JP2001144342A - Electrochemical actuator - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】 本発明は、主に、機械的な
仕事をするジャッキ等に用いられる電気化学アクチュエ
ータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical actuator mainly used for a jack or the like performing a mechanical work.
【０００２】[0002]
【従来の技術】 従来から利用されているアクチュエー
タは、油圧又は空気圧を用いたものが一般的に知られて
いる。上記油圧又は空気圧アクチュエータは、変位量を
大きくとることができ、速応性もあり、高負荷における
使用が可能であるが、制御手段の他に油圧源又は空気源
が必要であるため、コンパクト化することが困難であっ
た。2. Description of the Related Art Conventionally, actuators using hydraulic pressure or pneumatic pressure are generally known. The hydraulic or pneumatic actuator can have a large displacement amount, is responsive, and can be used under a high load, but requires a hydraulic source or an air source in addition to the control means, so that the actuator is downsized. It was difficult.
【０００３】 また、最近では、積層型圧電セラミック
スを応用した圧電アクチュエータも使用されている。上
記圧電アクチュエータは、油圧源や空気源が必要でない
ため、コンパクトにすることができるだけでなく、ある
程度の変位量を得られるため、微動変位素子、高速変位
素子、圧力発生素子への応用が進められている。Recently, a piezoelectric actuator using a laminated piezoelectric ceramic has been used. Since the above-mentioned piezoelectric actuator does not require a hydraulic source or an air source, not only can it be made compact, but it can also obtain a certain amount of displacement, so its application to fine displacement elements, high-speed displacement elements, and pressure generating elements has been promoted. ing.
【０００４】 しかしながら、上記圧電アクチュエータ
は、駆動時に高電圧（数１０〜数１００Ｖ）が必要であ
るため、特殊な電源設備が必要であった。また、上記圧
電アクチュエータは、油圧又は空気圧アクチュエータの
ように、大きな変位量を得たり、高負荷における使用が
困難であった。However, the piezoelectric actuator requires a high voltage (several tens to several hundreds of volts) at the time of driving, and thus requires special power supply equipment. In addition, the piezoelectric actuator is difficult to obtain a large amount of displacement or to be used under a high load like a hydraulic or pneumatic actuator.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】 本発明は、このよう
な従来技術の有する課題を鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、コンパクトで、低電圧で駆動
でき、変位量も大きく取ることができる電気化学アクチ
ュエータを提供するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems of the related art,
It is an object of the present invention to provide an electrochemical actuator which is compact, can be driven at a low voltage, and has a large displacement.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、金属材料からなる対の集電体に、黒鉛類似の微結晶
炭素を有する炭素材料を部分酸化させたものを主材とし
て形成された分極性電極をそれぞれ配設し、当該分極性
電極間に電子絶縁性のセパレータを挟み込んだ少なくと
も１つの積層体を、有機電解液で浸漬させてなる電気化
学アクチュエータであって、当該集電体間の電圧の印加
に基づき当該分極性電極を体積膨脹させ機械的な仕事を
行うことを特徴とする電気化学アクチュエータが提供さ
れる。このとき、本発明では、分極性電極が、バインダ
として、弾性材料を含有することが好ましく、その弾性
材料が、ラテックスゴムであることが好ましい。Means for Solving the Problems According to the present invention, a pair of current collectors made of a metal material are formed as a main material by partially oxidizing a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite. An electrochemical actuator comprising: arranging at least one laminate in which an electrically insulating separator is sandwiched between the polarizable electrodes, and immersing the laminate in an organic electrolyte. According to another aspect of the present invention, there is provided an electrochemical actuator characterized by performing a mechanical work by expanding the volume of the polarizable electrode based on application of a voltage therebetween. At this time, in the present invention, the polarizable electrode preferably contains an elastic material as a binder, and the elastic material is preferably latex rubber.
【０００７】 このような本発明の電気化学アクチュエ
ータにおいては、炭素材料として、易黒鉛化炭素原料を
不活性ガス雰囲気中、７００℃〜１０００℃で熱処理し
て得られたものを用いることが好ましい。部分酸化の方
法の１つとしては、炭素材料を、アルカリ金属及び酸素
を含むアルカリ金属化合物の少なくとも１種の存在下、
不活性雰囲気中で、易黒鉛化原料の熱処理温度以下の温
度で熱処理する方法が挙げられる。また、別の部分酸化
の方法として、炭素材料を、黒鉛を浸漬すると石墨酸が
形成できる酸化剤に浸漬する方法を用いることも好まし
く、更に、炭素材料を、酸化性ガスを含む酸化雰囲気中
において、易黒鉛化炭素原料の炭化温度よりも低い温度
で熱処理する方法を採ることもできる。In such an electrochemical actuator of the present invention, it is preferable to use, as the carbon material, one obtained by heat-treating a graphitizable carbon material at 700 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere. As one of the methods of partial oxidation, a carbon material is prepared in the presence of at least one kind of an alkali metal compound containing an alkali metal and oxygen.
A method of performing a heat treatment at a temperature equal to or lower than the heat treatment temperature of the graphitizable material in an inert atmosphere may be used. In addition, as another partial oxidation method, it is preferable to use a method of immersing a carbon material in an oxidizing agent that can form graphite when dipping graphite.Furthermore, the carbon material is oxidized in an oxidizing atmosphere containing an oxidizing gas. Alternatively, a method of performing heat treatment at a temperature lower than the carbonization temperature of the graphitizable carbon raw material may be employed.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】 本発明の電気化学アクチュエー
タは、金属材料からなる対の集電体に、黒鉛類似の微結
晶炭素を有する炭素材料を部分酸化させたものを主材と
して形成された分極性電極をそれぞれ配設し、分極性電
極間に電子絶縁性のセパレータを挟み込んだ少なくとも
１つの積層体を、有機電解液で含浸させてなるものであ
り、集電体間の電圧の印加に基づき分極性電極を体積膨
脹させ機械的な仕事を行うものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An electrochemical actuator according to the present invention comprises a pair of current collectors made of a metal material and a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite partially oxidized as a main material. Polar electrodes are provided, and at least one laminate in which an electronic insulating separator is sandwiched between polarizable electrodes is impregnated with an organic electrolyte. Based on the application of a voltage between current collectors, This is to perform mechanical work by expanding the volume of the polarizable electrode.
【０００９】 これにより、本発明の電気化学アクチュ
エータは、コンパクトで、低電圧で駆動でき、変位量も
大きく取ることができるだけでなく、単位面積当たりの
荷重量も大きいため、特に、高荷重を支え、ゆっくり動
く用途（例えば、ジャッキ等）に好適に用いることがで
きる。As a result, the electrochemical actuator of the present invention is compact, can be driven at a low voltage, can not only take a large amount of displacement, but also has a large load per unit area. It can be suitably used for slowly moving applications (for example, jacks and the like).
【００１０】 また、本発明の電気化学アクチュエータ
は、応答速度を向上させたい場合、定電流充電時に、電
流を増加させることにより、実現することができる（例
えば、電圧４Ｖにおける１０ｍＡ充電時と比較すると、
６０ｍＡ充電時における応答速度は、５倍以上になるこ
とが確認されている。）。Further, the electrochemical actuator of the present invention can be realized by increasing the current at the time of constant current charging when the response speed is desired to be improved (for example, as compared with 10 mA charging at a voltage of 4 V). ,
It has been confirmed that the response speed at the time of charging at 60 mA becomes 5 times or more. ).
【００１１】 更に、本発明の電気化学アクチュエータ
は、より大きい変位量を必要とする場合、分極性電極の
厚さを厚くしたり、電気化学アクチュエータの基本構造
の１つである積層体を積層し、回路を並列接続すること
により、実現することができる。Further, in the case where a larger displacement is required, the electrochemical actuator of the present invention increases the thickness of the polarizable electrode or laminates a laminate which is one of the basic structures of the electrochemical actuator. , By connecting the circuits in parallel.
【００１２】 以下、図面に基づき本発明を更に詳細に
説明する。図１〜２は、本発明の電気化学アクチュエー
タの基本構造の１つである積層体（単電極セル）及び単
電気化学アクチュエータの内部構造の一例を示す斜視図
である。本発明の電気化学アクチュエータの一例は、図
１に示すように、金属材料からなる対の集電体２０，２
２に、黒鉛類似の微結晶炭素を有する炭素材料を部分酸
化させたものを主材として形成された正極側の分極性電
極２４と、負極側分極電極２６がそれぞれ形成され、分
極性電極２４，２６間に電子絶縁性のセパレータ２８を
挟み込んだ積層体（単電極セル）１０を、有機電解液で
含浸させてなるものである。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIGS. 1 and 2 are perspective views showing an example of a laminate (single electrode cell), which is one of the basic structures of the electrochemical actuator of the present invention, and an internal structure of the single electrochemical actuator. As shown in FIG. 1, one example of the electrochemical actuator of the present invention includes a pair of current collectors 20 and 2 made of a metal material.
2, a polarizable electrode 24 on the positive electrode side and a negative-polarized electrode 26 formed on the negative electrode side, which are formed mainly by partially oxidizing a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite, are formed. The laminate (single electrode cell) 10 having an electronic insulating separator 28 sandwiched between 26 is impregnated with an organic electrolyte.
【００１３】 また、本発明の電気化学アクチュエータ
の他の例は、図２に示すように、複数の積層体（単電極
セル）１０を積層させ、集電体２０，２２に形成された
電極取り出し部３０，３２をそれぞれ電気的に並列接続
した構造（単電気化学アクチュエータ１２）を有するも
のであり、より大きい変位量が必要な場合、簡便に対応
することができる。In another example of the electrochemical actuator of the present invention, as shown in FIG. 2, a plurality of laminates (single-electrode cells) 10 are laminated, and electrode extraction formed on current collectors 20 and 22 is taken out. It has a structure in which the parts 30 and 32 are electrically connected in parallel (single electrochemical actuator 12), and can easily cope with a case where a larger displacement is required.
【００１４】 更に、これら単電極セル１０や単電気化
学アクチュエータ１２は、共に平板型であり、高充填、
大面積化が容易である特徴を有している。Further, both the single electrode cell 10 and the single electrochemical actuator 12 are of a flat plate type,
It has a feature that it is easy to increase the area.
【００１５】 尚、図１〜２に示す電気化学アクチュエ
ータは、実使用時に、有機電解液の漏洩や劣化を防止す
るとともに、機械的な仕事を外部に確実に伝達するた
め、電極端子以外を厳しい包装適性（密封性、バリヤ
性、耐摩耗性、耐膨脹性等）でパッケージされているこ
とが好ましい。Note that the electrochemical actuator shown in FIGS. 1 and 2 prevents leakage and deterioration of the organic electrolyte during actual use, and transmits mechanical work to the outside without fail. It is preferable that the package is packaged with packaging suitability (sealing property, barrier property, abrasion resistance, expansion resistance, etc.).
【００１６】 図３は、その一例であり、アクチュエー
タの動作に伴う変位が生じても気密性が保てるよう、単
電気化学アクチュエータ１２の内部構成物を両面に金属
プレート４２，４４を有する金属ベローズ４０中に封入
したものである。金属ベローズ４０と単電気化学アクチ
ュエータ１２の内部構成物および電極取り出し部３０，
３２の間は耐有機電解液性を有するのポリオレフィン等
の材質の袋状バリアフィルムを使用して絶縁性を確保し
ている。FIG. 3 is an example of such a structure. In order to maintain airtightness even when a displacement occurs due to the operation of the actuator, a metal bellows 40 having metal plates 42 and 44 on both surfaces of the internal components of the single electrochemical actuator 12 is provided. It is enclosed inside. The internal components of the metal bellows 40 and the single electrochemical actuator 12 and the electrode extraction portion 30,
Between 32, insulation is ensured by using a bag-like barrier film made of a material such as polyolefin having organic electrolyte resistance.
【００１７】 ここで、本発明の電気化学アクチュエー
タの主な特徴は、黒鉛類似の微結晶炭素を有する炭素材
料を部分酸化したもの（以下、部分酸化された炭素材料
という。）を主材として形成された分極性電極を用いる
ことにある。これは、上記分極性電極が、電圧を印加す
ることにより、電界方向のみに体積膨脹する性質を有し
ているからである。Here, the main feature of the electrochemical actuator of the present invention is that a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite is partially oxidized (hereinafter, referred to as a partially oxidized carbon material) as a main material. The use of a polarized electrode made as described above. This is because the polarizable electrode has the property of expanding in volume only in the direction of the electric field when a voltage is applied.
【００１８】 また、上記分極性電極は、充放電に寄与
するクーロン量が多いほど体積膨脹が大きくなる傾向が
あるため、静電容量を大きく、且つ一回の充放電容量を
大きく、更に静電容量密度（単位体積当たりの静電容量
の密度をいう。）或いは静電容量の重量密度（単位重量
当たりの静電容量の密度をいう。）を大きくすることが
好ましい。Further, the polarizable electrode has a tendency to increase in volume expansion as the amount of coulomb contributing to charge and discharge increases, so that the capacitance and the charge / discharge capacity at one time are increased, and It is preferable to increase the capacitance density (meaning the density of the capacitance per unit volume) or the weight density of the capacitance (meaning the density of the capacitance per unit weight).
【００１９】 更に、上記分極性電極は、バインダとし
て、弾性材料を含有していることが好ましい。これは、
分極性電極の主成分である部分酸化された炭素材料の体
積膨脹に追随することができるからである。尚、ここで
用いる弾性材料は、有機電解液に侵食されないものであ
れば、特に限定されないが、例えば、ラテックスゴム等
を用いることが好ましい。Further, the polarizable electrode preferably contains an elastic material as a binder. this is,
This is because it can follow the volume expansion of the partially oxidized carbon material which is the main component of the polarizable electrode. The elastic material used here is not particularly limited as long as it is not eroded by the organic electrolyte solution. For example, latex rubber or the like is preferably used.
【００２０】 以上のことから、本発明の電気化学アク
チュエータは、上記分極性電極を用いることにより、低
電圧（例えば、２〜４Ｖ程度）で、電界方向にのみ変位
（体積膨脹）を発生することができるだけでなく、その
変位量も大きく（無荷重時、電圧印加前の体積の約１．
５倍）、更に単位面積当たりの荷重量も図５に示すよう
に、とることができる。From the above, the electrochemical actuator of the present invention can generate displacement (volume expansion) only in the direction of an electric field at a low voltage (for example, about 2 to 4 V) by using the above-mentioned polarizable electrode. And the displacement amount is large (when no load is applied, about 1.
5 times), and the load per unit area can be obtained as shown in FIG.
【００２１】 次に、本発明で用いる分極性電極につい
て更に詳細に説明する。本発明で用いる分極性電極の主
材料となる炭素材料を製造するに当たり、まず、石油コ
ークス、石炭コークス、石油ピッチ（タール）、石炭ピ
ッチ（タール）、メソフェーズカーボン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリイミド等の易黒鉛化炭素原料を、熱処理して炭
化する。この炭化処理は、不活性ガス雰囲気中、約７０
０℃〜１０００℃の温度範囲で、好適に行われる。これ
らの易黒鉛化炭素原料は、１種類を単独で用いてもよ
く、また複数種の混合物として用いてもよい。不活性ガ
スとしては、窒素ガス、並びにアルゴンガスやヘリウム
ガスといった希ガスが好適に用いられる。Next, the polarizable electrode used in the present invention will be described in more detail. In producing a carbon material as a main material of the polarizable electrode used in the present invention, first, petroleum coke, coal coke, petroleum pitch (tar), coal pitch (tar), mesophase carbon, polyvinyl chloride, polyimide, etc. The graphitized carbon material is heat-treated and carbonized. This carbonization treatment is performed in an inert gas atmosphere at about 70 ° C.
It is suitably performed in a temperature range of 0 ° C to 1000 ° C. One of these easily graphitizable carbon materials may be used alone, or a mixture of a plurality of types may be used. As the inert gas, nitrogen gas and rare gases such as argon gas and helium gas are preferably used.
【００２２】 こうして得られた炭素材料９０の微構造
の説明図を図４に示す。炭素材料９０は、黒鉛類似の微
結晶炭素９４（微結晶炭素９４の網平面は紙面に垂直）
が層状に積層されてなる構造体９６から主に構成されて
いる。構造体９６そのものは微結晶炭素９４がほぼ平行
にほぼ等間隔で積み重なった構造を有しているが、各構
造体９６間の配列は、層平面が略平行に、但し、完全に
平行となるようには配向せずに、不規則に角度を持って
積み重なっている。FIG. 4 is an explanatory view of the microstructure of the carbon material 90 thus obtained. The carbon material 90 is made of graphite-like microcrystalline carbon 94 (the net plane of the microcrystalline carbon 94 is perpendicular to the paper surface).
Are mainly composed of a structural body 96 which is laminated in layers. The structure 96 itself has a structure in which the microcrystalline carbons 94 are stacked substantially parallel and at substantially equal intervals, but the arrangement between the structures 96 is such that the layer planes are substantially parallel, but completely parallel. They are stacked at random angles without any orientation.
【００２３】 次に、得られた炭素材料を、所定粒径を
有するように粉砕することが好ましい。ここで、易黒鉛
化炭素原料が粉末状である等の理由で炭素材料が粉末の
形で得られる場合には、粉砕処理は必ずしも必要ではな
い。この粉砕処理により、次工程における部分酸化処理
の反応の均一化と、処理時間の短縮を図ることができる
ようになる。なお、ここでの粉砕処理には、乾式・湿式
を問わず、公知の種々の方法を用いることができる。Next, the obtained carbon material is preferably pulverized so as to have a predetermined particle size. Here, when the carbon material is obtained in the form of a powder because the easily graphitizable carbon raw material is in the form of a powder or the like, the pulverization treatment is not necessarily required. By this pulverizing process, the reaction of the partial oxidation process in the next step can be made uniform and the processing time can be shortened. In addition, various well-known methods can be used for the pulverization treatment regardless of a dry type or a wet type.
【００２４】 次に、炭素材料を部分酸化する。この部
分酸化の１つの方法は、炭素材料を、アルカリ金属及び
酸素を含むアルカリ金属化合物（以下、「アルカリ金属
化合物」という。）の少なくも１種の存在下、不活性雰
囲気中で、易黒鉛化炭素原料の炭化温度以下の温度で熱
処理する方法である。Next, the carbon material is partially oxidized. One method of this partial oxidation is to form a carbon material in an inert atmosphere in the presence of at least one alkali metal compound containing an alkali metal and oxygen (hereinafter referred to as “alkali metal compound”) in an inert atmosphere. In this method, the heat treatment is performed at a temperature equal to or lower than the carbonization temperature of the carbonized raw material.
【００２５】 ここで、アルカリ金属化合物としては、
アルカリ金属元素にカリウム、ナトリウム、リチウム、
ルビジウムを用いた酸化物、水酸化物、硝酸塩、硫酸
塩、炭酸塩等を用いることができ、例として水酸化カリ
ウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウ
ム等を挙げることができる。これらのアルカリ金属化合
物は複数種を混合して用いてもよい。Here, as the alkali metal compound,
Potassium, sodium, lithium, and alkali metal elements
Oxides, hydroxides, nitrates, sulfates, carbonates, and the like using rubidium can be used, and examples thereof include potassium hydroxide, sodium hydroxide, potassium carbonate, and sodium carbonate. These alkali metal compounds may be used in combination of two or more.
【００２６】 なお、アルカリ金属化合物の「存在下」
とは、炭素材料をアルカリ金属化合物と直接に混合した
状態に置くことをいう。このような熱処理は不活性ガス
雰囲気中で行われる。The “in the presence” of the alkali metal compound
"It means that the carbon material is placed in a state of being directly mixed with the alkali metal compound. Such a heat treatment is performed in an inert gas atmosphere.
【００２７】 さて、上述のように、アルカリ金属化合
物の存在下に熱処理され、部分酸化された炭素材料は、
不要なアルカリ金属化合物が炭素材料に付着等している
ので、これを除去する必要がある。そこで、メタノール
やエタノール等のアルコール系溶媒や蒸留水等を用い
て、炭素材料に不要に付着等したアルカリ金属化合物を
溶解し、炭素材料を洗浄、濾過する。こうして、分極性
電極に用いられる炭素材料が得られる。Now, as described above, the carbon material heat-treated in the presence of the alkali metal compound and partially oxidized is
Unnecessary alkali metal compounds are attached to the carbon material or the like, and need to be removed. Therefore, an alkali metal compound unnecessarily attached to the carbon material is dissolved using an alcohol-based solvent such as methanol or ethanol, distilled water, or the like, and the carbon material is washed and filtered. Thus, a carbon material used for the polarizable electrode is obtained.
【００２８】 別の炭素材料の部分酸化方法は、炭素材
料を、酸化性ガスを含む酸化雰囲気中において、易黒鉛
化炭素原料の炭化温度よりも低い温度で熱処理する方法
である。酸化性ガスとしては、酸素、ＮＯX、ＣＯX、水
蒸気、空気等が挙げられ、その分圧と酸化処理温度を制
御することにより、極度な炭素材料の酸化、即ち燃焼を
抑制しつつ、部分酸化を行うことができる。Another method of partially oxidizing a carbon material is a method of heat-treating a carbon material in an oxidizing atmosphere containing an oxidizing gas at a temperature lower than the carbonization temperature of the graphitizable carbon raw material. Examples of the oxidizing gas include oxygen, NO x , CO x , water vapor, and air. By controlling the partial pressure and the oxidizing temperature of the oxidizing gas, extreme oxidation of carbon material, that is, while suppressing combustion, Oxidation can be performed.
【００２９】 更に別の炭素材料の部分酸化方法は、黒
鉛を浸漬すると石墨酸を形成して溶解させることができ
る酸化剤に、炭素材料を浸漬して酸化させる方法であ
る。酸化剤としては、熱硝酸と塩素酸カリウム（ＫＣｌ
Ｏ3）の混合物、熱硝酸と過塩素酸（ＨＣｌＯ4）の混合
物や熱硝酸と熱硫酸の混酸等が挙げられ、温度と浸漬時
間を制御することで部分酸化を行なうことができる。Still another method of partially oxidizing a carbon material is a method of immersing a carbon material in an oxidizing agent capable of forming and dissolving graphite acid when graphite is immersed therein to oxidize the carbon material. Oxidizing agents include hot nitric acid and potassium chlorate (KCl
Mixture of O 3), mixed acid and the like in the mixture and hot nitric acid and hot sulfuric thermal nitric acid and perchloric acid (HClO 4) and the like, can be carried out partial oxidation by controlling the temperature and the immersion time.
【００３０】 さて、上述の通りにして作製された炭素
材料を主材料として、分極性電極が作製される。この分
極性電極の作製は、上記炭素材料に、ラテックスゴム等
の弾性を有するバインダやカーボンブラック等の導電剤
を添加した後、混合、混練等し、板状やシート状といっ
た種々の形状に加工することで行われる。特に、シート
状に成形して分極性電極とすることで、電気化学アクチ
ュエータとして高い性能を得ることができる。Now, a polarizable electrode is manufactured using the carbon material manufactured as described above as a main material. This polarizable electrode is prepared by adding a binder having elasticity such as latex rubber or a conductive agent such as carbon black to the above-mentioned carbon material, and then mixing, kneading, etc., and processing into various shapes such as a plate shape or a sheet shape. It is done by doing. In particular, by forming a sheet into a polarizable electrode, high performance as an electrochemical actuator can be obtained.
【００３１】 なお、炭素材料は、電気化学アクチュエ
ータの構造に関係なく分極性電極の材料として用いるこ
とができることはいうまでもない。例えば、分極性電極
を前述した図１に示す単電極セル１０や図２に示す単電
気化学アクチュエータ１２に、有機電解液を含浸させる
ことで種々の構造の電気化学アクチュエータを作製する
ことができる。Needless to say, the carbon material can be used as a material for the polarizable electrode regardless of the structure of the electrochemical actuator. For example, various types of electrochemical actuators can be manufactured by impregnating a polarizable electrode with the above-described single electrode cell 10 shown in FIG. 1 or the single electrochemical actuator 12 shown in FIG. 2 with an organic electrolyte.
【００３２】 次に、本発明で用いる有機電解液は、溶
質、即ち電解液として、４級アンモニウムの４フッ化ホ
ウ酸（ＢＦ4 -）塩又は６フッ化リン酸（ＰＦ6 -）塩、或
いはテトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ+）又はテトラ
ブチルアンモニウム（ＴＢＡ+）のＢＦ4塩又はＰＦ
6塩、トリエチルメチルアンモニウム（ＴＥＭＡ+）のＢ
Ｆ4塩又はＰＦ6塩、或いは４級ホスホニウム塩のＢＦ4
塩又はＰＦ6塩、テトラエチルホスホニウム（ＴＥＰ+）
のＢＦ4塩又はＰＦ6塩、或いは一般式Next, the organic electrolyte used in the present invention is a solute, ie, a quaternary ammonium tetrafluoroborate (BF 4 − ) salt or a hexafluorophosphoric acid (PF 6 − ) salt as an electrolyte, Alternatively, BF 4 salt or PF of tetraethylammonium (TEA + ) or tetrabutylammonium (TBA + )
6 salt, triethylmethylammonium (TEMA + ) B
F 4 salt or PF 6 salt or quaternary phosphonium salt BF 4
Salt or PF 6 salt, tetraethylphosphonium (TEP + )
BF 4 salt or PF 6 salt of the general formula
【００３３】[0033]
【化１】 Embedded image
【００３４】 （式中、Ｒ1、Ｒ2は炭素数１〜５のアル
キル基であり、Ｒ1、Ｒ2は同じ基でもよいし、異なる基
でもよい。）に示されるイミダゾリウム誘導体のＢＦ4
塩又はＰＦ6塩、１−エチル−３−メチルイリダゾリウ
ム（ＥＭＩ+）のＢＦ4塩又はＰＦ6塩が好適に用いられ
る。(Wherein R 1 and R 2 are an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different groups). Four
Salts or PF 6 salts, and BF 4 salts or PF 6 salts of 1-ethyl-3-methyliridazolium (EMI + ) are preferably used.
【００３５】 また、電解液の溶媒としては、プロピレ
ンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチルラクトン（ＧＢ
Ｌ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、スルホラン（Ｓ
Ｌ）の少なくとも１種を含むものが好適に用いられる。
また、前記ＰＣ、ＧＢＬ、ＥＣ、ＳＬの少なくとも１種
を含むものを主溶媒とし、ジメチルカーボネート（ＤＭ
Ｃ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチル
カーボネート（ＤＥＣ）の少なくとも１種を含むものを
副溶媒としたものを用いることも可能である。As the solvent for the electrolytic solution, propylene carbonate (PC), γ-butyl lactone (GB
L), ethylene carbonate (EC), sulfolane (S
Those containing at least one of L) are preferably used.
A solvent containing at least one of PC, GBL, EC and SL is used as a main solvent, and dimethyl carbonate (DM
It is also possible to use a solvent containing at least one of C), ethyl methyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) as a sub-solvent.
【００３６】 ここで、主溶媒とは、その物質単独であ
っても電解液溶媒として十分な性能が得られる溶媒をい
い、副溶媒とは、その物質単独では電解液溶媒としての
性能は低いが、主溶媒と組み合わせて用いることで、主
溶媒単独又は副溶媒単独以上の性能が得られる溶媒をい
い、副溶媒の添加量は、例えば５０％以下である、とい
った制限のあるものではない。Here, the main solvent refers to a solvent capable of obtaining sufficient performance as an electrolyte solvent even when the substance is used alone, and the sub-solvent refers to a solvent having a low performance as an electrolyte solvent when used alone. It refers to a solvent that, when used in combination with the main solvent, can attain a performance higher than that of the main solvent alone or the auxiliary solvent alone. The amount of the auxiliary solvent added is not limited to, for example, 50% or less.
【００３７】[0037]
【実施例】 次に、本発明の実施例について説明する
が、以下の実施例が本発明を限定するものでないことは
いうまでもない。EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described, but it goes without saying that the following examples do not limit the present invention.
【００３８】 （実施例）易黒鉛化炭素原料として石油
コークスを用い、石油コークス１００ｇを、窒素雰囲気
中、８００℃で２時間ほど熱処理し、室温まで冷却し
た。なお、この時の昇温速度は１００℃／時間とした。
その後、得られた炭素材料を平均粒径３５μｍに粉砕
し、この炭素材料の粉末５０ｇをアルミナ製容器に入
れ、空気気流中で５００℃×２時間保持することによ
り、炭素粉末を部分的に酸化させた。(Example) Using petroleum coke as a graphitizable carbon raw material, 100 g of petroleum coke was heat-treated at 800 ° C for about 2 hours in a nitrogen atmosphere, and cooled to room temperature. In this case, the heating rate was 100 ° C./hour.
Thereafter, the obtained carbon material is pulverized to an average particle size of 35 μm, and 50 g of this carbon material powder is placed in an alumina container and kept at 500 ° C. for 2 hours in an air stream to partially oxidize the carbon powder. I let it.
【００３９】 得られた炭素材料１ｇに対して、導電剤
としてカーボンブラック０．１ｇ、バインダとしてラテ
ックスゴムを添加して、混合、混練し、更に圧延して厚
み０．５ｍｍのシート状に成形した。こうして作製した
分極性電極シートから、直径１９ｍｍφに打ち抜いたも
のを正負極の分極性電極とした。To 1 g of the obtained carbon material, 0.1 g of carbon black as a conductive agent and latex rubber as a binder were added, mixed, kneaded, and further rolled to form a sheet having a thickness of 0.5 mm. . What was punched out to a diameter of 19 mm from the polarizable electrode sheet thus produced was used as positive and negative polarizable electrodes.
【００４０】 次に、上記分極性電極と、集電体として
アルミニウム箔、セパレータとしてガラス繊維不織布を
用いて、図１に示すような単電極セル１０を作製した
後、更にプロピレンカーボネート（ＰＣ）を溶媒とし、
テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレート
（ＴＥＡＢＦ4）を溶質とした濃度１ｍｏｌ／Ｌの電解
液に浸漬させた状態で、ラミネート製のパッケージ内に
シールすることにより、電気化学アクチュエータ（実施
例）を作製した。尚、上記電気化学アクチュエータの作
製は、露点−８０℃以下のアルゴンガス雰囲気のグロー
ブボックス中で行った。Next, using the polarizable electrode, an aluminum foil as a current collector, and a glass fiber non-woven fabric as a separator, a single electrode cell 10 as shown in FIG. 1 was prepared, and then propylene carbonate (PC) was further added. As a solvent,
Tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4) in a state of being immersed in the electrolytic solution concentration 1 mol / L was a solute, by sealing a laminate made in the package, to prepare an electrochemical actuator (Example). The production of the electrochemical actuator was performed in a glove box in an argon gas atmosphere having a dew point of −80 ° C. or less.
【００４１】 次に、上記のように作製された電気化学
アクチュエータ（実施例）の上に６ｋｇの重しを置き、
定電流充電で４Ｖまで充電を行った時における電圧と変
位との経時変化を測定した。その結果を図５に示す。ま
た、上記電気化学アクチュエータ（実施例）の電圧印加
（３Ｖ，３．５Ｖ，４Ｖ）時における変位−荷重特性を
測定した。その結果を図６に示す。Next, a weight of 6 kg was placed on the electrochemical actuator (Example) manufactured as described above,
The change with time in voltage and displacement when charging was performed to 4 V with constant current charging was measured. The result is shown in FIG. The displacement-load characteristics of the electrochemical actuator (Example) when voltage was applied (3 V, 3.5 V, 4 V) were measured. FIG. 6 shows the result.
【００４２】 （考察）図５〜６に示すように、本発明
の電気化学アクチュエータは、低電圧（例えば、３〜４
Ｖ程度）で、電界方向にのみ変位（体積膨脹）を発生す
ることができるだけでなく、その変位量も大きく（電圧
印加前の体積の約１．５倍）、更に単位面積当たりの荷
重量も大きくとることができた。尚、本発明の電気化学
アクチュエータは、応答速度を向上させたい場合、定電
流充電時に電流を増加させることにより、実現すること
ができた（例えば、電圧４Ｖにおける１０ｍＡ充電時と
比較すると、６０ｍＡ充電時における応答速度は、５倍
以上になった）。(Discussion) As shown in FIGS. 5 and 6, the electrochemical actuator of the present invention has a low voltage (for example, 3 to 4).
V), the displacement (volume expansion) can be generated only in the direction of the electric field, the displacement is large (about 1.5 times the volume before voltage application), and the load per unit area is also small. I was able to take big. In order to improve the response speed, the electrochemical actuator of the present invention can be realized by increasing the current at the time of constant current charging (for example, 60 mA charging compared to 10 mA charging at a voltage of 4 V). The response speed at the time became more than 5 times).
【００４３】[0043]
【発明の効果】 以上の通り、本発明の電気化学アクチ
ュエータによれば、コンパクトで、低電圧で駆動でき、
変位量も大きく取ることができるだけでなく、単位面積
当たりの荷重量も大きいため、特に、高荷重を支え、ゆ
っくり動く用途（例えば、ジャッキ等）に好適に用いる
ことができる。As described above, according to the electrochemical actuator of the present invention, it is compact and can be driven at a low voltage.
Not only can the displacement amount be large, but also the load amount per unit area is large, so that it can be suitably used particularly for applications that support a high load and move slowly (for example, jacks and the like).
【図１】 単電極セルの内部構造の一例を示す斜視図で
ある。FIG. 1 is a perspective view showing an example of the internal structure of a single electrode cell.
【図２】 単電気化学アクチュエータの内部構造の一例
を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing an example of the internal structure of a single electrochemical actuator.
【図３】 電気化学アクチュエータの構造の一例を示す
斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing an example of the structure of an electrochemical actuator.
【図４】 本発明の電気化学アクチュエータに好適に用
いられる炭素材料の微構造を模式的に示した説明図であ
る。FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a microstructure of a carbon material suitably used for the electrochemical actuator of the present invention.
【図５】 定電流充電で４Ｖまで充電を行った時におけ
る電気化学アクチュエータの電圧と変位との経時変化を
示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing time-dependent changes in voltage and displacement of an electrochemical actuator when charging is performed up to 4 V by constant current charging.
【図６】 電圧印加時における電気化学アクチュエータ
の変位−荷重特性を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing displacement-load characteristics of an electrochemical actuator when a voltage is applied.
１…電気化学アクチュエータ、１０…積層体（単電極セ
ル）、１２…単電気化学アクチュエータ、２２・２４…
集電体、２６…分極性電極、２８…セパレータ、３０・
３２…電極取り出し部、４０…金属ベローズ、４２・４
４…金属プレート、９０…炭素材料、９４…微結晶炭
素、９６…構造体。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrochemical actuator, 10 ... Laminated body (single electrode cell), 12 ... Single electrochemical actuator, 22/24 ...
Current collector, 26: polarizable electrode, 28: separator, 30
32 ... electrode extraction part, 40 ... metal bellows, 42.4
4 ... metal plate, 90 ... carbon material, 94 ... microcrystalline carbon, 96 ... structure.
Claims (7)
似の微結晶炭素を有する炭素材料を部分酸化させたもの
を主材として形成された分極性電極をそれぞれ配設し、
当該分極性電極間に電子絶縁性のセパレータを挟み込ん
だ少なくとも１つの積層体を、有機電解液で浸漬させて
なる電気化学アクチュエータであって、 当該集電体間の電圧の印加に基づき当該分極性電極を体
積膨脹させ機械的な仕事を行うことを特徴とする電気化
学アクチュエータ。1. A pair of current collectors comprising a metal material, a polarizable electrode formed mainly of a carbon material having a microcrystalline carbon similar to graphite, which is partially oxidized, is disposed,
An electrochemical actuator formed by immersing at least one laminate having an electronic insulating separator between the polarizable electrodes and an organic electrolyte, wherein the polarizability is determined based on application of a voltage between the current collectors. An electrochemical actuator characterized in that it performs mechanical work by expanding the volume of an electrode.
料を含有する請求項１に記載の電気化学アクチュエー
タ。2. The electrochemical actuator according to claim 1, wherein the polarizable electrode contains an elastic material as a binder.
項２に記載の電気化学アクチュエータ。3. The electrochemical actuator according to claim 2, wherein the elastic material is a latex rubber.
活性ガス雰囲気中、７００℃〜１０００℃で熱処理して
なるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の電気化学アクチュエータ。4. The carbon material according to claim 1, wherein the graphitizable carbon material is heat-treated at 700 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere. An electrochemical actuator according to claim 1.
を、アルカリ金属及び酸素を含むアルカリ金属化合物の
少なくとも１種の存在下、不活性雰囲気中で、前記炭素
材料の熱処理温度以下の温度で熱処理する方法であるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電
気化学アクチュエータ。5. The method of partial oxidation according to claim 1, wherein the carbon material is heated in an inert atmosphere in the presence of at least one of an alkali metal and an alkali metal compound containing oxygen at a temperature not higher than the heat treatment temperature of the carbon material. The electrochemical actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrochemical actuator is a method of performing a heat treatment.
を、黒鉛を浸漬すると石墨酸が形成できる酸化剤に浸漬
する方法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
か１項に記載の電気化学アクチュエータ。6. The method according to claim 1, wherein the method of partial oxidation is a method of immersing the carbon material in an oxidizing agent that can form graphite when immersed in graphite. An electrochemical actuator as described.
を、酸化性ガスを含む酸化雰囲気中において、前記易黒
鉛化炭素原料の熱処理温度よりも低い温度で熱処理する
方法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項に記載の電気化学アクチュエータ。7. The method of partial oxidation, wherein the carbon material is heat-treated in an oxidizing atmosphere containing an oxidizing gas at a temperature lower than a heat treatment temperature of the graphitizable carbon material. Any one of claims 1 to 4
Item 18. The electrochemical actuator according to Item.
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| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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- 1999-11-17 JP JP32684499A patent/JP2001144342A/en not_active Withdrawn
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