(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質と負極活物質をセパレータを介して電解液中で対峙させることにより形成される電池と、少なくとも一方がイオン分極性電極をなす一対の電極をセパレータを介して電解液中で対峙させることにより形成される電気二重層キャパシタとを同一セル内で組み合わせてそれぞれのセル要素の一部が共用される形で複合形成してなる電池・キャパシタ複合素子であって、
前記電池と前記電気二重層キャパシタの各セル要素は、それぞれ層状に形成されているとともに、その２つのセル要素の間に共通の集電体が挟まれる積層構造が形成され、
前記共通の集電体として、正極集電体と負極集電体を備え、
前記正極集電体の一方の面に前記電池の前記正極活物質が塗布されているとともに、前記正極集電体の他方の面に前記キャパシタの前記分極性電極が塗布されて正極側シートが形成され、
前記負極集電体の一方の面に前記電池の前記負極活物質が塗布されているとともに、前記負極集電体の他方の面に前記キャパシタの前記分極性電極が塗布されて負極側シートが形成され、
前記正極側シートと前記負極側シートとが前記セパレータを介して巻回されている、
ことを特徴とする電池・キャパシタ複合素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記正極集電体は、第１の正極集電体シートと、第２の正極集電体シートとからなり、
前記電池の前記正極活物質は、前記第１の正極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記キャパシタの前記分極性電極は、前記第２の正極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記第１、および第２の正極集電体シートの他方の未塗布面同士が対向した状態で積層されて前記正極側シートが形成され、
前記負極集電体は、第１の負極集電体シートと、第２の負極集電体シートとからなり、
前記電池の前記負極活物質は、前記第１の負極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記キャパシタの前記分極性電極は、前記第２の負極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記第１、および第２の負極集電体シートの他方の未塗布面同士が対向した状態で積層されて前記負極側シートが形成されている、
ことを特徴とする電池・キャパシタ複合素子。
【請求項３】
前記電池がリチウムイオン電池であって、このリチウムイオン電池の電解液と電気二重層キャパシタの電解液とが共用されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池・キャパシタ複合素子。
【請求項４】
前記電気二重層キャパシタの一対の電極と、前記電池の正負電極活物質とが、前記共通の集電体によって並列接続をなしていること特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池・キャパシタ複合素子。
【請求項５】
前記電池の正極活物質として、リチウムイオン電池の正極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池・キャパシタ複合素子。
【請求項６】
前記電池の負極活物質として、リチウムイオン電池の負極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池・キャパシタ複合素子。
【請求項７】
前記イオン分極性電極の材料として活性炭を用いたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電池・キャパシタ複合素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電池・キャパシタ複合素子に関し、とくにリチウムイオン電池と電気二重層キャパシタを並列接続状態で組み合わせた複合素子に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば携帯電話などの内蔵電池として使用されているリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く放電寿命は長いが、出力電流密度が低く大電流用途には適していないという特性があった。回路的に見るとリチウムイオン電池は内部インピーダンスが高く、このことがそのリチウムイオン電池の利用分野を狭めたり、あるいは使いにくくしたりする阻害要因となっていた。
【０００３】
他方、その電池の負荷となる携帯電話などの電子機器は、たとえば間欠通電などの省電力化によって総平均的な消費電力は低減化されつつあるが、その反面、間欠的に大電流を必要とするパルス性の負荷特性を持つようになってきた。
【０００４】
このパルス性負荷に対応するためには、リチウムイオン電池に大容量キャパシタを並列接続して見かけ上の内部インピーダンスを低くすることが有効である。そこで、電池と大容量キャパシタを並列接続状態で包装し一体化した電池・キャパシタ集合素子が提供されている（たとえば特開平１０−２９４１３５公報参照）。
【０００５】
この電池・キャパシタ集合素子は、図８にその構造モデルを示すように、それぞれ単独で構成された電池１とキャパシタ２の各電極端子１８，１９と２８，２９をリード線３１で共通外部端子３２，３３に接続するとともに、全体を包装体で囲って一体化することにより、外見的に単一の素子３’として使用できるようにしたものである。
【０００６】
図８において、電池１はリチウムイオン電池であって、そのセル要素は、コバルト酸リチウムを主剤とする正極合剤１３と黒鉛を主剤とする負極合剤１５をセパレータ１７を介して電解液中で対峙させることにより形成される。このセル要素は、正極集電体１４や負極集電体１６などとともに、電池容器１１内に密閉収納されている。
【０００７】
キャパシタ２は電気二重層キャパシタであって、静電容量を形成するセル要素は、一対の電極２３と２５をセパレータ２７を介して電解液中で対峙させることにより形成される。このセル要素は、上記電池１の場合と同様、電極集電体２４，２６などとともに、キャパシタ容器２１内に密閉収納されている。
【０００８】
上記電池１とキャパシタ２は包装により合体されて、外見的に単一構成の電池・キャパシタ集合素子３’を形成する。負荷４への接続はその集合素子３’の共通外部端子３２，３３にて行う。
【０００９】
上述した電池・キャパシタ集合素子３’は、図９にその等価回路を示すように、電池１の方は高い内部抵抗Ｒｂを呈するが、この電池１に並列接続されたキャパシタ２の方は、その電池１に比べて、大幅に低い内部抵抗Ｒｐを呈することができる。したがって、両者が並列接続された上記集合素子３’は、キャパシタ２側の低内部抵抗Ｒｐにより、電池１を単独で使用する場合よりも大幅に低い内部抵抗を呈し、低内部インピーダンスＺｉの電池として使用することができる。これにより、パルス性負荷への適合性を高めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術には、次のような問題のあることが本発明者によりあきらかにされた。
すなわち、上述した電池・キャパシタ集合素子３’は、外見上は単一の構成体であるが、その構成要素である電池１とキャパシタ２はそれぞれ、あらかじめ単体の形で個別に構成された独立完成品である。これにより、上記集合素子３’の外形サイズおよび重量は、共に独立完成品である電池１とキャパシタ２を単純合算したものに、両者を合体させるための包装分を若干加えたものとなる。
このため、上記集合素子３’の小型・軽量化をはかる場合は、上記電池１と上記キャパシタ２の完成品状態を個別に小型・軽量化する必要がある。しかし、その個別の完成品状態がすでに限界近くまで小型・軽量化されていた場合、それ以上の小形・軽量化の余地は、もはやない。
【００１１】
つまり、上述した集合素子３’では、それぞれに独立して構成された完成品の電池１とキャパシタ２を最小構成単位にして組み立てられているため、その小形・軽量化は個々の構成単位レベルで行うしかなく、個々の構成単位レベルでの小形・軽量化の限界がそのまま上記集合素子３’での小形・軽量化の限界となっていた。したがって、個々の構成単位レベルを越えた小形・軽量化は望み得なかった。
このことは、小形・軽量化以外での構成の合理化、たとえば部品点数や生産コストの低減化をはかる場合でも同様であって、個々の構成単位レベルにてそれぞれに達成できる以上の構成の合理化は望み得なかった。
【００１２】
この発明は、以上のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、電池と電気二重層キャパシタの両機能の組み合わせによってパルス性負荷への適合性を高めるとともに、小形・軽量化あるいは低コスト化等の構成の合理化を、電池およびキャパシタがそれぞれ単独で達成可能な以上に行うことができるようにした電池・キャパシタ複合素子をを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、正極活物質と負極活物質をセパレータを介して電解液中で対峙させることにより形成される電池と、少なくとも一方がイオン分極性電極をなす一対の電極をセパレータを介して電解液中で対峙させることにより形成される電気二重層キャパシタとを同一セル内で組み合わせてなる電池・キャパシタ複合素子であって、
前記電池と前記電気二重層キャパシタの各セル要素は、それぞれ層状に形成されているとともに、その２つのセル要素の間に共通の集電体が挟まれる積層構造が形成され、
前記共通の集電体として、正極集電体と負極集電体を備え、
前記正極集電体の一方の面に前記電池の前記正極活物質が塗布されているとともに、前記正極集電体の他方の面に前記キャパシタの前記分極性電極が塗布されて正極側シートが形成され、
負極集電体の一方の面に前記電池の前記負極活物質が塗布されているとともに、前記負極集電体の他方の面に前記キャパシタの前記分極性電極が塗布されて負極側シートとが形成され、
前記正極側シートと前記負極側シートとが前記セパレータを介して巻回されている、
ことを特徴とする電池・キャパシタ複合素子としている（請求項１）。
すなわち、本発明は、上記電気二重層キャパシタと上記電池をそれぞれのセル要素の一部が共用される形で複合形成する構成を備え、請求項１に係る発明では、積層構造の中で電池とキャパシタの集電体を共通化するという構成の合理化が達成される。このような構成とすれば、電池と電気二重層キャパシタの両機能を素子レベルで複合（ハイブリッド化）させることができるとともに、各機能の構成要素を互いに共通化することによる構成の合理化が可能になる。
また、電池と電気二重層キャパシタの両機能の組み合わせによってパルス性負荷への適合性を高めるとともに、小形・軽量化や低コスト化等の構成の合理化を、電池およびキャパシタがそれぞれ単独で達成可能な以上に行うことができる。
【００１５】
また、上記電池・キャパシタ複合素子において、
前記正極集電体は、第１の正極集電体シートと、第２の正極集電体シートとからなり、
前記電池の前記正極活物質は、前記第１の正極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記キャパシタの前記分極性電極は、前記第２の正極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記第１、および第２の正極集電体シートの他方の未塗布面同士が対向した状態で積層されて前記正極側シートが形成され、
前記負極集電体は、第１の負極集電体シートと、第２の負極集電体シートとからなり、
前記電池の前記負極活物質は、前記第１の負極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記キャパシタの前記分極性電極は、前記第２の負極集電体シートの一方の面に塗布され、
前記第１、および第２の負極集電体シートの他方の未塗布面同士が対向した状態で積層されて前記負極側シートが形成されている
ことを特徴とする電池・キャパシタ複合素子とすることもできる（請求項２）。
前記電池がリチウムイオン電池であって、このリチウムイオン電池の電解液と電気二重層キャパシタの電解液とが共用されている構成とすれば、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を簡単かつ低コストに提供することができる（請求項３）。
【００１６】
前記電気二重層キャパシタの一対の電極と、前記電池の正負電極活物質とが、共通の集電体によって並列接続をなしている構成とすれば、リード線等による接続を行うことなく、最初から電池とキャパシタが内部で並列接続された電池・キャパシタ複合素子を得ることができる（請求項４）。
【００１８】
前記電池の正極活物質として、リチウムイオン電池の正極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させた構成とすれば、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を、その電池が元々備える構造を利用して簡単かつ低コストに構成することができる（請求項５）。
【００１９】
前記電池の負極活物質として、リチウムイオン電池の負極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させた構成とすれば、この場合も、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を、その電池が元々備える構造を利用して簡単かつ低コストに構成することができる（請求項６）。
【００２０】
前記イオン分極性電極の材料として活性炭を用いれば、充放電がイオンの物理的な吸脱着によって行われるため低インピーダンスな電気二重層キャパシタを前記電池の内部に組み込むことができる（請求項７）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。なお、各図間にて同一符号を付した部分は同一または相当部分を示すものとする。図１はこの発明の技術が適用された電池・キャパシタ複合素子の構造モデルを示す。
【００２４】
同図に示す電池・キャパシタ複合素子３はリチウムイオン電池１と電気二重層キャパシタ２を素子レベルで複合させたものであって、電池１とキャパシタ２は共に電池の外形容器をなす密閉容器１１内にて形成されている。
【００２５】
密閉容器１１内には、正極活物質をなす正極合剤１３、正極集電体１４、負極活物質をなす負極合剤１５、負極集電体１６、セパレータ１７、正極端子１８、負極端子１９、分極性電極２３，２５などが電解液とともに密閉収納されている。
【００２６】
正極合剤１３はコバルト酸リチウムを主剤とし、シート状または箔状の正極集電体１４の表面に接触した状態で層状に形成されている。負極合剤１５は黒鉛を主剤とし、シート状または箔状の負極集電板１６の表面に接触した状態で層状に形成されている。この正極合剤１３と負極合剤１５がセパレータ１７を介して電解液中で対峙させられてリチウムイオン電池１のセル要素を形成している。
【００２７】
分極性電極２３，２５はそれぞれ活性炭を用いて構成されている。一方の分極性電極２３は上記正極集電体１４の表面に接触した状態で層状に形成されている。他方の分極性電極２５は上記負極集電体１６の表面に接触した状態で層状に形成されている。この正極側と負極側の２つの分極性電極２３と２５がセパレータ１７を介して電解液中で対峙させられて電気二重層キャパシタ２を形成している。
【００２８】
ここで、集電体１４，１６、セパレータ１７および電解液は、上記リチウムイオン電池１の電池と電気二重層キャパシタ２とで同一のものが共用されている。電解液は、ＬｉＢＦ４やＬｉＰＦ６等のＬｉイオンを含んだ有機電解液が使用されている。この電解液はリチウムイオン電池１の電解液として機能すると同時に、電二重層キャパシタ２の電解液としても機能する。
また、電気二重層キャパシタ２の一対の電極２３，２５と、リチウムイオン電池１の一対の電極合剤１３と１５はそれぞれ、共通の電極集電体１４，１６を介して互いに並列接続をなしている。
【００２９】
正極合剤１３と正極側イオン分極性電極２３とに接触する正極集電体１４は正極端子１８に接続されている。また、負極合剤１５と負極側イオン分極性電極２５とに接触する負極集電体１６は負極端子１９に接続されている。この正極端子１８と負極端子１９は電池・キャパシタ複合素子３の外部端子として負荷４に接続される。
【００３０】
上述した電池・キャパシタ複合素子３では、まず、電気二重層キャパシタ２と電池１をそれぞれのセル要素の一部を共用させる形で形成したことにより、電池１と電気二重層キャパシタ２の両機能を素子レベルで複合させている。これとともに、従来は電池と電気二重層キャパシタとでそれぞれ別々に使用していた密閉容器１１等の構成要素を互いに共通化させている。
これにより、電池と電気二重層キャパシタの両機能の組み合わせによってパルス性負荷への適合性を高めるとともに、小形・軽量化や低コスト化等の構成の合理化を、電池およびキャパシタがそれぞれ単独で達成可能な以上に行うことができる。
【００３１】
具体的には、上述したように、リチウムイオン電池１の電解液と電気二重層キャパシタ２の電解液とを共用することにより、その複合素子３の構成を合理化することができ、これにより、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子３を簡単かつ低コストに提供することができる。
【００３２】
また、電気二重層キャパシタ２の一対の電極２３，２５と、リチウムイオン電池１の正負極合剤１３，１５とを、共通の電極集電体１４，１６によって並列接続状態とすることにより、リード線等による接続を行うことなく、最初から電池１とキャパシタ２が内部で並列接続された電池・キャパシタ複合素子３を得ることができる。
【００３３】
上記電気二重層キャパシタ２のイオン分極性電極２３，２５の材料としては活性炭が使われているが、活性炭を用いれば充放電がイオンの物理的な吸脱着によって行われるため低インピーダンスな電気二重層キャパシタを上記電池１の内部に組み込むことができる。
この場合、電気二重層キャパシタの使用可能電圧範囲は電解液の電気分解が起きない電圧範囲である。このため、単独で構成された電気二重層キャパシタでは、その使用可能電圧範囲を越えた電圧が印加されないように、たとえば２個を直列接続して使うなどの配慮が必要であった。
【００３４】
しかし、上述した複合素子３の場合は、電気二重層キャパシタ２の電極電位が電池１の電極電位に依存し常に同電位となり、図６からわかるように単独で使用された電気二重層キャパシタの場合と比べ、負極電位のみが卑な側に移動することになるが、もともと電気二重層キャパシタの使用可能電圧範囲は、正極側の電位に支配されており、負極側は余裕があったため問題無い。
つまり、上記複合素子３では、電気二重層キャパシタ２の印加可能電圧を単独で使用する場合と比べて高くすることができる。したがって、印加電圧が使用可能電圧範囲を越えないようにするために２個を直列接続するなどの配慮は不要にすることができる。
【００３５】
図２は、図１に構造モデルを示した電池・キャパシタ複合素子の等価回路を示す。
同図に示す等価回路は内部抵抗に注目した回路であって、同図に示すように、上述した電池・キャパシタ複合素子３では、電池１の方は高い内部抵抗Ｒｂを呈するが、この電池１に並列接続されたキャパシタ２の方は、その電池１に比べて、大幅に低い内部抵抗Ｒｐを呈する。したがって、両者が内部で並列接続された上記複合素子３は、キャパシタ２側の低内部抵抗Ｒｐによって、電池１単独で使用する場合よりも大幅に低い内部抵抗を呈し、低内部インピーダンスＺｉの電池として使用することができる。これにより、パルス性負荷に対して高い適合性を得ることができる。
【００３６】
図３は、本発明による電池・キャパシタ複合素子を円筒形リチウムイオン電池として構成した場合の実施形態を示す。
同図に示す円筒形リチウムイオン電池は１８６５０型規格品と互換性を有すのものであって、円筒状の金属性密閉容器１１内にシート状複合セル要素１０が巻回状態で密閉収納されている。そのシート状複合セル要素１０には、上述したリチウムイオン電池１と電気二重層キャパシタ２を複合形成する合剤、電極、集電体およびセパレータが積層されている。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明をその代表的な実施例によってさらに具体的に詳述する。
【００３８】
（比較例１）
正極として厚さ２０μｍのＡｌ（アルミニウム）箔の両面にコバルト酸リチウム、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布し、負極として厚さ１２μｍの銅箔の両面に黒鉛、バインダーからなるスラリー合剤を塗布し、両者をそれぞれ乾燥後にプレスを行って各電極シートを作成した。両電極シートをセパレータとともに巻回して電極群とした。この電極群を直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液と共に密閉収納して１８６５０型リチウムイオン電池を試作し、これを比較例１とした。
【００３９】
（比較例２）
正極として厚さ２０μｍのＡｌ箔の両面に活性炭、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布し、負極として厚さ１２μｍの銅箔の両面に活性炭、導電剤、バインダーからなるスラリー合剤を塗布し、両者をそれぞれ乾燥後にプレスを行って各電極シートを作成した。両電極シートをセパレータとともに巻回して電極群とした。この電極群を直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液と共に密閉収納して、１８６５０型リチウムイオン電池と同外形の電気二重層キャパシタを試作し、これを比較例２とした。
【００４０】
（実施例１）
厚さ２０μｍのＡｌ箔の片面にコバルト酸リチウム、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布したものと、厚さ２０μｍのＡｌ箔の片面に活性炭、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布したものをそれぞれ乾燥後プレスを行って、２種類の電極シートを作成した。この２種類の電極シートのＡｌ箔面を背中合わせに重ねて正極側シートとした。
また、厚さ１２μｍの銅箔の片面に黒鉛、バインダーからなるスラリー合剤を塗布したものと、厚さ１２μｍの銅箔の片面に活性炭、導電剤、バインダーからなるスラリー合剤を塗布したものをそれぞれ乾燥後プレスを行って、２種類の電極シートを作成した。この２種類の電極シートの銅箔面を背中合わせに重ねて負極側シートとした。
上記正極側シートと上記負極側シートをセパレータとともに巻回して電極群を形成した。この電極群を直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液とともに密閉収納して、１８６５０型リチウムイオン電池と互換の電池・キャパシタ複合素子を試作した。
この実施例１の電池・キャパシタ複合素子は、図４の（Ａ）に示すような電極構造を繰り返しパターンとして有する。
【００４１】
（実施例２）
正極側シートは実施例１と同じに作成した。
負極側シートは、厚さ１２μｍの銅箔の両面に黒鉛、バインダーからなるスラリー合剤を塗布したものを乾燥後プレスを行って電極シートを作成した。
このあと、実施例１と同様、正極側シートと負極側シートをセパレータとともに巻回して電極群を形成し、これを直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液とともに密閉収納して、１８６５０型リチウムイオン電池と互換の電池・キャパシタ複合素子を試作した。
この実施例２の電池・キャパシタ複合素子は、図４の（Ｂ）に示すような電極構造を繰り返しパターンとして有する。
【００４２】
（実施例３）
正極側シートは、厚さ２０μｍのＡｌ箔の両面にコバルト酸リチウム、活性炭、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布したものを乾燥後プレスを行って電極シートを作成した。
負極側シートは、厚さ１２μｍの銅箔の両面に黒鉛、活性炭、バインダーからなるスラリー合剤を塗布したものを乾燥後プレスを行って電極シートを作成した。
このあと、実施例１，２と同様、正極側シートと負極側シートをセパレータとともに巻回して電極群を形成し、これを直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液とともに密閉収納して、１８６５０型リチウムイオン電池と互換の電池・キャパシタ複合素子を試作した。
この実施例３の電池・キャパシタ複合素子は、図５の（Ａ）に示すような電極構造を繰り返しパターンとして有する。
【００４３】
（実施例４）
正極側シートは、実施例３と同様、厚さ２０μｍのＡｌ箔の両面にコバルト酸リチウム、活性炭、導電剤、バインダーを含むスラリー合剤を塗布したものを乾燥後プレスを行って電極シートを作成した。
負極側シートは、実施例２と同様、厚さ１２μｍの銅箔の両面に黒鉛、バインダーからなるスラリー合剤を塗布したものを乾燥後プレスを行って電極シートを作成した。
このあと、実施例１，２，３と同様、正極側シートと負極側シートをセパレータとともに巻回して電極群を形成し、これを直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒缶内に、Ｌｉイオンを含む電解液とともに密閉収納して、１８６５０型リチウムイオン電池と互換の電池・キャパシタ複合素子を試作した。
この実施例４の電池・キャパシタ複合素子は、図５の（Ｂ）に示すような電極構造を繰り返しパターンとして有する。
上述した実施例１〜４の電極構造はいずれも、円筒缶に収納された状態にて、電池とキャパシタの両セル要素の間に共通の集電体が挟まれる積層構造をなすが、これにより、その積層構造の中で電池とキャパシタの集電体を共通化させることができる。
【００４４】
次に、比較例１，２および実施例１〜４について、それぞれの特性試験結果を図６および図７を参照しながら説明する。
【００４５】
図６は比較例１，２の放電特性を示す。
同図の（Ａ）は比較例１の電池の放電特性を示したものであって、図中のグラフ曲線は放電容量比に対する正負電極電位とセル電圧の変化状態を示す。同図に示すように、セル電圧は正極電位と負極電位の差として現われ、放電末期になって急速に落ちるリチウムイオン電池の一般的特性を示している。
同図の（Ｂ）は比較例２の電気二重層キャパシタの放電特性を示したものであって、図中のグラフ曲線は、比較例１の電池を基準にした放電容量比に対する正負電極電位とセル電圧の変化状態を示す。同図に示すように、電気二重層キャパシタはキャパシタとしては非常に大容量であるが、比較例１のリチウムイオン電池に比べて１０〜２０分の１程度の放電容量しか持っていない。しかし、同図の特性図では見えないが、比較例１の電池よりも格段に低い内部インピターンスを有していて、放電開始直後から短時間ではあるが、非常に大きな電流で放電することができる。
【００４６】
図７は比較例１および実施例１〜４の短時間放電特性を示す。
同図に示す放電特性は、１０Ａの大電流放電試験を短時間（３秒）行わせたときのセル電圧の変化である。
同図において、まず、比較例１のリチウムイオン電池のセル電圧は、放電開始と同時に急速下降している。これは、そのリチウムイオン電池のパルス性負荷への適合性が十分でないことを示している。
【００４７】
これに対し、実施例１〜４の電池・キャパシタ複合素子ではそれぞれ、若干の差はあるものの、放電試験時間（３秒）内では、セル電圧の下がり方が緩やかで比較的安定したセル電圧を保つことができている。このことは、図２に示した等価回路が各実施例１〜４の複合素子においてそれぞれ成立していることを裏付ける。つまり、各実施例１〜４の電池・キャパシタ複合素子はそれぞれ、電池と電気二重層キャパシタの両機能の組み合わせによってパルス性負荷への適合性が高められている。
【００４８】
また、実施例４のように、正極活物質として、リチウムイオン電池の正極活物質材料であるコバルト酸リチウムと、電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料である活性炭との混合体を使用することによっても、上述した複合素子としての効果を得られることが判明した。
【００４９】
さらに、実施例３のように、正極のみならず負極活物質として、リチウムイオン電池の負極活物質材料である黒鉛と、電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料である活性炭との混合体を使用することによっても、上述した複合素子としての効果を得られることが判明した。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による電池・キャパシタ複合素子によれば、電気二重層キャパシタと電池をそれぞれのセル要素の一部が共用される形で複合形成する構成としたことにより、電池と電気二重層キャパシタの両機能を素子レベルで複合させることができるとともに、各機能の構成要素を互いに共通化することによる構成の合理化が可能になる。
これにより、電池と電気二重層キャパシタの両機能の組み合わせによってパルス性負荷への適合性を高めるとともに、小形・軽量化や低コスト化等の構成の合理化を、電池およびキャパシタがそれぞれ単独で達成可能な以上に行うことができる。
【００５１】
また、前記電池がリチウムイオン電池であって、このリチウムイオン電池の電解液と電気二重層キャパシタの電解液とが共用されている場合には、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を簡単かつ低コストに提供することができる。
前記電気二重層キャパシタの一対の電極と、前記電池の正負電極活物質とが、共通の集電体によって並列接続をなす場合には、リード線等による接続を行うことなく、最初から電池とキャパシタが内部で並列接続された電池・キャパシタ複合素子を得ることができる。
前記電池と電気二重層キャパシタの各セル要素がそれぞれ層状に形成されているとともに、その２つのセル要素の間に共通の集電体が挟まれる積層構造が形成された場合には、その積層構造の中で電池とキャパシタの集電体を共通化するという構成の合理化が達成される。
【００５２】
前記電池の正極活物質として、リチウムイオン電池の正極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させた場合には、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を、その電池が元々備える構造を利用して簡単かつ低コストに構成することができる。
【００５３】
前記電池の負極活物質として、リチウムイオン電池の負極活物質材料と電気二重層キャパシタのイオン分極性電極材料の混合体を使用することによって上記電気二重層キャパシタを上記電池に複合させた場合にも、リチウムイオン電池の高エネルギー密度と電気二重層キャパシタの低内部インピーダンスの両利点を併せ持つ複合素子を、その電池が元々備える構造を利用して簡単かつ低コストに構成することができる。
【００５４】
前記イオン分極性電極の材料として活性炭を用いれば、充放電がイオンの物理的な吸脱着によって行われるため低インピーダンスな電気二重層キャパシタを前記電池の内部に組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による電池・キャパシタ複合素子の構造モデルを示す断面図である。
【図２】図１の構造モデルに対応させた等価回路図である。
【図３】本発明による電池・キャパシタ複合素子の適用例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例１，２にて形成される電極構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例３，４にて形成される電極構造を示す断面図である。
【図６】比較例１，２の放電特性を示す図である。
【図７】比較例１および実施例１〜４の短時間放電特性を示す図である。
【図８】従来の電池・キャパシタ集合素子の構造モデルを示す断面図である。
【図９】図８の構造モデルに対応させた等価回路図である。
【符号の説明】
１    リチウムイオン電池
２    電気二重層キャパシタ
３    電池・キャパシタ複合素子（本発明）
３’  電池・キャパシタ集合素子（従来）
４    パルス性負荷
１０  シート状複合セル要素
１１  密閉容器
１３  正極合剤
１４  集電体（正極）
１５  負極合剤
１６  集電体（負極）
１７  セパレータ
１８  正極端子（外部端子）
１９  負極端子（外部端子）
２１  密閉容器（従来）
２３  イオン分極性電極（活性炭）
２４  集電体（正極）
２５  イオン分極性電極（活性炭）
２６  集電体（負極）
２７  セパレータ
２８  正極端子（従来）
２９  負極端子（従来）
３１  リード線（従来）
３２  共通外部端子（従来）
３３  共通外部端子（従来）
Ｚｉ  等価的な内部インピーダンス
Ｒｂ  電池の内部抵抗
Ｒｐ  電気二重層キャパシタの内部抵抗
【図１】
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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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