２次電源及びその製造方法
【課題】本発明は２次電源及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明による２次電源は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層されたものである。
【解決手段】本発明による２次電源は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層されたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２次電源及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、エネルギー密度が高く、出力特性に優れた２次電源及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器のような各種電子製品において重要な要素となっているのは、安定したエネルギー供給である。一般的にこのような機能はキャパシター（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）により行われる。すなわち、キャパシターは情報通信機器及び各種電子製品の回路に電気を貯めて放出する機能をし、回路内の電気の流れを安定化させる役割をする。しかし、従来のキャパシターは、充放電時間が極めて短くて寿命が長く、出力密度が高い反面、エネルギー密度が小さいため、エネルギー貯蔵装置として使用するには限界がある。
【０００３】
このような限界を克服するために、最近では、充放電時間が短い上に出力密度の高い電気二重層キャパシターのような新しい範疇のキャパシターが開発されており、２次電池と共に次世代エネルギー装置として脚光を浴びている。
【０００４】
最近、電気二重層キャパシターと類似の原理で作動する多様な電気化学素子が開発され、リチウムイオン２次電池と電気二重層キャパシターの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシターと呼ばれるエネルギー貯蔵装置が注目されている。このようなハイブリッドキャパシターとしては、正極集電体及び第１電極集電体に表裏面を貫通する孔を形成し、第１電極物質がリチウムイオンを可逆的に担持できるものを使用し、リチウム金属を第１電極または正極と対向配置し、これらの電気化学的接触によってリチウムイオンが第１電極に担持されるリチウムイオンキャパシターが提案されている。
【０００５】
リチウムイオンキャパシターは、集電体に表裏面を貫通する孔を設けることによってリチウムイオンが電極集電体に遮断されることなく移動できるようになり、積層数が多いセル構成の蓄電装置においても、積層された複数の第１電極にリチウムイオンを電気化学的に担持させることが可能となる。
【０００６】
しかし、リチウム金属を用いたリチウムイオンの担持には長い時間を要し、組み立てられたセル中に存在するリチウム金属によりデッドボリューム（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）が増加するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１０４７３５号公報
【特許文献２】韓国公開特許第２００７−０１０８８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、エネルギー密度が高く、出力特性に優れた２次電源及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の一実施形態は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層された２次電源を提供する。
【００１０】
上記第１導電性シートは、金属箔状であることができる。
【００１１】
上記単位セルは、順に積層された第１電極、分離膜、第２電極が巻き取られた形態であることができる。
【００１２】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階によってリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１３】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を複数配置してリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１４】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１５】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１６】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１７】
上記２次電源は、上記単位セルが複数積層して形成されるものであることができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層されたリチウムイオンキャパシターを提供する。
【００１９】
本発明のさらに他の実施形態は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、上記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、上記第１電極、分離膜、上記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階とを含む２次電源の製造方法を提供する。
【００２０】
上記２次電源の製造方法は、上記第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を測定する段階をさらに含むことができる。
【００２１】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階で行われることができる。
【００２２】
上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属は、複数配置されて行われることができる。
【００２３】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させて行われることができる。
【００２４】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えて行われることができる。
【００２５】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させて行われることができる。
【００２６】
上記２次電源の製造方法は、上記単位セルを複数個積層する段階をさらに含むことができる。
【００２７】
本発明のさらに他の実施形態は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、上記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、上記第１電極、分離膜、上記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階とを含むリチウムイオンキャパシターの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の一実施形態によると、電極を構成する導電性シートは金属箔状であることができ、これによって、電極物質の形成及び厚さを容易に調節することができる。金属箔状の導電性シートは貫通孔が形成された導電性シートに比べてテンション（ｔｅｎｓｉｏｎ）が優れており、巻取型（ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｙｐｅ）の２次電源を製造することができる。
【００２９】
本発明の一実形態によると、２次電源に金属を含まず、デッドボリュームを減少させることができる。
【００３０】
また、第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を最適化することができ、エネルギー密度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態による第１電極を示す概略的な斜視図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｃ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｄ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図３ａ】本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルを示す概略的な斜視図である。
【図３ｂ】本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルが複数積層されたキャパシターセルを示す概略的な断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面において、構成要素の形状及びサイズなどはより明確な説明のために誇張することもあり、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【００３３】
本発明における２次電源とは、情報通信機器及び各種電子製品の回路において主電源として使用されたり、補助的に電気を供給する機能をするエネルギー貯蔵装置であって、１次電源とは異なって、充電と放電を繰り返して使用可能なエネルギー貯蔵装置を意味する。
【００３４】
本発明の一実施形態による２次電源は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成された第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層されたものであることができる。
【００３５】
また、本発明の他の実施形態による２次電源は、上記積層された１つの第１電極、分離膜及び第２電極を単位セルＣと定義し、上記単位セルが複数積層されて形成されたものであることができる。
【００３６】
本発明による２次電源の具体的な例としては電気化学キャパシターが挙げられるが、以下では、図１から図３を参照して電気化学キャパシターの一例であるリチウムイオンキャパシターについて説明する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態による第１電極を示す概略的な斜視図であり、図２ａから図２ｄは、それぞれ本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図であり、図３ａは、本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルを示す概略的な斜視図であり、図３ｂは、本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルが複数積層されたキャパシターセルを示す概略的な断面図である。
【００３８】
本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、図３ａに示すように、上記第１電極１０と、第２電極２０と、上記第１及び第２の電極の間に配置された分離膜３０とを含むキャパシター単位セルＣを含むことができる。
【００３９】
また、本発明の他の実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、図３ｂに示すように、上記積層された１つの第１電極、分離膜及び第２電極をキャパシター単位セルＣと定義し、上記キャパシター単位セルが複数積層して形成されたリチウムイオンキャパシターであることができる。
【００４０】
本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、次のような方法により製造されることを特徴とし、これについては以下で詳しく説明する。
【００４１】
まず、図１に示すように、第１導電性シート１１に第１電極物質１２を形成して第１電極１０を設ける。本実施形態において上記第１電極１０は「負極」、第２電極２０は「正極」に設定できる。
【００４２】
上記第１電極物質１２としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な物質を使用することができ、これに限定されるものではないが、例えば、グラファイト、ハードカーボン、コークスなどの炭素材料、ポリアセン系物質などを使用することができる。
【００４３】
また、上記第１電極物質１２と導電性材料を混合して第１電極を形成することができ、上記導電性材料はこれに限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末などが挙げられる。
【００４４】
上記第１電極物質１２の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１５〜１００μｍで形成されることができる。
【００４５】
上記第１導電性シート１１は、上記第１電極物質１２に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集める集電体の役割をするもので、金属箔（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｏｉｌ）または導電性ポリマーからなることができる。
【００４６】
上記金属箔は、ステンレス、銅、ニッケル、アルミニウム等からなることができる。
【００４７】
上記第１導電性シート１１は、第１電極物質が形成されない第１端子引出部１１ａを有することができる。上記第１端子引出部１１ａは、キャパシターセルに電気を印加するためのパッケージの外部端子と連結されることができ、その後、第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる工程に利用されることができる。
【００４８】
従来は、第１電極にリチウムイオンを吸蔵させるために貫通孔が形成された集電体上に第１電極物質を形成したが、このような場合、流動性を有する電極物質スラリーが集電体の貫通孔を通過して抜けることがあり、厚さの調節が困難であった。
【００４９】
しかし、本実施形態では、上記第１導電性シートが金属箔状であり、電極物質の形成及び厚さを容易に調節できる。また、貫通孔が形成された集電体に比べてテンションが優れており、巻取型キャパシターセルを製造することができる。
【００５０】
次に、上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる方法としては、特に限定されるものではないが、電気メッキ方法によりリチウムイオンを（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）、電気的短絡方法（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ）、直接拡散方法（ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、または電気的短絡拡散方法（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ ＆ ｃｏｎｔａｃｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）が挙げられる。
【００５１】
図２ａは、本発明の一実施形態による電気メッキによりリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【００５２】
図２ａに示すように、分離膜３１を介して第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向配置する。上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０は、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００５３】
上記対向配置された第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０の両面に押え板５０ａ、５０ｂを配置し圧着して単位体Ａを製造する。
【００５４】
本発明では、複数の上記単位体Ａを配置して電気メッキを行うことを特徴とする。上記単位体Ａを複数配置した後、電解液に含浸させる。その後、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）とし、定電流及び定電圧で充電して上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。
【００５５】
より具体的には、上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階で行われることができる。
【００５６】
このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定し、リチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。吸蔵されるリチウムイオンの量は電気化学的設定条件によって測定及び調節が可能であり、製造される電気化学キャパシターの容量に応じて最適化される。
【００５７】
上記のようなリチウムイオンの吸蔵工程は、吸蔵された第１電極を保持するためにドライルーム（ｄｒｙ ｒｏｏｍ）で行われることができる。
【００５８】
図２ｂは、本発明の一実施形態による電気的短絡方法を示す工程模式図である。
【００５９】
図２ｂに示すように、分離膜３１を介して第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向配置する。
【００６０】
上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００６１】
本実施形態では、複数の分離膜３１を介して複数の第１電極１０及びリチウムイオンの供給が可能な金属４０をそれぞれ対向配置することができる。その後、対向配置された複数の第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０の両端に押え板５０ａ、５０ｂを配置し圧着することができる。
【００６２】
その後、上記第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を短絡させて上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定してリチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。
【００６３】
図２ｃは、本発明の一実施形態による直接拡散方法を示す工程模式図である。
【００６４】
図２ｃに示すように、第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を接触させる。上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００６５】
本実施形態では、複数の第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０が接触して使用されることができる。その後、接触した第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０に熱を加え、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０から上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定してリチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。
【００６６】
図２ｄは、本発明の一実施形態による電気的短絡拡散方法を示す工程模式図である。
【００６７】
図２ｄに示すように、第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を接触させる。上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンを供給できるものを使用することができる。
【００６８】
その後、接触した第１電極１０と金属４０を電気的に短絡させる。本実施形態では、第１電極１０と金属４０を電気的に短絡させてリチウムイオンを第１電極に直接拡散する方法を採用している。
【００６９】
次に、図３ａに示すように、第２導電性シート２１に第２電極物質２２を形成して第２電極２０を設ける。上記第２電極物質２２は、これに限定されるものではないが、例えば活性炭を使用することができ、上記活性炭と導電性材料及びバインダーを混合して第２電極を形成することができる。
【００７０】
上記第２電極物質の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１５〜１００μｍで形成されることができる。
【００７１】
上記第２導電性シート２１は上記第２電極物質に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集める集電体の役割をするもので、金属箔または導電性ポリマーからなることができる。上記金属箔はアルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等からなることができる。
【００７２】
上記第２導電性シート２１は第２電極物質が形成されない第２端子引出部２１ａを有することができる。上記第２端子引出部２１ａはキャパシターセルに電気を印加するためのパッケージの外部端子と連結されることができる。
【００７３】
その後、上記第１電極１０と第２電極２０との間に分離膜３０を配置し、積層してキャパシターセル単位セルＣを形成する。
【００７４】
上記分離膜３０はイオンの透過ができるよう多孔性物質からなることができる。この場合、多孔性物質として、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス繊維などが挙げられる。
【００７５】
１つの第１電極１０、分離膜３０及び第２電極２０はキャパシターの単位セルＣを構成し、複数の単位セルが積層されると、さらに高い電気容量が得られる。
【００７６】
図３ｂに示すように、上記キャパシターの単位セルＣを複数積層してキャパシターセルを形成することができる。
【００７７】
その後、キャパシターセルをリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解液に含浸して電気化学キャパシターを製造することができる。
【００７８】
従来は、複数の第１電極及び第２電極を積層した後にリチウムイオンを吸蔵させる工程で、積層セルにリチウムイオンを吸蔵するためのリチウム金属を含ませていた。そのため、キャパシターセルのサイズが増加し、電気化学キャパシターの小型化に限界を与えていた。
【００７９】
本実施形態はキャパシターセルに金属を含まず、デッドボリュームを減少させることができる。
【００８０】
また、第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を最適化することができ、エネルギー密度を向上させることができる。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
〔実施例１及び比較例１〕
【００８２】
負極を形成するための電極物質としてグラファイト系（ＫＳ６，ＴＩＭＣＡＬ社製）を用い、スーパーＰ（Ｓｕｐｅｒ−Ｐ，ＴＩＭＣＡＬ社製）、ＣＭＣ及びＳＢＲを重量比で９５：３：１．５：１．５の割合で水と共に混合分散させてスラリーを得た。銅箔集電体の両面にスラリーを塗布・乾燥・プレスして厚さ８０μｍのシートを製作し、電極を、横３ｃｍ×縦４ｃｍのサイズに切り出して負極を製作した。製作された負極には電気化学的メッキ方法によってリチウムイオンを吸蔵させた。負極とリチウム金属を電気化学的に連結し、第１段階として、０．０６ｍＡ／ｃｍ２の条件の定電流で０．０１Ｖまで負極の電位を下げ、引き続き、第２段階として、０．０１Ｖの定電圧で約２時間維持した。これにより、それぞれの負極の電位が０．１Ｖ以下に製作された。
【００８３】
正極を形成するための電極物質として非多孔性炭（ＧＳ Ｃａｌｔｅｘ社製）を用い、カーボンブラック（Ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、ＣＭＣ及びＳＢＲを重量比で８０：１０：５：５の割合で水と共に混合分散させてスラリーを得た。アルミニウム集電体の両面にスラリーを塗布・乾燥・プレスして厚さ８０μｍのシートを製作し、電極を横３ｃｍ×縦４ｃｍのサイズに切り出して正極を製作した。
【００８４】
リチウムが吸蔵された負極と正極を、厚さ２５μｍのポリエチレン系分離膜を用いてそれぞれ対向させた後、１１対の負極及び正極を分離膜を介して接するように積層した。正極にはアルミニウムリードタップ（ｌｅａｄ ｔａｂ）を、負極にはニッケルリードタップを溶接してキャパシターセルを製作した。
【００８５】
製作されたキャッピーシッターセルはエチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）とジメチルカーボネート（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）との混合溶媒（体積比で１：１）に１ｍｏｌ濃度でＬｉＰＦ６を溶解した電解液に添加し、初期電圧・電流による充放電サイクルを５回繰り返した。
【００８６】
図４及び図５には、上記実施例１によるキャパシターの電位とセルの性能が示されている。比較例１は負極に対する電気化学的メッキ方法において、第１段階のみを施した場合である。図４及び図５を参照すると、比較例１は実施例１に比べてキャパシターセルの性能が低下することが確認できる。
〔実施例２、３及び比較例３、４〕
【００８７】
上記実施例１で製作された負極に、直接拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた。直接拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた負極を用い、実施例１と同様にキャパシターセルを製造した（実施例２及び３）。図６は、実施例２及び３によるキャパシターと電気二重層キャパシター（ＥＤＬＣ，比較例２及び３）に対する性能として、容量と出力を比較した結果である。上記電気二重層キャパシターは、負極と正極の何れも非多孔性炭（ＧＳ Ｃａｌｔｅｘ社製）を電極物質として製作されたセルであり、常用化されたＥＤＬＣ電解液を使って評価した。
【００８８】
図６を参照すると、本実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、ＥＤＬＣに比べて優れた容量及び類似した出力特性を示した。
〔実施例４〕
【００８９】
上記実施例１で製作された負極に、電気的短絡拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた。電気的短絡拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた負極を用い、実施例１と同様にキャパシターセルを製造した（実施例４）。図７は、電気的短絡拡散方法による負極のリチウムイオン吸蔵結果を示すグラフであり、図８は、電気的短絡拡散方法により製作された負極を含むリチウムイオンキャパシターの充放電サイクル特性及びＥＳＲ変化を示すグラフである。図８を参照すると、本実施形態によるリチウムイオンキャパシターは優れた充放電サイクル、低いＥＳＲといった優れた性能を示す。
【００９０】
本発明は、前述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって限定されるものである。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で、当該技術分野における通常の知識を有する者によって様々な形態の置換、変形、及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属するものといえる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ 第１電極
２０ 第２電極
３０、３１ 分離膜
４０ 金属
５０ａ、５０ｂ 押え板
Ｃ キャパシター単位セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は２次電源及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、エネルギー密度が高く、出力特性に優れた２次電源及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器のような各種電子製品において重要な要素となっているのは、安定したエネルギー供給である。一般的にこのような機能はキャパシター（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）により行われる。すなわち、キャパシターは情報通信機器及び各種電子製品の回路に電気を貯めて放出する機能をし、回路内の電気の流れを安定化させる役割をする。しかし、従来のキャパシターは、充放電時間が極めて短くて寿命が長く、出力密度が高い反面、エネルギー密度が小さいため、エネルギー貯蔵装置として使用するには限界がある。
【０００３】
このような限界を克服するために、最近では、充放電時間が短い上に出力密度の高い電気二重層キャパシターのような新しい範疇のキャパシターが開発されており、２次電池と共に次世代エネルギー装置として脚光を浴びている。
【０００４】
最近、電気二重層キャパシターと類似の原理で作動する多様な電気化学素子が開発され、リチウムイオン２次電池と電気二重層キャパシターの蓄電原理を組み合わせたハイブリッドキャパシターと呼ばれるエネルギー貯蔵装置が注目されている。このようなハイブリッドキャパシターとしては、正極集電体及び第１電極集電体に表裏面を貫通する孔を形成し、第１電極物質がリチウムイオンを可逆的に担持できるものを使用し、リチウム金属を第１電極または正極と対向配置し、これらの電気化学的接触によってリチウムイオンが第１電極に担持されるリチウムイオンキャパシターが提案されている。
【０００５】
リチウムイオンキャパシターは、集電体に表裏面を貫通する孔を設けることによってリチウムイオンが電極集電体に遮断されることなく移動できるようになり、積層数が多いセル構成の蓄電装置においても、積層された複数の第１電極にリチウムイオンを電気化学的に担持させることが可能となる。
【０００６】
しかし、リチウム金属を用いたリチウムイオンの担持には長い時間を要し、組み立てられたセル中に存在するリチウム金属によりデッドボリューム（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）が増加するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１０４７３５号公報
【特許文献２】韓国公開特許第２００７−０１０８８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、エネルギー密度が高く、出力特性に優れた２次電源及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の一実施形態は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層された２次電源を提供する。
【００１０】
上記第１導電性シートは、金属箔状であることができる。
【００１１】
上記単位セルは、順に積層された第１電極、分離膜、第２電極が巻き取られた形態であることができる。
【００１２】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階によってリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１３】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を複数配置してリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１４】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１５】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１６】
上記第１電極は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたものであることができる。
【００１７】
上記２次電源は、上記単位セルが複数積層して形成されるものであることができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層されたリチウムイオンキャパシターを提供する。
【００１９】
本発明のさらに他の実施形態は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、上記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、上記第１電極、分離膜、上記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階とを含む２次電源の製造方法を提供する。
【００２０】
上記２次電源の製造方法は、上記第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を測定する段階をさらに含むことができる。
【００２１】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階で行われることができる。
【００２２】
上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属は、複数配置されて行われることができる。
【００２３】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させて行われることができる。
【００２４】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えて行われることができる。
【００２５】
上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、上記第１電極と上記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させて行われることができる。
【００２６】
上記２次電源の製造方法は、上記単位セルを複数個積層する段階をさらに含むことができる。
【００２７】
本発明のさらに他の実施形態は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、上記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、上記第１電極、分離膜、上記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階とを含むリチウムイオンキャパシターの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の一実施形態によると、電極を構成する導電性シートは金属箔状であることができ、これによって、電極物質の形成及び厚さを容易に調節することができる。金属箔状の導電性シートは貫通孔が形成された導電性シートに比べてテンション（ｔｅｎｓｉｏｎ）が優れており、巻取型（ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｙｐｅ）の２次電源を製造することができる。
【００２９】
本発明の一実形態によると、２次電源に金属を含まず、デッドボリュームを減少させることができる。
【００３０】
また、第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を最適化することができ、エネルギー密度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態による第１電極を示す概略的な斜視図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｃ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図２ｄ】本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【図３ａ】本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルを示す概略的な斜視図である。
【図３ｂ】本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルが複数積層されたキャパシターセルを示す概略的な断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターの特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面において、構成要素の形状及びサイズなどはより明確な説明のために誇張することもあり、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【００３３】
本発明における２次電源とは、情報通信機器及び各種電子製品の回路において主電源として使用されたり、補助的に電気を供給する機能をするエネルギー貯蔵装置であって、１次電源とは異なって、充電と放電を繰り返して使用可能なエネルギー貯蔵装置を意味する。
【００３４】
本発明の一実施形態による２次電源は、第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、上記第１電極は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成された第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いて上記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、上記単位セルに積層されたものであることができる。
【００３５】
また、本発明の他の実施形態による２次電源は、上記積層された１つの第１電極、分離膜及び第２電極を単位セルＣと定義し、上記単位セルが複数積層されて形成されたものであることができる。
【００３６】
本発明による２次電源の具体的な例としては電気化学キャパシターが挙げられるが、以下では、図１から図３を参照して電気化学キャパシターの一例であるリチウムイオンキャパシターについて説明する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態による第１電極を示す概略的な斜視図であり、図２ａから図２ｄは、それぞれ本発明の一実施形態による第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図であり、図３ａは、本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルを示す概略的な斜視図であり、図３ｂは、本発明の一実施形態によるキャパシター単位セルが複数積層されたキャパシターセルを示す概略的な断面図である。
【００３８】
本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、図３ａに示すように、上記第１電極１０と、第２電極２０と、上記第１及び第２の電極の間に配置された分離膜３０とを含むキャパシター単位セルＣを含むことができる。
【００３９】
また、本発明の他の実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、図３ｂに示すように、上記積層された１つの第１電極、分離膜及び第２電極をキャパシター単位セルＣと定義し、上記キャパシター単位セルが複数積層して形成されたリチウムイオンキャパシターであることができる。
【００４０】
本発明の一実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、次のような方法により製造されることを特徴とし、これについては以下で詳しく説明する。
【００４１】
まず、図１に示すように、第１導電性シート１１に第１電極物質１２を形成して第１電極１０を設ける。本実施形態において上記第１電極１０は「負極」、第２電極２０は「正極」に設定できる。
【００４２】
上記第１電極物質１２としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な物質を使用することができ、これに限定されるものではないが、例えば、グラファイト、ハードカーボン、コークスなどの炭素材料、ポリアセン系物質などを使用することができる。
【００４３】
また、上記第１電極物質１２と導電性材料を混合して第１電極を形成することができ、上記導電性材料はこれに限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末などが挙げられる。
【００４４】
上記第１電極物質１２の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１５〜１００μｍで形成されることができる。
【００４５】
上記第１導電性シート１１は、上記第１電極物質１２に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集める集電体の役割をするもので、金属箔（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｏｉｌ）または導電性ポリマーからなることができる。
【００４６】
上記金属箔は、ステンレス、銅、ニッケル、アルミニウム等からなることができる。
【００４７】
上記第１導電性シート１１は、第１電極物質が形成されない第１端子引出部１１ａを有することができる。上記第１端子引出部１１ａは、キャパシターセルに電気を印加するためのパッケージの外部端子と連結されることができ、その後、第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる工程に利用されることができる。
【００４８】
従来は、第１電極にリチウムイオンを吸蔵させるために貫通孔が形成された集電体上に第１電極物質を形成したが、このような場合、流動性を有する電極物質スラリーが集電体の貫通孔を通過して抜けることがあり、厚さの調節が困難であった。
【００４９】
しかし、本実施形態では、上記第１導電性シートが金属箔状であり、電極物質の形成及び厚さを容易に調節できる。また、貫通孔が形成された集電体に比べてテンションが優れており、巻取型キャパシターセルを製造することができる。
【００５０】
次に、上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる方法としては、特に限定されるものではないが、電気メッキ方法によりリチウムイオンを（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）、電気的短絡方法（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ）、直接拡散方法（ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、または電気的短絡拡散方法（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ ＆ ｃｏｎｔａｃｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）が挙げられる。
【００５１】
図２ａは、本発明の一実施形態による電気メッキによりリチウムイオンを吸蔵させる方法を示す工程模式図である。
【００５２】
図２ａに示すように、分離膜３１を介して第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向配置する。上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０は、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００５３】
上記対向配置された第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０の両面に押え板５０ａ、５０ｂを配置し圧着して単位体Ａを製造する。
【００５４】
本発明では、複数の上記単位体Ａを配置して電気メッキを行うことを特徴とする。上記単位体Ａを複数配置した後、電解液に含浸させる。その後、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）とし、定電流及び定電圧で充電して上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。
【００５５】
より具体的には、上記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階で行われることができる。
【００５６】
このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定し、リチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。吸蔵されるリチウムイオンの量は電気化学的設定条件によって測定及び調節が可能であり、製造される電気化学キャパシターの容量に応じて最適化される。
【００５７】
上記のようなリチウムイオンの吸蔵工程は、吸蔵された第１電極を保持するためにドライルーム（ｄｒｙ ｒｏｏｍ）で行われることができる。
【００５８】
図２ｂは、本発明の一実施形態による電気的短絡方法を示す工程模式図である。
【００５９】
図２ｂに示すように、分離膜３１を介して第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を対向配置する。
【００６０】
上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００６１】
本実施形態では、複数の分離膜３１を介して複数の第１電極１０及びリチウムイオンの供給が可能な金属４０をそれぞれ対向配置することができる。その後、対向配置された複数の第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０の両端に押え板５０ａ、５０ｂを配置し圧着することができる。
【００６２】
その後、上記第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を短絡させて上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定してリチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。
【００６３】
図２ｃは、本発明の一実施形態による直接拡散方法を示す工程模式図である。
【００６４】
図２ｃに示すように、第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を接触させる。上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンの供給が可能なものを使用することができる。
【００６５】
本実施形態では、複数の第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０が接触して使用されることができる。その後、接触した第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０に熱を加え、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０から上記第１電極１０にリチウムイオンを吸蔵させる。このとき、吸蔵されるリチウムイオンの量を測定してリチウムイオンの吸蔵量を最適化することができる。
【００６６】
図２ｄは、本発明の一実施形態による電気的短絡拡散方法を示す工程模式図である。
【００６７】
図２ｄに示すように、第１電極１０とリチウムイオンの供給が可能な金属４０を接触させる。上述したように、上記リチウムイオンの供給が可能な金属４０としては、特に限定されず、例えば、リチウム金属またはリチウム−アルミニウム合金のようなリチウム元素を含有してリチウムイオンを供給できるものを使用することができる。
【００６８】
その後、接触した第１電極１０と金属４０を電気的に短絡させる。本実施形態では、第１電極１０と金属４０を電気的に短絡させてリチウムイオンを第１電極に直接拡散する方法を採用している。
【００６９】
次に、図３ａに示すように、第２導電性シート２１に第２電極物質２２を形成して第２電極２０を設ける。上記第２電極物質２２は、これに限定されるものではないが、例えば活性炭を使用することができ、上記活性炭と導電性材料及びバインダーを混合して第２電極を形成することができる。
【００７０】
上記第２電極物質の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１５〜１００μｍで形成されることができる。
【００７１】
上記第２導電性シート２１は上記第２電極物質に電気的信号を伝達し、蓄積された電荷を集める集電体の役割をするもので、金属箔または導電性ポリマーからなることができる。上記金属箔はアルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等からなることができる。
【００７２】
上記第２導電性シート２１は第２電極物質が形成されない第２端子引出部２１ａを有することができる。上記第２端子引出部２１ａはキャパシターセルに電気を印加するためのパッケージの外部端子と連結されることができる。
【００７３】
その後、上記第１電極１０と第２電極２０との間に分離膜３０を配置し、積層してキャパシターセル単位セルＣを形成する。
【００７４】
上記分離膜３０はイオンの透過ができるよう多孔性物質からなることができる。この場合、多孔性物質として、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス繊維などが挙げられる。
【００７５】
１つの第１電極１０、分離膜３０及び第２電極２０はキャパシターの単位セルＣを構成し、複数の単位セルが積層されると、さらに高い電気容量が得られる。
【００７６】
図３ｂに示すように、上記キャパシターの単位セルＣを複数積層してキャパシターセルを形成することができる。
【００７７】
その後、キャパシターセルをリチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解液に含浸して電気化学キャパシターを製造することができる。
【００７８】
従来は、複数の第１電極及び第２電極を積層した後にリチウムイオンを吸蔵させる工程で、積層セルにリチウムイオンを吸蔵するためのリチウム金属を含ませていた。そのため、キャパシターセルのサイズが増加し、電気化学キャパシターの小型化に限界を与えていた。
【００７９】
本実施形態はキャパシターセルに金属を含まず、デッドボリュームを減少させることができる。
【００８０】
また、第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を最適化することができ、エネルギー密度を向上させることができる。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
〔実施例１及び比較例１〕
【００８２】
負極を形成するための電極物質としてグラファイト系（ＫＳ６，ＴＩＭＣＡＬ社製）を用い、スーパーＰ（Ｓｕｐｅｒ−Ｐ，ＴＩＭＣＡＬ社製）、ＣＭＣ及びＳＢＲを重量比で９５：３：１．５：１．５の割合で水と共に混合分散させてスラリーを得た。銅箔集電体の両面にスラリーを塗布・乾燥・プレスして厚さ８０μｍのシートを製作し、電極を、横３ｃｍ×縦４ｃｍのサイズに切り出して負極を製作した。製作された負極には電気化学的メッキ方法によってリチウムイオンを吸蔵させた。負極とリチウム金属を電気化学的に連結し、第１段階として、０．０６ｍＡ／ｃｍ２の条件の定電流で０．０１Ｖまで負極の電位を下げ、引き続き、第２段階として、０．０１Ｖの定電圧で約２時間維持した。これにより、それぞれの負極の電位が０．１Ｖ以下に製作された。
【００８３】
正極を形成するための電極物質として非多孔性炭（ＧＳ Ｃａｌｔｅｘ社製）を用い、カーボンブラック（Ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、ＣＭＣ及びＳＢＲを重量比で８０：１０：５：５の割合で水と共に混合分散させてスラリーを得た。アルミニウム集電体の両面にスラリーを塗布・乾燥・プレスして厚さ８０μｍのシートを製作し、電極を横３ｃｍ×縦４ｃｍのサイズに切り出して正極を製作した。
【００８４】
リチウムが吸蔵された負極と正極を、厚さ２５μｍのポリエチレン系分離膜を用いてそれぞれ対向させた後、１１対の負極及び正極を分離膜を介して接するように積層した。正極にはアルミニウムリードタップ（ｌｅａｄ ｔａｂ）を、負極にはニッケルリードタップを溶接してキャパシターセルを製作した。
【００８５】
製作されたキャッピーシッターセルはエチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）とジメチルカーボネート（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）との混合溶媒（体積比で１：１）に１ｍｏｌ濃度でＬｉＰＦ６を溶解した電解液に添加し、初期電圧・電流による充放電サイクルを５回繰り返した。
【００８６】
図４及び図５には、上記実施例１によるキャパシターの電位とセルの性能が示されている。比較例１は負極に対する電気化学的メッキ方法において、第１段階のみを施した場合である。図４及び図５を参照すると、比較例１は実施例１に比べてキャパシターセルの性能が低下することが確認できる。
〔実施例２、３及び比較例３、４〕
【００８７】
上記実施例１で製作された負極に、直接拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた。直接拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた負極を用い、実施例１と同様にキャパシターセルを製造した（実施例２及び３）。図６は、実施例２及び３によるキャパシターと電気二重層キャパシター（ＥＤＬＣ，比較例２及び３）に対する性能として、容量と出力を比較した結果である。上記電気二重層キャパシターは、負極と正極の何れも非多孔性炭（ＧＳ Ｃａｌｔｅｘ社製）を電極物質として製作されたセルであり、常用化されたＥＤＬＣ電解液を使って評価した。
【００８８】
図６を参照すると、本実施形態によるリチウムイオンキャパシターは、ＥＤＬＣに比べて優れた容量及び類似した出力特性を示した。
〔実施例４〕
【００８９】
上記実施例１で製作された負極に、電気的短絡拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた。電気的短絡拡散方法でリチウムイオンを吸蔵させた負極を用い、実施例１と同様にキャパシターセルを製造した（実施例４）。図７は、電気的短絡拡散方法による負極のリチウムイオン吸蔵結果を示すグラフであり、図８は、電気的短絡拡散方法により製作された負極を含むリチウムイオンキャパシターの充放電サイクル特性及びＥＳＲ変化を示すグラフである。図８を参照すると、本実施形態によるリチウムイオンキャパシターは優れた充放電サイクル、低いＥＳＲといった優れた性能を示す。
【００９０】
本発明は、前述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって限定されるものである。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で、当該技術分野における通常の知識を有する者によって様々な形態の置換、変形、及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属するものといえる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ 第１電極
２０ 第２電極
３０、３１ 分離膜
４０ 金属
５０ａ、５０ｂ 押え板
Ｃ キャパシター単位セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、
前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層された、２次電源。
【請求項２】
前記第１導電性シートは、金属箔状であることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項３】
前記単位セルは、順に積層された第１電極、分離膜、第２電極が巻き取られた形態であることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項４】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階と、によってリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項５】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を複数配置してリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項４に記載の２次電源。
【請求項６】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項７】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項８】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項９】
前記単位セルが複数積層して形成されることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項１０】
第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、
前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層された、リチウムイオンキャパシター。
【請求項１１】
第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、
前記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、
第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、
前記第１電極、分離膜、前記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階と、
を含む２次電源の製造方法。
【請求項１２】
前記第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１３】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１４】
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属は、複数配置されて行われることを特徴とする請求項１３に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１５】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１６】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１７】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１８】
前記単位セルを複数個積層する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１９】
第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、
前記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、
第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、
前記第１電極、分離膜、前記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階と、
を含むリチウムイオンキャパシターの製造方法。
【請求項１】
第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、
前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層された、２次電源。
【請求項２】
前記第１導電性シートは、金属箔状であることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項３】
前記単位セルは、順に積層された第１電極、分離膜、第２電極が巻き取られた形態であることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項４】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階と、によってリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項５】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を複数配置してリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項４に記載の２次電源。
【請求項６】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項７】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項８】
前記第１電極は、前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させてリチウムイオンを吸蔵させたことを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項９】
前記単位セルが複数積層して形成されることを特徴とする請求項１に記載の２次電源。
【請求項１０】
第１電極、分離膜、第２電極の順に積層された単位セルを含み、
前記第１電極は、第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質が形成されたものであり、リチウムイオンの供給が可能な金属を用いて前記第１電極物質にリチウムイオンを吸蔵させた後、前記単位セルに積層された、リチウムイオンキャパシター。
【請求項１１】
第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、
前記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、
第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、
前記第１電極、分離膜、前記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階と、
を含む２次電源の製造方法。
【請求項１２】
前記第１電極に吸蔵されるリチウムイオンの量を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１３】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を対向電極とし、０．０１〜１ｍＡ／ｃｍ２の定電流条件で充電される第１段階と、０．０１〜０．１Ｖの定電圧条件で充電される第２段階と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１４】
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属は、複数配置されて行われることを特徴とする請求項１３に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１５】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を電気的に短絡させて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１６】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ熱を加えて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１７】
前記第１電極にリチウムイオンを吸蔵させる段階は、
前記第１電極と前記リチウムイオンの供給が可能な金属を接触させ電気的に短絡させて行われることを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１８】
前記単位セルを複数個積層する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の２次電源の製造方法。
【請求項１９】
第１導電性シートにリチウムイオンを可逆的に吸蔵可能な第１電極物質を形成して第１電極を設ける段階と、
前記第１電極にリチウムイオンの供給が可能な金属を用いてリチウムイオンを吸蔵させる段階と、
第２導電性シートに第２電極物質を形成して第２電極を設ける段階と、
前記第１電極、分離膜、前記第２電極の順に積層して単位セルを形成する段階と、
を含むリチウムイオンキャパシターの製造方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５８９１９（Ｐ２０１１−２５８９１９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２０１７（Ｐ２０１０−２９２０１７）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
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