(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質活物質を含有する正極および負極、オニウム塩を含有する非水電解液、並びにセパレータを備えた蓄電デバイスの設計方法であって、
前記正極における電気化学的充電過程が、遷移電圧を境にして、低電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンの吸着過程と、高電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンのインターカレーション過程との２段階逐次充電過程を示し、且つ前記正極の炭素質活物質が、黒鉛質材料であって、
正極容量が４７ｍＡｈ／ｇ以下３１ｍＡｈ／ｇ以上の範囲となるまで充電した際に、正−負極間の端子間電圧が３．２Ｖとなるように、負極活物質の容量を選択することを特徴とする蓄電デバイスの設計方法。
【請求項２】
前記遷移電圧が、１．５Ｖ〜２．５Ｖの範囲となるように設計することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項３】
前記正極の活物質として黒鉛質材料が使用され、
前記負極の活物質として、正極の活物質として使用される黒鉛質材料より比表面積の大きい炭素質材料が使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項４】
前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料のｄ（００２）層間距離が０．３４０ｎｍ以下であり、比表面積が１０ｍ２／ｇ未満であることを特徴とする請求項３記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項５】
前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料が、菱面体構造を含有しないことを特徴とする請求項４記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項６】
前記オニウム塩のアニオンが、ＰＦ６−およびＢＦ４−の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項７】
充電時に、正―負極間の端子間電圧が３．２Ｖとなったときに、黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲になるように設計することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項８】
充電時に、正―負極間の端子間電圧が３．２Ｖになったとき、正極電位が対Ｌｉ＋／Ｌｉ電極基準で、５．２Ｖ以下の範囲となるように設計することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項９】
充電前の黒鉛質材料の層間距離が０．３３６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項１０】
充電曲線の１．８Ｖから３Ｖ間において、前記黒鉛質材料の静電容量が３９０Ｆ／ｇ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【請求項１１】
充電時に、正―負極間の端子間電圧が３．２Ｖになったとき、電解液の分解電位に達しないように、設計することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電圧が高く、容量が大きく、かつ充放電サイクルにおける信頼性の高い蓄電デバイス、蓄電システム、およびそれを用いた電子機器、動力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解液を使用する蓄電デバイスとして知られているものにはリチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどがある。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は正極にリチウム含有遷移金属酸化物が使用され、負極にはリチウムがインターカレート可能な黒鉛系炭素化合物が好適に使用されており、電解液としてはリチウム塩を含む非水電解液が利用されている。
【０００４】
リチウムイオン二次電池では通常、正極にリチウム含有遷移金属酸化物を使用しているために、リチウムイオン二次電池は高い電圧による充放電を実現でき、結果として高容量な電池と認識される一方で、正負極活物質自体にリチウムイオンを吸蔵・脱離するために充放電サイクルの劣化が早期に起こってしまう。
【０００５】
一方、電気二重層キャパシタは、正極、負極共に活性炭を主体とする分極性電極にて構成されているために容量は低いながらも、急速な充放電を可能にし、かつ充放電サイクルにおける高い信頼性を確保出来ている。
【０００６】
しかしながら、分極性電極と電解液の界面に形成される電気二重層を利用することで安定した電源を構成する電気二重層キャパシタの電気エネルギーは１／２ＣＶ２で表されることから、より高い電圧で作動させる電気化学系が求められている。ここで、Ｃは静電容量［ファラッド］、Ｖは電圧［ボルト］である。
【０００７】
電気二重層キャパシタの蓄電システムにおける容量向上の為に近年研究されたシステムとしては、正極にＰＦＰＴ（ポリ−ｐ−フルオロフェニルチオフェン）を使用し、負極に活性炭を使用するものが提案されている。また、正極に活性炭を使用し、負極にチタン酸リチウムを使用するもの、あるいは、正極に活性炭を使用し、負極が黒鉛系炭素というものが提案されている。しかしながら、これら提案の蓄電システムにおいては、充放電サイクル初期の劣化、急速充放電による容量低下、黒鉛系炭素へのリチウムイオンの挿入脱離の繰り返しによる構造の劣化の可能性が報告されている。例えば、特許文献１には、電気二重層キャパシタの電極材料となる特殊な炭素材、及びその製造方法について提案されている。
【０００８】
特許文献２には、（００２）ピークのＸ線回折での半値幅が０．５〜５．０°である黒鉛系炭素材料を正極及び負極の両電極の主成分として含む電気二重層キャパシタについて提案されているが、実施例に示されているように、電気二重層キャパシタを作製した後に水蒸気賦活処理の代わりに、２０分〜５時間、３．８Ｖの高電圧を印加して使用することを特徴としている。
【０００９】
さらに、特許文献３には、正極の炭素材料として、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して得られるホウ素含有黒鉛を使用し、負極の炭素材料として活性炭を使用した電気二重層キャパシタが提案されている。特許文献３では、正極おけるアニオンのインターカレーション反応を推定しているが、充放電過程の詳細は明らかにされていない。またホウ素含有黒鉛の比表面積等の物理的性質に関する詳細も明らかにされていない。
【００１０】
さらに特許文献４にも、正極活物質として黒鉛を使用し、負極の活物質として黒鉛または活性炭を使用する電気二重層キャパシタが提案されているが、キャパシタ容量が正極および負極でのイオンの吸脱着によって発現するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１９９７６７号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１３６４号公報
【特許文献３】特開２００４−１３４６５８号公報
【特許文献４】特開２００５−２９４７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、従来正極として黒鉛や活性炭を使用した非水系の電気二重層キャパシタの提案はあったが、実際に使用できる蓄電容量およびエネルギー容量が十分ではなく、また充放電過程の適正な制御がされていないためにサイクル特性が不十分であった。
【００１３】
本発明は従来の鉛電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層キャパシタ等を代替することが可能で、実質的に利用できる蓄電容量およびエネルギー容量が大きく、かつ充放電サイクルにおける信頼性が高い、蓄電デバイス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】
【００１４】
本発明は、以下の事項に関する。
１．  炭素質活物質を含有する正極および負極、オニウム塩を含有する非水電解液、並びにセパレータを備えた蓄電デバイスの設計方法であって、
前記正極における電気化学的充電過程が、遷移電圧を境にして、低電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンの吸着過程と、高電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンのインターカレーション過程との２段階逐次充電過程を示し、且つ前記正極の炭素質活物質が、黒鉛質材料であって、
正極容量が４７ｍＡｈ／ｇ以下３１ｍＡｈ／ｇ以上の範囲となるまで充電した際に、正―負極間の端子間電圧が所定の電圧となるように、負極活物質の容量を選択することを特徴とする蓄電デバイスの設計方法。
２．  前記所定の電圧が、３．２Ｖであることを特徴とする上記１記載の蓄電デバイスの設計方法。
３．  前記遷移電圧が、１．５Ｖ〜２．５Ｖの範囲となるように設計することを特徴とする上記１または２記載の蓄電デバイスの設計方法。
４．  前記正極の活物質として黒鉛質材料が使用され、
前記負極の活物質として、正極の活物質として使用される黒鉛質材料より比表面積の大きい炭素質材料が使用されることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
５．  前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料のｄ（００２）層間距離が０．３４０ｎｍ以下であり、比表面積が１０ｍ２／ｇ未満であることを特徴とする上記４記載の蓄電デバイスの設計方法。
６．  前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料が、菱面体構造を含有しないことを特徴とする上記５記載の蓄電デバイスの設計方法。
７．  前記オニウム塩のアニオンが、ＰＦ６−およびＢＦ４−の少なくとも1つを含むことを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
８．  充電時に、正―負極間の端子間電圧が前記の所定の電圧となったときに、黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲になるように設計することを特徴とする上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
９．  充電時に、正―負極間の端子間電圧が前記の所定の電圧になったとき、正極電位が対Ｌｉ＋／Ｌｉ電極基準で、５．２Ｖ以下の範囲となるように設計することを特徴とする上記１〜８のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
１０．  充電前の黒鉛質材料の層間距離が０．３３６ｎｍ以下であることを特徴とする上記１〜９のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
１１．  充電曲線の１．８Ｖから３Ｖ間において、前記黒鉛質材料の静電容量が３９０Ｆ／ｇ以上であることを特徴とする上記１〜１０のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
１２．  充電時に、正―負極間の端子間電圧が前記の所定の電圧になったとき、電解液の分解電位に達しないように、設計することを特徴とする上記１〜１０のいずれかに記載の蓄電デバイスの設計方法。
さらに本出願は、以下の事項も開示している。
【００１５】
１．  炭素質活物質を含有する正極および負極、オニウム塩を含有する非水電解液、並びにセパレータを備えた蓄電デバイスであって、
前記正極における電気化学的充電過程が、遷移電圧を境にして、低電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンの吸着過程と、高電圧側領域における前記オニウム塩のアニオンのインターカレーション過程との２段階逐次充電過程を示すことを特徴とする蓄電デバイス。
【００１６】
２．  使用時の充放電領域として、前記オニウム塩のアニオンがインターカレーションしている電圧領域のみが利用されることを特徴とする上記１記載の蓄電デバイス。
【００１７】
３．  前記遷移電圧が、１．５Ｖ〜２．５Ｖの範囲に設定されることを特徴とする上記１または２記載の蓄電デバイス。
【００１８】
４．  前記正極の活物質として黒鉛質材料が使用され、
前記負極の活物質として、正極の活物質として使用される黒鉛質材料より比表面積の大きい炭素質材料が使用されることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイス。
【００１９】
５．  前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料のｄ（００２）層間距離が０．３４０ｎｍ以下であり、比表面積が１０ｍ２／ｇ未満であることを特徴とする上記４記載の蓄電デバイス。
【００２０】
６．  前記正極の活物質として使用される黒鉛質材料が、菱面体構造を含有しないことを特徴とする上記５記載の蓄電デバイス。
【００２１】
７．  前記オニウム塩のアニオンが、ＰＦ６−およびＢＦ４−の少なくとも1つを含むことを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載の蓄電デバイス。
【００２２】
８．  上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスを備える蓄電システムであって、前記オニウム塩のアニオンがインターカレーションしている電圧領域のみを使用することを特徴とする蓄電システム。
【００２３】
９．  前記オニウム塩のアニオンがインターカレーションしている電圧領域のみを使用時の電圧として制御する電圧制御機構を有する上記８記載の蓄電システム。
【００２４】
１０．  上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスを備える蓄電システムであって、
正極の活物質が黒鉛質材料であり、
蓄電デバイスとしての使用時の充電時に、正極容量が４７ｍＡｈ／ｇ〜３１ｍＡｈ／ｇの範囲となるように、且つ黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲になるように充電電圧を制御することを特徴とする蓄電システム。
【００２５】
１１．  上記１０記載の蓄電システム、または上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスを備える蓄電システムであって、
蓄電デバイスとしての使用時において、充電時の正極電位が対Ｌｉ＋／Ｌｉ電極基準で、５．２Ｖ以下の範囲で制御することを特徴とする蓄電システム。
【００２６】
１２．  上記１０または１１記載の蓄電システム、または上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスを備える蓄電システムであって、
蓄電デバイスとしての使用時において、充電電圧３．２Ｖ以下の範囲で使用されることを特徴とする蓄電システム。
【００２７】
１３．  充電前の黒鉛質材料の層間距離が０．３３６ｎｍ以下であることを特徴とする上記１０〜１２のいずれかに記載の蓄電システム。
【００２８】
１４．  充電曲線の１．８Ｖから３Ｖ間において、前記黒鉛質材料の静電容量が３９０Ｆ／ｇ以上であることを特徴とする上記１０〜１３のいずれかに記載の蓄電システム。
【００２９】
１５．  上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスまたは上記８〜１４のいずれかに記載の蓄電システムを備えた電子機器。
【００３０】
１６．  上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスまたは上記８〜１４のいずれかに記載の蓄電システムを備えた動力システム。
【００３１】
１７．  上記１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイスの電解液分解開始電圧を制御する方法であって、この分解開始電圧の制御を、前記遷移電圧を変更することにより行うことを特徴とする方法。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、非水系の電気二重層キャパシタに特徴的な高速充放電という性質を保持したまま、従来の電気二重層キャパシタに比べて高電圧で利用可能で、実質的に利用できる蓄電容量およびエネルギー容量が大きく、充放電サイクルにおける信頼性が高い蓄電デバイスを提供することができる。
【００３３】
本発明の蓄電デバイスでは、充放電過程が正極活物質へのアニオンの可逆的吸着と可逆的インターカレーションの２段階過程を示すために、電解液の分解反応を抑制しつつ、インターカレーション領域を使用して高容量、特に高エネルギー容量の蓄電デバイスを実現できる。本発明の蓄電デバイスは、分極性電極に電解質が吸着して容量が発現する電気二重層キャパシタの範疇には入らないが、従来の電池に比べて急速な充放電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】本発明の蓄電デバイスの充放電容量と電圧の関係を示すグラフ（クロノポテンショグラム）である。
【図１Ｂ】従来の電気二重層キャパシタの充放電容量と電圧の関係を示すグラフ（クロノポテンショグラム）である。
【図２】実施例１の充放電容量と電圧の関係を示すグラフ（クロノポテンショグラム）である。
【図３】実施例１のクロノポテンショグラムに基づいて、充放電容量の電圧微分を電圧に対してプロットしたグラフである。
【図４】実施例１のデバイスの充電時の各電圧において測定したＸ線回折パターンを示す図である。
【図５】実施例１のデバイスの放電時の各電圧において測定したＸ線回折パターンを示す図である。
【図６】実施例２の充放電容量と電圧の関係を示すグラフ（クロノポテンショグラム）である。
【図７】実施例２のクロノポテンショグラムに基づいて、充放電容量の電圧微分を電圧に対してプロットしたグラフである。
【図８】参考例の充放電容量と電圧の関係を示すグラフ（クロノポテンショグラム）である。
【図９】Li金属を対極兼、基準極とする黒鉛へのアニオンインターカレーションのサイクリックボルタングラムである。
【図１０】充電前と、対Ｌｉ＋／Ｌｉ電極５．２V充電の黒鉛のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１１】サイクル特性を示すグラフである。
【図１２】三極式セルを用いた正極、負極の電圧変化を示すグラフである。
【図１３】正極の電圧変化を示すグラフである。
【図１４】負極の電圧変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１Ａに、本発明の蓄電デバイスの代表的な充放電特性を示す。また、図１Ｂに、従来の電気二重層キャパシタとして正極負極に活性炭を使用したデバイスの充放電特性を、図１Ａに示した本発明のデバイスの特性と合わせて示す。これらの充電容量−電圧特性曲線（クロノポテンショグラム）のグラフでは、横軸が充放電容量を表し、縦軸が電圧を表す。例えば定電流充電を行ったとすると、横軸は充電容量を表すと共に充電時間にも対応する。
【００３６】
本発明の蓄電デバイスでは、図１Ａに示すように、充電時に電圧Ｖｔを境にして充電容量−電圧特性曲線の傾斜が大きく変化する。即ち、後述する実施例で示すように、電圧Ｖｔまでは正極活物質にオニウム塩のアニオンが吸着し、電圧Ｖｔ以上でアニオンが正極活物質にインターカレーションしている。本出願では、充電過程が吸着からインターカレーションに変わる電圧Ｖｔを、遷移電圧と定義する。
【００３７】
遷移電圧Ｖｔまでの吸着による充電では、比表面積の小さな正極活物質に吸着されるアニオン量は少ないので充電容量は小さく、充電容量−電圧特性曲線には、大きな傾斜が観察される。その後のインターカレーションによる充電過程では、比較的電圧の変化が小さく、大きな電荷を取り込むことができるので、大きな蓄電容量を発現することができる。
【００３８】
さらにインターカレーションを詳細に検討すると、遷移電圧Ｖｔ付近で、正極活物質表面に吸着したアニオンが急速にインターカレーションする過程と、その後の通常の本格的なインターカレーション過程に分けられる。遷移電圧Ｖｔ付近での吸着アニオンのインターカレーションによる反応電流は小さいが、狭い電圧域で起きるため単位電圧当たりの容量変化量を調べると、この電圧域において反応電流は極大値またはショルダーとして検出される。ただし、正極に用いる黒鉛質材料の比表面積が小さい場合、インターカレートする吸着アニオン量が少ないために、明確にピークとして検出され難いこともある。また、この蓄電デバイスを遷移電圧以上の電圧領域のみで利用するシステムでは、その充放電の際には当然ながら見かけ上は遷移電圧Ｖｔが観察されない。
【００３９】
放電時には、放電量の増加（残存容量の減少）と共に、脱インターカレーションにより緩やかに電圧が減少し、ほとんどのアニオンが脱インターカレーションしたところで急激に電圧が低下する。しかし、充電時とは異なり、脱インターカレーション過程と脱着過程が、互いに明瞭に区別される２段階逐次過程としては発現しないために、クロノポテンショグラム上には明確な遷移電圧は観察されない。
【００４０】
本発明の蓄電デバイスでは、使用時の充放電領域として、インターカレーションした状態にて、使用されることが好ましい。図１Ａでは、放電時に遷移電圧Ｖｔ以下の１．５Ｖまで使用可能であることを示しているが、この状態でもインターカレーションしたアニオンが残っており、ここから再充電を始めた場合には、吸着過程を経ることなく遷移電圧Ｖｔ以上から充電が開始される。充電時の遷移電圧Ｖｔと放電時にインターカレーション状態にあって利用できる電圧の差は、充放電時の電流と内部抵抗等の影響も受け、通常０．５Ｖ程度である。
【００４１】
本発明の蓄電デバイスでは、このように放電時において高い電圧を保ちながら放電していくので、電子機器に必要とされる電圧領域において実際に利用できる蓄電容量が大きい。また、取り出せるエネルギー容量は、クロノポテンショグラムの積分に対応するが、本発明のデバイスは、高い電圧で放電するために、エネルギー容量が大きいことも特徴である。
【００４２】
一方、従来の正極および負極に活性炭を使用した電気二重層キャパシタでは、図１Ｂに示すように、充放電のクロノポテンショグラムがなだらかである。これは、低電圧にても充電される容量が大きいことを示しており、本発明の蓄電デバイスに比べて、この例では１．５Ｖ以下の範囲で利用できる容量が大きい。しかし、蓄電デバイスを、１．５Ｖ以上で動作する電子機器に搭載したときに、１．５Ｖ以下の範囲で充電容量が大きいことは何ら意味がない。即ち、本発明の蓄電デバイスは、実際に使用する比較的高電圧の範囲での充電容量、特にエネルギー容量が大きいことが特徴である。
【００４３】
本発明の蓄電デバイスの遷移電圧Ｖｔは、従って、実際の電子機器で使用される電圧を考慮して定められることが好ましく、通常１．５Ｖ以上に設定されることが好ましい。
【００４４】
遷移電圧Ｖｔは、正極活物質の容量（capacity）と負極活物質の容量（capacity）、特にその比に依存することから、両者の組み合わせで遷移電圧Ｖｔを調節することができる。正極活物質の容量が大きい場合、遷移電圧Ｖｔは低くなり、負極活物質の容量が大きい場合には、遷移電圧Ｖｔは高くなる。
【００４５】
さらに、本発明の蓄電デバイスでは、例えば正極活物質および負極活物質の容量を調整し、即ち、遷移電圧Ｖｔを調節することで、充電時（即ち正極活物質へのインターカレーション時）に、正極における電解液の分解反応を抑制し、サイクル特性を改善することもできる。本発明者は、従来の正極に黒鉛を用いた電気二重層キャパシタでは、正極上で電解液（溶媒）の分解が起こり、これに伴う分解生成物の有機質が負極側に移動して負極表面を被覆する結果、負極表面の有効な電気二重層がサイクル毎に減少し、これが容量維持率の減少、すなわちサイクル特性低下をもたらすことを見出した。電解液の分解の開始電圧は種々の要因に依存するが、活性炭の種類や表面積、正極と負極の容量比等に依存する。この例の本発明の蓄電デバイスでは、３．２Ｖ程度（図１Ａ）、一方、従来の電気二重層キャパシタでは、２．３Ｖ程度（図１Ｂ）からそれぞれ分解反応電流が観察されている。
【００４６】
正極上で電解液（溶媒）の分解を抑制するための方法の１つとして、充電の間に正極側の電位が分解電位を超えないようにすることが有効である。本発明の蓄電デバイスでは、例えば負極と正極の容量比を大きくして、遷移電圧を高く設定すると、充電容量が増大していく間に、正極電位の上昇が小さく、負極電位の絶対値の大きい範囲まで充電が可能になる。その結果、デバイス電圧で見た分解電圧が上昇する。そのために、蓄電デバイスの使用可能な電圧が高くなることに加え、電解液分解反応が十分に抑制された電圧範囲で使用することができる。負極上への有機物沈積が抑制され蓄電デバイスの容量低下が改良される結果、サイクル特性が向上する。
【００４７】
サイクル特性を改善するためには、遷移電圧Ｖｔを１．５Ｖ〜２．５Ｖに設定することが好ましく、特に好ましくは１．７Ｖ〜２．３Ｖである。遷移電圧が１．５Ｖより低いと蓄電容量は大きいが、正極での電解液分解を抑制できずサイクル特性は低下する傾向が強い。遷移電圧が２．５Ｖを超える場合、正極での電解液の分解は完全に抑制されサイクル特性は良好になるが、蓄電容量が小さい。
【００４８】
具体的には、図１Ａおよび図１Ｂで、正極活物質と負極活物質の重量比を１／１とした場合、２２００ｍ２／ｇ以上の高表面積を有する活性炭を両極の活物質として用いた電気二重層キャパシタの３．５Ｖからの０Ｖまでの放電容量は本発明の蓄電デバイスを上回る。しかし、充電時に２．３Ｖで反応電流が認められるため、充電電圧は２．３Ｖまでに限定される。一方、本発明の蓄電デバイスでは、３．２Ｖ程度まで充電できる。従って、実際に利用する電圧範囲を、例えば１．５Ｖ以上とすると、本発明の蓄電デバイスで利用できる充放電容量は３．２Ｖ〜１．５Ｖの範囲であるために、２．３Ｖ〜１．５Ｖの範囲しか利用できない電気二重層キャパシタの充放電容量を上回る。さらに放電エネルギーで比較すると本発明の蓄電デバイスのそれは電気二重層キャパシタの３倍以上となる。
【００４９】
以上のように、正極活物質における充電が、吸着とインターカレーションの２段階過程を示すことにより、特にその遷移電圧Ｖｔを比較的高め、例えば１．５Ｖ〜２．５Ｖの範囲に設定することにより、本発明の蓄電デバイスは、利用できる放電容量および放電エネルギーを大きくとることができる。さらに電解液の分解も考慮すると、実装置で利用できる放電容量および放電エネルギー、並びにサイクル特性の点で本発明の蓄電デバイスは極めて優れている。
【００５０】
本発明の蓄電デバイスは３Ｖ以上の高電圧でも作動し、高容量で充放電が可能であることから、高エネルギーを蓄電することが可能である。その用途はパソコンのバックアップ電源、携帯電話、携帯用モバイル機器、デジタルカメラの電源などに用いることが可能である。また、本発明の蓄電デバイスは電気自動車やＨＥＶの動力システムにも適用することができる。
【００５１】
特に高電圧を必要とする動力系で用いられる場合、本蓄電デバイスの放電電圧は１．５Ｖ以上、望ましくは２Ｖ以上でカットすることが好ましい。
【００５２】
従って本発明の蓄電デバイスを使用する蓄電システムでは、デバイスとしての実使用時に、充放電領域がインターカレーションの領域のみとなるように使用することが好ましい。ここで、蓄電システムとは、本発明の蓄電デバイスに加えて、蓄電デバイスが使用時に機能するための周辺部材を含むものであり、例えば蓄電デバイスの正極と負極間の電圧を検知する手段等を備える。本発明の蓄電システムでは、蓄電デバイスの充放電がインターカレーションの領域のみとなるように、所定電圧まで低下したときにシャットダウンするような、公知の電圧制御手段を備えることが好ましい。
【００５３】
＜本発明の蓄電システムの実施形態＞
次に、本発明の蓄電デバイスを使用する蓄電システムの中でも、特にサイクル特性が改良されるように、条件および使用方法等が設定される実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態の蓄電システムは、正極の活物質が黒鉛質材料であり、蓄電デバイスとしての正極容量が４７ｍＡｈ／ｇ〜３１ｍＡｈ／ｇの範囲であり、蓄電デバイスとしての使用時の充電時に、黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲になるように充電電圧を制御する。
【００５５】
正極の黒鉛質材料の層間距離は、アニオンのインターカレーションにより変化する。充放電に伴うインターカレーションとデインターカレーションは可逆的な反応であるため、充電によって拡大した黒鉛層間距離の放電によってもとの層間距離に戻る。しかし充電電位が高くなり、イオン半径の大きなアニオンのインターカレーション量が増えると、インターカレーションとデインターカレーションの繰り返しにより黒鉛が歪み、黒鉛層間から抜け出ないアニオンが増加したり、放電後の黒鉛層間距離は充電前の層間距離に戻らない現象が認められる。本発明者の検討では、アニオンが黒鉛層間にインターカレーションしたステージ数で表すと第４ステージ、つまり黒鉛グラフェン４層毎に１層のアニオンがインターカレーションした層が存在する状態である第４ステージがサイクル特性を良好に保ちつつアニオンがインターカレーション出来る上限である。第４ステージの電位は、ほぼ５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）であり、第４ステージのアニオン黒鉛層間化合物の理論容量は４７ｍＡｈ／ｇである。尚、黒鉛に対して、多段階インターカレーションが起こることは、インターカレーション電位の測定によりJ.A.Seel and J.R. Dahn J. Electrochem. Soc.,
147, 899,(2000)によって示されている。
【００５６】
さらにインターカレーションが進んだステージ構造（第３〜第1ステージ）になると、可逆的なインターカレーションは出来なくなり、かつ電解液の分解も併進するため、次第に容量劣化、つまりサイクル劣化を引き起こす。本発明のデバイスで第４ステージのインターカレーションが起きる充電電圧は正極と負極の容量比によって異なるが、ほぼ３．２V〜３．５Vである。第４ステージのインターカレーションとデインターカレーションを利用することで、本発明の蓄電デバイスの正極容量を４７ｍＡｈ／ｇ〜３１ｍＡｈ／ｇの範囲に制御する。
【００５７】
黒鉛層間距離の増大はＸ線回折（ＸＲＤ）により確認できる。ＢＦ４−をアニオンに用いた場合、充電電位５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）では黒鉛の層間距離は０．４３４ｎｍに増加する。この場合のステージ数は４である。従って、良好なサイクル特性を維持できる範囲としては、デバイスとしての実際の使用時において、フル充電されたときでも、黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ以下の範囲で使用されるように充電電圧を制御することが好ましい。但し、インターカレーションのためには黒鉛質材料の層間距離が広がる必要があるので、０．４３４ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲となるように充電電圧を制御して使用することが好ましい。本システムで、さらに好ましくは、層間距離が、０．４２９ｎｍ〜０．３３７ｎｍの範囲となるように制御する。
【００５８】
サイクル特性は、上述のような黒鉛材料の歪みの他に、電解液の分解反応にも起因するため、使用時の正極側のフル充電時の電位は、電解液の酸化分解電位によっても制限される。電解液に使用される溶媒にもよるが、例えば充電電圧５．５Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）以上では分解反応が顕著に観察できる。したがって、充電電圧は５．５Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）以下、さらに５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）以下とすることが好ましい。さらには５．０Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）以下とすることが好ましい。これらの条件は、本実施形態に限られず、本発明の他の蓄電システムにおいても好ましい。この最適充電電位はＬｉ＋／Ｌｉ電位でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ法）を行うことで決定できる。
【００５９】
電解液の分解は、正極側での電解液の酸化分解反応に加え、負極側では電解液の還元電位を超えることによっても生じる。溶媒分解の起きない電位の範囲で正極と負極の容量バランスをとることが必要である。例えば負極容量を大きくすることによって正極電位が増大し、１から２ステージ構造をとる結果、重量当たりの容量は１８６から９３ｍＡｈ／ｇと大きくなるが、正極容量に対して負極容量が所定の容量を超えると正極電位の増大に起因する電解液の分解を招くこととなり、サイクル特性は著しく低下する。
【００６０】
そこで、充電電圧を最適化し、かつ正極活物質と負極活物質の容量バランスを調整することにより、デバイス容量を確保し、かつ高電圧動作とサイクル特性を具備したデバイスを設計することが出来る。例えば充電電圧を３．２Vとし、ステージ数を４以下（即ち、４ステージ、５ステージ、６ステージ等）とすることで、正極容量としては４７ｍＡｈ／ｇ以下かつ３１ｍＡｈ／ｇ以上程度に保ったまま、高容量と高電圧と高サイクル特性を有するデバイスとすることが可能である。尚、充電電圧が３．２V以下という条件は、本実施形態に限られず、本発明の他の蓄電システムにおいても好ましい。
【００６１】
ここで、使用時の蓄電デバイスにおける正極容量は、負極の容量で制御できる。正極でのアニオンインターカレーション容量に比べ負極のカチオン吸着容量は小さいため、現実にはアニオンのインターカレーション量は負極側で分極したカチオン量で決定されるからである。
【００６２】
本実施形態の蓄電システムでは、蓄電デバイスとしての正極容量が４７ｍＡｈ／ｇ以下３１ｍＡｈ／ｇ以上の範囲となるまで充電した際に、正−負極間の端子間電圧が所定の電圧（例えば３．２Ｖ）となるような負極活物質の容量を選択することで、正極の充電電位を好ましい範囲に保ちながら充電が可能になるため、高容量と高電圧と高サイクル特性が満足される。
【００６３】
そこで、このような条件を満たすために、例えば次のようにして正極、負極のパラメータを決めていくことができる。
【００６４】
まず、正極の静電容量を設定する。負極の容量に支配されない正極の容量は充放電容量と充放電電圧が直線関係にある時の電圧変化を測定することで推測できる。正極活物質と負極活物質のそれぞれの重量をＷｃ、Ｗａ、それぞれの静電容量をＦｃ、Ｆａそれぞれの充電に伴う電圧変化をＶｃ、Ｖａとした時、Ｗｃ×Ｆｃ×Ｖｃ＝Ｗａ×Ｆａ×Ｖａが成り立つ。本発明に用いられる活物質の容量比較を容易にするために、三極式セルで測定を行い、かつＷｃ＝Ｗａを仮定すると、通常Ｖｃ／Ｖａ＝１／３から１／１２となる。すなわちＦｃはＦａの約３から１２倍である。本発明で負極活物質として用いられる活性炭の静電容量は１３０〜１６０F／ｇ程度なので、黒鉛の静電容量に相当する電圧変化分に対する容量は３９０〜１９００F／ｇとなる。従って、この実施形態では、黒鉛としてインターカレーションしたときに３９０Ｆ／ｇ以上の静電容量を発現するような材料を選ぶことが好ましい。特に、充電時に１．８Ｖ〜３Ｖの範囲で、３９０Ｆ／ｇ以上の静電容量が発現することが好ましい。特に好ましくは４５０〜１３００Ｆ／ｇである。また、通常の黒鉛では、一般的には、２０００Ｆ／ｇ以下であり、通常は１６００Ｆ／ｇ程度あれば十分に実用的である。
【００６５】
次に、負極側の電位を決めることによって充電電圧を決定する。前述のとおり、負極の電位を下げ過ぎると、言い換えると過度の充電を行うと、負極側で溶媒の還元分解が起きる。本発明の蓄電デバイスの充放電を参照電極を用いた三極式セルで観察すると、充電電圧変化は殆ど負極側の電位変化であり、前述の如く、正極の電位変化は僅かであることが分かる。このことは正極黒鉛のインターカレーションに伴う反応容量が負極に用いる活性炭の吸着静電容量に比べはるかに大きいことに由来する。単位電圧変化に対する容量変化の割合を静電容量と定義すると、三極式セルを用いた充放電試験の結果から、正極活物質の静電容量は負極活物質のそれに比べてはるかに大きい。
【００６６】
そこで正極の静電容量をＦｃ、正極での溶媒分解電位をＰｃ、インターカレーションを開始する電位をＰｔとするといずれもこの値はリチウム対極の充放電試験と三極式充放電試験で求められている値である。また負極材料とする活性炭の静電容量をＦａ、負極での溶媒分解電位をＰａとすると、これらの値は既知である。ここで、本発明の蓄電デバイスの充電電圧を３．２Ｖとしたとき、充電時のインターカレーションによる単位重量の正極電圧の変化をＶｃとすると、負極電圧の変化Ｖａは
Ｖａ＝Ｆｃ×Ｖｃ／Ｆａ
Ｖｃ  ＜  Ｐｃ−Ｐｔ              ・・・（１）
Ｖｃ＋Ｐｔ−Ｐａ  ＜  ３．２      ・・・（２）
Ｖｃは（１）と（２）を同時に満足する必要があるから、これらを満たすようにＶｃ決定する。
【００６７】
Ｖｃが決まれば、Ｆｃは前述のとおり、３９０Ｆ／ｇ以上が好ましいので、必要な正極材料の容量Ｆｃ×Ｖｃが決まり、これと等しい負極材料の容量Ｆａ×Ｖａが設定できる。実際のデバイスでは、このように設定した負極の容量と充電電圧により、正極の容量と充電電位が決まっていく。ここでは、正極の重量Ｗｃおよび負極の重量Ｗａに関して、Ｗｃ＝Ｗａとしたが、重量比を多少変更することで正極と負極の容量のバランスをとってもよい。
【００６８】
このような設計により、正極と負極のバランスをとり、正極容量としては４７ｍＡｈ／ｇ以下３１ｍＡｈ／ｇ以上程度に保ったまま、充電時の正極を所定の電位の範囲内、例えば充電電圧を３．２V以下とすることができる。その結果、フル充電時に黒鉛質材料の層間距離が０．４３４ｎｍ以下かつ０．３３７ｎｍ以上の範囲での動作が可能になる。
【００６９】
＜各材料の説明＞
次に、本発明の蓄電デバイスに使用される具体的材料等を説明する。本発明の蓄電デバイスには、正極活物質、負極活物質、バインダー、導電材、集電体、セパレータ、および電解液などの材料が使用される。蓄電デバイスの形状としては捲回式、スタック式、葛折などが挙げられる。また、電気容量取り出しのシステムとしてはＥｃａＳＳ（商標）などの従来の技術をいずれも好適に転用することができる。
【００７０】
本出願において、黒鉛とは、炭素原子がＳＰ２混成軌道による六角網平面を構成しており、この２次元格子構造が規則的に積層したものを基本構造単位（結晶子）にしているものをいい、強い異方性を持っている。黒鉛質材料とは、黒鉛質が十分に発達しており一般に「黒鉛」として認識される範囲の材料であり、本出願においては、黒鉛を含む。
【００７１】
本発明では、正極および負極の両方に炭素材料を活物質として使用する。正極の活物質として、前述の逐次的２段階過程を示す材料としては、黒鉛質材料が挙げられる。正極の活物質として用いられる黒鉛質材料は、天然黒鉛、人造黒鉛いずれでもよく、より高容量を得ようとした場合、高結晶性の黒鉛を用いることが望ましい。良好なインターカレーションを実現するためには、黒鉛質材料のｄ（００２）層間距離が、０．３４０ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは０．３３９ｎｍ以下である。また、黒鉛質材料のｄ（００２）層間距離は、好ましくは０．３３５ｎｍ以上である。また、通常はホウ素を含有しない方が好ましい。
【００７２】
尚、特にサイクル特性を向上させた特定の実施形態においては、特に良好なインターカレーションを実現するためには黒鉛質材料の層間距離が０．３３６ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは０．３３５５ｎｍ以下である。
【００７３】
または黒鉛質材料の結晶構造には、六方晶構造（ＡＢＡＢ・・積層周期）と菱面体構造（ＡＢＣＡＢＣ・・積層周期）がある。多くの場合、菱面体構造は粉砕によって導入されるが、インターカレーションによる高容量を得るためには、菱面体構造を有さない黒鉛であることが好ましい。
【００７４】
また、インターカレーションを急速に行うためには黒鉛質材料の粒子の外表面積は大きいほど好ましい（即ち、黒鉛粒子は小さいほど好ましい）が、粉砕時に菱面体構造が導入され、黒鉛質材料の結晶性が損なわれることが多い。したがって好ましい黒鉛質材料の平均粒子径は３〜４０μｍであり、さらに好ましくは６〜２５μｍである。
【００７５】
黒鉛質材料の比表面積については、例えばジェットミル等を用いて、菱面体構造が導入されないようにして黒鉛質材料の結晶性を維持したままで粉砕すると、比表面積１〜２０ｍ２／ｇに調整することが可能であるが、正極表面での溶媒の分解速度を下げるためには１０ｍ２／ｇ以下、更に好ましくは２〜５ｍ２／ｇであることが好ましい。
【００７６】
さらに、蓄電デバイスの単位体積当たりの蓄電容量を増加させるためには黒鉛質材料を圧密化処理したり、黒鉛質材料から微細粒子を除去したりすることも有効である。圧密化処理された黒鉛のタップ密度は０．８〜１．４ｇ／ｃｃ、真密度は２．２２ｇ／ｃｃ以上が好ましい。また実質的に１μｍ以下の黒鉛質材料の割合を１０％以下とすることによっても黒鉛の嵩密度の低下が抑制されかつ表面積の増大が抑制される。
【００７７】
負極の活物質として使用される炭素系材料としては、充放電の際にイオンの吸着のみ、即ちインターカレーションが生じないような材料が選ばれることが好ましく、活性炭または黒鉛質材料が挙げられる。正極の活物質材料より、比表面積の大きな材料が好ましい。黒鉛質材料を使用する場合には、正極の活物質の材料と異なるものが好ましく、特に正極に使用される黒鉛質材料より比表面積の大きなものが選ばれる。活性炭としては、公知のキャパシタ用活性炭を使用することができる。例えば薬品賦活した椰子殻活性炭をはじめ、水蒸気賦活した椰子殻活性炭、フェノール樹脂活性炭およびピッチ活性炭、またはアルカリ賦活したフェノール樹脂活性炭およびメソフェースピッチ活性炭を用いることができる。通常の活性炭のほかに、高表面積化した黒鉛質材料、ＣＶＤ処理した活性炭または黒鉛質材料等を用いることもできる。負極の活物質として使用される炭素系材料は、比表面積が３００ｍ２／ｇ以上であることが好ましく、特に４５０ｍ２／ｇ〜２０００ｍ２／ｇの高表面積を有することが好ましい。通常は、負極活物質として活性炭を使用することが好ましいが、容積あたりの蓄電容量の高密度化を求める場合には、高表面積黒鉛質材料は圧密化して嵩密度を高めることができるので好適である。
【００７８】
バインダーについても特に限定はなく、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ポリエチレンおよびゴム系のバインダー等を用いることができる。
【００７９】
例えばゴム系のバインダー成分としては、ＥＰＴ、ＥＰＤＭ，ブチルゴム、プロピレンゴム、天然ゴムなどの脂肪族に代表されるゴム、またはスチレンブタジエンゴム等の芳香族ゴムを含有したゴムが挙げられる。これらのゴムの構造にはニトリル、アクリル、カルボニル等のヘテロ含有基質またはシリコンを含んでいても良く、さらには直鎖や分枝を制限するものではない。なおこれらを単独または複数の混合で用いても良好なバインダーとなり得る。
【００８０】
また、必要に応じてカーボンブラック、ケッチェンブラック等の導電材を添加してもよい。
【００８１】
集電体としては一般に純アルミ箔が用いられるが、純アルミであっても銅、マンガン、シリコン、マグネシウム、亜鉛などの金属を単独または複数添加したアルミニウムであっても良い。またステンレス、ニッケル、チタンなどでも同様に用いられる。また導電性の増幅と強度確保のために上記混合物やその他の元素を添加したものでも使用できる。この時これらの基質の表面にエッチングなどで凹凸を付与したり、導電性の金属やカーボンを基質に埋め込むか、またはコートしても良い。これらの集電体は箔でもメッシュ状でも用いられる。
【００８２】
セパレータとしてセルロース紙、ガラス繊維紙のほかに、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド微多孔膜やそれらが層状に構成された多層膜が用いられる。またこれらのセパレータ表面にＰＶＤＦやシリコン樹脂、ゴム系樹脂などをコーティングすることでも代用可能であるし、酸化アルミニウム、二酸化珪素、酸化マグネシウムなどの金属酸化物の粒子が埋包してあっても良い。もちろんこれらのセパレータは正負極間に一枚であってもそれ以上あっても問題なく、２種類以上のセパレータを任意に選択して使用しても良い。
【００８３】
電解液として用いる有機溶媒は、プロピレンカーボネート等の環状炭酸エステル、γ―ブチロラクトンなどの環状エステル、Ｎ−メチルピロリドンなどの複素環状化合物、アセトニトリルなどのニトリル類、その他スルホランやスルホキシド等の極性溶媒が利用出来る。
具体的には以下の化合物である。
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ―ブチロラクトン、δ―バレロラクトン、Ｎ―メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルイミダゾリジノン、Ｎ−メチルオキサゾリジノン、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、スルホラン、３−メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、リン酸トリメチル。
これらの溶媒は単独であっても２種類以上の混合であっても使用出来る。
【００８４】
非水電解液中に含有される電解質としては、アンモニウム塩、ピリジニウム塩、ピロリジニウム塩、ピペリジニウム塩、イミダゾリウム塩、ホスホニウム塩などのオニウム塩が好ましく、これらの塩のアニオンとしてはホウフッ化物イオン（ＢＦ４−）、ヘキサフルオロリン酸イオン（ＰＦ６−）、トリフルオロメタンスルホン酸イオン等のフッ素化合物が好ましい。
具体的には以下の化合物である。
ホウフッ化テトラメチルアンモニウム、ホウフッ化エチルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化ジエチルジメチルアンモニウム、ホウフッ化トリエチルメチルアンモニウム、ホウフッ化テトラエチルアンモニウム、ホウフッ化テトラプロピルアンモニウム、ホウフッ化トリブチルメチルアンモニウム、ホウフッ化テトラブチルアンモニウム、ホウフッ化テトラヘキシルアンモニウム、ホウフッ化プロピルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化ブチルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化ヘプチルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化（４−ペンテニル）トリメチルアンモニウム、ホウフッ化テトラデシルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化ヘプタデシルトリメチルアンモニウム、ホウフッ化オクタデシルトリメチルアンモニウム、１，１’−ジフルオロ−２，２’−ビピリジニウム  ビステトラフルオロボレート、ホウフッ化Ｎ，Ｎ−ジメチルピロリジニウム、ホウフッ化Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、ホウフッ化Ｎ，Ｎ−ジエチルピロリジニウム、ホウフッ化Ｎ，Ｎ−ジメチルピペリジニウム、ホウフッ化Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピペリジニウム、ホウフッ化Ｎ，Ｎ−ジエチルピペリジニウム、ホウフッ化１，１−テトラメチレンピロリジニウム、ホウフッ化１，１−ペンタメチレンピペリジニウム、ホウフッ化Ｎ−エチル−Ｎ−メチルモルフォリニウム、ホウフッ化アンモニウム、ホウフッ化テトラメチルホスホニウム、ホウフッ化テトラエチルホスホニウム、ホウフッ化テトラプロピルホスホニウム、ホウフッ化テトラブチルホスホニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラメチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸エチルトリメチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸ビニルトリメチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸ドデシルトリメチルアンモニウム、過塩素酸テトラエチルアンモニウム、ヘキサフルオロヒ酸テトラエチルアンモニウム、ヘキサフルオロアンチモン酸テトラエチルアンモニウム、トリフルオロメタンスルホン酸テトラエチルアンモニウム、ノナフルオロブタンスルホン酸テトラエチルアンモニウム、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドテトラエチルアンモニウム、トリエチルメチルホウ酸テトラエチルアンモニウム、テトラエチルホウ酸テトラエチルアンモニウム、テトラブチルホウ酸テトラエチルアンモニウム、テトラフェニルホウ酸テトラエチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、ホウフッ化１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、ヘキサフルオロリン酸１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、ホウフッ化１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、ヘキサフルオロリン酸１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、ホウフッ化１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、ヘキサフルオロリン酸１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム、���ウフッ化１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム、ホウフッ化１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、ホウフッ化１−ヘキシル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ヘキシル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、ヘキサフルオロリン酸１−ブチルピリジニウム、ホウフッ化１−ブチルピリジニウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ブチルピリジニウム、ヘキサフルオロリン酸１−ヘキシルピリジニウム、ホウフッ化１−ヘキシルピリジニウム、トリフルオロメタンスルホン酸１−ヘキシルピリジニウム、ヘキサフルオロリン酸１−ブチル−４−メチルピリジニウム、ホウフッ化１−ブチル−４−メチルピリジニウム、１−フルオロピリジニウムピリジン  ヘプタフルオロジボレート、ホウフッ化１−フルオロピリジニウム。
これらの電解質は単独であっても２種類以上の混合であっても使用出来る。
【実施例】
【００８５】
以下に本発明の実施例を説明する。ただし以下に示す実施例は例示であって、これらに限定されるものではない。
【００８６】
＜実施例１＞
正極活物質として菱面体構造を含まないＴＩＭＣＡＬ社製黒鉛ティムレックスＳＦＧ４４（ｄ（００２）層間距離０．３３５４ｎｍ、平均粒子径２４μｍ、表面積５ｍ２／ｇ）８４部に対し電気化学社製アセチレンブラック８部を粉体混合後、呉羽化学社製ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。負極活物質としてクラレケミカル社製活性炭ＲＰ−２０、平均粒子径２μｍ、表面積１８００ｍ２／ｇの８４部に対しアセチレンブラック８部を粉体混合後、ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。
【００８７】
両電極の乾燥後目付け比、正極活物質／負極活物質は１／１であった。両電極を４ｃｍ２に切り出し、乾燥空気中で、アルミラミネート製袋にワットマン製ガラスろ紙を介して両電極の塗工面を向き合わせて設置し、１．５モル／リッター濃度のＴＥＭＡＢＦ４塩（トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート）のＰＣ溶液を注入後、アルミラミネート製袋の外側から両極を加圧してデバイスを作成した。
【００８８】
クロノポテンショメトリーで充放電容量を測定した充放電容量と電圧の関係を図２に示す。１．７５Ｖまでの充電容量は１．５ｍＡｈ／ｇと僅かであり、これは負極では電解質カチオンの吸着、正極では電解質アニオンの吸着に由来する容量である。１．７５Ｖ以上に大きな充電容量６１．５ｍＡｈ／ｇが観察された。正極活物質重量ベースの放電容量は４９．８ｍＡｈ／ｇであり、初回の充放電の効率は７９％であった。また３．５Ｖから１．５Ｖまでの放電容量は全放電容量の９８％であった。容量変化量を電圧変化量で除してｄＱ／ｄＶを算出し、サイクリックボルタンメトリー法に相当するデバイスの電気化学的特性を調べた。その結果を図３に示す。デバイスを３．５Ｖまで充電した場合、１．７５Ｖに吸着からインターカレーションに急速に変化する際の電流がショルダーとして認められ、そのあと（高電圧側で）大きな充電容量を発現する反応電流が認められた。
【００８９】
デバイスの充放電容量発現の原因を調査するために、黒鉛の構造と電圧との関係を調べた。ポリエチレン製袋を用いた他は同様の方法でデバイスを調製した後、１ｍＡで３．５Ｖまで充電し、所定電圧に達した後ポリエチレン袋の上からリガク社製ＸＲＤ装置を用いｉｎ−ｓｉｔｕでデバイスの正極活物質である黒鉛の００２回折線を測定した。測定は以下の条件で行った。管球：Ｃｕ、出力：５０ｋＶ―１５０ｍＡ、走査速度：１０°／分、スリット：０．５°―０．１５ｍｍ―０．５°、単色化：湾曲モノクロメーター。
【００９０】
充電電圧と黒鉛Ｘ線回折パターンとの関係を図４、放電電圧と黒鉛Ｘ線回折パターンとの関係を図５に示す。図４の充電では、２Ｖで黒鉛００２回折ピークは充電前の２６．５°の位置より低角側に新たに回折線を生じ、充電電圧が高くなるに伴い、低角側の回折線強度が大きくなり、回折線のピークはさらに低角側にシフトする。充電電圧が２．５Ｖを超えると、充電前の２６．５°の回折線は消失する。図５の放電では全く逆の現象が観察され、放電による電圧の低下に伴い黒鉛００２回折ピークは高角側にシフトし、放電後の黒鉛の００２回折ピークは充電前の回折線の位置と同一の２６．５°に現れる。このように充電に伴い黒鉛層間距離は拡大し、放電によりもとの層間距離に可逆的に戻ることが明らかとなった。この充放電に伴う黒鉛層間距離の変化は黒鉛層間距離へのアニオンのインターカレーションを示している。
【００９１】
＜実施例２＞
正極活物質として菱面体構造を含まない日本黒鉛社製天然黒鉛（ｄ（００２）層間距離０．３３５４ｎｍ、平均粒子径２０．０μｍ、表面積３．４ｍ２／ｇ）８４部に対し電気化学社製アセチレンブラック８部を粉体混合後、呉羽化学社製ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。負極活物質として日本黒鉛社製黒鉛ＳＰ−４５０（ｄ（００２）層間距離３．３７１ｎｍ、平均粒子径１．５μｍ、表面積４０３ｍ２／ｇ）の９５部に対し電気化学社製アセチレンブラック８部を粉体混合後、ダイセル社製ＣＭＣ２２７０を１部、三井―デュポン社製のＰＴＦＥ４部でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚みの異なる電極を調製した。
【００９２】
両電極を４ｃｍ２に切り出し、乾燥空気中で、ポリエチレン製袋にワットマン製ガラスろ紙を介して両電極の塗工面を向き合わせて設置し、１．５モル／リッター濃度のＴＥＭＡＰＦ６塩のＰＣ溶液を注入後、ポリエチレン製袋の外側から両極を加圧して正極活物質重量／負極活物質重量＝１／１．２なるデバイスを作成した。実施例１と同様の方法で充放電容量を測定した結果を図６および図７に示す。正極重量ベースの放電容量は３６．３ｍＡｈ／ｇであり、１．５Ｖ以上の放電容量は３４．１ｍＡｈ／ｇであり、全放電容量の９４％であった。この場合も２Ｖ以上でアニオンのインターカレーションによる回折角の低角度へのシフト、すなわち層間距離の拡大が観察できた。
【００９３】
＜参考例＞
ＴＩＭＣＡＬ社製黒鉛ティムレックスＫＳ６（菱面体構造を含む、ｄ（００２）層間距離０．３３５７ｎｍ、平均粒子径２４μｍ、表面積は２０ｍ２／ｇ）８４部に対し電気化学社製アセチレンブラック８部を粉体混合後、呉羽化学社製ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。負極活物質としてクラレケミカル社製活性炭ＲＰ−２０、平均粒子径２μｍ、表面積１８００ｍ２／ｇの８４部に対しアセチレンブラック８部を粉体混合後、ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。
【００９４】
両電極を４ｃｍ２に切り出し、乾燥空気中で、ポリエチレン製袋にワットマン製ガラスろ紙を介して両電極の塗工面を向き合わせて設置し、１．５モル／リッター濃度のＴＥＭＡＰＦ６塩（トリエチルメチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート）のＰＣ溶液を注入後、ポリエチレン製袋の外側から両極を加圧して正極活物質重量／負極活物質重量＝１／１．２なるデバイスを作成した。実施例１と同様の方法で充放電容量を測定した結果を図８に示す。正極重量ベースの放電容量は３３．３ｍＡｈ／ｇであり、１．５Ｖ以上の放電容量は２８．８ｍＡｈ／ｇ、全放電容量の８６．５％であった。初回の充放電効率は４２．６％であった。この場合も１．７５Ｖ以上でアニオンのインターカレーションによる回折角の低角度へのシフト、すなわち層間距離の拡大が観察できた。
【００９５】
＜実施例３＞
正極活物質としてＴＩＭＣＡＬ社製黒鉛ティムレックスＫＳ６（００２層間距離０．３３５７ｎｍ、平均粒子径３．４μｍ、表面積２０ｍ２／ｇ）８４部に対し電気化学社製アセチレンブラック８部を粉体混合後、呉羽化学社製ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの電極を調製した。
【００９６】
負極に金属リチウム、正極に黒鉛電極、セパレーターにガラスろ紙をセットし、１．５モル／リッター濃度のＬｉＢＦ４塩（リチウムテトラフルオロボレート）のＰＣ溶液を注入してデバイス（ハーフセル）を組み立てた。このデバイスはＬｉ＋／Ｌｉ基準で０Ｖから６Ｖまでの電圧でＣＶ法（サイクリックボルタンメトリー）で充放電を行った。
【００９７】
サイクリックボルタンメトリーで５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）まで充放電した結果を図９に示す。図９より、僅かな容量低下が認められるもの、サイクル劣化の原因となる溶媒の分解等の大きな反応電流は観察されない。また５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）充電状態のデバイスをアルゴン雰囲気下で分解して正極を取り出し、正極を乾燥したジメチルカーボネートで洗浄後、流動パラフィンで電極表面をコーティング後、ポリエチレンの袋に挿入して密閉し、ポリエチレン袋の上からリガク社製ＸＲＤ装置を用い、正極黒鉛のＸＲＤ分析を行った。ＸＲＤ分析は以下の条件で行った。管球：Ｃｕ、出力：５０ｋＶ―１５０ｍＡ、走査速度：１０°／分、スリット：０．５°―０．１５ｍｍ―０．５°、単色化：湾曲モノクロメーター。
【００９８】
充電状態の黒鉛のＸＲＤプロファイルを図１０に示す。図１０のピーク１はステージ４の黒鉛とＢＦ４−のインターカレーション化合物であり、その層間距離は０．４２９３ｎｍである。ピーク２はステージ５の同インターカレーション化合物であり、その層間距離は０．３４４７ｎｍである。ピーク３はピーク２の２次回折線ピークである。この結果から５．２Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）充電状態にある正極黒鉛は、主としてＢＦ４−アニオンとの第４ステージのインターカレーション化合物と第５ステージのインターカレーション化合物を形成していることがわかる。
【００９９】
＜実施例４＞
負極活物質としてクラレケミカル社製活性炭ＲＰ−２０、平均粒子径２μｍ、表面積１８００ｍ２／ｇの８４部に対しアセチレンブラック８部を粉体混合後、ＰＶＤＦ８部のＮＭＰ溶液でスラリーを調製し、アルミ箔上に厚み１００ミクロンの負極を調製した。実施例１で作成した正極と組み合わせ、実施例１と同じセパレータ、電解液を用い、正極／負極目付け比１／１、電極面積２ｃｍ２の金属リチウムを参照極とする三極式蓄電デバイスを作製した。充電電圧を３．２Ｖ，３．３Ｖ、３．５Ｖと変えて、充放電を行い、それぞれの初回正極電位は５．１３Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）、５．１８Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）、５．２６７Ｖ（対Ｌｉ＋／Ｌｉ電位基準）であることを確認した。またそれぞれの正極基準の放電容量は４２．８ｍＡｈ／ｇ、４４．７ｍＡｈ／ｇ、４７．０ｍＡｈ／ｇであった。
【０１００】
この三極セルに上記の正極と負極をセットし、参照極としてＡｇ／ＡｇＣｌ／飽和ＫＣｌ電極を用いて、１０万回のサイクル試験を行った。充放電電流値は２０ｍＡ／ｃｍ２、放電電圧は２．０Ｖカットとした。この結果を図１１に示す。図１１より充電電圧３．２Ｖでは良好なサイクル特性を示すが、充電電圧を３．５Ｖとするとサイクル劣化が起きることが示される。
【０１０１】
同様に、前記の三極セルに上記の正極と負極をセットし、Ａｇ／ＡｇＣｌ／ＫＣｌ参照電極を用い、充放電試験を行った。図１２に１０サイクル目の充放電曲線を示す。図１３に正極の電圧変化、図１４に負極の電圧変化を拡大して示した。これらの図より１．８Ｖ〜３．２Ｖ間の電圧変化を正極と負極で計測し、正極と負極の単極静電容量比を算出した。その結果、
正極静電容量／負極静電容量＝負極の電圧変化／正極の電圧変化
が示され、
正極静電容量／負極静電容量＝１．０３／０．１９＝５．４２
と求められた。
【０１０２】
正極、負極とも本試験に用いた活性炭を用いて構成したキャパシタの１．８Ｖ〜２．３Ｖ間の静電容量から求めた単極容量が１４５Ｆ／ｇであったので、正極の静電容量は７８５Ｆ／ｇと見積もられる。正極の活物質として用いた黒鉛の静電容量が表面積に基づくものであれば、静電容量≒７．５×μＦ／ｃｍ２であるので、黒鉛の表面積は１０４５０ｍ２／ｇ程度と見積もられる。しかし黒鉛の表面積は２０ｍ２／ｇである。したがって黒鉛の静電容量は表面積以外の要因、すなわちインターカレーションによって発現すると結論付けられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の蓄電デバイスは、従来の鉛電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層キャパシタ等の代替として利用可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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