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ハイブリッドキャパシタ UPDATE コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P160012700
整理番号 (N11155)
掲載日 2016年1月20日
出願番号 特願2014-507921
登録番号 特許第6109153号
出願日 平成25年3月26日(2013.3.26)
登録日 平成29年3月17日(2017.3.17)
国際出願番号 JP2013058817
国際公開番号 WO2013146792
国際出願日 平成25年3月26日(2013.3.26)
国際公開日 平成25年10月3日(2013.10.3)
優先権データ
  • 特願2012-075244 (2012.3.28) JP
発明者
  • 杉本 渉
  • 清水 航
  • 牧野 翔
出願人
  • 国立大学法人信州大学
発明の名称 ハイブリッドキャパシタ UPDATE コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】安全性と耐久性があり、高いセル電圧で高いエネルギー密度を得ることができるハイブリッドキャパシタを提供する。
【解決手段】炭素材料及び金属酸化物の一方又は両方を有する正極11と、リチウム複合電極で構成された負極12と、正極11と負極12との間に充填された中性水系電解液13とを少なくとも備え、リチウム複合電極12が、リチウムイオン伝導性固体電解質21と高分子電解質22とリチウムを含有する活物質層23との積層電極であるように構成して上記課題を解決した。このとき、中性水系電解液13がpH5以上、pH8.5以下であり、金属酸化物が酸化マンガン、酸化ルテニウム及び酸化鉛から選ばれるいずれかであることが好ましい。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


電気化学キャパシタは、物理的な電気二重層又はファラデー反応を伴う擬似二重層(電極表面の速いレドックス反応)を電荷の蓄積に利用しているデバイスである。前者は活性炭電極を活物質として用いたときの電荷蓄積機構であり、後者はRuOやMnO等の金属酸化物電極を活物質として用いたときの電荷蓄積機構である。こうした電気化学キャパシタで用いられる電解液は、水系電解液と非水系電解液の二つに大きく分けることができる。



有機電解液に代表される非水系電解液は、水系電解液と比較してイオン伝導性に劣る。しかし、その非水系電解液を用いた電気化学キャパシタは、電解液の電気分解電圧を3V以上にすることができるため、高いセル電圧と高いエネルギー密度を得ることができる点で有利である。こうした電気化学キャパシタでは、単極自体の比静電容量を水系電解液の場合と同程度すると、セル電圧が高い分だけエネルギー密度が向上する。エネルギー密度はセル電圧の二乗に比例するため、セル電圧を1V向上させるとエネルギー密度を劇的に向上させることができる。特に広い電位窓を持つイオン液体を電解液に用いた場合には、3Vを超えるセル電圧と高いエネルギー密度を得ることが可能である。



一方、水系電解液は、非水系電解液と比較してイオン伝導性が良く、その水系電解液を用いた電気化学キャパシタは、出力密度の点で有利である。しかし、水系電解液は、水の電気分解電圧を超えるようなセル電圧を得ることが難しく、エネルギー密度を高めることが難しい。



こうした問題に対し、非特許文献1には、正極と負極に異なる種類の電極をそれぞれ用い、水系電解液中でセル電圧とエネルギー密度を高めた非対称型のハイブリッドキャパシタが提案されている。この技術では、酸素発生過電圧が比較的高いMnOを正極に用いることで、理論的な酸素発生電圧を超える正極側のセル電圧を得ることができるとされている。具体的には、この技術によると、最大で2.2Vのセル電圧が得られ、有機電解液を用いた電気化学キャパシタと同程度のエネルギー密度(19Wh/kg)が得られている。



また、特許文献1には、水系電解液と非水系電解液を併用した擬似容量キャパシタにおいて、水の電気分解の理論電圧を超えた作動電圧で充放電できる技術が提案されている。この疑似容量キャパシタは、具体的には、正極側集電体と負極側集電体との間に樹脂製のケースが配置され、このケースの中心孔内にキャパシタ構造を備えている。そして、このキャパシタ構造が、中心孔の上部に配置された正極と、中心孔の下部に配置された負極と、中心孔の段差に配置された固体電解質板と、Liイオンを含む水系電解液が充填された第1液室と、Liイオンを含む非水系電解液が充填された第2液室とを備えている。正極はレドックス変化が可能な金属酸化物を含む電極であり、負極はLiイオンを吸蔵・放出可能な電極であり、固体電解質板はLiイオン伝導性を有し、水系電解液と負極との接触を妨げる役割を果たしている。

産業上の利用分野


本発明は、ハイブリッドキャパシタに関し、さらに詳しくは、高いセル電圧で、高いエネルギー密度を得ることができるハイブリッドキャパシタに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
炭素材料及び金属酸化物の一方又は両方を有する正極と、リチウム複合電極で構成された負極と、前記正極と前記負極との間に充填された中性水系電解液とを少なくとも備え、前記リチウム複合電極が、リチウムイオン伝導性固体電解質と高分子電解質とリチウムを含有する活物質層との積層電極であることを特徴とするハイブリッドキャパシタ。

【請求項2】
前記中性水系電解液がpH5以上、pH8.5以下であり、前記金属酸化物が酸化マンガン、酸化ルテニウム及び酸化鉛から選ばれるいずれかである、請求項1に記載のハイブリッドキャパシタ。

【請求項3】
前記正極は、炭素材料及び金属酸化物の一方又は両方を含有するシートと、前記シートの少なくとも表面に設けられた金属酸化物膜とを有する、請求項1又は2に記載のハイブリッドキャパシタ。

【請求項4】
前記シートは、炭素繊維を有する布状体である、請求項3に記載のハイブリッドキャパシタ。

【請求項5】
前記リチウムを含有する活物質層は、リチウム、リチウム合金、又はリチウムがドープされた炭素材料を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のハイブリッドキャパシタ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2014507921thum.jpg
出願権利状態 登録
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