[发明专利]锂离子电容器及其充放电方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电容器和所述锂离子电容器的充放电方法。更具体地，本发明涉及锂离子电容器用电解质的改进。

背景技术

随着环境问题受到高度关注，对将清洁能如日光和风能转化为电力以及将电力储存为电能的系统进行了积极研究。这种蓄电装置的已知实例包括锂离子二次电池(LIB)、电双层电容器(EDLC)、锂离子电容器等。近年来，从优异的瞬时充放电特性、高输出特性和易于操作的角度来看，诸如EDLC和锂离子电容器的电容器已经受到了关注。

这种电容器的电容量比LIB等的电容量低，但锂离子电容器具有LIB和EDLC两者的优点且倾向于具有相对高的电容量。因此，这种锂离子电容器有望用于多种应用中。锂离子电容器通常包含：正极，所述正极含有活性碳等作为正极活性材料；负极，所述负极含有能够吸藏和放出锂离子的碳材料等作为负极活性材料；以及非水电解质。在这种锂离子电容器中，将能够吸藏和放出锂离子的碳材料用于负极中。因此，通过用锂对负极进行预掺杂而使负极电位降低，且由此容易获得一定程度上的高电容量。

锂离子电容器的非水电解质通常为含有诸如锂盐的电解质的有机溶剂溶液(有机电解质)。电解质的有机溶剂为例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)等(专利文献1)。还已经研究了，将除电解质和有机溶剂以外还含有离子液体的有机电解质用于锂离子电容器(专利文献2)。

在LIB的领域内还已经研究了，将离子液体用作电解质用溶剂(专利文献3)。所述离子液体为包含阳离子和阴离子且在熔融态下具有流动性的盐。所述离子液体至少在熔融态下具有离子传导性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2007-294539号公报

专利文献2：日本专利特开2012-142340号公报

专利文献3：日本专利特开2010-97922号公报

发明内容

技术问题

在电容器中，锂离子电容器可以具有相对高的充电电压且因此从电容量增加的角度来看是有利的。然而，如在专利文献1和专利文献2中所述，将有机电解质用于锂离子电容器中。当使用有机电解质的锂离子电容器的充电电压增加时，在充电期间正极电位增加，这导致在有机电解质中含有的有机溶剂在正极处的氧化分解。结果，生成大量气体，这使得难以稳定地进行充放电。

在专利文献3中，将离子液体用作LIB用电解质的溶剂。与EC和DEC相比，离子液体不易分解。因此，据认为，可以使充电的上限电压增加，是因为如果将离子液体也用于锂离子电容器中，则不需要使用有机溶剂；或者即使使用有机溶剂，也可以降低有机溶剂的量。然而，本发明人已经发现，在锂离子电容器中，即使当使用离子液体时，也与LIB的情况不同，有时不能可逆地进行充放电。

技术方案

鉴于前述内容，本发明的一方面涉及锂离子电容器，所述锂离子电容器包含含有正极活性材料的正极、含有负极活性材料的负极、置于所述正极与所述负极之间的隔膜和锂离子导电电解质。所述电解质含有锂盐和离子液体。所述锂盐为用作第一阳离子的锂离子和第一阴离子的盐，且所述离子液体为第二阳离子和第二阴离子的熔融盐。所述第一阴离子和所述第二阴离子相同。

在这种锂离子电容器中，可以以稳定的方式可逆地进行充放电。此外，在这种锂离子电容器中，即使当进行充电至诸如大于4.2V的上限电压时，也可以稳定地进行充放电。

在电解质中的锂盐和离子液体的总含量可以为例如90质量％以上。即使当充电的上限电压高时，通过使用这种电解质也可以更稳定地进行充放电。此外，即使当含有耐分解性低的溶剂(例如，有机溶剂如碳酸酯)时，也可以降低所述溶剂的量，且由此可以有效地抑制由溶剂的分解导致的气体生成。

第一阴离子和第二阴离子各自优选为双(氟磺酰)亚胺阴离子或双(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子。当电解质含有这种阴离子时，容易使电解质的粘度降低且可以将锂离子顺利地吸藏进负极活性材料中，这在可逆地进行充放电方面是有利的。

第二阳离子优选为有机阳离子。有机阳离子优选具有含氮杂环。当电解质含有这种第二阳离子时，可以使熔融盐的熔点降低，且因此可以使离子更顺利地移动。

电解质优选具有1mol/L～5mol/L的锂浓度。通过使用具有这种锂浓度的电解质，可以更有效地增加锂离子电容器的电容量或输出。

负极活性材料优选含有选自石墨和硬碳中的至少一种。这种负极活性材料具有良好的吸藏和放出锂离子的性质，且由此可以更顺利地进行充放电。