JP2018142607A - Electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電極ユニットから構成された電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to an electrochemical device composed of a plurality of electrode units.
大容量キャパシタはエネルギー回生やロードレベリング等の大電力による充放電の繰り返しが要求される分野にて利用が進んでいる。大容量キャパシタとして従来は電気二重層キャパシタが多く利用されてきたが、近年ではエネルギー密度が高いリチウムイオンキャパシタの利用が検討されている。 High-capacity capacitors are increasingly used in fields that require repeated charging and discharging with large power, such as energy regeneration and load leveling. Conventionally, electric double layer capacitors have been widely used as large-capacity capacitors, but in recent years, the use of lithium ion capacitors having a high energy density has been studied.
リチウムイオンキャパシタはリチウムイオンを予め負極にドープしておくプレドープが必要であるが、リチウムイオンキャパシタを長期間安定的に利用するためには負極のプレドープ状態を均一とすることが重要となる。 Lithium ion capacitors require pre-doping in which lithium ions are previously doped into the negative electrode, but it is important to make the pre-doped state of the negative electrode uniform in order to stably use the lithium ion capacitor for a long period of time.
ここで、リチウムイオンのプレドープは、負極に電気的に接続された金属リチウムを電解液に浸すことによって行われる。リチウムイオンは電解液中を移動して負極に到達するため、負極とリチウムイオン供給源の位置関係によってプレドープ状態が影響を受ける。 Here, pre-doping of lithium ions is performed by immersing metallic lithium electrically connected to the negative electrode in the electrolytic solution. Since lithium ions move through the electrolyte and reach the negative electrode, the pre-doping state is affected by the positional relationship between the negative electrode and the lithium ion supply source.
例えば、特許文献1にはセルを構成する複数の電極ユニットの間と最外部にリチウムイオン供給源を配置することによって、負極へリチウムイオンを供給する構成が開示されている。
For example,
しかしながら、特許文献1に記載の構成では、最上部、最下部及び電極ユニット間のそれぞれに配置される3種類のリチウムイオン供給源を作製する必要があり、部品の種類及び部品点数が多いという問題がある。また、リチウムイオン供給源の集電体として多孔金属箔を用い、孔径及び開口率によってリチウムイオンのドーピング量を調整することが可能であるが、長期信頼性について問題がある。
However, in the configuration described in
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、生産性に優れ、負極のプレドープ状態を均一化することが可能な電気化学デバイスを提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide an electrochemical device that is excellent in productivity and can make the pre-doped state of the negative electrode uniform.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、第1の電極ユニットと、第2の電極ユニットと、第3の電極ユニットと、第1のリチウムイオン供給源と、第2のリチウムイオン供給源と、第1のシート部材と、第2のシート部材と電解液とを具備する。
上記第1の電極ユニットは、正極と負極がセパレータを介して交互に積層されている。
上記第2の電極ユニットは、正極と負極がセパレータを介して交互に積層されている。
上記第3の電極ユニットは、正極と負極がセパレータを介して交互に積層され、上記第1の電極ユニットと上記第2の電極ユニットの間に位置する。
上記第1のリチウムイオン供給源は、上記第1の電極ユニットと上記第3の電極ユニットの間に配置され、上記第1の電極ユニット側の第1の主面と、上記第3の電極ユニット側の第2の主面とを有する多孔金属箔である第1の集電体を備える。
上記第2のリチウムイオン供給源は、上記第2の電極ユニットと上記第3の電極ユニットの間に配置され、上記第2の電極ユニット側の第3の主面と、上記第3の電極ユニット側の第4の主面とを有する多孔金属箔である第2の集電体を備える。
上記第1のシート部材は、上記第1のリチウムイオン供給源と上記第3の電極ユニットの間に配置され、上記第1のリチウムイオン供給源と上記第3の電極ユニットを離間させ、リチウムイオンを透過する。
上記第2のシート部材は、上記第2のリチウムイオン供給源と上記第3の電極ユニットの間に配置され、上記第2のリチウムイオン供給源と上記第3の電極ユニットを離間させ、リチウムイオンを透過する。
上記電解液は、上記第1の電極ユニット、上記第2の電極ユニット、上記第3の電極ユニット、上記第1のリチウムイオン供給源、上記第2のリチウムイオン供給源、上記第1のシート部材及び上記第2のシート部材が浸漬されている。
上記第1の電極ユニット、上記第2の電極ユニット及び上記第3の電極ユニットが備える負極には、上記第1の主面に貼付された第1の金属リチウムと上記第3の主面に貼付された第2の金属リチウムからリチウムイオンのプレドープがなされている。
To achieve the above object, an electrochemical device according to an aspect of the present invention includes a first electrode unit, a second electrode unit, a third electrode unit, a first lithium ion supply source, 2 lithium ion supply sources, a first sheet member, a second sheet member, and an electrolytic solution.
In the first electrode unit, positive electrodes and negative electrodes are alternately stacked via separators.
In the second electrode unit, positive electrodes and negative electrodes are alternately stacked via separators.
In the third electrode unit, positive electrodes and negative electrodes are alternately stacked via separators, and are positioned between the first electrode unit and the second electrode unit.
The first lithium ion supply source is disposed between the first electrode unit and the third electrode unit, the first main surface on the first electrode unit side, and the third electrode unit. A first current collector that is a porous metal foil having a second main surface on the side.
The second lithium ion supply source is disposed between the second electrode unit and the third electrode unit, and has a third main surface on the second electrode unit side, and the third electrode unit. And a second current collector that is a porous metal foil having a fourth main surface on the side.
The first sheet member is disposed between the first lithium ion supply source and the third electrode unit, separates the first lithium ion supply source and the third electrode unit, and releases lithium ions. Transparent.
The second sheet member is disposed between the second lithium ion supply source and the third electrode unit, separates the second lithium ion supply source and the third electrode unit, and releases lithium ions. Transparent.
The electrolyte solution includes the first electrode unit, the second electrode unit, the third electrode unit, the first lithium ion supply source, the second lithium ion supply source, and the first sheet member. And the said 2nd sheet | seat member is immersed.
The negative electrode included in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit is attached to the first metal lithium affixed to the first main surface and the third main surface. The second metal lithium is pre-doped with lithium ions.
この構成によれば、第1のリチウムイオン供給源から放出されるリチウムイオンは、第1の金属リチウムが面する第1の電極ユニットに多くが供給され、一部は多孔金属箔である第1の集電体の貫通孔を介して第3の電極ユニットに供給される。また、第2のリチウムイオン供給源から放出されるリチウムイオンは、第2の金属リチウムが面する第2の電極ユニットに多くが供給され、一部は多孔金属箔である第2の集電体の貫通孔を介して第3の電極ユニットに供給される。第1のリチウムイオン供給源から第3の電極ユニットに供給されるリチウムイオンの量は第1の電極ユニットに供給されるリチウムイオンの量より少なく、第2のリチウムイオン供給源から第3の電極ユニットに供給されるリチウムイオンの量は第2の電極ユニットに供給されるリチウムイオンの量より少ないが、第3の電極ユニットには第1のリチウムイオン供給源と第2のリチウムイオン供給源の両者からリチウムイオンが供給されるため、第1の電極ユニット、第2の電極ユニット及び第3の電極ユニットの間でリチウムイオンのプレドープ量を同程度とすることが可能となる。さらに、第1のシート部材と第2のシート部材を設けることによって、第1のリチウムイオン供給源と第3の電極ユニットの間及び第2のリチウムイオン供給源と第3の電極ユニットの間を離間させ、第1の集電体及び第2の集電体を透過したリチウムイオンを第3の電極ユニットが備える負極に均一に分布させることが可能となる。 According to this configuration, a large amount of lithium ions released from the first lithium ion supply source is supplied to the first electrode unit facing the first metal lithium, and a part thereof is the porous metal foil. Is supplied to the third electrode unit through the through hole of the current collector. In addition, a large amount of lithium ions released from the second lithium ion supply source is supplied to the second electrode unit facing the second metal lithium, and a part of the second current collector is a porous metal foil. Is supplied to the third electrode unit through the through hole. The amount of lithium ions supplied from the first lithium ion source to the third electrode unit is less than the amount of lithium ions supplied to the first electrode unit, and the third electrode from the second lithium ion source The amount of lithium ions supplied to the unit is less than the amount of lithium ions supplied to the second electrode unit, but the third electrode unit includes a first lithium ion source and a second lithium ion source. Since lithium ions are supplied from both, the pre-doping amount of lithium ions can be made approximately the same among the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit. Further, by providing the first sheet member and the second sheet member, between the first lithium ion supply source and the third electrode unit and between the second lithium ion supply source and the third electrode unit. Lithium ions that are separated and transmitted through the first current collector and the second current collector can be uniformly distributed in the negative electrode included in the third electrode unit.
上記第1のシート部材及び上記第2のシート部材はセパレータであってもよい。 The first sheet member and the second sheet member may be separators.
セパレータを第1のシート部材及び第2のシート部材として利用することによって、電気化学デバイスを構成する部品の種類を削減することが可能である。 By using the separator as the first sheet member and the second sheet member, it is possible to reduce the types of components constituting the electrochemical device.
上記第1のシート部材は及び上記第2のシート部材は、複数枚のセパレータが積層されて構成されていてもよい。 The first sheet member and the second sheet member may be configured by laminating a plurality of separators.
複数枚のセパレータを積層することによって第1のリチウムイオン供給源と第3の電極ユニットの間及び第2のリチウムイオン供給源と第3の電極ユニットの間をより離間させることが可能となる。 By stacking a plurality of separators, it is possible to further separate the first lithium ion supply source and the third electrode unit and the second lithium ion supply source and the third electrode unit.
上記第1のシート部材の厚みは25μm以上であり、上記第2のシート部材の厚みは25μm以上であってもよい。 The thickness of the first sheet member may be 25 μm or more, and the thickness of the second sheet member may be 25 μm or more.
第1のシート部材及び第2のシート部材の厚みを25μm以上とすることにより、第1のシート部材及び第2のシート部材によってリチウムイオンの拡散性を向上させ、負極におけるリチウムイオンの分布を均一化することが可能である。 By setting the thickness of the first sheet member and the second sheet member to 25 μm or more, the first sheet member and the second sheet member improve the diffusibility of lithium ions, and the distribution of lithium ions in the negative electrode is uniform. It is possible to
上記第1のシート部材は、上記第3の電極ユニットが備える負極のうち上記第1のリチウムイオン供給源に最も接近する負極と上記第1の集電体の間の距離が50μm以上となるように、上記第1のリチウムイオン供給源と上記負極を離間させ、上記第2のシート部材は、上記第3の電極ユニットが備える負極のうち上記第2のリチウムイオン供給源に最も接近する負極と上記第2の集電体の間の距離が50μm以上となるように、上記第2のリチウムイオン供給源と上記負極を離間させてもよい。 In the first sheet member, the distance between the negative electrode closest to the first lithium ion supply source among the negative electrodes included in the third electrode unit and the first current collector is 50 μm or more. The first lithium ion supply source and the negative electrode are separated from each other, and the second sheet member includes a negative electrode closest to the second lithium ion supply source among the negative electrodes provided in the third electrode unit. The second lithium ion supply source and the negative electrode may be separated so that the distance between the second current collectors is 50 μm or more.
第3の電極ユニットが備えるセパレータと第1のシート部材又は第2のシート部材の厚みの合計を50μm以上とすることにより、リチウムイオンの主面方向における拡散性を向上させ、負極におけるリチウムイオンの分布を均一化することが可能である。 By making the total thickness of the separator and the first sheet member or the second sheet member included in the third electrode unit 50 μm or more, the diffusibility in the main surface direction of lithium ions is improved, and the lithium ions in the negative electrode It is possible to make the distribution uniform.
上記第1の電極ユニット、上記第2の電極ユニット及び上記第3の電極ユニットが備える正極は、多孔金属箔である正極集電体と、正極活物質を含み、上記正極集電体の表裏両面に積層された正極活物質層を備え、上記第1の電極ユニット、上記第2の電極ユニット及び上記第3の電極ユニットが備える負極は、多孔金属箔である負極集電体と、負極活物質を含み、上記負極集電体の表裏両面に積層された負極活物質層を備えてもよい。 The positive electrode included in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit includes a positive electrode current collector that is a porous metal foil, a positive electrode active material, and both front and back surfaces of the positive electrode current collector The negative electrode provided in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit includes a negative electrode current collector that is a porous metal foil, and a negative electrode active material. And a negative electrode active material layer laminated on both front and back surfaces of the negative electrode current collector.
この構成によれば、第1のリチウムイオン供給源及び第2のリチウムイオン供給源から放出されたリチウムイオンは正極、負極及びセパレータによって妨げられることなく各電極ユニット内を移動することができ、各電極ユニット内においてリチウムイオンのドープ量を均一化することが可能となる。 According to this configuration, the lithium ions released from the first lithium ion supply source and the second lithium ion supply source can move in each electrode unit without being blocked by the positive electrode, the negative electrode, and the separator, It becomes possible to make the dope amount of lithium ions uniform in the electrode unit.
上記第1の電極ユニット、上記第2の電極ユニット及び上記第3の電極ユニットは互いに同一の厚みを有してもよい。 The first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit may have the same thickness.
この構成によれば、同一構造の電極ユニットを第1の電極ユニット、第2の電極ユニット及び第3の電極ユニットとして利用することが可能であると共に各電極ユニット内においてリチウムイオンのドープ量を均一化することが可能となる。 According to this configuration, the electrode units having the same structure can be used as the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit, and the doping amount of lithium ions is uniform in each electrode unit. Can be realized.
上記電気化学デバイスは、リチウムイオンキャパシタであってもよい。 The electrochemical device may be a lithium ion capacitor.
以上のように本発明によれば、生産性に優れ、負極のプレドープ状態を均一化することが可能な電気化学デバイスを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an electrochemical device that is excellent in productivity and can make the pre-doped state of the negative electrode uniform.
本実施形態に係る電気化学デバイスについて説明する。 The electrochemical device according to this embodiment will be described.
[電気化学デバイスの構造]
図1は本実施形態に係る電気化学デバイス100の斜視図であり、図2は電気化学デバイス100の断面図である。図2は図1のA−A線での断面図である。
[Structure of electrochemical device]
FIG. 1 is a perspective view of an
電気化学デバイス100はリチウムイオンのプレドープが必要な電気化学デバイスであり、リチウムイオンキャパシタとすることができる。また電気化学デバイス100はリチウムイオン電池等のリチウムイオンのプレドープが必要な他の電気化学デバイスであってもよい。以下の説明では電気化学デバイス100はリチウムイオンキャパシタであるものとする。
The
図1及び図2に示すように、電気化学デバイス100は、第1電極ユニット101、第2電極ユニット102、第3電極ユニット103、第1リチウムイオン供給源104、第2リチウムイオン供給源105、外装フィルム106、正極端子107、負極端子108、第1シート部材171及び第2シート部材172を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以下、第1電極ユニット101、第2電極ユニット102、第3電極ユニット103、第1リチウムイオン供給源104、第2リチウムイオン供給源105、第1シート部材171及び第2シート部材172の積層体を電極体109とする。
Hereinafter, a laminated body of the
第1電極ユニット101、第2電極ユニット102及び第3電極ユニット103はそれぞれが蓄電可能なユニットである。第1電極ユニット101、第2電極ユニット102及び第3電極ユニット103は同一構造を有するものとすることができる。
Each of the
図3は、第1電極ユニット101、第2電極ユニット102及び第3電極ユニット103として利用することが可能な電極ユニット110の模式図である。同図に示すように電極ユニット110は正極120、負極130及びセパレータ140を備える。
FIG. 3 is a schematic diagram of an
正極120は、正極集電体121及び正極活物質層122を備える。正極集電体121は多数の貫通孔が形成された多孔金属箔であり、例えばアルミニウム箔である。正極集電体121の厚みは例えば0.03mmである。
The
正極活物質層122は、正極集電体121の表裏両面に形成されている。正極活物質層122は正極活物質とバインダ樹脂が混合されたものとすることができ、さらに導電助剤を含んでもよい。正極活物質は、電解液中のリチウムイオン及びアニオンが吸着可能な材料、例えば活性炭やポリアセン炭化物等である。
The positive electrode
バインダ樹脂は、正極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。 The binder resin is a synthetic resin that joins the positive electrode active material. For example, styrene butadiene rubber, polyethylene, polypropylene, aromatic polyamide, carboxymethyl cellulose, fluorine rubber, polyvinylidene fluoride, isoprene rubber, butadiene rubber, and ethylene propylene rubber. Etc. may be used.
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、正極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子等であってもよい。 The conductive auxiliary agent is a particle made of a conductive material, and improves the conductivity between the positive electrode active materials. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as graphite and carbon black. These may be single and multiple types may be mixed. The conductive auxiliary agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.
負極130は、負極集電体131及び負極活物質層132を備える。負極集電体131は、多数の貫通孔が形成された多孔金属箔であり、例えば銅箔である。負極集電体131の厚みは例えば0.015mmである。
The
負極活物質層132は、負極集電体131の表裏両面に形成されている。負極活物質層132は負極活物質とバインダ樹脂が混合されたものとすることができ、さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質は、電解液中のリチウムイオンを吸蔵可能な材料、例えば難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、グラファイトやソフトカーボン等の炭素系材料や、Si、SiOなどの合金系材料、または、それらの複合材料を用いることができる。
The negative electrode
バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。 The binder resin is a synthetic resin that joins the negative electrode active material. For example, styrene butadiene rubber, polyethylene, polypropylene, aromatic polyamide, carboxymethyl cellulose, fluorine rubber, polyvinylidene fluoride, isoprene rubber, butadiene rubber, and ethylene propylene rubber. Etc. may be used.
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子等であってもよい。 The conductive auxiliary agent is a particle made of a conductive material, and improves the conductivity between the negative electrode active materials. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as graphite and carbon black. These may be single and multiple types may be mixed. The conductive auxiliary agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.
セパレータ140は、正極120と負極130を隔て、電解液中に含まれるイオンを透過する。セパレータ140は、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、例えばオレフィン系樹脂を主材料としたものとすることができる。
正極120、負極130及びセパレータ140は、図3に示すように、正極120と負極130がセパレータ140を介して交互となるように積層され、セパレータ140を除く最下層及び最上層は負極130となるように構成されている。正極120及び負極130の積層数は特に限定されず、例えば正極120が9層、負極130が10層等とすることができる。
As shown in FIG. 3, the
上記構造を有する電極ユニット110を第1電極ユニット101、第2電極ユニット102及び第3電極ユニット103として利用することができる。各電極ユニットの正極集電体121は直接又は図示しない配線を介して正極端子107に電気的に接続され、各電極ユニットの負極集電体131は直接又は図示しない配線等によって負極端子108に電気的に接続されている。
The
第1リチウムイオン供給源104は、第1電極ユニット101と第3電極ユニット103の間に配置され、各電極ユニットの負極130にリチウムイオンを供給する。図4は、電極体109の拡大図である。同図に示すように、第1リチウムイオン供給源104は、リチウム用集電体151と金属リチウム152を備える。
The first lithium
リチウム用集電体151は、多数の貫通孔(図中h)が形成された多孔金属箔であり、例えば銅箔である。貫通孔hはリチウム用集電体151を貫通して形成され、孔径は数十〜数百μm程度とすることができる。リチウム用集電体151は、各電極ユニットの負極集電体131と直接又は負極端子108を介して電気的に接続されている。
The lithium
図4に示すように、リチウム用集電体151の主面のうち、第1電極ユニット101側の面を第1の主面151aとし、第3電極ユニット103側の面を第2の主面151bとする。
As shown in FIG. 4, of the main surfaces of the lithium
金属リチウム152は圧着等によって第1の主面151aに貼付されている。金属リチウム152は、第1の主面151aの全面に渡って均等な厚さを有するものが好適である。
The
第2リチウムイオン供給源105は、第2電極ユニット102と第3電極ユニット103の間に配置され、各電極ユニットの負極130にリチウムイオンを供給する。図4に示すように、第2リチウムイオン供給源105は、リチウム用集電体161と金属リチウム162を備える。
The second lithium
リチウム用集電体161は、多数の貫通孔(図中h)が形成された多孔金属箔であり、例えば銅箔である。貫通孔hはリチウム用集電体161を貫通して形成され、孔径は数十から数百μm程度とすることができる。リチウム用集電体161は、各電極ユニットの負極集電体131と直接又は負極端子108を介して電気的に接続されている。
The lithium
図4に示すように、リチウム用集電体161の主面のうち、第2電極ユニット102側の面を第3の主面161aとし、第3電極ユニット103側の面を第4の主面161bとする。
As shown in FIG. 4, among the main surfaces of the lithium
金属リチウム162は圧着等によって第3の主面161aに貼付されている。金属リチウム162は、第3の主面161aの全面に渡って均等な厚さを有するものが好適である。
The
第1シート部材171は、第1リチウムイオン供給源104と第3電極ユニット103の間に配置され、第1リチウムイオン供給源104と第3電極ユニット103を離間させと共に、リチウムイオンを透過する。第1シート部材171はイオン透過性を有するものであればよく、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、例えばオレフィン系樹脂を主材料としたものとすることができる。第1シート部材171は上記セパレータ140と同一の材料からなるシート部材であってもよい。
The
図5は、第1シート部材171を示す模式図である。第1シート部材171の厚みは特に限定されないが、25μm以上が好適である。また、第1シート部材171は、上記セパレータ140と同一の材料からなる複数枚のシート部材を積層したものであってもよい。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the
図5に示すように第3電極ユニット103の最外層にはセパレータ140が設けられている。このため、第1シート部材171が設けられることにより、第3電極ユニット103のうち第1リチウム供給源104に最も接近する負極130とリチウム用集電体151の距離(図5中、第1離間距離t1)は第1シート部材171とセパレータ140の厚みの和となる。この第1離間距離t1は50μm以上が好適である。
As shown in FIG. 5, a
第2シート部材172は、第2リチウムイオン供給源105と第3電極ユニット103の間に配置され、第2リチウムイオン供給源105と第3電極ユニット103を離間させると共に、リチウムイオンを透過する。第2シート部材172はイオン透過性を有するものであればよく、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、例えばオレフィン系樹脂を主材料としたものとすることができる。第2シート部材172は上記セパレータ140と同一の材料からなるシート部材であってもよい。
The
図6は、第2シート部材172を示す模式図である。第2シート部材172の厚みは特に限定されないが、25μm以上が好適である。また、第2シート部材172は、上記セパレータ140と同一の材料からなる複数枚のシート部材を積層したものであってもよい。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the
図6に示すように第3電極ユニット103の最外層にはセパレータ140が設けられている。このため、第2シート部材172が設けられることにより、第3電極ユニット103の第2リチウム供給源105に最も接近する負極130とリチウム用集電体161の距離(図6中、第2離間距離t2)は第2シート部材172とセパレータ140の厚みの和となる。この第2離間距離t2は50μm以上が好適である。
As shown in FIG. 6, a
外装フィルム106は、電極体109及び電解液を収容する収容空間を形成する。外装フィルム106はアルミニウム箔等の金属箔と樹脂を積層したラミネートフィルムであり、電極体109の周囲で融着され、封止されている。外装フィルム106に代えて、収容空間を封止可能な缶状部材等を利用してもよい。
The
電極体109と共に収容空間に収容される電解液は特に限定されないが、例えばLiPF6等を溶質とする溶液を用いることができる。
Although the electrolyte solution accommodated in the accommodation space together with the
正極端子107は、正極120の外部端子であり、各電極ユニットの正極120に電気的に接続されている。正極端子107は図1に示すように外装フィルム106の間から収容空間の外部へ引き出されている。正極端子107は導電性材料からなる箔や線材であってもよい。
The
負極端子108は、負極130の外部端子であり、各電極ユニットの負極130に電気的に接続されている。負極端子108は図1に示すように外装フィルム106の間から収容空間の外部へ引き出されている。負極端子108は導電性材料からなる箔や線材であってもよい。
The
[リチウムイオンのプレドープについて]
電気化学デバイス100の製造段階において、リチウム用集電体151及びリチウム用集電体161と負極集電体131を電気的に接続した状態で電極体109を電解液に浸漬させると、金属リチウム152及び金属リチウム162が溶解し、リチウムイオンが電解液中に放出される。リチウムイオンは電解液中を移動し、各電極ユニットが備える負極130の負極活物質層132中にドープ(プレドープ)される。
[About lithium ion pre-doping]
In the manufacturing stage of the
図7はリチウムイオンのプレドープを示す模式図である。同図に示すように、金属リチウム152から放出されたリチウムイオンは多くが金属リチウム152が面する第1電極ユニット101にドープされる(図中矢印A)。また、リチウムイオンの一部はリチウム用集電体151の貫通孔h及び第1シート部材171を介して拡散し、第3電極ユニット103に所定量がドープされる(図中矢印B)。
FIG. 7 is a schematic diagram showing pre-doping of lithium ions. As shown in the figure, most of the lithium ions released from the
金属リチウム152と第3電極ユニット103の間はリチウム用集電体151によって貫通孔hを除いて隔てられているため、金属リチウム152から第3電極ユニット103にドープされるリチウムイオンの量は、金属リチウム152から第1電極ユニット101にドープされるリチウムイオンの量より少なくなる。
Since the
また、図7に示すように、金属リチウム162から放出されたリチウムイオンは多くが金属リチウム162が面する第2電極ユニット102にドープされる(図中矢印C)。また、リチウムイオンの一部はリチウム用集電体161の貫通孔h及び第2シート部材172を介して拡散し、第3電極ユニット103に所定量がドープされる(図中矢印D)。
Further, as shown in FIG. 7, most of the lithium ions released from the
金属リチウム162と第3電極ユニット103の間はリチウム用集電体161によって貫通孔hを除いて隔てられているため、金属リチウム162から第3電極ユニット103にドープされるリチウムイオンの量は、金属リチウム162から第2電極ユニット102にドープされるリチウムイオンの量より少なくなる。
Since the
しかしながら第3電極ユニット103には、金属リチウム152及び金属リチウム162の両者からリチウムイオンが供給されるため、プレドープされるリチウムイオンの量は第1電極ユニット101及び第2電極ユニット102と同等となる。これにより、第1電極ユニット101、第2電極ユニット102及び第3電極ユニット103の間でリチウムイオンのドープ量が均一となり、電気化学デバイス100の長期安定性を確保することが可能である。
However, since lithium ions are supplied to the
また、第1リチウムイオン供給源104及び第2リチウムイオン供給源105は同一の構造を有するため、両者を作り分ける必要がなく、製造コストの低減が可能である。
Further, since the first lithium
さらに、上述のように、第1リチウムイオン供給源104と第3電極ユニット103の間には第1シート部材171が設けられ、第2リチウムイオン供給源105と第3電極ユニット103の間には第2シート部材172が設けられている。
Further, as described above, the
図8及び図9は、第1シート部材171の効果を示す模式図である。図8に示すように、仮に第1シート部材171が設けられないとすると、リチウム用集電体151と負極130が接近し、貫通孔hを介して第3電極ユニット103に到達したリチウムイオン(図中矢印)は負極130において不均一な分布となる。
8 and 9 are schematic views showing the effects of the
これに対し、図9に示すように第1シート部材171が設けられると、リチウム用集電体151と負極130が離間し、貫通孔hを介して第3電極ユニット103に到達したリチウムイオン(図中矢印)は負極130の主面方向において均一に分布する。
In contrast, when the
第2シート部材172についても同様に、リチウム用集電体162と負極130を離間させ、負極130の主面方向におけるリチウムイオンの分布を均一化する。
Similarly, for the
これにより、第3電極ユニット130の負極130におけるリチウムイオンの分布が均一となり、電気化学デバイス100の長期安定性をより確保することが可能である。
Thereby, the distribution of lithium ions in the
なお、上記のように金属リチウム152及び金属リチウム162はプレドープにおいて溶解し、電気化学デバイス100の使用時には金属リチウム152及び金属リチウム162は存在しない。しかしながら、リチウム用集電体151及びリチウム用集電体161に存在する金属リチウムの残渣等によってプレドープ前の金属リチウムの配置は判別可能である。
As described above, the
[変形例]
上記のように電気化学デバイス100は第1電極ユニット101、第2電極ユニット102、第3電極ユニット103、第1リチウムイオン供給源104及び第2リチウムイオン供給源105、第1シート部材171及び第2シート部材172が積層された電極体109を備える。ここで電気化学デバイス100は、複数の電極体109が積層され、収容空間に収容された構造を有するものであってもよい。この場合でもそれぞれの電極体109が備える電極ユニットの間でリチウムイオンのドープ量を均一化することが可能である。
[Modification]
As described above, the
また、上述の実施形態では1枚のセパレータの厚みを25μmとしたが、それより薄いセパレータを複数枚用いることにより同じ厚みとしてもよい。 Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the thickness of one separator was 25 micrometers, it is good also as the same thickness by using several separators thinner than it.
貫通孔(孔径100μm、開口率30%)を有する銅箔に金属リチウムを貼付し、リチウムイオン供給源を作製した。金属リチウムは負極SOC(state of charge)が60%程度となる量とした。 Metal lithium was affixed to a copper foil having a through-hole (hole diameter: 100 μm, opening ratio: 30%) to produce a lithium ion supply source. The amount of metallic lithium was such that the negative electrode SOC (state of charge) was about 60%.
正極と負極をセパレータを介して積層し、上述の電極ユニットを作製した。電極ユニット間にリチウムイオン供給源及びセパレータ(第1シート部材及び第2シート部材)を配置して3つの電極ユニットを積層し、上述の電極体を作製した。電極体に正極端子及び負極端子を接続し、電解液と共にラミネートフィルム内に封入した。これにより、容量2000F級のリチウムイオンキャパシタを作製した。電極ユニットとリチウムイオン供給源の間に挿入するセパレータの枚数が異なる複数種のリチウムイオンキャパシタを準備した。 The positive electrode and the negative electrode were laminated via a separator to produce the electrode unit described above. A lithium ion supply source and a separator (a first sheet member and a second sheet member) were arranged between the electrode units, and three electrode units were laminated to produce the above-described electrode body. A positive electrode terminal and a negative electrode terminal were connected to the electrode body and sealed in a laminate film together with the electrolyte. As a result, a lithium ion capacitor having a capacity of 2000F was manufactured. A plurality of types of lithium ion capacitors having different numbers of separators inserted between the electrode unit and the lithium ion supply source were prepared.
作製したリチウムイオンキャパシタについて、高温環境下にて100Cサイクル試験を実施し、サイクル寿命を測定した。図10は、各種リチウムイオンキャパシタのサイクル寿命を示す表である。「サイクル寿命」は、DCR(直流抵抗)が初期比200%となったときのサイクル数である。 About the produced lithium ion capacitor, the 100C cycle test was implemented in the high temperature environment, and the cycle life was measured. FIG. 10 is a table showing the cycle life of various lithium ion capacitors. “Cycle life” is the number of cycles when the DCR (direct current resistance) is 200% of the initial ratio.
「セパレータ枚数」は、第1シート部材及び第2シート部材として用いるセパレータのそれぞれの枚数であり、1枚のセパレータの厚みは25μmである。「集電体−最接近負極間距離」は、第1シート部材又は第2シート部材と電極ユニットが備えるセパレータの厚みの和である。 The “number of separators” is the number of separators used as the first sheet member and the second sheet member, and the thickness of one separator is 25 μm. The “current collector-closest negative electrode distance” is the sum of the thicknesses of the separators included in the first sheet member or the second sheet member and the electrode unit.
同図に示すようにセパレータ枚数を0枚とすると、サイクル寿命は44800サイクルであった。これに対し、セパレータ枚数を1枚とするとサイクル寿命は53400サイクルに向上した。以下、同様にセパレータ枚数を増加させるとサイクル寿命が向上することが確認された。 As shown in the figure, when the number of separators was 0, the cycle life was 44800 cycles. On the other hand, when the number of separators was 1, the cycle life was improved to 53400 cycles. Similarly, it was confirmed that the cycle life was improved when the number of separators was similarly increased.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Of course, a various change can be added.
100…電気化学デバイス
101…第1電極ユニット
102…第2電極ユニット
103…第3電極ユニット
104…第1リチウムイオン供給源
105…第2リチウムイオン供給源
106…外装フィルム
109…電極体
110…電極ユニット
120…正極
121…正極集電体
122…正極活物質層
130…負極
131…負極集電体
132…負極活物質層
140…セパレータ
151、161…リチウム用集電体
152、162…金属リチウム
171…第1シート部材
172…第2シート部材
DESCRIPTION OF
Claims (8)
正極と負極がセパレータを介して交互に積層された第2の電極ユニットと、
正極と負極がセパレータを介して交互に積層され、前記第1の電極ユニットと前記第2の電極ユニットの間に位置する第3の電極ユニットと、
前記第1の電極ユニットと前記第3の電極ユニットの間に配置され、前記第1の電極ユニット側の第1の主面と、前記第3の電極ユニット側の第2の主面とを有する多孔金属箔である第1の集電体を備える第1のリチウムイオン供給源と、
前記第2の電極ユニットと前記第3の電極ユニットの間に配置され、前記第2の電極ユニット側の第3の主面と、前記第3の電極ユニット側の第4の主面とを有する多孔金属箔である第2の集電体を備える第2のリチウムイオン供給源と、
前記第1のリチウムイオン供給源と前記第3の電極ユニットの間に配置され、前記第1のリチウムイオン供給源と前記第3の電極ユニットを離間させ、リチウムイオンを透過する第1のシート部材と、
前記第2のリチウムイオン供給源と前記第3の電極ユニットの間に配置され、前記第2のリチウムイオン供給源と前記第3の電極ユニットを離間させ、リチウムイオンを透過する第2のシート部材と、
前記第1の電極ユニット、前記第2の電極ユニット、前記第3の電極ユニット、前記第1のリチウムイオン供給源、前記第2のリチウムイオン供給源、前記第1のシート部材及び前記第2のシート部材が浸漬されている電解液と
を具備し、
前記第1の電極ユニット、前記第2の電極ユニット及び前記第3の電極ユニットが備える負極には、前記第1の主面に貼付された第1の金属リチウムと前記第3の主面に貼付された第2の金属リチウムからリチウムイオンのプレドープがなされている
電気化学デバイス。 A first electrode unit in which positive and negative electrodes are alternately stacked via separators;
A second electrode unit in which positive and negative electrodes are alternately stacked via separators;
A positive electrode and a negative electrode are alternately stacked via a separator, and a third electrode unit positioned between the first electrode unit and the second electrode unit;
The first electrode unit is disposed between the first electrode unit and the third electrode unit, and has a first main surface on the first electrode unit side and a second main surface on the third electrode unit side. A first lithium ion source comprising a first current collector that is a porous metal foil;
It is arrange | positioned between the said 2nd electrode unit and the said 3rd electrode unit, and has the 3rd main surface by the side of the 2nd electrode unit, and the 4th main surface by the side of the 3rd electrode unit. A second lithium ion source comprising a second current collector that is a porous metal foil;
A first sheet member that is disposed between the first lithium ion supply source and the third electrode unit, separates the first lithium ion supply source and the third electrode unit, and transmits lithium ions. When,
A second sheet member disposed between the second lithium ion supply source and the third electrode unit, separating the second lithium ion supply source and the third electrode unit and transmitting lithium ions; When,
The first electrode unit, the second electrode unit, the third electrode unit, the first lithium ion supply source, the second lithium ion supply source, the first sheet member and the second electrode unit An electrolyte solution in which the sheet member is immersed,
The negative electrode included in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit is attached to the first metal lithium attached to the first main surface and the third main surface. An electrochemical device in which lithium ions are pre-doped from the formed second metal lithium.
前記第1のシート部材及び前記第2のシート部材はセパレータである
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 1,
The electrochemical device according to claim 1, wherein the first sheet member and the second sheet member are separators.
前記第1のシート部材は及び前記第2のシート部材は、複数枚のセパレータが積層されて構成されている
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 2,
An electrochemical device in which the first sheet member and the second sheet member are configured by laminating a plurality of separators.
前記第1のシート部材の厚みは25μm以上であり、
前記第2のシート部材の厚みは25μm以上である
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3,
The thickness of the first sheet member is 25 μm or more,
The electrochemical device wherein the thickness of the second sheet member is 25 μm or more.
前記第1のシート部材は、前記第3の電極ユニットが備える負極のうち前記第1のリチウムイオン供給源に最も接近する負極と前記第1の集電体の間の距離が50μm以上となるように、前記第1のリチウムイオン供給源と前記負極を離間させ、
前記第2のシート部材は、前記第3の電極ユニットが備える負極のうち前記第2のリチウムイオン供給源に最も接近する負極と前記第2の集電体の間の距離が50μm以上となるように、前記第2のリチウムイオン供給源と前記負極を離間させる
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to any one of claims 1 to 4,
In the first sheet member, the distance between the negative electrode closest to the first lithium ion supply source among the negative electrodes included in the third electrode unit and the first current collector is 50 μm or more. And separating the first lithium ion source and the negative electrode,
In the second sheet member, a distance between the negative electrode closest to the second lithium ion supply source among the negative electrodes included in the third electrode unit and the second current collector is 50 μm or more. And an electrochemical device for separating the second lithium ion supply source from the negative electrode.
前記第1の電極ユニット、前記第2の電極ユニット及び前記第3の電極ユニットが備える正極は、多孔金属箔である正極集電体と、正極活物質を含み、前記正極集電体の表裏両面に積層された正極活物質層を備え、
前記第1の電極ユニット、前記第2の電極ユニット及び前記第3の電極ユニットが備える負極は、多孔金属箔である負極集電体と、負極活物質を含み、前記負極集電体の表裏両面に積層された負極活物質層を備える
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to any one of claims 1 to 5,
The positive electrode included in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit includes a positive electrode current collector that is a porous metal foil, a positive electrode active material, and both front and back surfaces of the positive electrode current collector A positive electrode active material layer laminated on
The negative electrodes included in the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit include a negative electrode current collector that is a porous metal foil, and a negative electrode active material, and both front and back surfaces of the negative electrode current collector An electrochemical device comprising a negative electrode active material layer laminated on a substrate.
前記第1の電極ユニット、前記第2の電極ユニット及び前記第3の電極ユニットは互いに同一の厚みを有する
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to any one of claims 1 to 6,
The electrochemical device, wherein the first electrode unit, the second electrode unit, and the third electrode unit have the same thickness.
リチウムイオンキャパシタである
電気化学デバイス。 The electrochemical device according to any one of claims 1 to 7,
An electrochemical device that is a lithium ion capacitor.
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