(57)【要約】【課題】生産性に優れ、負極のプレドープ状態を均一化することが可能な電気化学デバイスを提供すること。【解決手段】本発明に係る電気化学デバイスは、複数の電極体と、電解液とを具備する。  電極体は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極ユニットと、電極ユニット側の第１の主面及びその反対側の第２の主面を有する金属箔である第１の集電体を備える第１のリチウムイオン供給源と、第１のリチウムイオン供給源と共に電極ユニットを挟持し、電極ユニット側の第３の主面及びその反対側の第４の主面を有する金属箔である第２の集電体を備える第２のリチウムイオン供給源とを備える。複数の電極体は、第２の主面と第４の主面が隣接するように配置され、電極ユニットが備える負極には、第１の主面に貼付された第１の金属リチウムと第３の主面に貼付された第２の金属リチウムからリチウムイオンのプレドープがなされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極体であって、前記電極体は、
正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極ユニットと、
前記電極ユニットに隣接して配置され、前記電極ユニット側の第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の主面とを有する金属箔である第１の集電体を備える第１のリチウムイオン供給源と、
前記電極ユニットに隣接して配置され、前記第１のリチウムイオン供給源と共に前記電極ユニットを挟持し、前記電極ユニット側の第３の主面と、前記第３の主面の反対側の第４の主面とを有する金属箔である第２の集電体を備える第２のリチウムイオン供給源と
を備える複数の電極体と、
前記複数の電極体が浸漬されている電解液と
を具備し、
前記複数の電極体は、隣接する電極体の間で前記第２の主面と前記第４の主面が隣接するように配置され、
前記電極ユニットが備える負極には、前記第１の主面に貼付された第１の金属リチウムと前記第３の主面に貼付された第２の金属リチウムからリチウムイオンのプレドープがなされている
電気化学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記電極ユニットが備える正極は、多孔金属箔である正極集電体と、正極活物質を含み、前記正極集電体の表裏両面に積層された正極活物質層を備え、
前記電極ユニットが備える負極は、多孔金属箔である負極集電体と、負極活物質を含み、前記負極集電体の表裏両面に積層された負極活物質層を備える
電気化学デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気化学デバイスであって、
前記複数の電極体のそれぞれが備える電極ユニットは互いに同一の厚みを有する
電気化学デバイス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
リチウムイオンキャパシタである
電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電極ユニットから構成された電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量キャパシタはエネルギー回生やロードレベリング等の大電力による充放電の繰り返しが要求される分野にて利用が進んでいる。大容量キャパシタとして従来は電気二重層キャパシタが多く利用されてきたが、近年ではエネルギー密度が高いリチウムイオンキャパシタの利用が検討されている。
【０００３】
リチウムイオンキャパシタはリチウムイオンを予め負極にドープしておくプレドープが必要であるが、リチウムイオンキャパシタを長期間安定的に利用するためには負極のプレドープ状態を均一とすることが重要となる。
【０００４】
ここで、リチウムイオンのプレドープは、負極に電気的に接続された金属リチウムを電解液に浸すことによって行われる。リチウムイオンは電解液中を移動して負極に到達するため、負極とリチウムイオン供給源の位置関係によってプレドープ状態が影響を受ける。
【０００５】
例えば、特許文献１にはセルを構成する複数の電極ユニットの間と最外部にリチウムイオン供給源を配置することによって、負極へリチウムイオンを供給する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１２０６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、複数の電極ユニットの間でリチウムイオンが容易に移動可能であり、重力による影響等によって電極ユニット間におけるリチウムイオンのドーピング量に差異が生じるおそれがある。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、生産性に優れ、負極のプレドープ状態を均一化することが可能な電気化学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、複数の電極体と、電解液とを具備する。
上記電極体は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極ユニットと、上記電極ユニットに隣接して配置され、上記電極ユニット側の第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の主面とを有する金属箔である第１の集電体を備える第１のリチウムイオン供給源と、上記電極ユニットに隣接して配置され、上記第１のリチウムイオン供給源と共に上記電極ユニットを挟持し、上記電極ユニット側の第３の主面と、上記第３の主面の反対側の第４の主面とを有する金属箔である第２の集電体を備える第２のリチウムイオン供給源とを備える。
上記電解液は、上記複数の電極体が浸漬されている。
上記複数の電極体は、隣接する電極体の間で上記第２の主面と上記第４の主面が隣接するように配置され、上記電極ユニットが備える負極には、上記第１の主面に貼付された第１の金属リチウムと上記第３の主面に貼付された第２の金属リチウムからリチウムイオンのプレドープがなされている。
【００１０】
この構成によれば、第１のリチウムイオン供給源及び第２のリチウムイオン供給源から放出されるリチウムイオンは、ほぼ全量が両リチウムイオン供給源に挟まれた電極ユニットに到達し、負極にドープされる。両リチウムイオン供給源と隣接する電極体の間には金属箔である集電体が存在し、この集電体によって隣接する電極ユニット間でのリチウムイオンの移動が抑制されるためである。これにより、電極体の間でリチウムイオンのドープ量が同程度となり、電気化学デバイスの長期安定性を向上させることが可能となる。
【００１１】
上記電極ユニットが備える正極は、多孔金属箔である正極集電体と、正極活物質を含み、上記正極集電体の表裏両面に積層された正極活物質層を備え、上記電極ユニットが備える負極は、多孔金属箔である負極集電体と、負極活物質を含み、上記負極集電体の表裏両面に積層された負極活物質層を備えてもよい。
【００１２】
この構成によれば、第１のリチウムイオン供給源及び第２のリチウムイオン供給源から放出されたリチウムイオンは正極、負極及びセパレータによって妨げられることなく電極ユニット内を移動することができ、電極ユニット内においてリチウムイオンのドープ量を均一化することが可能となる。
【００１３】
上記複数の電極体のそれぞれが備える電極ユニットは互いに同一の厚みを有してもよい。
【００１４】
この構成によれば、同一構造の電極ユニットを第１の電極ユニット、第２の電極ユニット及び第３の電極ユニットとして利用することが可能であると共に各電極ユニット内においてリチウムイオンのドープ量を均一化することが可能となる。
【００１５】
上記電気化学デバイスはリチウムイオンキャパシタであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明によれば、生産性に優れ、負極のプレドープ状態を均一化することが可能な電気化学デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。
【図２】同電気化学デバイスの断面図である。
【図３】同電気化学デバイスが備える電極体の断面図である。
【図４】同電気化学デバイスが備える電極体を構成する電極ユニットの拡大図である。
【図５】同電気化学デバイスが備える電極体の模式図である。
【図６】同電気化学デバイスにおけるリチウムイオンプレドープの態様を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例及び比較例に係る電気化学デバイスの各電極体が備える負極のプレドープ後のＳＯＣを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本実施形態に係る電気化学デバイスについて説明する。
【００１９】
[電気化学デバイスの構造]
図１は本実施形態に係る電気化学デバイス１００の斜視図であり、図２は電気化学デバイス１００の断面図である。図２は図１のＡ−Ａ線での断面図である。
【００２０】
電気化学デバイス１００はリチウムイオンのプレドープが必要な電気化学デバイスであり、リチウムイオンキャパシタとすることができる。また電気化学デバイス１００はリチウムイオン電池等のリチウムイオンのプレドープが必要な他の電気化学デバイスであってもよい。以下の説明では電気化学デバイス１００はリチウムイオンキャパシタであるものとする。
【００２１】
図１及び図２に示すように、電気化学デバイス１００は、３つの電極体１０１、外装フィルム１０２、正極端子１０３及び負極端子１０４を備える。以下、３つの電極体１０１の積層体を蓄電素子１０５とする。
【００２２】
図３は、電極体１０１の模式図である。同図に示すように電極体１０１は、電極ユニット１１１、第１リチウムイオン供給源１１２及び第２リチウムイオン供給源１１３を備える。電極ユニット１１１は、第１リチウムイオン供給源１１２及び第２リチウムイオン供給源１１３によって挟持されている。
【００２３】
図４は、電極ユニット１１１の模式図である。同図に示すように電極ユニット１１１は正極１２０、負極１３０及びセパレータ１４０を備える。
【００２４】
正極１２０は、正極集電体１２１及び正極活物質層１２２を備える。正極集電体１２１は多数の貫通孔が形成された多孔金属箔であり、例えばアルミニウム箔である。正極集電体１２１の厚みは例えば０．０３ｍｍである。正極集電体１２１は直接又は図示しない配線を介して正極端子１０３に電気的に接続されている。
【００２５】
正極活物質層１２２は、正極集電体１２１の表裏両面に形成されている。正極活物質層１２２は正極活物質とバインダ樹脂が混合されたものとすることができ、さらに導電助剤を含んでもよい。正極活物質は、電解液中のリチウムイオン及びアニオンが吸着可能な材料、例えば活性炭やポリアセン炭化物等である。
【００２６】
バインダ樹脂は、正極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。
【００２７】
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、正極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子等であってもよい。
【００２８】
負極１３０は、負極集電体１３１及び負極活物質層１３２を備える。負極集電体１３１は、多数の貫通孔が形成された多孔金属箔であり、例えば銅箔である。負極集電体１３１の厚みは例えば０．０１５ｍｍである。負極集電体１３１は直接又は図示しない配線等によって負極端子１０４に電気的に接続されている。
【００２９】
負極活物質層１３２は、負極集電体１３１の表裏両面に形成されている。負極活物質層１３２は負極活物質とバインダ樹脂が混合されたものとすることができ、さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質は、電解液中のリチウムイオンを吸蔵可能な材料、例えば難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、グラファイトやソフトカーボン等の炭素系材料や、Ｓｉ、ＳｉＯなどの合金系材料、または、それらの複合材料を用いることができる。
【００３０】
バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。
【００３１】
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子等であってもよい。
【００３２】
セパレータ１４０は、正極１２０と負極１３０を隔て、電解液中に含まれるイオンを透過する。セパレータ１４０は、織布、不織布又は合成樹脂微多孔膜等であるものとすることができ、例えばオレフィン系樹脂を主材料としたものとすることができる。
【００３３】
正極１２０、負極１３０及びセパレータ１４０は、図４に示すように、正極１２０と負極１３０がセパレータ１４０を介して交互となるように積層され、セパレータ１４０を除く最下層及び最上層は負極１３０となるように構成されている。正極１２０及び負極１３０の積層数は特に限定されず、例えば正極１２０が９層、負極１３０が１０層等とすることができる。
【００３４】
第１リチウムイオン供給源１１２は、電極ユニット１１１に隣接して配置され、電極ユニット１１１の負極１３０にリチウムイオンを供給する。図５は、電極体１０１の拡大図である。同図に示すように、第１リチウムイオン供給源１１２は、リチウム用集電体１５１と金属リチウム１５２を備える。
【００３５】
リチウム用集電体１５１は貫通孔を有しない金属箔であり、例えば銅箔である。リチウム用集電体１５１は、電極ユニット１１１の負極集電体１３１と直接又は負極端子１０４を介して電気的に接続されている。
【００３６】
図５に示すように、リチウム用集電体１５１の主面のうち、電極ユニット１１１側の面を第１の主面１５１ａとし、その反対側の面を第２の主面１５１ｂとする。
【００３７】
金属リチウム１５２は圧着等によって第１の主面１５１ａに貼付されている。金属リチウム１５２は、第１の主面１５１ａの全面に渡って均等な厚さを有するものが好適である。
【００３８】
第２リチウムイオン供給源１１３は、電極ユニット１１１の第１リチウムイオン供給源１１２とは反対側に隣接して配置され、第１リチウムイオン供給源１１２と共に電極ユニット１１１を挟持する。第２リチウムイオン供給源１１３は、電極ユニット１１１の負極１３０にリチウムイオンを供給する。図５に示すように、第２リチウムイオン供給源１１３は、リチウム用集電体１６１と金属リチウム１６２を備える。
【００３９】
リチウム用集電体１６１は、貫通孔を有しない金属箔であり、例えば銅箔である。リチウム用集電体１６１は、電極ユニット１１１の負極集電体１３１と直接又は負極端子１０４を介して電気的に接続されている。
【００４０】
図５に示すように、リチウム用集電体１６１の主面のうち、電極ユニット１１１側の面を第３の主面１６１ａとし、その反対側の面を第４の主面１６１ｂとする。
【００４１】
金属リチウム１６２は圧着等によって第３の主面１６１ａに貼付されている。金属リチウム１６２は、第３の主面１６１ａの全面に渡って均等な厚さを有するものが好適である。
【００４２】
電極体１０１は以上のような構成を有する。蓄電素子１０５を構成する複数の電極体１０１は、図２に示すように隣接する電極体１０１の間で第２の主面１５１ｂと第４の主面１６１ｂが隣接するように配置されている。また、蓄電素子１０５を構成する電極体１０１の数は３つに限られず、２つ以上であればよい。
【００４３】
外装フィルム１０２は、蓄電素子１０５及び電解液を収容する収容空間を形成する。外装フィルム１０２はアルミニウム箔等の金属箔と樹脂を積層したラミネートフィルムであり、蓄電素子１０５の周囲で融着され、封止されている。外装フィルム１０２に代えて、収容空間を封止可能な缶状部材等を利用してもよい。
【００４４】
蓄電素子１０５と共に収容空間に収容される電解液は特に限定されないが、例えばＬｉＰＦ６等を溶質とする溶液を用いることができる。
【００４５】
正極端子１０３は、正極１２０の外部端子であり、各電極体１０１の正極１２０に電気的に接続されている。正極端子１０３は図１に示すように外装フィルム１０２の間から収容空間の外部へ引き出されている。正極端子１０３は導電性材料からなる箔や線材であってもよい。
【００４６】
負極端子１０４は、負極１３０の外部端子であり、各電極体１０１の負極１３０に電気的に接続されている。負極端子１０４は図１に示すように外装フィルム１０２の間から収容空間の外部へ引き出されている。負極端子１０４は導電性材料からなる箔や線材であってもよい。
【００４７】
[リチウムイオンのプレドープについて]
電気化学デバイス１００の製造段階において、リチウム用集電体１５１及びリチウム用集電体１６１と負極集電体１３１を電気的に接続した状態で蓄電素子１０５を電解液に浸漬させると、金属リチウム１５２及び金属リチウム１６２が溶解し、リチウムイオンが電解液中に放出される。リチウムイオンは電解液中を移動し、各電極ユニット１１１が備える負極１３０の負極活物質層１３２中にドープ(プレドープ）される。
【００４８】
図６はリチウムイオンのプレドープを示す模式図である。同図に示すように、金属リチウム１５２及び金属リチウム１６２から放出されたリチウムイオンは第１リチウムイオン供給源１１２及び第２リチウムイオン供給源１１３の間に位置する電極ユニット１１１にドープされる（図中矢印Ａ）。
【００４９】
金属リチウム１５２及び金属リチウム１６２はリチウム用集電体１５１及びリチウム用集電体１６１において電極ユニット１１１側の面（第１の主面１５１ａ及び第３の主面１６１ａ）に配置されているため、リチウムイオンのほぼ全量は、自己が溶出したリチウムイオン供給源が設けられている同一の電極体１０１において電極ユニット１１１にドープされる。
【００５０】
一方で、リチウムイオンは電解液を介して隣接する電極体１０１への移動も可能（図中矢印Ｂ）であるが、リチウム用集電体１５１及びリチウム用集電体１６１を迂回する必要があり、隣接する電極体１０１へドープされるリチウムイオン量は極めて少なくなる。
【００５１】
このように、複数の電極体１０１が一つの蓄電素子１０５を構成している場合であっても、特定の電極体１０１において生じたリチウムイオンはその電極体１０１が備える電極ユニット１１１においてドープされ、隣接する電極体１０１が供える電極ユニット１１１にはほとんどドープされない。このため、複数の電極ユニット１１１の間でリチウムイオンのプレドープ量が均等となり、電気化学デバイス１００の長期安定性を確保することができる。
【００５２】
これに対し、仮に特定の電極体１０１において生じたリチウムイオンが他の電極体１０１に容易に移動可能な構成とすると、電気化学デバイス１００の載置方向による重力の影響等によって電極体１０１の間でプレドープ量が不均等となり、長期安定性が低下する。
【００５３】
なお、上記のように金属リチウム１５２及び金属リチウム１６２はプレドープにおいて溶解し、電気化学デバイス１００の使用時には金属リチウム１５２及び金属リチウム１６２は存在しない。しかしながら、リチウム用集電体１５１及びリチウム用集電体１６１に存在する金属リチウムの残渣等によってプレドープ前の金属リチウムの配置は判別可能である。
【実施例】
【００５４】
貫通孔を有しない銅箔に金属リチウムを貼付し、リチウムイオン供給源を作製した。金属リチウムは負極ＳＯＣ（state of charge）が６０％程度となる量とした。
【００５５】
正極と負極をセパレータを介して積層し、上述の電極ユニットを作製した。２つのリチウムイオン供給源によって電極ユニットを挟み、上述の電極体を作製した。３つの電極体を積層して正極端子及び負極端子を接続し、電解液と共にラミネートフィルム内に封入した。これにより、容量２０００Ｆ級のリチウムイオンキャパシタを作製した。
【００５６】
また、比較として貫通孔を有する銅箔に金属リチウムを貼付し、リチウムイオン供給源としたリチウムイオンキャパシタも作製した。
【００５７】
作製した各リチウムイオンキャパシタについて、電極体間における負極のプレドープ状態について比較した。図７は、各電極ユニットにおいてリチウムイオン供給源から最も離間した負極のプレドープ後のＳＯＣを示す表である。同図に示すように、実施例（リチウム用集電体に貫通孔なし）では３つの電極体のおいてほぼ均等にリチウムイオンがドープされているのに対し、比較例（リチウム用集電体に貫通孔あり）ではドープ量の差異が大きいことがわかる。
【００５８】
したがって、上記実施形態に係る構成においてはリチウム用集電体によって電極体間でのリチウムイオンの移動が抑制され、各電極体においてリチウムイオンのドープが均等になされていることが確認された。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…電極体
１０２…外装フィルム
１０３…正極端子
１０４…負極端子
１０５…蓄電素子
１１１…電極ユニット
１１２…第１リチウムイオン供給源
１１３…第２リチウムイオン供給源
１２０…正極
１２１…正極集電体
１２２…正極活物質層
１３０…負極
１３１…負極集電体
１３２…負極活物質層
１４０…セパレータ
１５１、１６１…リチウム用集電体
１５２、１６２…金属リチウム
【図１】
2018142604.tif 000003
【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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