部を有する略矩形状)に形成されており、図1に示すように正極2と負極3とを対向させたとき、正極2における正極活物質が担持されない領域(すなわち、正極側集電体8aの露出部分)と、負極3における負極活物質が担持されない領域(すなわち、負極側集電体8bの露出部分)とは、互いに対向することなく配置される。
As shown in FIG. 2, in this
そして、図2に示すように、このハイブリッドキャパシタ1では、負極活物質の担持領域を、正極2(正極活物質)と負極3(負極活物質)とが対向する方向に沿って正極活物質の担持領域に向けて投影した投影面P1内において、負極3における負極活物質の担持面積Sbに対する、正極2における正極活物質の担持面積Saの比が、1未満となるように、設計されている。
As shown in FIG. 2, in this
また、このハイブリッドキャパシタ1では、上記の投影の逆投影(すなわち、正極活物質の担持領域を、上記の対向方向に沿って負極活物質の担持領域に向けて投影)した投影面P2内において、正極活物質の担持領域が、負極活物質の担持領域に全て含まれている。
すなわち、このハイブリッドキャパシタ1では、正極活物質の担持面積Sa(正極側塗工層9aの塗工面積)が、負極活物質の担持面積Sb(負極側塗工層9bの塗工面積)未満とされている(Sa<Sb)。
Further, in the
That is, in this
正極活物質の担持面積Saを、負極活物質の担持面積Sb未満とすることにより、電解液6の酸化分解を抑制することができ、充放電サイクル耐久性の向上を図ることができる。
すなわち、ハイブリッドキャパシタ1においては、通常、使用に伴って、正極側塗工層9aが膨張するため、例えば、正極活物質の担持面積Saが、負極活物質の担持面積Sb以上(例えば、Sa=Sb)となるように設計される場合には、正極側塗工層9aの膨張部分は、負極側塗工層9bに対向せずに、それらが対向する投影面P1の外側に配置される。
By making the support area Sa of the positive electrode active material less than the support area Sb of the negative electrode active material, the oxidative decomposition of the
That is, in the
そのような場合には、正極側塗工層9aの膨張部分(負極側塗工層9bと対向しない部分)において、電位が過剰に高くなり、電解液6の電気分解を惹起する場合がある。
電解液6が分解されると、ハイブリッドキャパシタ1内にガスが発生し、例えば、正極2および/または負極3の表面に気泡が付着して、正極2および/または負極3の充放電に寄与する面積が低下する場合や、電解液6の有機溶媒が揮発し、イオンの透過性が低下する場合などがあり、その結果、エネルギー密度の維持率(充放電サイクル耐久性)が低下する。
In such a case, the potential becomes excessively high in the expanded portion of the positive electrode
When the
一方、投影面P1内において、正極活物質の担持面積Saが、負極活物質の担持面積Sb未満となるように設計されたハイブリッドキャパシタ1によれば、負極側塗工層9bが正極側塗工層9aよりも大きな面積となるように形成されているため、使用によって正極側塗工層9aが膨張する場合にも、その膨張部分の少なくとも一部が、負極側塗工層9bに対して対向する。
On the other hand, in the projection plane P 1, bearing area Sa of the positive electrode active material, according to the
そのため、このようなハイブリッドキャパシタ1によれば、正極側塗工層9aの膨張部分の電位が過剰に高くなることを抑制することができる。その結果、電解液6の分解を抑制することができ、充放電サイクル耐久性を向上させ、優れたエネルギー密度維持率を得ることができる。
負極3における負極活物質の担持面積Sbに対する、正極2における正極活物質の担持面積Saの比は、1未満、好ましくは、0.98未満、より好ましくは、0.95未満であって、好ましくは、0.4以上、より好ましくは、0.5以上、とりわけ好ましくは、0.6以上とされる。
Therefore, according to such a
The ratio of the positive electrode active material support area Sa in the
負極活物質の担持面積Sbに対する正極活物質の担持面積Saの比が、上記上限以上であると、使用初期において高いエネルギー密度を得ることができる一方、充放電耐久性に劣り、優れたエネルギー密度維持率を得られない場合がある。
また、負極活物質の担持面積Sbに対する正極活物質の担持面積Saの比が、上記下限未満であると、却って正極2の電位が過度に高くなり、やはり、電解液6が分解され、充放電サイクル耐久性が低下する場合がある。
When the ratio of the supported area Sa of the positive electrode active material to the supported area Sb of the negative electrode active material is equal to or higher than the above upper limit, a high energy density can be obtained in the initial stage of use, but the charge / discharge durability is inferior and the energy density is excellent. The maintenance rate may not be obtained.
On the other hand, if the ratio of the positive electrode active material support area Sa to the negative electrode active material support area Sb is less than the lower limit, the potential of the
図3は、矩形状に形成された正極および負極が対向配置された状態を示す概略図、図4は、円形状に形成された正極および負極が対向配置された状態を示す概略図である。
なお、図2においては、正極2および負極3を、ともに矩形状の凸部を有する略矩形状に形成したが、正極2および負極3の形状としては、特に制限されず、例えば、図3に示すように、正極2および負極3を、ともに矩形状に形成することもできる。このような場合には、正極2および負極3を長手方向において互い違いに対向配置することにより、正極2における正極活物質が担持されない領域(すなわち、正極側集電体8aの露出部分)と、負極3における負極活物質が担持されない領域(すなわち、負極側集電体8bの露出部分)とを、互いに対向することなく配置できる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a positive electrode and a negative electrode formed in a rectangular shape are opposed to each other, and FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which a positive electrode and a negative electrode formed in a circular shape are arranged to face each other.
In FIG. 2, the
また、正極2および負極3は、正極側集電体8aが露出される部分、および、負極側集電体8bが露出される部分を有さない形状に形成することもでき、例えば、図4に示すように、正極2および負極3を、ともに円形状に形成することもできる。
さらには、図示しないが、正極2および負極3を、その他の互いに異なる形状に形成することもできる。
Moreover, the
Furthermore, although not shown, the
そして、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2の電位が、好ましくは、4.23V vs Li/Li+以上とされる。
正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上とするには、例えば、負極3にソフトカーボンおよび/またはハードカーボンを用いた場合には、セル電圧を3V以上で印加する。
In the
In order to set the potential of the
正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上とすれば、ハイブリッドキャパシタ1のエネルギー密度の向上を図ることができる。
一方、このハイブリッドキャパシタ1では、正極2の電位を4.23V vs Li/Li+以上などの高電位とした場合に、正極2の不可逆容量の発現に起因して、電解液6に含まれるアニオン(例えば、LiPF6に含まれるPF6 −など)から誘導される負極活性阻害物質が生成する場合がある。
If the potential of the
On the other hand, in this
負極活性阻害物質が生成する過程、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因してHFが生成する過程は、以下のように推考される。
まず、正極2および負極3に上記した所定電圧(すなわち、4.23V vs Li/Li+以上)を印加すると、電解液6内では、例えば、正極2や電解液6に含まれる水分や有機物から、下記式(1)(2)に示すように、プロトン(H+)が生成する。
The process in which the negative electrode activity inhibitor is generated, for example, the process in which HF is generated due to the development of the irreversible capacity of the
First, when the above-described predetermined voltage (that is, 4.23 V vs Li / Li + or more) is applied to the
(1)2H2O→O2+4H++4e−
(2)R−H→R+H++e−(Rは、アルキル基)
そして、生成したプロトンが、電解液6に含まれるアニオン(例えば、LiPF6に含まれるPF6 −など)と反応し、HFが生成する(下記式(3)参照)。
(3)PF6 −+H+→PF5+HF
HFのような負極活性阻害物質は、負極3の電気容量を低下させて、ハイブリッドキャパシタ1のエネルギー密度を低下させるおそれがある。
(1) 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e −
(2) R—H → R + H + + e − (R is an alkyl group)
Then, the generated protons, anion contained in the electrolytic solution 6 (for example, PF 6 contained in LiPF 6 -, etc.) and react, HF is generated (see the following formula (3)).
(3) PF 6 − + H + → PF 5 + HF
A negative electrode activity-inhibiting substance such as HF may reduce the electric capacity of the
そのため、このハイブリッドキャパシタ1では、好ましくは、正極2と負極3との間、正極2内部および負極3内部の少なくともいずれかに、電解液6に含まれるアニオンから誘導される負極活性阻害物質を捕捉する捕捉剤を含有させる。
ハイブリッドキャパシタ1に捕捉剤を含有させることにより、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因して負極活性阻害物質が生成しても、その負極活性阻害物質を捕捉剤で捕捉することができる。
Therefore, in this
By including a capture agent in the
捕捉剤としては、例えば、炭酸リチウム(Li2CO3)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)など、アルカリ金属の炭酸塩などが挙げられる。これらは、単独または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、炭酸リチウムが挙げられる。
より具体的には、例えば、捕捉剤が、正極2と負極3との間に含有(配置)される場合には、捕捉剤は、好ましくは、捕捉部材7として形成される。
Examples of the scavenger include alkali metal carbonates such as lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), and potassium carbonate (K 2 CO 3 ). These can be used alone or in combination of two or more. Of these, lithium carbonate is preferable.
More specifically, for example, when the capture agent is contained (arranged) between the
捕捉部材7は、例えば、負極活性阻害物質を捕捉するための捕捉剤と、ポリマーバインダとを加圧延伸することにより得られるシートである。
ポリマーバインダとしては、例えば、上記したポリマーバインダが挙げられ、好ましくは、PTFEが挙げられる。
そして、捕捉部材7を形成するには、例えば、まず、捕捉剤と、ポリマーバインダとを、例えば、捕捉剤:ポリマーバインダの配合割合が、固形分の重量割合で20:80〜98:2、好ましくは、50:50〜90:10となるように配合して、混合物を調製する。次いで、混合物を、例えば、ロールプレスを用いて加圧延伸して捕捉剤含有シートを得る。
The capturing member 7 is, for example, a sheet obtained by press-stretching a capturing agent for capturing a negative electrode activity inhibitor and a polymer binder.
Examples of the polymer binder include the above-described polymer binder, and preferably PTFE.
And in order to form the capture | acquisition member 7, for example, first, a capture | acquisition agent and a polymer binder are used, for example, the mixture ratio of capture | acquisition agent: polymer binder is 20: 80-98: 2 in the weight ratio of solid content, Preferably, it mix | blends so that it may become 50: 50-90: 10, and prepares a mixture. Next, the mixture is pressurized and stretched using, for example, a roll press to obtain a capturing agent-containing sheet.
そして、捕捉剤含有シートを所定の形状(例えば、矩形状、円形状)に打ち抜いた後、必要により乾燥させる。これにより、捕捉部材7が得られる。
そして、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、図1に示されるように、セパレータ4として、正極2側に配置されるセパレータ4aと負極3側に配置されるセパレータ4bとを設け、これらセパレータ4aと4bとの間に、捕捉部材7を設ける。
The scavenger-containing sheet is punched into a predetermined shape (for example, a rectangular shape or a circular shape) and then dried as necessary. Thereby, the capture member 7 is obtained.
In this
捕捉部材7を設けることによって、例えば、正極2の不可逆容量の発現に起因して負極活性阻害物質が生成しても、その負極活性阻害物質を捕捉部材7で捕捉することができる。また、このような捕捉部材7は、捕捉剤含有セパレータとして、セパレータを兼ねることができる。
また、このハイブリッドキャパシタ1では、例えば、捕捉部材7を形成することなく、捕捉剤として、上記の炭酸塩を、セパレータ4aとセパレータ4bとの間に配置することもできる。
By providing the capture member 7, for example, even if a negative electrode activity inhibitor is generated due to the irreversible capacity of the
In the
炭酸塩をセパレータ4aとセパレータ4bとの間に配置するには、例えば、粉末状の炭酸塩をセパレータ4aまたはセパレータ4bの一方の表面に添加し、当該表面と他方のセパレータ4a(4b)の表面とで、炭酸塩を挟み込む。
また、このハイブリッドキャパシタ1において、炭酸塩は、正極2および/または負極3の表面にコーティングされていてもよい。
In order to arrange the carbonate between the
In the
炭酸塩を正極2および/または負極3の表面にコーティングするには、例えば、炭酸塩および結合剤を配合した混合物を、溶媒中で攪拌混合し、それを正極2および/または負極3上に塗布後、乾燥させる。
結合剤としては、例えば、上記したポリマーバインダなどが挙げられる。
溶媒としては、例えば、上記した溶媒が挙げられ、好ましくは、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)や水が挙げられる。
In order to coat the carbonate on the surface of the
Examples of the binder include the polymer binder described above.
Examples of the solvent include the above-mentioned solvents, preferably NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and water.
さらに、このハイブリッドキャパシタ1では、捕捉剤として、リチウム箔を用いることもできる。
リチウム箔としては、公知のリチウム箔を用いることができ、例えば、円形状、矩形状に形成される。
また、リチウム箔は、好ましくは、その表面積が正極2および負極3の表面積と略同一面積、または、より広い面積となるように形成される。リチウム箔の表面積がこのような面積であると、負極活性阻害物質(例えば、HFなど)を、効率よく捕捉することができる。
Furthermore, in this
As the lithium foil, a known lithium foil can be used. For example, the lithium foil is formed in a circular shape or a rectangular shape.
The lithium foil is preferably formed so that the surface area thereof is substantially the same as or larger than the surface areas of the
さらに、その厚みは、例えば、0.01〜0.1mmであり、好ましくは、0.01〜0.05mmである。
また、リチウム箔には、その厚み方向に複数の孔が形成されている。このような孔が形成されることによって、電解液6が、セパレータ4aとセパレータ4bとの間を通過することができ、充放電することができる。
Furthermore, the thickness is 0.01-0.1 mm, for example, Preferably, it is 0.01-0.05 mm.
The lithium foil has a plurality of holes in the thickness direction. By forming such a hole, the
なお、リチウム箔は、リチウム金属であればよく、例えば、捕捉剤として、リチウム粉末やペースト状のリチウムを設けることもできる。
また、上記したリチウム金属のほか、Si−N結合を有する化合物(例えば、ペルヒドロポリシラザン、メチルポリシラザンなど)をセル槽5内に含めることによっても、負極活性阻害物質を捕捉することができる。この場合、負極活性阻害物質は、Si−N結合を有する化合物に捕捉されて安定化する。
The lithium foil may be any lithium metal. For example, lithium powder or paste-like lithium may be provided as a scavenger.
In addition to the lithium metal described above, the negative electrode activity inhibitor can also be captured by including in the cell tank 5 a compound having a Si—N bond (for example, perhydropolysilazane, methylpolysilazane, etc.). In this case, the negative electrode activity inhibiting substance is captured and stabilized by the compound having a Si—N bond.
また、捕捉剤が、正極2内部および/または負極3内部に含有される場合には、捕捉剤は、例えば、正極2および/または負極3の材料成分として用いられる。
すなわち、このような場合には、捕捉剤(例えば、炭酸塩、リチウム粉末など)が、正極2および/または負極3の製造工程において、正極材料または負極材料とともに配合される。これにより、捕捉剤が、正極2内部および/または負極3内部に含有される。
When the scavenger is contained in the
That is, in such a case, a scavenger (for example, carbonate, lithium powder, etc.) is blended with the positive electrode material or the negative electrode material in the manufacturing process of the
そして、このような捕捉剤(捕捉部材7)は、正極2で発現する不可逆容量1mAhに対して、好ましくは、2×10−5mol〜175×10−5molの割合で含まれる。
捕捉剤の量が、このような範囲であると、より一層優れたエネルギー密度を発現することができる。
例えば、上記式(1)〜(3)を参照すると、電子1molの流れに伴い、HFが1mol生成する。すなわち、正極2で発現する不可逆容量をQ(mAh)とし、ファラデー定数を96500(C/mol)すると、ハイブリッドキャパシタ1で発生するHFの発生量MHFは、MHF=3.6×Q×F−1(mol)となる。
Then, such scavenger (catching member 7), to the irreversible capacity 1mAh expressed in the
When the amount of the scavenger is within such a range, a further excellent energy density can be expressed.
For example, referring to the above formulas (1) to (3), 1 mol of HF is generated with the flow of 1 mol of electrons. In other words, the irreversible capacity expressed in
また、Li2CO3を捕捉剤として用いた場合、下記式(4)に示すように、HFがLi2CO3に捕捉されて(Li2CO3と反応して)、LiFおよびH2CO3が生成する。
(4)Li2CO3+2HF→2LiF+H2CO3
上記式(4)に示すように、1molのHFを捕捉するためには、0.5molのLi2CO3が必要である。より具体的には、Li2CO3の必要量MLi2CO3は、MLi2CO3=0.5MHF=1.8×Q×F−1(mol)であり、F=96500を代入すると、MLi2CO3=2×10−5×Q(mol)である。すなわち、Li2CO3が、不可逆容量Q(mAh)に対して2×10−5×Qmol以上含まれることによって、HFを十分捕捉することができる。その結果、負極活性阻害物質(HF)に起因するエネルギー密度の低下を抑制できるので、より一層優れたエネルギー密度を発現することができる。
In the case of using the Li 2 CO 3 as a scavenger, as shown in the following formula (4), HF is (reacts with Li 2 CO 3) is trapped in Li 2 CO 3, LiF and H 2 CO 3 is generated.
(4) Li 2 CO 3 + 2HF → 2LiF + H 2 CO 3
As shown in the above formula (4), 0.5 mol of Li 2 CO 3 is required to capture 1 mol of HF. More specifically, the required amount M Li2CO3 of Li 2 CO 3 is M Li2CO3 = 0.5M HF = 1.8 × Q × F −1 (mol). When F = 96500 is substituted, M Li2CO3 = 2 × 10 −5 × Q (mol). That is, when Li 2 CO 3 is contained 2 × 10 −5 × Qmol or more with respect to the irreversible capacity Q (mAh), HF can be sufficiently captured. As a result, since a decrease in energy density due to the negative electrode activity inhibitor (HF) can be suppressed, a further excellent energy density can be expressed.
そして、このハイブリッドキャパシタ1によれば、負極3における負極活物質の担持面積(負極側塗工層9bの塗工面積)Sbに対する、正極2における正極活物質の担持面積(正極側塗工層9aの塗工面積)Saの比が、1未満とされているため、簡易に充放電サイクル耐久性の向上を図ることができる。
そのため、本発明の電気化学キャパシタは、例えば、自動車(ハイブリッド車両など)に搭載される駆動用電池、ノートパソコン、携帯電話などのメモリバックアップ電源などの各種工業製品として、好適に用いることができる。
And according to this
Therefore, the electrochemical capacitor of the present invention can be suitably used, for example, as various industrial products such as a drive battery mounted in an automobile (such as a hybrid vehicle), a memory backup power source such as a notebook personal computer and a mobile phone.
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例1〜3および比較例1〜2
1.正極の作製
メソフェーズ系ピッチ(三菱ガス化学株式会社製 AR樹脂)を大気中350℃で2時間加熱した。次いで、加熱後のピッチを、窒素雰囲気下800℃で2時間予備焼成した。これにより、ソフトカーボンを得た。得られたソフトカーボンをアルミナ製の坩堝に入れ、ソフトカーボン1重量部に対して4重量部のKOHを加えた。次いで、ソフトカーボンを、窒素雰囲気下800℃で2時間、KOHとともに焼成することにより、KOH賦活した。次いで、KOH賦活したソフトカーボンを超純水で洗浄した。洗浄は、廃液が中性になるまで行なった。これにより、KOH賦活ソフトカーボン(正極材料(正極活物質))を得た。洗浄後、KOH賦活ソフトカーボンを乳鉢で粉砕し、篩(32μm)で分級した。そして、ほぼ全てのKOH賦活ソフトカーボンが篩を通過できる粒径になるまで、乳鉢での粉砕操作を繰り返した。
Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example.
Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2
1. Production of positive electrode Mesophase pitch (AR resin manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) was heated in the atmosphere at 350 ° C. for 2 hours. Next, the heated pitch was pre-fired at 800 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. Thereby, soft carbon was obtained. The obtained soft carbon was put in an alumina crucible, and 4 parts by weight of KOH was added to 1 part by weight of the soft carbon. Next, the soft carbon was calcined with KOH at 800 ° C. for 2 hours under a nitrogen atmosphere to activate KOH. Next, the KOH activated soft carbon was washed with ultrapure water. Washing was performed until the waste liquid became neutral. Thereby, KOH activated soft carbon (positive electrode material (positive electrode active material)) was obtained. After washing, KOH activated soft carbon was pulverized in a mortar and classified with a sieve (32 μm). Then, the grinding operation in the mortar was repeated until almost all the KOH-activated soft carbon had a particle size that could pass through the sieve.
分級後、KOH賦活ソフトカーボン粉末と、導電剤(カーボンブラック、キャボット・スペシャルティ・ケミカルズ・インク製 VXC−72R)と、ポリマーバインダ(株式会社クレハ製 PVdF)とを、固形分75:8.3:16.7の重量割合で、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)溶媒に投入し、室温(25℃〜30℃)で12時間攪拌することにより、混合物のスラリー(固形分:30重量%)を得た。 After classification, a KOH activated soft carbon powder, a conductive agent (carbon black, VXC-72R manufactured by Cabot Specialty Chemicals, Inc.), and a polymer binder (PVdF manufactured by Kureha Co., Ltd.) with a solid content of 75: 8.3: A slurry of the mixture (solid content: 30% by weight) was added to an NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solvent at a weight ratio of 16.7 and stirred at room temperature (25 ° C. to 30 ° C.) for 12 hours. Got.
次いで、得られたスラリーを厚み15μmのアルミニウム箔(正極側集電体)の表面に塗工し、80℃で12時間乾燥させて、正極側塗工層を形成した。次いで、乾燥後のアルミニウム箔を、ロールプレスで加圧延伸することにより、厚み72μmの電極シートを得た。
次いで、電極シートを、直径13mmの円形状に打ち抜いた後、乾燥機に搬入し、120℃で12時間真空乾燥した。そして、乾燥機内を窒素パージした後、電極シートを、ドライAr雰囲気のグローブボックスへ大気に触れないように搬入した。以上の操作により、正極を作製した。
Next, the obtained slurry was coated on the surface of an aluminum foil (positive electrode side current collector) having a thickness of 15 μm and dried at 80 ° C. for 12 hours to form a positive electrode side coating layer. Next, the dried aluminum foil was subjected to pressure stretching with a roll press to obtain an electrode sheet having a thickness of 72 μm.
Next, the electrode sheet was punched into a circular shape having a diameter of 13 mm, and then carried into a dryer and vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours. After the inside of the dryer was purged with nitrogen, the electrode sheet was carried into a glove box in a dry Ar atmosphere so as not to be exposed to the atmosphere. The positive electrode was produced by the above operation.
各実施例および各比較例における、正極活物質の担持面積(正極側塗工層の塗工面積)を、表1に示す。
2.負極の作製
人造黒鉛(負極材料(負極活物質))と、ソフトカーボン(負極材料(負極活物質))と、ポリマーバインダ(株式会社クレハ製 PVdF)とを、固形分67.5:22.5:10の重量割合で、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)溶媒に投入し、室温(25℃〜30℃)で12時間攪拌することにより、混合物のスラリー(固形分:40重量%)を得た。
Table 1 shows the carrying area of the positive electrode active material (coating area of the positive electrode side coating layer) in each example and each comparative example.
2. Production of negative electrode Artificial graphite (negative electrode material (negative electrode active material)), soft carbon (negative electrode material (negative electrode active material)), and polymer binder (PVdF manufactured by Kureha Co., Ltd.) with a solid content of 67.5: 22.5 The slurry (solid content: 40% by weight) of the mixture was put into NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solvent at a weight ratio of 10 and stirred at room temperature (25 ° C. to 30 ° C.) for 12 hours. Obtained.
次いで、得られたスラリーを厚み10μmの銅箔(負極側集電体)の表面に塗工し、80℃で12時間乾燥させて、負極側塗工層を形成した。次いで、乾燥後の銅箔を、ロールプレスで加圧延伸することにより、厚み14μmの電極シートを得た。
次いで、電極シートを、直径14mmの円形状に打ち抜いた後、乾燥機に搬入し、120℃で12時間真空乾燥した。そして、乾燥機内を窒素パージした後、電極シートを、ドライAr雰囲気のグローブボックスへ大気に触れないように搬入した。以上の操作により、負極を作製した。
Next, the obtained slurry was applied to the surface of a 10 μm thick copper foil (negative electrode side current collector) and dried at 80 ° C. for 12 hours to form a negative electrode side coating layer. Next, the dried copper foil was subjected to pressure stretching with a roll press to obtain an electrode sheet having a thickness of 14 μm.
Next, the electrode sheet was punched into a circular shape having a diameter of 14 mm, and then carried into a dryer and vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours. After the inside of the dryer was purged with nitrogen, the electrode sheet was carried into a glove box in a dry Ar atmosphere so as not to be exposed to the atmosphere. The negative electrode was produced by the above operation.
各実施例および各比較例における、負極活物質の担持面積(負極側塗工層の塗工面積)を、表1に示す。
3.捕捉剤含有セパレータの作製
炭酸リチウム(Li2CO3)粉末(キシダ化学社製 平均粒径85.0μm)と、ポリマーバインダ(ダイキン工業株式会社製 PTFEディスパージョン)とを、固形分80:20の重量割合で、乳鉢で混練することにより、それらの混合物を得た。
Table 1 shows the carrying area of the negative electrode active material (coating area of the negative electrode side coating layer) in each Example and each Comparative Example.
3. Preparation of capture agent-containing separator Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) powder (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., average particle size 85.0 μm) and polymer binder (PTFE dispersion manufactured by Daikin Industries, Ltd.) having a solid content of 80:20 A mixture thereof was obtained by kneading in a mortar in a weight ratio.
次いで、混合物を、手動ロールプレスを用いて加圧延伸することにより、厚み50μmのセパレータシートを得た。次いで、セパレータシートを、直径2.4cmの円形状に打ち抜いた後、乾燥機に搬入し、120℃で12時間真空乾燥した。そして、乾燥機内を窒素パージした後、捕捉剤含有セパレータを、ドライAr雰囲気のグローブボックスへ大気に触れないように搬入した。以上の操作により、捕捉剤含有セパレータを作製した。
4.セパレータの作製
厚さ25μmのセルロース製セパレータ(ニッポン高度紙製 TF40−25)を、直径2.4cmの円形状に打ち抜くことにより、セパレータを作製した。
5.電解液の調製
LiPF6(リチウム塩)を、濃度が2mol/Lとなるように、エチレンカーボネート−エチルメチルカーボネート混合溶媒(体積比1:1)に溶解することにより調製した。
6.ラミネートセルの組み立て
正極1枚、負極1枚、捕捉剤含有セパレータ1枚およびセパレータ2枚、ならびに、電解液1mLを用いて、試験セルを組み立てた。
Next, the mixture was subjected to pressure stretching using a manual roll press to obtain a separator sheet having a thickness of 50 μm. Next, the separator sheet was punched into a circular shape having a diameter of 2.4 cm, and then carried into a dryer and vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours. Then, after purging the inside of the dryer with nitrogen, the scavenger-containing separator was carried into a glove box in a dry Ar atmosphere so as not to be exposed to the air. By the above operation, a scavenger-containing separator was produced.
4). Production of Separator A separator made of cellulose having a thickness of 25 μm (TF40-25 made by Nippon Kohatsu Paper Co., Ltd.) was punched into a circular shape having a diameter of 2.4 cm.
5. Preparation of Electrolytic Solution LiPF 6 (lithium salt) was prepared by dissolving in an ethylene carbonate-ethyl methyl carbonate mixed solvent (volume ratio 1: 1) so that the concentration was 2 mol / L.
6). Assembly of Laminate Cell A test cell was assembled using 1 positive electrode, 1 negative electrode, 1 capture agent-containing separator and 2 separators, and 1 mL of electrolyte.
より具体的には、まず、1枚の捕捉剤含有セパレータを、2枚のセパレータで挟み、その後、積層されたセパレータの一方側に正極を、他方側に負極を、それぞれ積層した後、それらをセル槽に収容し、電解液を注入した。
なお、この試験セルの組み立てにおいては、正極および負極を、正極側塗工層(正極活物質)と負極側塗工層(負極活物質)とが対向するとともに、負極活物質の担持領域を、正極側塗工層(正極活物質)と負極側塗工層(負極活物質)との対向方向に沿って、正極活物質の担持領域に向けて投影した投影面P1(図2参照)内において、負極活物質の担持面積に対する、正極活物質の担持面積の比が、実施例1〜3では、それぞれ、0.862、0.538、0.444となり、比較例1〜2では、いずれも1.000となるように配置した。
More specifically, first, a separator containing a scavenger is sandwiched between two separators, and then, after laminating a positive electrode on one side and a negative electrode on the other side of the laminated separator, It accommodated in the cell tank and inject | poured electrolyte solution.
In the assembly of the test cell, the positive electrode and the negative electrode are opposed to the positive electrode side coating layer (positive electrode active material) and the negative electrode side coating layer (negative electrode active material). In the projection plane P 1 (see FIG. 2) projected toward the positive electrode active material supporting region along the facing direction of the positive electrode side coating layer (positive electrode active material) and the negative electrode side coating layer (negative electrode active material). In Examples 1 to 3, the ratio of the positive electrode active material support area to the negative electrode active material support area was 0.862, 0.538, and 0.444, respectively. Was also arranged to be 1.000.
また、これら実施例1〜3および比較例1〜2では、いずれも、正極活物質の担持領域を、上記の対向方向に沿って負極活物質の担持領域に向けて投影した投影面P2(図2参照)内において、正極活物質の担持領域が、負極活物質の担持領域に含まれていた。
各実施例および各比較例の、負極における負極活物質の担持面積に対する、正極における正極活物質の担持面積の比を、表1に示す。
In each of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the projection plane P 2 (projected from the positive electrode active material supporting region toward the negative electrode active material supporting region along the facing direction). In FIG. 2), the positive electrode active material supporting region was included in the negative electrode active material supporting region.
Table 1 shows the ratio of the supported area of the positive electrode active material in the positive electrode to the supported area of the negative electrode active material in the negative electrode in each example and each comparative example.
なお、比較例2においては、捕捉剤含有セパレータを用いずに、正極1枚、負極1枚およびセパレータ4枚(合計厚み100μm)、ならびに、電解液1mLを用いて、試験セルを組み立てた。
In Comparative Example 2, a test cell was assembled using one positive electrode, one negative electrode, four separators (
評価実験
1.充放電試験
上記各実施例および各比較例で組み立てた試験セルそれぞれに対して、以下に示す方法により充放電試験を実施した。
(1)1サイクル目
セル電圧が4.8Vに上昇するまで1mA/cm2で定電流充電した。充電後、電流値が0.5mA/cm2に降下するまでセル電圧を4.8Vに保持し、その後、セル電圧が2.3Vに降下するまで1mA/cm2で定電流放電した。
(2)2〜6サイクル目
セル電圧が4.6Vに上昇するまで1mA/cm2で定電流充電した。充電後、セル電圧が2.3Vに降下するまで1mA/cm2で定電流放電した。
(3)7サイクル目以降
セル電圧が4.6Vに上昇するまで5mA/cm2で定電流充電した。充電後、セル電圧が2.3Vに降下するまで5mA/cm2で定電流放電した。
2.評価
充放電試験によって得られた試験結果に基づいて、各試験セルのプレサイクル後の充放電サイクルにおけるエネルギー密度およびその維持率を算出し、各試験セルの充放電サイクル耐久性について評価した。
(1)エネルギー密度の維持率
以下の式から、実施例1および比較例1〜2の各試験セルの、プレサイクル(上記1〜6サイクル)後の充放電サイクル(7サイクル目以降)におけるエネルギー密度の維持率を算出し、サイクル数(充放電回数)とエネルギー密度との関係を確認した。その結果を図5に示す。
ER=(DEX/VP+N)/(DE7/VP+N)=DEX/DE7
ER:エネルギー密度の維持率(Energy density retention)
DEX:Xサイクル目の放電エネルギー量(Discharging energy)[Wh]
DE7:7サイクル目の放電エネルギー量(Discharging energy)[Wh]
VP+N:正極側塗工層の厚みおよび負極側塗工層の厚みの和と、塗工層面積との積(Volume)[L]
なお、上記式のVP+Nにおいて、塗工層面積としては、正極側塗工層と負極極側塗工層とで大きいほう(負極側塗工層)の塗工面積を採用した。
(2)充放電サイクル寿命
以下の式から、実施例1〜3および比較例1の試験セルの、プレサイクル(上記1〜6サイクル)後の充放電サイクル(7サイクル目以降)におけるエネルギー密度を算出し、7サイクル目のエネルギー密度を100%としたときに、エネルギー密度が80%に低下するまでのサイクル数(充放電回数)を測定した。その結果を図6に示す。
ED=DEX/VP+N
ED:エネルギー密度(Energy density)[Wh/L]
DEX:Xサイクル目の放電エネルギー量(Discharging energy)[Wh]
VP+N:正極側塗工層の厚みおよび負極側塗工層の厚みの和と、塗工層面積との積(Volume)[L]
なお、上記式のVP+Nにおいて、塗工層面積としては、正極側塗工層と負極側塗工層とで大きいほう(負極側塗工層)の塗工面積を採用した。
(3)エネルギー密度
上記の式から、実施例1〜3および比較例1の各試験セルについて、2サイクル目のエネルギー密度を算出した。その結果を図7に示す。
(1) 1st cycle It charged with constant current at 1 mA / cm < 2 > until the cell voltage rose to 4.8V. After charging, the cell voltage was held at 4.8 V until the current value dropped to 0.5 mA / cm 2 , and then constant current discharge was performed at 1 mA / cm 2 until the cell voltage dropped to 2.3 V.
(2) 2nd to 6th cycles The battery was charged at a constant current of 1 mA / cm 2 until the cell voltage increased to 4.6V. After charging, constant current was discharged at 1 mA / cm 2 until the cell voltage dropped to 2.3V.
(3) From the 7th cycle Onward, constant current charging was performed at 5 mA / cm 2 until the cell voltage increased to 4.6V. After charging, constant current discharge was performed at 5 mA / cm 2 until the cell voltage dropped to 2.3V.
2. Evaluation Based on the test result obtained by the charge / discharge test, the energy density in the charge / discharge cycle after the pre-cycle of each test cell and its maintenance rate were calculated, and the charge / discharge cycle durability of each test cell was evaluated.
(1) Energy density maintenance rate From the following formula, the energy in the charge / discharge cycle (after the 7th cycle) of each test cell of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 after the pre-cycle (above 1 to 6 cycles). The density maintenance rate was calculated, and the relationship between the number of cycles (number of charge / discharge cycles) and the energy density was confirmed. The result is shown in FIG.
ER = (DE X / V P + N) / (DE 7 / V P + N) = DE X / DE 7
ER: Energy density retention rate (Energy density retention)
DE X : Discharge energy of the X cycle (Discharging energy) [Wh]
DE 7 : Discharge energy of the seventh cycle (Discharge energy) [Wh]
VP + N : product of the sum of the thickness of the positive electrode side coating layer and the thickness of the negative electrode side coating layer and the area of the coating layer (Volume) [L]
In addition, in VP + N of said formula, as a coating layer area, the larger coating area (negative electrode side coating layer) was employ | adopted by the positive electrode side coating layer and the negative electrode side coating layer.
(2) Charging / discharging cycle life From the following formula | equation, the energy density in the charging / discharging cycle (after the 7th cycle) of the test cell of Examples 1-3 and the comparative example 1 after the precycle (the said 1-6 cycles) is shown. The number of cycles (number of charge / discharge cycles) until the energy density was reduced to 80% was measured when the energy density at the seventh cycle was calculated as 100%. The result is shown in FIG.
ED = DE X / V P + N
ED: Energy density [Wh / L]
DE X : Discharge energy of the X cycle (Discharging energy) [Wh]
VP + N : product of the sum of the thickness of the positive electrode side coating layer and the thickness of the negative electrode side coating layer and the area of the coating layer (Volume) [L]
In addition, in VP + N of said formula, as a coating layer area, the larger coating area (negative electrode side coating layer) was employ | adopted by the positive electrode side coating layer and the negative electrode side coating layer.
(3) Energy density From the above formula, the energy density of the second cycle was calculated for each of the test cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The result is shown in FIG.
1 ハイブリッドキャパシタ
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 セル槽
6 電解液
7 捕捉部材
8a 正極側集電体
8b 負極側集電体
9a 正極側塗工層
9b 負極側塗工層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出可能な材料を含有する負極活物質を担持し、前記負極活物質が前記正極活物質に対して対向するように配置される負極と、
リチウム塩を含む有機溶媒を含有し、前記正極および前記負極が浸漬される電解液とを備え、
前記負極活物質の担持領域を、前記対向方向に沿って前記正極活物質の担持領域に向けて投影した投影面内において、
前記負極活物質の担持面積に対する、前記正極活物質の担持面積の比が、1未満であることを特徴とする、電気化学キャパシタ。 A positive electrode carrying a positive electrode active material containing a polarizable carbon material;
A negative electrode carrying a negative electrode active material containing a material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, and arranged so that the negative electrode active material faces the positive electrode active material;
An organic solvent containing a lithium salt, and an electrolyte solution in which the positive electrode and the negative electrode are immersed,
In the projection plane obtained by projecting the negative electrode active material carrying region toward the positive electrode active material carrying region along the facing direction,
The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein a ratio of a supported area of the positive electrode active material to a supported area of the negative electrode active material is less than 1.
前記正極活物質の担持領域が、前記負極活物質の担持領域に全て含まれていることを特徴とする、請求項1に記載の電気化学キャパシタ。 In a projection plane in which the positive electrode active material supporting region is projected toward the negative electrode active material supporting region along the facing direction,
2. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the positive electrode active material supporting region is entirely included in the negative electrode active material supporting region.
前記電解液に含まれるアニオンから誘導される負極活性阻害物質を捕捉する捕捉剤を含有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の電気化学キャパシタ。 Between the positive electrode and the negative electrode, at least one of the positive electrode and the negative electrode,
The electrochemical capacitor according to claim 1, further comprising a capturing agent that captures a negative electrode activity inhibiting substance derived from an anion contained in the electrolytic solution.
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