(57)【要約】【課題】製造時間を短縮でき、複数のセルにおける各セル同士でその特性のバラツキを抑制した電気化学素子電気化学素子を提供することにある。【解決手段】正極１２Ｂと負極１２Ａとがセパレート１１を介して対向して配置され、正極側に正極集電材１３が配置される一方、負極側に負極集電材１５が配置された積層体本体が複数積層された電気化学素子であって、複数の積層体本体が、負極集電材１５を隣接して配置したものであり、隣り合う負極集電材１５の間にリチウム箔２１が配置されるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレートを介して正極と負極とが対向して配置され、前記正極側に正極集電材が配置される一方、前記負極側に負極集電材が配置された積層体本体を複数具備する電気化学素子であって、
前記複数の積層体本体が、負極集電材を隣接して積層したものであり、
隣り合う負極集電材の間にリチウム箔が配置される
ことを特徴とする電気化学素子。
【請求項２】
請求項１に記載された電気化学素子であって、
前記負極が、貫通孔が複数設けられているものである
ことを特徴とする電気化学素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された電気化学素子を具備する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やノートパソコンなどの携帯型の小型機器の普及に伴い、その駆動源である電源として、小型（軽量）である上に大容量を持つキャパシタが種々開発されている。このような要求を満たすキャパシタとして、リチウムイオンキャパシタなどが挙げられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、正極と、負極と、これら極間に介在するセパレータとでセルを構成し、正極の面上にアルミニウム箔あるいはメッシュを成形し、負極の面上に銅箔あるいはメッシュを成形したリチウムイオンキャパシタが開示されている。このリチウムイオンキャパシタは、正極および負極のそれぞれに貫通孔が形成され、セルを複数積層してなる積層体の方端あるいは両端にリチウム箔を備えた構造となっている。
【０００４】
そして、このような構造のリチウムイオンキャパシタにおいては、内部へ電解液を注入した後に、リチウム箔と負極をそれぞれの端子を接続して短絡させることでリチウムイオンのドーピングが行われている。
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００３／００３３９５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
リチウムイオンキャパシタは、負極に予めリチウムイオンがドープされていることで、高いエネルギー密度を実現しているものである。ドープされるリチウムイオン量が不足している場合には、リチウムイオンキャパシタとして十分な特性（高いエネルギー密度）が得られないだけでなく、早々にキャパシタとしての特性を失ってしまうことにつながる。すなわち、リチウムイオンキャパシタの寿命を縮めてしまう可能性があった。他方、十分な特性を得るために電極面積を大きくすることが重要となる。そのため、リチウムイオンキャパシタでは、積層や捲回式構造がとられている。
【０００７】
しかし複数の負極に対して個別にリチウムイオンを予めドープさせるには、その工数自体が多くなる上に、負極にリチウムイオンがドープされた後には短絡などしない様にするなどその取扱いに十分注意を払う必要があり、その分作業が煩雑になってしまうという問題がある。このためキャパシタ内にリチウムを配し、セル内で複数の負極に対して一括でリチウムイオンをドープする方法がとられている。
【０００８】
そこで正負極として貫通孔を有する箔やメッシュを用い、リチウム箔と一括して短絡させることによってドーピングを行う方法が提案されているが、端部に配されたリチウム箔からすべての負極にドープを行うため、十分にリチウムイオンがいきわたるまでに時間を要してしまう課題がある。また負極内における部位によってリチウムのドープ量にばらつきが生じやすい上に、複数のセルにおける各セル同士で特性にばらつきが生じやすいといった課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、製造時間を短縮でき、複数のセルにおける各セル同士でその特性のバラツキを抑制した電気化学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した課題を解決する第１の発明に係る電気化学素子は、
セパレートを介して正極と負極とが対向して配置され、前記正極側に正極集電材が配置される一方、前記負極側に負極集電材が配置された積層体本体を複数具備する電気化学素子であって、
前記複数の積層体本体が、負極集電材を隣接して積層したものであり、
隣り合う負極集電材の間にリチウム箔が配置される
ことを特徴とする。
【００１１】
前述した課題を解決する第２の発明に係る電気化学素子は、
第１の発明に係る電気化学素子であって、
前記負極が、貫通孔が複数設けられているものである
ことを特徴とする。
【００１２】
前述した課題を解決する第３の発明に係るリチウムイオンキャパシタは、第１または第２の発明に係る電気化学素子を具備する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る電気化学素子によれば、内部にリチウム箔が設けられているため、負極にあらかじめリチウムイオンをドープするための作業を行う必要が無く、組立て時にリチウム箔を配置する簡便な作業を行うだけであり、あらかじめリチウムイオンをドープした負極を用いる電気化学素子と比べて、製品の作製時間を短縮できる。負極集電材を介して負極に対向してリチウム箔が配置されるため、端部にリチウム箔を配置した電気化学素子と比べ、負極内における部位によってドープ量のバラツキが抑制される。さらに、負極へのリチウムイオンのドープ量の不足を抑制できる。よって、負極全体へリチウムイオンのドープを確実に行うことができる。その上、一つのリチウム箔によって隣り合う積層体本体の負極へのリチウムイオンのドープが行われるため、複数の積層体本体における各積層体本体同士でその特性のバラツキが抑制できる。
【００１４】
本発明に係る電気化学素子によれば、負極が、貫通孔が複数設けられているものであることにより、負極全体に均一にリチウムイオンをドープできる。これにより、負極に貫通孔が設けられていない負極を具備する電気化学素子と比べて、静電容量を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る電気化学素子を実施するための最良の形態につき、実施形態に具体的に説明する。
【００１６】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る電気化学素子の第一番目の実施形態につき図１を参照して説明する。
図１は、電気化学素子の構成を示す断面図である。本実施形態に係る電気化学素子は、単層型の素子に適用したものである。
【００１７】
本実施形態に係る電気化学素子（リチウムイオンキャパシタ）１００は、図１に示すように、セパレータ１１を介して正極１２Ｂと負極１２Ａが対向して配置された単層構造のセル１０を具備するものである。このセル１０の正極１２Ｂ側（一方の側部側）には正極集電材１３が配置される。セル１０の負極１２Ａ側（他方の側部側）には負極集電材１５が配置される。ただし、負極集電材１５における負極１２Ａ側に位置して、グラファイト１４が均一な厚みで塗布される。そして、負極１２Ａとグラファイト１４の間にリチウム箔１０１が配置される。セル１０、正極集電材１３、グラファイト１４、負極集電材１５からなる積層体本体２０の周囲には、額縁状のシール材１６が配置されている。このシール材１６により、正極集電材１３および負極集電材１５の短絡が防止されると共に、内部からの液漏れが防止される。積層体本体２０およびシール材１６の両側から一対の金属製のエンドプレート１８で挟み込まれ、図示しないネジによって締め込み加圧が行われている。これをアルミラミネートフィルム１９により封止することで、その内部が外気から遮断されている。なお、エンドプレート１８と正極集電材１３の間、およびエンドプレート１８と負極集電材１５の間には集電端子１７が配置される。この集電端子１７によりアルミラミネートフィルム１９の外側に電気が取り出し可能になっている。
【００１８】
セパレータ１１としては、セルロース繊維などからなる不織布などが挙げられる。
【００１９】
負極１２Ａの材料としては、樹脂を炭素化したものや活性炭などの炭素材料が挙げられる。負極１２Ａとしては、シート状に成形されたものであり、貫通孔を任意に設けたもの、例えば、隣接する貫通孔間の距離、複数の貫通孔の大きさ、貫通孔の数量を任意に設けたものが挙げられる。
【００２０】
負極集電材１５としては、銅箔などが挙げられる。
【００２１】
正極１２Ｂの材料としては、活性炭（やし殻系、石油ピッチ系、コークス系など）、導電助剤（アセチレンブラックなど）、結着剤（四フッ化エチレンなど）を任意の比率、例えば、活性炭（重量％）：導電助剤（重量％）：結着剤（重量％）＝７〜８：０．５〜１．５：０．５〜１．５などで混合したものが挙げられる。
【００２２】
正極集電材１３としては、正極１２Ｂとの接触面側に導電性塗料を塗布したアルミ箔などが挙げられる。
【００２３】
電解質としては、ＬｉＰＦ6（六フッ化リン酸リチウム）などが挙げられる。溶媒としては、カーボネート系の分極性有機溶媒（エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどおよびそれらの混合物）などが挙げられる。
【００２４】
シール材１６としては、エチレンブタジエンゴムのシート状物をガスケット状（額縁状）に切り抜いたものなどが挙げられる。
【００２５】
上述したリチウム箔１０１は、負極１２Ａに対して５０重量％の割合にて配置される。また、リチウム箔１０１は、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲の厚さに成形されている。この範囲よりも薄くなると、リチウム箔１０１から負極１２Ａへ均一にリチウムイオンをドープすることができなくなる。この範囲を超えて厚くなると、リチウム箔１０１から負極１２Ａへのリチウムイオンのドープ量よりも多くなりその分コスト増となる上に、リチウム箔１０１により内部抵抗を増加させてしまうため不適である。
【００２６】
したがって、本実施形態に係る電気化学素子１００によれば、内部にリチウム箔１０１が設けられているため、負極にあらかじめリチウムイオンをドープするための作業を行う必要が無く、組立て時にリチウム箔１０１を配置する簡便な作業を行うだけであり、あらかじめリチウムイオンをドープした負極を用いる電気化学素子と比べて、製品の作製時間を短縮できる。負極１２Ａの面にリチウム箔１０１が接触して配置されるため、端部にリチウム箔を配置した電気化学素子と比べ、負極１２Ａ内における部位によってドープ量のバラツキが抑制される。さらに、負極１２Ａへのリチウムイオンのドープ量の不足が抑制される。よって、負極全体へリチウムイオンのドープを確実に行うことができる。
【００２７】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る電気化学素子の第二番目の実施形態につき図２を参照して説明する。
図２は、電気化学素子の構成を示す断面図である。本実施形態に係る電気化学素子は、積層型の素子に適用したものである。
【００２８】
本実施形態に係る電気化学素子は、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子が具備する積層体本体の数量およびリチウム箔の配置箇所を変更したものであり、それ以外は同じ構成を有する。
本実施形態に係る電気化学素子において、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子と同一部材には同一符号を付記しその説明を省略する。
【００２９】
本実施形態に係る電気化学素子（リチウムイオンキャパシタ）は、図２に示すように、正極集電材１３、セル１０（正極材１２Ｂ、セパレータ１１、負極材１２Ａ）、グラファイト１４、負極集電材１５からなる積層体本体を４つ具備するものである。そして、複数の積層体本体は、負極集電材１５を隣接した状態で積層して配置される。隣り合う負極集電材１５の間にリチウム箔２１が配置される。なお、図２では、隣接して配置される正極集電材１３を一つの部材として図示している。
【００３０】
負極集電材１５を隣接させ、この間にリチウム箔２１を配置したことで、一つのリチウム箔２１で負極集電材１５を介し２つの負極１２Ａへリチウムイオンをドープすることができ、負極１２Ａに接してリチウム箔１０１を配置した電気化学素子１００と比べてその使用量を減らすことができ、コスト増を抑制できる。
【００３１】
したがって、本実施形態に係る電気化学素子によれば、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子１００と同様な作用効果を奏する上に、一つのリチウム箔２１によって隣り合う積層体本体の負極１２Ａへのリチウムイオンのドープが行われるため、複数の積層体本体における各積層体本体同士でその特性のバラツキが抑制できる。
【００３２】
なお、上記では、４つの積層体本体を具備する電気化学素子を用いて説明したが、積層体本体の数量を増やした電気化学素子とすることも可能である。このような電気化学素子であっても、上述した第二番目の実施形態に係る電気化学素子と同様な作用効果を奏する。
【実施例１】
【００３３】
本発明に係る電気化学素子の第１の実施例につき図１を用いて具体的に説明する。
【００３４】
本実施例に係る電気化学素子は、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子と同一構成の部材を具備するものであり、その説明を省略する。
【００３５】
本実施例に係る電気化学素子では、正極１２Ｂとして、４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×０．３０ｍｍ（厚さ）に成形され、活性炭からなる電極を用いた。正極集電材１３としてアルミニウムからなる集電材を用いた。負極１２Ａとして、４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×０．０６ｍｍ（厚さ）に成形され、グラファイトからなる電極を用いた。この負極材として、あらかじめリチウムイオンをドープしていないものであり、貫通孔が形成されたものを用いた。この貫通孔の大きさを直径１００μｍとし、隣接する貫通孔の間隔を２ｍｍとした。負極集電材１５として銅からなる集電材を用いた。そして、セパレータ１１として、６０ｍｍ（縦）×６０ｍｍ（横）×０．０７ｍｍ（厚さ）に成形され、セルロースからなるものを用いた。リチウム箔１０１として、４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×０．０３ｍｍ（厚さ）に成形されたものを用いた。正極集電材１３として、アルミ箔からなる電極を用い、正極１２Ｂとの接触面に黒鉛からなる導電性塗料をその厚さ１０μｍとなるように塗布したものを用いた。負極集電材１５として、銅箔からなる電極を用いた。
【００３６】
電解質としてＬｉＰＦ6（六フッ化リン酸リチウム）を用い、溶媒としてエチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を１対１にて混合したものを用いた。シール材としてエチレンブタジエンゴムからなる額縁状のシート状物を用いた。
【００３７】
［比較例１］
比較例１に係る電気化学素子について図３を参照して説明する。
図３は電気化学素子の断面図である。
【００３８】
比較例１に係る電気化学素子は、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子が具備するリチウム箔を除去したものであり、それ以外は同一部材を具備するものである。
比較例１に係る電気化学素子において、上述した第一番目の実施形態に係る電気化学素子と同一部材には同一符号を付記しその説明を省略する。
【００３９】
比較例１に係る電気化学素子３００が具備する部材（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極集電材１５）および内部の電解液（電解質、溶媒）として、上述した第１の実施例に係る電気化学素子が具備する部材（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極集電材１５）および内部の電解液（電解質、溶媒）と同一の物質からなるものであり、同一の形状に成形されたものを用いた。ただし、負極１２Ａとして、上述した第１の実施例に係る電気化学素子が具備する負極と異なる方法にて当該負極へリチウムイオンをドープしたものが用いられた。すなわち、この負極へのリチウムイオンのドープは、リチウム箔と負極を電解液中でセパレータを介して対向させたセルを作製し、電源を用いて極間が０．０Ｖとなるように充電を行う方法で行われた。この方法によってリチウムイオンのドープが行われた負極を用いて図３に示す単層型のセルを作製した。
【００４０】
［単層型キャパシタ特性の評価］
ここで、上述した実施例１に係る電気化学素子および比較例１に係る電気化学素子のキャパシタ特性（静電容量、内部抵抗）について評価を行った。具体的には、これらの電気化学素子のキャパシタ特性（静電容量、内部抵抗）について、２５℃にて、３．８Ｖ−８０ｍＡで充電を行い、２．２Ｖ−８０ｍＡで放電を行うことで評価した。この評価結果を下記表１に示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
表１に示すように、実施例１では、静電容量が１９．８Ｆとなり、内部抵抗が１．２５Ωとなった。比較例１では、静電容量が２０Ｆとなり、内部抵抗が１．１７Ωとなった。
【００４３】
よって、本実施例に係る電気化学素子によれば、比較例１に係る電気化学素子とほぼ同等な性能を得られることが分かった。すなわち、本実施例に係る電気化学素子によれば、内部にリチウム箔１０１が設けられているため、負極にあらかじめリチウムイオンをドープするための作業を行う必要が無く、組立て時にリチウム箔１０１を配置する簡便な作業を行うだけであり、あらかじめリチウムイオンをドープした負極を用いる電気化学素子３００と比べて、製品の作製時間を短縮できる。負極集電材１５を介して負極１２Ａに対向してリチウム箔１０１が配置されるため、端部にリチウム箔を配置した電気化学素子と比べ、負極内における部位によってドープ量のバラツキが抑制される。さらに、負極１２Ａへのリチウムイオンのドープ量の不足を抑制できる。よって、負極全体へリチウムイオンのドープを確実に行うことができる。
【実施例２】
【００４４】
本発明に係る電気化学素子の第２の実施例につき図２を用いて具体的に説明する。
【００４５】
本実施例に係る電気化学素子は、上述した第二番目の実施形態に係る電気化学素子と同一構成の部材を具備するものであり、その説明を省略する。
【００４６】
本実施例に係る電気化学素子が具備する部材（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極１２Ａ、負極集電材１５および内部の電解液（電解質、溶媒）は、上述した第１の実施例に係る電気化学素子が具備する（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極１２Ａ、負極集電材１５および内部の電解液（電解質、溶媒）と同一の物質からなるものであり、同一の形状に形成されたものを用いた。ただし、リチウム箔２１として、４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×０．０３０ｍｍ（厚さ）に成形されたものを用いた。
【００４７】
［比較例２］
比較例２に係る電気化学素子について図４を参照して説明する。
図４は電気化学素子の断面図である。
【００４８】
比較例２に係る電気化学素子は、上述した比較例１に係る電気化学素子が具備する積層体本体の数量を変更したものであり、それ以外は同じ構成を有する。
比較例２に係る電気化学素子において、上述した比較例１に係る電気化学素子と同一部材には同一符号を付記しその説明を省略する。
そして、比較例２にて、負極へのリチウムイオンのドープ方法として、上述した比較例１と同じ手法が採られた。
【００４９】
比較例２に係る電気化学素子が具備する部材（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極１２Ａ、負極集電材１５）および内部の電解液（電解質、溶媒）として、上述した比較例１に係る電気化学素子が具備する部材（セパレータ１１、正極１２Ｂ、正極集電材１３、負極１２Ａ、負極集電材１５）および内部の電解液（電解質、溶媒）と同一の物質からなるものであり、同一の形状に成形されたものを用いた。
【００５０】
また、図４に示すように、正極集電材１３、セル１０（正極材１２Ｂ，セパレータ１１、負極材１２Ａ）、グラファイト１４、負極集電材１５からなる積層体本体を４つ具備するものとした。そして、４つの積層体本体は、負極集電材１５が隣接した状態で積層される。なお、図４では、隣接して配置される正極集電材１３を一つの部材として図示している。
【００５１】
［比較例３］
比較例３に係る電気化学素子について図４を参照して説明する。
【００５２】
比較例３に係る電気化学素子は、上述した比較例２に係る電気化学素子が具備する部材と同一部材を具備するものである。ただし、比較例３にて、負極へのリチウムイオンのドープ方法として、上述した比較例１，２とは異なる手法が採られた。
比較例３に係る電気化学素子において、上述した比較例２に係る電気化学素子と同一部材の説明を省略する。
【００５３】
比較例３に係る電気化学素子では、リチウムイオンをドープしていないものであり、複数の貫通孔（直径が１００μｍである孔）が形成された負極を用いて積層体本体を構成し、端部の負極と集電材の間にセパレータを介してリチウム箔を配置し、電解液中で負極と短絡させることによりリチウムイオンの負極へのドープが行われる。ただし、隣接する貫通孔の間隔を２ｍｍとした。
【００５４】
［積層型キャパシタ特性の評価］
ここで、上述した実施例２に係る電気化学素子および比較例２，３に係る電気化学素子のキャパシタ特性（静電容量、内部抵抗）について評価を行った。具体的には、これらの電気化学素子のキャパシタ特性（静電容量、内部抵抗）について、２５℃にて、３．８Ｖ−３２０ｍＡで充電を行い、２．２Ｖ−３２０ｍＡで放電を行うことで評価した。この評価結果を下記表２に示す。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
表２に示すように、実施例２に係る電気化学素子では、静電容量が７９．１Ｆとなり、内部抵抗が０．２８１Ωとなった。比較例２に係る電気化学素子では、静電容量が７９．４Ｆとなり、内部抵抗が０．２７４Ωとなった。比較例３に係る電気化学素子では、静電容量が６４．３Ｆとなり、内部抵抗が０．３９７Ωとなった。
【００５７】
よって、本実施例に係る電気化学素子は、比較例２に係る電気化学素子とほぼ同等な性能を得ることができ、比較例３に係る電気化学素子と比べてそれ以上の特性（静電容量、内部抵抗）を得ることができることが分かった。すなわち、本実施例に係る電気化学素子によれば、内部にリチウム箔２１が設けられているため、負極にあらかじめリチウムイオンをドープするための作業を行う必要が無く、組立て時にリチウム箔２１を配置する簡便な作業を行うだけであり、あらかじめリチウムイオンをドープした負極を用いる電気化学素子と比べて、製品の作製時間を短縮できる。負極集電材１５を介して負極１２Ａに対向してリチウム箔２１が配置されるため、端部にリチウム箔を配置した電気化学素子と比べ、負極内における部位によってドープ量のバラツキが抑制される。さらに、負極１２Ａへのリチウムイオンのドープ量の不足を抑制できる。よって、負極全体へリチウムイオンのドープを確実に行うことができる。その上、一つのリチウム箔２１によって隣り合う積層体本体の負極１２Ａへのリチウムイオンのドープが行われるため、複数の積層体本体における各積層体本体同士でその特性のバラツキが抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る電気化学素子は、短時間で高品質な製品を製造できると共に、携帯型の小型機器の電源として利用できるものであり、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る電気化学素子の第一番目の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る電気化学素子の第二番目の実施形態が具備する積層体を模式的に示した図である。
【図３】従来の電気化学素子の一例を示す図である。
【図４】従来の電気化学素子の他例が具備する積層体を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０            セル
１１            セパレータ
１２Ａ          負極
１２Ｂ          正極
１３            正極集電材
１４            グラファイト
１５            負極集電材
１６            シール材
１７            集電端子
１８            エンドプレート
１９            アルミラミネートフィルム
２０            積層体本体
２１，１０１    リチウム箔
１００          リチウムイオンキャパシタ（電気化学素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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