電気化学キャパシタ
【課題】大容量かつ薄い電気化学キャパシタを得ることを課題とする。
【解決手段】正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有する電気化学キャパシタに関する。
【解決手段】正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有する電気化学キャパシタに関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される発明は、電気化学キャパシタに関する。
【０００２】
近年、電池材料にリチウム金属酸化物を用い、リチウムイオンが正極と負極の間を移動することによって充放電を行う方式の二次電池である、リチウムイオン二次電池、及び、電気化学キャパシタの開発が盛んに進められている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９４３１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９１７４号公報
【特許文献３】特開２００７−２９９５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
容量の大きい電気化学キャパシタを得るためには、正極及び負極の表面積を大きくする必要がある。正極及び負極の表面積を大きくするには、正極及び負極のそれぞれの表面に凹凸を設ければよい。
【０００５】
凹凸が設けられた正極及び負極の間に電解質を設けることにより、大容量のキャパシタを得ることができる。
【０００６】
しかしながら、正極及び負極のそれぞれの表面に凹凸を設けた電気化学キャパシタは、その厚さが厚くなってしまう恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を設け、それぞれの突起上に絶縁体を配置し、かつ、正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を互い違い（交互）に配置する。正極及び負極の突起は、突起状に設けられた絶縁体により絶縁されている。
【０００８】
すなわち、正極集電体に接する正極活性物質及び負極集電体に接する負極活性物質のそれぞれの表面を凹凸構造とする。また、正極活性物質及び負極活性物質における凹凸構造の凸部の先端部には絶縁体を設ける。
【０００９】
また、正極活性物質及び負極活性物質における凹凸構造の凸部と凸部の間隔は、凸部の幅よりも広くしておき、正極活性物質及び負極活性物質の凹凸構造を噛み合わせた場合にも直接接触しないようにする。
【００１０】
そして正極活性物質と負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に電解質を充填する。
【００１１】
さらに、正極集電体及びそれに接する正極活性物質（正極集電体及び正極活性物質を合わせて「正極」とする）、並びに、負極集電体及びそれに接する負極活性物質（負極集電体及び負極活性物質を合わせて「負極」とする）のそれぞれの表面を凹凸構造とする。また、正極及び負極における凹凸構造の凸部の先端部には絶縁体を設ける。
【００１２】
また、正極及び負極における凹凸構造の凸部と凸部の間隔は、凸部の幅よりも広くしておき、正極及び負極の凹凸構造を噛み合わせた場合にも直接接触しないようにする。
【００１３】
そして正極と負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に電解質を充填してもよい。
【００１４】
正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１５】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、前記正極の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、前記負極の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタは、前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１６】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、前記正極の該凹部に設けられた第１の絶縁体と、表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、前記負極の該凹部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１７】
表面に凹凸構造を有する正極集電体と、前記正極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、前記正極集電体及び前記第１の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活物質と、表面に凹凸構造を有する負極集電体と、前記負極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、前記負極集電体及び前記第２の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活物質とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極活物質と前記負極活物質とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を設けるため、表面積が大きくなり、大容量のキャパシタを得ることができる。
【００１９】
またそれぞれの突起を互い違い（交互）に配置することにより、薄くて小型なキャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図２】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図３】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図４】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図５】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図６】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図７】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図８】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図９】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図１０】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図１１】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２２】
［実施の形態１］
本実施の形態を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）、図４（Ａ）〜図４（Ｅ）、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）、図７（Ａ）〜図７（Ｂ）、図８（Ａ）〜図８（Ｂ）、図９（Ａ）〜図９（Ｂ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を用いて説明する。
【００２３】
まず図１（Ａ）に示す電気化学キャパシタ１３５の構成及びその作製方法について、図１（Ａ）、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を用いて説明する。
【００２４】
まず板状の正極集電体１１１を用意する（図２（Ａ）参照）。正極集電体１１１は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、等の単体あるいは化合物を用いればよい。
【００２５】
次いで、正極集電体１１１上に、正極活物質１１２の材料となる板状正極活物質材料１０１を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００２６】
板状正極活物質材料１０１は、活性炭、あるいは、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の化学式ＬｉｘＭｙＯ２（ただし、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、またはＴｉを示し、ｘは０．２≦ｘ≦２．５、ｙは０．８≦ｙ≦１．２５の範囲である）で示されるリチウム含有複合酸化物を用いればよい。
【００２７】
板状正極活物質材料１０１上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体１１３を複数形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００２８】
絶縁体１１３は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、レジスト等の有機樹脂が挙げられる。絶縁体１１３は、このような有機樹脂を、印刷法やスピンコート法等で形成すればよい。例えば、未感光の感光性アクリルを板状正極活物質材料１０１の表面に印刷法で形成し、絶縁体１１３を形成する領域に光を当てることにより、絶縁体１１３を形成すればよい。
【００２９】
また絶縁体１１３として、酸化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜、窒化珪素膜等の無機絶縁物を用いてもよい。
【００３０】
さらに絶縁体１１３は、上述の有機樹脂あるいは無機絶縁物の単層でもよいし、２つ以上の有機樹脂の積層あるいは２つ以上の無機絶縁物の積層、さらにあるいは、２つ以上の有機樹脂と無機絶縁物を積層したものを用いてもよい。
【００３１】
次いで、絶縁体１１３をマスクとして、板状正極活物質材料１０１をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、幅ａと高さｂの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ａが１μｍ〜１０μｍ、高さｂが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ａが１μｍ、高さｂが１０μｍとなる突起１１５を複数有する正極活物質１１２を形成する（図２（Ｄ）参照）。図２（Ｄ）は断面図のため、正極活物質１１２は櫛状に示されている。しかし突起１１５が奥方向にも連なって形成されるので、正極活物質１１２は剣山のような形状を有する。
【００３２】
また、突起１１５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００３３】
板状正極活物質材料１０１の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起１１５を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状正極活物質材料１０１であっても、これらの方法を用いて突起１１５を形成してもよい。以上のようにして正極１１７が形成される。
【００３４】
また一方、板状の負極集電体１２１を用意する（図２（Ａ）参照）。負極集電体１２１は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の単体あるいは化合物を用いればよい。
【００３５】
次いで、負極集電体１２１上に、負極活物質１２２の材料となる板状負極活物質材料１０５を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【００３６】
板状負極活物質材料１０５は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材、シリコン材料、シリコン合金材料等のリチウムイオン保持体を負極活物質として用いる。このような炭素材として、粉末状または繊維状の黒鉛等の炭素材を用いることが可能である。
【００３７】
次いで、板状負極活物質材料１０５上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体１２３を複数形成する（図３（Ｃ）参照）。絶縁体１２３は、絶縁体１１３と同様の材料及び同様の作製方法で形成すればよい。
【００３８】
次いで、絶縁体１２３をマスクとして、ドライエッチングが可能な板状負極活物質材料１０５をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、幅ｃと高さｄの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｃが１μｍ〜１０μｍ、高さｄが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｃが１μｍ、高さｄが１０μｍとなる突起１２５を複数有する負極活物質１２２を形成する（図３（Ｄ）参照）。図３（Ｄ）は断面図のため、負極活物質１２２は櫛状に示されている。しかし突起１２５が奥方向にも連なって形成されるので、負極活物質１２２は剣山のような形状を有する。
【００３９】
また、突起１２５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起１１５に対応する形状を形成すればよい。
【００４０】
板状負極活物質材料１０５の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起１２５を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状負極活物質材料１０５であっても、これらの方法を用いて突起１２５を形成してもよい。以上のようにして、負極１２７が形成される。
【００４１】
また、電気化学キャパシタの中でも、リチウムイオンキャパシタを作製する場合には、負極にリチウムイオンを添加するプレドーピング工程を行う。
【００４２】
次いで、正極１１７と負極１２７を対向させ、正極活物質１１２の突起１１５と、負極活物質１２２の突起１２５が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極活物質１１２の突起１１５と負極活物質１２２、並びに、負極活物質１２２の突起１２５と正極活物質１１２は、それぞれ絶縁体１１３並びに絶縁体１２３により絶縁されるように配置する。
【００４３】
電解質１３２を正極１１７及び負極１２７の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ１３５を作製する。（図１（Ａ）参照）。
【００４４】
電解質１３２はリチウムイオンを含み、リチウムイオンが電気伝導を担っている。電解質１３２は、溶媒と、その溶媒に溶解するリチウム塩とから構成されている。リチウム塩として、例えば、ＬｉＰＦ６（六フッ化リン酸リチウム）、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、およびＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３等を挙げることができ、これらを使用する電解質１３２に単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。
【００４５】
また電解質１３２中の溶媒として、例えば、エチレンカーボネート（以下、ＥＣと略す）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、およびビニレンカーボネート（ＶＣ）などの環状カーボネート類、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（以下、ＥＭＣと略す）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、メチルイソブチルカーボネート（ＭＩＰＣ）、およびジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）などの非環状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２−ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、およびエトキシメトキシエタン（ＥＭＥ）等の非環状エーテル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン等やリン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびリン酸トリオクチルなどのアルキルリン酸エステルやそのフッ化物を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。
【００４６】
正極活物質１１２の突起１１５と負極活物質１２２の突起１２５は、それぞれ絶縁体１１３及び絶縁体１２３に絶縁するので、正極１１７と負極１２７が接触しショートすることがない。以上によって、容量は大きく、かつ、厚さが薄い電気化学キャパシタを得ることが可能である。
【００４７】
次いで図１（Ａ）と異なる構成を有する電気化学キャパシタ２３５及びその作製方法について、図１（Ｂ）、図４（Ａ）〜図４（Ｅ）、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）を用いて説明する。
【００４８】
正極集電体２１１の材料となる板状正極材料２１９上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体２１７を複数形成する（図４（Ａ）参照）。
【００４９】
板状正極材料２１９は、正極集電体１１１と同様の材料をを用いればよい。また絶縁体２１７は、絶縁体１１３と同様の材料及び作製方法を用いてばよい。
【００５０】
次いで、絶縁体２１７をマスクとして、板状正極材料２１９をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、突起２４７を複数有する正極集電体２１１を形成する（図４（Ｂ）参照）。図４（Ｂ）は断面図のため、正極集電体２１１は櫛状に示されている。しかし突起２４７が奥方向にも連なって形成されるので、正極集電体２１１は剣山のような形状を有する。
【００５１】
板状正極材料２１９の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起２４７を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状正極材料２１９であっても、これらの方法を用いて突起２４７を形成してもよい。
【００５２】
次いで、正極集電体２１１の突起２４７の先端上に存在する絶縁体２１７を除去する（図４（Ｃ）参照）。
【００５３】
次いで、複数の突起２４７を有する正極集電体２１１を覆って、正極活物質２１２を形成する（図４（Ｄ）参照）。正極活物質２１２は、板状正極活物質材料１０１と同様の材料を用いればよい。
【００５４】
以上の工程により、正極集電体２１１及び正極活物質２１２により、複数の突起２４５が形成される。図４（Ｄ）は断面図のため、正極集電体２１１及び正極活物質２１２を含む突起２４５は櫛状に示されている。しかし突起２４５が奥方向にも連なって形成されるので、剣山のような形状となる。
【００５５】
また、突起２４５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００５６】
突起２４５は幅ｃと高さｄを有しているが、幅ｅと高さｆの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｅが１μｍ〜１０μｍ、高さｈが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｅが１μｍ、高さｈが１０μｍとなるとよい。
【００５７】
次いで、突起２４５の先端表面上に、絶縁体２１３を形成する（図４（Ｅ）参照）。絶縁体２１３は、絶縁体１１３で説明した有機樹脂を用いインクジェット法等にて形成すればよい。以上にして正極２４１が作製される。
【００５８】
また一方、負極集電体２２１の材料となる板状負極材料２２９上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体２２７を複数形成する（図５（Ａ）参照）。
【００５９】
板状負極材料２２９は、負極集電体１２１と同様の材料を用いればよい。絶縁体２２７は、絶縁体１１３と同様の材料及び同様の作製方法で形成すればよい。
【００６０】
次いで、絶縁体２２７をマスクとして、ドライエッチングが可能な板状負極材料２２９をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、突起２４８を複数有する負極集電体２２１を形成する（図（Ｂ）参照）。図４（Ｂ）は断面図のため、負極集電体２２１は櫛状に示されている。しかし突起２４８が奥方向にも連なって形成されるので、負極集電体２２１は剣山のような形状を有する。
【００６１】
板状負極材料２２９の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起２４８を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状負極材料２２９であっても、これらの方法を用いて突起２４８を形成してもよい。
【００６２】
次いで、負極集電体２２１の突起２４８の先端上に存在する絶縁体２２７を除去する（図５（Ｃ）参照）。
【００６３】
次いで、複数の突起２４８を有する負極集電体２２１を覆って、負極活物質２２２を形成する（図５（Ｄ）参照）。負極活物質２２２は、板状負極活物質材料１０５と同様の材料を用いればよい。
【００６４】
以上の工程により、負極集電体２２１及び負極活物質２２２により、複数の突起２４６が形成される。図５（Ｄ）は断面図のため、負極集電体２２１及び負極活物質２２２を含む突起２４６は櫛状に示されている。しかし突起２４６が奥方向にも連なって形成されるので、剣山のような形状となる。
【００６５】
また、突起２４６の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起２４５に対応する形状を形成すればよい。
【００６６】
突起２４６は幅ｇと高さｈを有しているが、幅ｇと高さｈの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｇが１μｍ〜１０μｍ、高さｈが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｇが１μｍ、高さｈが１０μｍとなるとよい。
【００６７】
また、電気化学キャパシタの中でも、リチウムイオンキャパシタを作製する場合には、負極にリチウムイオンを添加するプレドーピング工程を行う。
【００６８】
次いで、突起２４６の先端表面上に、絶縁体２２３を形成する（図５（Ｅ）参照）。絶縁体２２３は、絶縁体１１３で説明した有機樹脂を用いインクジェット法等にて形成すればよい。以上にして負極２４２が作製される。
【００６９】
次いで、正極２４１と負極２４２を対向させ、正極２４１の突起２４５と、負極２４２のの突起２４６が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２４１の突起２４５と負極活物質２２２、並びに、負極２４２の突起２４５と正極活物質２１２は、それぞれ絶縁体２１３並びに絶縁体２２３により絶縁されるように配置する。
【００７０】
電解質２３２を正極２４１及び負極２４２の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２３５を作製する。（図１（Ｂ）参照）。
【００７１】
また図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の構成とは異なる電気化学キャパシタ及びその作製方法を、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）及び図７（Ａ）を用いて説明する。
【００７２】
まず図４（Ａ）〜図４（Ｄ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４５を有する正極集電体２１１及び正極活物質２１２を作製する。次いで、正極集電体２１１及び正極活物質２１２上に、絶縁層２７１を形成する（図６（Ａ）参照）。
【００７３】
絶縁層２７１は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００７４】
次いで、絶縁層２７１と正極活物質２１２との間で選択比が異なるエッチャントを用いて、絶縁層２７１をエッチングする。絶縁層２７１のエッチングは、突起２４５の先端が露出し、かつ、隣り合う突起２４５の間の凹部に絶縁体２７２が残るように行う（図６（Ｂ）参照）。以上のようにして、正極２３７を形成する。
【００７５】
一方、まず図５（Ａ）〜図５（Ｄ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４６を有する負極集電体２２１及び負極活物質２２２を作製する。次いで、負極集電体２２１及び負極活物質２２２上に、絶縁層２７３を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【００７６】
絶縁層２７３は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００７７】
次いで、絶縁層２７３と負極活物質２２２との間で選択比が異なるエッチャントを用いて、絶縁層２７３をエッチングする。絶縁層２７３のエッチングは、突起２４６の先端が露出し、かつ、隣り合う突起２４６の間の凹部に絶縁体２７４が残るように行う（図６（Ｄ）参照）。以上のようにして、負極２３８を形成する。
【００７８】
次いで、正極２３７と負極２３８を対向させ、正極２３７の突起２４５と、負極２３８の突起２４６が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２３７の突起２４５と負極活物質２２２、並びに、負極２３８の突起２４５と正極活物質２１２は、それぞれ絶縁体２７４並びに絶縁体２７２により絶縁されるように配置する。
【００７９】
電解質２７５を正極２３７及び負極２４２の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２３６を作製する。（図７（Ａ）参照）。
【００８０】
また図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図７（Ａ）の構成とは異なる電気化学キャパシタ及びその作製方法を、図７（Ｂ）、図８（Ａ）〜図８（Ｂ）、図９（Ａ）〜図９（Ｂ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を用いて説明する。
【００８１】
まず図４（Ａ）〜図４（Ｂ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４７を有する正極集電体２１１、並びに、突起２４７上の絶縁体２１７を形成する。さらに正極集電体２１１及び絶縁体２１７を覆って、正極活物質２５１を形成する（図８（Ａ）参照）。
【００８２】
なお、突起２４７の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００８３】
次いで、正極活物質２５１上に、絶縁層２５２を形成する（図８（Ｂ）参照）。
【００８４】
絶縁層２５２は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００８５】
次いで、絶縁層２５２及び正極活物質２５１、並びに、絶縁体２１７との間で選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁層２５２及び正極活物質２５１をエッチングして、絶縁体２５４及び正極活物質２５３を得る。
【００８６】
絶縁層２５２及び正極活物質２５１のエッチングは、絶縁体２１７が後の工程で正極活物質２５３と負極活物質２６３が絶縁できる程度の厚さになるように行う（図９（Ａ）参照）。すなわち、絶縁体２１７の一部が露出しており、露出している絶縁体２１７の一部は正極活物質２５３に覆われていない。
【００８７】
次いで絶縁体２５４と正極活物質２５３との間で、選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁体２５４をエッチングして除去する（図９（Ｂ）参照）。これにより正極２５５が作製される。
【００８８】
一方、まず図５（Ａ）〜図５（Ｂ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４８を有する負極集電体２２１、並びに、突起２４８上の絶縁体２２７を形成する。さらに負極集電体２２１及び絶縁体２２７を覆って、負極活物質２６１を形成する（図１０（Ａ）参照）。
【００８９】
また、突起２４８の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起２４７に対応する形状を形成すればよい。
【００９０】
次いで、負極活物質２６１上に、絶縁層２６２を形成する（図１０（Ｂ）参照）。
【００９１】
絶縁層２６２は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００９２】
次いで、絶縁層２６２及び負極活物質２６１、並びに、絶縁体２２７との間で選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁層２６２及び負極活物質２６１をエッチングして、絶縁体２６４及び負極活物質２６３を得る。
【００９３】
絶縁層２６２及び負極活物質２６１のエッチングは、絶縁体２２７が後の工程で正極活物質２５３と負極活物質２６３が絶縁できる程度の厚さになるように行う（図１１（Ａ）参照）。すなわち、絶縁体２２７の一部が露出しており、露出している絶縁体２２７の一部は負極活物質２６３に覆われていない。
【００９４】
次いで絶縁体２６４と負極活物質２６３との間で、選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁体２６４をエッチングして除去する（図１１（Ｂ）参照）。これにより負極２６５が作製される。
【００９５】
次いで、正極２５５と負極２６５を対向させ、正極２５５の突起２４７上の絶縁体２１７と、負極２６５の突起２４８上の絶縁体２２７が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２５５の正極活物質２５３と負極２６５の負極活物質２６３は、絶縁体２１７並びに絶縁体２２７により絶縁されるように配置する。
【００９６】
電解質２５７を正極２５５及び負極２６５の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２６７を作製する。（図７（Ｂ）参照）。
【符号の説明】
【００９７】
１０１ 板状正極活物質材料
１０５ 板状負極活物質材料
１１１ 正極集電体
１１２ 正極活物質
１１３ 絶縁体
１１５ 突起
１１７ 正極
１２１ 負極集電体
１２２ 負極活物質
１２３ 絶縁体
１２５ 突起
１２７ 負極
１３２ 電解質
１３５ 電気化学キャパシタ
２１１ 正極集電体
２１２ 正極活物質
２１３ 絶縁体
２１７ 絶縁体
２１９ 板状正極材料
２２１ 負極集電体
２２２ 負極活物質
２２３ 絶縁体
２２７ 絶縁体
２２９ 板状負極材料
２３２ 電解質
２３５ 電気化学キャパシタ
２３６ 電気化学キャパシタ
２３７ 正極
２３８ 負極
２４１ 正極
２４２ 負極
２４５ 突起
２４６ 突起
２４７ 突起
２４８ 突起
２５１ 正極活物質
２５２ 絶縁層
２５３ 正極活物質
２５４ 絶縁体
２５５ 正極
２５７ 電解質
２６１ 負極活物質
２６２ 絶縁層
２６３ 負極活物質
２６４ 絶縁体
２６５ 負極
２６７ 電気化学キャパシタ
２７１ 絶縁層
２７２ 絶縁体
２７３ 絶縁層
２７４ 絶縁体
２７５ 電解質
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される発明は、電気化学キャパシタに関する。
【０００２】
近年、電池材料にリチウム金属酸化物を用い、リチウムイオンが正極と負極の間を移動することによって充放電を行う方式の二次電池である、リチウムイオン二次電池、及び、電気化学キャパシタの開発が盛んに進められている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９４３１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９１７４号公報
【特許文献３】特開２００７−２９９５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
容量の大きい電気化学キャパシタを得るためには、正極及び負極の表面積を大きくする必要がある。正極及び負極の表面積を大きくするには、正極及び負極のそれぞれの表面に凹凸を設ければよい。
【０００５】
凹凸が設けられた正極及び負極の間に電解質を設けることにより、大容量のキャパシタを得ることができる。
【０００６】
しかしながら、正極及び負極のそれぞれの表面に凹凸を設けた電気化学キャパシタは、その厚さが厚くなってしまう恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を設け、それぞれの突起上に絶縁体を配置し、かつ、正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を互い違い（交互）に配置する。正極及び負極の突起は、突起状に設けられた絶縁体により絶縁されている。
【０００８】
すなわち、正極集電体に接する正極活性物質及び負極集電体に接する負極活性物質のそれぞれの表面を凹凸構造とする。また、正極活性物質及び負極活性物質における凹凸構造の凸部の先端部には絶縁体を設ける。
【０００９】
また、正極活性物質及び負極活性物質における凹凸構造の凸部と凸部の間隔は、凸部の幅よりも広くしておき、正極活性物質及び負極活性物質の凹凸構造を噛み合わせた場合にも直接接触しないようにする。
【００１０】
そして正極活性物質と負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に電解質を充填する。
【００１１】
さらに、正極集電体及びそれに接する正極活性物質（正極集電体及び正極活性物質を合わせて「正極」とする）、並びに、負極集電体及びそれに接する負極活性物質（負極集電体及び負極活性物質を合わせて「負極」とする）のそれぞれの表面を凹凸構造とする。また、正極及び負極における凹凸構造の凸部の先端部には絶縁体を設ける。
【００１２】
また、正極及び負極における凹凸構造の凸部と凸部の間隔は、凸部の幅よりも広くしておき、正極及び負極の凹凸構造を噛み合わせた場合にも直接接触しないようにする。
【００１３】
そして正極と負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に電解質を充填してもよい。
【００１４】
正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１５】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、前記正極の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、前記負極の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタは、前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１６】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、前記正極の該凹部に設けられた第１の絶縁体と、表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、前記負極の該凹部に設けられた第２の絶縁体とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【００１７】
表面に凹凸構造を有する正極集電体と、前記正極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、前記正極集電体及び前記第１の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活物質と、表面に凹凸構造を有する負極集電体と、前記負極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、前記負極集電体及び前記第２の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活物質とを有する電気化学キャパシタに関する。該電気化学キャパシタにおいて、前記正極活物質と前記負極活物質とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
正極及び負極それぞれの表面に複数の突起を設けるため、表面積が大きくなり、大容量のキャパシタを得ることができる。
【００１９】
またそれぞれの突起を互い違い（交互）に配置することにより、薄くて小型なキャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図２】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図３】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図４】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図５】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図６】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図７】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図８】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図９】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図１０】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【図１１】電気化学キャパシタの作製工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２２】
［実施の形態１］
本実施の形態を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）、図４（Ａ）〜図４（Ｅ）、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）、図７（Ａ）〜図７（Ｂ）、図８（Ａ）〜図８（Ｂ）、図９（Ａ）〜図９（Ｂ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を用いて説明する。
【００２３】
まず図１（Ａ）に示す電気化学キャパシタ１３５の構成及びその作製方法について、図１（Ａ）、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を用いて説明する。
【００２４】
まず板状の正極集電体１１１を用意する（図２（Ａ）参照）。正極集電体１１１は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、等の単体あるいは化合物を用いればよい。
【００２５】
次いで、正極集電体１１１上に、正極活物質１１２の材料となる板状正極活物質材料１０１を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００２６】
板状正極活物質材料１０１は、活性炭、あるいは、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の化学式ＬｉｘＭｙＯ２（ただし、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、またはＴｉを示し、ｘは０．２≦ｘ≦２．５、ｙは０．８≦ｙ≦１．２５の範囲である）で示されるリチウム含有複合酸化物を用いればよい。
【００２７】
板状正極活物質材料１０１上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体１１３を複数形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００２８】
絶縁体１１３は、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、レジスト等の有機樹脂が挙げられる。絶縁体１１３は、このような有機樹脂を、印刷法やスピンコート法等で形成すればよい。例えば、未感光の感光性アクリルを板状正極活物質材料１０１の表面に印刷法で形成し、絶縁体１１３を形成する領域に光を当てることにより、絶縁体１１３を形成すればよい。
【００２９】
また絶縁体１１３として、酸化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸素を含む窒化珪素膜、窒化珪素膜等の無機絶縁物を用いてもよい。
【００３０】
さらに絶縁体１１３は、上述の有機樹脂あるいは無機絶縁物の単層でもよいし、２つ以上の有機樹脂の積層あるいは２つ以上の無機絶縁物の積層、さらにあるいは、２つ以上の有機樹脂と無機絶縁物を積層したものを用いてもよい。
【００３１】
次いで、絶縁体１１３をマスクとして、板状正極活物質材料１０１をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、幅ａと高さｂの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ａが１μｍ〜１０μｍ、高さｂが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ａが１μｍ、高さｂが１０μｍとなる突起１１５を複数有する正極活物質１１２を形成する（図２（Ｄ）参照）。図２（Ｄ）は断面図のため、正極活物質１１２は櫛状に示されている。しかし突起１１５が奥方向にも連なって形成されるので、正極活物質１１２は剣山のような形状を有する。
【００３２】
また、突起１１５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００３３】
板状正極活物質材料１０１の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起１１５を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状正極活物質材料１０１であっても、これらの方法を用いて突起１１５を形成してもよい。以上のようにして正極１１７が形成される。
【００３４】
また一方、板状の負極集電体１２１を用意する（図２（Ａ）参照）。負極集電体１２１は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の単体あるいは化合物を用いればよい。
【００３５】
次いで、負極集電体１２１上に、負極活物質１２２の材料となる板状負極活物質材料１０５を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【００３６】
板状負極活物質材料１０５は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材、シリコン材料、シリコン合金材料等のリチウムイオン保持体を負極活物質として用いる。このような炭素材として、粉末状または繊維状の黒鉛等の炭素材を用いることが可能である。
【００３７】
次いで、板状負極活物質材料１０５上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体１２３を複数形成する（図３（Ｃ）参照）。絶縁体１２３は、絶縁体１１３と同様の材料及び同様の作製方法で形成すればよい。
【００３８】
次いで、絶縁体１２３をマスクとして、ドライエッチングが可能な板状負極活物質材料１０５をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、幅ｃと高さｄの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｃが１μｍ〜１０μｍ、高さｄが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｃが１μｍ、高さｄが１０μｍとなる突起１２５を複数有する負極活物質１２２を形成する（図３（Ｄ）参照）。図３（Ｄ）は断面図のため、負極活物質１２２は櫛状に示されている。しかし突起１２５が奥方向にも連なって形成されるので、負極活物質１２２は剣山のような形状を有する。
【００３９】
また、突起１２５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起１１５に対応する形状を形成すればよい。
【００４０】
板状負極活物質材料１０５の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起１２５を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状負極活物質材料１０５であっても、これらの方法を用いて突起１２５を形成してもよい。以上のようにして、負極１２７が形成される。
【００４１】
また、電気化学キャパシタの中でも、リチウムイオンキャパシタを作製する場合には、負極にリチウムイオンを添加するプレドーピング工程を行う。
【００４２】
次いで、正極１１７と負極１２７を対向させ、正極活物質１１２の突起１１５と、負極活物質１２２の突起１２５が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極活物質１１２の突起１１５と負極活物質１２２、並びに、負極活物質１２２の突起１２５と正極活物質１１２は、それぞれ絶縁体１１３並びに絶縁体１２３により絶縁されるように配置する。
【００４３】
電解質１３２を正極１１７及び負極１２７の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ１３５を作製する。（図１（Ａ）参照）。
【００４４】
電解質１３２はリチウムイオンを含み、リチウムイオンが電気伝導を担っている。電解質１３２は、溶媒と、その溶媒に溶解するリチウム塩とから構成されている。リチウム塩として、例えば、ＬｉＰＦ６（六フッ化リン酸リチウム）、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、およびＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３等を挙げることができ、これらを使用する電解質１３２に単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。
【００４５】
また電解質１３２中の溶媒として、例えば、エチレンカーボネート（以下、ＥＣと略す）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、およびビニレンカーボネート（ＶＣ）などの環状カーボネート類、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（以下、ＥＭＣと略す）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、メチルイソブチルカーボネート（ＭＩＰＣ）、およびジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）などの非環状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２−ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、およびエトキシメトキシエタン（ＥＭＥ）等の非環状エーテル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン等やリン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびリン酸トリオクチルなどのアルキルリン酸エステルやそのフッ化物を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。
【００４６】
正極活物質１１２の突起１１５と負極活物質１２２の突起１２５は、それぞれ絶縁体１１３及び絶縁体１２３に絶縁するので、正極１１７と負極１２７が接触しショートすることがない。以上によって、容量は大きく、かつ、厚さが薄い電気化学キャパシタを得ることが可能である。
【００４７】
次いで図１（Ａ）と異なる構成を有する電気化学キャパシタ２３５及びその作製方法について、図１（Ｂ）、図４（Ａ）〜図４（Ｅ）、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）を用いて説明する。
【００４８】
正極集電体２１１の材料となる板状正極材料２１９上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体２１７を複数形成する（図４（Ａ）参照）。
【００４９】
板状正極材料２１９は、正極集電体１１１と同様の材料をを用いればよい。また絶縁体２１７は、絶縁体１１３と同様の材料及び作製方法を用いてばよい。
【００５０】
次いで、絶縁体２１７をマスクとして、板状正極材料２１９をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、突起２４７を複数有する正極集電体２１１を形成する（図４（Ｂ）参照）。図４（Ｂ）は断面図のため、正極集電体２１１は櫛状に示されている。しかし突起２４７が奥方向にも連なって形成されるので、正極集電体２１１は剣山のような形状を有する。
【００５１】
板状正極材料２１９の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起２４７を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状正極材料２１９であっても、これらの方法を用いて突起２４７を形成してもよい。
【００５２】
次いで、正極集電体２１１の突起２４７の先端上に存在する絶縁体２１７を除去する（図４（Ｃ）参照）。
【００５３】
次いで、複数の突起２４７を有する正極集電体２１１を覆って、正極活物質２１２を形成する（図４（Ｄ）参照）。正極活物質２１２は、板状正極活物質材料１０１と同様の材料を用いればよい。
【００５４】
以上の工程により、正極集電体２１１及び正極活物質２１２により、複数の突起２４５が形成される。図４（Ｄ）は断面図のため、正極集電体２１１及び正極活物質２１２を含む突起２４５は櫛状に示されている。しかし突起２４５が奥方向にも連なって形成されるので、剣山のような形状となる。
【００５５】
また、突起２４５の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００５６】
突起２４５は幅ｃと高さｄを有しているが、幅ｅと高さｆの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｅが１μｍ〜１０μｍ、高さｈが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｅが１μｍ、高さｈが１０μｍとなるとよい。
【００５７】
次いで、突起２４５の先端表面上に、絶縁体２１３を形成する（図４（Ｅ）参照）。絶縁体２１３は、絶縁体１１３で説明した有機樹脂を用いインクジェット法等にて形成すればよい。以上にして正極２４１が作製される。
【００５８】
また一方、負極集電体２２１の材料となる板状負極材料２２９上に、エッチング工程においてマスクとなる絶縁体２２７を複数形成する（図５（Ａ）参照）。
【００５９】
板状負極材料２２９は、負極集電体１２１と同様の材料を用いればよい。絶縁体２２７は、絶縁体１１３と同様の材料及び同様の作製方法で形成すればよい。
【００６０】
次いで、絶縁体２２７をマスクとして、ドライエッチングが可能な板状負極材料２２９をドライエッチング法で異方性エッチングを行う。これにより、突起２４８を複数有する負極集電体２２１を形成する（図（Ｂ）参照）。図４（Ｂ）は断面図のため、負極集電体２２１は櫛状に示されている。しかし突起２４８が奥方向にも連なって形成されるので、負極集電体２２１は剣山のような形状を有する。
【００６１】
板状負極材料２２９の材料のうち、ドライエッチングが難しい材料は、例えば、機械加工、スクリーン印刷、電解メッキ、ホットエンボス加工等の別の方法で、突起２４８を形成してもよい。さらにドライエッチングが可能な板状負極材料２２９であっても、これらの方法を用いて突起２４８を形成してもよい。
【００６２】
次いで、負極集電体２２１の突起２４８の先端上に存在する絶縁体２２７を除去する（図５（Ｃ）参照）。
【００６３】
次いで、複数の突起２４８を有する負極集電体２２１を覆って、負極活物質２２２を形成する（図５（Ｄ）参照）。負極活物質２２２は、板状負極活物質材料１０５と同様の材料を用いればよい。
【００６４】
以上の工程により、負極集電体２２１及び負極活物質２２２により、複数の突起２４６が形成される。図５（Ｄ）は断面図のため、負極集電体２２１及び負極活物質２２２を含む突起２４６は櫛状に示されている。しかし突起２４６が奥方向にも連なって形成されるので、剣山のような形状となる。
【００６５】
また、突起２４６の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起２４５に対応する形状を形成すればよい。
【００６６】
突起２４６は幅ｇと高さｈを有しているが、幅ｇと高さｈの比が３以上１０００以下、好ましくは、１０以上１０００以下、例えば、幅ｇが１μｍ〜１０μｍ、高さｈが１０μｍ〜１００μｍ、さらに例えば幅ｇが１μｍ、高さｈが１０μｍとなるとよい。
【００６７】
また、電気化学キャパシタの中でも、リチウムイオンキャパシタを作製する場合には、負極にリチウムイオンを添加するプレドーピング工程を行う。
【００６８】
次いで、突起２４６の先端表面上に、絶縁体２２３を形成する（図５（Ｅ）参照）。絶縁体２２３は、絶縁体１１３で説明した有機樹脂を用いインクジェット法等にて形成すればよい。以上にして負極２４２が作製される。
【００６９】
次いで、正極２４１と負極２４２を対向させ、正極２４１の突起２４５と、負極２４２のの突起２４６が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２４１の突起２４５と負極活物質２２２、並びに、負極２４２の突起２４５と正極活物質２１２は、それぞれ絶縁体２１３並びに絶縁体２２３により絶縁されるように配置する。
【００７０】
電解質２３２を正極２４１及び負極２４２の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２３５を作製する。（図１（Ｂ）参照）。
【００７１】
また図１（Ａ）及び図１（Ｂ）の構成とは異なる電気化学キャパシタ及びその作製方法を、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）及び図７（Ａ）を用いて説明する。
【００７２】
まず図４（Ａ）〜図４（Ｄ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４５を有する正極集電体２１１及び正極活物質２１２を作製する。次いで、正極集電体２１１及び正極活物質２１２上に、絶縁層２７１を形成する（図６（Ａ）参照）。
【００７３】
絶縁層２７１は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００７４】
次いで、絶縁層２７１と正極活物質２１２との間で選択比が異なるエッチャントを用いて、絶縁層２７１をエッチングする。絶縁層２７１のエッチングは、突起２４５の先端が露出し、かつ、隣り合う突起２４５の間の凹部に絶縁体２７２が残るように行う（図６（Ｂ）参照）。以上のようにして、正極２３７を形成する。
【００７５】
一方、まず図５（Ａ）〜図５（Ｄ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４６を有する負極集電体２２１及び負極活物質２２２を作製する。次いで、負極集電体２２１及び負極活物質２２２上に、絶縁層２７３を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【００７６】
絶縁層２７３は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００７７】
次いで、絶縁層２７３と負極活物質２２２との間で選択比が異なるエッチャントを用いて、絶縁層２７３をエッチングする。絶縁層２７３のエッチングは、突起２４６の先端が露出し、かつ、隣り合う突起２４６の間の凹部に絶縁体２７４が残るように行う（図６（Ｄ）参照）。以上のようにして、負極２３８を形成する。
【００７８】
次いで、正極２３７と負極２３８を対向させ、正極２３７の突起２４５と、負極２３８の突起２４６が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２３７の突起２４５と負極活物質２２２、並びに、負極２３８の突起２４５と正極活物質２１２は、それぞれ絶縁体２７４並びに絶縁体２７２により絶縁されるように配置する。
【００７９】
電解質２７５を正極２３７及び負極２４２の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２３６を作製する。（図７（Ａ）参照）。
【００８０】
また図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図７（Ａ）の構成とは異なる電気化学キャパシタ及びその作製方法を、図７（Ｂ）、図８（Ａ）〜図８（Ｂ）、図９（Ａ）〜図９（Ｂ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を用いて説明する。
【００８１】
まず図４（Ａ）〜図４（Ｂ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４７を有する正極集電体２１１、並びに、突起２４７上の絶縁体２１７を形成する。さらに正極集電体２１１及び絶縁体２１７を覆って、正極活物質２５１を形成する（図８（Ａ）参照）。
【００８２】
なお、突起２４７の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。
【００８３】
次いで、正極活物質２５１上に、絶縁層２５２を形成する（図８（Ｂ）参照）。
【００８４】
絶縁層２５２は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００８５】
次いで、絶縁層２５２及び正極活物質２５１、並びに、絶縁体２１７との間で選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁層２５２及び正極活物質２５１をエッチングして、絶縁体２５４及び正極活物質２５３を得る。
【００８６】
絶縁層２５２及び正極活物質２５１のエッチングは、絶縁体２１７が後の工程で正極活物質２５３と負極活物質２６３が絶縁できる程度の厚さになるように行う（図９（Ａ）参照）。すなわち、絶縁体２１７の一部が露出しており、露出している絶縁体２１７の一部は正極活物質２５３に覆われていない。
【００８７】
次いで絶縁体２５４と正極活物質２５３との間で、選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁体２５４をエッチングして除去する（図９（Ｂ）参照）。これにより正極２５５が作製される。
【００８８】
一方、まず図５（Ａ）〜図５（Ｂ）で述べられた作製工程に基づいて、突起２４８を有する負極集電体２２１、並びに、突起２４８上の絶縁体２２７を形成する。さらに負極集電体２２１及び絶縁体２２７を覆って、負極活物質２６１を形成する（図１０（Ａ）参照）。
【００８９】
また、突起２４８の上面から見た形状は、円、四角形、三角形、星型、五角形、六角形等を用いることができ、必要に応じて形状を決めればよい。また突起２４７に対応する形状を形成すればよい。
【００９０】
次いで、負極活物質２６１上に、絶縁層２６２を形成する（図１０（Ｂ）参照）。
【００９１】
絶縁層２６２は、絶縁体１１３の材料のうち有機樹脂を用いて形成すればよい。
【００９２】
次いで、絶縁層２６２及び負極活物質２６１、並びに、絶縁体２２７との間で選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁層２６２及び負極活物質２６１をエッチングして、絶縁体２６４及び負極活物質２６３を得る。
【００９３】
絶縁層２６２及び負極活物質２６１のエッチングは、絶縁体２２７が後の工程で正極活物質２５３と負極活物質２６３が絶縁できる程度の厚さになるように行う（図１１（Ａ）参照）。すなわち、絶縁体２２７の一部が露出しており、露出している絶縁体２２７の一部は負極活物質２６３に覆われていない。
【００９４】
次いで絶縁体２６４と負極活物質２６３との間で、選択比が異なるエッチャントを用い、絶縁体２６４をエッチングして除去する（図１１（Ｂ）参照）。これにより負極２６５が作製される。
【００９５】
次いで、正極２５５と負極２６５を対向させ、正極２５５の突起２４７上の絶縁体２１７と、負極２６５の突起２４８上の絶縁体２２７が互い違い（交互）となるように配置する。このとき、正極２５５の正極活物質２５３と負極２６５の負極活物質２６３は、絶縁体２１７並びに絶縁体２２７により絶縁されるように配置する。
【００９６】
電解質２５７を正極２５５及び負極２６５の間の空間に配置する。以上により電気化学キャパシタ２６７を作製する。（図７（Ｂ）参照）。
【符号の説明】
【００９７】
１０１ 板状正極活物質材料
１０５ 板状負極活物質材料
１１１ 正極集電体
１１２ 正極活物質
１１３ 絶縁体
１１５ 突起
１１７ 正極
１２１ 負極集電体
１２２ 負極活物質
１２３ 絶縁体
１２５ 突起
１２７ 負極
１３２ 電解質
１３５ 電気化学キャパシタ
２１１ 正極集電体
２１２ 正極活物質
２１３ 絶縁体
２１７ 絶縁体
２１９ 板状正極材料
２２１ 負極集電体
２２２ 負極活物質
２２３ 絶縁体
２２７ 絶縁体
２２９ 板状負極材料
２３２ 電解質
２３５ 電気化学キャパシタ
２３６ 電気化学キャパシタ
２３７ 正極
２３８ 負極
２４１ 正極
２４２ 負極
２４５ 突起
２４６ 突起
２４７ 突起
２４８ 突起
２５１ 正極活物質
２５２ 絶縁層
２５３ 正極活物質
２５４ 絶縁体
２５５ 正極
２５７ 電解質
２６１ 負極活物質
２６２ 絶縁層
２６３ 負極活物質
２６４ 絶縁体
２６５ 負極
２６７ 電気化学キャパシタ
２７１ 絶縁層
２７２ 絶縁体
２７３ 絶縁層
２７４ 絶縁体
２７５ 電解質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、
前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、
前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項２】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、
前記正極の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、
前記負極の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項３】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、
前記正極の該凹部に設けられた第１の絶縁体と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、
前記負極の該凹部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項４】
表面に凹凸構造を有する正極集電体と、
前記正極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
前記正極集電体及び前記第１の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活物質と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体と、
前記負極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記負極集電体及び前記第２の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活物質と、
前記正極活物質と前記負極活物質とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項１】
正極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活性物質と、
前記正極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
負極集電体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活性物質と、
前記負極活性物質の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極集電体と前記負極集電体とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項２】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、
前記正極の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、
前記負極の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項３】
表面に凹凸構造を有する正極集電体及び正極活性物質からなる正極と、
前記正極の該凹部に設けられた第１の絶縁体と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体及び負極活性物質からなる負極と、
前記負極の該凹部に設けられた第２の絶縁体と、
前記正極と前記負極とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極と前記負極の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【請求項４】
表面に凹凸構造を有する正極集電体と、
前記正極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第１の絶縁体と、
前記正極集電体及び前記第１の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する正極活物質と、
表面に凹凸構造を有する負極集電体と、
前記負極活集電体の該凸部の先端部に設けられた第２の絶縁体と、
前記負極集電体及び前記第２の絶縁体に接し、表面に凹凸構造を有する負極活物質と、
前記正極活物質と前記負極活物質とが対向配置され、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体が介在して、前記正極活性物質と前記負極活性物質の凸部と凹部が直接接触しないように噛み合って形成された空間部に設けられ、リチウムイオンを含む電解質と、
を有することを特徴とする電気化学キャパシタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２１９３９２（Ｐ２０１０−２１９３９２Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６５９７０（Ｐ２００９−６５９７０）
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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