JP2002158141A - Electrode material for electrochemical capacitor, electrochemical capacitor using the same, and manufacturing method of the electrode material - Google Patents

Electrode material for electrochemical capacitor, electrochemical capacitor using the same, and manufacturing method of the electrode material

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JP2002158141A
JP2002158141A JP2000352038A JP2000352038A JP2002158141A JP 2002158141 A JP2002158141 A JP 2002158141A JP 2000352038 A JP2000352038 A JP 2000352038A JP 2000352038 A JP2000352038 A JP 2000352038A JP 2002158141 A JP2002158141 A JP 2002158141A
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electrochemical capacitor
electrode
electrochemical
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Mayumi Iwakawa
真由美 岩川
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Hitachi Maxell Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inexpensively provide an electrode material for an electrochemical capacitor and an electrochemical capacitor with a large capacity. SOLUTION: At least a metallic element on which oxidation-reduction can be performed is contained in titanium oxide, hydrate oxide, or hydride thereon. An electrode material is made of a material in which an X-ray diffraction image shows an amorphous diffraction pattern, and an electrode of the electrochemical capacitor is formed using the material. When the electrode material is produced, salt, alkoxide, or chelate of titanium and the reducible metal is used as a material to produce fine particles by evaporation to dryness, coprecipitation, or sol-gel process. After the fine particles are burned to produce fine particles of the electrode material, electrochemical process is performed, in which a charging and recharging cycle is repeated in an organic electrolytic solution having lithium salt.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、電気化学キャパ
シタの電極に用いられる電極材料と、これを用いた電気
化学キャパシタ、並びにその電極材料の製造方法に関す
る。
The present invention relates to an electrode material used for an electrode of an electrochemical capacitor, an electrochemical capacitor using the same, and a method of manufacturing the electrode material.

【0002】[0002]

【従来の技術】電気二重層キャパシタは、二種の異なる
物質の境界面にできる電気二重層の電気蓄積作用を利用
したもので、一般に、一対の分極性電極(正極および負
極)と、これらの電極に含浸させる電解液と、電極どう
しを分離させてその短絡を防止すべく、電解質が含浸さ
れ且つイオン透過性で電気絶縁性を有する多孔性のセパ
レータと、各電極に結合される集電体等で構成される。
そして、例えばコイン型のものでは、金属ケース(缶)
内に、一対の電極と、その間に介装されたセパレータ
と、電解液とを収容した上で、そのケースに電気絶縁性
を有するガスケットを介して金属蓋を装着することによ
り、電解液が漏出しないように密封される。このような
電気二重層キャパシタは、電池と電解コンデンサの中間
の特性を有し、小型で大きな静電容量が得られることか
ら、近年、例えば小型電子機器のバックアップ電源等と
して注目されている。
2. Description of the Related Art An electric double layer capacitor utilizes an electric storage effect of an electric double layer formed at an interface between two different materials, and generally includes a pair of polarizable electrodes (a positive electrode and a negative electrode) and a pair of these electrodes. Electrolyte solution impregnated in electrodes, porous separator impregnated with electrolyte and ion-permeable and electrically insulating to separate electrodes from each other to prevent short circuit, and current collector bonded to each electrode Etc.
And, for example, in the case of coin type, metal case (can)
Inside, a pair of electrodes, a separator interposed therebetween, and an electrolyte are accommodated, and a metal lid is attached to the case via a gasket having electrical insulation, so that the electrolyte leaks. Not sealed. Such an electric double layer capacitor has an intermediate characteristic between a battery and an electrolytic capacitor, and is small and has a large capacitance. Therefore, in recent years, it has attracted attention as a backup power supply for small electronic devices, for example.

【0003】電気二重層キャパシタでは、上記のように
正極および負極に分極性電極が用いられるが、この種の
分極性電極として、従来においては主として、比表面積
の大きな活性炭が使用されている。これは、活性炭の比
表面積が大きく、その表面に形成される電気二重層の電
荷量も多いため、電気二重層キャパシタの静電容量を大
きくすることができるからである。なお、電解液として
は、通常、電解質を高濃度に溶解させるために水やカー
ボネート類(例えば、プロピレンカーボネート)などの
高誘電率をもつ溶媒が用いられている。
In an electric double layer capacitor, polarizable electrodes are used for the positive electrode and the negative electrode as described above. As this kind of polarizable electrode, conventionally, activated carbon having a large specific surface area has been mainly used. This is because the activated carbon has a large specific surface area and the electric double layer formed on the surface has a large amount of electric charge, so that the capacitance of the electric double layer capacitor can be increased. Note that, as the electrolytic solution, a solvent having a high dielectric constant such as water or carbonates (for example, propylene carbonate) is generally used to dissolve the electrolyte at a high concentration.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、活性炭の比
表面積は現時点では最大でも3000m2/g程度が実用
上の限界であり、これを分極性電極に用いた電気二重層
キャパシタの単位体積当たりの容量もほぼ限界に達して
いると言われている。そこで、活性炭よりも容量の大き
な電極材料として、ルチル型構造のルテニウム酸化物、
非晶質の水和ルテニウム酸化物およびこれらの水素化物
(例えば、RuO2 ・xH2 Oなど)を用いる電気化学
キャパシタが提案されている。しかし、この種のルテニ
ウム酸化物を電極に用いた電気化学キャパシタは、活性
炭を用いたものに比べて、体積当たりの静電容量を10
〜50倍ほど高めることができるものの、ルテニウム自
体が稀少なこともあって材料コストが高いという問題が
ある。
However, the specific surface area of activated carbon at present is about 3000 m 2 / g at maximum at present, and the specific surface area per unit volume of an electric double-layer capacitor using this as a polarizable electrode is limited. It is said that the capacity has almost reached its limit. Therefore, as an electrode material having a larger capacity than activated carbon, ruthenium oxide having a rutile structure,
Electrochemical capacitors using amorphous hydrated ruthenium oxides and their hydrides (for example, RuO 2 .xH 2 O) have been proposed. However, an electrochemical capacitor using this type of ruthenium oxide as an electrode has a capacitance per volume of 10% as compared with that using activated carbon.
Although it can be increased by about 50 times, there is a problem that the material cost is high because ruthenium itself is rare.

【0005】本発明は、上記のような問題に対処するも
ので、その目的は、電気化学キャパシタの電極に用いら
れる電極材料として、製造コストが安く、しかも大きな
静電容量が得られる新規な電極材料を提供することにあ
る。また、本発明の目的は、そのような電極材料を得る
ための製造方法を提供することにある。さらに、本発明
の目的は、そのような電極材料を用いて安価で静電容量
の大きな電気化学キャパシタを得ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention addresses the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a novel electrode which is inexpensive and has a large capacitance as an electrode material used for an electrode of an electrochemical capacitor. It is to provide materials. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for obtaining such an electrode material. A further object of the present invention is to obtain an inexpensive and large-capacitance electrochemical capacitor using such an electrode material.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、電気化学
キャパシタ用の電極材料として、ルテニウム化合物以外
の他の材料を用いることができないか検討した結果、ル
テニウムよりも存在量が豊富で入手しやすいチタン酸化
物に着目し、これに所定の元素を含有させ、リチウム電
解質を含む有機電解液中で電気化学処理を行うことによ
り、単位体積当たりの容量が大きく、しかも安価な電極
材料が得られることを見出した。
The present inventors have studied whether other materials than ruthenium compounds can be used as electrode materials for electrochemical capacitors, and as a result, have obtained abundant abundances more abundantly than ruthenium. Focusing on titanium oxide, which is easy to produce, containing a predetermined element and performing electrochemical treatment in an organic electrolyte containing a lithium electrolyte, a large capacity per unit volume and an inexpensive electrode material can be obtained. Was found to be.

【0007】すなわち、本発明に係る電気化学キャパシ
タ用の電極材料は、チタン酸化物(TiO2 )もしくは
水和酸化物またはこれらの水素化物(以下、適宜、チタ
ン酸化物等という)中に、酸化還元可能な金属元素が含
有されており、かつX線回折像が非晶質の回折パターン
を示す化合物からなることを特徴とする。この酸化還元
可能な金属元素含有チタン酸化物等を成分として有する
電極材料は、大きな容量、具体的には例えば、当該材料
1g当たり200mA以上の容量を有する。酸化還元可
能な金属元素としては、バナジウム(V)、クロム(C
r)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)などが用いられる
が、特にバナジウムを用いると容量の大きな電極材料を
得ることができる。酸化還元可能な金属元素の含有量
は、前記チタン酸化物等と当該酸化還元可能な金属元素
との合計量に対して、5〜50モル%が好ましい。含有
量がこれよりも少ないと、容量が大きくならず、多いと
チタンの格子中に酸化還元可能な金属元素が入り難くな
る。また、酸化還元可能な金属元素の含有量は多いほど
容量も大きくなるが、50%を越えると製造上の困難が
増大する。このような点を加味すると、酸化還元可能な
金属元素の含有量は、10〜50モル%がより好まし
い。
That is, the electrode material for an electrochemical capacitor according to the present invention is composed of titanium oxide (TiO 2 ), hydrated oxide, or a hydride thereof (hereinafter, appropriately referred to as titanium oxide or the like). It is characterized by comprising a compound containing a reducible metal element and having an X-ray diffraction image showing an amorphous diffraction pattern. The electrode material having a redox-reducible metal element-containing titanium oxide or the like as a component has a large capacity, specifically, for example, a capacity of 200 mA or more per gram of the material. Vanadium (V), chromium (C
r), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (C
o), nickel (Ni), copper (Cu), and the like are used. Particularly, when vanadium is used, an electrode material having a large capacity can be obtained. The content of the redox-reducible metal element is preferably 5 to 50 mol% based on the total amount of the titanium oxide and the like and the redox-reducible metal element. If the content is less than this, the capacity will not increase, and if it is too large, it will be difficult for the redox metal element to enter the titanium lattice. Further, as the content of the redox-reducible metal element increases, the capacity also increases. However, if the content exceeds 50%, manufacturing difficulties increase. In consideration of such points, the content of the redox-reducible metal element is more preferably 10 to 50 mol%.

【0008】本発明の電極材料は、酸化還元可能な金属
元素含有チタン酸化物等を成分として有する化合物てあ
り、これのX線回折像が非晶質の回折パターンを示すこ
とによって特徴づけられる。したがって、X線回折像が
非晶質構造(以下、非晶質と略する)の回折パターンを
示すチタン酸化物等を主成分として含んでいることと、
他の成分として酸化還元可能な金属元素を含んでいるこ
とが重要である。なお、本発明でいう非晶質構造の回折
パターンとは、X線回折像において回折線が観測されず
ハローパターンのみであるものを意味する。酸化還元可
能な金属元素は1種類である必要はない。つまり、複数
種の酸化還元可能な金属元素を含んでいてもよい。この
ことは、後述する本発明の実施例において、バナジウム
の他に副成分としてタングステンを含有させた場合に良
好な結果が得られたことからも裏付けられる。また、電
気化学処理前のチタン酸化物を微粒子化すると、非晶質
の酸化物に変わるので、これを排除するものではない。
さらに、これらを電極とした電気化学キャパシタ内で放
充電をくり返すと、チタン酸化物等がリチウムイオンを
取り込み非晶質化するが、これを排除するものではな
い。
The electrode material of the present invention is a compound having a redox-reducible metal element-containing titanium oxide or the like as a component, and is characterized by its X-ray diffraction image showing an amorphous diffraction pattern. Therefore, the X-ray diffraction image contains, as a main component, titanium oxide or the like showing a diffraction pattern of an amorphous structure (hereinafter, abbreviated as amorphous);
It is important to include a redox metal element as another component. In addition, the diffraction pattern of an amorphous structure as referred to in the present invention means a pattern in which no diffraction line is observed in an X-ray diffraction image and only a halo pattern is formed. The redox-reducible metal element does not need to be one kind. That is, it may contain a plurality of types of redox-reducible metal elements. This is supported by the fact that good results were obtained when tungsten was added as an auxiliary component in addition to vanadium in the examples of the present invention described below. In addition, when the titanium oxide before the electrochemical treatment is made into fine particles, the titanium oxide is converted into an amorphous oxide, which is not excluded.
In addition, when charge and discharge are repeated in an electrochemical capacitor using these as electrodes, titanium oxide and the like take in lithium ions and become amorphous, but this is not excluded.

【0009】本発明の電極材料は、例えば次のような方
法によって製造することができる。まず、酸化還元可能
な金属の塩を含む溶液を蒸発乾固させて焼成する。これ
により電極材料となる微粒子が得られる。次いで、この
電極材料となる微粒子(焼成物)と電子伝導性炭素粉末
との混合物のプレス体または塗布体を用い、リチウム電
解質を含む有機電解液中で充放電を繰り返す電気化学的
な処理を行う。これにより本発明の電極材料が得られ
る。上記電極材料となる微粒子は、例えば、チタンアル
コキシドとバナジウム塩とタングステン塩とを含む溶液
(一例を挙げるとエチレングリコール−硝酸の溶液)を
乾燥、焼成して得ることができるが、共沈法、ゾルゲル
法など他の湿式法でも合成することができる。
The electrode material of the present invention can be produced, for example, by the following method. First, a solution containing a redox-reducible metal salt is evaporated to dryness and fired. As a result, fine particles serving as an electrode material are obtained. Next, using a pressed body or a coated body of a mixture of the fine particles (fired product) serving as the electrode material and the electron-conductive carbon powder, an electrochemical treatment of repeating charge and discharge in an organic electrolyte containing a lithium electrolyte is performed. . Thereby, the electrode material of the present invention is obtained. The fine particles serving as the electrode material can be obtained, for example, by drying and firing a solution containing titanium alkoxide, a vanadium salt, and a tungsten salt (for example, a solution of ethylene glycol-nitric acid). It can also be synthesized by another wet method such as a sol-gel method.

【0010】前記チタンアルコキシドに代えてチタンの
塩またはキレートを用いることができ、バナジウム塩や
タングステン塩に代えてバナジウムおよびタングステン
のアルコキシドあるいはキレートを用いることができ
る。ここで、チタンの塩としては例えば硫酸チタン、ア
ルコキシドとしては例えばテトライソプロポキシチタ
ン、キレートとしては例えばTi(IV)アセチルアセト
ンキレートをそれぞれ挙げることができる。バナジウム
の塩としては例えばバナジン酸アンモニウムや硫酸バナ
ジルや塩化バナジル、アルコキシドとしては例えばトリ
イソプロポキシバナジル、キレートとしては例えばV
(IV)アセチルアセトンキレートをそれぞれ挙げること
ができる。タングステンの塩としては例えばタングステ
ン酸アンモニウムや塩化タングステン、アルコキシドと
しては例えばペンタイソプロポキシタングステン、キレ
ートとしては例えばW(IV)アセチルアセトンキレート
をそれぞれ挙げることができる。
A titanium salt or chelate can be used instead of the titanium alkoxide, and vanadium and tungsten alkoxide or chelate can be used instead of the vanadium salt or tungsten salt. Here, as the titanium salt, for example, titanium sulfate, as the alkoxide, for example, tetraisopropoxytitanium, and as the chelate, for example, Ti (IV) acetylacetone chelate can be mentioned. As vanadium salts, for example, ammonium vanadate, vanadyl sulfate and vanadyl chloride, as alkoxides, for example, triisopropoxyvanadyl, and as chelates, for example, V
(IV) Acetylacetone chelates can be exemplified. Examples of the tungsten salt include ammonium tungstate and tungsten chloride, examples of the alkoxide include pentaisopropoxytungsten, and examples of the chelate include W (IV) acetylacetone chelate.

【0011】さらに、酸化還元可能な金属元素を含有す
るチタン酸化物等を作製する際には、金属元素の原子価
を制御(例えば、チタン酸化物(TiO2 )中に入りや
すいように金属元素の原子価を4価に制御)するため、
不活性雰囲気あるいは還元雰囲気中で焼成するのが好ま
しい。
Further, when producing a titanium oxide or the like containing a redox-reducible metal element, the valence of the metal element is controlled (for example, the metal element is added so as to easily enter titanium oxide (TiO 2 )). To control the valence of the compound to four)
The firing is preferably performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.

【0012】本発明の電気化学キャパシタは、電極材料
の基体上または基体と一体に当該電極材料を形成してな
る正負一対の電極を、これらの間に多孔性のセパレータ
を介装した状態で電解液とともにケースに封入してなる
ものにおいて、正極および/または負極の電極が、上述
した酸化還元可能な金属元素含有チタン酸化物等を成分
とし、X線回折像が非晶質の回折パターンを示す電極材
料で構成されている。この場合、電極の基体には、例え
ばアルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属
からなる網、パンチドメタル、エキスパンドメタル、フ
ォームメタル、箔などが用いられる。
[0012] The electrochemical capacitor of the present invention comprises a pair of positive and negative electrodes each having an electrode material formed on or integrally with a substrate made of an electrode material, with a porous separator interposed therebetween. In the case of being enclosed in a case together with a liquid, the positive electrode and / or the negative electrode contain the above-described redox metal element-containing titanium oxide or the like as a component, and an X-ray diffraction image shows an amorphous diffraction pattern. It is made of an electrode material. In this case, as the base of the electrode, for example, a net made of a metal such as aluminum, stainless steel, titanium, or copper, a punched metal, an expanded metal, a foam metal, or a foil is used.

【0013】電極材料の微粒子と電子伝導性炭素粉末と
の混合物の塗布体を作製する際のバインダとしては、ポ
リテトラフルオロエチレン(PTFE)あるいはポリフ
ッ化ビニリデン(PVdF)などを、単独であるいは混
合して用いることができる。
As a binder for preparing a coated body of a mixture of the fine particles of the electrode material and the electron conductive carbon powder, polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like is used alone or mixed. Can be used.

【0014】電子伝導性炭素粉末としては、例えば、ア
セチレンブラックなどのカーボンブラック、天然黒鉛、
人工黒鉛、ケッチェンブラックなどが用いられ、そのほ
かにも炭素繊維、金属粉、金属繊維などを電子伝導性を
高めるために用いることができる。
As the electron conductive carbon powder, for example, carbon black such as acetylene black, natural graphite,
Artificial graphite, Ketjen black, and the like are used. In addition, carbon fiber, metal powder, metal fiber, and the like can be used to increase electron conductivity.

【0015】電解質としては、通常、液状電解質(以
下、これを「電解液」という)が用いられる。この種の
電解液としては、有機溶媒に溶質を溶解させた有機溶媒
系の非水電解液が用いられる。有機溶媒系電解液の溶媒
は特に限定されるものではないが、例えば、エチレンカ
ーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(P
C)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラク
トン(γ−BL)、エチレングリコールサルファイト
(EGS)などが挙げられ、特にエチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネートなどの環状構造のものが好
ましく、とりわけ環状のカーボネートが好ましい。ま
た、上記エステル以外に併用可能な溶媒としては、例え
ば、1,2−ジメトキシエタン(1,2−DME)、
1,3−ジオキソラン(1,3−DO)、テトラヒドロ
フラン(THF)、2−メチル−テトラヒドロフラン
(2−Me−THF)、ジエチルエーテル(DEE)な
どが挙げられる。そのほか、アミン系またはイミド系有
機溶媒や、含イオウ系または含フッ素系有機溶媒なども
用いることができる。
As the electrolyte, a liquid electrolyte (hereinafter referred to as "electrolyte") is usually used. As this type of electrolyte, an organic solvent-based nonaqueous electrolyte in which a solute is dissolved in an organic solvent is used. Although the solvent of the organic solvent-based electrolyte is not particularly limited, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (P
C), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (γ-BL), ethylene glycol sulphite (EGS), etc., and particularly preferred are those having a cyclic structure such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and particularly preferred are cyclic carbonates. preferable. Examples of the solvent that can be used in combination with the above-mentioned ester include, for example, 1,2-dimethoxyethane (1,2-DME),
Examples thereof include 1,3-dioxolan (1,3-DO), tetrahydrofuran (THF), 2-methyl-tetrahydrofuran (2-Me-THF), and diethyl ether (DEE). In addition, an amine-based or imide-based organic solvent, a sulfur-containing or fluorine-containing organic solvent, and the like can also be used.

【0016】電解液の溶質としては、例えば、LiCl
4 、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiS
bF6 、LiCF3 SO3 、LiC49 SO3 、Li
CF 3 CO2 、Li224 (SO32 、LiN
(CF3 SO22 、LiC(CF3 SO23 、Li
n2n+1SO3 (n≧2)などが単独でまたは2種以
上混合して用いられる。特にLiPF6 やLiC49
SO3 などが充放電特性が良好なことから好ましい。電
解液中における電解質の濃度は、特に限定されるもので
はないが、0.3〜1.7モル/リットル、特に0.4〜1.5
モル/リットル程度が好ましい。
As a solute of the electrolytic solution, for example, LiCl
OFour , LiPF6 , LiBFFour , LiAsF6 , LiS
bF6 , LiCFThree SOThree , LiCFour F9 SOThree , Li
CF Three COTwo , LiTwo CTwo FFour (SOThree )Two , LiN
(CFThree SOTwo )Two , LiC (CFThree SOTwo )Three , Li
Cn F2n + 1SOThree (N ≧ 2) alone or two or more
The above mixture is used. Especially LiPF6 And LiCFour F9 
SOThree And the like are preferable because of good charge / discharge characteristics. Electric
The concentration of the electrolyte in the solution is particularly limited.
No, but 0.3 to 1.7 mol / l, especially 0.4 to 1.5
About mol / liter is preferred.

【0017】また、セパレータとしては、強度が充分で
しかも電解液を多く保持できるものが好ましく、そのよ
うな観点から、厚さが10〜50μmで、開孔率が30
〜70%のポリプロピレン製、ポリエチレン製またはエ
チレンとプロピレンのコポリマー製の微孔性フィルムや
不織布などが好ましい。
As the separator, a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of electrolyte is preferable. From such a viewpoint, the thickness is 10 to 50 μm and the porosity is 30.
Microporous films or non-woven fabrics made of polypropylene, polyethylene or a copolymer of ethylene and propylene of up to 70% are preferred.

【0018】[0018]

【作用】本発明に係る製造方法によれば、例えば、酸化
還元可能な金属元素としてバナジウムを用いた場合に
は、バナジウム塩を含む溶液を蒸発乾固させた後、不活
性あるいは還元雰囲気で焼成することにより、チタン酸
化物(TiO2 )とバナジウムとからなる微粒子状の固
溶体(Ti1-xxy )が形成されると考えられる。
そして、この微粒子と電子伝導性炭素粉末との混合物の
プレス体または塗布体を用い、リチウム電解質を含む有
機電解液中で充放電を繰り返す電気化学的な処理を行う
ことによって、チタン酸化物とバナジウムとからなる微
粒子状の固溶体中にリチウムイオンが取り込まれ、電気
化学的に可逆性の高い材料が合成される。さらにそのX
線回折像が非晶質の回折パターンを示すことから、リチ
ウムイオンの出入りが構造内部まで容易に行われ、後述
する実施例のデータからも明らかなように、放電容量が
増大すると推測される。本発明の場合、TiO2 は、先
に述べたRuO2 よりも入手しやすく安価である。こう
して、本発明によれば、単位体積当たりの容量が大き
く、しかも安価な電気化学キャパシタ用の電極材料が得
られ、さらにこの電極材料で電極を形成することによっ
て同じく大きな容量を有する安価な電気化学キャパシタ
が得られることになる。
According to the production method of the present invention, for example, when vanadium is used as a redox-reducible metal element, a solution containing a vanadium salt is evaporated to dryness and then fired in an inert or reducing atmosphere. By doing so, it is considered that a fine solid solution (Ti 1-x V x O y ) composed of titanium oxide (TiO 2 ) and vanadium is formed.
Using a pressed body or a coated body of a mixture of the fine particles and the electron conductive carbon powder, the titanium oxide and the vanadium are subjected to an electrochemical treatment of repeating charge and discharge in an organic electrolyte containing a lithium electrolyte. Lithium ions are taken into the fine solid solution composed of the following, and a material having high electrochemical reversibility is synthesized. And the X
Since the line diffraction image shows an amorphous diffraction pattern, it is presumed that lithium ions can easily enter and exit inside the structure, and the discharge capacity increases, as is clear from the data of Examples described later. In the case of the present invention, TiO 2 is more readily available and less expensive than the aforementioned RuO 2 . Thus, according to the present invention, an electrode material for an electrochemical capacitor having a large capacity per unit volume and being inexpensive can be obtained. Further, by forming an electrode with this electrode material, an inexpensive electrochemical material having a large capacity can be obtained. A capacitor will be obtained.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。た
だし、以下の実施例が本発明に制限を加えるものでない
ことは勿論である。
Embodiments of the present invention will be described below. However, it goes without saying that the following embodiments do not limit the present invention.

【0020】エチレングリコールと硝酸(16規定の硝
酸)とを体積比9:1の割合で混合してなる溶液をあら
かじめ作り、この溶液を用いて、それぞれ、チタン化合
物(TiO(C25 ))の溶液と、タングステン化合
物(5(NH4 )O・12WO3 ・5H2 O)の溶液
と、バナジウム化合物(NH4 VO3 )の溶液とを作製
した。この場合、エチレングリコールのみの溶媒ではタ
ングステン化合物、バナジウム化合物ともに溶解しない
ため、上記のように硝酸を溶媒に混合することで溶解度
を高めた。そして、上記の溶液を、チタン(Ti)とタ
ングステン(W)とバナジウム(V)の仕込み組成比
(モル比、以下の仕込み組成比についても同様)がT
i:W:V=5:5:5で、チタンとタングステンとバ
ナジウムとを合わせた成分の濃度が0.1モル/リットル
となるように混合、この溶液を200℃で12時間蒸発
乾固させて粉末を得た。
A solution is prepared in advance by mixing ethylene glycol and nitric acid (16N nitric acid) at a volume ratio of 9: 1, and using this solution, a titanium compound (TiO (C 2 H 5 )) is prepared. ), A solution of a tungsten compound (5 (NH 4 ) O.12WO 3 .5H 2 O), and a solution of a vanadium compound (NH 4 VO 3 ). In this case, since the solvent containing only ethylene glycol does not dissolve both the tungsten compound and the vanadium compound, the solubility was increased by mixing nitric acid with the solvent as described above. Then, the above solution is mixed with titanium (Ti), tungsten (W), and vanadium (V) by the charged composition ratio (molar ratio, the same applies to the charged composition ratio below).
i: W: V = 5: 5: 5, the components including titanium, tungsten and vanadium were mixed so that the concentration was 0.1 mol / l, and the solution was evaporated to dryness at 200 ° C. for 12 hours. Powder was obtained.

【0021】次に、この蒸発乾固粉末を、Ar不活性雰
囲気中で700℃で30分焼成した。
Next, the evaporated dry powder was fired at 700 ° C. for 30 minutes in an Ar inert atmosphere.

【0022】この焼成により得られた粉末と、導電助剤
として用いるアセチレンブラックと、バインダーとして
用いるポリテトラフルオロエチレンとを、重量比で7
9:10:1の割合で混合し、これを、電極材料の基板
(基体)となる白金製のメッシュ上に塗布した。
The powder obtained by this calcination, acetylene black used as a conductive additive, and polytetrafluoroethylene used as a binder were mixed in a weight ratio of 7%.
The mixture was mixed at a ratio of 9: 10: 1, and the mixture was applied on a platinum mesh which was to be a substrate (base) of an electrode material.

【0023】このようにして得られた塗布電極にアルミ
ニウム製のリードを取り付け、対極にリチウム金属、電
解液に1M−LiPF6 /PCを用いて、0.1mA放
電、0.5V終止、0.1mA充電、3.5V終止のサイクル
を3回繰り返すことにより、試験電極を得た。
An aluminum lead was attached to the coated electrode thus obtained, lithium metal was used as a counter electrode, and 1M-LiPF 6 / PC was used as an electrolytic solution. A test electrode was obtained by repeating a cycle of 1 mA charging and 3.5 V termination three times.

【0024】得られた試験電極をセパレータを介して対
向させ、ポリプロピレン板で挟み込んだ後ねじ止めし、
80℃で12時間真空乾燥した。
The obtained test electrodes are opposed to each other with a separator interposed therebetween, sandwiched between polypropylene plates, and then screwed,
Vacuum dried at 80 ° C. for 12 hours.

【0025】このようにして2枚の電極を作製し、これ
らを正極および負極として用いるとともに、電解液に1
M−LiPF6 /PCを用い、ガラスセル容器で密閉し
てモデルセルを作製した。
In this way, two electrodes are produced, and these are used as a positive electrode and a negative electrode.
Using M-LiPF 6 / PC, a model cell was prepared by sealing with a glass cell container.

【0026】(比較例)先の電気化学処理を行っていな
い焼成後の粉末を正極および負極の活物質(電極材料)
として用いた以外は、上述した実施例と同じようにして
モデルセルを作製した。
(Comparative Example) The fired powder, which had not been subjected to the electrochemical treatment, was used as the active material (electrode material) for the positive electrode and the negative electrode.
A model cell was prepared in the same manner as in the above-described example except that the model cell was used.

【0027】(評価)以上のようにして作製した。デル
セルについて、その充放電特性を調べるとともに、「電
気化学処理なし」の電極材料(比較例の場合)および
「電気化学処理あり」の電極材料(実施例の場合)の構
造解析をX線回折により行った。これらの結果を図1お
よび図2に示す。なお、測定では、東洋システムの充放
電装置(TOSCAT3100U)を用い、1mAの定
電流で3.5Vまで充電後、0.1mAの定電流で0Vまで
放電した時の容量を計測した。また、測定は室温で行っ
た。
(Evaluation) Fabrication was performed as described above. In addition to examining the charge / discharge characteristics of the delcell, the structural analysis of the electrode material “without electrochemical treatment” (in the case of the comparative example) and the electrode material “with electrochemical treatment” (in the case of the example) was performed by X-ray diffraction. went. These results are shown in FIG. 1 and FIG. In the measurement, using a charge / discharge apparatus (TOSCAT3100U) of Toyo System, the capacity was measured when the battery was charged to 3.5 V at a constant current of 1 mA and then discharged to 0 V at a constant current of 0.1 mA. The measurement was performed at room temperature.

【0028】図1を見ると、X線回折像が、比較例で用
いた「電気化学処理なし(電気化学処理前)」の電極材
料では結晶性の回折パターンを示しているのに対し、実
施例で用いた「電気化学処理あり(電気化学処理後)」
の電極材料では非晶質の回折パターンを示していること
がわかる。また、図2に示されているように、電気化学
処理を行わなかった電極材料を用いた比較例のモデルセ
ルでは、極めて僅かな容量しか得られないか、ほとんど
容量が得られないのに対し、電気化学処理を行った電極
材料を用いた実施例のモデルセルでは、セル当たり約7
0Wh/kgという高容量が得られることが確認できた。
これは、電気化学処理を行わなかった場合は電極活物質
構造は結晶性であり、また構造内にリチウムイオンを含
まないことから充放電が困難であると予測されるが、電
気化学処理を行うことによって、その構造が非晶質へと
変化し、リチウムイオンの出入りが容易になって容量が
顕著に増加したものと考えられる。
Referring to FIG. 1, the X-ray diffraction image shows a crystalline diffraction pattern for the electrode material “without electrochemical treatment (before electrochemical treatment)” used in the comparative example. "With electrochemical treatment (after electrochemical treatment)" used in the example
It can be seen that the electrode material of Example 2 shows an amorphous diffraction pattern. In addition, as shown in FIG. 2, in the model cell of the comparative example using the electrode material that was not subjected to the electrochemical treatment, only a very small capacity or little capacity was obtained. In the model cell of the embodiment using the electrode material subjected to the electrochemical treatment, about 7 cells per cell were used.
It was confirmed that a high capacity of 0 Wh / kg was obtained.
This is because when the electrochemical treatment is not performed, the electrode active material structure is crystalline, and since the structure does not contain lithium ions, it is predicted that charging and discharging are difficult, but the electrochemical treatment is performed. As a result, it is considered that the structure was changed to amorphous, lithium ions easily came in and out, and the capacity was significantly increased.

【0029】最後に、本発明が適用される電気化学キャ
パシタの一例を示す。図3は、そのような電気化学キャ
パシタを示す部分断面図である。図3の電気化学キャパ
シタは、電解液を含浸させた正極および負極の一対の電
極10・11を有し、それらの間に同じく電解液を含浸
させたセパレータ12が設けられている。正極側の電極
10の周辺部10a上にはセパレータ12を介して環状
ガスケット13が設けられている。この環状ガスケット
13の内周側には金属製のキャップ14の周辺折り返し
部が当接されている。そして、外装ケースとなる缶15
の開口端部の内方への締めつけにより、環状ガスケット
13がキャップ14、缶15の開口端部の内周面および
セパレータ12を介して正極側の電極10の周辺部10
aに圧接され、これによって缶15の開口部が封口され
た構成となっている。本発明では、上記一対の電極10
・11に、上述した電極材料が用いられていることによ
り、大容量で安価な電気化学キャパシタが実現されてい
る。
Finally, an example of an electrochemical capacitor to which the present invention is applied will be described. FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing such an electrochemical capacitor. The electrochemical capacitor shown in FIG. 3 has a pair of positive and negative electrodes 10 and 11 impregnated with an electrolytic solution, and a separator 12 similarly impregnated with the electrolytic solution is provided between them. An annular gasket 13 is provided on a peripheral portion 10 a of the positive electrode 10 with a separator 12 interposed therebetween. A peripheral folded portion of the metal cap 14 is in contact with the inner peripheral side of the annular gasket 13. Then, a can 15 serving as an outer case
The annular gasket 13 is inwardly clamped by the cap 14, the inner peripheral surface of the open end of the can 15, and the peripheral portion 10 of the positive electrode 10 through the separator 12.
a, so that the opening of the can 15 is sealed. In the present invention, the pair of electrodes 10
The use of the above-mentioned electrode materials in (11) realizes a large-capacity and inexpensive electrochemical capacitor.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、X線回折
像が非晶質の回折パターンを示すチタン酸化物等中に酸
化還元可能な金属元素を含有させたことにより、大きな
容量を有する安価な電気化学キャパシタ用の電極材料を
得ることができ、更にこれを用いて電極を形成すること
で、安価で容量の大きな電気化学キャパシタを実現でき
る。
As described above, according to the present invention, a titanium oxide or the like whose X-ray diffraction image shows an amorphous diffraction pattern contains a metal element that can be redox-reduced, so that a large capacity can be obtained. It is possible to obtain an inexpensive electrode material for an electrochemical capacitor, and by using this to form an electrode, an inexpensive and large-capacity electrochemical capacitor can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例で用いた電極材料(電極活物
質)および比較例で用いた電極材料(電極活物質)のX
線回折像(X線回折スペクトル)である。
FIG. 1 shows X of an electrode material (electrode active material) used in an example of the present invention and an electrode material (electrode active material) used in a comparative example.
It is a line diffraction image (X-ray diffraction spectrum).

【図2】実施例および比較例の電気化学キャパシタ(モ
デルセル)の充放電特性を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing charge and discharge characteristics of electrochemical capacitors (model cells) of Examples and Comparative Examples.

【図3】本発明が適用される電気化学キャパシタの一構
造例を示す部分断面図である。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing one structural example of an electrochemical capacitor to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 電極(正極) 11 電極(負極) 12 セパレータ 15 缶(ケース) Reference Signs 10 electrode (positive electrode) 11 electrode (negative electrode) 12 separator 15 can (case)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電気化学キャパシタの電極に用いられる
電極材料であって、チタンの酸化物もしくは水和酸化物
またはこれらの水素化物中に、酸化還元可能な金属元素
が含有されており、かつX線回折像が非晶質の回折パタ
ーンを示す化合物からなる電気化学キャパシタ用の電極
材料。
An electrode material used for an electrode of an electrochemical capacitor, wherein an oxide-reducible metal element is contained in an oxide or hydrated oxide of titanium or a hydride thereof, and X An electrode material for an electrochemical capacitor comprising a compound whose line diffraction image shows an amorphous diffraction pattern.
【請求項2】 酸化還元可能な金属元素がバナジウムで
ある、請求項1に記載の電気化学キャパシタ用の電極材
料。
2. The electrode material for an electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the redox-reducible metal element is vanadium.
【請求項3】 電極材料の基体上または基体と一体に当
該電極材料を形成してなる正負一対の電極を、これらの
間に多孔性のセパレータを介装した状態で電解液ととも
にケースに封入してなる電気化学キャパシタであって、
前記正極および/または負極の電極材料として、請求項
1または2のいずれかに記載された電極材料が用いられ
ていることを特徴とする電気化学キャパシタ。
3. A pair of positive and negative electrodes each having the electrode material formed on or integrally with the base of the electrode material is sealed in a case together with an electrolytic solution with a porous separator interposed therebetween. An electrochemical capacitor comprising:
3. An electrochemical capacitor, wherein the electrode material according to claim 1 is used as an electrode material of the positive electrode and / or the negative electrode.
【請求項4】 電解質にリチウム塩を含む有機電解液が
用いられている、請求項3に記載の電気化学キャパシ
タ。
4. The electrochemical capacitor according to claim 3, wherein an organic electrolyte containing a lithium salt is used as an electrolyte.
【請求項5】 電気化学キャパシタの電極に用いられる
電極材料を製造する方法であって、チタンと酸化還元可
能な金属のそれぞれの塩もしくはアルコキシドまたはキ
レートを原料として、蒸発乾固法、共沈法、あるいはゾ
ルゲル法で微粒子を作製し、この微粒子を焼成して電極
材料の微粒子を作製した後、リチウム塩を電解質とする
有機電解液中で充放電サイクルを繰り返す電気化学処理
を行うことを特徴とする電気化学キャパシタ用の電極材
料の製造方法。
5. A method for producing an electrode material used for an electrode of an electrochemical capacitor, comprising using a salt, an alkoxide or a chelate of each of titanium and a redox-reducible metal as a raw material, an evaporation to dryness method, a coprecipitation method. Alternatively, after preparing fine particles by a sol-gel method, firing the fine particles to prepare fine particles of an electrode material, and performing an electrochemical treatment that repeats a charge / discharge cycle in an organic electrolyte using a lithium salt as an electrolyte. Of producing an electrode material for an electrochemical capacitor.
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