JP2000299259A - 電気二重層キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

電気二重層キャパシタ及びその製造方法

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JP2000299259A
JP2000299259A JP10961999A JP10961999A JP2000299259A JP 2000299259 A JP2000299259 A JP 2000299259A JP 10961999 A JP10961999 A JP 10961999A JP 10961999 A JP10961999 A JP 10961999A JP 2000299259 A JP2000299259 A JP 2000299259A
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activated carbon
double layer
electric double
layer capacitor
electrodes
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Kazuyo Omura
和世 大村
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Tokin Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低ESRで、信頼性の高い電気二重層キャパ
シタを提供する。 【解決手段】 不活性雰囲気下で熱処理(500〜13
00℃)した活性炭を主材料とする分極性電極9を用い
ることにより、低ESRの電気二重層キャパシタを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気二重層キャパ
シタを駆動するために用いられる分極性電極およびそれ
を用いた電気二重層キャパシタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】電気二重層キャパシタの小型のものは、
集電体上に活性炭を主材料とする分極性電極層を形成し
た一対の分極性電極の間にポリプロピレン不織布などの
セパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸
させ金属容器に収容し、封口板とガスケットにより金属
容器に密封したコイン型の構造をとっている。
【0003】このほかにも、比較的大容量のものは、一
対のシート状分極性電極の間にセパレータを挟んだ積層
シートを捲回して素子とし、この素子に電解液を含浸さ
せ金属容器に収容し、金属開口部を封口部材で密閉して
構成した捲回型のキャパシタが製造されている。これら
の電気二重層キャパシタは、おもにICメモリのバック
アップやアクチュエーターのバックアップに使用されて
いる。
【0004】また、大電流大容量向けとして、多数のシ
ート状分極性電極層の間にセパレータを挟んで積層した
素子を有する積層型の電気二重層キャパシタも提案され
ている(特開平4−154106、特開平4−2861
08)。
【0005】これらの電気二重層キャパシタを構成する
分極性電極は、従来、大きな比表面積を有する活性炭を
主材料とするものであり、捲回型のキャパシタでは、活
性炭粉末などをPTFEをバインダーとして混練し、シ
ート状に形成したものが、またコイン型では、上記シー
ト状活性炭もしくは活性炭繊維布が用いられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一般に、比表面積の大
きな活性炭は、電気伝導性が小さく、活性炭のみでは電
極の内部抵抗が大きくなって、大電流を取り出せないた
め、活性炭粉末を使用して電極を形成する場合には、分
極性電極中に電気伝導性を高めるカーボンブラックなど
を導電材として混合している。
【0007】しかし、内部抵抗を低下させる目的で導電
材の混合割合を大きくすると、活性炭の混合割合が小さ
くなるため、電気二重層キャパシタの容量が減少する。
さらに、分極性電極の強度を上げるため、バインダーを
増加すると、バインダーが絶縁性のPTFEであるため
に、分極性電極の内部抵抗が大きくなってしまう。
【0008】また、繊維状活性炭では、導電材やバイン
ダー混合の必要は無いものの、繊維自体の導電性が小さ
い上に、繊維同士の接触によって電気的接触を保ってい
るために、十分な導電性が得られず、アルミニウムの溶
射層をケース金属との接触面に形成するなどの導電層の
形成が不可欠である。さらに、布の凹凸が大きいため、
ケース金属との接触抵抗が大きいことも問題となる。電
気自動車用途など、大電流大容量品の需要が高まってい
る中、より低ESR(等価直列抵抗)の電気二重層キャ
パシタの実現が待たれている。
【0009】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、低ESRの電気二重層キャパシタを提供するこ
とにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、不活性
ガス雰囲気下で熱処理された活性炭粉末もしくは活性炭
繊維を用いて分極性電極9を形成することにより、低E
SRの電気二重層キャパシタが得られる。
【0011】即ち、本発明は、分極性電極9と電解液6
との界面で形成される電気二重層を利用した電気二重層
キャパシタにおいて、上記分極性電極9の主材料に、熱
処理した活性炭を用いた電気二重層キャパシタである。
【0012】また、本発明は、前記活性炭が活性炭素繊
維布、もしくは活性炭粉末である前記電気二重層キャパ
シタである。
【0013】また、本発明は、前記熱処理が不活性ガス
雰囲気下で、熱処理温度500℃〜1300℃である前
記電気二重層キャパシタの製造方法である。
【0014】活性炭の構造は、無定型炭素といわれてお
り、六員環ネットからなる黒鉛系の微結晶の集合体と考
えられている。エッジ面と呼ばれる結晶の一つの面の末
端部分は、六員環ネットが崩れ、五員環や、−COOH
基や−C=O基などの表面酸化物が多く存在している。
【0015】活性炭の導電性が黒鉛などと比較して小さ
い理由としては、六員環構造が未発達であることや、ラ
クトン基やカルボニル基などの酸性官能基の存在が挙げ
られる。原料による違いはあるものの、炭素材料は、不
活性雰囲気中で高温熱処理すると、結晶子が成長し、そ
れに伴い結晶子を構成する六員環ネットも成長し、積層
様式が次第に規則性のある黒鉛構造に移行する。さら
に、表面官能基も分解され、活性炭からCOやCOガ
スとして脱離する。
【0016】上記のように、分極性電極を形成する活性
炭繊維もしくは活性炭粉末を不活性ガス雰囲気中で熱処
理して、表面官能基を除去し、さらに六員環構造を発達
させ黒鉛構造に移行させることによって、活性炭の導電
性を上げることが出来る。また、表面官能基を除去する
ので、官能基と電解液との反応を抑制することができ、
結果として、キャパシタの耐電圧を向上させることがで
きる。
【0017】本発明の電気二重層キャパシタに用いる分
極性電極9は、不活性ガス雰囲気下で熱処理を行う。不
活性ガスの種類は、特に限定しないが、安価であり、安
全性の高い窒素もしくはアルゴンガスを使用するのが望
ましい。かつ、バッチ式で熱処理した場合は、表面官能
基の分解によって発生したガスが高温処理によって活性
炭と反応し、再度付着する恐れがあるため、不活性ガス
気流条件下で熱処理するのが望ましい。
【0018】本発明の熱処理温度としては、低すぎると
黒鉛化が進行せず、また高すぎると活性炭の細孔が収縮
し、十分な容量が得られなくなるため、500〜130
0℃が望ましい。
【0019】本発明の電気二重層キャパシタに用いる分
極性電極は、不活性ガス雰囲気下で熱処理された活性炭
繊維布単体、もしくは活性炭粉末とカーボンブラックお
よびバインダの混合物からなっている。この活性炭粉末
を使用した分極性電極は、公知の方法で作製できる。
【0020】たとえば、活性炭粉末、カーボンブラック
などの導電材およびバインダにアルコールを加えて混練
し、シート状に成形して分極性電極とする方法がある。
この場合は、分極性電極と集電極とを導電性接着剤など
で接着する。また、活性炭粉末、カーボンブラックおよ
びバインダに溶媒を加えて混合してスラリとし、集電極
であるアルミニウムなどの金属箔上に塗工し、乾燥して
分極性電極とする方法もある。
【0021】分極性電極に使用される活性炭としては、
フェノール樹脂系活性炭、やしがら系活性炭、石油コー
クス系活性炭などがあるが、大容量の電気二重層キャパ
シタが得られ、かつ、純度が高いことから、フェノール
樹脂系活性炭が好ましく用いられる。
【0022】また、活性炭としては、大容量で低内部抵
抗の電気二重層キャパシタが得られるように、粉末の場
合は平均粒径が20μm以下、繊維状の場合は繊維径が
10〜20μmで、ともに比表面積が2000〜300
0m/gの活性炭を使用するのが好ましい。
【0023】また、活性炭の賦活処理方法としては、水
蒸気賦活処理法、溶融KOH賦活処理法などがあるが、
特性劣化が少なく信頼性の高い電気二重層キャパシタが
得られるので、水蒸気賦活処理法による活性炭を使用す
るのが好ましい。
【0024】本発明で使用される導電材としては、特に
限定されないが、黒鉛やカーボンブラック、ファーネス
ブラック、もしくは金属微粒子などの利用が好ましい。
これらは単独のみならず、二種以上併用しても良い。
【0025】分極性電極9のバインダは、有機溶媒系電
解液を使用する場合には、耐薬品性に優れたポリテトラ
フルオロエチレン系バインダが好ましい。
【0026】本発明で用いられる電解液6としては、特
に限定はされるものではなく、電気二重層キャパシタ用
として通常用いられるもの、すなわち電気化学的に安定
な電解質を極性有機溶媒に溶解させたものが適宜使用さ
れる。
【0027】上記電解質としては、(C
や(C、(Cなどの第4
級オニウムカチオンと、BF やPF 、ClO
などのアニオンとからなる塩の使用が好ましい。
【0028】上記有機溶媒としては、プロピレンカーボ
ネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート
などのカーボネート類、γ−ブチロラクトンなどのラク
トン類やスルホランなどが好ましく使用できる。これら
は単独ならず、二種以上併用しても良い。
【0029】
【発明の実施の形態】以下に、実施の形態及び比較例を
用いて本発明を具体的に説明する。
【0030】(第1の実施の形態)まず、本発明の第1
の実施の形態について説明する。
【0031】900℃、アルゴンガス気流下で1時間熱
処理したフェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭粉末
(平均粒系5μm)80重量%、カーボンブラック(日
本黒鉛製)10重量%およびポリテトラフルオロエチレ
ン系バインダ10重量%からなる混合物にエタノールを
加えて混練し、ロール圧延することにより、幅8cm、
長さ10cm、厚さ0.6cmのシートとし、これを2
50℃で2時間乾燥した。
【0032】図1に、第1の実施の形態で使用したコイ
ン型電気二重層キャパシタの縦断面図を示す。これは、
上記シートを直径10mmに打ち抜いて得た分極性電極
1および5を、グラファイト系導電性接着剤2でステン
レス製容器に接着した。このケースおよび分極性電極を
300℃、減圧下で2時間乾燥したのちに、乾燥窒素雰
囲気のグローブボックス中で電解液を分極性電極に含浸
せしめた。
【0033】電解液は、テトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボレートを0.7mol/Lの濃度でプロピ
レンカーボネートに溶解することによって調製した。こ
の電解液を含浸した分極性電極をポリプロピレン製不織
布のセパレータを介して対向させ、ポリプロピレン製ガ
スケットを用いてカシメ封口した。
【0034】(第2の実施の形態)次に、本発明の第2
の実施の形態について説明する。
【0035】1100℃、アルゴンガス気流下で1時間
熱処理したフェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭粉
末(平均粒系5μm)80重量%、カーボンブラック
(日本黒鉛製)10重量%およびポリテトラフルオロエ
チレン系バインダ10重量%からなる混合物にエタノー
ルを加えて混練し、ロール圧延することにより、幅8c
m、長さ10cm、厚さ0.6cmのシートとし、これ
を250℃で2時間乾燥した。他は、第1の実施の形態
と同様にして、コイン型電気二重層キャパシタを組み立
てた。
【0036】(第3の実施の形態)次に、本発明の第3
の実施の形態について説明する。
【0037】900℃、アルゴンガス気流下で1時間熱
処理したフェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭繊維
布[(株)クラレケミカル製CH900−20、比表面
積2000m/g]を直径10mmに打ち抜いて分極
性電極とし、250℃で2時間乾燥した。他は、第1の
実施の形態と同様にして、コイン型電気二重層キャパシ
タを組み立てた。
【0038】(第4の実施の形態)次に、本発明の第4
の実施の形態について説明する。
【0039】1100℃、アルゴンガス気流下で1時間
熱処理したフェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭繊
維布[(株)クラレケミカル製CH900−20、比表
面積2000m/g]を直径10mmに打ち抜いて分
極性電極とし、250℃で2時間乾燥した。他は、第1
の実施の形態と同様にして、コイン型電気二重層キャパ
シタを組み立てた。
【0040】(比較例1)以下、比較例1について説明
する。
【0041】フェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭
粉末(平均粒系5μ)80重量%、カーボンブラック
(日本黒鉛製)10重量%およびポリテトラフルオロエ
チレン系バインダ10重量%からなる混合物にエタノー
ルを加えて混練し、ロール圧延することにより、幅8c
m、長さ10cm、厚さ0.6cmのシートとし、これ
を250℃で2時間乾燥した。他は、第1の実施の形態
と同様にして、コイン型電気二重層キャパシタを組み立
てた。
【0042】(比較例2)次に、比較例2について説明
する。
【0043】フェノール樹脂系の水蒸気賦活処理活性炭
繊維布[(株)クラレケミカル製CH900−20、比
表面積2000m/g]を直径10mmに打ち抜いて
分極性電極とし、250℃で2時間乾燥した。他は、第
1の実施の形態と同様にして、コイン型電気二重層キャ
パシタを組み立てた。
【0044】第1〜第4の実施の形態、比較例1、2の
電気二重層キャパシタを印加電圧2.8Vで充電し、約
0.5mAで放電した場合の初期静電容量(F)とES
R(Ω)を、引き続いてこのセルに、2.8Vの電圧を
印加しながら、70℃で1000時間貯蔵した後の容量
およびESRを測定した。測定した結果を表1に示す。
【0045】
【表1】
【0046】表1から明らかなように、第1〜第4の実
施の形態の不活性ガス雰囲気中で熱処理した活性炭繊維
もしくは活性炭粉末を主材料とする分極性電極を用いた
電気二重層キャパシタは、比較例1、2の熱処理してい
ない活性炭を主材料とする分極性電極を用いた電気二重
層キャパシタと比較して、低ESRで、信頼性の高い電
気二重層キャパシタが得られる。
【0047】
【発明の効果】以上のように、本発明の電気二重層キャ
パシタによれば、低ESRで、信頼性の高い電気二重層
キャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電気二重層キャパシタの一例の縦
断面図。
【符号の説明】
1 正極 2 グラファイト系導電性接着剤 3 ステンレス製容器のケース 4 ステンレス製容器のふた 5 負極 6 電解液 7 セパレータ 8 ガスケット 9 分極性電極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分極性電極と電解液との界面で形成され
    る電気二重層を利用した電気二重層キャパシタにおい
    て、上記分極性電極の主材料に、熱処理した活性炭を用
    いたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
  2. 【請求項2】 前記活性炭が活性炭素繊維布もしくは活
    性炭粉末であることを特徴とする請求項1記載の電気二
    重層キャパシタ。
  3. 【請求項3】 前記熱処理が不活性ガス雰囲気下で、熱
    処理温度500℃〜1300℃であることを特徴とする
    電気二重層キャパシタの製造方法。
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