JP2001223143A - Method for reactivating electric field of electrochemical capacitor - Google Patents
Method for reactivating electric field of electrochemical capacitorInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】 本発明は、分極性電極に静
電容量の大きい高性能な炭素材料を使用してなる電気化
学キャパシタにおいて、最初の充電条件を最適化するこ
とにより、同じ分極性電極を用いた場合であっても、静
電容量密度を向上させることを可能ならしめる電気化学
キャパシタの電界賦活方法に関する。The present invention relates to an electrochemical capacitor using a high-performance carbon material having a large capacitance for a polarizable electrode. The present invention relates to a method for activating an electric field of an electrochemical capacitor, which makes it possible to improve the capacitance density even when using an electric field.
【0002】[0002]
【従来の技術】 キャパシタの1つである電気化学キャ
パシタは、ファラッド級の大容量を有し、充放電サイク
ル特性にも優れることから、電子機器のバックアップ電
源や自動車を始めとした各種輸送機のバッテリーとして
用いられている他、エネルギーの有効利用の観点から
は、夜間電力の貯蔵といった用途での使用も検討されて
いる。2. Description of the Related Art An electrochemical capacitor, which is one of the capacitors, has a farad-class large capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics. In addition to being used as batteries, from the viewpoint of effective use of energy, use in applications such as storage of nighttime power is also being studied.
【0003】 このような電気化学キャパシタの基本構
造の1つである単電極セル10は、図1に示されるよう
に、一般的には金属材料からなる集電体20・22にそ
れぞれ正極側の分極性電極24と負極側の分極性電極2
6が形成され、分極性電極24・26がセパレータ28
によって隔離された構造を有しており、分極性電極24
・26には、溶媒と電解質とからなる電解液が含浸され
る。As shown in FIG. 1, a single electrode cell 10, which is one of the basic structures of such an electrochemical capacitor, is generally connected to current collectors 20 and 22 made of a metal material on the positive electrode side, respectively. Polarizing electrode 24 and negative polarizable electrode 2
6 are formed, and the polarizable electrodes 24 and 26 are
And a polarizable electrode 24
26 is impregnated with an electrolytic solution composed of a solvent and an electrolyte.
【0004】 また、図2に示す単キャパシタセル12
は、図1に示した単電極セル10が、集電体20・22
に形成された電極取り出し部30・32を介して電気的
に並列接続された構造を有している。自動車用等に用い
られる比較的容量の大きな電気化学キャパシタとして
は、このような単キャパシタセル12が好適に用いられ
る。これら単電極セル10や単キャパシタセル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
を有する。Further, the single capacitor cell 12 shown in FIG.
Means that the single electrode cell 10 shown in FIG.
Are electrically connected in parallel via the electrode lead-out portions 30 and 32 formed in the first portion. Such a single-capacitor cell 12 is suitably used as a relatively large-capacity electrochemical capacitor used for automobiles and the like. These single electrode cells 10 and single capacitor cells 12
Both are plate-type, and have characteristics that high filling and large area are easy.
【0005】 このような平板型の電気化学キャパシタ
に対して、図3に示すような捲回型の電気化学キャパシ
タ70もあり、単キャパシタセル12と同様に、高容量
化に適した構造である。捲回型電気化学キャパシタ70
においては、集電体20に正極側の分極性電極24が形
成された正極シート72と、集電体22に負極側の分極
性電極26が形成された負極シート74との間に、セパ
レータ28を介在させた状態で円筒状に捲回することに
より作製された捲回体76が用いられ、例えば、この捲
回体76をケース78に収容して電解液を充填し、各極
シート72・74と電極端子80の各々との導通を確保
しながら、電極端子80が形成された封口板82でケー
ス78の開口端面を封止することで作製される。In contrast to such a flat-type electrochemical capacitor, there is also a wound-type electrochemical capacitor 70 as shown in FIG. 3, which has a structure suitable for increasing the capacity, similarly to the single capacitor cell 12. . Wound electrochemical capacitor 70
In the above, a separator 28 is provided between a positive electrode sheet 72 in which the positive electrode-side polarizable electrode 24 is formed on the current collector 20 and a negative electrode sheet 74 in which the negative electrode-side polarizable electrode 26 is formed on the current collector 22. The wound body 76 produced by winding the cylindrical body in a state in which is interposed is used. For example, the wound body 76 is accommodated in a case 78 and filled with an electrolytic solution, and each of the electrode sheets 72. It is manufactured by sealing the open end surface of the case 78 with the sealing plate 82 on which the electrode terminals 80 are formed, while ensuring conduction between the electrode terminals 80 and the electrode terminals 80.
【0006】 このような電気化学キャパシタ用の分極
性電極材料としては、比表面積が1000m2/g以上
の活性炭を主体とするものが従来から使用されている。
しかし、このような活性炭を用いた電気化学キャパシタ
の静電容量密度は15F/cc程度が限界であり、ま
た、耐電圧も3V程度であった。そこで、分極性電極材
料の高容量化を図るべく、炭素材料をアルカリ化合物と
共に熱処理して製造された高容量の新しい分極性電極材
料が報告されている(特開平9−275042号公報、
特開平9−320906号公報)。As such a polarizable electrode material for an electrochemical capacitor, a material mainly composed of activated carbon having a specific surface area of 1000 m 2 / g or more has been conventionally used.
However, the capacitance density of an electrochemical capacitor using such activated carbon is limited to about 15 F / cc, and the withstand voltage is also about 3 V. In order to increase the capacity of the polarizable electrode material, a new high-capacity polarizable electrode material produced by heat-treating a carbon material together with an alkali compound has been reported (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-275042,
JP-A-9-320906).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】 ここで、電気化学キ
ャパシタの静電容量は、製造後に充電・放電の処理を行
うことによって確認され得るが、この最初の充電条件に
よって、同じ分極性電極材料を用いた電気化学キャパシ
タであっても、静電容量に差が現れることが予想され
る。即ち、発明者は、分極性電極材料中に静電容量を発
現する場を可能な限り多く形成して安定に存在させるこ
と、即ち、電解液中のアニオン及びカチオンと分極性電
極材料との相互作用の場を多く形成して安定に存在させ
ることが、最初の充電条件を最適化することにより、可
能であると考えた。Here, the capacitance of the electrochemical capacitor can be confirmed by performing a charging / discharging process after the production. However, depending on the initial charging condition, the same polarizable electrode material is used. Even with the used electrochemical capacitor, it is expected that a difference will appear in the capacitance. That is, the inventor of the present invention aims to form as many fields as possible to exhibit capacitance in the polarizable electrode material and to allow the polarizable electrode material to stably exist, that is, the interaction between anions and cations in the electrolytic solution and the polarizable electrode material. By optimizing the initial charging conditions, it was considered possible to form a large number of action fields and make them exist stably.
【0008】 このような最初の充電条件の最適化は、
使用する分極性電極材料の種類に依存することなく、適
応されるものである。特に、部分的に酸化された黒鉛類
似の微結晶炭素を有する炭素材料を分極性電極材料に用
いた場合のように、最初の充電における電位と充電時間
の関係が、2回目以降の充電における電位と時間の関係
と異なる挙動を示す場合には、最初の充電条件が、静電
容量の発現に深く関与していると考えられることから、
最初の充電条件を最適化することは非常に重要と考えら
れる。[0008] The optimization of the first charging condition is as follows.
The present invention can be applied without depending on the type of the polarizable electrode material used. In particular, as in the case where a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon is used as the polarizable electrode material, the relationship between the potential in the first charge and the charge time is the potential in the second and subsequent charges. And behavior different from the relationship between time and time, since the initial charging conditions are considered to be deeply involved in the development of capacitance,
Optimizing the initial charging conditions is considered very important.
【0009】 また、部分的に酸化された黒鉛類似の微
結晶炭素を有する炭素材料を用いた分極性電極材料で
は、充放電によって体積変化が生ずるため、この体積変
化の可逆性を良好に保つことができる構造であって、し
かも大きな静電容量が発現する構造を得るための大きな
要因が、最初の充電条件にあるということが予想され
る。Further, in a polarizable electrode material using a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon, a volume change occurs due to charge and discharge. Therefore, it is necessary to maintain good reversibility of the volume change. It is expected that the first charging condition is a major factor for obtaining a structure that can achieve the above-mentioned structure and a large capacitance.
【0010】 このように、電気化学キャパシタにおい
ては静電容量を増大させるという観点から最初の充電条
件が非常に重要であるにも拘わらず、未だその条件は最
適化されるに至っていなかった。本発明は、上述した問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、部分的に酸化された黒鉛類似の微結晶炭素を有す
る炭素材料を分極性電極材料に用いてなる電気化学キャ
パシタの最初の充電条件を最適化することによって静電
容量の増大を可能ならしめる電気化学キャパシタの電界
賦活方法を提供することにある。As described above, in the electrochemical capacitor, although the initial charging condition is very important from the viewpoint of increasing the capacitance, the condition has not yet been optimized. The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its object to provide an electric electrode using a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon as a polarizable electrode material. It is an object of the present invention to provide a method for activating an electric field of an electrochemical capacitor which can increase the capacitance by optimizing the initial charging condition of the chemical capacitor.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、第1の電界賦活方法として、部分的に酸化させた黒
鉛類似の微結晶炭素を有する炭素材料を主成分とした分
極性電極が有機電解液に浸漬され、当該分極性電極が充
電によって体積膨張し、かつ、放電によって体積収縮す
る電気化学キャパシタの電界賦活方法であって、最初の
充電における定電流充電を、実使用時に使用する電流以
下の低い電流で行い、及び/又は、最初の充電を、実使
用電圧以上電解液の分解電圧以下の所定電圧となるまで
定電流充電を行った後、当該所定電圧において緩和電流
が十分に小さくなるまで定電圧充電を行うことを特徴と
する電気化学キャパシタの電界賦活方法、が提供され
る。That is, according to the present invention, as a first electric field activation method, a polarizable electrode mainly composed of a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon is used. An electric field activation method for an electrochemical capacitor that is immersed in an organic electrolyte solution, and the polarizable electrode expands in volume by charging, and contracts in volume by discharging, wherein constant current charging in the first charging is used in actual use. After performing a constant current charge until a predetermined voltage not less than the actual use voltage and not more than the decomposition voltage of the electrolyte is performed, the relaxation current is sufficiently reduced at the predetermined voltage. A method for activating an electric field of an electrochemical capacitor, characterized in that constant voltage charging is performed until the voltage is reduced.
【0012】 また、本発明によれば、第2の電界賦活
方法として、部分的に酸化させた黒鉛類似の微結晶炭素
を有する炭素材料を主成分とした分極性電極が有機電解
液に浸漬され、当該分極性電極が充電によって体積膨張
し、かつ、放電によって体積収縮する電気化学キャパシ
タの電界賦活方法であって、最初の充電及び放電を行っ
た後に、当該分極性電極の極性を反転させて再充電を行
うことを特徴とする電気化学キャパシタの電界賦活方
法、が提供される。According to the present invention, as a second electric field activation method, a polarizable electrode mainly composed of a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon is immersed in an organic electrolyte. An electric field activation method for an electrochemical capacitor in which the polarizable electrode expands in volume by charging, and contracts in volume by discharging, after performing the first charge and discharge, reversing the polarity of the polarizable electrode. A method of activating an electric field of an electrochemical capacitor, characterized by performing recharging.
【0013】 この第2の電界賦活方法における最初の
充電及び/又は再充電においては、第1の電界賦活方法
の条件を適用することも好ましい。つまり、第2の電界
賦活方法における最初の充電及び/又は再充電におい
て、定電流充電を実使用時に使用する電流以下の低い電
流で行い、及び/又は、実使用電圧以上電解液の分解電
圧以下の所定電圧となるまで定電流充電を行った後、当
該所定電圧において、緩和電流が十分に小さくなるまで
定電圧充電を行う方法を適用することが好ましい。In the first charge and / or recharge in the second electric field activation method, it is preferable to apply the conditions of the first electric field activation method. That is, in the first charging and / or recharging in the second electric field activation method, the constant current charging is performed with a low current that is lower than the current used during actual use, and / or the actual use voltage or higher and the decomposition voltage of the electrolytic solution or lower. It is preferable to apply a method of performing constant-current charging until the relaxation voltage becomes sufficiently small at the predetermined voltage after the constant-current charging until the predetermined voltage is reached.
【0014】 このような本発明の電界賦活方法におい
ては、最初の充電や再充電における定電流充電の充電電
流を、実使用時の充電電流の1/2以下とすることが好
ましく、また、例えば、電気化学キャパシタで一般的に
使用されているプロピレンカーボネートを溶媒に使用し
た電解液を用いる場合、緩和電流が十分に小さくなるま
で行う定電圧充電の充電電圧を、単セル当たり、3V超
4.5V未満の範囲とすることが好ましい。In such an electric field activation method of the present invention, it is preferable that the charging current of the constant current charging in the first charging or recharging is set to half or less of the charging current in actual use. When an electrolytic solution using propylene carbonate as a solvent, which is generally used in an electrochemical capacitor, is used, the charging voltage of constant voltage charging, which is performed until the relaxation current becomes sufficiently small, exceeds 3 V per unit cell. It is preferable to set the range to less than 5V.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】 本発明の電界賦活方法が好適に
適用される電気化学キャパシタ(以下、「キャパシタ」
という。)は、部分的に酸化させた黒鉛類似の微結晶炭
素を有する炭素材料(以下、「炭素材料」という。)を
主成分とした分極性電極が有機電解液に浸漬され、分極
性電極が充電によって体積膨張し、かつ、放電によって
体積収縮する性質を有するものである。以下、最初に炭
素材料について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An electrochemical capacitor (hereinafter, referred to as “capacitor”) to which the electric field activation method of the present invention is suitably applied
That. ), A polarizable electrode mainly composed of a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon (hereinafter referred to as “carbon material”) is immersed in an organic electrolytic solution, and the polarizable electrode is charged. It has the property of expanding its volume due to discharge and contracting its volume by discharging. Hereinafter, the carbon material will be described first.
【0016】 炭素材料の作製にあたっては、先ず、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)、フェノール樹脂、メソフェーズカ
ーボン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリイ
ミド、ヤシガラ、大鋸屑等の有機材料を、不活性ガス雰
囲気中で、約700℃〜1000℃の温度範囲で熱処理
し、炭化材料を得る。これらの有機材料は、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、窒素ガスやアルゴンガス、
ヘリウムガスといった希ガスが好適に用いられる。In producing a carbon material, first, petroleum coke, coal coke, petroleum pitch (tar), coal pitch (tar), phenolic resin, mesophase carbon, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyimide, coconut shell, sawdust, etc. Is heat-treated in an inert gas atmosphere in a temperature range of about 700 ° C. to 1000 ° C. to obtain a carbonized material. One of these organic materials may be used alone, or a mixture of two or more thereof may be used. As the inert gas, nitrogen gas, argon gas,
A rare gas such as helium gas is preferably used.
【0017】 次に、得られた炭化材料を、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、有機材
料が粉末状である等のために炭化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反応の均一化
と、熱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 carbonized material is preferably pulverized so as to have a predetermined particle size. Here, when the carbonized material is obtained in the form of a powder because the organic material is in the form of a powder or the like, the pulverizing treatment is not necessarily required. This pulverization makes it possible to make the partial oxidation reaction uniform in the next step and to shorten the heat treatment time.
The pulverization treatment here can be performed by various known methods regardless of a dry type or a wet type.
【0018】 次に、得られた粉末状の炭化材料を部分
酸化させることにより、黒鉛類似の微結晶炭素を有する
炭素材料を得ることができる。ここで、部分酸化の方法
としては、空気や酸素等の酸化性ガスによる熱処理や、
熱硝酸等を用いた薬品酸化方法の他、アルカリ金属およ
び酸素元素を含む含酸素アルカリ化合物(以下、「アル
カリ金属等」という。)の少なくとも1種と共に、不活
性ガス雰囲気中で熱処理する酸化方法を挙げることがで
きる。Next, by partially oxidizing the obtained powdered carbonized material, a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite can be obtained. Here, as a method of partial oxidation, heat treatment with an oxidizing gas such as air or oxygen,
In addition to a chemical oxidation method using hot nitric acid or the like, an oxidation method in which heat treatment is performed in an inert gas atmosphere together with at least one kind of an oxygen-containing alkali compound containing an alkali metal and an oxygen element (hereinafter, referred to as “alkali metal or the like”). Can be mentioned.
【0019】 アルカリ金属元素としては、カリウム、
ナトリウム、リチウムが好適に用いられ、これらアルカ
リ金属の含酸素化合物としては、水酸化カリウム、水酸
化ナトリウム等の水酸化物や炭酸カリウム、炭酸ナトリ
ウム等の炭酸塩が好適に用いられる。これらのアルカリ
金属等は、複数種を混合して用いてもよい。As the alkali metal element, potassium,
Sodium and lithium are preferably used. As the oxygen-containing compound of these alkali metals, hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide and carbonates such as potassium carbonate and sodium carbonate are preferably used. These alkali metals and the like may be used in combination of two or more.
【0020】 炭化材料は、こうしてアルカリ金属等と
共に熱処理された後、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、洗浄、濾過、乾燥し
て単離され、分極性電極に用いられる炭素材料となる。After the carbonized material is thus heat-treated with an alkali metal or the like, it is isolated by washing, filtering, and drying using an alcohol-based solvent such as methanol or ethanol, distilled water, or the like, and used for a polarizable electrode. It becomes a carbon material.
【0021】 次に、「部分的に酸化させた黒鉛類似の
微結晶炭素」について、炭素材料の構造と合わせて説明
する。種々の有機原料を1000℃以下で炭化させる
と、一般に図4(a)、(b)に示すような不完全な6
員環網面を持つ乱層構造炭素90若しくは乱層構造炭素
91が得られる。「黒鉛類似の微結晶炭素」とは、この
乱層構造炭素90・91の中で、規則性をもって積み重
なった0.1nm〜数十nmの微結晶炭素95を指す。Next, “partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon” will be described together with the structure of the carbon material. When various organic raw materials are carbonized at a temperature of 1000 ° C. or lower, incomplete 6 as shown in FIGS.
Turbulent structure carbon 90 or turbostratic structure carbon 91 having a member ring network surface is obtained. The term “microcrystalline carbon similar to graphite” refers to microcrystalline carbon 95 having a thickness of 0.1 nm to several tens of nm, which is regularly stacked in the turbostratic carbon 90/91.
【0022】 なお、図4(a)の乱層構造炭素90
は、微結晶炭素95間の配列が、層平面が略平行に、但
し、完全に平行となるようには配向しておらず、不規則
に角度を持って積み重なった構造を有している。このよ
うな乱層構造炭素90は、炭化処理において黒鉛化が起
こり易い有機材料を用いた場合に多くみられる。It should be noted that the turbostratic carbon 90 shown in FIG.
Has a structure in which the layers between the microcrystalline carbons 95 are not oriented so that the planes of the layers are substantially parallel, but are completely parallel, and are stacked at an irregular angle. Such turbostratic carbon 90 is often found when an organic material that is apt to be graphitized in the carbonization process is used.
【0023】 一方、図4(b)の乱層構造炭素91の
構造は、微結晶炭素95がランダムに網目状に配列され
た構造を有し、このような乱層構造炭素91は、炭化処
理において黒鉛化が起こり難い有機材料を用いた場合に
多くみられる。On the other hand, the structure of the turbostratic carbon 91 shown in FIG. 4B has a structure in which the microcrystalline carbon 95 is randomly arranged in a mesh pattern. In the case of using an organic material in which graphitization hardly occurs, it is often observed.
【0024】 これらの乱層構造炭素90・91を、例
えば、空気中で酸化させると、先ず、結晶としての規則
性の低い部分97が酸化されて、一酸化炭素や二酸化炭
素として揮発する。更に酸化が進むと、微結晶炭素95
自体のエッジ部分や6員環構造の不完全な部分が酸化さ
れ、最後には全ての炭素が酸化されてガスとなる。When these turbostratic carbon layers 90 and 91 are oxidized, for example, in the air, first, portions 97 having low regularity as crystals are oxidized and volatilized as carbon monoxide and carbon dioxide. When the oxidation proceeds further, microcrystalline carbon 95
The edge portion of itself and the incomplete portion of the six-membered ring structure are oxidized, and finally all the carbon is oxidized to a gas.
【0025】 しかし、酸化条件を制御することによ
り、一部を酸化させるに止めることができ、こうして得
られる炭素材料が、「部分的に酸化させた黒鉛類似の微
結晶炭素を有する炭素材料」である。この炭素材料は、
図12に示すように、微結晶の6員環網膜のエッジや不
完全構造部分に、主に酸性官能基が結合した状態となっ
ている。なお、図12は炭素材料の分子構造の一形態を
模式的に示したものであって、本発明に係る炭素材料
が、図12の構造の炭素材料に限定される意味ではない
ことはいうまでもない。However, by controlling the oxidizing conditions, it is possible to stop oxidizing a part of the carbon material. The carbon material thus obtained is a “carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon”. is there. This carbon material
As shown in FIG. 12, the acidic functional group is mainly bonded to the edge or the imperfect structure of the six-membered ring retina of the microcrystal. FIG. 12 schematically shows one mode of the molecular structure of the carbon material, and it goes without saying that the carbon material according to the present invention is not limited to the carbon material having the structure of FIG. Nor.
【0026】 さて、このような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、炭素材料に有機バインダやカーボンブラック等の導
電助剤を添加した後、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。Now, a polarizable electrode is manufactured using such a carbon material as a main material. This polarizable electrode is produced by adding a conductive additive such as an organic binder or carbon black to a carbon material, mixing, kneading, or the like, and processing it into various shapes such as a plate shape or a sheet shape.
【0027】 なお、炭素材料は、キャパシタの構造に
関係なく分極性電極の材料として用いることができる。
例えば、分極性電極を前述した図1記載の単電極セル1
0や図2記載の単キャパシタセル12、更には図3記載
の捲回体76のような構造に形成して、ケースに収容
し、有機電解液を含浸させることで種々の構造のキャパ
シタが作製される。Note that a carbon material can be used as a material for a polarizable electrode regardless of the structure of a capacitor.
For example, the single electrode cell 1 shown in FIG.
0 and the single capacitor cell 12 shown in FIG. 2, and furthermore, a structure like the wound body 76 shown in FIG. 3 is housed in a case and impregnated with an organic electrolytic solution to produce capacitors having various structures. Is done.
【0028】 キャパシタの構造は異なっても、使用さ
れる有機電解液には変わりはない。有機電解液の溶質、
即ち電解質としては、テトラエチルアンモニウム(TE
A+)、テトラブチルアンモニウム(TBA+)、トリエ
チルメチルアンモニウム(TEMA+)をはじめとする
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ホスホ
ニウム(TEP+)等の4級ホスホニウムのBF4塩又は
PF6塩、或いは一般式Although the structure of the capacitor is different,
There is no change in the organic electrolyte used. Solute of organic electrolyte,
That is, tetraethylammonium (TE
A+), Tetrabutylammonium (TBA+), Trie
Tylmethylammonium (TEMA+) And others
Quaternary ammonium tetrafluoroboric acid (BFFour -) Salt or 6
Fluorinated phosphoric acid (PF6 -) Salt or tetraethylphospho
(TEP+) Such as BF of quaternary phosphoniumFourSalt or
PF6Salt or general formula
【0029】[0029]
【化1】 Embedded image
【0030】 (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、特に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 alkyl groups having 1 to 5 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different groups). Four
A salt or a PF 6 salt, particularly a BF 4 salt or a PF 6 salt of 1-ethyl-3-methyliridazolium (EMI + ) is preferably used.
【0031】 一方、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。On the other hand, 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.
【0032】 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
う。即ち、主溶媒と副溶媒はその添加比率によって区分
されるものではなく、例えば、副溶媒の添加量が50%
以下といった制限はない。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 auxiliary solvent refers to a solvent having a low performance as an electrolyte solvent when the substance alone is used. When used in combination with a main solvent, it refers to a solvent that can achieve performance higher than that of the main solvent alone or the auxiliary solvent alone. That is, the main solvent and the sub-solvent are not classified according to the addition ratio.
There are no restrictions, such as:
【0033】 さて、こうして作製されたキャパシタの
最初の充放電においては、一般的には、先ず所定電圧と
なるまでは定電流充電を行い、次いで定電流充電後の所
定電圧にて一定時間ほど定電圧充電を行うことで充電が
行われ、そして、充電状態から所定の電流値で定電流放
電を行うことで放電が行われる。こうして静電容量が確
認される他、最初の充電によって、キャパシタの静電容
量がほぼ決定される。なお、上述した炭素材料を用いた
キャパシタにおいては、キャパシタに充電を行うと、最
初の充電時に電気化学反応により生ずる生成物にイオン
が吸着することにより、キャパシタに静電容量が発現す
ると考えられる。In the first charge and discharge of the capacitor thus manufactured, generally, first, constant current charging is performed until a predetermined voltage is reached, and then constant current charging is performed at a predetermined voltage after the constant current charging for a certain period of time. Charging is performed by performing voltage charging, and discharging is performed by performing constant current discharging at a predetermined current value from the charged state. In addition to the confirmation of the capacitance in this manner, the capacitance of the capacitor is substantially determined by the first charging. In a capacitor using the above-described carbon material, when the capacitor is charged, it is considered that a capacitance is generated in the capacitor by adsorption of ions to a product generated by an electrochemical reaction at the time of the first charge.
【0034】 図10は、前述した炭素材料を用いて作
製した分極性電極の厚みが0.5mmのキャパシタの最
初(第1回)の充放電と2回目以降の充放電における電
圧の時間変化を示したグラフである。このグラフは1個
の単電極セルでの充放電特性を示したものであり、充電
における定電流充電は4mA/cm2で4Vとなるまで
行い、次いで4Vで20分間の定電圧充電を行い、その
後に2mA/cm2の定電流で放電を行った結果を示し
ている。FIG. 10 shows the time change of the voltage in the first (first) charge / discharge and the second and subsequent charge / discharge of the capacitor having the thickness of the polarizable electrode of 0.5 mm manufactured using the above-described carbon material. It is a graph shown. This graph shows the charging / discharging characteristics of one single electrode cell. The constant current charging in charging was performed at 4 mA / cm 2 until the voltage reached 4 V, and then the constant voltage charging was performed at 4 V for 20 minutes. Thereafter, the result of discharging at a constant current of 2 mA / cm 2 is shown.
【0035】 最初の充放電曲線と2回目の充放電曲線
とを比較すると、特に、充電開始直後の定電流充電域で
の電圧変化の様子が著しく異なっていることがわかる。
しかし、2回目以降の充放電においては、充放電曲線に
は殆ど変化は現れていない。このことから、最初の充放
電における特に充電段階での定電流充電が、分極性電極
の充放電に関わる組織や構造、形態の形成、即ち静電容
量の発現に密接に関係していることが推測される。そこ
で、本発明においては、最初の充電処理、即ち、最初の
分極性電極の充電が、静電容量を発現させる賦活の役割
を果たしていると考えて、これを「電界賦活」と呼ぶこ
ととしたものである。A comparison between the first charge / discharge curve and the second charge / discharge curve shows that the voltage change in the constant current charging region immediately after the start of charging is remarkably different.
However, in the second and subsequent charging / discharging, almost no change appears in the charging / discharging curve. This indicates that the constant current charging in the initial charging and discharging, particularly at the charging stage, is closely related to the formation of the structure, structure and morphology related to the charging and discharging of the polarizable electrode, that is, the development of the capacitance. Guessed. Therefore, in the present invention, the first charging process, that is, the charging of the first polarizable electrode is considered to play a role of activation for developing capacitance, and this is referred to as “electric field activation”. Things.
【0036】 この電界賦活の第1の方法は、最初の充
電における定電流充電を、実使用時に使用する電流以下
の低い電流で行う定電流充電段階での処理と、最初の充
電を、実使用電圧以上電解液の分解電圧以下の所定電圧
となるまで定電流充電を行った後、その所定電圧におい
て緩和電流が十分に小さくなるまで定電圧充電を行う定
電圧充電段階での処理のうち、少なくとも一方の処理を
行うものである。The first method of the electric field activation is a process in a constant current charging stage in which the constant current charging in the first charging is performed at a current lower than the current used in actual use, and the first charging is performed in the actual use. After performing constant-current charging until a predetermined voltage equal to or higher than the voltage and equal to or lower than the decomposition voltage of the electrolytic solution, at least in the processing in the constant-voltage charging step of performing constant-voltage charging until the relaxation current becomes sufficiently small at the predetermined voltage One of the processes is performed.
【0037】 ここで先ず、最初の充電における定電流
充電段階について説明する。定電流充電は、その後に行
う定電圧充電電圧に到達するまで行われるが、本発明で
は、実使用時に使用する電流以下の低い電流でこの定電
流充電が行われる。周知の通り、キャパシタは常に一定
の充電電流で使用しなければならないものではないが、
大電流での充電は、キャパシタの使用寿命を短くするお
それがあり、好ましくは定電流、定電圧を制御する充電
回路を通して充電が行われることが好ましい。このよう
な定電流の値が、実使用時に使用する電流(充電電流)
の値である。First, the constant current charging stage in the first charging will be described. The constant current charging is performed until reaching a constant voltage charging voltage to be performed later. In the present invention, the constant current charging is performed with a current lower than the current used in actual use. As is well known, capacitors do not always have to be used with a constant charging current,
Charging with a large current may shorten the service life of the capacitor. Preferably, charging is performed through a charging circuit that controls a constant current and a constant voltage. The value of such constant current is the current used during actual use (charging current).
Is the value of
【0038】 また、定電圧充電電圧は耐電圧や寿命を
考慮して、適切な値に定められ、このときの定電圧が実
使用電圧であり、これらの値は、共に例えば自動車用等
といったキャパシタの用途や分極性電極の材料等によっ
て異なる。そのため、本発明の最初の充電における定電
流充電の電流値は、適宜、使用用途や構成材料に適した
値に定められる。The constant voltage charging voltage is set to an appropriate value in consideration of withstand voltage and life, and the constant voltage at this time is an actual operating voltage. And the material of the polarizable electrode. Therefore, the current value of the constant current charging in the first charging of the present invention is appropriately determined to a value suitable for the intended use and the constituent materials.
【0039】 前述した炭素材料を用いたキャパシタで
は、後述する実施例に示すように、定電流充電時の充電
電流を、実使用時の充電電流の1/2以下、好ましくは
1/4程度とすることで、静電容量の増大が図られるこ
とが明らかとなった。In the capacitor using the above-described carbon material, the charging current at the time of constant current charging is set to 1 / or less, preferably about 4 of the charging current at the time of actual use, as will be described in Examples described later. By doing so, it became clear that the capacitance can be increased.
【0040】 なお、上述した小さい電流値による定電
流充電によって静電容量が増大する1つの理由として
は、次のことが考えられる。即ち、本発明のキャパシタ
は、図11に示すように、静電容量C1〜Cnを有するキ
ャパシタ要素が多段接続された等価回路で表されると考
えられ、そのため後段のキャパシタ要素まで充電させる
ためには、低電流で時間をかけて行う必要がある。従っ
て、緩やかな条件で最初の充電を行うことにより、後段
のキャパシタ要素まで電界賦活され、静電容量が増大し
たと考えられる。なお、図11中のR1〜Rnは抵抗を表
す。One reason why the capacitance increases due to the constant current charging with the small current value described above is considered as follows. That is, as shown in FIG. 11, the capacitor of the present invention is considered to be represented by an equivalent circuit in which capacitor elements having capacitances C 1 to C n are connected in multiple stages, and therefore, the capacitor elements in the subsequent stages are charged. Therefore, it is necessary to take a long time with a low current. Therefore, it is considered that by performing the first charging under mild conditions, the electric field was activated to the capacitor element in the subsequent stage, and the capacitance was considered to have increased. Note that R 1 to R n in FIG. 11 represent resistance.
【0041】 続いて、最初の充電における定電圧充電
段階について説明する。最初の充電において、先に行わ
れる定電流充電は、前述した第1の電界賦活方法によっ
て行うことが好ましいが、この定電流充電は、実使用電
圧以上電解液の分解電圧以下の所定電圧となるまで行
う。実使用電圧は用途、耐電圧等によって異なり、ま
た、電解液の分解電圧は使用する溶媒、溶質によって定
められる。前述した炭素材料を用いたキャパシタでは、
この所定電圧は、単セル当たり3V超4.5V未満の値
とすることが好ましい。Next, the constant voltage charging stage in the first charging will be described. In the first charging, the previously performed constant current charging is preferably performed by the above-described first electric field activation method, but the constant current charging is performed at a predetermined voltage equal to or higher than the actual use voltage and equal to or lower than the decomposition voltage of the electrolytic solution. Do until. The actual voltage used depends on the application, the withstand voltage, etc., and the decomposition voltage of the electrolytic solution is determined by the solvent and solute used. In the capacitor using the carbon material described above,
This predetermined voltage is preferably set to a value exceeding 3 V and less than 4.5 V per single cell.
【0042】 この場合の「単セル当たり」は、1個の
キャパシタが図1に示した単電極セル10を複数個ほど
並列に接続して構成されている場合、即ち図2に示した
単キャパシタセル12等の場合では、「キャパシタ1個
当たり」と同義となる。一方、1個のキャパシタが単電
極セル10を複数個ほど直列に接続して構成されている
場合には、「単電極セル当たり」の意味であり、それぞ
れの単電極セル10に所定電圧が印加されるように、キ
ャパシタ1個にかける必要電圧は、単電極セル10の直
列接続数と単電極セルに印加する所定電圧との積とな
る。In this case, “per single cell” means that one capacitor is configured by connecting a plurality of single electrode cells 10 shown in FIG. 1 in parallel, that is, the single capacitor shown in FIG. In the case of the cell 12 or the like, this is synonymous with “per capacitor”. On the other hand, when one capacitor is formed by connecting a plurality of single electrode cells 10 in series, it means “per single electrode cell”, and a predetermined voltage is applied to each single electrode cell 10. As described above, the required voltage to be applied to one capacitor is the product of the number of serially connected single electrode cells 10 and a predetermined voltage applied to the single electrode cell.
【0043】 定電圧充電を開始すると、徐々に充電電
流値が小さくなるが、本発明においては、この定電圧充
電時の緩和電流が十分に小さくなるまで、充電処理を継
続する。これにより、分極性電極における炭素材料の細
部にまで、静電容量の発現の場が形成されることによ
り、静電容量の増大が現れるものと推測される。When the constant voltage charging is started, the charging current value gradually decreases. In the present invention, the charging process is continued until the relaxation current during the constant voltage charging becomes sufficiently small. Thus, it is presumed that an increase in the capacitance appears due to the formation of the field of the development of the capacitance even in the details of the carbon material in the polarizable electrode.
【0044】 このような使用電圧以上電解液の分解電
圧以下の所定電圧における定電圧充電を終了した後、更
に電解液の分解電圧を上限として、高い電圧まで定電流
充電を行い、到達電圧において引き続き定電圧充電を行
い、最初の充電を完了する。この場合のより高い電圧で
の定電圧充電は、処理時間を緩和電流が十分に小さくな
るまで行うことは必ずしも必要ではない。After completion of the constant voltage charging at a predetermined voltage equal to or higher than the working voltage and equal to or lower than the decomposition voltage of the electrolyte, constant current charging is further performed to a higher voltage with the decomposition voltage of the electrolyte as an upper limit, and the charging is continued at the ultimate voltage Perform constant voltage charging and complete the first charging. In this case, the constant voltage charging at a higher voltage does not necessarily require the processing time to be performed until the relaxation current becomes sufficiently small.
【0045】 次に、第2の電界賦活方法について説明
する。第2の電界賦活方法は、最初の充電及び放電を行
った後に、分極性電極の極性を反転させて再充電を行う
ものである。勿論、再充電後には放電を行う。つまり、
第2の電界賦活方法は、2回の充放電を行うことで1回
の電界賦活の処理が終了するものである。Next, a second electric field activation method will be described. In the second electric field activation method, after the first charge and discharge are performed, the polarity of the polarizable electrode is reversed to perform recharge. Of course, discharging is performed after recharging. That is,
In the second electric field activation method, a single electric field activation process is completed by performing charging and discharging twice.
【0046】 ここで、最初の充電に、前述した第1の
電界賦活方法を適用することも好ましい。放電電流の大
きさには特に制限はないが、最初の充電の定電流充電に
おける電流値と同等とすることが好ましい。この最初の
放電後に、電源の極性を反転させて再充電を行う。な
お、このとき電源の極性を変えず、電源からのリード線
をキャパシタの正負極が反転するようにつなぎ変えても
よい。Here, it is also preferable to apply the above-described first electric field activation method to the first charging. The magnitude of the discharge current is not particularly limited, but is preferably equal to the current value in the constant current charge of the first charge. After this first discharge, the polarity of the power supply is reversed and recharging is performed. At this time, without changing the polarity of the power supply, the lead wires from the power supply may be connected and changed so that the positive and negative electrodes of the capacitor are reversed.
【0047】 再充電における充電方法にも、前述した
第1の電界賦活方法を適用することができる。この再充
電の終了後に放電を行い、以降の充放電は、どちららの
電極を正極としても構わない。例えば、キャパシタに正
極/負極の印等を付して、その印に従って実用に供すれ
ばよい。The above-described first electric field activation method can be applied to the charging method in the recharging. After the recharging is completed, discharging is performed, and for subsequent charging and discharging, either electrode may be used as the positive electrode. For example, the capacitor may be marked with a positive / negative mark or the like and put to practical use according to the mark.
【0048】 このような第2の電界賦活方法によっ
て、静電容量が増大する理由の1つとしては、以下のこ
とが考えられる。即ち、部分酸化した炭素材料を用いた
電極では、最初の充電時に正極で酸化、負極で還元が起
こる。炭素材料には、先に図12に示したように、部分
酸化により形成された酸性官能基が微結晶炭素の6員環
網膜のエッジ部多数存在しているため、負極では酸性官
能基が還元反応で除去される。そのため、エッジ部に部
分酸化により形成されている孔が広げられ、カチオンの
移動のパスが形成されると共に、より広い静電容量の発
現の場が形成されるものと推測される。One of the reasons why the capacitance is increased by the second electric field activation method is considered as follows. That is, in the electrode using the partially oxidized carbon material, oxidation occurs at the positive electrode and reduction occurs at the negative electrode during the first charge. As shown in FIG. 12, in the carbon material, many acidic functional groups formed by partial oxidation are present at the edges of the six-membered ring retina of microcrystalline carbon. It is removed by the reaction. Therefore, it is presumed that holes formed by partial oxidation at the edge portion are widened, a path for the movement of cations is formed, and a wider field for expressing capacitance is formed.
【0049】 一方、正極では官能基の酸性官能基の酸
化が起こるが、基本的にはその構造はあまり変化しない
と推測される。このため、最初の充放電後に極性を反転
させて再充放電を行った場合には、今度は、正極だった
電極が負極となって還元が起こり、酸性官能基が除去さ
れる。この結果、両極で部分酸化によりエッジ部に形成
されている孔が広げられて、カチオン、アニオンの移動
のパスが形成され、より広い静電容量の発現の場が形成
されるものと推測される。On the other hand, the oxidation of the acidic functional group of the functional group occurs in the positive electrode, but it is presumed that its structure does not basically change much. For this reason, when the polarity is reversed after the first charge / discharge and the recharge / discharge is performed, this time, the electrode which was the positive electrode becomes the negative electrode, reduction occurs, and the acidic functional group is removed. As a result, it is presumed that the pores formed at the edges due to partial oxidation at both electrodes are widened, thereby forming a path for the movement of cations and anions, thereby forming a wider field for expressing capacitance. .
【0050】[0050]
【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。有機材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
時間ほど熱処理して炭化処理を行い、室温まで冷却し
た。なお、このときの昇温速度は100℃/時間とし
た。その後、得られた炭化材料を平均粒径35μmに粉
砕した。この炭化材料の粉末50gと水酸化カリウム1
00gをアルミナ坩堝に入れ、窒素ガス雰囲気中、80
0℃で2時間の熱処理を行い、部分酸化させた。冷却後
に、不要な水酸化カリウム等のカリウム化合物を水洗し
て除去し、濾過により粉末を分離、乾燥して粉末状の炭
素材料を得た。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. Using petroleum coke as an organic material,
100 g of petroleum coke in a nitrogen atmosphere at 800 ° C.
Heat treatment was performed for about an hour to perform carbonization treatment, and the mixture was cooled to room temperature. The heating rate at this time was 100 ° C./hour. Thereafter, the obtained carbonized material was pulverized to an average particle size of 35 μm. 50 g of this carbonized material powder and potassium hydroxide 1
00 g in an alumina crucible and placed in a nitrogen gas atmosphere at 80
Heat treatment was performed at 0 ° C. for 2 hours to partially oxidize. After cooling, unnecessary potassium compounds such as potassium hydroxide were removed by washing with water, and the powder was separated by filtration and dried to obtain a powdery carbon material.
【0051】 得られた炭素材料1gに対して、導電助
剤としてのカーボンブラック0.1g、バインダとして
のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)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
して用い、また、集電体としてアルミニウム箔を、セパ
レータとしてガラス繊維不織布を用い、更に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)を溶質として濃度1mol/Lの
電解液を作製し、図1記載の単電極セル10と同等の構
造を有するキャパシタを複数個作製した。なお、キャパ
シタの作製は、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。To 1 g of the obtained carbon material, 0.1 g of carbon black as a conductive additive and PTFE (polytetrafluoroethylene) as a binder were added, mixed, kneaded, and rolled to a thickness of 0 g. It was formed into a 0.5 mm sheet. From the electrode sheet thus prepared, a punched one having a diameter of 19 mm was used as a positive and negative polarizable electrode, an aluminum foil was used as a current collector, a glass fiber nonwoven fabric was used as a separator, and PC was used as a solvent and tetraethylammonium. An electrolyte having a concentration of 1 mol / L was prepared using tetrafluoroborate (TEABF 4 ) as a solute, and a plurality of capacitors having the same structure as the single electrode cell 10 shown in FIG. 1 were prepared. The production of the capacitor was performed in a glove box in an argon gas atmosphere having a dew point of 80 ° C. or less.
【0052】 作製したキャパシタ3個についての最初
の充放電を、それぞれ2mA(実施例1)、5mA(実
施例2)、10mA(比較例)の定電流で4Vまで定電
流充電を行い、その後4Vにて20分間の定電圧充電を
行った後、5mAの放電電流にて放電することで行っ
た。その後に、2V、2.5V、3V、3.5V、4V
の電圧で充放電を行う通電試験を行った。ここでの通電
試験における充電電流は10mA、放電電流は5mAと
した。The first charge / discharge of the three manufactured capacitors was performed at a constant current of 2 mA (Example 1), 5 mA (Example 2), and 10 mA (Comparative Example) at a constant current of 4 mA, and then 4 V. And then discharging at a discharge current of 5 mA. After that, 2V, 2.5V, 3V, 3.5V, 4V
A current-carrying test was performed to charge and discharge at a voltage of. The charging current and the discharging current in the energization test were 10 mA and 5 mA, respectively.
【0053】 得られた静電容量密度(単位体積当たり
の静電容量の大きさ)と電圧との関係を示す試験結果を
図5に示す。図5に示されるように、最初の充電電流の
値を小さくした実施例1・2で、比較例に対して静電容
量密度の増大が図られることが確認された。FIG. 5 shows test results showing the relationship between the obtained capacitance density (the size of the capacitance per unit volume) and the voltage. As shown in FIG. 5, it was confirmed that in Examples 1 and 2 in which the value of the first charging current was reduced, the capacitance density was increased as compared with the comparative example.
【0054】 また、前述の通りに作製したキャパシタ
2個を用い、一方は10mAで3.5Vまで充電した
後、3.5Vにて24時間の定電圧充電を行い、その
後、4Vまで10mAで通電し、更に4Vで20分保持
した定電圧充電を行い、10mAで放電した。このよう
な最初の充電を行ったキャパシタを実施例3とする。他
方のキャパシタは、前述した比較例と同じであり、10
mAの定電流で4Vまで定電流充電を行い、その後4V
にて20分間の定電圧充電を行った後、10mAで放電
したものである。こうして電界賦活を行った実施例3と
比較例のキャパシタについて、前述した通電試験を行っ
た結果は図6に示す通りである。実施例3では、比較例
に対して静電容量の増大が確認された。Further, two capacitors manufactured as described above were used, and one of them was charged at 10 mA to 3.5 V, then was charged at 3.5 V for 24 hours, and thereafter, was supplied with current at 10 mA to 4 V. Then, the battery was charged at a constant voltage maintained at 4 V for 20 minutes, and discharged at 10 mA. The capacitor that has been charged for the first time is referred to as a third embodiment. The other capacitor is the same as the comparative example described above,
A constant current charge is performed up to 4 V with a constant current of mA, and then 4 V
And then discharged at 10 mA. FIG. 6 shows the results of conducting the above-described energization test on the capacitors of Example 3 and Comparative Example in which the electric field activation was performed in this manner. In Example 3, an increase in capacitance was confirmed as compared with the comparative example.
【0055】 更に、前述の通りに作製したキャパシタ
2個を用い、これらの双方について、10mAの定電流
で4Vまで定電流充電を行い、その後4Vにて20分間
の定電圧充電を行った後、10mAで放電した。その
後、1個のみについて電源の極性を反転させて、同じ充
放電条件により再充電を行った。この極性を反転させた
再充電を行ったキャパシタを実施例4とする。再充電を
行っていないキャパシタは前述した比較例と同等であ
る。これらのキャパシタに前述した通電試験を行った結
果を図7に示す。極性を反転させて再充電を行った実施
例4で、比較例と比較して、静電容量密度の増大が図ら
れることが確認された。Further, two capacitors manufactured as described above were used, and both of them were charged at a constant current of 10 mA to a constant current of 4 V, and then charged at a constant voltage of 4 V for 20 minutes. Discharged at 10 mA. Thereafter, the polarity of the power supply was inverted for only one battery, and recharging was performed under the same charge / discharge conditions. The capacitor that has been recharged with the polarity inverted is referred to as a fourth embodiment. The capacitor that has not been recharged is equivalent to the comparative example described above. FIG. 7 shows the results of conducting the above-described energization test on these capacitors. In Example 4 in which the polarity was reversed and recharging was performed, it was confirmed that the capacitance density was increased as compared with the comparative example.
【0056】 更にまた、前述の通りに作製したキャパ
シタを用い、実施例2と同様の条件において初回充電電
圧のみを4.5Vまで上げた通電試験を実施した(実施
例5)。具体的には、5mAの定電流で4.5Vまで定
電流充電を行い、その後、4.5Vで20分の定電圧充
電を行った後、5mAの放電電流にて放電することを行
った。更に、2、2.5、3、3.5、4Vの電圧で充
放電を行った。ここでの充電電流は10mA、放電電流
は5mAとした。通電試験の結果を図8と図9に示す。
なお、図9に示す内部抵抗は下記式(1)により算出し
た。 内部抵抗(Ω・cm2)=抵抗(Ω)×電極面積(cm2) …(1)Furthermore, using the capacitor manufactured as described above, an energization test was performed under the same conditions as in Example 2 except that only the initial charging voltage was increased to 4.5 V (Example 5). Specifically, constant current charging was performed to 4.5 V at a constant current of 5 mA, and then constant voltage charging was performed at 4.5 V for 20 minutes, followed by discharging at a discharge current of 5 mA. Further, charging and discharging were performed at a voltage of 2, 2.5, 3, 3.5, and 4V. Here, the charging current was 10 mA, and the discharging current was 5 mA. 8 and 9 show the results of the current test.
The internal resistance shown in FIG. 9 was calculated by the following equation (1). Internal resistance (Ω · cm 2 ) = resistance (Ω) × electrode area (cm 2 ) (1)
【0057】 実施例5では実施例2(初回充電電圧4
V)の場合よりも内部抵抗が若干高くなったものの、静
電容量密度の増大効果が大きく、さらに高い静電容量が
得られた。これは、初回充電電圧を増大させた結果、微
結晶炭素のエッヂ部分に部分酸化により形成されている
孔がさらに広げられたためと推定される。初回充電電圧
を上げる方法は、電解液劣化が大きくなり内部抵抗が増
大するおそれもあるが、静電容量密度の増大によるメリ
ットの方が大きいため、内部抵抗があまり問題とならな
い電力のロードレベリングのような用途において好適に
利用することができる。In the fifth embodiment, the second embodiment (first charging voltage 4
Although the internal resistance was slightly higher than in the case of V), the effect of increasing the capacitance density was large, and a higher capacitance was obtained. This is presumably because the hole formed by the partial oxidation in the edge portion of the microcrystalline carbon was further expanded as a result of increasing the initial charging voltage. The method of increasing the initial charge voltage may increase the electrolyte resistance and increase the internal resistance.However, since the merit of increasing the capacitance density is greater, the method of load leveling of the electric power where the internal resistance is not a problem is considered. It can be suitably used in such applications.
【0058】[0058]
【発明の効果】 以上の通り、本発明によれば、最初の
充電条件を最適化することによって、同じ分極性電極を
用いた場合であっても、静電容量密度の向上が図られる
という顕著な効果が得られる。As described above, according to the present invention, by optimizing the initial charging conditions, the capacitance density can be improved even when the same polarizable electrode is used. Effects can be obtained.
【図1】 単電極セルの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 structure of a single electrode cell.
【図2】 単キャパシタセルの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 structure of a single capacitor cell.
【図3】 捲回型キャパシ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 a wound capacitor.
【図4】 本発明に好適に用いられる炭素材料の微構造
を模式的に示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a microstructure of a carbon material suitably used in the present invention.
【図5】 最初の充電における定電流充電条件を異なら
しめた電気化学キャパシタの静電容量密度と電圧との関
係を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the capacitance density and the voltage of an electrochemical capacitor in which the constant current charging conditions in the first charging are different.
【図6】 最初の充電における定電圧充電条件を異なら
しめた電気化学キャパシタの静電容量密度と電圧との関
係を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between a capacitance density and a voltage of an electrochemical capacitor in which constant voltage charging conditions in the first charging are different.
【図7】 電気化学キャパシタの静電容量密度と電圧と
の関係を、電極の極性を反転させた充放電の有無で比較
した説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram comparing the relationship between the capacitance density and the voltage of the electrochemical capacitor by the presence or absence of charge / discharge with the polarity of the electrode inverted.
【図8】 最初の充電における定電圧充電条件を異なら
しめた電気化学キャパシタの静電容量密度と電圧との関
係を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the capacitance density and the voltage of an electrochemical capacitor in which the constant voltage charging conditions in the first charging are different.
【図9】 最初の充電における定電圧充電条件を異なら
しめた電気化学キャパシタの内部抵抗と電圧との関係を
示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the internal resistance and the voltage of the electrochemical capacitor in which the constant voltage charging conditions in the first charging are different.
【図10】 本発明の炭素材料を用いた電気化学キャパ
シタの充放電特性を示すグラフ(図)である。FIG. 10 is a graph (chart) showing charge / discharge characteristics of an electrochemical capacitor using the carbon material of the present invention.
【図11】 本発明の電気化学キャパシタの等価回路図
である。FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of the electrochemical capacitor of the present invention.
【図12】 本発明の電気化学キャパシタに好適に用い
られる炭素材料における微結晶炭素の分子構造を模式的
に示した説明図である。FIG. 12 is an explanatory view schematically showing a molecular structure of microcrystalline carbon in a carbon material suitably used for the electrochemical capacitor of the present invention.
10…単電極セル、12…単キャパシタセル、22・2
4…集電体、26…分極性電極、28…セパレータ、3
0・32…電極取り出し部、70…捲回型キャパシタ、
72…正極シート、74…負極シート、76…捲回体、
78…ケース、80…電極端子、82…封口板、90・
91…乱層構造炭素、95…微結晶炭素、97…低規則
性部分。10 single electrode cell, 12 single capacitor cell, 22.2
4 ... current collector, 26 ... polarizable electrode, 28 ... separator, 3
0.32 ... electrode extraction part, 70 ... wound type capacitor,
72: positive electrode sheet, 74: negative electrode sheet, 76: wound body,
78 ... case, 80 ... electrode terminal, 82 ... sealing plate, 90
91: turbostratic carbon, 95: microcrystalline carbon, 97: low-order part.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02J 1/00 306 H01G 9/00 531 Fターム(参考) 4G046 HA06 HB00 HC03 HC11 HC12 HC19 5E082 AB03 AB04 AB09 BB03 BC40 EE02 EE28 MM35 5G065 HA01 HA07 HA17 NA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H02J 1/00 306 H01G 9/00 531 F term (Reference) 4G046 HA06 HB00 HC03 HC11 HC12 HC19 5E082 AB03 AB04 AB09 BB03 BC40 EE02 EE28 MM35 5G065 HA01 HA07 HA17 NA01
Claims (5)
素を有する炭素材料を主成分とした分極性電極が有機電
解液に浸漬され、当該分極性電極が充電によって体積膨
張し、かつ、放電によって体積収縮する電気化学キャパ
シタの電界賦活方法であって、 最初の充電における定電流充電を、実使用時に使用する
電流以下の低い電流で行い、及び/又は、 最初の充電を、実使用電圧以上電解液の分解電圧以下の
所定電圧となるまで定電流充電を行った後、当該所定電
圧において緩和電流が十分に小さくなるまで定電圧充電
を行うことを特徴とする電気化学キャパシタの電界賦活
方法。1. A polarizable electrode mainly composed of a carbon material having partially oxidized graphite-like microcrystalline carbon, is immersed in an organic electrolyte, and the polarizable electrode expands in volume by charging, and An electric field activation method for an electrochemical capacitor that contracts in volume by discharging, wherein a constant current charge in the first charge is performed at a current lower than a current used in actual use, and / or the first charge is performed in an actual use voltage. A method for activating an electric field of an electrochemical capacitor, comprising: performing constant current charging until a predetermined voltage equal to or lower than the decomposition voltage of the electrolytic solution is reached, and then performing constant voltage charging until the relaxation current is sufficiently reduced at the predetermined voltage. .
素を有する炭素材料を主成分とした分極性電極が有機電
解液に浸漬され、当該分極性電極が充電によって体積膨
張し、かつ、放電によって体積収縮する電気化学キャパ
シタの電界賦活方法であって、 最初の充電及び放電を行った後に、当該分極性電極の極
性を反転させて再充電を行うことを特徴とする電気化学
キャパシタの電界賦活方法。2. A polarizable electrode mainly composed of a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite partially oxidized, is immersed in an organic electrolyte, and the polarizable electrode expands in volume by charging, and A method for activating an electric field of an electrochemical capacitor which contracts in volume by discharging, wherein after performing initial charging and discharging, the polarity of the polarizable electrode is reversed to perform recharging. Activation method.
て、 定電流充電を実使用時に使用する電流以下の低い電流で
行い、及び/又は、実使用電圧以上電解液の分解電圧以
下の所定電圧となるまで定電流充電を行った後、当該所
定電圧において、緩和電流が十分に小さくなるまで定電
圧充電を行うことを特徴とする請求項2記載の電気化学
キャパシタの電界賦活方法。3. The method according to claim 1, wherein the first charging and / or recharging is performed with a constant current charging at a low current lower than a current used in actual use, and / or a predetermined voltage not lower than the actual use voltage and lower than the decomposition voltage of the electrolyte. 3. The method according to claim 2, wherein the constant-current charging is performed until the relaxation current is sufficiently reduced at the predetermined voltage.
電電流が、実使用時の充電電流の1/2以下であること
を特徴とする請求項1又は3記載の電気化学キャパシタ
の電界賦活方法。4. The method for activating an electric field of an electrochemical capacitor according to claim 1, wherein a charge current of the constant current charge in the first charge is equal to or less than a half of a charge current in actual use. .
下の所定電圧が、単セル当たり、3V超4.5V未満の
範囲にあることを特徴とする請求項1、3、4のいずれ
か一項に記載の電気化学キャパシタの電界賦活方法。5. The method according to claim 1, wherein a predetermined voltage equal to or higher than the actual use voltage and equal to or lower than the decomposition voltage of the electrolyte is in a range of more than 3 V and less than 4.5 V per cell. An electric field activation method for the electrochemical capacitor according to claim 1.
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN117293304A (en) * | 2023-09-19 | 2023-12-26 | 兰州城市学院 | Method for improving electrochemical capacity by using lattice oxygen in bimetallic oxide to participate in water-based ion battery reaction through electrochemical method |
-
2000
- 2000-08-30 JP JP2000261124A patent/JP2001223143A/en not_active Withdrawn
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