(57)【要約】リチウムイオンキャパシタにおけるカソードであって、活性炭、導電性炭素、および本明細書において定められる量のバインダを含む炭素組成物と、炭素組成物を支持する集電体とを含み、活性炭が、５００〜３０００ｍ２／ｇの表面積と、空隙容積の５０〜８０％が１０オングストローム未満の細孔内にある細孔容積と、１０オングストローム未満の細孔によって占められる０．３ｃｍ３／ｇを超える細孔容積と、細孔容積の合計の６０％を超える微小空洞を有する。このカソードを製造する方法、および、リチウムイオンキャパシタにおいてこのカソードを用いる方法も開示される。
2018507551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンキャパシタにおけるカソードであって、
８５〜９５重量％の活性炭、１〜８重量％の導電性炭素、および３〜１０重量％のバインダを含む炭素組成物と、
前記炭素組成物を支持する集電体と
を含み、
前記活性炭が、
５００〜３０００ｍ２／ｇの表面積と、
１０オングストローム未満の直径を有する細孔によって占められる０．３〜２ｃｍ３／ｇの細孔容積と、
前記空隙容積の５０〜８０％が１０オングストローム未満の細孔内にある細孔容積と、
前記細孔容積の合計の６０〜１００％の２０オングストローム未満の微小空洞と
を有することを特徴とする、カソード。
【請求項２】
前記カソードが２〜２０ミリインチ（５０．８μｍ〜５０８μｍ）の厚さを有し、前記バインダがフッ素含有ポリマーである、請求項１記載のカソード。
【請求項３】
前記バインダが、３００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有するＰＶＤＦである、請求項１〜２のいずれか一項記載のカソード。
【請求項４】
前記バインダが、５００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有するＰＴＦＥである、請求項１〜３のいずれか一項記載のカソード。
【請求項５】
前記活性炭がアルカリ処理で賦活され、前記活性炭が８００〜３０００ｍ２／ｋｇの表面積を有する、請求項１〜４のいずれか一項記載のカソード。
【発明の詳細な説明】
【優先出願への相互参照】
【０００１】
本願は、合衆国法典第３５巻第１２０条に基づき、２０１５年１月３０日に出願された米国特許出願第１４／６１０８６８号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
【関連出願への相互参照】
【０００２】
本願は、本願と所有者および譲受人が同じであり本願と同時に出願された、２０１５年１月３０日に出願された「COKE SOURCED ANODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR」という名称の米国特許出願第１４／６１０７５２号、２０１５年１月３０日に出願された「ANODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR」という名称の米国特許出願第１４／６１０７８２号、２０１５年１月３０日に出願された「POLY-VINYLIDENE DIFLUORIDE ANODE BINDER IN A LITHIUM ION CAPACITOR」という名称の米国特許出願第１４／６１０８１１号、および２０１５年１月３０日に出願された「PHENOLIC RESIN SOURCED CARBON ANODE IN A LITHIUM ION CAPACITOR」という名称の米国特許出願第１４／６１０８４８号に関連しているが、それらによる優先権は主張しない。
【０００３】
本明細書において言及される各刊行物または特許文献の開示全体を参照して本明細書に組み込む。
【技術分野】
【０００４】
本開示は、カソードおよびリチウムイオンキャパシタに関する。
【発明の概要】
【０００５】
複数の実施形態において、本開示は、活性炭がリチウムイオンキャパシタにおけるカソード材料として用いられることを可能にする所望の構造的特性を有する活性炭を提供する。
【０００６】
複数の実施形態において、本開示は、炭素由来のアノードおよび電解質中のアニオン（例えば、ＰＦ６−）系の塩と組み合わせた活性炭カソードを提供する。
【０００７】
複数の実施形態において、本開示は、上記の活性炭カソードおよびリチウムイオンキャパシタ物品を製造する方法および使用する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】それぞれ異なる活性炭材料についての細孔径分布を示す
【図２】作用（working）リチウムイオンキャパシタにおけるそれぞれ異なる活性炭についての放電容量を示す
【図３】それぞれ異なる活性炭についての、３．８Ｖにおける電気化学的インピーダンス分光法（「ＥＩＳ」）スペクトルを示す
【図４】完全作用リチウムイオンキャパシタにおけるそれぞれ異なる活性炭についての体積基準のラゴーニプロットを示す
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面（あれば）を参照し、本開示の様々な実施形態を説明する。様々な実施形態に対する参照は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって限定される。更に、本明細書において述べられるいずれの例も、本発明を限定するものではなく、単に、特許請求される発明の多くの可能な実施形態の一部を述べるものである。
【００１０】
請求項のいずれかに記載される特徴または態様は、本発明の全ての面に一般的に適用可能である。請求項のいずれか一項に記載される単一または複数の特徴または態様はいずれも、他の任意の１または複数の請求項に記載される他の任意の特徴または態様と組み合わせられ、または順序を変えられ得る。
【００１１】
定義
「リチウム複合材料粉末」、「ＬＣＰ」、または類似の用語は、リチウム、リチウム合金、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つで構成されたコアと、リチウム塩および油で構成されたシェルとを含むカプセル化されたリチウム粒子であって、シェルがコアを封入しており、粒子は１〜５００マイクロメートルの直径を有する、リチウム粒子を指す（本願と同じ所有者および譲受人の２０１２年１１月９日に出願された「LITHIUM COMPOSITE PARTICLES」という名称の米国特許出願第１３／６７３０１９号明細書、および２０１４年９月２３日に出願された「ENCAPSULATED LITHIUM PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USE THEREOF」という名称の米国特許出願第１４／４９３８８６号明細書を参照）。このＬＣＰは、アノードのプレドーピング用に用いられ得る。
【００１２】
「含む（include）」または類似の用語は、包含するがそれに限定されないこと、即ち、包含的であって排他的ではないことを意味する。
【００１３】
本開示の実施形態を説明する際に用いられる「約（about）」（例えば、組成物中の或る成分の量、濃度、体積、処理温度、処理時間、収量、流量、圧力、粘度等の値、およびそれらの範囲、または、構成要素の寸法、類似の値、およびそれらの範囲を修飾する）は、例えば、材料、組成物、複合材料、濃縮物、構成部品、製造物品、もしくは使用処方を調製するために用いられる一般的な測定および処理手順、これらの手順における故意ではない誤り、方法を実行するために用いられる開始材料または成分の製造、供給源、または純度の違い等の考慮すべき事項によって生じ得る数量のばらつきを指す。また、「約」という用語は、特定の初期濃度または混合物を有する組成物または処方の熟成に起因して異なる量、および、特定の初期濃度または混合物を有する組成物または処方の混合または処理に起因して異なる量を包含するものである。
【００１４】
「必要に応じて設けられる」または「必要に応じて」とは、それに続いて記載されている事象または状況が生じてもよく、または生じなくてもよく、その記載が、その事象または状況が生じる例および生じない例を含むことを意味する。
【００１５】
本明細書で用いられる名詞は、特に明記しない限り、少なくとも１つ、または１以上の対象を指す。
【００１６】
当業者によく知られている略語（例えば、時間に対して「ｈ」または「ｈｒ」、グラムに対して「ｇ」または「ｇｍ」、ミリリットルに対して「ｍＬ」、室温に対して「ｒｔ」、ナノメートルに対して「ｎｍ」等の略語）が用いられ得る。
【００１７】
構成要素、成分、添加剤、寸法、条件、時間等の態様、およびそれらの範囲について開示される具体的な値および好ましい値は、単に例示的なものであり、定められた他の値または定められた範囲内の他の値を除外するものではない。本開示の組成物および方法は、本明細書に記載される任意の値またはそれらの値の任意の組み合わせ、具体的な値、より具体的な値、および好ましい値（明示的または暗示的な中間の値および範囲を含む）を含み得る。
【００１８】
リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）は、新たな分類の革新的なハイブリッドエネルギー蓄積装置である。両方の電極上の二重層機構に基づいてエネルギーを蓄積する電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）とは異なり、ハイブリッドリチウムイオンキャパシタは、カソード上では二重層機構によってエネルギーを蓄積し、アノード上ではファラデー機構によってエネルギーを蓄積する。その結果、そのような装置におけるエネルギー密度は、ＥＤＬＣの５倍になり得、パワーもＥＤＬＣの３〜４倍に維持され得る。エネルギーの蓄積にファラデー機構を用いるにもかかわらず、これらの装置は依然として、２００，０００サイクルを超える非常に高いサイクル寿命を示し、これらの装置は多くの用途のために魅力的なものとなっている。
【００１９】
ＬＩＣは、正電極上の高い表面積の（例えば、典型的には１，０００ｍ２／ｇを超える）炭素と、アノード上の低い空隙率および低い表面積（例えば、典型的には３００ｍ２／ｇ未満）を有する挿入炭素とを用い、これが、リチウムイオンの高速のインターカレーションおよびデインターカレーションを支援している。充電および放電中には、負電極（即ち、アノード）のバルク内ではリチウムのインターカレーションおよびデインターカレーションが生じ、一方、正電極（即ち、カソード）上ではアニオンの吸着および脱離が生じる。この正電極上の吸着および脱離は非ファラデー反応であり、これは負電極上でのリチウムイオンのインターカレーションおよびデインターカレーションより比較的速い。
【００２０】
従って、リチウムイオンキャパシタは、ＥＤＬＣの電圧の約１．５倍の電圧を可能にする。セルの静電容量（Ｃ＝Ｑ／Ｖ）は充放電曲線によって記述できる。エネルギー密度およびパワーは共に電圧の二乗に比例するので、装置のエネルギーおよびパワー密度がかなり増加する。電圧に関連する増加に加えて、ファラデー反応も、ファラデー反応と関連づけられたかなり大きいエネルギーを有し、ＬＩＣ装置のエネルギーおよびパワー密度の増加に寄与する。セルの充電および放電中、アノード（負電極）は一定または均等な電位に留まり、電位の振れの大半は、活性炭でできたカソード（正電極）上で生じる。活性炭は、リチウムイオンキャパシタが充電および放電される際の電位の振れの大半に耐えるので、活性炭は、電位窓の間において化学的および電気化学的に安定しているべきである。ＬＩＣ装置の電位の範囲（即ち、３．８〜４Ｖでの動作）は、ＥＤＬＣの３Ｖ以下の動作と比較してかなり高く、ＬＩＣ装置において用いられる電解質（即ち、エチレンカーボネート−ジメチルカーボネート、メチルプロピオネート、フッ素化エチレンカーボネート、およびヘキサフルオロリン酸リチウム）の化学的性質は、ＥＤＬＣにおいて用いられるＴＥＡ−ＴＦＢを有するニトリル系電解質とは非常に異なるので、ＥＤＬＣでは良好に動作する炭素が、ＬＩＣでも良好に動作することは期待されない。ＬＩＣカソード上の多孔質炭素についての要件は、従来技術の文献では研究されておらず、理解されていない。
【００２１】
リチウムイオン電池の充電プロセス中、リチウムイオンはカソードのバルクからデインターカレーションされ、電解質を介したイオン伝導機構によってアノード電極へと移動し、アノード電極のバルク内へとインターカレーションされる。充電プロセス中、電子はカソードからアノードへと流れる。放電プロセス中は、充電プロセス全体の逆のことが生じる。リチウムイオンはアノードのバルクからデインターカレーションされ、電解質を介したイオン伝導機構によってカソードへと移動する。移動したリチウムイオンは、カソードのバルク内へとインターカレーションされる。放電プロセス中、電子はアノードからカソードへと移動する。
【００２２】
一方、リチウムイオン電池において、エネルギーはアノードおよびカソード上におけるファラデー反応によって蓄積される。電解質の電荷の状態は常に中性で一定であり、これは、電解質の濃度に大きな変化が生じないことを意味する。リチウムイオン電池内においてエネルギーの蓄積を担うリチウムイオンは、カソード電極において利用可能なリチウムイオンの数に完全に依存する。しかし、先に述べたようなリチウムイオンキャパシタにおいて、アノード電極は最初にリチウム金属でプレドーピングされてもよく、これは、動作電位窓を増加させるのを補助する。アノードのバルク内ではリチウムのインターカレーションおよびデインターカレーションが生じ、一方、カソード上では（例えば、ＰＦ６−の）吸着および脱離が生じる。このカソード上のアニオンの吸着および脱離は非ファラデー反応であり、これはアノード上でのリチウムイオンのインターカレーションおよびデインターカレーションより速い。リチウムイオンキャパシタにおいて、負側、即ちアノードは、リチウムイオン電池のインターカレーション−デインターカレーション電極であり、正電極、即ちカソード側は、ＥＤＬＣの吸着−脱離電極である。リチウムイオンキャパシタでは、電解質のイオンがそれぞれの電極におけるエネルギーの蓄積を担うので、電解質の濃度は、装置の電荷の状態に応じて変化する。
【００２３】
複数の実施形態において、本開示は、炭素材料と、リチウムイオンキャパシタのカソードにおけるこの炭素の使用とに関する。提供されるデータは、所望の高い充放電レートで得られたものである。
【００２４】
典型的には、活性炭は、リチウムイオンキャパシタにおけるカソード（即ち、正電極）上の最適な炭素である。カソードはＥＤＬＣタイプの吸着−脱離電極であるので、この炭素の構造は、アノード電極に用いられる炭素（即ち硬質炭素）とは異なる。活性炭は、高い表面積（例えば、１０００ｍ２／ｇを超える）を有する多孔質の炭素である。活性炭のの比放電容量は、活性炭の表面積、細孔容積、および細孔径分布に直接相関され得る。そして、活性炭の表面積、細孔容積、および細孔径分布は、プレカーサのタイプ、賦活方法、および活性炭に対する賦活後の処理に直接関係づけられる。活性炭の比放電容量はｍＡｈ／ｇの単位で与えられ、充電プロセス中に活性炭が吸着可能なＰＦ６−イオンの量を表す。活性炭の比放電容量は、無機不純物および異なる表面官能基の存在にも高く依存し得るものであり、この側面は、リチウムイオンキャパシタの電気化学的安定性に直接影響し得る。比放電容量が高いほど、リチウムイオンキャパシタにおいて活性炭がＰＦ６−イオンを蓄積する容量が高くなる。活性炭の特定の構造的特性が識別されており、これを、リチウムイオンキャパシタにおける高性能のためにカソード材料を選択するために用いることができる。これらの構造的特性の存在は、ＰＦ６−イオンについてのより高い比放電容量（ｍＡｈ／ｇ）、完全作用リチウムイオンキャパシタにおける優れた放電容量、並びに、作用リチウムイオンキャパシタにおけるより高いエネルギーおよびより高いパワー性能につながり得る。
【００２５】
複数の実施形態において、本開示は、リチウムイオンキャパシタにおけるカソードであって、８５〜９５重量％の活性炭、１〜８重量％の導電性炭素、および３〜１０重量％のバインダを含む炭素組成物と、炭素組成物を支持する集電体とを含み、活性炭が、５００〜３０００ｍ２／ｇの表面積と、１０オングストローム未満の直径を有する細孔によって占められる０．３〜２ｃｍ３／ｇの（例えば、約０．３ｃｍ３／ｇを超える）細孔容積であって、細孔容積の５０〜８０％が１０オングストローム未満の直径を有する細孔内にある細孔容積と、細孔容積の合計の６０％を超える（例えば、６０〜１００％の）細孔容積の微小空洞（即ち、例えば２０オングストローム未満の細孔）とを有する、カソードを提供する。
【００２６】
複数の実施形態において、カソードは、例えば、２〜２０ミリインチ（５０．８μｍ〜５０８μｍ）の厚さを有してもよく、バインダはフッ素含有ポリマーである。
【００２７】
複数の実施形態において、バインダは、例えば、３００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有する２フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）であり得る。
【００２８】
複数の実施形態において、バインダは、例えば、５００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有するポリテトラフルオリドエチレン（ＰＴＦＥ）であり得る。
【００２９】
複数の実施形態において、活性炭は、例えば、アルカリ処理で賦活されてもよく、活性炭は８００〜３０００ｍ２／ｋｇの表面積を有する。
【００３０】
複数の実施形態において、活性炭は、例えば、非リグノセルロース材料（例えば、小麦粉）、 石油材料（例えば、コークス）、またはそれらの組合せに由来するものであり得る。
【００３１】
複数の実施形態において、本開示は、リチウムイオンキャパシタにおいて、８５〜９５重量％の活性炭、１〜８重量％の導電性炭素、および３〜１０重量％のバインダを含む炭素組成物と、炭素組成物を支持する集電体とを含む上述のカソードであって、活性炭が、５００〜３０００ｍ２／ｇの表面積と、１０オングストローム未満の直径を有する細孔によって占められる０．３〜２ｃｍ３／ｇの（例えば、約０．３ｃｍ３／ｇを超える）細孔容積であって、細孔容積の５０〜８０％が１０オングストローム未満の直径を有する細孔内にある細孔容積と、細孔容積の合計の６０％を超える（例えば、６０〜１００％の）細孔容積の微小空洞（即ち、例えば２０オングストローム未満の細孔）とを有する、カソードと、導電性基体上にコーティングされた、ココナツ殻由来炭素、導電性炭素、およびバインダを含むアノードとを含むリチウムイオンキャパシタを提供する。
【００３２】
複数の実施形態において、リチウムイオンキャパシタは、例えば、コーティングされたアノードの表面の少なくとも一部にコーティングされたリチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）を更に含み得る。
【００３３】
複数の実施形態において、リチウムイオンキャパシタは、例えば、コーティングされたアノードの表面の少なくとも一部にコーティングされたリチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）を有する上述のアノードと、上述のカソードと、アノードとカソードとの間にあるセパレータとの積層体を含むセルを更に含み得る。
【００３４】
複数の実施形態において、リチウムイオンキャパシタは、例えば、非水性電解質を更に含み得る。
【００３５】
複数の実施形態において、セルは、例えば、ゼリーロール構成、積層構成、または類似のリチウムイオンキャパシタ構成であり得る。
【００３６】
複数の実施形態において、セルは、例えば、２５〜１００ｍＡｈ／ｇのカソード放電容量と、２５〜６０Ｗｈ／Ｌの最大エネルギー密度とを有し得る。
【００３７】
複数の実施形態において、本開示は、上述のカソードを製造する方法であって、非リグノセルロース由来炭素材料を不活性雰囲気中で５００〜１０００℃で１〜１０時間にわたって賦活（即ち、熱処理）して賦活された粒子を生じる工程と、賦活された粒子を酸で処理し、次に中和する工程と、中和された粒子（即ち、賦活され、酸で処理され、中和された非リグノセルロース材料（例えば、小麦粉））を、不活性雰囲気中で５００〜１０００℃で１〜１０時間にわたって熱処理する工程と、熱処理された粒子をバインダおよび溶媒と混合して混合物を形成する工程と、混合物を導電性集電体に塗布してカソードを形成する工程とを含む方法を提供する。
【００３８】
複数の実施形態において、非リグノセルロース由来炭素粒子は、例えば、小麦粉、トウモロコシ粉、ジャガイモ粉、米粉、またはそれらの混合物から選択され得る（例えば、本願と所有者および譲受人が同じである欧州特許出願第２７３５００７Ａ１号明細書、段落２０〜２８（その開示を本明細書に組み込む）を参照）。
【００３９】
複数の実施形態において、この方法は、例えば、混合物を導電性集電体に塗布してカソードを形成する工程の前に、混合物に（混合物の総重量の）１〜８重量％の量の導電性炭素を含ませる工程を更に含み得る。
【００４０】
複数の実施形態において、本開示は、上述のリチウムイオンキャパシタを用いる方法であって、リチウムイオンキャパシタを充電する工程、リチウムイオンキャパシタを放電する工程、またはそれらの組合せを含む方法を提供する。
【００４１】
このリチウムイオンキャパシタを用いる方法の複数の実施形態において、前記セルは、例えば、２５〜１００ｍＡｈ／ｇのカソード放電容量と、２５〜６０Ｗｈ／Ｌの最大エネルギー密度とを有し得る。
【００４２】
複数の実施形態において、この用いる方法は、例えば、車輌、電化製品、民生用電子装置、送電線網システムの構成要素、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つと組み合わせて、キャパシタを放電する工程を更に含み得る。組み合わされる他のシステムは、電力の蓄積、供給、またはそれらの両方を必要とするものである。車輌は、例えば、例えば、人、貨物、または、目的のある荷重（例えばドローンもしくは無人空中システム（ＵＡＳ）内のカメラもしくは軍用システム等）を輸送する可動機械であり得る。車輌の他の例としては、ワゴン、自転車、動力車（例えば、オートバイ、自動車、トラック、バス、列車）、船舶（例えば、船、ボート）、宇宙船、航空機、またはそれらの組合せが挙げられる。
【００４３】
複数の実施形態において、充電する工程および放電する工程は複数回のサイクル（例えば、２〜１，０００，０００サイクル以上）で繰り返される。
【００４４】
複数の実施形態において、本開示は、例えば、作用リチウムイオンキャパシタのより低い放電レートおよびより高い放電レートにおける、改善されたエネルギーおよびパワー密度を含む複数の側面において有利である。表１に示されるように、４５.７２体積％が１０オングストローム以下である比較例２の炭素２と比較して、実施例１の炭素１は７２.２２体積％が１０オングストローム以下（即ち、１０オングストローム未満の細孔径を有する細孔の合計）であり、実施例３の炭素３は６８.５１体積％が１０オングストローム以下であり、実施例４の炭素４は６７.４１体積％が１０オングストローム以下である。１０オングストローム未満の細孔径を有する炭素の割合がより高い結果、図４に示されるように、比較例２の炭素２の３７.３７Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度と比較して、実施例１、実施例３、および実施例４の炭素は、それぞれ、４６.６４Ｗｈ／Ｌ、４５.５７Ｗｈ／Ｌ、および４４.２４Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度を示す。同様に、図４に示されるように、１００Ｃの放電レートにおいて３６３３．５０Ｗｈ／Ｌで２．６７Ｗ／Ｌのパワーおよびエネルギー密度を提供する比較例２の炭素２と比較して、実施例１、３、および４の炭素は、１００Ｃの放電レートにおいて、それぞれ、３９０７.８１Ｗｈ／Ｌにおいて６.４６Ｗ／Ｌ、３１５９.７８Ｗｈ／Ｌにおいて５.３６Ｗ／Ｌ、および３８２８.８６Ｗｈ／Ｌにおいて３.５５Ｗ／Ｌのパワー密度を提供する。
【００４５】
それぞれ異なる構造的特徴を有する様々な多孔質炭素に基づく本開示の活性炭カソードの性能の比較を提供し、高性能カソードのための主要な特性を明らかにする。その細孔、即ち細孔容積の大半が約１０オングストローム未満である炭素は、今回、１０〜２００オングストロームの大きい細孔範囲内の細孔容積がより高い炭素より、かなり良好な性能を有することを示した。この実験結果は、ＬＩＣカソードにおいて評価された炭素の中で、細孔容積の合計の７２.２２％において１０オングストローム以下の細孔径を有する炭素が、パワーおよびエネルギー密度測定において最も良好な性能を有したことを示しており、このことは、ＥＩＳデータに示されるように、細孔径が低いほど、より高いエネルギー密度に寄与したが、予想に反して、抵抗は高くならなかったことを示す。
【００４６】
複数の実施形態において、本開示は、エネルギーの蓄積、および大きなエネルギーの蓄積用途に関する。
【００４７】
複数の実施形態において、本開示は、本明細書において定められるように、大きく改善された性能特性を有するエネルギー蓄積およびエネルギー放出または生成のための装置を提供する。
【００４８】
複数の実施形態において、本開示の装置は、大きく改善された性能の長所を有する。
【００４９】
複数の実施形態において、本開示のカソードは、このタイプの装置では予期されず一般的に観察されていない、装置性能におけるエネルギーおよびパワーの改善を提供する。
【００５０】
複数の実施形態において、本開示は、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）用のカソード、即ち、正電極を提供する。
【００５１】
複数の実施形態において、本開示は、他の導電性添加剤および非導電性バインダと組み合わされた際に、高性能電極の製造を可能にすると共に、全体的な装置性能を改善する、導電性炭素成分を提供する。
【００５２】
複数の実施形態において、本開示は、この炭素を製造する方法、この炭素を含むカソード、およびこのカソードを含むリチウムイオンキャパシタを提供する。
【００５３】
複数の実施形態において、本開示は、本発明のカソードと別の従来技術の材料でできた電極との性能比較を提供する。
【００５４】
複数の実施形態において、本開示は、ＰＦ６−アニオン系電解質を有するリチウムイオンキャパシタにおける、活性炭に基づくカソードを提供する。
【００５５】
複数の実施形態において、本開示は、リチウムイオンキャパシタ用のカソード電極材料としての、それぞれ異なる構造的特性（例えば、細孔径分布および細孔容積）を有する、異なるプレカーサおよび異なる賦活プロトコルから得られた複数の異なる活性炭（例えば、アルカリで賦活された小麦粉の活性炭、水蒸気賦活されたココナツ殻由来の活性炭、およびアルカリで賦活されたコークス由来の活性炭等）の性能を比較する。
【００５６】
上述のように、ＬＩＣカソード用に、ＰＦ６−イオンについての高い比放電容量を有する多孔質炭素が必要である。比放電容量は、活性炭材料の電荷を蓄積する能力の定量的な尺度である。比放電容量は、活性炭材料の固有の特性である。本開示において、活性炭材料の比放電容量は活性炭の構造に依存すること、および、細孔径分布はリチウムイオンキャパシタ用途の活性炭の重要な構造的側面であることが見出された。細孔径分布は、所与の活性炭の試料における、入手可能な細孔径のそれぞれ異なる範囲、および、それぞれ異なる範囲の細孔径によって占められる細孔容積の合計を記述するものである。細孔径分布は、活性炭の用途に応じて調整される。ＬｉＰＦ６はリチウムイオンキャパシタにおける最適な塩であり、活性炭はカソード電極上で用いられるので、活性炭の細孔径は、リチウムイオンキャパシタにおけるＰＦ６−イオンに合わせて調整される。比容量は、セルの重要な性能的側面に直接反映される。より高い比容量は、カソード側の活性炭において望ましい特性であり、このような炭素は、セルのパッケージの体積に直接的な良い影響を及ぼし、このことは、リチウムイオンキャパシタ装置におけるエネルギーおよびパワー密度に良い影響を及ぼす。なお、例えば電池等といったレートがかなり低いエネルギー装置とは異なり、キャパシタはパワーデバイスであるので、比放電容量は高いレートで測定されなければならないことに留意するのが重要である。高いレートにおける材料の比放電容量は、低いレートにおける容量とは異なっており、性能に関する材料の評価に影響し得る。また、材料の構造は、構造内へのＰＦ６−イオンの拡散速度も制御する。
【００５７】
図１は、炭素１、炭素２、炭素３、および炭素４についての細孔径分布チャートである。表１は、特定の細孔径の範囲によって占められる容積の容積％のリストである。炭素１は、炭素２、炭素３、および炭素４に見られる比較的高いメソ孔とは異なり、メソ孔を含まない高々２０オングストロームまでの細孔径を示す。炭素１および炭素４についての１０オングストローム以下の細孔径によって占められる細孔容積（それぞれ０．４５５ｃｍ３／ｇおよび０．４９ｃｍ３／ｇ）は、炭素２および炭素３についての１０オングストローム以下の細孔径によって占められる細孔容積（それぞれ０．２７ｃｍ３／ｇおよび０．２７ｃｍ３／ｇ）と比較してより高かった。また、炭素１の１０オングストローム以下の細孔によって占められる細孔容積の合計は７２．２２％であり、炭素２の１０オングストローム以下の細孔によって占められる細孔容積の合計は４５．７２％であり、炭素３は６８．５１％であり、炭素４は６７．４７％である。１０オングストロームの細孔によって占められる容積が高いほど、表面積が大きくなり、ＰＦ６−イオンについての比容量が大きくなる。表２の半電池データは、細孔径分布データから得られた所見を裏付けるものである。４５．３６ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−脱離（比）容量を有した炭素２と比較して、炭素１は５８．０６ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−脱離容量（即ち、比容量）を有した。炭素３は５５．９９ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−脱離（比）容量を有した。炭素４は６９．２ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−脱離容量（比容量）を有した。細孔径分布から得られた所見から、この半電池データは、１０オングストローム以下の細孔が、リチウムイオンキャパシタの優れた性能にとって重要または不可欠なＰＦ６−イオンについての比容量を完全に調整することを示唆している。細孔径分布および半電池測定のデータは、それぞれの活性炭が完全なリチウムイオンキャパシタのカソード材料として用いられる際に、完全に一致する。比較例の炭素２でできたカソードと比較して、炭素１、炭素３、または炭素４に基づくカソードは、完全作用リチウムイオンキャパシタにおいて優れた性能を示した（図４）。完全作用キャパシタの詳細を、以下の実施例に示す。
【実施例】
【００５８】
以下の実施例は、本開示のカソードおよびＬＩＣ物品の製造、使用、および分析、並びに、上述の一般的な手順に従った方法を実際に示すものである。
【００５９】
実施例１
炭素１ 
炭素１は、コーニング社のインハウス実験で得られたものであり、プレカーサとしての小麦粉から製造され、８００℃で炭化された。炭化された炭素を粉砕して約５マイクロメートルの粒径にした。次に、粉砕された炭化された炭素を、ＫＯＨ：炭素の比率が２．２：１となる量のＫＯＨ（アルカリ）を用いて７５０℃で２時間にわたって賦活した。この炭素を、いかなる残存しているＫＯＨも除去するために、更に水で洗浄した。次に、得られた活性炭を、いかなる微量のＫＯＨも中和させるためにＨＣｌ水溶液で処理し、次に、中性のｐＨになるまで水で洗浄した。次に、この活性炭を、窒素／フォーミングガス下で９００℃で２時間にわたって熱処理した。得られた炭素１を用いてカソードを製造した。このカソード電極は、８５重量％の炭素１、１０重量％のＰＴＦＥ（デュポン社の６０１Ａ「テフロン」（登録商標）ＰＴＦＥ）、および５重量％のキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」（登録商標）２０００導電性炭素で構成された。この活性炭と導電性炭素との混合物を、ボールミルにおいて１０分間にわたって３５０ｒｐｍで混合し、１０重量％のＰＴＦＥを加え、この混合物を、ボールミルにおいて更に２０分間にわたって３００ｒｐｍで粉砕した。得られた混合粉末をカレンダー装置において乾燥圧延し、適切な厚さ（例えば、１３．５ミリインチ（３４２．９μｍ））の炭素膜を形成した。この炭素膜およびＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．（ＣＳＩ）社の集電体を圧延機に通すことによって、炭素膜を集電体上に積層した。カレンダー処理された電極を打ち抜いて、直径が１４ｍｍの円形の電極を設けた。打ち抜かれたアノード電極を、真空下で１２０℃で一晩乾燥させた。リチウム金属箔をアノードとして用い、炭素１に基づく電極をカソードとして用いて、半電池を構築した。この半電池をＣＲ−２０３２形コインセルに組み込み、０．０００１５Ａのスロー電流で、セルの開回路電圧（ＯＣＶ）から３．８Ｖまで、サイクルを行った。炭素１を有する半電池は、５８．０６ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−イオン脱離（比）容量を示した（表２）。完全作用リチウムイオンキャパシタを構築した。アノードは、９０重量％のココナツ殻由来炭素（１０００℃で炭化、ＨＣｌ水溶液、１０００℃で熱処理）、５重量％のＰＶＤＦ、および５重量％のＴｉｍｃａｌ社のＳｕｐｅｒＣ−４５導電性炭素を含んだ。このスラリーを、Ｏａｋ−Ｍｉｔｓｕ社から入手した銅箔上にコーティングした。リチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）をリチウム金属源として用い、５ｍｇのＬＣＰをアノード電極の表面上にコーティングした。ＬＣＰは、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）と鉱油との混合物の保護コーティングを有するリチウム金属コアで構成された。リチウム金属（コア）：ＬｉＰＦ６と鉱油との混合物（シェルまたは保護コーティング）の重量比は８０：２０であった。保護コーティング中のＬｉＰＦ６：鉱油の重量比は８９：１１であった。ニッポン高度紙工業株式会社のＮＫＫ−４４２５セパレータを選択し、ＥＣ／ＤＭＣ／ＭＰ（体積％で２０：２０：６０）中の１ＭのＬｉＰＦ６に５重量％のＦＥＣを更に加えたものを電解質をとして用いた。このアノードを、炭素１に基づくカ���ードと結合した。これらのセルをＣＲ２０３２形に組み込んだ。これらのセルを、０．０００５Ａの電流で、２．２Ｖ〜３．８Ｖでの５回のサイクル後にコンディショニングを行うことで、コンディショニングした。これらのセルに対してＥＩＳスペクトルを行い、次に、これらのセルを１Ｃのレートで充電し、２．２Ｖ〜３．８Ｖのそれぞれ異なるレートで放電してＣレート試験を行った。炭素１についての放電容量は４４．２３ｍＡｈ／ｇであった（図２を参照）。この放電容量は、５回目のコンディショニングサイクルから算出し、カソード上の活性炭の重量について正規化したものである。炭素１に基づくカソードを有するリチウムイオンキャパシタは、６．０１オームの抵抗を示した（図３を参照）。炭素１を有するリチウムイオンキャパシタは、約１Ｃのレートにおいて、４６．６４Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度と、４０．６５Ｗ／Ｌのパワー密度とを有した（図４を参照）。
【００６０】
【表１】
2018507551.tif 000003
【００６１】
比較例２
比較例の炭素２
Ｋｕｒａｒａｙ Ｃａｒｂｏｎ社から入手した炭素２（ＹＰ−５０Ｆ）（活性炭）をそのまま用いた。この炭素を用いて、８５重量％の炭素２、１０重量％のＰＴＦＥ（デュポン社の６０１Ａ「テフロン」ＰＴＦＥ）、および５重量％のキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００導電性炭素を含むカソードを製造した。この活性炭とキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００との混合物を、ボールミルにおいて１０分間にわたって３５０ｒｐｍで混合し、次に、１０重量％のＰＴＦＥを加え、この混合物を、ボールミルにおいて更に２０分間にわたって３００ｒｐｍで粉砕した。得られた混合物をカレンダー装置において乾燥圧延し、適切な厚さ（例えば、１３．５ミリインチ（３４２．９μｍ））の炭素膜を形成した。この炭素膜およびＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．（ＣＳＩ）社の集電体を圧延機に通すことによって、炭素膜を集電体上に積層した。カレンダー処理された電極を打ち抜いて、直径が１４ｍｍの円形の電極を設けた。打ち抜かれた電極を、真空下で１２０℃で一晩乾燥させた。リチウム金属箔をアノードとして用い、炭素２に由来する混合物をカソードとして用いて、半電池を構築した。この半電池をＣＲ−２０３２形コインセルに組み込み、０．０００１５Ａのスロー電流で、セルのＯＣＶから３．８Ｖまで、サイクルを行った。炭素２の混合物を有する半電池は、４５．３６ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−イオン脱離（比）容量を示した（表２を参照）。完全作用リチウムイオンキャパシタを構築した。
【００６２】
アノードは、９０重量％のココナツ殻由来炭素（１０００℃で炭化、ＨＣｌ水溶液、１０００℃で熱処理）、５重量％のＰＶＤＦ、および５重量％のＴｉｍｃａｌ社のＳｕｐｅｒＣ−４５導電性炭素を含んだ。このスラリーを、上述のようにＯａｋ−Ｍｉｔｓｕ社から入手した銅箔上にコーティングした。リチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）をリチウム金属源として用い、５ｍｇのＬＣＰをアノード電極の表面上にコーティングした。ＬＣＰは、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）と鉱油との混合物の保護コーティングを有するリチウム金属コアで構成された。リチウム金属（コア）：ＬｉＰＦ６と鉱油との混合物（シェルまたは保護コーティング）の重量比は８０：２０であった。保護コーティング中のＬｉＰＦ６：鉱油の重量比は８９：１１であった。ニッポン高度紙工業株式会社のＮＫＫ−４４２５セパレータを選択し、ＥＣ／ＤＭＣ／ＭＰ（体積％で２０％：２０％：６０％）中の１ＭのＬｉＰＦ６に５重量％のＦＥＣを更に加えたものを電解質として用いた。上記のアノードを、上記の炭素２由来のカソードと結合した。これらのセルをＣＲ２０３２形に組み込んだ。これらのセルを、０．０００５Ａの電流で、２．２Ｖ〜３．８Ｖでの５回のサイクル後にコンディショニングを行うことで、コンディショニングし、これらのセルに対してＥＩＳスペクトルを行い、次に、これらのセルを１Ｃのレートで充電し、２．２Ｖ〜３．８Ｖのそれぞれ異なるレートで放電してＣレート試験を行った。炭素２のカソードを含むＬＩＣについての放電容量は３５．０３ｍＡｈ／ｇであった（図２を参照）。この放電容量は、５回目のコンディショニングサイクルから算出し、カソード上の活性炭の重量について正規化したものである。炭素２に基づくカソードを有するリチウムイオンキャパシタは、７．３５オームの抵抗を示した（図３を参照）。炭素２に基づくカソードを有するリチウムイオンキャパシタは、約１Ｃのレートにおいて、３７．３７Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度と、４２．０３Ｗ／Ｌのパワー密度とを有した（図４を参照）。
【００６３】
実施例３
炭素３
コーニング社において、プレカーサとしてコークスを用いて、炭素３を調製した。Ｃｏｎｏｃｏ Ｐｈｉｌｌｉｐｓ社からＣｏｎｏｃｏ Ｒｏｄｅｏ Ｇｒｅｅｎ Ｃｏｋｅ（未焼成コークス）を入手した。このコークスを、真空または窒素雰囲気下で１２０℃で一晩乾燥させた。乾燥させた未焼成コークスを粉砕して約５マイクロメートルの粒径にした。次に、粉砕された未焼成コークスを、ＫＯＨ：炭素の比率が１．５：１となる量のＫＯＨ（アルカリ）を用いて８００℃で２時間にわたって賦活した。この炭素を、いかなる残存しているＫＯＨも除去するために、更に水で洗浄した。次に、得られた活性炭を、いかなる微量のＫＯＨも中和させるためにＨＣｌ水溶液で処理し、次に、中性のｐＨになるまで水で洗浄した。次に、この活性炭を、窒素／フォーミングガス下で４８０℃で２時間にわたって熱処理した。得られた炭素を用いて、８５重量％の炭素３、１０重量％のＰＴＦＥ（デュポン社の６０１Ａ「テフロン」ＰＴＦＥ）、および５重量％のキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００を含むカソードを製造した。賦活されたコークス由来炭素とキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００との混合物を、ボールミルにおいて１０分間にわたって３５０ｒｐｍで混合し、次に、この混合物に１０重量％のＰＴＦＥを加え、ボールミルにおいて更に２０分間にわたって３００ｒｐｍで粉砕した。得られた混合物をカレンダー装置において乾燥圧延し、適切な厚さ（例えば、１３．５ミリインチ（３４２．９μｍ））の炭素膜を形成した。この炭素膜およびＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．（ＣＳＩ）社の集電体を圧延機に通すことによって、炭素膜を集電体上に積層した。カレンダー処理された電極を打ち抜いて、直径が１４ｍｍの円形の電極を設けた。打ち抜かれた電極を、真空下で１２０℃で一晩乾燥させた。リチウム金属箔をアノードとして用い、炭素３に由来する電極をカソードとして用いて、半電池を構築した。この半電池をＣＲ−２０３２形コインセルに組み込み、０．０００１５Ａのスロー電流で、セルのＯＣＶから３．８Ｖまで、サイクルを行った。炭素３を有する半電池は、５５．９９ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−イオン脱離（比）容量を示した（表２を参照）。炭素３のカソードを用いて、完全作用リチウムイオンキャパシタを構築した。アノードは、９０重量％ココナツ殻由来炭素（１０００℃で炭化、ＨＣｌ水溶液、１０００℃で熱処理）、５重量％のＰＶＤＦ、および５重量％のＴｉｍｃａｌ社のＳｕｐｅｒＣ−４５で構成された。このスラリーを、Ｏａｋ−Ｍｉｔｓｕ社から入手した銅箔上にコーティングした。リチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）をリチウム金属源として用い、５ｍｇのＬＣＰをアノード電極の表面上にコーティングした。ＬＣＰは、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）と鉱油との混合物の保護コーティングを有するリチウム金属コアで構成された。リチウム金属（コア）：ＬｉＰＦ６と鉱油との混合物（シェルまたは保護コーティング）の重量比は８０：２０であった。保護コーティング中のＬｉＰＦ６：鉱油の重量比は８９：１１であった。ニッポン高度紙工業株式会社のＮＫＫ−４４２５セパレータを選択し、ＥＣ／ＤＭＣ／ＭＰ（体��％で２０：２０：６０）中の１ＭのＬｉＰＦ６に５重量％のＦＥＣを更に加えたもので構成された電解質と共に用いた。このアノードを、炭素３に由来するカソードと結合した。これらのセルをＣＲ２０３２形に組み込み、０．０００５Ａの電流で、２．２Ｖ〜３．８Ｖでの５回のサイクル後にコンディショニングを行うことで、コンディショニングした。これらのセルに対してＥＩＳスペクトルを行い、次に、これらのセルを１Ｃのレートで充電し、２．２Ｖ〜３．８Ｖのそれぞれ異なるレートで放電してＣレート試験を行った。炭素３に由来するカソードを含むＬＩＣについての放電容量は３３．４６ｍＡｈ／ｇであった（図２を参照）。この放電容量は、５回目のコンディショニングサイクルから算出し、カソード上の活性炭の重量について正規化したものである。炭素３に由来するカソードを含むリチウムイオンキャパシタは、７．５１オームの抵抗を有した（図３を参照）。炭素３に由来するカソードを含むリチウムイオンキャパシタは、約１Ｃのレートにおいて、４５．５７Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度と、３８．６８Ｗ／Ｌのパワー密度とを有した（図４を参照）。
【００６４】
【表２】
2018507551.tif 000004
【００６５】
実施例４
炭素４
コーニング社において、プレカーサとして小麦粉を用いて、８００℃で炭化した炭素４を調製した（「コーニング社の炭素」）。炭化された炭素を粉砕して約５マイクロメートルの粒径にした。次に、粉砕された炭化された炭素を、ＫＯＨ：炭素の比率が２．２：１となる量のＫＯＨ（アルカリ）を用いて７５０℃で２時間にわたって賦活した。この炭素を、いかなる残存しているＫＯＨも除去するために、更に水で洗浄した。次に、得られた活性炭を、残存しているＫＯＨを中和させるためにＨＣｌ水溶液で処理し、次に、中性のｐＨになるまで水で洗浄した。得られた炭素を用いて、８５重量％の炭素４、１０重量％のＰＴＦＥ（デュポン社の６０１Ａ「テフロン」ＰＴＦＥ）、および５重量％のキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００を含むＬＩＣカソードを製造した。この活性炭とキャボット社の「Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ」２０００との混合物を、ボールミルにおいて１０分間にわたって３５０ｒｐｍで混合し、次に、１０重量％のＰＴＦＥを加え、この混合物をボールミルにおいて更に２０分間にわたって３００ｒｐｍで粉砕した。得られた混合物をカレンダー装置において乾燥圧延し、適切な厚さ（例えば、１３．５ミリインチ（３４２．９μｍ））の炭素膜を形成した。この炭素膜およびＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．（ＣＳＩ）社の集電体を圧延機に通すことによって、炭素膜を集電体上に積層した。カレンダー処理されたカソードを打ち抜いて、直径が１４ｍｍの円形の電極を設けた。打ち抜かれたカソードを、真空下で１２０℃で一晩乾燥させた。リチウム金属箔をアノードとして用い、集電体上の炭素４に由来する混合物をカソードとして用いて、半電池を構築した。この半電池をＣＲ−２０３２形コインセルに組み込み、０．０００１５Ａのスロー電流で、セルのＯＣＶから３．８Ｖまで、サイクルを行った。炭素４を有する半電池は、６９．２０ｍＡｈ／ｇのＰＦ６−イオン脱離（比）容量を示した（表２を参照）。完全作用リチウムイオンキャパシタを構築した。アノードは、９０重量％のココナツ殻由来炭素（１０００℃で炭化、ＨＣｌ水溶液、および１０００℃で熱処理）、５重量％のＰＶＤＦ、および５重量％のＴｉｍｃａｌ社のＳｕｐｅｒＣ−４５で構成された。このスラリーを、Ｏａｋ−Ｍｉｔｓｕ社の銅箔上にコーティングした。リチウム複合材料粉末（ＬＣＰ）をリチウム金属源として用い、５ｍｇのＬＣＰをアノード電極の表面上にコーティングした。ＬＣＰは、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）と鉱油との混合物の保護コーティングを有するリチウム金属コアで構成された。リチウム金属（コア）：ＬｉＰＦ６と鉱油との混合物（シェルまたは保護コーティング）の重量比は８０：２０であった。保護コーティング中のＬｉＰＦ６：鉱油の重量比は８９：１１であった。ニッポン高度紙工業株式会社のＮＫＫ−４４２５セパレータを選択し、ＥＣ／ＤＭＣ／ＭＰ（体積％で２０：２０：６０）中の１ＭのＬｉＰＦ６に５重量％のＦＥＣを更に加えた電解質と共に用いた。アノードを、上述の炭素４に由来するカソードと結合した。これらのセルをＣＲ２０３２形に組み込んだ。これらのセルを、０．０００５Ａの電流で、２．２Ｖ〜３．８Ｖでの５回のサイクル後にコンディショニングを行うことで、コンディショニングした。これらのセルに対してＥＩＳスペクトルを達成し、次に、これらのセルを１Ｃのレートで充電し、２．２Ｖ〜３．８Ｖのそれぞれ異なるレートで放電してＣレート試験を行った。炭素４についての放電容量は４１．２２ｍＡｈ／ｇであった（図２を参照）。この放電容量は、５回目のコンディショニングサイクルから算出し、カソード上の活性炭の重量について正規化したものである。炭素４に由来するカソードを含むリチウムイオンキャパシタは、６．６１オームの抵抗を示した（図３を参照）。炭素４に由来するカソードを含むリチウムイオンキャパシタは、約１Ｃのレートにおいて、４４．２４Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度と、４３．９１Ｗ／Ｌのパワー密度とを有した（図４を参照）。
【００６６】
細孔径の測定結果は、炭素１、炭素３、および炭素４の１０オングストローム以下の細孔径を有する細孔の数が、比較例の炭素２と比較して高いことを示した。微小空洞（例えば、１０オングストローム以下）の数が高いほど、高いＰＦ６−イオン比容量を与えるので、（例えば、１０オングストローム以下の）細孔の数がより高いことは、炭素が、ＰＦ６−イオン系の電解質塩を用いるリチウムイオンキャパシタにおけるカソード材料として機能するために、所望されるものである。このデータは、高性能ＬＩＣ装置については、カソードは、細孔（１０オングストローム未満）によって占められる細孔容積が０．３ｃｍ３／ｇより高い活性炭で構成されなければならず、微小空洞（２０オングストローム未満）は、活性炭の細孔容積の合計の６０％を超えるべきであることを示している。
【００６７】
【表３】
2018507551.tif 000005
【００６８】
本開示を、様々な具体的な実施形態および技術を参照して説明した。しかし、本開示の範囲内で、多くの変形および変更が可能であることを理解されたい。
【００６９】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００７０】
実施形態１
リチウムイオンキャパシタにおけるカソードであって、
８５〜９５重量％の活性炭、１〜８重量％の導電性炭素、および３〜１０重量％のバインダを含む炭素組成物と、
前記炭素組成物を支持する集電体と
を含み、
前記活性炭が、
５００〜３０００ｍ２／ｇの表面積と、
１０オングストローム未満の直径を有する細孔によって占められる０．３〜２ｃｍ３／ｇの細孔容積と、
前記空隙容積の５０〜８０％が１０オングストローム未満の細孔内にある細孔容積と、
前記細孔容積の合計の６０〜１００％の２０オングストローム未満の微小空洞と
を有することを特徴とする、カソード。
【００７１】
実施形態２
前記カソードが２〜２０ミリインチ（５０．８μｍ〜５０８μｍ）の厚さを有し、前記バインダがフッ素含有ポリマーである、実施形態１記載のカソード。
【００７２】
実施形態３
前記バインダが、３００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有するＰＶＤＦである、実施形態１〜２のいずれか１つに記載のカソード。
【００７３】
実施形態４
前記バインダが、５００，０００〜１，０００，０００の重量平均分子量を有するＰＴＦＥである、実施形態１〜３のいずれか１つに記載のカソード。
【００７４】
実施形態５
前記活性炭がアルカリ処理で賦活され、前記活性炭が８００〜３０００ｍ２／ｋｇの表面積を有する、実施形態１〜４のいずれか１つに記載のカソード。
【００７５】
実施形態６
前記活性炭が、非リグノセルロース材料、リグノセルロース材料、石油材料、またはそれらの組合せに由来する、実施形態１〜５のいずれか１つに記載のカソード。
【００７６】
実施形態７
実施形態１〜６のいずれか１つに記載のカソードと、
導電性基体上にコーティングされた、ココナツ殻由来炭素、導電性炭素、およびバインダを含むアノードと
を含むことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【００７７】
実施形態８
コーティングされた前記アノードの表面の少なくとも一部にコーティングされたリチウム複合材料粉末を更に含む、実施形態７記載のリチウムイオンキャパシタ。
【００７８】
実施形態９
コーティングされた前記アノードの表面の少なくとも一部にコーティングされたリチウム複合材料粉末を有する前記アノードと、
前記カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間にあるセパレータと
の積層体を含むセルを更に含む、実施形態８記載のリチウムイオンキャパシタ。
【００７９】
実施形態１０
非水性電解質を更に含む、実施形態７〜９のいずれか１つに記載のリチウムイオンキャパシタ。
【００８０】
実施形態１１
前記セルがゼリーロール構成である、実施形態７〜９のいずれか１つに記載のリチウムイオンキャパシタ。
【００８１】
実施形態１２
前記セルが、２５〜１００ｍＡｈ／ｇのカソード放電容量と、２５〜６０Ｗｈ／Ｌの最大エネルギー密度とを有する、実施形態７〜９のいずれか１つに記載のリチウムイオンキャパシタ。
【００８２】
実施形態１３
実施形態１記載のカソードを製造する方法であって、
不活性雰囲気中で５００〜１０００℃で１〜１０時間にわたって非リグノセルロース由来炭素材料を賦活して、賦活された粒子を生じる工程と、
前記賦活された粒子を酸で処理し、次に中和する工程と、
前記中和された粒子を不活性雰囲気中で５００〜１０００℃で１〜１０時間にわたって熱処理する工程と、
前記熱処理された粒子をバインダおよび溶媒と混合して混合物を形成する工程と、
前記混合物を導電性集電体に塗布してカソードを形成する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【００８３】
実施形態１４
前記非リグノセルロース由来炭素粒子が、小麦粉、トウモロコシ粉、ジャガイモ粉、米粉、またはそれらの混合物から選択される、実施形態１３記載の方法。
【００８４】
実施形態１５
前記混合物を導電性集電体に塗布して前記カソードを形成する前記工程の前に、前記混合物に１〜８重量％の量の導電性炭素を含ませる工程を更に含む、実施形態１３〜１４のいずれか１つに記載の方法。
【００８５】
実施形態１６
実施形態９記載のリチウムイオンキャパシタを用いる方法であって、
前記リチウムイオンキャパシタを充電する工程、
前記リチウムイオンキャパシタを放電する工程、
またはそれらの組合せ
を含み、
前記セルが、２５〜１００ｍＡｈ／ｇのカソード放電容量と、２５〜６０Ｗｈ／Ｌの最大エネルギー密度とを有する、ことを特徴とする方法。
【００８６】
実施形態１７
前記充電する工程および前記放電する工程が複数回のサイクルで繰り返される、実施形態１６記載の方法。
【００８７】
実施形態１８
前記キャパシタを、車輌、電化製品、民生用電子装置、送電線網システムの構成要素、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つと組み合わせて放電する工程を更に含む、実施形態１６記載の方法。
【図１】
2018507551.tif 000006
【図２】
2018507551.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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