説明

正極活物質、その製造方法、及びそれを含むリチウムイオンキャパシタ

【課題】本発明は、正極活物質、その製造方法、及びそれを含むリチウムイオンキャパシタに関する。
【解決手段】本発明は、表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造を含む。本発明による正極活物質は、その内部の微細領域内に結晶格子を含まない非晶質構造を有するため、負極にプレドープする間にリチウムイオンが正極活物質の内部にインターカレーションされることを抑制することができる。上記のような構造を有する正極活物質を含むリチウムイオンキャパシタは、正極/負極間の電位差を一定に維持することができるため、高い耐電圧、高いエネルギー密度、及び高い入出力特性を有するとともに、高速充放電サイクル信頼性に優れた大容量のリチウムイオンキャパシタ蓄電素子の製造が可能である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、正極活物質、その製造方法、及びそれを含むリチウムイオンキャパシタに関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池などの二次電池に比べ、入出力特性に優れ、サイクル信頼性が高い電気二重層キャパシタ(EDLC)は、近年環境問題に関連し開発が盛んに進められている分野において、例えば電気自動車の主電源と補助電源、もしくは太陽光発電や風力発電など、再生可能エネルギーの電力蓄積デバイスとして有望である。また、IT化に伴い需要が増大している無停電電源装置などにおいても、短時間で大電流を取り出せるデバイスとして、活用が期待されている。
【0003】
このような電気二重層キャパシタは、主に炭素材料で構成される一対もしくは複数対の分極性電極(正極/負極)を電解液中にセパレータを介して対向させたものであり、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを原理とするものである。
【0004】
一方、さらなるエネルギー密度の向上を目的として、リチウムイオンを含む電解液を用いたキャパシタのような、いわゆる非対称型のリチウムイオンキャパシタ蓄電素子が提案されている。
【0005】
このようなリチウムイオンを含むリチウムイオンキャパシタ蓄電素子は、正極と負極の材料もしくはその機能が異なり、正極活物質に活性炭を、負極活物質にリチウムイオンを可逆的に吸蔵/脱離しやすい炭素材料を用いており、これら正極/負極にセパレータを介して、リチウム塩を含む電解液中に浸漬したものであり、さらに負極にリチウムイオンが予め吸蔵された状態で用いるものである。
【0006】
前記リチウムイオンを含むリチウムイオンキャパシタ蓄電素子の静電容量は,充電時には正極に電解液中のアニオンが吸着するとともに負極に電解液中のリチウムイオンが吸蔵される。また、放電時には正極に吸着したアニオンが脱着するとともに負極に吸蔵されたリチウムイオンが脱離することにより発現する。
【0007】
前記リチウムイオンを含むリチウムイオンキャパシタ蓄電素子は、負極に予めリチウムイオンが吸蔵されていることにより、負極電位が電解液電位より低く保たれている。このため、通常の電気二重層キャパシタと比べて耐電圧が向上し、さらにキャパシタ自体の静電容量も向上するため、大きなエネルギー密度を得ることができる。また、正極の電位が電解液電位以下になるまで深く放電することも可能であり、使用電圧範囲を広く取れるため、より高いエネルギー密度を実現することができる。
【0008】
しかし、リチウムイオンキャパシタ蓄電素子では、予めリチウムイオンを負極にドープ(プレドープ、pre−doping)しない場合には、負極の電位が放電の後半で大きく上昇し、蓄電素子の容量は減少するため、予め、負極にリチウムイオンを吸蔵(ドープ)させておくことが必ず必要になる。
【0009】
リチウムイオンのプレドープ法に関しては、多様な報告が行なわれている。例えば、正極集電体及び負極集電体が、それぞれ表裏面を貫通する孔を備え、リチウム金属と負極の電気化学的接触により、電池内で負極にリチウムイオンを担持させるリチウムイオンのプレドープ法が挙げられる。
【0010】
他のプレドープ法としては、化学的方法が用いられているが、この方法は、負極とリチウム電極箔を接触させた状態で非水系電解液とともに予め容器中に封入しておいて加温する方法である。
【0011】
通常、リチウムイオンをプレドープする時、負極全体をプレドープするのではない。これは、充放電時、正極と負極との間のリチウムの入力及び出力のバランス(Balance)を取るためである。即ち、負極全体をリチウムで満たすと、3.0V(Li対比電位)以下に放電する時、電解液中のリチウムが負極表面に金属として析出する可能性があるためである。
【0012】
また、3.0V(Li対比電位)以下の放電領域では、正極材料にもリチウムが挿入される可能性がある。一般的な正極活物質として用いられる活性炭は、約700〜1500℃の領域で熱処理し、これを賦活(activation)させることにより、表面の多孔度(porosity)が増加し、比表面積に優れる材料となる。従って、前記活性炭は、その表面に多くの気孔が存在して多孔度が高いことに反し、その内部は添付の図1に示したように、気孔と結晶が殆ど存在しない形態であると知られている。
【0013】
しかし、前記活性炭の内部構造を透過電子顕微鏡(TEM)でより拡大してみると、添付の図2に示したように、微細領域(Short range order)内に結晶格子が存在することが分かる。上記のような部分的な結晶相を有する活性炭を正極材料に用いる場合、リチウムイオンが存在する電解液上で3V以下の領域で放電条件を印加すると、結晶相の格子内部にリチウムイオンのインターカレーション(intercalation)が発生する。
【0014】
正極材料へのリチウムのインターカレーションが正極の表面で起こるのであれば問題ないが、リチウムのインターカレーションが微細領域(Short range order)内に存在する結晶格子で起こると、負極と正極の電位差が低くなり、長期信頼性が大きく低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】韓国公開特許第10−2008−0021495号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
従って、本発明は、リチウムイオンキャパシタ用正極材料において、正極/負極間の電位差を一定に維持し、リチウムイオンのインターカレーションを抑制することができる信頼性に優れた正極活物質を提供することをその目的とする。
【0017】
また、本発明は、その内部の微細領域(Short range order)内に結晶格子を含まない正極活物質の製造方法を提供することをその目的とする。
さらに、本発明は、前記正極活物質を含み、高い耐電圧、高いエネルギー密度、及び高い入出力特性を有するとともに、高速充放電サイクル信頼性に優れた大容量のリチウムイオンキャパシタ蓄電素子を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明の課題を解決するための一実施形態によるリチウムイオンキャパシタの正極活物質は、その表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造を有することを特徴とする。
【0019】
前記正極活物質は比表面積が1800〜2500m/gであることが好ましい。
【0020】
前記結晶相は、微細領域(short range)内に存在するものである。
【0021】
前記正極活物質は、天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子、活性炭、カーボンブラック、ガラス質カーボン、チャー(Chars)及び石炭からなる群から選ばれる1種以上の非黒鉛化材料(non−graphitizable materials)を用いることが好ましい。
【0022】
前記天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子としては、単結合のみで構成されるシクロアルカン(C2n)、環内に二重結合を有するシクロアルケン(C2n−2)、及び三重結合を有するシクロアルキン(C2n−4)からなる群から選ばれる1種以上が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【0023】
また、本発明の他の課題を解決するための一実施形態によるリチウムイオンキャパシタの正極活物質の製造方法は、正極活物質を700℃以下の温度で熱処理する段階を含み、活物質の表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造のリチウムイオンキャパシタの正極活物質を製造することができる。
【0024】
前記熱処理は、500℃〜700℃の温度で行われることができる。
【0025】
前記正極活物質は、天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子、活性炭、カーボンブラック、ガラス質カーボン、チャー(Chars)及び石炭からなる群から選ばれる1種以上の非黒鉛化材料(non−graphitizable materials)を用いることが好ましい。
【0026】
また、本発明はさらに他の課題を解決するために、活物質の表面が多孔性構造を有し、その内部の微細領域に結晶相が存在しない非晶質構造の正極活物質を含む正極と、プレドープさせた負極と、電解液と、を含むリチウムイオンキャパシタを提供する。
【0027】
本発明によるリチウムイオンキャパシタにおいて、前記正極は3V、前記負極は0Vの電位を一定に維持することを特徴とする。
【0028】
また、前記負極のプレドープ時、前記正極活物質が、前記リチウムイオンの前記正極活物質の内部へのインターカレーションを防止することを特徴とする。
【発明の効果】
【0029】
本発明による正極活物質は、その内部の微細領域内に結晶格子を含まない非晶質構造を有するため、負極にプレドープする間にリチウムイオンが正極活物質の内部にインターカレーションされることを抑制することができる。
【0030】
このような構造的な特徴は、正極活物質を製造する時、熱処理の温度を低く維持して、活物質の内部の微細領域に結晶が生じる可能性を遮断することにより果たされることができる。
【0031】
従って、上記のような構造を有する正極活物質を含むリチウムイオンキャパシタは、正極/負極間の電位差を一定に維持することができるため、高い耐電圧、高いエネルギー密度、及び高い入出力特性を有するとともに、高速充放電サイクル信頼性に優れた大容量のリチウムイオンキャパシタ蓄電素子の製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】活性炭の透過電子顕微鏡写真である。
【図2】図1の拡大写真で、微細領域に存在する結晶相を示した図面である。
【図3】本発明の実施例1によって製造された正極活物質の透過電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下、本発明をより詳細に説明すると次のとおりであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0034】
本発明による正極活物質は、その表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造を有する。
【0035】
即ち、リチウムイオンキャパシタは、充電時には正極に電解液中のアニオンが吸着され、放電時には正極に吸着したアニオンが脱着して発現されるように、その表面が多孔性構造を有することが好ましい。しかし、その内部には気孔(pore)を含まず、微細領域に結晶相が存在しない非晶質構造を有することが好ましい。
【0036】
本発明による正極活物質が「多孔性構造を有する」とは、BET法により測定された前記正極活物質の比表面積が1800〜2500m/gの範囲を有することを意味する。
【0037】
また、本発明による正極活物質において「結晶相が存在しない非晶質構造」とは、前記正極活物質の内部の微細領域(short range)に、例えば、TEMなどで任意に選択した100個の粒子のうち、D002面(plane)を基準に0.33〜0.38nmの結晶格子を有する粒子(Particle)の数が5個以下であることを意味する。
【0038】
また、前記「結晶格子」とは、リチウムイオンが前記結晶格子内にインターカレーションされない程度に小さいサイズ、例えば、D002面を基準に0.33〜0.38nmのサイズを意味する。
【0039】
本発明では、正極活物質の内部の微細領域にさえ結晶格子を含まない非晶質構造を有することにより、負極にリチウムイオンをプレドープする時、微細領域(Short range order)内に存在する結晶格子内にリチウムイオンがインターカレーションされ、負極と正極間の電位差を低めることにより長期信頼性が低下する現象が生じるという問題を解決することができる。
【0040】
本発明による前記正極活物質は、天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子、活性炭、カーボンブラック、ガラス質カーボン、チャー(Chars)及び石炭からなる群から選ばれる1種以上の非黒鉛化材料(non−graphitizable materials)を用いることが好ましい。
【0041】
前記天然脂環式化合物及び合成高分子としては、単結合のみで構成されるシクロアルカン(C2n)、環内に二重結合を有するシクロアルケン(C2n−2)、及び三重結合を有するシクロアルキン(C2n−4)からなる群から選ばれる1種以上が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【0042】
前記非黒鉛化材料は、通常の正極活物質として用いられるために経る熱処理工程である炭化過程で容易に結晶化されない特性を有するため、その内部の微細領域に結晶格子が殆ど生成されない非晶質構造を有することが容易である。
【0043】
本発明によるリチウムイオンキャパシタの正極活物質の製造方法は、700℃以下の温度で熱処理する段階を含んで製造されることができる。
【0044】
即ち、本発明の方法は、前記正極活物質が結晶を形成しないようにその炭化温度を最適の状態に低めることを特徴とする。前記熱処理は500〜700℃で行われることが好ましい。700℃を超えると、その内部の微細領域に結晶格子が生成される可能性があるため好ましくない。前記熱処理を700℃で行う場合、約1〜5時間維持させることができ、500℃程度の熱処理条件では維持時間を10時間以上に、より長く維持させて均一な炭化をなすこともできる。
【0045】
前記正極活物質を熱処理した後、水蒸気賦活法、溶融KOH賦活法などによる賦活過程が伴われることができ、熱処理過程後の工程は公知された方法によって処理し、その製造方法が特別に限定されるものではない。
【0046】
上記のような過程によって結晶化が難しい非黒鉛化材料を700℃以下の温度で熱処理することにより、その内部の微細領域内で結晶性のない正極活物質材料を製造することができる。
【0047】
本発明はまた、上記のような構造的特徴を有する正極活物質を含む正極、プレドープされた負極、及び電解液を含むリチウムイオンキャパシタを提供する。
【0048】
本発明の前記正極活物質をリチウムイオンキャパシタの正極に適用する場合、前記負極のプレドープ時、リチウムイオンが正極活物質の内部にインターカレーションされることが抑制される。
【0049】
また、本発明によるリチウムイオンキャパシタにおいて、前記正極は3V、前記負極は0Vの電位を一定に維持することを特徴とする。
【0050】
従って、3.0V以下の領域に放電する時にも、リチウムイオンはその内部の結晶格子でなく、正極材料の表面の空隙部に吸着され、可逆的なリチウムの吸脱着が可能になる。これにより、リチウムイオンキャパシタのエネルギー密度及び信頼性を向上させることができる。
【0051】
本発明の負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵/脱離可能な炭素材料であればよく、このような活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体(MCMB)、黒鉛化メソフェーズカーボン繊維(MCF)、黒鉛ウィスカ、黒鉛化炭素繊維、難黒鉛性カーボン、ポリアセン系有機半導体、カーボンナノチューブ、炭素質材料と黒鉛質材料との複合炭素材料、フルフリルアルコール(Furfuryl alcohol)樹脂の熱分解物、ノボラック樹脂の熱分解物、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質が挙げられ、これらを単独であるいは併用して用いることができる。
【0052】
前記負極活物質は、BET法により測定された比表面積が1〜1000m/gのものが好ましく、前記炭素材料のうち、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体(MCMB)と黒鉛化メソフェーズカーボン繊維(MAG)、難黒鉛化カーボンがより好ましい。
【0053】
また、負極をプレドープする際に用いる電解質とキャパシタに含まれる電解液は、同じものを用いてもよく、別途調製した異なる種類の電解質と電解液を用いてもよいが、同一の電解質と電解液を用いることが、生産効率の面で好ましい。
【0054】
このような電解液としては、リチウム塩を溶解した非水系有機電解液が好ましく、使用する有機溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒が用いられ、電解質の溶解性、電極との反応性、粘性や使用温度範囲によって適宜選択される。これらの有機溶媒としては、具体的に例えば、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート(EC)、スルホラン、アセトニトリル、ジメトキシエタン及びテトラヒドロフラン、及びエチルメチルカーボネート(EMC)からなる群から選ばれる1種以上であるが、これに限定されるものではない。前記有機溶媒のうちでも、ECとEMCの混合溶媒が好ましく、その配合量は1:1〜1:2程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
【0055】
リチウムイオンのプレドープは、製造される正極及び負極をセパレータを介して複数枚積層したセルを構成する電極と、金属リチウムの電極とを電解液中に浸漬し、目標とする水準のOCPレベルに至るようにすることにより達成される。
【0056】
正極及び負極は、通常の活性炭と炭素材料を用いた場合と同様な方法により作製することができる。即ち、本発明で得られるリチウムイオンキャパシタ蓄電素子の正極及び負極は、バインダ(結着剤)を含ませずに、例えば板状もしくはシート状に成形してもよいが、前記活物質とともに、形状付与剤としてのバインダを使用して成形してもよい。
【0057】
使用できるバインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)などのフッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などの熱可塑性樹脂、カルボキシメチルセルロース(CMC)などのセルロース系樹脂、あるいはスチレン−ブタジエンゴム(SBR)などのゴム系樹脂などが挙げられ、なかでもフッ素系の樹脂が耐熱性や化学的安定性の点で好ましい。特に、正極ではPTFEが好ましく、負極ではPVdFが吸液性に優れた電極を作製しやすいという点で好ましい。
【0058】
また、正極集電体としては、従来の電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池で使用されている材質のものを用いることができ、例えば、アルミニウム、ステンレス、チタン、タンタル、及びニオブからなる群から選ばれる1種以上であり、このうちアルミニウムが好ましい。
【0059】
前記集電体の厚さは10〜300μm程度のものであることが好ましい。前記集電体としては、上記のような金属の箔ばかりでなく、エッチングされている金属箔、あるいはエキスパンドメタル、パンチングメタル、網、発泡体などのように表裏面を貫通する孔を備えるものであってもよい。
【0060】
また、本発明による負極用の集電体としては、従来の電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池で使用されている材質のものを用いることができ、例えば、ステンレス、銅、ニッケル、及びこれらの合金などを用いることができ、このうち銅が好ましい。また、その厚さは10〜300μm程度のものであることが好ましい。前記集電体としては、上記のような金属の箔ばかりでなく、エッチングされている金属箔、あるいはエキスパンドメタル、パンチングメタル、網、発泡体などのように表裏面を貫通する孔を備えるものであってもよい。
【0061】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0062】
実施例1:正極活物質の製造
活性炭を500℃で10時間熱処理した後、前記熱処理された活性炭を水蒸気賦活法により賦活させて、BET法により測定された比表面積が約2200m/gである炭素系材料(粒子サイズ5〜20μm)を得た。
【0063】
前記得られた活性炭の構造を透過電子顕微鏡で確認し、その結果を図3に示した。
【0064】
図3に示すように、本発明による正極活物質は、微細領域(short range)に結晶格子が形成されない非晶質構造を有することが確認できた。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
活物質の表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造を有する正極活物質。
【請求項2】
前記正極活物質は比表面積が1800〜2500m2/gである請求項1に記載の正極活物質。
【請求項3】
前記結晶相は、微細領域(short range)内に存在するものである請求項1に記載の正極活物質。
【請求項4】
前記正極活物質は、天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子、活性炭、カーボンブラック、ガラス質カーボン、チャー(Chars)及び石炭からなる群から選ばれる1種以上の非黒鉛化材料(non−graphitizable materials)である請求項1に記載の正極活物質。
【請求項5】
前記天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子は、単結合のみで構成されるシクロアルカン(C2n)、環内に二重結合を有するシクロアルケン(C2n−2)、及び三重結合を有するシクロアルキン(C2n−4)からなる群から選ばれる1種以上である請求項4に記載の正極活物質。
【請求項6】
正極活物質を700℃以下の温度で熱処理する段階を含み、
活物質の表面が多孔性構造を有し、その内部には結晶相が存在しない非晶質構造を含む正極活物質の製造方法。
【請求項7】
前記熱処理は、500℃〜700℃の温度で行われる請求項6に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項8】
前記正極活物質は、天然脂環式化合物(alicyclic compound)及び合成高分子、活性炭、カーボンブラック、ガラス質カーボン、チャー(Chars)及び石炭からなる群から選ばれる1種以上の非黒鉛化材料(non−graphitizable materials)である請求項6に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項9】
請求項1に記載の正極活物質を含む正極と、
プレドープさせた負極と、
電解液と、を含むリチウムイオンキャパシタ。
【請求項10】
前記正極は3V、前記負極は0Vの電位を維持する請求項9に記載のリチウムイオンキャパシタ。
【請求項11】
前記負極のプレドープ時、前記正極活物質の内部へリチウムイオンのインターカレーションが発生することが防止される請求項9に記載のリチウムイオンキャパシタ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−248826(P2012−248826A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−83643(P2012−83643)
【出願日】平成24年4月2日(2012.4.2)
【出願人】(594023722)サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. (1,585)
【Fターム(参考)】