[发明专利]锂离子电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电容器，该锂离子电容器即使在诸如车载装置等苛刻的条件下使用时也可以保持优异的特性。

背景技术

近年来，负极使用石墨等碳素材料、正极使用LiCoO₂等含锂金属氧化物的所谓锂离子二次电池具有高容量，其作为一种强大的蓄电装置、主要作为笔记本电脑及移动电话的主电源而应用到实际中。锂离子二次电池是这样一种所谓的摇椅式电池：在电池组装后，进行充电操作，从而由作为正极的含锂金属氧化物向负极供给锂离子，而在放电操作中，负极的锂离子返回正极。这种锂离子二次电池的特征在于具有高电压和高容量。

另一方面，在环境问题倍受重视的情形下，取代汽油动力车辆的电动汽车或混合动力汽车所用的蓄电装置(主电源和辅助电源)得到长足发展。此外，作为汽车蓄电装置，迄今为止一直使用的是铅电池。但是，由于车载用电气设备及仪器的发展，从能量密度及输出密度的角度来看，需要使用新型蓄电装置。

作为上述的新型蓄电装置，锂离子二次电池及电气双层电容器倍受关注。但是，虽然锂离子二次电池的能量密度高，但其在输出特性、安全性及循环使用寿命方面存在问题。另一方面，用作IC及LSI等存储器的备用电源的电气双层电容器每充一次电的放电容量比电池每充一次电的放电容量小。但是，这种电气双层电容器的瞬间充放电特性优异，并且可以承受数万次以上的充放电循环，所以其具有锂离子二次电池所没有的高输出特性和免维护性能。

虽然电气双层电容器具有这些优点，但现有的普通电气双层电容器的能量密度大致为3Wh/l至4Wh/l，基本上比锂离子二次电池的能量密度小两个数量级。在考虑将电气双层电容器应用到电动车上时，据信，对于实际应用而言，电气双层电容器的能量密度需要为6Wh/l至10Wh/l，而对于推广应用而言，其能量密度需要为20Wh/l。

作为应对这种需要高能量密度、高输出特性用途的蓄电装置，近年来，将锂离子二次电池与电气双层电容器的蓄电原理相结合的、被称为混合型电容器的蓄电装置引人注目。混合型电容器通常在正极使用可极化电极，而在负极使用不可极化电极，并且这种混合型电容器作为一种同时兼有电池的高能量密度和电气双层电容器的高输出特性的蓄电装置而受到关注。另一方面，在该混合型电容器中，有人提出这样一种电容器，即，通过使可以存储与释放锂离子的负极与锂金属接触，使得负极预先以电化学方式存储、承载(下文在某些情况下称之为掺杂)锂离子，由此降低负极电位，从而使得耐压增大并使得能量密度大幅度地提高(参见专利文献1～4)。

在这种混合型电容器中，可以期望获得高性能。但是，当向负极掺杂锂离子时，金属锂必须与整个负极贴合，或者可以在电池内的部分区域中局部地设置金属锂，从而使其与负极接触。但是，这又存在掺杂需要很长时间以及不能均匀地对整个负极实施掺杂的问题。特别是，在大型的高容量电池中，例如，在通过电极卷绕而形成的圆筒形装置中或者在通过多片电极叠置而形成的方形电池中，很难实现实用化。

但是，通过下述发明可以使上述这些问题迎刃而解，在该发明中，设置贯穿构成电池的负极集电体和正极集电体的正反两面的孔，使锂离子穿过该孔移动，同时使作为锂离子供给源的锂金属与负极发生短路，由此，只要将锂金属设置到电池的端部，即可将锂离子掺杂到电池的整个负极中(参见专利文献5)。通常，锂离子被掺杂到负极中。但是，专利文献5中公开了即使向正极和负极都掺杂锂离子、或者向正极而不是负极掺杂锂离子，其情况与上述在负极中掺杂锂离子的情况相似。

这样，即使在通过电极卷绕而形成的圆筒形蓄电装置、或者通过多片电极叠置而形成的方形蓄电装置这样的大型电池中，也能够在短时间内将锂离子均匀地掺杂到所述装置的整个负极中并覆盖整个负极，从而提高耐压，由此大幅度地提高能量密度。结果，有望获得一种高容量的、并具有电气双层电容器所固有的高输出密度的电容器。

然而，要想将这种高容量的电容器投入到实际应用中，还需要其具有更高的耐压、容量、能量密度和输出密度。此外，当将这种电容器投入到实际应用中时，需要其即使在诸如车载装置(其中，温度和湿度变化大、并且会受到震动)这样的苛刻工作条件下仍可以长期稳定地保持其性能。

专利文献1：JP-A-08-107048

专利文献2：JP-A-09-055342

专利文献3：JP-A-09-232190

专利文献4：JP-A-11-297578

专利文献5：WO 98/033227

发明内容