JP2005310836A - Electrode for electrochemical element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new electrode for electrochemical element having a large capacity within the liquid, and superior impedance characteristics. <P>SOLUTION: In the electrode for electrochemical element, (1) the etched aluminum and a carbon layer, including the carbon element covering the surface thereof is 85% or higher, (2) the thickness of the carbon layer is 1 μm or smaller, (3) such a carbon layer includes micron-size holes in the narrow diameter of 2 nm or smaller and the maximum value in distribution of the micron-size hole diameter is within the range of 0.5 to 1.5 nm;(4) moreover an activated charcoal layer used for an ordinary electric double-layer capacitor is formed to cover the electrode with the conventional method; and(5) moreover the electric chemical element, such as the cathode of the electric double-layer capacitor and a winding type electrolytic capacitor, is formed by using a non-aqueous system electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は電気化学素子用電極に関し、詳しくは、電気二重層キャパシタ用集電体電極、電解コンデンサ用負極、等として用いられる信頼性にすぐれた電極、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode for an electrochemical element, and more particularly, to a highly reliable electrode used as a collector electrode for an electric double layer capacitor, a negative electrode for an electrolytic capacitor, and the like, and a method for producing the electrode.

電気化学素子は電気化学的な反応を利用した素子であり、電池、電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、燃料電池などのエネルギー蓄積に用いられる素子を言う。   An electrochemical element is an element utilizing an electrochemical reaction, and refers to an element used for energy storage, such as a battery, an electrolytic capacitor, an electric double layer capacitor, and a fuel cell.

電気二重層キャパシタ(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)は、電圧を加えた時に電極(分極性電極)と電解質との界面に生じる電気二重層容量を利用した蓄電用電気化学素子である。EDLCの電解液としては有機系電解液(非水系電解液)と水系電解液があるが、動作電圧が高く、充電状態のエネルギー密度を大きく出来ることから、有機系電解液を用いた電気二重層キャパシタが注目されている。   An electric double layer capacitor (EDLC: Electric Double Layer Capacitor) is an electrochemical element for electrical storage that uses an electric double layer capacitance generated at the interface between an electrode (polarizable electrode) and an electrolyte when a voltage is applied. There are two types of electrolytes for EDLC: organic electrolytes (non-aqueous electrolytes) and aqueous electrolytes. Since the operating voltage is high and the energy density of the charged state can be increased, the electric double layer using organic electrolytes Capacitors are attracting attention.

このEDLCは電気化学反応を伴う二次電池に比較して、(1)早い充放電が可能、(2)充放電の可逆性が高い、(3)繰り返し寿命特性に優れる、と言う特徴を有しており、メモリーバックアップ用電源として使用されている。一方、欠点はエネルギー密度が低い事であり、リチウムイオン電池のエネルギー密度が約200WhL-1であるのに対して4WhL-1であるに過ぎない。このため、その特性はハイブリッド型自動車や燃料電池用補助電源などの用途には不十分であった。 Compared to secondary batteries with electrochemical reaction, this EDLC is characterized by (1) fast charge / discharge, (2) high reversibility of charge / discharge, and (3) excellent repeated life characteristics. It is used as a memory backup power source. The disadvantage is that energy density is low, it is only 4WhL -1 whereas the energy density of the lithium ion battery is about 200WhL -1. For this reason, the characteristic was inadequate for uses, such as a hybrid type vehicle and the auxiliary power supply for fuel cells.

EDLCの電気二重層容量は電極の表面積に比例すると考えられることから、エネルギー密度の向上には、賦活によって表面積を大きくした活性炭やカーボンブラックなどの炭素材料が一般に用いられている。   Since the electric double layer capacity of EDLC is considered to be proportional to the surface area of the electrode, carbon materials such as activated carbon and carbon black whose surface area is increased by activation are generally used to improve the energy density.

通常これらの炭素材料は粉末状であるため、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂を結着剤としてシート状電極を形成する。これらの分極性電極は内部抵抗を低減し効率よく充放電を行なうために、アルミニウムやステンレスなどの金属箔や黒鉛からなる集電体と接合されている。   Usually, since these carbon materials are in a powder form, for example, a sheet-like electrode is formed using a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride as a binder. These polarizable electrodes are joined to a current collector made of a metal foil such as aluminum or stainless steel or graphite in order to reduce internal resistance and efficiently charge and discharge.

しかしながら、このEDLC電極には二つの技術的な課題があった。その第一は活性炭材料の表面積の一部しか二重層容量に関与せず、実際に例えばBET法で測定された活性炭の表面積と二重層容量とは必ずしも比例しない事である。細孔のすべての壁にイオンが吸着できれば理想的な大容量の電気二重層キャパシタができるはずである。しかし、現実には溶媒配位によってイオンのサイズが大きくなっている事もあって、細孔の奥までイオンを挿入し、しかもそれらをスムーズに孔の外部に取り出す事は難しい。   However, this EDLC electrode has two technical problems. The first is that only a part of the surface area of the activated carbon material is involved in the double layer capacity, and the actual surface area of the activated carbon measured by, for example, the BET method is not necessarily proportional to the double layer capacity. If ions can be adsorbed on all the walls of the pores, an ideal large-capacity electric double layer capacitor should be formed. However, in reality, the size of ions may be increased due to solvent coordination, and it is difficult to insert ions deep into the pores and to smoothly extract them outside the pores.

このため、活性炭の細孔のサイズをイオンの出し入れに適当な大きさに制御するための工夫が行なわれており、例えば、ポリ塩化ビニリデン樹脂を炭化する方法(特許文献1〜4参照)など多くの方法が提案されている。しかしながら、これらの工夫をし、分解電圧ぎりぎりまで充電した場合でも、60個の炭素に対して1個のイオンが配位するだけであると言われている。   For this reason, the device for controlling the pore size of the activated carbon to an appropriate size for taking in and out of ions has been devised, for example, a method of carbonizing a polyvinylidene chloride resin (see Patent Documents 1 to 4) and many others. A method has been proposed. However, it is said that only one ion is coordinated to 60 carbons even when these devices are devised and the battery is charged to the limit of the decomposition voltage.

技術的課題の第二は、活性炭をフッ素系樹脂を結着剤としてシート状電極を作製する場合、電極の内部インピーダンスが高くなると言う問題である。内部インピーダンスは放電時のIRドロップとなつて素子の容量を低下させてしまう。そのため、活性炭には内部インピーダンス低減のために電気伝導度の高いグラファイトを添加する、などの方法が取られている。しかしながら、その様な手法を用いてもその改善には限度があり、内部インピーダンスによる容量の減少は避けられなかった。   The second technical problem is a problem that the internal impedance of the electrode increases when a sheet-like electrode is produced using activated carbon and a fluororesin as a binder. The internal impedance becomes an IR drop at the time of discharge and reduces the capacitance of the element. Therefore, a method such as adding graphite having high electrical conductivity to the activated carbon to reduce internal impedance is taken. However, even if such a method is used, there is a limit to the improvement, and a reduction in capacitance due to internal impedance is inevitable.

さらに、この様な電極では集電体とシート電極間の接合強度が弱いと言う課題もあった。接合強度が十分でないことは、素子の内部インピーダンスを増加させるのみでなく繰り返し寿命の安定性に悪影響を与える。   Further, such an electrode has a problem that the bonding strength between the current collector and the sheet electrode is weak. Insufficient bonding strength not only increases the internal impedance of the device, but also adversely affects the stability of the repeated life.

炭素材料からなる電極と集電体との密着性を向上させるために、高度にエッチングされたアルミニウム箔を集電体とする電極体が開示されている(特許文献5)(特許文献6)
この様に高度にエッチングされたアルミニウム箔を集電体として、活性炭と結着剤と溶媒からなるスラリーに浸漬したり、該スラリーを塗布、乾燥して電極体を構成した場合、密着度はある程度向上するが、得られた電極体の強度は弱く素子作成のプロセスで破損することがあった。さらにアルミニウムはその表面に絶縁性の酸化膜を形成し易く、そのためにインピーダンスが増加するという問題もあり、この様な電極は実用化されていない。
In order to improve the adhesion between an electrode made of a carbon material and a current collector, an electrode body using a highly etched aluminum foil as a current collector is disclosed (Patent Document 5) (Patent Document 6).
When the highly etched aluminum foil is used as a current collector and immersed in a slurry composed of activated carbon, a binder and a solvent, or the slurry is applied and dried to form an electrode body, the degree of adhesion is somewhat Although the strength is improved, the strength of the obtained electrode body is weak and may be damaged in the process of device preparation. Furthermore, aluminum has a problem in that an insulating oxide film is easily formed on the surface thereof, which increases impedance, and such an electrode has not been put into practical use.

集電体電極としてアルミニウム箔を用いる場合に、そのアルミニウム箔の強度を改善する試みとしては、8〜50μmの厚さの粗化されていない部分とその片面または両面に0.5〜5μmの厚さの粗化面からなるアルミニウム箔を用いる技術(特許文献7)、あるいは、アルミニウム箔の表面に1〜5μmの厚さの粗化面を有し、破断エネルギーが3Kg.mm以上であるアルミニウム箔を用いる技術が開示されている。(特許文献8)しかし、これらの箔でも絶縁性の酸化膜形成によるインピーダンスという課題は解決されていない。   When using an aluminum foil as a current collector electrode, an attempt to improve the strength of the aluminum foil includes an unroughened portion having a thickness of 8 to 50 μm and a thickness of 0.5 to 5 μm on one or both sides thereof. Technology using an aluminum foil having a roughened surface (Patent Document 7), or having a roughened surface having a thickness of 1 to 5 μm on the surface of the aluminum foil, with a breaking energy of 3 kg. A technique using an aluminum foil that is equal to or greater than mm is disclosed. (Patent Document 8) However, even with these foils, the problem of impedance due to the formation of an insulating oxide film has not been solved.

一方、アルミニウム箔の酸化膜形成による特性劣化を防止する試みとしては、アルミニウム箔の表面に炭素粒子を圧着により埋め込んでそのインピーダンス増加を防止しようという技術が開示されている。(特許文献9)(特許文献10)この方法はフラットな箔には有効であろうと考えられるが、エッチングなどで表面凹凸を設けた箔では炭素粒子をエッチング孔の内部に埋め込む事は困難であり、この様な手法を取ったとしても炭素粒子の埋め込まれていない部分は酸化膜で覆われるために、電気二重層キャパシタ用集電体や電解コンデンサ用負極としてはやはり不十分であると言わざるを得ない。   On the other hand, as an attempt to prevent deterioration of characteristics due to the formation of an oxide film on an aluminum foil, a technique for embedding carbon particles on the surface of the aluminum foil by pressure bonding to prevent an increase in impedance has been disclosed. (Patent Document 9) (Patent Document 10) Although this method is considered to be effective for flat foils, it is difficult to embed carbon particles in the etching holes with a foil provided with surface irregularities by etching or the like. Even if such a method is taken, the portion where carbon particles are not embedded is covered with an oxide film, so that it is still insufficient as a current collector for electric double layer capacitors and a negative electrode for electrolytic capacitors. I do not get.

炭素複合電極の内部抵抗を減少させる別の試みとして、例えばアルミニウム基板上に炭素紛および他の導電性改良剤を堆積させる方法が開示されている。(特許文献11)さらに、溶融アルミニウムで含浸された大きい表面積の活性炭繊維のプレフォームを含む一対の多孔性のアルミニウムを含浸した炭素複合電極とする技術が開示されている。(特許文献12)しかしながら、これらはの手法はいずれも製造方法が複雑で、価格要求の厳しい二重層キャパシタへの適用は困難であった。
特開平7−249551号公報 特開平9−213589号公報 特開2001−110689号公報 特願2000−533380号公報 特開昭57−60828号公報 特開昭57−84120号公報 特開平11−135368号公報 特開平11−283871号公報 特開2001−297952号公報 特開平11−288849号公報 米国特許第5150283号 特表平10−509560号公報
As another attempt to reduce the internal resistance of a carbon composite electrode, for example, a method of depositing carbon powder and other conductivity modifiers on an aluminum substrate has been disclosed. (Patent Document 11) Further, a technique is disclosed in which a carbon composite electrode impregnated with a pair of porous aluminum containing a preform of activated carbon fiber having a large surface area impregnated with molten aluminum is disclosed. (Patent Document 12) However, all of these methods have complicated manufacturing methods, and it has been difficult to apply them to double-layer capacitors with strict price requirements.
JP-A-7-249551 JP-A-9-213589 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-110689 Japanese Patent Application No. 2000-533380 JP-A-57-60828 JP-A-57-84120 Japanese Patent Laid-Open No. 11-135368 Japanese Patent Laid-Open No. 11-238771 JP 2001-297852 A JP-A-11-288849 US Pat. No. 5,150,283 Japanese National Patent Publication No. 10-509560

本発明が解決しようとする課題は、大きな液中容量を有し、インピーダンス特性にすぐれた、新規な電気化学素子用電極を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a novel electrode for an electrochemical device having a large capacity in liquid and excellent impedance characteristics.

本発明の電極は、エッチングされたアルミニウムとその表面に被覆された炭素成分が85%以上である炭素質層からなる。この様な構造の電極とする事により大容量でインピーダンス特性にすぐれた電極を得る事ができる。炭素質膜の炭素成分が85%以下である場合には炭素質膜の抵抗値が著しく高いために本発明の目的には好ましくない。   The electrode of the present invention is composed of etched aluminum and a carbonaceous layer containing 85% or more of the carbon component coated on the surface thereof. By using an electrode having such a structure, an electrode having a large capacity and excellent impedance characteristics can be obtained. When the carbon content of the carbonaceous film is 85% or less, the resistance value of the carbonaceous film is extremely high, which is not preferable for the purpose of the present invention.

本発明の電極は高度にエッチングされたアルミニウム箔とその表面に形成された1μm以下の厚さの炭素質層からなる。アルミニウム箔はエッチングによりその表面積が著しく増大しており、炭素質膜は直接アルミニウム箔の表面に接合している。炭素質膜の平均厚さが1μm以下におさえられているために比較的抵抗の高い炭素質膜を用いても電極インピーダンスを低く抑える事が出来、炭素質膜によってエッチングアルミニウムの孔が塞がれる事も無い。またアルミニウム箔の表面に形成された炭素質層はアルミニウム酸化膜の形成を防止し、酸化膜形成によるインピーダンスの増加も抑える働きをもっている。   The electrode of the present invention comprises a highly etched aluminum foil and a carbonaceous layer having a thickness of 1 μm or less formed on the surface thereof. The surface area of the aluminum foil is remarkably increased by etching, and the carbonaceous film is directly bonded to the surface of the aluminum foil. Since the average thickness of the carbonaceous film is kept to 1 μm or less, the electrode impedance can be kept low even if a carbonaceous film having a relatively high resistance is used, and the holes in the etched aluminum are blocked by the carbonaceous film. There is nothing. The carbonaceous layer formed on the surface of the aluminum foil has a function of preventing the formation of an aluminum oxide film and suppressing an increase in impedance due to the formation of the oxide film.

さらに、この様な炭素質層が細孔径が2nm以下のミクロ細孔を有し、そのミクロ細孔径分布の最大値が0.5〜1.5nmの範囲にある様にする事で、その電極面積をさらに増加させることができる。活性炭においては上記ミクロ孔以外にメソ孔(細孔径が2nm以上、50nm以下)やマクロ孔(細孔径が50nm以上)の存在が知られており、電気二重層キャパシタに用いられる活性炭ではメソ孔やマクロ孔が必要であると考えられている。図1には活性炭におけるマクロ孔、メソ孔、ミクロ孔の存在状態の概念図をしめす。(1)はマクロ孔、(2)はメソ孔、(3)はミクロ孔である。   Further, such a carbonaceous layer has micropores having a pore diameter of 2 nm or less, and the maximum value of the micropore diameter distribution is in the range of 0.5 to 1.5 nm, whereby the electrode The area can be further increased. In addition to the above micropores, activated carbon is known to have mesopores (pore diameters of 2 nm or more and 50 nm or less) and macropores (pore diameters of 50 nm or more). In activated carbon used for electric double layer capacitors, mesopores and It is believed that macropores are necessary. FIG. 1 shows a conceptual diagram of the presence of macropores, mesopores, and micropores in activated carbon. (1) is macropores, (2) is mesopores, and (3) is micropores.

しかし、本発明の電極においてはエッチングされたアルミニウム箔のエッチング孔がマクロ孔や場合によってはメソ孔の役割も果たす事が出来る。本発明の電極の構成の概念図を図2に示す。この図はエッチングアルミニウムの断面を示し、(4)はアルミニウム箔、(5)はアルミニウム箔に形成されたエッチング孔、(6)は本発明になる炭素質層である。炭素質層はエッチング孔を塞がない様に形成され、メソ孔やミクロ孔を含んでいる事が好ましい。   However, in the electrode of the present invention, the etched hole of the etched aluminum foil can also serve as a macro hole or, in some cases, a meso hole. The conceptual diagram of the structure of the electrode of this invention is shown in FIG. This figure shows a cross section of etched aluminum, (4) is an aluminum foil, (5) is an etching hole formed in the aluminum foil, and (6) is a carbonaceous layer according to the present invention. The carbonaceous layer is preferably formed so as not to block the etching holes, and preferably contains mesopores and micropores.

本発明の電極にさらに通常の電気二重層キャパシタに用いられる活性炭層を従来法によって被着形成することにより、さらに容量を向上させる事が出来る。   Capacitance can be further improved by depositing an activated carbon layer used for a normal electric double layer capacitor on the electrode of the present invention by a conventional method.

これらの構造を有する本発明の電極は、非水系の電解質を用いる事により優れた特性を発揮でき、電気二重層キャパシタや倦回型電解コンデンサの陰極などの電気化学素子を構成することが出来る。   The electrode of the present invention having these structures can exhibit excellent characteristics by using a non-aqueous electrolyte, and can constitute an electrochemical element such as an electric double layer capacitor or a cathode of a wound electrolytic capacitor.

非水系電解質として用いられる溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、スルフォラン、ニトロメタン、γブチルラクトン、などを例示する事ができる。添加される塩としては、4級アンモニウム塩あるいはホスホ二ウム塩のテトラフルオロボレートを例示できる。具体的にはテトラアルキルアンモニウムテトラフルオロボレート、テトラアルキルホスホ二ウムテトラフルオロボレート、などでありより具体的なアルキル基としてはメチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル基などである。   Examples of the solvent used as the non-aqueous electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, dimethylformamide, sulfolane, nitromethane, and γ-butyllactone. Examples of the salt to be added include tetrafluoroborate of a quaternary ammonium salt or a phosphonium salt. Specific examples include tetraalkylammonium tetrafluoroborate and tetraalkylphosphonium tetrafluoroborate, and more specific alkyl groups include methyl, ethyl, propyl, butyl, and hexyl groups.

この様な構造の電極は、エッチングアルミニウム箔表面に形成された平均厚み2μm以下の高分子層を、真空中または不活性ガス中、あるいは水蒸気や二酸化炭素などの存在下で400℃以上、650℃以下の温度で加熱・炭素化する事によって得る事ができる。炭素化の温度は好ましくは500℃以上である。   In the electrode having such a structure, a polymer layer having an average thickness of 2 μm or less formed on the surface of an etched aluminum foil is subjected to 400 ° C. or more and 650 ° C. in a vacuum or an inert gas, or in the presence of water vapor or carbon dioxide. It can be obtained by heating and carbonizing at the following temperatures. The carbonization temperature is preferably 500 ° C. or higher.

また、この様な目的に使用される高分子層は溶媒中に溶解した高分子溶液にエッチングアルミニウム箔を浸漬後、引き上げ乾燥する事によって形成する事が出来る。   In addition, the polymer layer used for such a purpose can be formed by immersing an etching aluminum foil in a polymer solution dissolved in a solvent, and then lifting and drying.

さらに、有機高分子層をポリ塩化ビニリデンのホモポリマー、あるいは塩化ビニリデン共重合体とする事により細孔の存在する炭素質層を形成する事が出来、素子の容量を向上させる事が出来る。   Furthermore, a carbonaceous layer having pores can be formed by using a polyvinylidene chloride homopolymer or a vinylidene chloride copolymer as the organic polymer layer, and the capacity of the device can be improved.

さらに、ミクロ細孔の形成にはポリ塩化ビニリデンのホモポリマー、あるいは塩化ビニリデン共重合体に塩化亜鉛を添加して炭化・熱処理する事がこのましい。   Furthermore, it is preferable to form micropores by adding zinc chloride to a polyvinylidene chloride homopolymer or vinylidene chloride copolymer, followed by carbonization and heat treatment.

本発明によって大きな液中容量を有し、インピーダンス特性にすぐれた、電気化学素子用電極が得られる。この電極を電気二重層キャパシタ用集電体電極とする事によって容量密度の大きな、内部インピーダンス特性、繰り返し安定性に優れたキャパシタ素子を得る事ができる。また、発明の電極を倦回型電解コンデンサの陰極として用いる事により、内部インピーダンス特性、繰り返し安定性に優れた素子を得る事ができる。   According to the present invention, an electrode for an electrochemical element having a large capacity in liquid and excellent impedance characteristics can be obtained. By using this electrode as a current collector electrode for an electric double layer capacitor, it is possible to obtain a capacitor element having a large capacitance density and excellent internal impedance characteristics and repeated stability. Further, by using the electrode of the invention as a cathode of a wound electrolytic capacitor, an element excellent in internal impedance characteristics and repetitive stability can be obtained.

最初に、本発明に用いられるエッチングアルミニウム箔について説明する。エッチングアルミニウム箔はもっぱらアルミニウム電解コンデンサの陽極箔として用いられる。本発明の目的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金箔が用いられる。ここでアルミニウム合金とはアルミニウムを主成分として鉄、シリコン、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、等の元素から選ばれた1種類以上の元素を含む合金を言い、これらの元素の添加によって箔の機械的強度を増加させる事ができる。電解コンデンサの場合にはエッチングアルミニウム箔の表面に誘電体層となる酸化膜を形成するために高純度のアルミニウム箔が用いられる。しかし、本発明の場合にはエッチングアルミニウム箔は集電体電極、あるいは陰極として用いるのであるから、上記のアルミニウム合金も本目的には良好に使用する事ができる。   Initially, the etching aluminum foil used for this invention is demonstrated. Etched aluminum foil is exclusively used as an anode foil for aluminum electrolytic capacitors. For the purposes of the present invention, aluminum or aluminum alloy foil is used. Here, the aluminum alloy refers to an alloy containing one or more elements selected from elements such as iron, silicon, copper, manganese, magnesium, zinc, etc. with aluminum as a main component. By adding these elements, the foil machine Can increase the strength of the target. In the case of an electrolytic capacitor, high-purity aluminum foil is used to form an oxide film serving as a dielectric layer on the surface of the etched aluminum foil. However, since the etched aluminum foil is used as a collector electrode or a cathode in the present invention, the above aluminum alloy can also be used favorably for this purpose.

エッチングにより箔に孔を形成する方法には交流法と直流法があり、その方法の違いにより形成される孔の形状が大きく異なる事が知られている。本発明の目的には交流法によるエッチング箔も直流法によるエッチング箔もいずれも好ましく用いる事ができる。本発明のエッチングアルミニウム箔は、機械的な強度が保持できる限りその表面積が大きいものが望ましい。   There are an AC method and a DC method for forming holes in the foil by etching, and it is known that the shape of the holes formed is greatly different depending on the difference in the methods. For the purpose of the present invention, both an alternating current etching foil and a direct current etching foil can be preferably used. The etched aluminum foil of the present invention preferably has a large surface area as long as the mechanical strength can be maintained.

一般的にエッチングアルミニウム箔の表面積を評価するにはその表面に一定の電圧で酸化膜を形成し、その時の液中容量で評価する。この様な評価を実施した時、本発明の目的には、例えば5Vで化成した場合の液中静電容量が80μF/cm2以上であるエッチング箔を用いる事が好ましい。現実には、1Vで形成される酸化皮膜の厚さは1.3nmであるので、5V化成の場合には厚さが6.5nmの膜が形成される。そのため極微細な穴はつぶれてしまい、表面積には寄与しない事がある。したがって、実際にはこの様な箔における真の表面積はさらに大きいと予想できる。 In general, in order to evaluate the surface area of the etched aluminum foil, an oxide film is formed on the surface at a constant voltage, and the evaluation is performed based on the capacity in liquid at that time. When such evaluation is carried out, for the purpose of the present invention, for example, it is preferable to use an etching foil having an electrostatic capacitance of 80 μF / cm 2 or more when formed at 5 V. Actually, since the thickness of the oxide film formed at 1V is 1.3 nm, in the case of 5V conversion, a film having a thickness of 6.5 nm is formed. Therefore, very fine holes are crushed and may not contribute to the surface area. Therefore, in practice, the true surface area of such a foil can be expected to be even greater.

本発明ではアルミニウム試料箔の表面を、酸性水溶液に浸漬、純水洗浄。さらにアルカリ水溶液に浸漬して表面をエッチングし、純水洗浄、アセトン浸漬後乾燥して表面に形成された自然酸化膜を除去し試料箔とする。   In the present invention, the surface of the aluminum sample foil is immersed in an acidic aqueous solution and washed with pure water. Further, the surface is etched by dipping in an aqueous alkali solution, washed with pure water, dipped in acetone and then dried to remove the natural oxide film formed on the surface to obtain a sample foil.

次に本発明の第二の構成要素である炭素質膜について説明する。本発明の炭素質膜はエッチングアルミニウム箔の表面を被覆する様に形成され、電気二重層キャパシタの場合には、この炭素質膜と電解液の間に形成される二重層容量を利用する。本発明の炭素質膜の役割は二重層容量の形成以外にアルミニウム表面に誘電体酸化膜が形成されるのを防止する役割を併せ持っている。   Next, the carbonaceous film which is the second component of the present invention will be described. The carbonaceous film of the present invention is formed so as to cover the surface of the etched aluminum foil. In the case of an electric double layer capacitor, a double layer capacitance formed between the carbonaceous film and the electrolytic solution is used. The role of the carbonaceous film of the present invention has the role of preventing the formation of a dielectric oxide film on the aluminum surface in addition to the formation of double layer capacitance.

ここで炭素質膜とは、膜における炭素の重量が85%以上である膜を言う。一般に高分子材料を炭素化する場合、高分子は熱分解によって水素や酸素などの原子を放出しつつ再結合して炭素質膜となる。炭素化反応の進行に伴なってその電気伝導度が大きくなり、一般に炭素質膜における炭素含有量とその存在状態(すなわちsp3炭素であるかsp2炭素であるか)によってその大きさを予測する事ができる。炭素質膜では炭素が一般に85重量%以下ではほぼ絶縁体であり、85重量%を超えるとその電気伝導度が急激に大きくなる。本発明の目的には炭素質膜は出来るだけ伝導性が高い事が望ましいので、本発明の炭素質膜は炭素が85重量%以上、より好ましくは90重量%以上である事が好ましい。また、本発明の電極を二重層キャパシタの電極として用いる場合、安定な二重層容量を形成するためにも炭素含有量が85%以上である事が望ましく、90%以上である事はより好ましい。 Here, the carbonaceous film refers to a film in which the weight of carbon in the film is 85% or more. In general, when carbonizing a polymer material, the polymer recombines into a carbonaceous film while releasing atoms such as hydrogen and oxygen by thermal decomposition. As the carbonization reaction progresses, its electrical conductivity increases, and its size is generally predicted by the carbon content in the carbonaceous film and its presence (ie, whether it is sp 3 or sp 2 carbon). I can do it. In a carbonaceous film, carbon is generally an insulator when the amount of carbon is 85% by weight or less, and when it exceeds 85% by weight, its electrical conductivity increases rapidly. For the purpose of the present invention, it is desirable that the carbonaceous film has as high conductivity as possible. Therefore, the carbonaceous film of the present invention preferably contains 85% by weight or more of carbon, more preferably 90% by weight or more. When the electrode of the present invention is used as an electrode of a double layer capacitor, the carbon content is desirably 85% or more, more preferably 90% or more, in order to form a stable double layer capacity.

一般的にエッチングにより形成されたアルミニウムの孔は入り口の直径が1〜5μm程度であり、形成される炭素質膜でこの様な孔が塞がれてしまう事は本発明の目的から好ましくない。また、エッチング孔の内部に形成される炭素質膜がより微細なエッチングの孔を塞ぐ事を防止する意味からも炭素質膜の厚さは薄い方が好ましく、本発明における炭素質膜の好ましい平均厚さは1μm以下であり、平均厚さが0.5μm以下である事はより好ましい。   In general, an aluminum hole formed by etching has an entrance diameter of about 1 to 5 μm, and it is not preferable from the object of the present invention that such a hole is blocked by the formed carbonaceous film. In addition, the carbonaceous film formed inside the etching holes is preferably thinner in terms of preventing the carbonaceous film formed from closing the finer etching holes. The thickness is 1 μm or less, and the average thickness is more preferably 0.5 μm or less.

本発明の目的には、上記炭素質層が細孔径が2nm以下であるミクロ細孔を有する事が好ましい。炭素質膜が活性炭の様なミクロ細孔を有している場合には、エッチングアルミニウム箔上に形成された炭素質膜の表面積にさらにミクロ細孔による表面積が加算される事になる。すでに述べた様に、活性炭にはミクロ細孔以外にメソ孔(細孔径2nm以上50nm以下)、マクロ孔(細孔径50nm以上)の穴が存在する事が知られている。本発明の電極構造は基本的にはマクロ孔としての役割はエッチングアルミニウムの孔が担う事になり炭素質膜にマクロ孔は必要でない。一方、本発明においては、活性炭におけるメソ孔の果たす役割は炭素質膜自体あるいはアルミニウムエッチング孔によって担う事ができ、その役割分担は炭素質膜の厚さによって変わる。すなわち、炭素質膜平均の厚さが500〜100nm程度である場合にはメソ孔の存在が必要となるが、100nm以下である場合にはメソ孔の役割はエッチングアルミニウムの孔がその役割を果たすので、炭素質膜にメソ孔の存在は必ずしも必要でない。   For the purpose of the present invention, the carbonaceous layer preferably has micropores having a pore diameter of 2 nm or less. When the carbonaceous film has micropores such as activated carbon, the surface area of the micropores is added to the surface area of the carbonaceous film formed on the etched aluminum foil. As already described, it is known that activated carbon has holes of mesopores (pore diameter 2 nm to 50 nm) and macropores (pore diameter 50 nm or more) in addition to micropores. In the electrode structure of the present invention, the role of the macro hole is basically the hole of the etching aluminum, and the macro hole is not necessary in the carbonaceous film. On the other hand, in the present invention, the role of mesopores in the activated carbon can be played by the carbonaceous film itself or the aluminum etching hole, and the role sharing varies depending on the thickness of the carbonaceous film. That is, the presence of mesopores is required when the average thickness of the carbonaceous film is about 500 to 100 nm, but when it is 100 nm or less, the role of the mesopores is that of etching aluminum. Therefore, the presence of mesopores in the carbonaceous film is not always necessary.

本発明のアルミニウム・炭素複合電極を二重層キャパシタの電極として用いる場合には、上記炭素質膜に存在する最適ミクロ細孔径分布の最大値は0.5〜1.5nmの範囲にある事が望ましい。最適なミクロ孔のサイズは用いられる溶質イオンの大きさによって変化するが、一般に径が0.5nm以下の大きさのミクロ孔はその内部に溶質分子が入り込む事が出来ず、二重層キャパシタにおいてはこの様なミクロ孔は二重層容量に寄与できない。例えば、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートを溶質としプロピレンカーボネートを溶媒とした二重層キャパシタにおいて用いられる活性炭の最適なミクロ孔の大きさは1.0〜1.3nmであると言われている。   When the aluminum / carbon composite electrode of the present invention is used as an electrode of a double layer capacitor, it is desirable that the maximum value of the optimum micropore diameter distribution existing in the carbonaceous film is in the range of 0.5 to 1.5 nm. . The optimum micropore size varies depending on the size of the solute ions used. Generally, micropores with a diameter of 0.5 nm or less cannot enter solute molecules inside, and in double layer capacitors, Such micropores cannot contribute to the double layer capacity. For example, it is said that the optimum micropore size of activated carbon used in a double layer capacitor using tetraethylammonium tetrafluoroborate as a solute and propylene carbonate as a solvent is 1.0 to 1.3 nm.

本発明の電極を作製する具体的な方法は、エッチングされたアルミニウム箔とその表面に被覆された高分子膜を400℃以上、650℃以下の温度で炭素化する手法である。アルミニウムの融点は660℃であり、650℃以上ではアルミニウム箔が融解し、エッチング孔が潰れてしまうので好ましくない。高分子の熱分解においては400℃以上の温度で炭素のsp3構造からsp2構造への変化が起きる。従って、400℃以下の温度領域で85%以上の炭素含有量となるような炭素質膜でも400℃以上で熱処理する事が好ましい。 A specific method for producing the electrode of the present invention is a method of carbonizing an etched aluminum foil and a polymer film coated on the surface thereof at a temperature of 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. The melting point of aluminum is 660 ° C., and if it is 650 ° C. or higher, the aluminum foil melts and the etching holes are crushed, which is not preferable. In the thermal decomposition of a polymer, a change from the sp 3 structure to the sp 2 structure of carbon occurs at a temperature of 400 ° C. or higher. Therefore, it is preferable to heat-treat even a carbonaceous film having a carbon content of 85% or more in a temperature range of 400 ° C. or less at 400 ° C. or more.

高分子膜の形成には、例えば高分子を溶媒に溶解し、その希薄溶液中にエッチングアルミニウムを浸漬し、引き上げ、乾燥する事によってアルミニウム箔の表面に高分子膜を形成する。次に真空中、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス中、あるいは水蒸気中、炭酸ガスなどの酸性ガス中で400℃以上、650℃以下の温度で加熱して高分子膜を炭素化し、該アルミニウム箔の表面に炭素質膜を形成する。   For the formation of the polymer film, for example, the polymer film is formed on the surface of the aluminum foil by dissolving the polymer in a solvent, immersing etching aluminum in the diluted solution, pulling it up and drying it. Next, the polymer film is carbonized by heating at a temperature of 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower in an inert gas such as nitrogen, argon or helium, or in an acidic gas such as water vapor or carbon dioxide in vacuum, A carbonaceous film is formed on the surface of the aluminum foil.

本発明の電極は加熱・炭素化により炭素質膜を形成した後に、必要に応じて公知の方法で賦活処理しても良い。具体的には水蒸気、炭酸ガス中でのガス賦活処理、窒素中でのKOH処理、リン酸、ホウ酸を用いた処理、などである。   The electrode of the present invention may be activated by a known method if necessary after forming a carbonaceous film by heating and carbonization. Specifically, gas activation treatment in water vapor or carbon dioxide gas, KOH treatment in nitrogen, treatment using phosphoric acid or boric acid, and the like.

高分子材料については650℃以下の熱処理で炭素成分が85重量%以上になるものであれは特に制限はない。その時に、有機高分子が膜を形成するものであればより好ましい。ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、フェノールホルムアルデヒド、フルフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン共重合体、レゾルシノールとホルムアルデヒド(カーボンエアロジル)、ポリアクリロニトリル、等を好ましく用いる事が出来る。中でもポリ塩化ビニリデン、およびポリ塩化ビニリデン共重合体は炭素化の過程で発生する塩素ガスにより炭素膜にミクロ孔が形成されるので好ましい。   The polymer material is not particularly limited as long as the carbon component becomes 85% by weight or more by heat treatment at 650 ° C. or less. At that time, it is more preferable if the organic polymer forms a film. Polyvinyl alcohol, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride, phenol resin, phenol formaldehyde, furfuryl alcohol, polyvinylidene chloride copolymer, resorcinol and formaldehyde (carbon aerosil), polyacrylonitrile, and the like can be preferably used. Among these, polyvinylidene chloride and a polyvinylidene chloride copolymer are preferable because micropores are formed in the carbon film by chlorine gas generated during the carbonization process.

塩化ビニリデンと共重可能なモノマーとしては特に限定されないが、代表的なモノマーとして塩化ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、酢酸ビニル、アクリロニトリル、ジビニルベンゼンなどのビニル系モノマー、イタコン酸やそのエステルなどの不飽和ニ塩基酸とそのモノエステルまたはジエステル、などを挙げる事ができる。これらの共重合体において細孔の形成には、塩化ビニリデンのモル比が50%以上である事が好ましく、70%以上である事はより好ましい。   Monomers that can co-polymerize with vinylidene chloride are not particularly limited, but typical monomers include vinyl monomers such as vinyl chloride, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, vinyl acetate, acrylonitrile, divinylbenzene, itaconic acid and its esters, etc. Of the unsaturated dibasic acid and its monoester or diester. In the formation of pores in these copolymers, the molar ratio of vinylidene chloride is preferably 50% or more, and more preferably 70% or more.

例として、ポリ塩化ビニリデンホモポリマーを取り上げ本発明の電極の作製法をより具体的に記述する。ポリ塩化ビニリデンは塩素系溶剤に溶解するので、例えばクロロホルムやクロルナフタリン、塩化エチルなどの溶媒に溶解させる。エッチングアルミニウム箔をこのポリ塩化ビニリデンの溶液に浸漬し、真空引きしてエッチング孔の内部まで溶液が浸透するようにする。溶液が浸透したら引き上げ乾燥して溶媒を取り除き、エッチングアルミニウム箔の表面に塩化ビニリデンの層を形成する。   Taking the polyvinylidene chloride homopolymer as an example, the method for producing the electrode of the present invention will be described more specifically. Since polyvinylidene chloride is dissolved in a chlorinated solvent, it is dissolved in a solvent such as chloroform, chloronaphthalene, or ethyl chloride. The etched aluminum foil is dipped in this polyvinylidene chloride solution and evacuated to allow the solution to penetrate into the etching holes. When the solution penetrates, it is pulled up and dried to remove the solvent, and a vinylidene chloride layer is formed on the surface of the etched aluminum foil.

このとき、高分子材料にあらかじめ塩化亜鉛などの無機金属化合物、鉄、コバルト、マンガン等の金属、リン酸、ホウ酸、硫酸水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、あるいはフェロセンなどの添加剤を添加しておき、添加物効果によってミクロ孔の形成を行なったり、炭素化反応を促進する事が好ましい。中でも塩化ビニリデンにおいては塩化亜鉛はミクロ孔形成のための非常に有効な添加物である。細孔形成には塩化亜鉛の添加量は塩化ビニリデンの50重量%〜150重量%である事が好ましい。塩化亜鉛を添加した場合には、後述する炭化処理の後に酸性の水で洗浄して残留している塩化亜鉛を取り除く。具体的には5%の塩酸で洗浄、さらに水洗・乾燥する事で残留塩化亜鉛を取り除く。   At this time, an inorganic metal compound such as zinc chloride, a metal such as iron, cobalt, manganese, an additive such as phosphoric acid, boric acid, sodium sulfate hydroxide, potassium hydroxide, or ferrocene is added to the polymer material in advance. In addition, it is preferable to form micropores by the additive effect or to promote the carbonization reaction. Among them, zinc chloride is a very effective additive for forming micropores in vinylidene chloride. For pore formation, the amount of zinc chloride added is preferably 50% to 150% by weight of vinylidene chloride. When zinc chloride is added, the remaining zinc chloride is removed by washing with acidic water after the carbonization treatment described later. Specifically, residual zinc chloride is removed by washing with 5% hydrochloric acid, followed by washing with water and drying.

ミクロ孔の形成には加熱によって分解・あるいはガス化する有機モノマーを添加する事も有効な方法である。ミクロ孔の形成のためには、この様な目的に使用される有機モノマーは高分子中に分子状分散させておく事が好ましい。   For the formation of micropores, it is also effective to add an organic monomer that decomposes or gasifies by heating. In order to form micropores, it is preferable that the organic monomer used for such a purpose is dispersed in a molecular form in the polymer.

塩化亜鉛や有機モノマーの添加は塩化ビニリデン以外の高分子、例えばポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、フェノールホルムアルデヒド、フルフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン共重合体、レゾルシノールとホルムアルデヒド(カーボンエアロジル)、ポリアクリロニトリル、等としても有効である事はいうまでもない。   Zinc chloride and organic monomers can be added to polymers other than vinylidene chloride such as polyvinyl alcohol, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride, phenolic resin, phenol formaldehyde, furfuryl alcohol, polyvinylidene chloride copolymer, resorcinol and formaldehyde (carbon aerobic). It is needless to say that it is also effective as (jil), polyacrylonitrile, and the like.

炭化の方法としては、真空中、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中、あるいは水蒸気中、二酸化炭素中、一酸化炭素中、等で塩化ビニリデン樹脂を熱処理する事によって行なう。熱分解温度は400℃以上650℃以下、処理温度は20分〜30時間程度である。   As the carbonization method, the vinylidene chloride resin is heat-treated in vacuum, in an inert gas such as nitrogen or argon, in water vapor, in carbon dioxide, in carbon monoxide, or the like. The thermal decomposition temperature is 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, and the treatment temperature is about 20 minutes to 30 hours.

塩化ビニリデン樹脂の熱分解においては、130℃〜190℃の融点以下の固体状態で脱塩酸する事で不溶性の炭素前駆体(チャー)が得られ、その後600℃で加熱しても細孔径は大きく変化せず、良好な細孔が形成される。従って、加熱炭化処理を400℃〜650℃で行う場合でも130℃〜190℃の領域で予備処理をしておく事が好ましい。   In the thermal decomposition of vinylidene chloride resin, an insoluble carbon precursor (char) is obtained by dehydrochlorination in a solid state having a melting point of 130 ° C. to 190 ° C. or lower, and the pore diameter is large even when heated at 600 ° C. Good pores are formed without change. Therefore, even when the heat carbonization is performed at 400 ° C. to 650 ° C., it is preferable to perform a preliminary treatment in the region of 130 ° C. to 190 ° C.

以上の方法で作製されたアルミニウム/炭素複合電極は単独でも二重層キャパシタの電極として使用する事ができる。しかし、二重層キャパシタの電極として使用するためにはさらに容量を向上させるために、本発明の電極上に活性炭を塗布し活性炭と複合化し、複合電極とする事が好ましい。   The aluminum / carbon composite electrode produced by the above method can be used alone or as an electrode of a double layer capacitor. However, for use as an electrode of a double layer capacitor, in order to further improve the capacity, it is preferable to apply activated carbon on the electrode of the present invention and combine it with activated carbon to form a composite electrode.

この様な複合化電極の具体的な製造方法としては、例えば活性炭をアセチレンブラック、ポリテトラフルオロエチレン、グラファイト粉末、メタノールからなる混合物を良く混錬(混練)し、この混錬物を本発明の電極全体が覆われる様に塗布し、その後加熱処理してメタノールを除き電極とする。一般には二重層キャパシタの集電体電極としてはエッチングアルミニウムや網状アルミニウムが用いられるが、この様な電極ではしばしばアルミニウム表面に絶縁体酸化皮膜が形成されるために内部インピーダンスの増加によりその容量特性が劣化する。これに対して本発明の電極では表面に形成された炭素質膜が絶縁体酸化アルミニウムの形成を妨げるので特性劣化を防止する事が出来る。さらに炭素質膜の表面やミクロ孔表面に形成された二重層も素子容量の増大に寄与する事ができる。   As a specific method for producing such a composite electrode, for example, an activated carbon is well kneaded (kneaded) with a mixture of acetylene black, polytetrafluoroethylene, graphite powder, and methanol. It is applied so that the entire electrode is covered, and then heat-treated to remove methanol and form an electrode. In general, etched aluminum or reticulated aluminum is used as a collector electrode of a double layer capacitor. However, in such an electrode, an insulator oxide film is often formed on the aluminum surface, so that the capacitance characteristic is increased due to an increase in internal impedance. to degrade. On the other hand, in the electrode of the present invention, the carbonaceous film formed on the surface prevents the formation of the insulator aluminum oxide, so that the characteristic deterioration can be prevented. Furthermore, a double layer formed on the surface of the carbonaceous film or the micropore surface can also contribute to an increase in device capacity.

本発明の電極は非水系電解液を用いた電気化学素子に好ましく用いられる。電気二重層キャパシタの場合には水系溶媒を用いたキャパシタと非水系溶媒を用いたキャパシタの二種類がある。本発明の電極は、たとえばプロピレンカーボネートなどの非水系溶媒をもちいたキャパシタには好ましく用いられ、大容量を目的とした倦回型の二重層キャパシタ用の電極として特に好ましく用いられる。   The electrode of the present invention is preferably used for an electrochemical device using a non-aqueous electrolyte. In the case of an electric double layer capacitor, there are two types: a capacitor using an aqueous solvent and a capacitor using a non-aqueous solvent. The electrode of the present invention is preferably used for a capacitor using a non-aqueous solvent such as propylene carbonate, for example, and is particularly preferably used as an electrode for a wound double-layer capacitor for large capacity.

さらに本発明の電極は倦回型アルミニウム電解コンデンサの負極として用いる事ができる。アルミニウム電解コンデンサにおいては陽極には表面に酸化アルミニウム誘電体層が形成されたエッチングアルミニウムが用いられ、セパレータを介して本発明の電極箔が倦回される。この場合にも本発明の電極を陰極として用いる事により陰極表面の誘電体酸化アルミニウムの形成による内部インピーダンスの増加が防止できる。   Furthermore, the electrode of the present invention can be used as a negative electrode of a wound aluminum electrolytic capacitor. In an aluminum electrolytic capacitor, an etching aluminum having an aluminum oxide dielectric layer formed on the surface is used for the anode, and the electrode foil of the present invention is wound through a separator. Also in this case, by using the electrode of the present invention as a cathode, an increase in internal impedance due to the formation of dielectric aluminum oxide on the cathode surface can be prevented.

(実施例1) Example 1

エッチングアルミニウム箔として、ニッポン高度紙工業株式会社製の低圧エッチド箔、製品名U752を用いた。この箔を5V化成した時の静電容量は240μF/cm2、20.5V化成における静電容量値は57.8μF/cm2である。また厚みは70μm、引っ張り強さは≧17.7N/cmである。このエッチング箔を幅1cm、長さ2cmの短冊状に切断し試料とした。 As an etching aluminum foil, a low pressure etched foil manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd., product name U752 was used. The capacitance when this foil is formed at 5 V is 240 μF / cm 2 , and the capacitance value at 20.5 V is 57.8 μF / cm 2 . The thickness is 70 μm and the tensile strength is ≧ 17.7 N / cm. This etching foil was cut into a strip shape having a width of 1 cm and a length of 2 cm to obtain a sample.

アルミニウム試料箔の表面を、70%HNO3(15部)+85%H3PO4(85部)からなる液に、85℃で2分間浸漬し、純水洗浄。さらに1N、NaOH水溶液に室温中で10分間浸漬して表面をエッチングし、純水洗浄、アセトン浸漬後乾燥して表面に形成された自然酸化膜を除去し試料箔とした。 The surface of the aluminum sample foil was immersed in a solution composed of 70% HNO 3 (15 parts) + 85% H 3 PO 4 (85 parts) at 85 ° C. for 2 minutes and washed with pure water. Further, the surface was etched by immersion in a 1N NaOH aqueous solution at room temperature for 10 minutes, washed with pure water, dipped in acetone and dried to remove the natural oxide film formed on the surface to obtain a sample foil.

次に、フェノール系樹脂(群栄化学工業(株)レジトップPL2407)を用いてアルミニウム箔表面に高分子膜を形成した。具体的にはレジトップにメタノールを加えて不揮発成分が10%以下の各種濃度の希薄溶液を作製し、上記エッチングアルミニウム箔をこの溶液に浸漬し、真空引きしてエッチング孔の内部まで溶液が浸透するようにした。溶液が浸透したら引き上げ、加熱・乾燥して溶媒を取り除き、エッチングアルミニウム箔の表面にフェノール樹脂層を形成した。形成された高分子層の厚さを希薄溶液の濃度で制御し、平均厚さを重量測定により推定した。高分子層の平均厚さが異なる5種類の試料を準備した。   Next, a polymer film was formed on the surface of the aluminum foil using a phenol-based resin (Gunei Chemical Industry Co., Ltd., Resist Top PL2407). Specifically, methanol is added to the cash register top to prepare dilute solutions with various concentrations of 10% or less of the non-volatile components. The etched aluminum foil is immersed in this solution, and the solution penetrates into the etching holes by evacuation. I tried to do it. When the solution penetrated, it was pulled up, heated and dried to remove the solvent, and a phenol resin layer was formed on the surface of the etched aluminum foil. The thickness of the formed polymer layer was controlled by the concentration of the dilute solution, and the average thickness was estimated by gravimetry. Five types of samples having different average thicknesses of the polymer layers were prepared.

得られたフェノール系樹脂で被覆されたエッチングアルミニウム箔を、窒素ガス中で室温から5℃/分の速度で最高温度600℃まで昇温し、600℃で1時間保持して炭素化を行なった。形成された炭素質膜の厚さは、元の高分子層厚さのおよそ70%であった。また、形成された炭素質膜の炭素含有量を同じ条件で熱処理したフェノール系樹脂の元素分析値より推定した。その結果、C:92.0%、H:3.8%、O:4.2%であった。なお最高処理温度が500℃の場合は、C:89.0%、H:4.4%、O:6.6%、おなじく最高処理温度が400℃の場合は、85.1%、H:5.0%、O:9.9%であった。   The obtained etching aluminum foil coated with a phenolic resin was heated in nitrogen gas from room temperature to a maximum temperature of 600 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and kept at 600 ° C. for 1 hour for carbonization. . The thickness of the formed carbonaceous film was approximately 70% of the original polymer layer thickness. Moreover, the carbon content of the formed carbonaceous film was estimated from the elemental analysis value of the phenol-based resin heat-treated under the same conditions. As a result, C: 92.0%, H: 3.8%, and O: 4.2%. When the maximum processing temperature is 500 ° C., C: 89.0%, H: 4.4%, O: 6.6%, and similarly when the maximum processing temperature is 400 ° C., 85.1%, H: It was 5.0% and O: 9.9%.

得られた試料の比表面積をユアサアイオ二クス(株)製、AUTOSORB−1測定装置を用いて測定した。測定結果を表1に示す。表1に示すように平均厚さが0.1μmと推定される炭素質膜を形成した場合にはその比表面積は6.8m2/g、平均厚さが0.2μmであると推定される場合にはその比表面積は8.6m2/g、平均厚さが0.5μmであると推定される場合にはその比表面積は8.9m2/g、であった。これはアルミニウム表面積から予想される値であるおよそ3.2m2/gに比べると約2倍に拡大されており、形成された炭素質膜には表面積増加に寄与する細孔構造が形成されていると考えられる。また、厚さの増加に伴なう表面積の増大は炭素質膜の増加によって説明できる。 The specific surface area of the obtained sample was measured using an AUTOSORB-1 measuring apparatus manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. The measurement results are shown in Table 1. As shown in Table 1, when a carbonaceous film having an average thickness of 0.1 μm is formed, the specific surface area is estimated to be 6.8 m 2 / g and the average thickness is estimated to be 0.2 μm. In that case, the specific surface area was 8.6 m 2 / g, and when the average thickness was estimated to be 0.5 μm, the specific surface area was 8.9 m 2 / g. This is about twice as large as the expected value from the surface area of aluminum, which is about 3.2 m 2 / g. The resulting carbonaceous film has a pore structure that contributes to an increase in surface area. It is thought that there is. Also, the increase in surface area accompanying the increase in thickness can be explained by the increase in carbonaceous film.

しかし、平均厚さが1μmであると推定される場合にはその比表面積は2.7m2/gに減少し、さらに平均厚さが2μmであると推定される場合にはその比表面積は0.5m2/gと急激に減少した。これはアルミニウム箔表面に形成された炭素質膜がアルミニウムのエッチング孔を塞いでしまったため比表面積が減少したものと考えられる。したがって、本発明の炭素質膜の最適厚さは、1μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である事が分かった。 However, when the average thickness is estimated to be 1 μm, the specific surface area decreases to 2.7 m 2 / g, and when the average thickness is estimated to be 2 μm, the specific surface area is 0. It decreased sharply to 5m 2 / g. This is presumably because the carbonaceous film formed on the surface of the aluminum foil closed the aluminum etching holes, so that the specific surface area was reduced. Therefore, it was found that the optimum thickness of the carbonaceous film of the present invention is 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.

Figure 2005310836
(実施例2)
Figure 2005310836
(Example 2)

まず、実施例1と同じ方法で処理したエッチングアルミニウム箔を準備した。   First, the etching aluminum foil processed by the same method as Example 1 was prepared.

次に、ポリ塩化ビニリデンホモポリマーをクロロホルムとクロロナフタリンの混合溶媒に溶解させた。ポリ塩化ビニリデンの溶解量を0.5重量%〜5重量%に制御し、上記エッチングアルミニウム箔をこのポリ塩化ビニリデンの溶液に浸漬し、真空引きしてエッチング孔の内部まで溶液が浸透するようした。溶液が浸透したら引き上げ、乾燥して溶媒を取り除き、エッチングアルミニウム箔の表面に塩化ビニリデンの層を形成した。形成された塩化ビニリデン層の厚さを箔の断面の電子顕微鏡観察を行う事により推定し、塩化ビニリデン層の平均厚さがおよそ0.5μmになるように調整した。   Next, the polyvinylidene chloride homopolymer was dissolved in a mixed solvent of chloroform and chloronaphthalene. The amount of polyvinylidene chloride dissolved was controlled to 0.5 wt% to 5 wt%, and the etched aluminum foil was immersed in the polyvinylidene chloride solution and evacuated to allow the solution to penetrate into the etching holes. . When the solution penetrated, it was pulled up, dried to remove the solvent, and a vinylidene chloride layer was formed on the surface of the etched aluminum foil. The thickness of the formed vinylidene chloride layer was estimated by observing the cross section of the foil with an electron microscope, and the average thickness of the vinylidene chloride layer was adjusted to about 0.5 μm.

同じ方法で塩化ビニリデンのクロロホルム、クロロナフタリンの混合溶媒にさらに塩化亜鉛を添加した試料を作製した。塩化亜鉛の添加量は塩化ビニリデンの100重量%とした。   In the same manner, a sample was prepared by adding zinc chloride to a mixed solvent of vinylidene chloride in chloroform and chloronaphthalene. The amount of zinc chloride added was 100% by weight of vinylidene chloride.

得られたポリ塩化ビニリデンで被覆されたエッチングアルミニウム箔を窒素ガス中で180℃で3時間熱処理して炭素前駆体を形成した。次に同じく窒素ガス中で180℃から5℃/分の速度で最高温度600℃まで昇温し、600℃で1時間保持して炭素化を行なった。塩化亜鉛を添加した試料の場合には、後述する炭化処理の後に酸性の水で洗浄して残留している塩化亜鉛を5%の塩酸で洗浄、さらに水洗・乾燥する事で残留塩化亜鉛を取り除いた。形成された炭素質膜の厚さはポリ塩化ビニリデンでは、およそ0.14μmであり、塩化亜鉛を添加した系ではおよそ0.1μmであった。また、形成された炭素質膜の炭素含有量を、同じ条件で熱処理したポリ塩化ビニリデンの元素分析値より推定した結果、炭素含有量が96%である事が分かった。まったく同じ方法で(塩化ビニリデン+塩化ビニル)共重合体についても実験をおこなった。   The obtained etched aluminum foil coated with polyvinylidene chloride was heat-treated at 180 ° C. for 3 hours in nitrogen gas to form a carbon precursor. Next, similarly, the temperature was increased from 180 ° C. to a maximum temperature of 600 ° C. at a rate of 5 ° C./minute in nitrogen gas, and carbonization was performed by holding at 600 ° C. for 1 hour. In the case of a sample to which zinc chloride has been added, the remaining zinc chloride is removed by washing with acidic water after the carbonization treatment described later, washing the remaining zinc chloride with 5% hydrochloric acid, washing with water and drying. It was. The thickness of the formed carbonaceous film was about 0.14 μm for polyvinylidene chloride and about 0.1 μm for the system to which zinc chloride was added. Moreover, as a result of estimating the carbon content of the formed carbonaceous film from the elemental analysis value of the polyvinylidene chloride heat-treated on the same conditions, it was found that the carbon content was 96%. Experiments were also carried out on the (vinylidene chloride + vinyl chloride) copolymer in exactly the same way.

得られた試料の比表面積と細孔分布測定をユアサアイオニクス(株)製、AUTOSORB−1測定装置を用いて測定した。測定結果を表2に示す
塩化ビニルを用いた場合、得られた電極の比表面積の値は19.7m2/gであった。この値は通常の活性炭で観察されるBET比表面積である200〜2000m2/gの値にくらべると1/10〜1/100の小さな値である。しかし炭素質膜が細孔構造をもたないと仮定すると、アルミニウム比表面積から予想される値であるおよそ3.2m2/gに比べると約6倍に拡大されており、形成された炭素質膜には比表面積増加に寄与する細孔構造が形成されていると考えられる。
The specific surface area and pore distribution of the obtained sample were measured using an AUTOSORB-1 measuring device manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. The measurement results are shown in Table 2. When vinyl chloride was used, the specific surface area of the obtained electrode was 19.7 m 2 / g. This value is a small value of 1/10 to 1/100 compared to the value of 200 to 2000 m 2 / g, which is the BET specific surface area observed with normal activated carbon. However, assuming that the carbonaceous film does not have a pore structure, the carbonaceous film formed is about six times larger than the value expected from the aluminum specific surface area of about 3.2 m 2 / g. It is considered that a pore structure that contributes to an increase in specific surface area is formed in the membrane.

電極の比表面積は、塩化ビニリデンに塩化亜鉛を添加する事でさらに向上させることが出来、(塩化ビニリデン+塩化ビニル)共重合体を用いても同様な結果を得る事が出来た。細孔径の分布曲線を求め、微分細孔径容積(cm3/g・A)が最大となる細孔径をもとめると、塩化ビニリデンでは0.8nmとなり、塩化亜鉛を添加した系では1.1nmとなった。(塩化ビニリデン+塩化ビニル)共重合体ではこれよりやや大きな値となったが2nmを超えなかった。 The specific surface area of the electrode could be further improved by adding zinc chloride to vinylidene chloride, and similar results could be obtained using a (vinylidene chloride + vinyl chloride) copolymer. When the pore diameter distribution curve is obtained and the pore diameter at which the differential pore diameter volume (cm 3 / g · A) is maximized is obtained, it is 0.8 nm for vinylidene chloride and 1.1 nm for the system to which zinc chloride is added. It was. The (vinylidene chloride + vinyl chloride) copolymer had a slightly larger value than this, but did not exceed 2 nm.

Figure 2005310836
(実施例3)
Figure 2005310836
(Example 3)

実施例1と同じ方法で最高処理温度を変えて電極を作製し、その特性を測定した。得られた結果を表3に示す。最高処理温度が低くなると比表面積の値も小さくなり、炭素化には300℃以上の温度が必要である事がわかる。300℃以下では得られる炭素前駆体の抵抗値も高く、電極のインピーダンスが高くなるためにこの意味からは400℃以上の炭素化温度が必要であり、より好ましくは500℃以上である事がわかる。   Electrodes were produced by changing the maximum processing temperature in the same manner as in Example 1, and the characteristics were measured. The obtained results are shown in Table 3. As the maximum processing temperature is lowered, the value of the specific surface area is also reduced, and it is understood that a temperature of 300 ° C. or higher is necessary for carbonization. Since the resistance value of the carbon precursor obtained is high at 300 ° C. or lower and the impedance of the electrode is high, a carbonization temperature of 400 ° C. or higher is necessary from this meaning, and it is understood that the carbon precursor temperature is preferably 500 ° C. or higher. .

Figure 2005310836
(実施例4)
Figure 2005310836
Example 4

塩化ビニリデンの代わりに各種の高分子材料を用いて実施例1と同じ方法で(炭素/アルミニウム複合電極を作製し、その特性を測定した。結果を表4に示す。塩化ビニリデン/アクリル酸メチル共重合体(9/1)、ポリ塩化ビニル、では明らかな比表面積の増大が観察され、細孔の形成がみとめられた。フェノール・ホルムアルデヒド樹脂、ポリビニルブチラール、フルフリルアルコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリルでは細孔形成に伴なう比表面積の増加は観察出来なかったが、エッチングアルミニウム箔の表面を炭素質膜で被覆しアルミニウム箔の表面に酸化膜が形成される事を防止すると言う本発明の目的には十分な複合体電極となった。   Various polymer materials were used in place of vinylidene chloride in the same manner as in Example 1 (a carbon / aluminum composite electrode was prepared and its characteristics were measured. The results are shown in Table 4. Vinylidene chloride / methyl acrylate In the polymer (9/1) and polyvinyl chloride, a clear increase in specific surface area was observed and the formation of pores was observed, while in phenol / formaldehyde resin, polyvinyl butyral, furfuryl alcohol, polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile. Although the increase in specific surface area accompanying the formation of pores could not be observed, the object of the present invention is to prevent the formation of an oxide film on the surface of the aluminum foil by covering the surface of the etched aluminum foil with a carbonaceous film It became a sufficient composite electrode.

Figure 2005310836
(実施例5)
Figure 2005310836
(Example 5)

実施例1で作製したアルミニウム/炭素複合電極をもちいてサイクリックボルタンメトリー(最高電圧2.3V)を計測し、電気二重層容量を測定した。もちいた溶質はテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、用いた溶媒はプロピレンカーボネートであり、溶質の濃度は1mol/lである。   Cyclic voltammetry (maximum voltage 2.3 V) was measured using the aluminum / carbon composite electrode prepared in Example 1, and the electric double layer capacity was measured. The solute used was tetraethylammonium tetrafluoroborate, the solvent used was propylene carbonate, and the concentration of the solute was 1 mol / l.

得られた単位面積あたりの電気2重層容量は18.8μF/cm2、単位重量当たりの電気ニ重層容量は3.6F/gであった。このサイクリックボルタンメトリーは繰り返し安定性に非常にすぐれており、速やかな二重層容量の繰り返しが実現できた。
(実施例6)
The electric double layer capacity per unit area thus obtained was 18.8 μF / cm 2 , and the electric double layer capacity per unit weight was 3.6 F / g. This cyclic voltammetry was very excellent in repeated stability, and a rapid repetition of double layer capacity could be realized.
(Example 6)

本発明の電極にさらに活性炭を積層し電気二重層コンデンサ用を試作してその特性を検討した。   Activated carbon was further laminated on the electrode of the present invention, and an electric double layer capacitor was prototyped and its characteristics were examined.

アセチレンブラック(70重量部)、ポリテトラフルオロエチレン(15重量部)、グラファイト粉末(15重量部)、メタノール(150重量部)からなる混合物を良く混錬した。なお、用いたアセチレンブラックは比表面積40m2/gのもの、グラファイト粉末は平均粒径4μm、比表面積20m2/gのものである。この混錬物を実施例6で作製した本発明の電極箔の集電体全体が覆われる様に厚さ20μmで塗布し、その後150℃で加熱処理してメタノールを除き電極とした。 A mixture of acetylene black (70 parts by weight), polytetrafluoroethylene (15 parts by weight), graphite powder (15 parts by weight), and methanol (150 parts by weight) was well kneaded. The acetylene black used has a specific surface area of 40 m 2 / g, and the graphite powder has an average particle diameter of 4 μm and a specific surface area of 20 m 2 / g. This kneaded material was applied at a thickness of 20 μm so as to cover the entire current collector of the electrode foil of the present invention produced in Example 6, and then heat-treated at 150 ° C. to obtain an electrode except for methanol.

上記の方法で作製した電極をもちいて、二重層コンデンサの特性を測定した。まず、0〜2.5Vの範囲で1Aの定電流による充電をおこなった。初期の放電容量および内部抵抗を測定し、その後、50000サイクル後の内部抵抗および放電容量を測定してその繰り返し安定性を調べた。初期容量は8.9F、内部抵抗は0.23Ωであり、50000回サイクル試験後の容量は8.8F、内部抵抗は0.24Ωであった。   The characteristics of the double layer capacitor were measured using the electrodes prepared by the above method. First, charging was performed at a constant current of 1 A in the range of 0 to 2.5V. The initial discharge capacity and internal resistance were measured, and then the internal resistance and discharge capacity after 50,000 cycles were measured to examine the repeated stability. The initial capacity was 8.9 F, the internal resistance was 0.23 Ω, the capacity after 50,000 cycles test was 8.8 F, and the internal resistance was 0.24 Ω.

比較実験として、集電体電極としてエッチングアルミニウム箔をもちいて同じように活性炭を積層してその充放電の繰り返し安定性を検討した。その時の初期容量は7.9F、内部抵抗は0.21Ωであっが、50000回サイクル試験後の容量は、7.6F、内部抵抗は0.35Ωに変化しており、本発明の電極が優れている事がわかった。   As a comparative experiment, activated carbon was laminated in the same manner using an etched aluminum foil as a collector electrode, and the repeated charge / discharge stability was examined. The initial capacity at that time was 7.9 F and the internal resistance was 0.21Ω, but the capacity after the 50,000-cycle test was changed to 7.6 F and the internal resistance was 0.35Ω, and the electrode of the present invention was excellent. I understood that.

活性炭における孔の概念図。The conceptual diagram of the hole in activated carbon. 本発明の電極の構成を示す概念図。The conceptual diagram which shows the structure of the electrode of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

(1)マクロ孔
(2)メソ孔
(3)ミクロ孔
(4)アルミニウム箔
(5)アルミニウムエッチング孔
(6)炭素質層
(1) Macro hole (2) Meso hole (3) Micro hole (4) Aluminum foil (5) Aluminum etching hole (6) Carbonaceous layer

Claims (10)

エッチングアルミニウム箔、およびその表面に被覆された炭素成分が85%以上である炭素質層、からなる電気化学素子用電極。   An electrode for an electrochemical device comprising an etched aluminum foil and a carbonaceous layer having a carbon component of 85% or more coated on the surface thereof. 前記炭素質層の平均厚みが1μm以下である請求項1記載の電気化学素子用電極。   The electrode for an electrochemical element according to claim 1, wherein the carbonaceous layer has an average thickness of 1 μm or less. 前記炭素質層が2nm以下の孔径のミクロ細孔を有する事を特徴とする、請求項1、2記載の電気化学素子用電極。   The electrode for an electrochemical element according to claim 1, wherein the carbonaceous layer has micropores having a pore diameter of 2 nm or less. 前記ミクロ細孔径分布の最大値が0.5〜1.5nmの範囲にある事を特徴とする請求項3記載の電気化学素子用電極。   4. The electrode for an electrochemical element according to claim 3, wherein the maximum value of the micropore diameter distribution is in the range of 0.5 to 1.5 nm. 請求項1、2、3、4記載の電極に活性炭層が被着形成されている事を特徴とする電気化学素子用電極。   An electrode for an electrochemical element, wherein an activated carbon layer is deposited on the electrode according to claim 1, 2, 3, 4. 少なくとも請求項1〜5記載の電極と非水系電解液とからなる電気化学素子。   An electrochemical element comprising at least the electrode according to claim 1 and a non-aqueous electrolyte. エッチングアルミニウム箔表面に形成された高分子層を、真空中、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中、水蒸気中、あるいは炭酸ガス中で、400℃以上、650℃以下の温度で加熱・炭素化する事を特徴とする請求項1、2、3、4記載の電気化学素子用電極の製造方法。   The polymer layer formed on the surface of the etched aluminum foil is heated and carbonized at a temperature of 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower in vacuum, in an inert gas such as nitrogen or argon, in water vapor or in carbon dioxide gas. The method for producing an electrode for an electrochemical element according to claim 1, 2, 3, or 4. 請求項7記載の高分子層が、溶媒中に溶解した高分子溶液にエッチングアルミニウム箔を浸漬後、引き上げ乾燥して形成された事を特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。   8. The method for producing an electrode for an electrochemical element, wherein the polymer layer according to claim 7 is formed by immersing an etching aluminum foil in a polymer solution dissolved in a solvent, and then pulling and drying. 請求項7記載の高分子層がポリ塩化ビニリデンのホモポリマー、あるいは塩化ビニリデン共重合体である事を特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。   A method for producing an electrode for an electrochemical element, wherein the polymer layer according to claim 7 is a homopolymer of polyvinylidene chloride or a vinylidene chloride copolymer. 請求項9記載のポリ塩化ビニリデンのホモポリマー、あるいは塩化ビニリデン共重合体に塩化亜鉛が添加された事を特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。   A method for producing an electrode for an electrochemical element, wherein zinc chloride is added to the homopolymer of polyvinylidene chloride or the vinylidene chloride copolymer according to claim 9.
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