리튬 이온 커패시터 document_id A220623030675

최근, 그래파이트 등의 탄소재료를 음극에 사용하고, 양극에 LiCoO2등의 리튬 함유 금속 산화물을 사용한 소위 리튬이온 2차 전지는 고용량이며 유력한 축전장치로서, 주로 노트북 컴퓨터나 휴대전화의 주전원으로서 실용화되고 있다. 리튬이온 2차 전지는, 전지 조립후, 충전함으로써 양극의 리튬 함유 금속산화물로부터 음극에 리튬 이온을 공급하고, 또한 방전에서는 음극의 리튬 이온을 양극으로 되돌리는, 소위 로킹 체어형 전지이며, 고전압 및 고용량, 고안전성을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 한편, 환경 문제가 클로우즈 업 될 때, 가솔린 차에 대치하는 전기 자동차용 또는 하이브리드 자동차용의 축전장치(메인 전원과 보조 전원)의 개발이 한창 행해지고, 또한 자동차용의 축전장치로서, 지금까지는 납전지가 사용되어 왔다. 그러나, 차재용의 전기설비나 기기의 충실에 의해, 에너지 밀도, 출력 밀도의 면에서 새로운 축전장치가 요구되게 되었다. 이러한 새로운 축전장치로서는, 상기의 리튬이온 2차 전지나 전기 이중층 커패시터가 주목받고 있다. 그러나, 리튬이온 2차 전지는 에너지 밀도가 높지만 출력 특성, 안전성이나 사이클 수명에는 문제를 남기고 있다. 한편, 전기 이중층 커패시터는, IC나 LSI의 메모리 백업용 전원으로서 이용되고 있지만, 1충전당 방전 용량은 전지에 비해 작다. 그러나, 순시의 충방전 특성에 뛰어나, 몇만 사이클 이상의 충방전에도 견딜 수 있는, 리튬이온 2차 전지에는 없는 높은 출력특성과 메인터넌스 프리성을 구비하고 있다. 전기 이중층 커패시터는 이러한 이점을 가지고 있지만, 종래의 일반적인 전기 이중층 커패시터의 에너지 밀도는 3～4Wh/1정도로, 리튬이온 2차 전지에 비해 2자리 정도 작다. 전기 자동차용을 생각했을 경우, 실용화에는 6～10Wh/1, 보급시키기 위해서는 20Wh/1의 에너지 밀도가 필요하다고 하고 있다. 이러한 고에너지 밀도, 고출력 특성을 요하는 용도에 대응하는 축전장치로서, 최근, 리튬이온 2차 전지와 전기 이중층 커패시터의 축전원리를 조합한 하이브리드 커패시터라고 불리는 축전장치가 주목받고 있다. 하이브리드 커패시터에서는, 통상, 양극에 분극성 전극을 사용하며, 음극에 비분극성 전극을 사용하는 것으로, 전지가 높은 에너지 밀도와 전기 이중층의 높은 출력특성을 겸비한 축전장치로서 주목받고 있다. 한편, 이 하이브리드 커패시터에 있어서, 리튬 이온을 흡장, 이탈할 수 있는 음극을 리튬 금속과 접촉시켜서, 미리 화학적 방법 또는 전기 화학적 방법으로 리튬 이온을 흡장, 담지(이하, 도핑이라고도 함)시켜서 음극 전위를 낮춤으로써, 내전압을 크게하여 에너지 밀도를 대폭 크게 하는 것을 의도한 커패시터가 제안되고 있다.(특허문헌 1～특허문헌 4참조) 이 종류의 하이브리드 커패시터에서는, 고성능은 기대되지만, 음극에 리튬 이온을 도핑 시킬 경우에, 도핑이 극에 달해서 장시간을 필요로 하는 것이나 음극전체에 대한 균일성이 있는 도핑에 문제를 가지고, 특히, 전극을 권회한 원통형 장치나, 복수매의 전극을 적층한 각형 전지와 같은 대형의 고용량 셀에서는 실용화는 곤란하다. 그러나, 이 문제는, 셀을 구성하는, 음극 집전체 및 양극 집전체의 표리에 관통하는 구멍을 설치하고, 이 관통공을 통해서 리튬 이온을 이동시킴과 동시에 리튬 이온 공급원인 리튬 금속과 음극을 단락시킴으로써, 셀의 단부에 리튬 금속을 배치하는 것만으로, 셀안의 전체 음극에 리튬 이온을 도핑할 수 있는 발명에 의해,한꺼번에 해결하는 데 이르렀다(특허문헌 5참조). 또한, 리튬 이온의 도핑은, 통상, 음극에 대하여 행해지지만, 음극과 함께, 또는 음극 대신에 양극에 행할 경우도 마찬가지로 특허문헌 5에 기재되어 있다. 이리하여, 전극을 권회한 원통형 장치나, 복수매의 전극을 적층한 각형 전지와 같은 대형의 셀에서도, 장치중의 전체 음극에 대하여 단시간에 또한 음극 전체에 균일하게 리튬 이온을 도핑할 수 있고, 내전압이 향상한 에너지 밀도가 비약적으로 증대하여, 전기 이중층 커패시터가 원래 가지는 큰 출력 밀도와 어울려, 고용량의 커패시터를 실현할 전망을 얻을 수 있었다. 그러나, 이러한 고용량의 커패시터를 실용화하기 위해서는, 또한, 고용량, 고에너지 밀도 및 고출력 밀도로 하고, 높은 내구성을 확보하는 것이 요구되고 있다. 특허문헌 1 : 일본국 공개특허공보 특개평8-107048호 공보 특허문헌 2 : 일본국 공개특허공보 특개평9-55342호 공보 특허문헌 3 : 일본국 공개특허공보 특개평9-232190호 공보 특허문헌 4 : 일본국 공개특허공보 특개평11-297578호 공보 특허문헌 5 : 국제공개 WO98/033227호 공보