(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体と正極合材層とを備える正極によって構成される正極系と、集電体と負極合材層とを備える負極によって構成される負極系とを有する蓄電デバイスであって、
前記負極系は、互いに電気的に接続されるとともにそれぞれに異なる材料を用いて形成される第１負極合材層と第２負極合材層とを備え、
前記第１負極合材層と前記第２負極合材層との間に配置される前記集電体に、前記第１負極合材層と前記第２負極合材層との間でイオンを移動させる貫通孔が形成され、
前記第１負極合材層に、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子／炭素原子の原子数比が０．０５以上、０．５０以下であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体、黒鉛、または難黒鉛化性炭素が負極活物質として含まれ、
前記第２負極合材層に、前記負極活物質のうち前記第１負極合材層内の負極活物質と異なる負極活物質が含まれることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極系は前記正極を挟んで配置される第１負極と第２負極とを備え、前記第１負極が備える前記第１負極合材層と前記第２負極が備える前記第２負極合材層との間に配置される前記正極の集電体に前記貫通孔が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極系は前記負極を挟んで配置される第１正極と第２正極とを備え、一方面に前記第１負極合材層を備えるとともに他方面に前記第２負極合材層を備える前記負極の集電体に前記貫通孔が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極と前記正極との少なくともいずれか一方に短絡するリチウムイオン供給源を有し、
前記負極と前記正極との少なくともいずれか一方に前記リチウムイオン供給源からリチウムイオンをドーピングさせることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
デバイス構造は、前記正極と前記負極とが交互に積層される積層型、または前記正極と前記負極とが重ねて捲かれる捲回型であることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極合材層に活性炭が含まれることを特徴とする蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の負極を備える蓄電デバイスに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される蓄電デバイスには、高エネルギー密度や高出力密度が要求されることから、蓄電デバイスの候補としてリチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等が挙げられている。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いものの出力密度が低いという課題を有しており、電気二重層キャパシタは、出力密度が高いもののエネルギー密度が低いという課題を有している。
【０００３】
そこで、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシタとも呼ばれる蓄電デバイスが提案されている。このハイブリッドキャパシタは、正極に電気二重層キャパシタの活性炭を採用することにより、正極では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、負極にリチウムイオン二次電池の炭素材料を採用することにより、負極では炭素材料にリチウムイオンをドープさせることによって電荷を蓄積している。このような蓄電機構の採用によって出力密度およびエネルギー密度を引き上げることが可能となるが、自動車用電源として使用するためには更なる出力密度やエネルギー密度の改善が求められていた。
【０００４】
蓄電デバイスのエネルギー密度と出力密度との双方を向上させるための方法としては、電極合材を薄く塗工することによって内部抵抗を引き下げる方法や、高エネルギー密度を有する電池と高出力密度を有するキャパシタとを並列に接続する方法が考えられる。しかしながら、電極合材を薄く塗工した場合には、蓄電デバイスのエネルギー密度の低下を招いたり、組み立てが困難となって蓄電デバイスの高コスト化を招いたりするおそれがある。また、電池とキャパシタとを組み合わせた場合には、制御回路の複雑化を招くことから蓄電デバイスの高コスト化を招いてしまうおそれがある。
【０００５】
これらの問題点を解決するため、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタとの正極集電体を互いに接続するとともに、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタとの負極集電体を互いに接続するようにした蓄電デバイスが提案されている(例えば、特許文献１参照)。また、１つの集電体に対して活性炭等を含む合材とコバルト酸リチウム等を含む合材とを二層塗工するようにした蓄電デバイス(例えば、特許文献２および３参照)や、１つの集電体に対して活性炭とコバルト酸リチウムとを混合した合材を塗工するようにした蓄電デバイスが提案されている(例えば、特許文献４参照)。
【特許文献１】特開２００１−３５１６８８号公報
【特許文献２】特開２０００−３６３２５号公報
【特許文献３】特開２００５−２０３１３１号公報
【特許文献４】国際公開第０２／４１４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された蓄電デバイスについては、互いに接続された電極間に生じる電位のずれを解消することが困難であることから、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタの過放電や過充電を招いてしまうおそれがある。このような過放電状態や過充電状態を発生させることは蓄電デバイスの耐久性を低下させる要因となっていた。また、特許文献２〜４に記載された蓄電デバイスについては、活性炭とコバルト酸リチウムとを混合したり二層塗工したりする構造であるため、内部抵抗を十分に低下させて出力密度を確保することが困難となっていた。さらに、活性炭にコバルト酸リチウム等が接した構造であるため、劣化したコバルト酸リチウムの影響が活性炭に対しても及ぶことになり、蓄電デバイスの耐久性を低下させる要因となっていた。
【０００７】
本発明の目的は、蓄電デバイスの耐久性を損なうことなく、蓄電デバイスのエネルギー密度および出力密度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の蓄電デバイスは、集電体と正極合材層とを備える正極によって構成される正極系と、集電体と負極合材層とを備える負極によって構成される負極系とを有する蓄電デバイスであって、前記負極系は、互いに電気的に接続されるとともにそれぞれに異なる材料を用いて形成される第１負極合材層と第２負極合材層とを備え、前記第１負極合材層と前記第２負極合材層との間に配置される前記集電体に、前記第１負極合材層と前記第２負極合材層との間でイオンを移動させる貫通孔が形成され、前記第１負極合材層に、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子／炭素原子の原子数比が０．０５以上、０．５０以下であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体、黒鉛、または難黒鉛化性炭素が負極活物質として含まれ、前記第２負極合材層に、前記負極活物質のうち前記第１負極合材層内の負極活物質と異なる負極活物質が含まれることを特徴とする。
【００１２】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極系は前記正極を挟んで配置される第１負極と第２負極とを備え、前記第１負極が備える前記第１負極合材層と前記第２負極が備える前記第２負極合材層との間に配置される前記正極の集電体に前記貫通孔が形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の蓄電デバイスは、前記正極系は前記負極を挟んで配置される第１正極と第２正極とを備え、一方面に前記第１負極合材層を備えるとともに他方面に前記第２負極合材層を備える前記負極の集電体に前記貫通孔が形成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の蓄電デバイスは、前記負極と前記正極との少なくともいずれか一方に短絡するリチウムイオン供給源を有し、前記負極と前記正極との少なくともいずれか一方に前記リチウムイオン供給源からリチウムイオンをドーピングさせることを特徴とする。
【００１５】
本発明の蓄電デバイスは、デバイス構造は、前記正極と前記負極とが交互に積層される積層型、または前記正極と前記負極とが重ねて捲かれる捲回型であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の蓄電デバイスは、前記正極合材層に活性炭が含まれることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、種類の異なる第１負極合材層と第２負極合材層とを組み合わせて使用するようにしたので、蓄電デバイスのエネルギー密度と出力密度とを向上させることが可能となる。しかも、第１負極合材層と第２負極合材層との間に配置される集電体に貫通孔を形成するようにしたので、第１負極合材層と第２負極合材層との間でイオンを移動させることが可能となる。これにより、種類の異なる第１負極合材層と第２負極合材層とを組み合わせた場合であっても、第１負極合材層と第２負極合材層とに生じる電位のバラツキを解消することが可能となり、蓄電デバイスの耐久性を確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す断面図である。図１に示すように、蓄電デバイス１０の外装容器を構成するラミネートフィルム１１の内側には電極積層ユニット１２が配置されており、この電極積層ユニット１２は１つの正極１３からなる正極系と２つの負極１４，１５からなる負極系とによって構成されている。また、熱融着等によって封止されるラミネートフィルム１１内には、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒からなる電解液が注入されている。
【００１９】
電極積層ユニット１２の中央に配置される正極１３は、多数の貫通孔１６ａを備える正極集電体(集電体)１６と、この正極集電体１６の両面に設けられる正極合材層１７とを備えている。また、正極１３を挟むようにセパレータ１８を介して第１負極１４と第２負極１５とが配置されており、一方の負極１４は負極集電体１９と第１負極合材層２０とを備え、他方の負極１５は負極集電体(集電体)２１と第２負極合材層２２とを備えている。さらに、正極集電体１６には正極端子２３が接続されており、互いに接続される一対の負極集電体１９，２１には負極端子２４が接続されている。つまり、図示する蓄電デバイス１０は、正極合材層１７とこれに対向する負極合材層２０とによって構成される蓄電要素と、正極合材層１７とこれに対向する負極合材層２０とによって構成される蓄電要素とが並列に接続された状態となっている。なお、正極端子２３および負極端子２４には、蓄電デバイス１０を充電状態と放電状態とに制御する充放電試験器２５が接続されている。
【００２０】
正極１３の正極合材層１７には、リチウムイオンを可逆的にドーピング・脱ドーピング(以下、ドープ・脱ドープという)することが可能な正極活物質として活性炭が含有されている。また、負極１４の負極合材層２０には、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープすることが可能な負極活物質として難黒鉛化性炭素であるハードカーボンが含有されており、負極１５の負極合材層２２には、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープすることが可能な負極活物質としてポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)が含有されている。負極合材層２０に含まれるハードカーボンは、低電位で高い静電容量を持つという高容量特性を有しており、負極合材層２２に含まれるＰＡＳは、低抵抗であってリチウムイオン吸蔵能力が高いという高出力特性を有している。また、図示する負極１４，１５には、金属リチウム等のリチウムイオン供給源からリチウムイオンが予めドープされており、負極電位を低下させて蓄電デバイス１０のエネルギー密度を向上させるようにしている。さらに、負極１４，１５の電極面は正極１３の電極面よりも大きく形成されており、負極１４，１５に対する金属リチウムの析出が防止されるようになっている。
【００２１】
なお、本発明において、ドーピング(ドープ)とは、吸蔵、担持、吸着、挿入等を意味しており、正極活物質や負極活物質に対してリチウムイオンやアニオン等が入る状態を意味している。また、脱ドーピング(脱ドープ)とは、放出、脱離等を意味しており、正極活物質や負極活物質からリチウムイオンやアニオン等が出る状態を意味している。
【００２２】
続いて、前述した構造を有する蓄電デバイス１０の充放電動作について説明する。図２〜図５は蓄電デバイス１０の充放電動作を示す説明図である。まず、図２に示すように、充放電試験器２５を作動させて蓄電デバイス１０を充電することにより、正極１３の正極合材層１７に対してアニオンがドープされた状態となり、負極１４，１５の負極合材層２０，２２に対してリチウムイオンがドープされた状態となる。ここで、ＰＡＳはハードカーボンよりも抵抗が低いことから、負極合材層２０よりも負極合材層２２に電子が移動し易い状態となっており、充電時には負極合材層２０よりも負極合材層２２から大きな電流が流れることになる。そして、図３に示すように、負極合材層２０と負極合材層２２とが電気的に接続されるとともに、負極合材層２０と負極合材層２２との間に配置される正極集電体１６に対して多数の貫通孔１６ａが形成されることから、充電後には負極合材層２２から負極合材層２０に対してリチウムイオン(イオン)が移動するようになっている。
【００２３】
つまり、充電時には負極合材層２２に対して多くのリチウムイオンがドープされた状態となり、一時的に負極合材層２２の電位が負極合材層２０の電位を下回ることになるが、負極合材層２０，２２が互いに接続されるとともに正極集電体１６に貫通孔１６ａが形成されることから、平衡電位に到達するまで負極合材層２２から負極合材層２０に対して徐々にリチウムイオンが移動することになる。これにより、充電時には、低抵抗のＰＡＳを含有する負極合材層２２に対して多くのリチウムイオンを一時的にドープさせ、その後に負極合材層２２から負極合材層２０にリチウムイオンを移動させることができるため、ＰＡＳよりも高抵抗のハードカーボンを含有する負極合材層２０に対して過大な負荷をかけずに、大きな電流で蓄電デバイスを充電することが可能となる。特に、内部抵抗が高くなる極低温状態において大電流充電を行う場合であっても、負極合材層２０に対して過大な負荷をかけることがないため、負極合材層２０に対する金属リチウムの析出を防止することが可能となり、蓄電デバイス１０の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２４】
続いて、図４に示すように、充放電試験器２５を作動させて蓄電デバイス１０を放電させることにより、正極１３の正極合材層１７からアニオンが脱ドープされた状態となり、負極１４，１５の負極合材層２０，２２からリチウムイオンが脱ドープされた状態となる。ここで、ＰＡＳはハードカーボンよりも抵抗が低いことから、負極合材層２０よりも負極合材層２２から電子が移動し易い状態となっており、放電時には負極合材層２０よりも負極合材層２２に大きな電流が流れることになる。そして、前述したように、負極合材層２０，２２が互いに接続されるとともに正極集電体１６に貫通孔１６ａが形成されることから、図５に示すように、放電後には負極合材層２０から負極合材層２２に対してリチウムイオンが移動することになる。
【００２５】
つまり、放電時には負極合材層２２から多くのリチウムイオンが脱ドープされた状態となり、一時的に負極合材層２２の電位が負極合材層２０の電位を上回ることになるが、負極合材層２０，２２が互いに接続されるとともに正極集電体１６に貫通孔１６ａが形成されることから、平衡電位に到達するまで負極合材層２０から負極合材層２２に対して徐々にリチウムイオンが移動することになる。これにより、放電時には、低抵抗のＰＡＳを含有する負極合材層２２から多くのリチウムイオンを一時的に脱ドープさせ、その後に負極合材層２０から負極合材層２２にリチウムイオンを移動させることができるため、蓄電デバイス１０の出力密度とエネルギー密度とを共に向上させることが可能となる。なお、図２〜図５はイメージ図であり、アニオンとリチウムイオンの個数およびバランスは考慮していない。
【００２６】
ここで、図６(Ａ)〜(Ｃ)は充電時の負極間におけるエネルギー移動状況を示すイメージ図であり、図７(Ａ)〜(Ｃ)は放電時の負極間におけるエネルギー移動状況を示すイメージ図である。なお、図６および図７においては、電位変化を横方向の長さで示しており、エネルギー量を面積で示している。まず、図６(Ａ)および(Ｂ)に示すように、充電時には、ＰＡＳを含有する負極合材層２２に大電流でエネルギーが蓄えられるとともに、ハードカーボンを含有する負極合材層２０に小電流でエネルギーが蓄えられる。そして、図６(Ｃ)に示すように、充電後には、平衡電位に達するまで負極合材層２２から負極合材層２０にゆっくりとエネルギーが移動することになる。このように、負極合材層２２の高出力特性を活かして大電流充電が可能となるとともに、この負極合材層２２から負極合材層２０に対してエネルギーを移動させることができるため、一時的に低下した負極合材層２２の電位を回復させることが可能となる。これにより、金属リチウムの析出しにくい構造のＰＡＳに一旦大きなエネルギーを蓄え、その後ゆっくりとハードカーボンへとエネルギーを移動させることが可能となる。したがって、金属リチウムの析出しやすいハードカーボンにも金属リチウムを析出させないようした上で、蓄電デバイス１０の高出力化と高容量化とを達成することが可能となる。つまり、大電流充電を行った場合であっても、負極合材層２０に過大な負荷をかけることがなく、金属リチウムの析出を防止することが可能となる。
【００２７】
また、図７(Ａ)および(Ｂ)に示すように、放電時には、ＰＡＳを含有する負極合材層２２から大電流でエネルギーが放出されるとともに、ハードカーボンを含有する負極合材層２０から小電流でエネルギーが放出される。そして、図７(Ｃ)に示すように、放電後には、平衡電位に達するまで負極合材層２０から負極合材層２２にエネルギーが移動することになる。このように、負極合材層２２の高出力特性を活かして大電流放電が可能となるとともに、この負極合材層２２に対して負極合材層２０からエネルギーを補充することができるため、一時的に上昇した負極合材層２２の電位を回復させることが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の高出力化と高容量化とを達成することが可能となる。
【００２８】
これまで説明したように、本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０にあっては、それぞれに異なった充放電特性を備える負極合材層２０および負極合材層２２、つまり種類の異なる負極合材層２０と負極合材層２２とを互いに接続するとともに、負極合材層２０と負極合材層２２との間に配置される正極集電体１６に貫通孔１６ａを形成するようにしたので、充放電特性の相違から負極合材層２０と負極合材層２２とに電位差が発生した場合であっても、負極合材層２０と負極合材層２２との間でリチウムイオンを移動させて電位差を解消することが可能となる。これにより、負極合材層２０と負極合材層２２とに大きな負担をかけることなく、負極合材層２０と負極合材層２２との充放電特性を組み合わせて活用することができ、蓄電デバイス１０の耐久性を確保しながら、蓄電デバイス１０の出力密度とエネルギー密度とを向上させることが可能となる。さらに、種類の異なる負極合材層２０と負極合材層２２とを直に接触させない構造であるため、一方の負極活物質に劣化が生じたとしても、この劣化が他方の負極活物質に影響を及ぼすことがなく、蓄電デバイス１０の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２９】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図８は本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス３０の内部構造を概略的に示す断面図である。なお、図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図８に示すように、蓄電デバイス３０の外装容器を構成するラミネートフィルム１１の内側には電極積層ユニット３１が配置されており、この電極積層ユニット３１は２つの正極３２，３３からなる正極系と１つの負極３４からなる負極系とによって構成されている。
【００３０】
電極積層ユニット３１の中央に配置される負極３４は、多数の貫通孔３５ａを備える負極集電体(集電体)３５と、負極集電体３５の一方面に設けられる第１負極合材層２０と、負極集電体３５の他方面に設けられる第２負極合材層２２とを備えている。また、負極３４を挟むようにセパレータ１８を介して第１正極３２と第２正極３３とが配置されており、それぞれの正極３２，３３は正極集電体(集電体)３６と正極合材層１７とを備えている。前述した蓄電デバイス１０と同様に、正極合材層１７には正極活物質として活性炭が含有され、負極合材層２０には負極活物質としてハードカーボンが含有され、負極合材層２２には負極活物質としてＰＡＳが含有されている。さらに、負極合材層２０と負極合材層２２とを互いに接続する負極集電体３５には負極端子２４が接続され、互いに接続される一対の正極集電体３６には正極端子２３が接続されている。つまり、図示する蓄電デバイス３０は、正極合材層１７とこれに対向する負極合材層２０とによって構成される蓄電要素と、正極合材層１７とこれに対向する負極合材層２２とによって構成される蓄電要素とが並列に接続された状態となっている。
【００３１】
このように、種類の異なる負極合材層２０と負極合材層２２とを互いに電気的に接続するとともに、負極合材層２０と負極合材層２２との間に配置される負極集電体３５に多数の貫通孔３５ａを形成することにより、前述した蓄電デバイス１０と同様に、負極合材層２０と負極合材層２２との間でリチウムイオンを移動させることができ、蓄電デバイス３０の耐久性を確保しながら蓄電デバイス３０の出力密度とエネルギー密度とを向上させることが可能となる。しかも、負極合材層２０と負極合材層２２とが負極集電体３５を介して隣接する構造であるため、負極合材層２０と負極合材層２２との間でリチウムイオンを素早く移動させることが可能となる。
【００３２】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図９は本発明の他の実施の形態である積層型の蓄電デバイス４０の内部構造を概略的に示す断面図である。なお、図１および図８に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図９に示すように、蓄電デバイス４０の外装容器を構成するラミネートフィルム４１の内側には電極積層ユニット４２が配置されており、この電極積層ユニット４２は６つの正極４３からなる正極系と７つの負極４４〜４６からなる負極系とによって構成されている。正極系は、多数の貫通孔１６ａを備える正極集電体１６とこれの両面に塗工される正極合材層１７とによって構成される正極４３を有している。また、負極系は、多数の貫通孔３５ａを備える負極集電体３５とこれの両面あるいは片面に塗工される負極合材層２０とによって構成される第１負極４４，４５と、多数の貫通孔３５ａを備える負極集電体３５とこれの両面に塗工される負極合材層２２とによって構成される第２負極４６とを有している。これらの正極４３と負極４４〜４６とはセパレータ１８を介して交互に積層されており、この蓄電デバイス４０は積層型のデバイス構造となっている。前述した蓄電デバイス１０と同様に、正極合材層１７には正極活物質として活性炭が含有され、負極合材層２０には負極活物質としてハードカーボンが含有され、負極合材層２２には負極活物質としてＰＡＳが含有されている。また、互いに接続される複数の正極集電体１６には正極端子２３が接続され、互いに接続される複数の負極集電体３５には負極端子２４が接続されている。
【００３４】
また、電極積層ユニット４２の最外部には、負極４６に対向してリチウムイオン供給源４７が設けられている。このリチウムイオン供給源４７は、ステンレスメッシュ等の導電性多孔体からなるリチウム極集電体４７ａと、これに貼り付けられた金属リチウム４７ｂとによって構成されている。さらに、負極集電体３５とリチウム極集電体４７ａとは導線４８を介して短絡されており、ラミネートフィルム１１内に電解液を注入することによって、金属リチウム４７ｂからリチウムイオンを溶出させて負極合材層２０，２２にドープすることが可能となる。このように、負極合材層２０，２２に対してリチウムイオンをドープすることにより、負極電位を低下させて蓄電デバイス１０の高容量化を図ることが可能となっている。
【００３５】
なお、正極集電体１６や負極集電体３５には多数の貫通孔１６ａ，３５ａが形成されており、この貫通孔１６ａ，３５ａを介してリチウムイオンは各極間を自在に移動することができるため、積層される全ての負極合材層２０，２２に対して満遍なくリチウムイオンをドープすることが可能となる。また、金属リチウム４７ｂに代えて、リチウム−アルミニウム合金のように、リチウムイオンを供給することが可能な合金等を用いるようにしても良い。さらに、リチウムイオン供給源４７と正極４３とを短絡させることにより、正極４３に対してリチウムイオンをドープするようにしても良い。
【００３６】
このように、種類の異なる負極合材層２０，２２を電気的に接続するとともに、負極合材層２０と負極合材層２２との間に配置される正極集電体１６や負極集電体３５に多数の貫通孔１６ａ，３５ａを形成するようにしたので、前述した蓄電デバイス１０と同様に、負極合材層２０と負極合材層２２との間でリチウムイオンを移動させることができ、蓄電デバイス４０の耐久性を確保しながら蓄電デバイス４０の出力密度とエネルギー密度とを向上させることが可能となる。また、積層型のデバイス構造を採用することにより、数種類の電極の組み合わせが容易となり、蓄電デバイス４０の製造が簡便となる。なお、図示する場合には、ハードカーボンを含有する負極４４，４５とＰＡＳを含有する負極４６とを交互に積層して負極系を構成しているが、これに限られることはなく、それぞれの負極４４〜４６をまとめて配置するようにしても良い。
【００３７】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。図１０は本発明の他の実施の形態である捲回型の蓄電デバイス５０の内部構造を概略的に示す断面図である。図１０に示すように、蓄電デバイス５０の外装容器を構成する金属缶５１の内側には電極捲回ユニット５２が配置されており、この電極捲回ユニット５２は１つの正極５３からなる正極系と２つの負極５４，５５からなる負極系とによって構成されている。電極捲回ユニット５２の中心に設けられる正極５３は、多数の貫通孔５６ａを備える正極集電体(集電体)５６と、正極集電体５６の両面に塗工される正極合材層５７とを備えている。また、正極５３を挟むようにセパレータ５８を介して第１負極５４と第２負極５５とが配置されており、第１負極５４は負極集電体(集電体)５９とこれに塗工される第１負極合材層６０とを備え、第２負極５５は負極集電体５９とこれに塗工される第２負極合材層６１とを備えている。前述した蓄電デバイス１０と同様に、正極合材層５７には正極活物質として活性炭が含有され、負極合材層６０には負極活物質としてハードカーボンが含有され、負極合材層６１には負極活物質としてＰＡＳが含有されている。また、正極集電体５６には正極端子６２が接続され、負極合材層６０，６１を互いに接続する一対の負極集電体５９には負極端子６３が接続されている。なお、負極集電体５９に隣接しているセパレータ５８は省くことも可能である。
【００３８】
このように、種類の異なる負極合材層６０，６１を電気的に接続するとともに、負極合材層６０と負極合材層６１との間に配置される正極集電体５６に多数の貫通孔５６ａを形成することにより、前述した蓄電デバイス１０と同様に、負極合材層６０と負極合材層６１との間でリチウムイオンを移動させることができ、蓄電デバイス５０の耐久性を確保しながら蓄電デバイス５０の出力密度とエネルギー密度とを向上させることが可能となる。また、捲回型のデバイス構造を採用することにより、組立工程が簡便となり、蓄電デバイス５０を安価に生産することが可能となる。
【００３９】
以下、前述した各蓄電デバイス１０，３０，４０，５０の構成要素について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］負極、［Ｂ］正極、［Ｃ］負極集電体および正極集電体、［Ｄ］セパレータ、［Ｅ］電解液、［Ｆ］外装容器。
【００４０】
［Ａ］負極
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有しており、負極合材層には負極活物質が含有されている。この負極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはなく、例えばグラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を挙げることができる。そして、グラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等から、負極合材層を構成する負極活物質を適宜選択することにより、充放電特性の異なる第１負極合材層と第２負極合材層とが形成されている。
【００４１】
蓄電デバイスの高容量化を図る観点からは、負極活物質としてグラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)を採用することが好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)が０．０５以上、０．５０以下であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)も、高容量化を図るための負極活物質として好適である。このＰＡＳのＨ／Ｃは０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがあるからであり、ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがあるからである。
【００４２】
前述したハードカーボンやＰＡＳ等の負極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この負極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、負極活物質を含有するスラリーを負極集電体に塗工して乾燥させることにより、負極集電体上に負極合材層が形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)等のゴム系バインダーを用いることができ、これらの中でもフッ素系バインダーを用いることが好ましい。このフッ素系バインダーとしては、例えばポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、エチレン−４フッ化エチレン共重合体、プロピレン−４フッ化エチレン共重合体等が挙げられる。また、負極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
【００４３】
［Ｂ］正極
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有しており、正極合材層には正極活物質が含有されている。正極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはなく、例えば活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を挙げることができる。
【００４４】
前述した正極合材層に正極活物質として含まれる活性炭は、アルカリ賦活処理され、かつ比表面積６００ｍ２／ｇ以上を有する活性炭粒子から形成される。活性炭の原料としては、フェノール樹脂、石油ピッチ、石油コークス、ヤシガラ、石炭系コークス等が使用されるが、フェノール樹脂、石炭系コークスが比表面積を高くできるという理由から好適である。これらの活性炭のアルカリ賦活処理に使用されるアルカリ活性化剤は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属イオンの塩類または水酸化物が好ましく、なかでも、水酸化カリウムが好適である。アルカリ賦活の方法は、例えば、炭化物と活性剤を混合した後、不活性ガス気流中で加熱することにより行う方法、活性炭の原材料に予め活性化剤を担持させた後加熱して、炭化および賦活の工程を行う方法、炭化物を水蒸気などのガス賦活法で賦活した後、アルカリ活性化剤で表面処理する方法が挙げられる。このようなアルカリ賦活処理が施された活性炭は、ボールミル等の既知の粉砕機を用いて粉砕される。活性炭の粒度としては、一般的に使用される広い範囲のものを使用することが可能であるが、例えば、５０％体積累積径が２μｍ以上であり、好ましくは２〜５０μｍ、特に２〜２０μｍが最も好ましい。また、平均細孔径が好ましくは１０ｎｍ以下であり、比表面積が好ましくは６００〜３０００ｍ２／ｇである活性炭が好適である。なかでも、８００ｍ２／ｇ以上、特に１３００〜２５００ｍ２／ｇであるのが好適である。
【００４５】
また、前述した正極合材層に正極活物質としてコバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２)を含有させるようにしても良く、この他にも、ＬｉＸＣｏＯ２、ＬｉＸＮｉＯ２、ＬｉＸＭｎＯ２、ＬｉＸＦｅＯ２等のＬｉＸＭＹＯＺ(ｘ，ｙ，ｚは正の数、Ｍは金属、２種以上の金属でもよい)の一般式で表されうるリチウム含有金属酸化物、あるいはコバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニッケル等の遷移金属酸化物または硫化物を含有させることも可能である。特に、高電圧を求める場合には、金属リチウムに対して４Ｖ以上の電位を有するリチウム含有酸化物を用いることが好ましく、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、あるいはリチウム含有コバルト−ニッケル複合酸化物が特に好適である。
【００４６】
活性炭やコバルト酸リチウム等の正極活物質は粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、この正極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、正極活物質を含有するスラリーを正極集電体に塗工して乾燥させることにより、正極集電体上に正極合材層が形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダーやポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
【００４７】
［Ｃ］負極集電体および正極集電体
負極集電体および正極集電体としては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適であり、例えばエキスパンドメタル、パンチングメタル、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはなく、アニオンおよび／またはリチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、負極集電体および正極集電体の材質としては、一般に有機電解質電池に提案されている種々の材質を用いることが可能である。例えば、負極集電体の材質として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができ、正極集電体の材質として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。
【００４８】
なお、図１に示す蓄電デバイス１０にあっては、負極合材層２０と負極合材層２２との間に負極集電体１９，２１が配置されていない構造であるため、この負極集電体１９，２１に対して貫通孔を形成せずに使用することが可能である。また、図７に示す蓄電デバイス３０にあっては、負極合材層２０と負極合材層２２との間に正極集電体３６が配置されていない構造であるため、この正極集電体３６に対して貫通孔を形成せずに使用することが可能である。
【００４９】
［Ｄ］セパレータ
セパレータとしては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましいが、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００５０】
［Ｅ］電解液
電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えば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、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／ｌ以上とすることが好ましく、０．５〜１．５モル／ｌの範囲内とすることが更に好ましい。
【００５１】
［Ｆ］外装容器
外装容器としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができ、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良く、フィルム材料等を使用しても良い。また、外装容器の形状についても特に限定されることはなく、円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能であるが、蓄電デバイスの小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルムを用いたフィルム型の外装容器を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルムが用いられている。
【００５２】
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００５３】
(実施例１)
［負極１の製造］
フラン樹脂の原料であるフルフリルアルコールを６０℃で２４時間保持することにより、フルフリルアルコールを硬化させて黒色樹脂を得た。得られた黒色樹脂を静置式電気炉内に入れ、窒素雰囲気下にて１２００℃まで３時間で昇温し、その到達温度にて２時間保持した。放冷冷却後に取り出した試料をボールミルにて粉砕することにより、試料１として難黒鉛化性炭素粉末(Ｄ５０％＝５．０μｍ，水素原子／炭素原子＝０．００８)を得た。
【００５４】
次に、上記試料１を８６重量部、アセチレンブラック粉体６重量部、アクリル系樹脂バインダー５重量部、カルボキシメチルセルロース３重量部、水２００重量部の組成にて充分混合することにより負極用スラリー１を得た。この負極用スラリー１を厚さ３２μｍ(気孔率５０％)の銅製エキスパンドメタルの両面にダイコーターにて均等に塗工し、乾燥、プレス後、厚み７０μｍの負極１を得た。
【００５５】
［負極２の製造］
厚さ０．５ｍｍのフェノール樹脂成形板をシリコニット電気炉中に入れ、窒素雰囲気下のもとで５０℃／時間の速度で５００℃まで昇温した後、更に１０℃／時間の速度で７００℃まで昇温して熱処理し、ＰＡＳを合成した。このように得られたＰＡＳ板をディスクミルで粉砕することによりＰＡＳ粉体を得た。このＰＡＳ粉体のＨ／Ｃ比は０．１７であった。
【００５６】
次に、上記ＰＡＳ粉体を８６重量部、アセチレンブラック粉体６重量部、アクリル系樹脂バインダー５重量部、カルボキシメチルセルロース３重量部、水２００重量部の組成にて充分混合することにより負極用スラリー２を得た。この負極用スラリー２を厚さ３２μｍ(気孔率５０％)の銅製エキスパンドメタルの両面にダイコーターにて均等に塗工し、乾燥、プレス後、厚み８６μｍの負極２を得た。
【００５７】
［正極１の製造］
比表面積２０００ｍ２／ｇの市販活性炭粉末８５重量部、アセチレンブラック粉体５重量部、アクリル系樹脂バインダー６重量部、カルボキシメチルセルロース４重量部、水２００重量部の組成にて充分混合することにより正極用スラリーを得た。
【００５８】
厚さ３５μｍ(気孔率５０％)のアルミニウム製エキスパンドメタルの両面に、非水系のカーボン系導電塗料をスプレー方式にてコーティングして乾燥させることにより、導電層が形成された正極集電体を得た。この正極集電体の全体の厚さ(基材厚さと導電層厚さの合計)は５２μｍであり、正極集電体の貫通孔は導電塗料によってほぼ閉塞された。そして、正極用スラリーをロールコーターにて上記正極集電体の両面に均等に塗工し、乾燥、プレス後、厚み寸法が１２９μｍとなる正極１を得た。正極１に形成される正極合材層の厚みは７７μｍであり、正極活物質の目付量は３．５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００５９】
［電極積層ユニット１の作製］
負極１を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に６枚カットし、負極２を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に６枚カットし、正極１を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(端子溶接部を除く)に１１枚カットした。そして、厚さ３５μｍのセルロース／レーヨン混合不織布からなるセパレータを介して、正極集電体および負極集電体の端子溶接部がそれぞれ反対側になるよう配置し、正極と負極とを交互に積層した。なお、電極積層ユニット１の最外部には負極が配置されるようになっている。続いて、最上部および最下部にセパレータを配置して４辺をテープ留めした後に、正極集電体の端子溶接部(１１枚)をアルミニウム製の正極端子(幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)に超音波溶接し、負極集電体の端子溶接部(１２枚)を銅製の負極端子(幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)に超音波溶接して電極積層ユニット１を作製した。
【００６０】
［セル１の作製］
リチウム極として厚さ８０μｍのステンレス網に金属リチウム箔を圧着したものを用い、このリチウム極を最外部の負極と完全に対向するように電極積層ユニット１の上部に１枚配置して三極積層ユニットを作製した。なお、リチウム極集電体であるステンレス網の端子溶接部は負極端子の溶接部に抵抗溶接した。
【００６１】
上記三極積層ユニットを３．５ｍｍに深絞り加工を施したラミネートフィルムの内部へ設置し、開口部を他方のラミネートフィルムで覆って三辺を融着した。そして、ラミネートフィルム内に電解液(プロピレンカーボネートにＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解した溶液)を真空含浸させた後に、開口していたラミネートフィルムの残り一辺を融着した。
【００６２】
これにより、負極合材層に難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)が含まれる負極１と、負極合材層にＰＡＳが含まれる負極２とを備え、負極１，２の負極合材層間に貫通孔を備える集電体(エキスパンドメタル)が配置されたセル１を４セル組み立てた。なお、セル１内に配置された金属リチウムは負極活物質重量当たり５５０ｍＡｈ／ｇ相当である。
【００６３】
［セル１の初期評価］
組み立てたセル１を２０日間に渡って放置した後に、セル１の１つを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに５５０ｍＡｈ／ｇのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。
【００６４】
［セル１の特性評価］
セル１を、５０００ｍＡの定電流でセル電圧が３．８Ｖになるまで充電し、その後３．８Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を３０分間行った。次いで、５００ｍＡの定電流でセル電圧が２．２Ｖになるまで放電した。この３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル１を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を１０００回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での１０００サイクル後における容量保持率とともに表１に示す。ただし、表１に示すデータは３セルの平均値である。
【００６５】
【表１】
0005214199.tif 000002
【００６６】
(比較例１)
［電極積層ユニット２の作製］
負極１を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に１２枚カットし、正極１を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(端子溶接部を除く)に１１枚カットした。そして、負極合材層にハードカーボンが含まれる負極１だけを負極として用いること以外は、実施例１と同様に電極積層ユニット２を作製した。
【００６７】
［セル２の作製］
電極積層ユニット２を用い、実施例１と同様の方法によってセル２を４セル組み立てた。なお、セル２内に配置された金属リチウムは負極活物質重量当たり５００ｍＡｈ／ｇ相当である。
【００６８】
［セル２の初期評価］
組み立てたセル２を２０日間に渡って放置した後に、セル２の１つを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに５００ｍＡｈ／ｇのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。
【００６９】
［セル２の特性評価］
セル２を、５０００ｍＡの定電流でセル電圧が３．８Ｖになるまで充電し、その後３．８Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を３０分間行った。次いで、５００ｍＡの定電流でセル電圧が２．２Ｖになるまで放電した。この３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル２を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を１０００回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での１０００サイクル後における容量保持率とともに表２に示す。ただし、表２に示すデータは３セルの平均値である。
【００７０】
【表２】
0005214199.tif 000003
【００７１】
(比較例２)
［電極積層ユニット３の作製］
負極２を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に１２枚カットし、正極１を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(端子溶接部を除く)に１１枚カットした。そして、負極合材層にＰＡＳが含まれる負極２だけを負極として用いること以外は、実施例１と同様に電極積層ユニット３を作製した。
【００７２】
［セル３の作製］
電極積層ユニット３を用い、実施例１と同様の方法によってセル３を４セル組み立てた。なお、セル３内に配置された金属リチウムは負極活物質重量当たり６００ｍＡｈ／ｇ相当である。
【００７３】
［セル３の初期評価］
組み立てたセル３を２０日間に渡って放置した後に、セル３の１つを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに６００ｍＡｈ／ｇのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。
【００７４】
［セル３の特性評価］
セル３を、５０００ｍＡの定電流でセル電圧が３．８Ｖになるまで充電し、その後３．８Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を３０分間行った。次いで、５００ｍＡの定電流でセル電圧が２．２Ｖになるまで放電した。この３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル３を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を１０００回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での１０００サイクル後における容量保持率とともに表３に示す。ただし、表３に示すデータは３セルの平均値である。
【００７５】
【表３】
0005214199.tif 000004
【００７６】
(実施例１、比較例１および比較例２についての検討)
表１〜３に示すように、実施例１のセル１は、静電容量の高いハードカーボンを含む負極１と、抵抗の低いＰＡＳを含む負極２とを備えることから、高いエネルギー密度と高い容量保持率とを有することが確認された。また、比較例１のセル２は、静電容量の高いハードカーボンを含む負極１だけを負極として備えることから高いエネルギー密度を有するものの、後述する金属リチウムの析出から容量保持率が低くなることが確認された。さらに、比較例２のセル３は、抵抗の低いＰＡＳを含む負極２だけを負極として備えることから高い容量保持率を有するものの、ＰＡＳの静電容量や電極密度がハードカーボンよりも低いことからエネルギー密度が低くなることが確認された。
【００７７】
また、−２０℃の低温環境下で１０００回の充放電試験を行ったセル１〜３を分解したところ、実施例１のセル１については、ハードカーボンを含む負極１とＰＡＳを含む負極２とに対する金属リチウムの析出は認められず、比較例２のセル３についても、ＰＡＳを含む負極２に対する金属リチウムの析出は認められなかった。これに対し、比較例１のセル２については、ハードカーボンを含む負極１に対する金属リチウムの析出が認められた。金属リチウムの析出は、ＰＡＳよりもハードカーボンの抵抗が高く、リチウムイオンの吸蔵許容量が少ないことに由来するものであるが、実施例１のセル１を充電する際には、低抵抗のＰＡＳを含む負極２に対してリチウムイオンが多く移動した後に、このリチウムイオンが集電体の貫通孔を通って負極２から負極１にゆっくりと移動するため、ハードカーボンを含む負極１に対する負荷が低減されて金属リチウムが析出しなかったと考えられる。
【００７８】
(実施例２)
［負極３の製造］
実施例１で用いた負極用スラリー１をロールコーターにて負極集電体の一方面に塗工し、乾燥、プレス後、厚みが４３μｍとなる負極を得た。この負極の負極集電体の他方面に実施例１で用いた負極用スラリー２をロールコーターにて塗工し、乾燥、プレス後、厚みが７８μｍとなる負極３を得た。すなわち、負極集電体の一方面にはハードカーボンを含んだ負極合材層が形成され、負極集電体の他方面にはＰＡＳを含んだ負極合材層が形成されている。また、負極活物質の目付量は両面とも各２．０ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００７９】
［電極積層ユニット４の作製］
負極３を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に１２枚カットし、正極１を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(端子溶接部を除く)に１１枚カットした。そして、ハードカーボンを含む負極合材層とＰＡＳを含む負極合材層とを備える負極３だけを負極として用いること以外は、実施例１と同様に電極積層ユニット４を作製した。
【００８０】
［セル４の作製］
電極積層ユニット４を用い、実施例１と同様の方法によってセル４を４セル組み立てた。なお、セル４内に配置された金属リチウムは負極活物質重量当たり５５０ｍＡｈ／ｇ相当である。
【００８１】
［セル４の初期評価］
組み立てたセル４を２０日間に渡って放置した後に、セル４の１つを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていたことから、負極活物質の単位重量当たりに５５０ｍＡｈ／ｇのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。
【００８２】
［セル４の特性評価］
セル４を、５０００ｍＡの定電流でセル電圧が３．８Ｖになるまで充電し、その後３．８Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を３０分間行った。次いで、５００ｍＡの定電流でセル電圧が２．２Ｖになるまで放電した。この３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル４を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の３．８Ｖ−２．２Ｖのサイクル試験を１０００回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での１０００サイクル後における容量保持率とともに表４に示す。ただし、表４に示すデータは３セルの平均値である。
【００８３】
【表４】
0005214199.tif 000005
【００８４】
(実施例２についての検討)
実施例１のセル１と同様に、実施例２のセル４についても、一方面に静電容量の高いハードカーボンを含む負極合材層が形成され、他方面に抵抗の低いＰＡＳを含む負極合材層が形成される負極３を備えることから、高いエネルギー密度と高い容量保持率とを有することが確認された。また、−２０℃の低温環境下で１０００回の充放電試験を行ったセル４を分解したところ、抵抗の高いハードカーボンを含む負極３に対する金属リチウムの析出は認められなかった。前述した実施例１のセル１と同様に、実施例２のセル４を充電する際には、低抵抗のＰＡＳを含む負極合材層に対してリチウムイオンが多く移動した後に、このリチウムイオンが集電体の貫通孔を通ってハードカーボンを含む負極合材層にゆっくりと移動することから、ハードカーボンを含む負極合材層に対する負荷が低減されて金属リチウムが析出しなかったと考えられる。さらに、容量保持率が実施例１よりも高くなっているが、これは２種類の負極合材層が集電体の表裏に塗工されており、リチウムイオンの移動速度が実施例１よりも速いためと推測できる。
【００８５】
(実施例３)
［正極２の製造］
市販のＬｉＣｏＯ２粉末９２重量部、黒鉛粉末４．５重量部、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶｄＦ)粉末３．５重量部を混合し、Ｎメチルピロリドンを加えて充分に撹拌、脱泡することにより正極用スラリー２を得た。この正極用スラリー２をロールコーターにて正極集電体の両面に均等に塗工し、乾燥、プレス後、厚み寸法が１６９μｍとなる正極２を得た。
【００８６】
［電極積層ユニット５の作製］
負極１を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に６枚カットし、負極２を６．０ｃｍ×７．５ｃｍ(端子溶接部を除く)に６枚カットし、正極２を５．８ｃｍ×７．３ｃｍ(端子溶接部を除く)に１１枚カットした。そして、厚さ３５μｍのセルロース／レーヨン混合不織布からなるセパレータを介して、正極集電体および負極集電体の端子溶接部がそれぞれ反対側になるよう配置し、正極と負極とを交互に積層した。なお、電極積層ユニット５の最外部には負極が配置されるようになっている。続いて、最上部および最下部にセパレータを配置して４辺をテープ留めした後に、正極集電体の端子溶接部(１１枚)をアルミニウム製の正極端子(幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)に超音波溶接し、負極集電体の端子溶接部(１２枚)を銅製の負極端子(幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ)に超音波溶接して電極積層ユニット５を作製した。
【００８７】
［セル５の作製］
電極積層ユニット５を用い、リチウム極を組み込まないこと以外は実施例１と同様の方法によってセル５を４セル組み立てた。
【００８８】
［セル５の特性評価］
セル５を、５００ｍＡの定電流でセル電圧が４．２Ｖになるまで充電し、その後４．２Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を１２時間行った。次いで、５０ｍＡの定電流でセル電圧が３．０Ｖになるまで放電した。この４．２Ｖ−３．０Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル５を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の４．２Ｖ−３．０Ｖのサイクル試験を５０回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での５０サイクル後における容量保持率とともに表５に示す。ただし、表５に示すデータは３セルの平均値である。
【００８９】
【表５】
0005214199.tif 000006
【００９０】
(比較例３)
［セル６の作製］
正極集電体に貫通孔の無いアルミニウム箔を用い、負極集電体に貫通孔の無い銅箔を用いること以外は、実施例３と同様の方法によってセル６を４セル組み立てた。
【００９１】
［セル６の特性評価］
セル６を、５００ｍＡの定電流でセル電圧が４．２Ｖになるまで充電し、その後４．２Ｖの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を１２時間行った。次いで、５０ｍＡの定電流でセル電圧が３．０Ｖになるまで放電した。この４．２Ｖ−３．０Ｖのサイクル試験を繰り返し、１０回目の放電におけるセル容量およびエネルギー密度を評価した。続いて、セル６を−２０℃の恒温槽内に２時間放置後、前述した方法と同様の４．２Ｖ−３．０Ｖのサイクル試験を５０回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。これらの結果を−２０℃での５０サイクル後における容量保持率とともに表６に示す。ただし、表６に示すデータは３セルの平均値である。
【００９２】
【表６】
0005214199.tif 000007
【００９３】
(実施例３および比較例３についての検討)
表５，６に示すように、正極活物質を活性炭から容量の大きなＬｉＣｏＯ２に変更した場合であっても、実施例３のセル５は、静電容量の高いハードカーボンを含む負極１と、抵抗の低いＰＡＳを含む負極２とを備えることから、高いエネルギー密度と高い容量保持率とを有することが確認された。また、比較例３のセル６は、静電容量の高いハードカーボンを含む負極１だけを負極として備えることから高いエネルギー密度を有するものの、後述する金属リチウムの析出から容量保持率が低くなることが確認された。
【００９４】
また、−２０℃の低温環境下で５０回の充放電試験を行ったセル５，６を分解したところ、実施例３のセル５については、ハードカーボンを含む負極１とＰＡＳを含む負極２とに対する金属リチウムの析出は認められなかったのに対し、比較例３のセル６については、ハードカーボンを含む負極１に対する金属リチウムの析出が認められた。金属リチウムの析出は、ＰＡＳよりもハードカーボンの抵抗が高く、リチウムイオンの吸蔵許容量が少ないことに由来するものであるが、実施例３のセル５を充電する際には、低抵抗のＰＡＳを含む負極２に対してリチウムイオンが多く移動した後に、このリチウムイオンが集電体の貫通孔を通って負極２から負極１に移動する構造であるため、ハードカーボンを含む負極１に対する負荷が低減されて金属リチウムが析出しなかったと考えられる。一方、比較例３の集電体は貫通孔の無いアルミニウム箔と銅箔を用いているため、リチウムイオンの吸蔵許容量が少ないハードカーボンに対向している正極からのリチウムイオンを、貫通孔を通して一旦ＰＡＳへ吸蔵させることができなかったため、金属リチウムが析出したものと考えられる。
【００９５】
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いうまでもない。例えば、図示する蓄電デバイス１０，３０，４０，５０にあっては、種類(充放電特性)の異なる２つの負極合材層２０，２２，６０，６１を互いに接続するとともに、負極合材層２０，２２，６０，６１の間に配置される正極集電体１６，５６や負極集電体３５に対して貫通孔１６ａ，３５ａ，５６ａを形成するようにしているが、これに限られることはなく、種類の異なる３つ以上の負極合材層を互いに接続するとともに、これらの負極合材層の間に配置される負極集電体や正極集電体に対して貫通孔を形成するようにしても良い。
【００９６】
また、正極活物質や負極活物質としては、前述した活物質だけに限定されることはなく、従来のバッテリやキャパシタに用いられる各種活物質を適用することが可能である。さらに、電解質やセパレータ１８についても、従来のバッテリやキャパシタに用いられる各種電解質やセパレータを適用しても良いことはいうまでもない。
【００９７】
なお、本発明の蓄電デバイスは、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動用蓄電源または補助用蓄電源として極めて有効である。また、例えば、電動自転車や電動車椅子等の駆動用蓄電源、太陽光発電装置や風力発電装置等に用いられる蓄電源、携帯機器や家庭用電気器具等に用いられる蓄電源として好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【図２】蓄電デバイスの充放電動作を示す説明図である。
【図３】蓄電デバイスの充放電動作を示す説明図である。
【図４】蓄電デバイスの充放電動作を示す説明図である。
【図５】蓄電デバイスの充放電動作を示す説明図である。
【図６】(Ａ)〜(Ｃ)は充電時の負極間におけるエネルギー移動状況を示すイメージ図である。
【図７】(Ａ)〜(Ｃ)は放電時の負極間におけるエネルギー移動状況を示すイメージ図である。
【図８】本発明の他の実施の形態である蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態である積層型の蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態である捲回型の蓄電デバイスの内部構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０    蓄電デバイス
１３    正極(正極系)
１４    負極(第１負極，負極系)
１５    負極(第２負極，負極系)
１６    正極集電体(集電体)
１６ａ  貫通孔
１７    正極合材層
１８    セパレータ
１９    負極集電体(集電体)
２０    負極合材層(第１負極合材層)
２１    負極集電体(集電体)
２２    負極合材層(第２負極合材層)
３０    蓄電デバイス
３２    正極(第１正極，正極系)
３３    正極(第２正極，正極系)
３４    負極(負極系)
３５    負極集電体(集電体)
３５ａ  貫通孔
３６    正極集電体(集電体)
４０    蓄電デバイス
４３    正極(正極系)
４４，４５    負極(第１負極，負極系)
４６    負極(第２負極，負極系)
４７    リチウムイオン供給源
５０    蓄電デバイス
５３    正極(正極系)
５４    負極(第１負極，負極系)
５５    負極(第２負極，負極系)
５６    正極集電体(集電体)
５６ａ  貫通孔
５７    正極合材層
５８    セパレータ
５９    負極集電体(集電体)
６０    負極合材層(第１負極合材層)
６１    負極合材層(第２負極合材層)
【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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【図１０】
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