(57)【要約】【課題】「プレドーピング」に要する時間を短縮することができるリチウムイオンキャパシタの構造を提供する。【解決手段】リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮと、缶ＣＮの内部に配置された正極ＰＥと、缶ＣＮの内部に配置され、かつ、正極ＰＥと電気的に絶縁された負極ＮＥと、缶ＣＮの内部に配置され、かつ、正極ＰＥおよび負極ＮＥと電気的に絶縁された箔体ＬＦと、缶ＣＮの内部に充填された電解液ＥＳと、缶ＣＮを密閉する蓋ＣＰとを備える。さらに、リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮに設けられ、かつ、正極ＰＥと電気的に接続された正極端子ＰＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、負極ＮＥと電気的に接続された負極端子ＮＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電端子ＰＣＴとを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
缶と、
前記缶の内部に配置された正極と、
前記缶の内部に配置され、かつ、前記正極と電気的に絶縁された負極と、
前記缶の内部に配置され、かつ、前記正極および前記負極と電気的に絶縁された箔体と、
前記缶の内部に充填された電解液と、
前記缶を密閉する蓋と、
前記缶に設けられ、かつ、前記正極と電気的に接続された正極端子と、
前記蓋に設けられ、かつ、前記負極と電気的に接続された負極端子と、
前記蓋に設けられ、かつ、前記箔体と電気的に接続された予備充電端子と、
を備える、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記負極には、リチウムイオンが吸蔵されている、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項３】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記負極は、リチウムイオンを吸蔵可能な炭素材料を含む、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項４】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記リチウムイオンキャパシタは、前記負極端子と前記予備充電端子との間に電流源を接続可能に構成されている、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項５】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記リチウムイオンキャパシタは、前記正極と前記負極と前記箔体とを捲回した電極捲回体を有し、
前記箔体は、前記電極捲回体の外周部に設けられている、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項６】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記缶は、アルミニウム材料から構成されている、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項７】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記正極は、活性炭を含む、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項８】
請求項１に記載のリチウムイオンキャパシタにおいて、
前記箔体は、銅材料から構成されている、リチウムイオンキャパシタ。
【請求項９】
（ａ）缶と、
前記缶の内部に配置された正極と、
前記缶の内部に配置され、かつ、前記正極と電気的に絶縁された負極と、
前記缶の内部に配置され、前記正極および前記負極と電気的に絶縁された箔体であって、リチウム金属が形成された前記箔体と、
前記缶の内部に充填された電解液と、
前記缶を密閉する蓋と、
前記缶に設けられ、かつ、前記正極と電気的に接続された正極端子と、
前記蓋に設けられ、かつ、前記負極と電気的に接続された負極端子と、
前記蓋に設けられ、かつ、前記箔体と電気的に接続された予備充電端子と、
を有する、リチウムイオンキャパシタを準備する工程、
（ｂ）前記（ａ）工程の後、前記負極端子と前記予備充電端子との間に電流源を接続することにより、前記箔体に形成されている前記リチウム金属を溶解させて、前記負極にリチウムイオンを吸蔵させる工程、
を備える、リチウムイオンキャパシタの予備充電方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のリチウムイオンキャパシタの予備充電方法において、
前記（ｂ）工程の後において、
前記箔体に形成されているリチウム金属は、すべて溶解している、リチウムイオンキャパシタの予備充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオンキャパシタおよびその予備充電技術に関し、例えば、予備充電に必要とされる時間を短縮できるリチウムイオンキャパシタおよびその予備充電技術適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１２−７９９４３号公報（特許文献１）には、リチウムイオンキャパシタの予備充電（以下、「プレドーピング」ともいう）に関する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−７９９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタの原理を使用しながら、負極材料として、リチウムイオンを吸蔵可能な炭素系材料を使用することにより、負極材料にリチウムイオンを吸蔵させて、エネルギー密度を向上させたキャパシタである。すなわち、リチウムイオンキャパシタは、正極と負極で充放電の原理が異なり、リチウムイオン電池と同様の構成を有する負極と、電気二重層の正極とを組み合わせた構造をしている。
【０００５】
このように、リチウムイオンキャパシタでは、予め負極を構成する炭素系材料にリチウムイオンを吸蔵させる必要があり、このことを「プレドーピング」と呼ぶ。
【０００６】
通常、「プレドーピング」は、外装缶の内部に配置された負極と、外装缶の内部に配置され、かつ、リチウム金属が形成された箔体とを外装缶の内部で短絡させることにより、リチウム金属を電解液に溶解させることにより行なわれる。すなわち、通常の「プレドーピング」では、単に、リチウム金属が形成された箔体と負極とを外装缶の内部で電気的に短絡させているだけであるため、通常の「プレドーピング」の制御は、周囲温度のみで行なわれることになる。そして、このような通常の「プレドーピング」では、すべてのリチウム金属が電解液に溶解するまでに、サイズによっては数ヶ月の期間を要する。したがって、通常の「プレドーピング」では、リチウム金属を溶解させるための時間が長くなる。
【０００７】
本発明の目的は、「プレドーピング」に要する時間を短縮することができるリチウムイオンキャパシタの構造を提供することにある。
【０００８】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタは、缶と、缶の内部に配置された正極と、缶の内部に配置され、かつ、正極と電気的に絶縁された負極と、缶の内部に配置され、かつ、正極および負極と電気的に絶縁された箔体と、缶の内部に充填された電解液と、缶を密閉する蓋とを備える。さらに、一実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタは、缶に設けられ、かつ、正極と電気的に接続された正極端子と、蓋に設けられ、かつ、負極と電気的に接続された負極端子と、蓋に設けられ、かつ、箔体と電気的に接続された予備充電用端子とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
一実施の形態によれば、「プレドーピング」に要する時間を短縮可能なリチウムイオンキャパシタの構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】関連技術におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図２】関連技術におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図３】関連技術におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図４】実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図５】実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図６】実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタの「プレドーピング」を説明する模式図である。
【図７】実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタの全体構成を模式的に示す断面図である。
【図８】蓋の外観構成を示す上面図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１０】蓋の構成要素である金属部の外観構成を示す平面図である。
【図１１】金属部の外観構成を示す側面図である。
【図１２】実施の形態における予備充電端子の構成を示す模式的な断面図である。
【図１３】（ａ）は、実施の形態における正極集電板の模式的な構成を示す上面図であり、（ｂ）は、実施の形態における正極集電板の模式的な構成を示す側面図である。
【図１４】（ａ）は、実施の形態における負極集電板の模式的な構成を示す上面図であり、（ｂ）は、実施の形態における負極集電板の模式的な構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜リチウムイオンキャパシタの概要＞
リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタの原理を使用しながら、負極材料として、リチウムイオンを吸蔵可能な炭素系材料を使用することにより、負極材料にリチウムイオンを吸蔵させて、エネルギー密度を向上させたキャパシタである。すなわち、リチウムイオンキャパシタは、負極材料にリチウムイオンを吸蔵させることにより、セルの電圧と負極の静電容量が増加するため、電気二重層キャパシタに比べて、エネルギー密度の向上を図ることができる。通常の電気二重層キャパシタのセル電圧は、２．５Ｖから３Ｖ程度であるが、リチウムイオンキャパシタでは、予めリチウムイオンを負極材料に吸蔵することによって、セル電圧を４Ｖ程度まで上昇させることができる。そして、セル内のエネルギーは、電圧の２乗に比例することから、リチウムイオンキャパシタでは、上述したセル電圧の上昇によって、エネルギー密度を向上させることができるのである。
【００１３】
さらに、リチウムイオンが吸蔵された負極は、通常の電気二重層キャパシタで主に使用されている活性炭と比べて数十倍程度の静電容量値を有している。この結果、セル内の全体の静電容量値が増加することになり、これによって、セル内のエネルギー密度を向上させることができる。
【００１４】
以上のことから、リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオンを負極に吸蔵させる構成を採用することによって、セル電圧と静電容量値の両方を増加させることができる。したがって、リチウムイオンキャパシタは、セル電圧の増加と静電容量値との増加による相乗効果によって、エネルギー密度の向上を図ることができるのである。
【００１５】
このように、リチウムイオンキャパシタでは、エネルギー密度を向上させる観点から、負極材料にリチウムイオンを吸蔵させることが重要であり、負極材料へのリチウムイオンの吸蔵は、「プレドーピング（予備充電）」と呼ばれる技術で行なわれる。
【００１６】
以下では、まず、「プレドーピング」に関する関連技術について説明した後、関連技術に存在する改善の余地について説明する。その後、改善の余地に対する工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明することにする。
【００１７】
＜関連技術における「プレドーピング」＞
本明細書でいう「関連技術」は、新規に発明者が見出した課題を有する技術であって、公知である従来技術ではないが、新規な技術的思想の前提技術（未公知技術）を意図して記載された技術である。
【００１８】
図１〜図３は、関連技術におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣの「プレドーピング」を説明する模式図である。まず、図１に示すように、蓋ＣＰで密閉された缶ＣＮの内部空間には、電極捲回体ＥＷＢが配置されている。そして、電極捲回体ＥＷＢは、複数の正極ＰＥと複数の負極ＮＥとを有しており、正極ＰＥと負極ＮＥとは、絶縁材料からなるセパレータＳＰで分離されている。また、電極捲回体ＥＷＢの中心には、正極ＰＥおよび負極ＮＥとは別の箔体ＬＦが配置されており、この箔体ＬＦには、「プレドーピング」に必要なリチウム金属ＬＩが形成されている。
【００１９】
複数の正極ＰＥは、互いに電気的に接続されて、蓋ＣＰに形成されている正極端子ＰＥＴと電気的に接続されている。一方、複数の負極ＮＥは、互いに電気的に接続されているとともに、リチウム金属ＬＩが形成されている箔体ＬＦとも電気的に接続されて、缶ＣＮに形成されている負極端子ＮＥＴと電気的に接続されている。
【００２０】
このように構成されている関連技術におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣに対して、「プレドーピング」を実施する。具体的には、図２に示すように、缶ＣＮの内部に電解液ＥＳを注入することにより、缶ＣＮの内部空間に電解液ＥＳを充填する。これにより、図２に示すように、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩから負極ＮＥに電子が流れるとともに、箔体ＬＦから電解液ＥＳ中にリチウムイオンが溶解する。そして、溶解したリチウムイオンは、負極ＮＥを構成する炭素材料に吸蔵される。その後、リチウムイオンキャパシタＬＩＣは、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、すべて電解液ＥＳに溶解して、負極ＮＥを構成する炭素材料に吸蔵されるまで放置される。
【００２１】
以上のようにして、負極ＮＥを構成する炭素材料にリチウムイオンを吸蔵させる「プレドーピング」が実施される。そして、図３は、「プレドーピング」が終了して、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、負極ＮＥを構成する炭素材料にすべて吸蔵されている状態を示す模式図である。図３に示すように、電極捲回体ＥＷＢの中央部に配置されている箔体ＬＦに形成されていたリチウム金属ＬＩが消失して、複数の負極ＮＥのそれぞれを構成する炭素材料にリチウムイオンが吸蔵されていることがわかる。
【００２２】
＜改善の検討＞
本発明者の検討によると、このようにして実施される関連技術における「プレドーピング」には、改善の余地が存在することが明らかになったので、以下では、この関連技術に存在する改善の余地について説明することにする。
【００２３】
図１〜図３に示すように、関連技術における「プレドーピング」は、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを缶ＣＮの内部で負極ＮＥと電気的に短絡させることにより行なわれている。この関連技術における「プレドーピング」の制御は、リチウムイオンキャパシタＬＩＣの周囲の温度で行なわれるだけであり、基本的に、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、すべて電解液ＥＳに溶解して、負極ＮＥを構成する炭素材料に吸蔵されるまで、リチウムイオンキャパシタＬＩＣは放置される。そして、関連技術における「プレドーピング」では、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、すべて電解液ＥＳに溶解して、負極ＮＥを構成する炭素材料に吸蔵されるまで、サイズによっては数ヶ月の期間を要することになり、「プレドーピング」に要する時間が長くなる。
【００２４】
さらに、関連技術における「プレドーピング」では、電極捲回体ＥＷＢの中央部に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置している。これは、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが複数の負極ＮＥのそれぞれに均一に吸蔵されるようにすることを考慮したものである。すなわち、関連技術においては、複数の負極ＮＥへのリチウムイオンの均一な拡散を実現するため、対称性を考慮して、電極捲回体ＥＷＢの中央部に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置している。
【００２５】
そして、例えば、図３に示すように、「プレドーピング」が終了して、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、負極ＮＥを構成する炭素材料にすべて吸蔵されると、箔体ＬＦに形成されていたリチウム金属ＬＩがすべて消失する。この場合、関連技術においては、電極捲回体ＥＷＢの中央部に箔体ＬＦが配置されているため、図３に示すように、電極捲回体ＥＷＢの中央部には、リチウム金属ＬＩがすべて消失することにより、隙間が生じる。このことは、中央部に生まれた隙間に起因して、電極捲回体ＥＷＢに捲き緩みが生じることを意味する。そして、このような電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みが発生すると、リチウムイオンキャパシタＬＩＣに非常に大きな振動が加えられた場合には、耐振性が低下することがある。
【００２６】
以上のことから、関連技術における「プレドーピング」は、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを缶ＣＮの内部で負極ＮＥと電気的に短絡させることにより行なわれている。この結果、関連技術におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣには、「プレドーピング」に要する時間が長くなるという第１の改善の余地が存在する。
【００２７】
さらに、関連技術におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣでは、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを電極捲回体ＥＷＢの中央部に配置している。このため、「プレドーピング」の終了後、箔体ＬＦからのリチウム金属ＬＩの消失に起因する隙間が電極捲回体ＥＷＢの中央部に生じて、電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みが生じる。この結果、関連技術におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣでは、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを電極捲回体ＥＷＢの中央部に配置することに起因して、リチウムイオンキャパシタＬＩＣに非常に大きな振動が加えられた場合には、耐振性が低下することがあるという第２の改善の余地が存在する。
【００２８】
そこで、本実施の形態では、上述した関連技術に存在する改善の余地に対する工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について、図面を参照しながら説明することにする。
【００２９】
＜実施の形態における「プレドーピング」＞
図４〜図６は、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の「プレドーピング」を説明する模式図である。まず、図４に示すように、蓋ＣＰで密閉された缶ＣＮの内部空間には、電極捲回体ＥＷＢが配置されている。そして、電極捲回体ＥＷＢは、複数の正極ＰＥと複数の負極ＮＥとを有しており、正極ＰＥと負極ＮＥとは、絶縁材料からなるセパレータＳＰで分離されている。また、電極捲回体ＥＷＢの外周部（周縁部）には、正極ＰＥおよび負極ＮＥとは別の箔体ＬＦが配置されており、この箔体ＬＩには、「プレドーピング」に必要なリチウム金属ＬＩが形成されている。
【００３０】
複数の正極ＰＥは、互いに電気的に接続されて、缶ＣＮに形成されている正極端子ＰＥＴと電気的に接続されている。一方、複数の負極ＮＥは、互いに電気的に接続されて、蓋ＣＰに形成されている負極端子ＮＥＴと電気的に接続されている。さらに、電極捲回体ＥＷＢの外周部に形成されている箔体ＬＦは、蓋ＣＰに形成されている予備充電端子ＰＣＴと電気的に接続されている。このとき、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとは、互いに電気的に絶縁されるように蓋ＣＰに形成されている。したがって、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮに形成されている正極端子ＰＥＴと、蓋ＣＰに形成されている負極端子ＮＥＴと、蓋ＣＰに形成されている予備充電端子ＰＣＴとを備えていることになる。
【００３１】
このように構成されている本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１に対して、「プレドーピング」を実施する。具体的には、図５に示すように、缶ＣＮの内部に電解液ＥＳを注入することにより、缶ＣＮの内部空間に電解液ＥＳを充填する。そして、蓋ＣＰに形成されている負極端子ＮＥＴと、蓋ＣＰに形成されている予備充電端子ＰＣＴとの間に、リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の外部に配置された電流源ＣＳを接続する。そして、図５に示すように、電流源ＣＳから負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に電流を流すことにより、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩから負極ＮＥに電子が流れるとともに、箔体ＬＦから電解液ＥＳ中にリチウムイオンが溶解する。この結果、溶解したリチウムイオンは、負極ＮＥを構成する炭素材料に吸蔵される。その後、リチウムイオンキャパシタＬＩＣは、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、すべて電解液ＥＳに溶解するまで、リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の外部に配置された電流源ＣＳから、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に電流を流し続ける。このように、本実施の形態における「プレドーピング」では、電流源ＣＳにより、負極端子ＮＥＴと電気的に接続された負極ＮＥと、予備充電端子ＰＣＴと電気的に接続され、かつ、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦとの間に電流を流すことにより行なわれる。
【００３２】
以上のようにして、負極ＮＥを構成する炭素材料にリチウムイオンを吸蔵させる「プレドーピング」が実施される。そして、図６は、「プレドーピング」が終了して、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、負極ＮＥを構成する炭素材料にすべて吸蔵されている状態を示す模式図である。図６に示すように、電極捲回体ＥＷＢの外周部に配置されている箔体ＬＦに形成されていたリチウム金属ＬＩが消失して、複数の負極ＮＥのそれぞれを構成する炭素材料にリチウムイオンが吸蔵されていることがわかる。
【００３３】
このように、本実施の形態における「プレドーピング」は、電流と時間による制御によって、負極ＮＥへのリチウムイオンの吸蔵が行なわれる。この結果、本実施の形態における「プレドーピング」によれば、電流源ＣＳから流す電流量を調整することにより、「プレドーピング」に要する時間を短縮することができる。すなわち、本実施の形態における「プレドーピング」では、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを別々に設けて、この負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に外部電源（電流源ＣＳ）から電流を供給する構成を採用している。この結果、電流源ＣＳからの電流量を調整することにより、負極ＮＥへのリチウムイオンの吸蔵に要する時間を短縮することができる。特に、負極ＮＥと、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦとを短絡させた状態で放置するという図１〜図３に示す関連技術の「プレドーピング」に比べて、電流源ＣＳから意図的に電流を供給する構成が採用されている本実施の形態における「プレドーピング」によれば、「プレドーピング」に要する時間を短縮することができる。
【００３４】
本実施の形態における「プレドーピング」（予備充電方法）をまとめると、以下の構成要素を備える。すなわち、本実施の形態における「プレドーピング」では、まず、後述する構成を有するリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１を準備する（第１工程）。このリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮと、缶ＣＮの内部に配置された正極ＰＥと、缶ＣＮの内部に配置され、かつ、正極ＰＥと電気的に絶縁された負極ＮＥと、缶ＣＮの内部に配置され、正極ＰＥおよび負極ＮＥと電気的に絶縁された箔体ＬＦであって、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦとを有する。さらに、準備されるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮの内部に充填された電解液ＥＳと、缶ＣＮを密閉する蓋ＣＰと、缶ＣＮに設けられ、かつ、正極ＰＥと電気的に接続された正極端子ＰＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、負極ＮＥと電気的に接続された負極端子ＮＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電用端子ＰＣＴとを有する。そして、リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１を準備した後（第１工程の後）、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に電流源ＣＳを接続することにより、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩを溶解させて、負極ＮＥＴにリチウムイオンを吸蔵させる（第２工程）。特に、第２工程の後において、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩは、すべて溶解する。以上のようにして、本実施の形態における「プレドーピング」が実施される。
【００３５】
＜リチウムイオンキャパシタの構成＞
本実施の形態における「プレドーピング」は、電流源ＣＳを使用した電気的な「プレドーピング」であり、この電気的な「プレドーピング」を実施するためには、負極ＮＥと電気的に接続された負極端子ＮＥＴとは、別に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電端子ＰＣＴを設ける必要がある。そこで、以下では、電気的な「プレドーピング」を実施するためのリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の構成について説明することにする。
【００３６】
＜＜全体構成＞＞
図７は、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の全体構成を模式的に示す断面図である。図７に示すように、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、例えば、アルミニウム材料からなる缶ＣＮを有し、この缶ＣＮの底部には、例えば、アルミニウム材料からなる正極端子ＰＥＴが形成されている。そして、缶ＣＮの内部には、電極捲回体ＥＷＢが配置されている。この電極捲回体ＥＷＢは、それぞれシート形状をした複数の正極と、それぞれシート形状をした複数の負極とをセパレータを介して捲回した構成をしている。このとき、正極は、例えば、アルミニウム箔からなる集電体の両面に活性炭が形成された構成をしている。一方、負極は、例えば、銅箔からなる集電体の両面にリチウムイオンが吸蔵された炭素材料を含む構成をしている。このように構成された正極と負極との間に絶縁材料から形成されたセパレータが挿入されて、正極と負極とセパレータとが捲回されている。これにより、正極と負極とは、セパレータによって電気的に絶縁されながら、電極捲回体ＥＷＢを構成していることになる。さらに、このように構成されている電極捲回体ＥＷＢの外周部（外縁部）には、例えば、銅箔からなる箔体ＬＦが巻き付いており、この箔体ＬＦの表面からはリチウム金属が消失している。つまり、「プレドーピング」前において、箔体ＬＦの表面には、リチウム金属が形成されているが、「プレドーピング」が終了した製品としてのリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１においては、箔体ＬＦの表面からリチウム金属は消失し、箔体ＬＦだけが存在する。
【００３７】
次に、電極捲回体ＥＷＢの下部には、正極集電板ＰＣＣが設けられており、この正極集電板ＰＣＣは、電極捲回体ＥＷＢに存在する複数の正極と電気的に接続されており、かつ、缶ＣＮに形成されている正極端子ＰＥＴと電気的に接続されている。すなわち、正極集電板ＰＣＣは、電極捲回体ＥＷＢの構成要素である複数の正極と、缶ＣＮに形成された正極端子ＰＥＴとを電気的に接続する機能を有していることになる。
【００３８】
一方、電極捲回体ＥＷＢの上部には、負極集電板ＮＣＣが設けられており、この負極集電板ＮＣＣは、電極捲回体ＥＷＢに存在する複数の負極と電気的に接続されており、かつ、蓋ＣＰに形成されている負極端子ＮＥＴと電気的に接続されている。すなわち、負極集電板ＮＣＣは、電極捲回体ＥＷＢの構成要素である複数の負極と、蓋ＣＰに形成された負極端子ＮＥＴとを電気的に接続する機能を有していることになる。
【００３９】
そして、缶ＣＮの上部には、缶ＣＮの内部を密閉する蓋ＣＰが設けられている。この蓋ＣＰは、絶縁材料からなる樹脂部ＲＰと、例えば、銅などの金属材料からなる金属部ＭＰから構成されており、金属部ＭＰに負極端子ＮＥＴが接続されている。さらに、金属部ＭＰには、折り曲げ加工されたリードＬＤが形成されており、折り曲げられたリードＬＤは、負極集電板ＮＣＣに設けられている引き出し部ＤＵと電気的に接続されている。以上のことから、電極捲回体ＥＷＢの構成要素である複数の負極は、負極→負極集電板ＮＣＣ→引き出し部ＤＵ→リードＬＤ→金属部ＭＰ→負極端子ＮＥＴの経路で、負極端子ＮＥＴと電気的に接続されていることになる。さらに、蓋ＣＰには、負極端子ＮＥＴと電気的に絶縁された予備充電端子ＰＣＴも設けられており、蓋ＣＰに設けられて予備充電端子ＰＣＴは、電極捲回体ＥＷＢの外周部に設けられた箔体ＬＦと電気的に接続されている。なお、蓋ＣＰで密閉された缶ＣＮの内部空間には、電解液ＥＳが充填されている。
【００４０】
以上のようにして、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１が構成されている。すなわち、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮと、缶ＣＮの内部に配置された正極と、缶ＣＮの内部に配置され、かつ、正極と電気的に絶縁された負極と、缶ＣＮの内部に配置され、かつ、正極および負極と電気的に絶縁された箔体と、缶ＣＮの内部に充填された電解液とを備える。さらに、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１は、缶ＣＮを密閉する蓋ＣＰと、缶ＣＮに設けられ、かつ、正極と電気的に接続された正極端子ＰＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、負極と電気的に接続された負極端子ＮＥＴと、蓋ＣＰに設けられ、かつ、箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電用端子ＰＣＴとを備える。
【００４１】
＜＜蓋の構成＞＞
続いて、蓋ＣＰの詳細な構成について説明する。図８は、蓋ＣＰの外観構成を示す上面図である。図８に示すように、蓋ＣＰの外形形状は、円形形状をしており、絶縁材料からなる樹脂部ＲＰと金属材料からなる金属部ＭＰから構成されている。そして、金属部ＭＰの中心部には、負極端子ＮＥＴが設けられている、また、負極端子ＮＥＴが形成された金属部ＭＰと電気的に絶縁される位置に予備充電端子ＰＣＴが設けられている。さらに、樹脂部ＲＰには、裏面に形成された溝によって薄板化された部分からなる安全弁ＳＶが、円周方向に沿って２箇所設けられている。
【００４２】
図９は、図８のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図９に示すように、蓋ＣＰは、樹脂部ＲＰと金属部ＭＰとを有している。そして、金属部ＭＰは、負極端子ＮＥＴと電気的に接続されているとともに、樹脂部ＲＰを貫通するリードＬＤを有している。一方、金属部ＭＰと離間して、樹脂部ＲＰを貫通する予備充電端子ＰＣＴが設けられており、この予備充電端子ＰＣＴは、樹脂部ＲＰによって、金属部ＭＰ（負極端子ＮＥＴ）と電気的に絶縁されている。そして、本実施の形態では、蓋ＣＰに形成されている負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に電流源を接続可能なように構成されている。以上のようにして、本実施の形態における蓋ＣＰが構成されていることになる。
【００４３】
＜＜金属部の構成＞＞
図１０は、蓋ＣＰの構成要素である金属部ＭＰの外観構成を示す平面図であり、図１１は、金属部ＭＰの外観構成を示す側面図である。図１０および図１１に示すように、本実施の形態における金属部ＭＰは、電流源と接続可能に構成されている負極端子ＮＥＴと、折り曲げ加工可能に構成されているリードＬＤとを有している。
【００４４】
＜＜予備充電端子の構成＞＞
次に、予備充電端子ＰＣＴの詳細な構成について説明する。図１２は、本実施の形態における予備充電端子ＰＣＴの外観構成を示す模式的な断面図である。図１２に示すように、本実施の形態における予備充電端子ＰＣＴは、例えば、金属部材１００と絶縁部材２００と金属部材３００とから構成されている。金属部材１００は、例えば、銅材料やニッケル材料から構成されており、例えば、ピン端子形状やワニ口クリップ形状をしている。特に、この金属部材１００は、外部に設けられる電流源との接続端子として機能するが、例えば、金属部材１００に切り込みを入れておくと、「プレドーピング」を実施した後、この金属部材１００を切断することも可能である。この場合、「プレドーピング」後において不必要となった予備充電端子ＰＣＴの突起部（金属部材１００）を除去することが可能となる。
【００４５】
絶縁部材２００は、例えば、耐熱ゴムやシリコン系材料から構成されるゴムワッシャから構成される。一方、金属部材３００は、例えば、銅材料から構成される。
【００４６】
このように構成される予備充電端子ＰＣＴを成形した後、蓋ＣＰに取り付ける際、金属部材１００側（上側）と金属部材３００側（下側）から予備充電端子ＰＣＴを圧縮することが望ましい。なぜなら、この場合、金属部材１００と金属部材３００で挟まれ、かつ、蓋ＣＰの樹脂部ＲＰと接触する絶縁部材２００が横方向に膨張して、予備充電端子ＰＣＴと蓋ＣＰとの取付け部の隙間が塞がるため、缶ＣＮの内部に充填される電解液ＥＳが漏洩しにくくなるからである。以上のようにして、本実施の形態における予備充電端子ＰＣＴが構成されていることになる。
【００４７】
＜＜正極集電板の構成＞＞
続いて、正極集電板ＰＣＣの構成について説明する。図１３（ａ）は、本実施の形態における正極集電板ＰＣＣの模式的な構成を示す上面図であり、図１３（ｂ）は、本実施の形態における正極集電板ＰＣＣの模式的な構成を示す側面図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、本実施の形態における正極集電板ＰＣＣは、表面に凹凸形状を有する円形形状をしている。このような形状とすることにより、正極集電板ＰＣＣによって、電極捲回体ＥＷＢの構成要素である複数の正極と、缶ＣＮに形成された正極端子ＰＥＴとを電気的に接続する機能を実現することができる（図７参照）。
【００４８】
＜＜負極集電板の構成＞＞
次に、負極集電板ＮＣＣの構成について説明する。図１４（ａ）は、本実施の形態における負極集電板ＮＣＣの模式的な構成を示す上面図であり、図１４（ｂ）は、本実施の形態における負極集電板ＮＣＣの模式的な構成を示す側面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、本実施の形態における負極集電板ＮＣＣは、表面に凹凸形状と開口部ＯＰとを有する円形形状をしているとともに、横方向に延在する引き出し部ＤＵを有している。このような形状とすることにより、負極集電板ＮＣＣによって、電極捲回体ＥＷＢの構成要素である複数の負極と、蓋ＣＰに形成された負極端子ＮＥＴとを電気的に接続する機能を実現することができる（図７参照）。
【００４９】
＜実施の形態における特徴＞
続いて、本実施の形態における特徴点について説明する。本実施の形態における第１特徴点は、例えば、図４〜図６に示すように、リチウムイオンキャパシタＬＩＣ１に正極端子ＰＥＴと負極端子ＮＥＴとは別に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電端子ＰＣＴを設ける点にある。これにより、図４〜図６に示すように、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１では、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの間に電流源ＣＳを接続することにより、電流源ＣＳから供給される電流によって、電気的な「プレドーピング」を実施することができる。このことは、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１によれば、電流源ＣＳから供給される電流量と時間を調整することにより、「プレドーピング」に要する時間を短縮できる。
【００５０】
すなわち、本実施の形態における第１特徴点は、正極端子ＰＥＴと負極端子ＮＥＴとは別に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電端子ＰＣＴを設けることによって、電流源ＣＳを使用した電気的な「プレドーピング」を実施可能にする点にある。この結果、積極的に電流量を調整する電気的な「プレドーピング」によって、「プレドーピング」に要する時間を短縮化することができる。
【００５１】
例えば、図１〜図３に示す関連技術における「プレドーピング」は、リチウムイオンキャパシタＬＩＣの内部で、負極と、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦとを短絡させて放置するという受動的な「プレドーピング」である。このような受動的な「プレドーピング」では、「プレドーピング」に要する時間が長くなってしまう。
【００５２】
これに対し、図４〜図６に示す本実施の形態における「プレドーピング」は、正極端子ＰＥＴと負極端子ＮＥＴとは別に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦと電気的に接続された予備充電端子ＰＣＴを設けて、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを短絡させることなく、外部電源（電流源ＣＳ）と接続することにより実施される。このような「プレドーピング」は、積極的に電流源ＣＳから供給される電流量を調整することが可能な能動的な「プレドーピング」ということができる。この能動的な「プレドーピング」によれば、例えば、電流源ＣＳから供給される電流量を意図的に増加させることにより、「プレドーピング」に要する時間を短縮化することができる。すなわち、本実施の形態における第１特徴点によれば、関連技術における受動的な「プレドーピング」と異なり、時間短縮を図ることができる能動的な「プレドーピング」を実現するための構成を提供可能にする点で、大きな技術的意義を有するということができる。
【００５３】
特に、本実施の形態によれば、「プレドーピング」の後半において、リチウム金属と負極との間の電位差が小さくなってからも、大きな定電流での制御が可能となるため、「プレドーピング」に要する時間を効果的に短縮することができる。すなわち、図１〜図３に示す関連技術における受動的な「プレドーピング」では、リチウム金属と負極との間の電位差が小さくなってからの「プレドーピング」の進行がとても遅くなる結果、「プレドーピング」に要する時間が長くなってしまう。これに対し、本実施の形態における能動的な「プレドーピング」では、リチウム金属と負極との間の電位差が小さくなっても、大きな定電流で「プレドーピング」を制御できることから、特に、リチウム金属と負極との間の電位差が小さくなった段階での「プレドーピング」に要する時間を短縮できる。
【００５４】
さらに、図１〜図３に示す関連技術における受動的な「プレドーピング」では、単に、リチウム金属と負極とを短絡させるだけであるので、負極に使用される炭素材料の種類によって、「プレドーピング」の条件を変更することはできない。これに対し、本実施の形態における定電流による能動的なプレドーピングでは、負極に使用される炭素材料の種類に応じて、定電流の大小を調整することができる。このことは、本実施の形態における能動的な「プレドーピング」によれば、負極に使用される炭素材料の種類によって、「プレドーピング」の条件を変更できることを意味する。したがって、本実施の形態における能動的な「プレドーピング」によれば、負極に使用される炭素材料に応じて、最適な条件での「プレドーピング」を実施できるという利点を得ることができる。
【００５５】
次に、本実施の形態における第２特徴点は、例えば、図４〜図６および図７に示すように、缶ＣＮに正極端子ＰＥＴを設ける一方、蓋ＣＰに負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを設ける点にある。これにより、本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタＬＩＣ１の性能低下の要因を抑制することができる。
【００５６】
例えば、図１〜図３に示す関連技術では、缶ＣＮに負極端子ＮＥＴを設ける一方、蓋ＣＰに正極端子ＰＥＴを設けている。この構成を前提として、予備充電端子ＰＣＴを設ける場合、まず、予備充電端子ＰＣＴを蓋ＣＰに配置することが考えられる。ただし、正極端子ＰＥＴが設けられた蓋ＣＰに予備充電端子ＰＣＴを設ける場合、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとを電気的に絶縁する必要がある。そして、この場合、たとえ、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとを電気的に絶縁しながら、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとを蓋ＣＰに配置することができたとしても、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとが１つの蓋ＣＰに形成されていることは、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとが近接配置されることを意味する。これは、予備充電端子ＰＣＴと正極端子ＰＥＴとが電気的にショートする可能性が大きくなることを意味する。さらには、正極端子ＰＥＴが設けられた蓋ＣＰに予備充電端子ＰＣＴを設ける場合、セル内部の絶縁構造が煩雑になる。このことから、蓋ＣＰに正極端子ＰＥＴと一緒に予備充電端子ＰＣＴを設ける構成は、正極端子ＰＥＴと予備充電端子ＰＣＴとの短絡を防止するセル内部の絶縁構造の複雑化を考慮すると、採用することが困難になるのである。
【００５７】
そこで、本実施の形態では、缶ＣＮに正極端子ＰＥＴを設ける一方、蓋ＣＰに負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを設けるという第２特徴点を採用している。この構成の場合も、電流源ＣＳを使用した電気的な「プレドーピング」を実施するためには、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを電気的に絶縁する必要があるが、たとえ、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとが短絡したとしても、正極端子ＰＥＴと予備充電端子ＰＣＴとが短絡した場合のように、セル内部の絶縁構造の複雑化を考慮する必要がないのである。なぜなら、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとが短絡したとしても、この状態は、図１〜図３に示す関連技術における受動的な「プレドーピング」と同じ状態になるだけであり、負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴが短絡しても何も起こらないからである。
【００５８】
以上の観点から、本実施の形態では、蓋ＣＰに負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを設けるという第２特徴点を採用している。この結果、本実施の形態における第２特徴点によれば、セル内部の絶縁構造の複雑化を抑制することができる。したがって、本実施の形態における第１特徴点と第２特徴点とを組み合わせることにより、リチウムイオンキャパシタのセル内部の絶縁構造の複雑化を抑制しながら、「プレドーピング」に要する時間を短縮できるという顕著な効果が得られる。
【００５９】
続いて、本実施の形態における第３特徴点は、例えば、図７および図９に示すように、蓋ＣＰを樹脂部ＲＰと金属部ＭＰから構成している点にある。これにより、互いに電気的に絶縁される負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを１つの蓋ＣＰに設けることができる。すなわち、図７および図９に示すように、本実施の形態における第３特徴点によれば、蓋ＣＰの構成要素である金属部ＭＰに負極端子ＮＥＴを設ける一方、金属部ＭＰと離間して、金属部ＭＰとは別部材の予備充電端子ＰＣＴを樹脂部ＲＰに設けることが可能となる。これにより、金属部ＭＰに設けられた負極端子ＮＥＴと、予備充電端子ＰＣＴとは、絶縁材料からなる樹脂部ＲＰで絶縁されることになる。この結果、本実施の形態における第３特徴点によれば、互いに電気的に絶縁された負極端子ＮＥＴと予備充電端子ＰＣＴとを１つの蓋ＣＰに設けることができ、これによって、上述した第２特徴点を具現化した構成を実現することができることになる。
【００６０】
次に、本実施の形態における第４特徴点は、上述した第２特徴点の構成を採用する結果、必然的に、缶ＣＮに正極端子ＰＥＴが形成されることになるため、缶ＣＮ自体を正極端子ＰＥＴと同じ材料であるアルミニウム材料から構成する点にある。
【００６１】
例えば、缶ＣＮに負極端子ＮＥＴを設ける構成の場合、缶ＣＮは、スチール材料から構成される。この場合、スチール材料は、加工が難しいことから、缶ＣＮの大口径化によるリチウムイオンキャパシタの大型化を実現することは困難である。これに対し、本実施の形態では、缶ＣＮに正極端子ＰＥＴを設けることになるため、缶ＣＮを正極端子ＰＥＴと同じアルミニウム材料を使用することができる。この場合、アルミニウム材料は、比較的柔らかい金属材料であり、加工が容易であるという利点を有している。したがって、缶ＣＮをアルミニウム材料から構成することにより、缶ＣＮの大口径化を実現することができる。このことから、本実施の形態における第４特徴点によれば、缶ＣＮの大口径化が容易になる結果、リチウムイオンキャパシタの大型化を実現することができる。言い換えれば、本実施の形態における第４特徴点によれば、容量の大きなリチウムイオンキャパシタを実現することができる。
【００６２】
最後に、本実施の形態における第５特徴点は、例えば、図４〜図６および図７に示すように、電極捲回体ＥＷＢの外周部にリチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置する点にある。これにより、「プレドーピング」を実施した後、箔体ＬＦからリチウム金属ＬＩが消失することによって生じる隙間によって、電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みが発生しにくくなる。この結果、本実施の形態における第５特徴点によれば、電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みに起因するリチウムイオンキャパシタの耐振性の低下を抑制することができ、これによって、リチウムイオンキャパシタの信頼性を向上することができる。
【００６３】
例えば、図１〜図３に示す関連技術では、電極捲回体ＥＷＢの中央部に、リチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置している。この場合、例えば、図３に示すように、「プレドーピング」が終了して、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩが、負極ＮＥを構成する炭素材料にすべて吸蔵されると、箔体ＬＦに形成されていたリチウム金属ＬＩがすべて消失する。このとき、関連技術においては、電極捲回体ＥＷＢの中央部に箔体ＬＦが配置されているため、図３に示すように、電極捲回体ＥＷＢの中央部には、リチウム金属ＬＩがすべて消失することにより、隙間が生じる。このことは、中央部に生まれた隙間に起因して、電極捲回体ＥＷＢに捲き緩みが生じることを意味する。そして、このような電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みが発生すると、リチウムイオンキャパシタの耐振性が低下することになり、これによって、リチウムイオンキャパシタの信頼性低下を招くことになる。
【００６４】
これに対し、本実施の形態における第５特徴点によれば、電極捲回体ＥＷＢの外周部にリチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置することになるため、リチウム金属ＬＩが消失した後においても、電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みが発生しにくくなる。これにより、本実施の形態における第５特徴点によれば、電極捲回体ＥＷＢの捲き緩みに起因するリチウムイオンキャパシタの耐振性の低下を抑制することができ、これによって、リチウムイオンキャパシタの信頼性を向上することができるのである。
【００６５】
なお、本実施の形態によれば、例えば、図４〜図６に示すように、複数の負極ＮＥと負極端子ＮＥＴとを多数のタブで電気的に接続した状態での定電流による電気的な「プレドーピング」を実施しているので、複数の負極ＮＥに均一な定電流を供給することができる。このため、本実施の形態によれば、電極捲回体ＥＷＢの外周部にリチウム金属ＬＩが形成された箔体ＬＦを配置しても、箔体ＬＦに形成されているリチウム金属ＬＩを複数の負極ＮＥのそれぞれに均一に「プレドーピング」することができる。
【００６６】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６７】
ＣＮ  缶
ＣＰ  蓋
ＥＳ  電解液
ＥＷＢ  電極捲回体
ＬＦ  箔体
ＮＥ  負極
ＮＥＴ  負極端子
ＰＣＴ  予備充電端子
ＰＥ  正極
ＰＥＴ  正極端子
【図１】
2018056528.tif 000003
【図２】
2018056528.tif 000004
【図３】
2018056528.tif 000005
【図４】
2018056528.tif 000006
【図５】
2018056528.tif 000007
【図６】
2018056528.tif 000008
【図７】
2018056528.tif 000009
【図８】
2018056528.tif 000010
【図９】
2018056528.tif 000011
【図１０】
2018056528.tif 000012
【図１１】
2018056528.tif 000013
【図１２】
2018056528.tif 000014
【図１３】
2018056528.tif 000015
【図１４】
2018056528.tif 000016