リチウムイオンキャパシタ
【課題】正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタを提供すること。
【解決手段】リチウムイオンキャパシタの電極群１１は、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を使用して形成される。電極群１１は、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の負極３１を挟み込んだ構造を有する。
【解決手段】リチウムイオンキャパシタの電極群１１は、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を使用して形成される。電極群１１は、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の負極３１を挟み込んだ構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を備えたリチウムイオンキャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
【０００３】
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている（特許文献１等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極をロール状に巻いて構成する捲回タイプと板状の電極を積層して構成する積層タイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電モジュールを構成するためには、積層タイプのキャパシタが用いられる。
【０００４】
積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、図１５及び図１６に示されるように、平板状の正極６１、負極６２及びセパレータ６３を使用し、それら正極６１と負極６２とをセパレータ６３を介して交互に積層することで電極群６５を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、各極６１，６２及びセパレータ６３を１枚ずつ積み重ねて電極群６５を形成する必要があるため、その形成工程が複雑となり時間がかかる。具体的には、積層タイプの電極群６５を形成する場合、捲回タイプと比較して３倍以上の時間がかかってしまう。
【０００７】
一方、捲回タイプのリチウムイオンキャパシタは、生産性が高いが、円筒状の電極群の端部に外部端子を接続して集電を図る構造であるため、電気抵抗が高くなり高出力には不向きである。さらに、電極群が円筒形状となると、外部端子を接続し難いといった問題も生じていた。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込んだ構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタをその要旨とする。
【００１０】
手段１に記載の発明によると、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、正極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。また、電極群には、平板状の複数の負極が挟み込まれているので、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回したり蛇腹状に折り畳んだりする際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。ここで、負極が折れ曲がって部分的に薄くなると、その薄くなった部分で電流集中が起こり、リチウム金属が析出し易くなるが、この場合には高出力化の達成が阻害されてしまう。これに対して、本発明では、各負極は平板状で均一な厚さを有するため、電流集中が起こり難く、リチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群を構成する正極の平旦部及び平板状の負極に対して外部電極を容易に接続することができる。さらに、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。また、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状あるいは蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１１】
手段２に記載の発明は、収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子が前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に位置する負極電極を残す一方で平坦部以外の正負極電極を予め各集電体上から除去し、且つ正極の電極面積を負極の電極面積より小さくし、正極の外周が負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタをその要旨とする。
【００１２】
手段２に記載の発明によると、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、正極、セパレータ及び負極を一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。また、電極群を構成する負極は、正極の平旦部間に位置する負極電極が残されるとともに、平坦部以外の正負極電極は予め集電体上から除去されている。このように構成しても、負極面積が正極面積よりも大きく負極電極の外周が正極電極の外周より外側にあるために、各負極での電流集中が起こり難くなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群を構成する正極の平旦部及び負極の平旦部に対して外部電極を容易に接続することができる。さらに、電極群は、正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。また、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状あるいは蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１３】
手段３に記載の発明は、手段１または２において、前記正極集電体及び前記負極集電体のうち少なくとも前記負極集電体が多孔質体であることをその要旨とする。
【００１４】
手段３に記載の発明によると、負極集電体が多孔質体であるので、負極電極へのリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。また、負極集電体に加えて正極集電体も多孔質体とすると、プレドープ用のリチウム金属の配置の自由度が増すため、リチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。
【００１５】
手段４に記載の発明は、手段１乃至３のいずれかにおいて、前記正極及び前記セパレータが、前記電極群における層状部分を除く箇所において部分的に切断されていることをその要旨とする。
【００１６】
手段４に記載の発明によると、電極群を部分的に切断することにより、切断箇所を通してリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す側面図。
【図２】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図３】第１の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図４】図３の電極群におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図５】正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図６】正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図８】第２の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１１】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１２】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１３】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１４】別の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図１５】従来の正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図１６】従来の電極群を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
【００２０】
以下、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ１０を示す側面図であり、図２はそのリチウムイオンキャパシタ１０の平面図である。また、図３は、上記リチウムイオンキャパシタ１０を構成する電極群１１を示す断面図であり、図４は、図３の電極群１１におけるＡ−Ａ線での断面図である。さらに、図５は、電極群１１を構成する正極２１、負極３１及びセパレータ４１を示す平面図である。
【００２１】
図１〜図５に示されるように、本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０は、正極２１と負極３１とそれら正極２１及び負極３１の間に介在されるセパレータ４１とからなる電極群１１を備える。本実施の形態の電極群１１は、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の負極３１を挟み込んだ構造を有する。そして、その電極群１１が電解質とともに容器５１（収容体）内に密閉収納されている。
【００２２】
帯状の正極２１は、炭素材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している（図５参照）。本実施の形態では、帯状の正極集電体２３上において、一方の端部を長手方向に沿ってライン状に残した状態で平面状に正極電極２２が塗工されている。
【００２３】
正極電極２２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料に黒鉛化処理を施した合成黒鉛材料、またはこれらの混合物等が挙げられる。これらの炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２４】
上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。
【００２５】
上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。
【００２６】
上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。
【００２７】
扁平ロール状に捲回した電極群１１において、正極集電体２３における一方の端部（正極電極２２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の捲回部分から突出している。この正極集電体２３の一方の端部に、導電性金属材料からなる正極用外部端子２５が溶接により接合される。
【００２８】
負極３１は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。本実施の形態では、平板状の負極集電体３３上において、一方の端部を残した状態で平面状に負極電極３２が塗工されている。なお、リチウムイオンを供給する金属としては、リチウム金属単体のみを指すばかりでなく、リチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することができる物質全てを広く指している。
【００２９】
負極電極３２の形成材料の具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ２ＳｎＯ３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ０．４Ｂ０．６Ｏ２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。
【００３０】
負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。
【００３１】
負極集電体３３は負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。また、負極集電体３３として多孔質体を用いると、リチウムイオンのプレドープの効率を高めることが可能となる。
【００３２】
扁平ロール状に捲回した電極群１１において、負極集電体３３における一方の端部（負極電極３２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の捲回部分から突出している。この負極集電体３３の一方の端部に、導電性金属材料からなる負極用外部端子３５が溶接により接合される。
【００３３】
また、電極群１１の所定部位（例えば、外部端子側の上下の各部位）には、リチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部にはプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。
【００３４】
本実施の形態の電極群１１において、正極２１の平旦部の面積は、電極群１１の厚さ方向から見て（即ち平面視で）負極３１の面積よりも大きくなっている。このような大きさにする理由は、電流集中によるリチウム金属の析出を避けるためである。
【００３５】
負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータ４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００３６】
かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。
【００３７】
リチウムイオンキャパシタ１０の容器５１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。
【００３８】
このようにして容器５１内に電極群１１を収容した場合、容器５１における一方の端部（図１では右側の端部）から正極用外部端子２５が引き出され、他方の端部（図１では左側の端部）から負極用外部端子３５が引き出される。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて、容器５１を形成してもよい。
【００３９】
次に、上述したリチウムイオンキャパシタ１０の製造方法について説明する。
【００４０】
先ず、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を準備する(図５参照)。
【００４１】
正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、帯状の正極２１とする。負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、平板状の負極３１とする。さらに、セパレータ原紙を切断することで帯状のセパレータ４１とする。
【００４２】
そして、図６に示されるように、正極２１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして扁平ロール状に捲回する。このとき、図７に示されるように、正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込みながら正極２１及びセパレータ４１を順次巻いていく。これを繰り返すことにより、図３及び図４に示されるような扁平ロール状の電極群１１が作製される。なお、本実施形態のような扁平ロール状の電極群１１であると、一対の扁平面に対して垂直な方向（即ち電極群厚さ方向）に押圧力を加えることが可能な構造となるため、従来の円筒ロール状の電極群とは異なり高出力化を達成しやすくなる。
【００４３】
この後、正極集電体２３の端部に正極用外部端子２５を超音波溶接し、かつ、負極集電体３３の端部に負極用外部端子３５を超音波溶接する。次に、容器５１の中に端子付きの電極群１１を収容して開口部を閉じる。またこのとき、電極群１１の上下にリチウム金属を配置して容器５１内に収納する。この後、真空引きを行いつつ有機電解質を注入し、容器５１内の収容空間を有機電解質で確実に満たすようにする。さらに、容器５１を密閉して所定時間保持し、リチウムイオンのプレドープを進行させる。以上の結果、図１に示すリチウムイオンキャパシタ１０が完成する。
【００４４】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４５】
（１）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回しまた状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込むことで電極群１１が形成されている。このようにすると、正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせて電極群６５（図１６参照）を形成する従来のキャパシタと比較して、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１には、平板状の複数の負極３１が挟み込まれているので、扁平ロール状に捲回する際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。従って、各負極３１は均一な厚さを有するため、電流集中が起こり難く、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群１１を構成する正極２１の平旦部及び平板状の負極３１に対して外部電極２５，３５を容易に接続することができる。さらに、電極群１１は、正極２１と負極３１とがセパレータ４１を介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたリチウムイオンキャパシタ１０を実現することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、電極群１１を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタ１０を提供することができる。
【００４７】
（２）本実施の形態の電極群１１では、正極２１の平坦部の面積が負極３１の面積よりも大きいので、電流集中が回避され、リチウム金属の析出を確実に防止することができる。
【００４８】
（３）本実施の形態の電極群１１において、負極３１を構成する負極集電体３３を多孔質体にて形成することにより、負極電極３２へのリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。
［第２の実施の形態］
【００４９】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８及び図９に基づき説明する。本実施の形態では、電極群１１Ａの形成方法が上記第１の実施の形態と異なり、それ以外は、第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０と同じである。
【００５０】
具体的には、図８に示されるように、本実施の形態の電極群１１Ａは、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状（言い換えるとジグザグ状）に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込んだ構造を有している。
【００５１】
本実施の形態の電極群１１Ａを形成する場合も、上記第１の実施の形態と同様に、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を使用する（図５参照）。そして、図９に示されるように、正極２１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして蛇腹状に折り畳む。このとき、正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込みながら正極２１及びセパレータ４１を折り畳む。これを繰り返すことで図８に示されるような電極群１１Ａが作製される。
【００５２】
本実施の形態のように電極群１１Ａを形成した場合でも、従来技術のように正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせる必要がないため、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１Ａには、平板状の複数の負極３１が挟み込まれているので、蛇腹状に折り畳む際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。従って、各負極３１は均一な厚さを有するため、高出力化を阻害する一原因である電流集中が起こり難く、リチウム金属の析出を避けることができる。
【００５３】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５４】
・上記各実施の形態では、帯状の正極２１は、正極集電体２３上において平面状に正極電極２２が塗工されるものであったが、これに限定されるものではない。正極２１において負極３１と対向しない部分は不要であるため、例えば、図１０に示されるように、負極３１と対向する位置にある正極電極２２を残す一方で他の部位の正極電極２２をあらかじめ正極集電体２３上から除去した正極２１ａを用いてもよい。なおこの場合、正極集電体２３上に残される島状の正極電極２２は、正極２１の平旦部に対応する部位であってその面積が負極３１よりも大きくなるよう形成されている。そして、正極２１ａの表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１ａとセパレータ４１とを重ね合わせる。その後、正極２１ａ及びセパレータ４１を扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の正極２１ａの平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込むことで電極群１１，１１Ａを作製する。このように構成しても、正極２１ａを１枚１枚重ね合わせる必要がない。また、正極２１ａにおいて、正極電極２２が除去された部分は、正極電極２２が残されている部分と比較して容易に折り曲げることができる。このため、電極群１１，１１Ａを短時間で作製することができる。
【００５５】
・上記各実施の形態では、平板状の負極３１を複数枚使用して電極群１１，１１Ａを構成していたが、これに限定されるものではなく、例えば、図１１に示されるように帯状の負極３１ａを使用して電極群１１，１１Ａを構成してもよい。この負極３１ａでは、正極２１の平旦部と対向する位置にある負極電極３２を残す一方で他の部位の負極電極３２をあらかじめ負極集電体３３上から除去している。なおこの場合、負極集電体３３上に残される島状の負極電極３２は、その面積が正極２１の平旦部よりも小さくなるよう形成されている。そして、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び帯状の負極３１ａを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群１１，１１Ａを作製する。このように構成すると、負極３１ａを１枚１枚重ね合わせる必要がない。また、負極３１ａにおいて、負極電極３２が除去された部分は、負極電極３２が残されている部分と比較して容易に折り曲げることができる。このため、電極群１１，１１Ａを短時間で作製することができる。
【００５６】
また、図１２に示されるように、一部を切り欠いた帯状の負極３１ｂを用いて電極群１１，１１Ａを形成してもよい。図１２の負極３１ｂは、正極２１の平旦部と対向しない部位であって折曲部となる部位を切り欠くことで櫛歯状に形成されている。さらに、図１３に示されるように、負極３１ｂと同様に、櫛歯状に切り欠いた正極２１ｂを用いて電極群１１，１１Ａを形成してもよい。このような正極２１ｂや負極３１ｂを用いると、各極を１枚１枚重ね合わせる必要がなく、さらに、正極２１ｂや負極３１ｂの折り曲げも容易に行うことができるため、電極群１１，１１Ａを短時間で形成することができる。また、その電極群１１，１１Ａを用いることにより、リチウムイオンキャパシタの軽量化を図ることができる。
【００５７】
・上記第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、扁平ロール状に形成した電極群１１の側面部は、正極２１及び負極３１が対向しない不要部分である。従って、図１４に示されるように、電極群１１の側面部（層状部分を除く箇所）を切断して除去してもよい。このように構成すれば、電極群１１の側面部からリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。また、リチウムイオンキャパシタの軽量化も図ることができる。
【００５８】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５が互いに反対方向に引き出されていたが、これに限定するものではなく、同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出す構成としてもよい。
【００５９】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、電極群１１，１１Ａを収納する容器５１として、アルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器を用いたが、これに限定されるものではなく、アルミニウム等の金属材料からなるハード容器を用いてもよい。
【００６０】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６１】
（１）手段１において、前記電極群は、前記捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極において前記負極と対向する位置にある正極電極を残す一方で他の部位の正極電極をあらかじめ負極集電体上から除去した構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【００６２】
（２）手段１乃至５のいずれかにおいて、前記正極用外部端子及び前記負極用外部端子が互いに反対方向に引き出されていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【００６３】
（３）収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタの製造方法であって、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込むことで前記電極群を形成することを特徴とするリチウムイオンキャパシタの製造方法。
【符号の説明】
【００６４】
１０…リチウムイオンキャパシタ
１１，１１Ａ…電極群
２１，２１ａ…正極
２２…正極電極
２３…正極集電体
２５…正極用外部端子
３１，３１ａ…負極
３２…負極電極
３３…負極集電体
３５…負極用外部端子
４１…セパレータ
５１…収容体としての容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を備えたリチウムイオンキャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
【０００３】
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている（特許文献１等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極をロール状に巻いて構成する捲回タイプと板状の電極を積層して構成する積層タイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電モジュールを構成するためには、積層タイプのキャパシタが用いられる。
【０００４】
積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、図１５及び図１６に示されるように、平板状の正極６１、負極６２及びセパレータ６３を使用し、それら正極６１と負極６２とをセパレータ６３を介して交互に積層することで電極群６５を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記積層タイプのリチウムイオンキャパシタでは、各極６１，６２及びセパレータ６３を１枚ずつ積み重ねて電極群６５を形成する必要があるため、その形成工程が複雑となり時間がかかる。具体的には、積層タイプの電極群６５を形成する場合、捲回タイプと比較して３倍以上の時間がかかってしまう。
【０００７】
一方、捲回タイプのリチウムイオンキャパシタは、生産性が高いが、円筒状の電極群の端部に外部端子を接続して集電を図る構造であるため、電気抵抗が高くなり高出力には不向きである。さらに、電極群が円筒形状となると、外部端子を接続し難いといった問題も生じていた。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込んだ構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタをその要旨とする。
【００１０】
手段１に記載の発明によると、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、正極及びセパレータを一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。また、電極群には、平板状の複数の負極が挟み込まれているので、帯状の正極及び帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回したり蛇腹状に折り畳んだりする際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。ここで、負極が折れ曲がって部分的に薄くなると、その薄くなった部分で電流集中が起こり、リチウム金属が析出し易くなるが、この場合には高出力化の達成が阻害されてしまう。これに対して、本発明では、各負極は平板状で均一な厚さを有するため、電流集中が起こり難く、リチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群を構成する正極の平旦部及び平板状の負極に対して外部電極を容易に接続することができる。さらに、電極群は正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。また、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状あるいは蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１１】
手段２に記載の発明は、収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子が前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に位置する負極電極を残す一方で平坦部以外の正負極電極を予め各集電体上から除去し、且つ正極の電極面積を負極の電極面積より小さくし、正極の外周が負極の外周の内側にある構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタをその要旨とする。
【００１２】
手段２に記載の発明によると、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群が形成されているので、正極、セパレータ及び負極を一枚一枚重ね合わせて電極群を形成する場合と比較してその形成工程を簡素化することができる。また、電極群を構成する負極は、正極の平旦部間に位置する負極電極が残されるとともに、平坦部以外の正負極電極は予め集電体上から除去されている。このように構成しても、負極面積が正極面積よりも大きく負極電極の外周が正極電極の外周より外側にあるために、各負極での電流集中が起こり難くなり、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群を構成する正極の平旦部及び負極の平旦部に対して外部電極を容易に接続することができる。さらに、電極群は、正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたキャパシタを実現することができる。また、従来の円筒ロール形状とは異なり電極群を扁平ロール状あるいは蛇腹状にしたことで、電極群の厚さ方向への加圧が可能な構造となり、このことも高出力化に寄与している。
【００１３】
手段３に記載の発明は、手段１または２において、前記正極集電体及び前記負極集電体のうち少なくとも前記負極集電体が多孔質体であることをその要旨とする。
【００１４】
手段３に記載の発明によると、負極集電体が多孔質体であるので、負極電極へのリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。また、負極集電体に加えて正極集電体も多孔質体とすると、プレドープ用のリチウム金属の配置の自由度が増すため、リチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。
【００１５】
手段４に記載の発明は、手段１乃至３のいずれかにおいて、前記正極及び前記セパレータが、前記電極群における層状部分を除く箇所において部分的に切断されていることをその要旨とする。
【００１６】
手段４に記載の発明によると、電極群を部分的に切断することにより、切断箇所を通してリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、正極、負極及びセパレータからなる電極群を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す側面図。
【図２】第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図３】第１の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図４】図３の電極群におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図５】正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図６】正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図８】第２の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施の形態の電極群の製造方法を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１１】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１２】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１３】別の実施の形態の正極、負極及びセパレータを示す斜視図。
【図１４】別の実施の形態の電極群を示す断面図。
【図１５】従来の正極、負極及びセパレータを示す平面図。
【図１６】従来の電極群を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
【００２０】
以下、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ１０を示す側面図であり、図２はそのリチウムイオンキャパシタ１０の平面図である。また、図３は、上記リチウムイオンキャパシタ１０を構成する電極群１１を示す断面図であり、図４は、図３の電極群１１におけるＡ−Ａ線での断面図である。さらに、図５は、電極群１１を構成する正極２１、負極３１及びセパレータ４１を示す平面図である。
【００２１】
図１〜図５に示されるように、本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０は、正極２１と負極３１とそれら正極２１及び負極３１の間に介在されるセパレータ４１とからなる電極群１１を備える。本実施の形態の電極群１１は、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回した状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して平板状の負極３１を挟み込んだ構造を有する。そして、その電極群１１が電解質とともに容器５１（収容体）内に密閉収納されている。
【００２２】
帯状の正極２１は、炭素材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している（図５参照）。本実施の形態では、帯状の正極集電体２３上において、一方の端部を長手方向に沿ってライン状に残した状態で平面状に正極電極２２が塗工されている。
【００２３】
正極電極２２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料に黒鉛化処理を施した合成黒鉛材料、またはこれらの混合物等が挙げられる。これらの炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２４】
上記導電剤としては各種黒鉛材料やカーボンブラックが挙げられるが、なかでも導電性カーボンブラック類を使用することが好ましい。その具体例としては、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等があるが、液体保持力に優れかつ電気抵抗が低いという点でアセチレンブラックを選択することが特に好ましい。
【００２５】
上記バインダとしては、有機電解質に対して不溶のものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素系樹脂、カルボキシメチルセルロースのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸ソーダ等の有機高分子化合物が好適である。
【００２６】
上記正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウム、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。ステンレスは、リチウムと合金化せず、かつ、電気化学的酸化が起こりにくいという点で、好適な材料であるといえる。
【００２７】
扁平ロール状に捲回した電極群１１において、正極集電体２３における一方の端部（正極電極２２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の捲回部分から突出している。この正極集電体２３の一方の端部に、導電性金属材料からなる正極用外部端子２５が溶接により接合される。
【００２８】
負極３１は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。本実施の形態では、平板状の負極集電体３３上において、一方の端部を残した状態で平面状に負極電極３２が塗工されている。なお、リチウムイオンを供給する金属としては、リチウム金属単体のみを指すばかりでなく、リチウム−アルミニウム合金のように、少なくともリチウムを含有し、リチウムイオンを供給することができる物質全てを広く指している。
【００２９】
負極電極３２の形成材料の具体例としては、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、一酸化珪素（ＳｉＯ）、一酸化錫（ＳｎＯ）、錫とリチウムとの複合酸化物（Ｌｉ２ＳｎＯ３）、リチウム・リン・ホウ素の複合酸化物（例えばＬｉＰ０．４Ｂ０．６Ｏ２．９）、等がある。これらのなかでも、黒鉛材料、易黒鉛化性炭素材料、難黒鉛化性炭素材料等の炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。
【００３０】
負極電極３２を形成する炭素材料の例としては、適度な粉砕処理が施された各種の天然黒鉛、合成黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛材料、炭素化処理されたメソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、石油コークス、ピッチコークス及びニードルコークス等の炭素材料、またはこれらの混合物等がある。ここに列挙した負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。なお、導電剤及びバインダとしては、正極電極２２の説明の際に例示した材料をそのまま使用することができる。
【００３１】
負極集電体３３は負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅、ニッケル、ステンレス等のような導電性金属箔あるいは導電性金属板の使用が好適である。また、負極集電体３３として多孔質体を用いると、リチウムイオンのプレドープの効率を高めることが可能となる。
【００３２】
扁平ロール状に捲回した電極群１１において、負極集電体３３における一方の端部（負極電極３２が塗工されていない端部）がセパレータ４１の捲回部分から突出している。この負極集電体３３の一方の端部に、導電性金属材料からなる負極用外部端子３５が溶接により接合される。
【００３３】
また、電極群１１の所定部位（例えば、外部端子側の上下の各部位）には、リチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部にはプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。
【００３４】
本実施の形態の電極群１１において、正極２１の平旦部の面積は、電極群１１の厚さ方向から見て（即ち平面視で）負極３１の面積よりも大きくなっている。このような大きさにする理由は、電流集中によるリチウム金属の析出を避けるためである。
【００３５】
負極３１及び正極２１の間に介在されるセパレータ４１は、有機電解質や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータ４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、有機電解質の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００３６】
かかるセパレータ４１には通常液状の有機電解質が含浸されているが、漏液を防止するためにゲル状または固体状にした有機電解質を用いることもできる。ここで前記有機電解質は、ドーピングされうるリチウムイオンを生成しうる化合物を、非プロトン性有機溶媒に溶解させてなるものである。上記化合物としては有機リチウム塩を挙げることができ、その好適例としては、ＬｉＰＦ６と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２と表記されるリチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホン）イミド等がある。また、上記非プロトン性有機溶媒の好適例としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、アセトニトリル（ＡＮ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）及びこれらの誘導体、あるいはそれらの混合溶媒等がある。
【００３７】
リチウムイオンキャパシタ１０の容器５１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。
【００３８】
このようにして容器５１内に電極群１１を収容した場合、容器５１における一方の端部（図１では右側の端部）から正極用外部端子２５が引き出され、他方の端部（図１では左側の端部）から負極用外部端子３５が引き出される。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて、容器５１を形成してもよい。
【００３９】
次に、上述したリチウムイオンキャパシタ１０の製造方法について説明する。
【００４０】
先ず、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を準備する(図５参照)。
【００４１】
正極２１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料、導電剤及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを正極集電体２３である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布して、正極電極２２を形成する。正極電極２２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、帯状の正極２１とする。負極３１の作製は下記の手順で行う。まず、炭素材料及びバインダを含む混合スラリーを用意し、これを負極集電体３３である厚さ１２μｍの銅箔に塗布して、負極電極３２を形成する。負極電極３２の乾燥及びプレスを行った後、金型で所定サイズに裁断して、平板状の負極３１とする。さらに、セパレータ原紙を切断することで帯状のセパレータ４１とする。
【００４２】
そして、図６に示されるように、正極２１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして扁平ロール状に捲回する。このとき、図７に示されるように、正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込みながら正極２１及びセパレータ４１を順次巻いていく。これを繰り返すことにより、図３及び図４に示されるような扁平ロール状の電極群１１が作製される。なお、本実施形態のような扁平ロール状の電極群１１であると、一対の扁平面に対して垂直な方向（即ち電極群厚さ方向）に押圧力を加えることが可能な構造となるため、従来の円筒ロール状の電極群とは異なり高出力化を達成しやすくなる。
【００４３】
この後、正極集電体２３の端部に正極用外部端子２５を超音波溶接し、かつ、負極集電体３３の端部に負極用外部端子３５を超音波溶接する。次に、容器５１の中に端子付きの電極群１１を収容して開口部を閉じる。またこのとき、電極群１１の上下にリチウム金属を配置して容器５１内に収納する。この後、真空引きを行いつつ有機電解質を注入し、容器５１内の収容空間を有機電解質で確実に満たすようにする。さらに、容器５１を密閉して所定時間保持し、リチウムイオンのプレドープを進行させる。以上の結果、図１に示すリチウムイオンキャパシタ１０が完成する。
【００４４】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４５】
（１）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて扁平ロール状に捲回するとともに、捲回しまた状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込むことで電極群１１が形成されている。このようにすると、正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせて電極群６５（図１６参照）を形成する従来のキャパシタと比較して、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１には、平板状の複数の負極３１が挟み込まれているので、扁平ロール状に捲回する際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。従って、各負極３１は均一な厚さを有するため、電流集中が起こり難く、高出力化を阻害する一原因であるリチウム金属の析出を避けることができる。また、電極群１１を構成する正極２１の平旦部及び平板状の負極３１に対して外部電極２５，３５を容易に接続することができる。さらに、電極群１１は、正極２１と負極３１とがセパレータ４１を介して交互に積層された構造となるため、急速充放電に優れたリチウムイオンキャパシタ１０を実現することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、電極群１１を短時間で効率よく製造でき、しかも高出力化の達成に好適な構造を有するリチウムイオンキャパシタ１０を提供することができる。
【００４７】
（２）本実施の形態の電極群１１では、正極２１の平坦部の面積が負極３１の面積よりも大きいので、電流集中が回避され、リチウム金属の析出を確実に防止することができる。
【００４８】
（３）本実施の形態の電極群１１において、負極３１を構成する負極集電体３３を多孔質体にて形成することにより、負極電極３２へのリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。
［第２の実施の形態］
【００４９】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８及び図９に基づき説明する。本実施の形態では、電極群１１Ａの形成方法が上記第１の実施の形態と異なり、それ以外は、第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０と同じである。
【００５０】
具体的には、図８に示されるように、本実施の形態の電極群１１Ａは、帯状の正極２１及び帯状のセパレータ４１を重ね合わせて蛇腹状（言い換えるとジグザグ状）に折り畳むとともに、折り畳んだ状態の正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込んだ構造を有している。
【００５１】
本実施の形態の電極群１１Ａを形成する場合も、上記第１の実施の形態と同様に、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極３１を使用する（図５参照）。そして、図９に示されるように、正極２１の表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１とセパレータ４１とを重ね合わせた後、所定の面積を平らにして蛇腹状に折り畳む。このとき、正極２１の平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込みながら正極２１及びセパレータ４１を折り畳む。これを繰り返すことで図８に示されるような電極群１１Ａが作製される。
【００５２】
本実施の形態のように電極群１１Ａを形成した場合でも、従来技術のように正極６１やセパレータ６３を一枚一枚重ね合わせる必要がないため、形成工程を簡素化することができる。また、電極群１１Ａには、平板状の複数の負極３１が挟み込まれているので、蛇腹状に折り畳む際に、負極の折れ曲がりを防ぐことができる。従って、各負極３１は均一な厚さを有するため、高出力化を阻害する一原因である電流集中が起こり難く、リチウム金属の析出を避けることができる。
【００５３】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５４】
・上記各実施の形態では、帯状の正極２１は、正極集電体２３上において平面状に正極電極２２が塗工されるものであったが、これに限定されるものではない。正極２１において負極３１と対向しない部分は不要であるため、例えば、図１０に示されるように、負極３１と対向する位置にある正極電極２２を残す一方で他の部位の正極電極２２をあらかじめ正極集電体２３上から除去した正極２１ａを用いてもよい。なおこの場合、正極集電体２３上に残される島状の正極電極２２は、正極２１の平旦部に対応する部位であってその面積が負極３１よりも大きくなるよう形成されている。そして、正極２１ａの表裏にセパレータ４１を配置してそれら正極２１ａとセパレータ４１とを重ね合わせる。その後、正極２１ａ及びセパレータ４１を扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の正極２１ａの平旦部間にセパレータ４１を介して負極３１を挟み込むことで電極群１１，１１Ａを作製する。このように構成しても、正極２１ａを１枚１枚重ね合わせる必要がない。また、正極２１ａにおいて、正極電極２２が除去された部分は、正極電極２２が残されている部分と比較して容易に折り曲げることができる。このため、電極群１１，１１Ａを短時間で作製することができる。
【００５５】
・上記各実施の形態では、平板状の負極３１を複数枚使用して電極群１１，１１Ａを構成していたが、これに限定されるものではなく、例えば、図１１に示されるように帯状の負極３１ａを使用して電極群１１，１１Ａを構成してもよい。この負極３１ａでは、正極２１の平旦部と対向する位置にある負極電極３２を残す一方で他の部位の負極電極３２をあらかじめ負極集電体３３上から除去している。なおこの場合、負極集電体３３上に残される島状の負極電極３２は、その面積が正極２１の平旦部よりも小さくなるよう形成されている。そして、帯状の正極２１、帯状のセパレータ４１及び帯状の負極３１ａを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むことで電極群１１，１１Ａを作製する。このように構成すると、負極３１ａを１枚１枚重ね合わせる必要がない。また、負極３１ａにおいて、負極電極３２が除去された部分は、負極電極３２が残されている部分と比較して容易に折り曲げることができる。このため、電極群１１，１１Ａを短時間で作製することができる。
【００５６】
また、図１２に示されるように、一部を切り欠いた帯状の負極３１ｂを用いて電極群１１，１１Ａを形成してもよい。図１２の負極３１ｂは、正極２１の平旦部と対向しない部位であって折曲部となる部位を切り欠くことで櫛歯状に形成されている。さらに、図１３に示されるように、負極３１ｂと同様に、櫛歯状に切り欠いた正極２１ｂを用いて電極群１１，１１Ａを形成してもよい。このような正極２１ｂや負極３１ｂを用いると、各極を１枚１枚重ね合わせる必要がなく、さらに、正極２１ｂや負極３１ｂの折り曲げも容易に行うことができるため、電極群１１，１１Ａを短時間で形成することができる。また、その電極群１１，１１Ａを用いることにより、リチウムイオンキャパシタの軽量化を図ることができる。
【００５７】
・上記第１の実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、扁平ロール状に形成した電極群１１の側面部は、正極２１及び負極３１が対向しない不要部分である。従って、図１４に示されるように、電極群１１の側面部（層状部分を除く箇所）を切断して除去してもよい。このように構成すれば、電極群１１の側面部からリチウムイオンのプレドープを効率よく行うことができる。また、リチウムイオンキャパシタの軽量化も図ることができる。
【００５８】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５が互いに反対方向に引き出されていたが、これに限定するものではなく、同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出す構成としてもよい。
【００５９】
・上記各実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０において、電極群１１，１１Ａを収納する容器５１として、アルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器を用いたが、これに限定されるものではなく、アルミニウム等の金属材料からなるハード容器を用いてもよい。
【００６０】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６１】
（１）手段１において、前記電極群は、前記捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極において前記負極と対向する位置にある正極電極を残す一方で他の部位の正極電極をあらかじめ負極集電体上から除去した構造を有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【００６２】
（２）手段１乃至５のいずれかにおいて、前記正極用外部端子及び前記負極用外部端子が互いに反対方向に引き出されていることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【００６３】
（３）収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタの製造方法であって、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込むことで前記電極群を形成することを特徴とするリチウムイオンキャパシタの製造方法。
【符号の説明】
【００６４】
１０…リチウムイオンキャパシタ
１１，１１Ａ…電極群
２１，２１ａ…正極
２２…正極電極
２３…正極集電体
２５…正極用外部端子
３１，３１ａ…負極
３２…負極電極
３３…負極集電体
３５…負極用外部端子
４１…セパレータ
５１…収容体としての容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込んだ構造を有する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【請求項２】
収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子が前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に位置する負極電極を残す一方で平坦部以外の正負極電極を予め各集電体上から除去し、且つ正極の電極面積を負極の電極面積より小さくし、正極の外周が負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【請求項３】
前記正極集電体及び前記負極集電体のうち少なくとも前記負極集電体が多孔質体であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオンキャパシタ。
【請求項４】
前記正極及び前記セパレータが、前記電極群における層状部分を除く箇所において部分的に切断されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
【請求項１】
収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子がともに前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び曲がりのない平板状かつ複数枚の負極を使用し、前記帯状の正極及び前記帯状のセパレータを重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に前記セパレータを介して前記負極を挟み込んだ構造を有する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【請求項２】
収容体と、炭素材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造の負極と、前記正極及び前記負極の間に介在されたセパレータとを備え、前記正極、前記負極及び前記セパレータからなる電極群が電解質とともに前記収容体内に収容され、前記負極にあらかじめリチウムイオンがドープされ、前記正極集電体に接続された正極用外部端子及び前記負極集電体に接続された負極用外部端子が前記収容体から引き出されているリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記電極群が、帯状の正極、帯状のセパレータ及び帯状の負極を重ね合わせて扁平ロール状に捲回しまたは蛇腹状に折り畳むとともに、捲回しまたは折り畳んだ状態の前記正極の平旦部間に位置する負極電極を残す一方で平坦部以外の正負極電極を予め各集電体上から除去し、且つ正極の電極面積を負極の電極面積より小さくし、正極の外周が負極の外周の内側にある構造を有する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【請求項３】
前記正極集電体及び前記負極集電体のうち少なくとも前記負極集電体が多孔質体であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオンキャパシタ。
【請求項４】
前記正極及び前記セパレータが、前記電極群における層状部分を除く箇所において部分的に切断されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリチウムイオンキャパシタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１６１２４９（Ｐ２０１０−１６１２４９Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３０９０（Ｐ２００９−３０９０）
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]