JP2004349529A - 電気二重層キャパシタ用電極材料、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の電気二重層キャパシタを容易、かつ安価なコストで工業的に量産するのに適した電極材料、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】層構造を有する炭素材料と、有機電解液とを混合し、前記炭素材料の層間に前記有機電解液を挿入する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の炭素材料を用いた電気二重層キャパシタに関するもので、詳しくは、電気二重層キャパシタに用いる電極材料およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、充放電による劣化が小さい、急速な充放電が可能である、等の優れた性能を有していることから、電気自動車、太陽光電源システム、携帯電話の電源等に有望である。しかし、リチウムイオン二次電池等の二次電池に比べて容量が小さく、容量の向上が望まれている。
【０００３】
キャパシタの容量を高めるためには、大きな比表面積を有する材料を電極の活物質として用いることが有利であると考えられてきており、従来から、比表面積が大きい炭素系材料である活性炭を主成分とした電極が用いられてきた。適当な条件で賦活処理を施すことにより、２０００ｍ^２／ｇを超えるような大きな比表面積をもつ活性炭も製造されている。しかし、この賦活処理工程で少なからぬ量の炭素が消費されるため製造コストが高くなるという問題があった。また、活性炭の比表面積は３０００ｍ^２ ／ｇ程度が最大であり、比表面積の大きい活性炭を用いた電気二重層キャパシタの単位体積あたりの容量もほぼ限界に達している。また、比表面積が大きくなると活性炭中の細孔が発達して活性炭中の導電パスが少なくなるため、活性炭自体の電気抵抗が大きくなるという問題があった。さらに活性炭は水分を吸着しやすいため、電極に残存した水分と電解液が反応してガスが発生し、時間とともに静電容量が低下することがあるという問題もあった。
【０００４】
さらに、炭素材料は、結着剤や導電補助剤とともに湿式あるいは乾式に混練され電極成形用組成物となり、塗布、押出し、圧延、圧縮などの方法によりシート状に成形され、金属箔に代表される集電体シートに積層されて分極性電極に仕上げられるが、組成と厚さとの均一な電極層を得るには、シート成形方法に適した流動特性になるように電極成形用組成物を調整しなければならない。しかし、炭素材料は塑性流動しないので、電極成形用組成物としたときの流動性が乏しく、従来の製造方法では、電極成形の速度は連続式の場合でも毎分数メートル程度のゆっくりしたものになってしまい、このことが電極コストを引上げる原因になるという問題があった。
【０００５】
活性炭以外の炭素系材料を用いたキャパシタとして、特許文献１には、比表面積の小さな黒鉛類似の微結晶炭素を有する賦活処理した炭素材料を用いて静電容量の拡大を達成する発明が開示され、また、特許文献２には、黒鉛類似の炭素材料を用いた電気二重層キャパシタに電荷をかけることによって、溶媒を伴った電解質イオンを層間にインターカレートさせる、いわゆる電界賦活法により静電容量を拡大できるという発明が開示されているが、これらの方法によっても静電容量は十分なものとはいえなかった。また、電極形成用組成物としたときの流動性についても依然問題を有していた。
【０００６】
加えて、電極シートは高温で長時間の脱水乾燥処理をした後、裁断、集電タブ接合して、セパレーターを介して捲回ないしは積層され、金属缶やラミネート袋などの容器に収納され、集電タブと容器の電極端子が接合された後、少なくとも容器内を真空状態にして有機電解液が注入されたのち封止して電気二重層キャパシタとなるが、このような従来の製造方法では電気二重層キャパシタを得るために多くの工程を要するので、各工程の良品率の積である製品良品率の低下を招き、工程数そのものの多さに由来する費用の増大とともにコストを高める要因になっていた。特に、電解賦活法によりキャパシタを製造する場合、最後に電荷をかける工程が加わるため、より工程数、コストがかかるという問題があった。
【特許文献１】
特開平１１−３１７３３３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５８６７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、大容量の電気二重層キャパシタを容易、かつ安価なコストで工業的に量産するのに適した電極材料、及びその製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、電気二重層キャパシタの分極性電極の活物質として、層構造を有する炭素材料、例えば黒鉛に注目した。黒鉛は電荷を蓄積できる比表面積が小さいことから、小さな静電容量の電気二重層キャパシタしか得られず、分極性電極の活物質としてあまり使われていなかった。
【０００９】
一方、活性炭を活物質に用いる場合は、大きな比表面積とともに、細孔経が２ｎｍ程度の空孔を多く有するものにより高い静電容量を持つ電気二重層キャパシタを得ることができることが知られている（田村英雄「電子とイオンの機能化学シリーズ▲２▼大容量電気二重層キャパシタの最前線」２５０ページ２００１年１月１日 株式会社エヌ・ティー・エス）。本発明者らは、これらのことに注目して、層構造を有する炭素材料の層間を拡大できれば大きな静電容量を持ちうると考えた。つまり、拡大された炭素材料の層間に電解質イオンが溶媒を伴って存在すれば、炭素材料層表面に電気二重層を形成するに充分なイオン量と間隙とを維持できると考え、炭素材料層間に有機電解液を挿入させて層間を押し広げることにより静電容量を増大させうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１０】
かくして第一の本発明によれば、層構造を有する炭素材料と有機電解液とを混合し、前記炭素材料の層間に、前記有機電解液を装入する工程を有する電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法が提供される。
【００１１】
前記混合は１５０℃以上で行うことが好ましい。
【００１２】
また、前記炭素材料が膨張性黒鉛であり、前記混合を該膨張性黒鉛の膨張温度以上の温度で行うことも好ましい。
【００１３】
また、第二の本発明によれば、層構造を有する炭素材料と有機電解液とを、超臨界流体中で混合して、該炭素材料の層間に有機電解液を挿入させた後、超臨界流体を除去することを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法が提供される。
【００１４】
前記超臨界流体が二酸化炭素であることが好ましい。
【００１５】
また、上記第一及び第二の本発明にかかる製造方法（好ましい例を含む。）において、前記炭素材料と有機電解液との混合に際して、混合物を交番電場及び／又は交番磁場におくことが好ましい。
【００１６】
また、第三の本発明によれば、上記のいずれかの製造方法により得られる電気二重層キャパシタ用電極材料が提供される。
【００１７】
また、第四の本発明によれば、層構造を有する炭素材料と、有機電解液とを含有する電気二重層キャパシタ用電極材料であって、前記有機電解液が前記炭素材料の層間に挿入されており、該層間距離が０．３９〜１０ｎｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料が提供される。
【００１８】
また、第五の本発明によれば、上記第三又は第四の本発明にかかる電極材料を含む電極層が積層された電気二重層キャパシタ用電極材料シートが提供される。
【００１９】
前記電極材料の水分含有率は０．０１質量％未満であることが好ましい。
【００２０】
また第六の本発明によれば、上記第三又は第四の本発明にかかる電極材料、及び結着剤を含有する電極形成用組成物を押出し成形する工程を含む電気二重層キャパシタ用電極シートの製造方法が提供される。
【００２１】
また第七の本発明によれば、上記第五の本発明にかかる電極シートを備えた電気二重層キャパシタが提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。図１は本発明の電極シート１００の断面を概略的に示す図である。本発明の電極シート１００は、集電体４０に、電極形成用組成物である電極層３０が積層されたものである。必要に応じて、集電体４０の裏面側にも電極層３０’が積層された電極シート１００’も作成される。電極形成用組成物は、層構造を有する炭素材料とそれに挿入される有機電解液、および必要に応じて添加される導電補助剤、結着剤からなる。
【００２３】
本発明における、「層構造を有する炭素材料」とは、黒鉛のように、炭素原子が形成する六角形平面網目構造を有する層（グラファイト層）が積層された構造を有する炭素材料をいう。このような炭素材料としては、代表的には天然黒鉛、各種人造黒鉛、易黒鉛化炭、膨張性黒鉛などのほか、通常は導電補助剤として利用される高結晶性カーボンブラック、多層カーボンナノチューブ等が挙げられる。これらには不純物が存在していてもよいが、静電容量を増大するという本発明の効果を発揮するためには、炭素材料中に、層構造を有する部分が６０％以上含有されていることが必要である。また、キャパシタの性能劣化の原因となる酸素含基や化学的安定性に乏しい結合部位などは、予め還元処理などで除いておくことが好ましい。還元処理の方法は公知の方法を用いればよい。
【００２４】
本発明で用いる層構造を有する炭素材料は、層間が広げられ、その間に有機電解液が挿入されることを特徴とするが、中でも、膨張性黒鉛はその性質により容易に層間が広がり、有機電解液が挿入されやすいため、好ましく用いられる。膨張性黒鉛とは、高温で加熱すると黒鉛層間に存在する化合物が熱分解して全体が膨張するように化学処理された黒鉛をいう。具体的には、天然黒鉛、熱分解黒鉛、キッシュ黒鉛等の粉末を、濃硫酸、硝酸、セレン酸等の無機酸と、濃硝酸、過塩素酸、過塩素酸塩、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、過酸化水素等の強酸化剤とで処理することにより製造することができる。
【００２５】
本発明に用いられる有機電解液は、電解質の濃度を高めて静電容量を大きくするため溶解度の大きい電解質と、イオンの移動度を高めるための低粘度の溶媒の組み合わせが好適である。具体的には、電解質としては４級のアルキルアンモニウムやホスホニウムの４フッ化ホウ素塩、６フッ化リン塩、パーフルオロ硫酸塩、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ塩、もしくは過塩素酸塩などが挙げられる。溶媒としては非プロトン性の有機溶媒が好ましく用いられる。非プロトン性の有機溶媒の例としては炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルエチル、炭酸ブチレンなどの炭酸エステル類、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのアルキレンオキサイドのジアルキルエーテル類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類、スルホラン、メチルスルホランなどのスルホラン類、アセトニトリル、アジポニトリルなどのニトリル類などが挙げられる。中でも、炭酸エステル類やγ−ブチロラクトン、アセトニトリルが好ましく、炭酸プロピレンが特に好ましい。電解液の濃度は通常０．５モル／Ｌ以上、好ましくは０．８モル／Ｌ以上である。
【００２６】
本発明の電極材料においては、炭素材料と有機電解液を混合する際に、炭素材料の層間を広げると同時に有機電解液を挿入する。この有機電解液が挿入された層構造を有する炭素材料のグラファイト層間間隙は、０．３９〜１０ｎｍの範囲にあるものが、より好ましくは１〜３ｎｍの範囲にあるものが好ましい。０．３９ｎｍ未満であると、有機電解液の挿入が不十分で静電容量の増加が小さく、また１０ｎｍより大きくても、単位体積あたりの電気二重層を形成する面積が小さくなるので、静電容量が小さくなり好ましくない。
【００２７】
層間を広げ、有機電解液を挿入する方法としては、炭素材料と有機電解液の混合の際に、（Ａ）加熱する方法、（Ｂ）超臨界流体を使用する方法、が挙げられる。
【００２８】
（Ａ）加熱による有機電解液の挿入
極性化合物である電解質およびその溶媒はグラファイト層への親和性が高いため、有機電解液と層構造を有する炭素材料を混練する際に、１５０℃以上の温度で処理することにより、グラファイト層間に有機電解液が挿入された層間化合物が得られる。また、膨張性黒鉛は加熱により層間が広がる性質を有している。そこで、例えば、有機電解液と膨張性黒鉛を混合して該黒鉛の膨張温度以上に加熱した後、減圧し放出ガスを除去することにより、グラファイト層間に有機電解液が挿入された電極材料が容易に得られる。また同時に水分も除去できる。
【００２９】
層構造を有する炭素材料と有機電解液との混合は、バンバリーミキサー、加圧ニーダーなどでも良いが、ベントゾーンを持った二軸の混練押出機の使用が好適である。ベントゾーンを持った二軸の混練押出機を用いると、層構造を有する炭素材料と有機電解液、また必要に応じて導電補助剤や結着剤を混合−加熱−脱気−シート押出しして集電体に積層、さらにはセパレーター積層までの電極製造を短時間に制御性良く連続的にできる。その結果、電極製造の安定性・生産速度が高く、本発明の目的を達するのに好適である。
【００３０】
（Ｂ）超臨界流体による有機電解液の挿入
超臨界流体中で、層構造を有する炭素材料としての黒鉛と、有機電解液とを混合すると、有機電解液が黒鉛の層間に挿入され、膨れた膨化黒鉛になる。また、この膨化黒鉛の層間距離は、適切な処理温度や圧力を設定し、充分な時間をかけると電解液の黒鉛に対する量比に比例して増加する。従って、層構造を有する炭素材料と有機電解液とを超臨界流体中で混合した後、超臨界流体を除去することにより、グラファイト層間に有機電解液が挿入された電極材料が得られる。この方法によれば、超臨界流体と同時に水分も除去することができるので、水分含有率の少ない電極材料を得ることができる。
【００３１】
超臨界流体処理に使う超臨界流体物質としては、二酸化炭素、トリフルオロメタン、トリフルオロクロロメタン、二硫化炭素、アンモニア等が挙げられるが、操作温度の点から、二酸化炭素、トリフルオロメタン、トリフルオロクロロメタンが好ましい。また、溶解度、安全性、圧力などの点からは、二酸化炭素が最も好ましく用いられる。
【００３２】
（Ａ）、（Ｂ）いずれの方法によっても、得られる電極材料は、グラファイト層間が拡大していて外力により容易に塑性変形するため、電極成形時の流動性にも優れており、従来の製造方法に比べて、押出による電極製造を高速で行なうことができる。
【００３３】
本発明に用いられる導電補助剤としては、代表的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの導電性カーボンブラックが挙げられる。これらの他、カーボン繊維やカーボンナノチューブ、グラファイト粉末、金属粉あるいはこれらの併用が用いられるが、電極の加工の観点から、カーボンブラックが特に好ましい。これら導電補助剤の使用量は、前記層構造を有する炭素材料１００重量部あたり２０重量部以下である。また「層構造を有する炭素材料」としてカーボンブラックやカーボンナノチューブを使った場合は、それらの材料自体が導電性を有するので、導電性補助剤を添加しなくても良い。導電補助剤は、予め層構造を有する炭素材料の表面に高速ハイブリダイゼーションなどの方法により付着させオーダードミクスチャーとしたり、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性高分子を炭素材料表面に被覆重合するなどの方法、さらには炭素材料表面に金属や導電性金属酸化物、硫化物などを蒸着したりするなどの方法で電子導電性を確保するのも有効である。
【００３４】
本発明に用いられる結着剤としては、通常電気二重層キャパシタの分極性電極の結着剤として使われるものであれば、特に制限なく使用できる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン・ブタジエン系エラストマー、（メタ）アクリレート系エラストマー、ポリエチレンオキサイド系重合体、（メタ）アクリロニトリル系重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリメチルメタクリレート系重合体などが例示できる。これらの結着剤は有機電解液の溶液や分散液として電極材料に添加混合されることが好ましいが、粉末やペレット状で添加することもできる。結着剤の使用量は、使用する炭素材料や有機電解液によっても異なるが、本発明に用いる層構造を有する炭素材料１００重量部あたり２０重量部以下であることが好ましい。
【００３５】
本発明において、電極シート製造に際して使うことのできる集電体４０は、金属箔やカーボン繊維織物、マット、導電ゴムシートおよびこれらの積層物が例示されるが、分けてもアルミニウムに代表される金属箔が好ましい。特に、アルミニウムを９０質量％以上、さらに好ましくは９９．８質量％以上含有するものが、高い圧延加工性、コストの点から好適である。集電体１０の厚さは５〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍである。薄いほどキャパシタの容積密度を上げることができるが、薄すぎると電極シート製造時に切断しやすくなって連続生産が困難になる。
【００３６】
図２は、本発明の電極材料、シートの製造装置の一例を概略的に示す図である。以下に図２を参照しつつ、本発明の電極材料、電極シートの製造方法を説明する。
【００３７】
加熱による有機電解液の挿入（Ａ）の場合、ホッパー１から、定量フィーダー２を介して、層構造を有する炭素材料と必要に応じて添加される導電補助剤が投入され、タンク３から定量ポンプ４と流量計５を介して有機電解液が、必要に応じてタンク６から定量ポンプ７と流量計８を介して結着剤が投入される。これらは二軸混練押出機１１の中で加熱混練されることにより、材料が混合されると同時に、層構造を有する炭素材料に有機電解液が挿入される。二軸混練押出機１１は電動機９によって駆動され、減速機１０によって適切な回転に調整される。二軸混練押出機１１の中で、通常の層構造を有する炭素材料を使用する場合は少なくとも１５０℃以上、膨張性黒鉛の場合は、膨張温度以上に加熱される。二軸混練押出機１１のベント部（１２から１２’の間）はトラップを介して排気ポンプ１３により減圧に維持されているため、膨張性黒鉛から排出されるガスも、ベント口１２、１２’を通して排出される。
【００３８】
超臨界流体を使用する方法の場合（Ｂ）は、層構造を有する炭素材料への有機電解液の挿入は、予め、オートクレーブ中で行われる。超臨界流体を張り込んだオートクレーブ中で、超臨界温度以上で層構造を有する炭素材料と有機電解液とを撹拌混合した後、超臨界流体をオートクレーブから排出することで、層構造を有する炭素材料の層間に有機電解液が挿入された電極材料が得られる。攪拌混合に際しては、臨界温度以上の温度で臨界圧以上の２点以上あるいは臨界圧を挟んで２点以上の間で圧力を繰り返し変動させると、グラファイト層間距離を均一にすることができるので好ましい。グラファイト層間距離は有機電解液の挿入量によって調節することが可能である。オートクレーブ内で有機電解液が挿入された炭素材料は、図２の装置を使用する場合、ホッパー１から、定量フィーダー２を介して投入されて次工程に進む。この際、必要に応じて導電補助剤も共に投入され、また必要に応じて結着剤も定量ポンプ７と流量計８を介してタンク６から一定量投入される。
【００３９】
二軸混練押出機１１中で混合された炭素材料は、ギヤポンプ１４によりセラミックス管１５内に送られる。セラミックス管１５にはインバーター１７を介して電流が流された銅線コイルが巻かれている。したがって、セラミックス管１５内を通過する際に、炭素材料は交番磁場へおかれることになる。炭素材料への有機電解液の挿入方法が、加熱混合（Ａ）、超臨界流体中での混合（Ｂ）いずれの場合においても、混合物をこのような交流電場あるいは磁場に置くことが好ましい。そうすることによって、層間間隙の均一化の時間を短縮することができる。
【００４０】
有機電解液が挿入された電極材料は、導電補助剤、結着剤とともにＴダイス１６よりシート状に押し出されて電極層３０として集電体４０に積層されて、本発明の電極シート１００が得られる。このように、Ｔダイスにより押出し被覆すると、厚みと組成の均一な電極シートが得られるので好ましい。この方法によれば、少なくとも毎分１０メートル以上、好ましくは毎分３０メートル以上の速度で幅１２５ｍｍ、厚さ１００μｍの電極層３０を集電体４０上に連続的に成形可能である。集電体４０への電極層の積層は、両面に積層する場合、２台の押出し機を使用して、一度に両面に施しても良い。また、電極材料を集電体箔に積層した電極層の厚さは、３０μｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。電極層が厚いほど、セパレーターや集電体箔の静電容量あたりの使用量が少なくて済み、結果としてキャパシタのコストを下げることができるが、内部抵抗は大きくなってしまう。
【００４１】
本発明の電極シート１００は、貼り付きを防止するために、セパレーター５０を介して巻き取ることが好ましい。図２の装置を用いて両面に電極層（３０，３０’）を積層した電極シート１００’を作成する場合には、一旦巻き取ったこの電極シート１００を、図２の集電体ロール４０の位置にセットし、電極シート１００の集電体４０面に、電極層３０’を再び押し出し成形して電極シート１００’を作成する。
【００４２】
本発明の電気二重層キャパシタ用電極材料、あるいは電極シートは、その電極材料の製造工程において脱水が行われるので従来のように電極材料、あるいは電極シートを製造してから脱水を行う必要がない。換言すれば、電極材料、あるいは電極シートの製造の後工程に通常大きな場所を占める脱水装置を設ける必要がない。従って製造装置全体をコンパクトなものとすることができ、製造装置全体、あるいは必要とする一部を閉鎖環境におくことが容易となる。例えば装置全体をクリーンかつドライな雰囲気のルーム内に設けることができる。かかる場合のルーム内湿度は露点温度が好ましくは−４０℃以下、より好ましくは−５０℃以下である。必要に応じてルーム内を窒素パージすることも可能である。このようにすることにより、水分の低いキャパシタ用電極材料を安定的に製造することができ、ダスト等による歩留まりの低下を最小限に抑制することが可能となる。
【００４３】
本発明により製造された電極シート１００、１００’の電極層の水分含有率は、原料の層構造を有する炭素材料および有機電解液により持ち込まれた水準より小さく、好ましくは０．０１質量％未満、より好ましくは０．００３質量％未満である。加熱混合後過程における脱気や、超臨界処理に用いた炭酸ガスの脱気に同伴して原料中の水分が除かれるからである。本発明では、水分除去が電極組成物調整と同時にできるため、電極製造後の水分除去工程を省略でき、工程短縮による生産能率の向上が可能である。さらに、該電極を用いることで、ガス発生の少ない、長寿命のキャパシタを得ることができる。
【００４４】
このようにして得られた本発明の電極シート１００、１００’は、所定の大きさに裁断、集電タブ接合して、セパレーターを介して捲回ないしは積層され、金属缶やラミネート袋などの容器に収納される。その後、集電タブと容器の電極端子が接合され、少なくとも容器内を真空状態にして有機電解液が注入されたのち、封止して電気二重層キャパシタとなる。本発明の分極性電極は既に炭素材料の層間に有機電解液が挿入されているので、有機電解液を電極層に浸透させる必要はなく、有機電解液の注入時間工程を短縮できる。さらには、セパレーターとの積層時にセパレーターを有機電解液で濡らすだけで有機電解液の注入工程を省略することもできる点で優れている。
【００４５】
【実施例】
＜電極材料および電極シートの作成例＞
【００４６】
（実施例１）
露点温度−５０℃以下の湿度に制御されたドライルームで、スクリューの外径（Ｄ）＝２５ｍｍ、スクリューの軸方向の長さ（Ｌ）とＤの比（Ｌ／Ｄ）＝６０の中間部にベント部を持つ二軸混練押出機に、天然黒鉛粉末（平均粒子径７μｍ、グラファイト構造の層間距離０．３４ｎｍ、水分２３００ｐｐｍ）１００重量部とアセチレンブラック５重量部の混合物（ｘ）、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを１ｍｏｌ／Ｌの濃度に溶解したプロピレンカーボネート溶液（ｙ）、スチレン−ブタジエンエラストマー１５重量％のプロピレンカーボネート分散液（ｚ）を、それぞれ定量ポンプを介して、連続的に投入する。（ｘ）：（ｙ）：（ｚ）の重量比は１００：２７０：６０とした。ベント部はトラップを介して排気ポンプにより減圧に維持した。押出機出口とダイスの間には、銅線コイルを巻いたセラミックス管で結ばれたギヤポンプを介在させ、コイルには２００Ｈｚの交流の電流を流して管内を交番磁場とした。シリンダー内容物の温度が投入部で４０℃、第一混合部Ｍ１で２００℃、二箇所のベント部１２、１２´で１８０℃、第二混合部Ｍ２で２２０℃、ダイス温度２２０℃になるように設定して混練し、幅１２５ｍｍのＴダイスで２５０ｍｍ幅、厚さ３０μｍのアルミ箔上に押出し、アルミ箔と接着していない側の表面（自由表面）に厚さの２５μｍのポリプロピレン多孔質セパレーターフィルムをラミネートロールで圧着して１００μｍの厚さの電極層を持つシートを巻き取った。続いて、アルミ箔のもう一面に同様に１００μｍの電極層を押出し成形して分極性電極シート（Ａ）を作成した。シートの引き取りは、速度３２ｍ／ｍｉｎで行ったが、均一な厚さの平滑な表面の電極層を、安定して押出すことができた。
【００４７】
（実施例２）
ダイス手前のセラミック管内蔵のコイルに通電しなかった以外は実施例１と同様に操作して、分極性電極シート（Ｂ）を作成した。
【００４８】
（実施例３、４）
（ｘ）：（ｙ）：（ｚ）の重量比を、それぞれ１００：２００：６０および１００：４００：６０とした以外は実施例１と同様にして分極性電極シート（Ｃ）、及び（Ｄ）を得た。
【００４９】
（実施例５）
黒鉛に代えて膨張性黒鉛（ＭＹＺＲ−３２１：三洋貿易株式会社より入手可能）を使った以外は実施例１と同様にして分極性電極シート（Ｅ）を得た。なお上記膨張性黒鉛の性状は表１のとおりである。
【表１】

【００５０】
（実施例６）
露点温度−５０℃以下の湿度に制御されたドライルームで天然黒鉛粉末（平均粒子径７μｍ、グラファイト構造の層間距離０．３３５ｎｍ、水分２３００ｐｐｍ）１ｋｇを内容積２６リットルのオートクレーブに入れ、攪拌機およびバルブ付きの注入口、排出口、安全弁の付いた蓋をして、オートクレーブ内を２ｋＰａまで減圧脱気した。しかる後、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを１ｍｏｌ／Ｌの濃度に溶解したプロピレンカーボネート溶液２．７リットルを注入口より吸引してオートクレーブ内に仕込み、攪拌機を始動させて混合を開始した。続いて液化炭酸ガス７ｋｇを、注入口を介してオートクレーブ内に導入し、ジャケットに熱媒を通して内温を８０℃まで上昇、３０℃への冷却を二回繰り返した。二回目冷却の後、オートクレーブの底部の排出口にバルブを介して接続された加熱器付き３０リットルプラネタリーミキサーへバルブを開いて内容物を排出した。排出はプラネタリーミキサーの圧力が１００ｋＰａを超えないようにバルブを調節しながら行った。オートクレーブの圧力が常圧になったことを確認して排出バルブを閉じた後、ミキサーの内温が３０℃以上であることを確認してミキサーを止め、内容物を取り出した。内容物は粒状の凝集物で電極材料（ｆ´）とした。電極材料（ｆ´）はスパチュラの背で押すと簡単に板状に変形した。
電極材料（ｆ´）３７０重量部とアセチレンブラック１５重量部の混合物をホッパーより定量フィーダーを介して、アクリル系エラストマーを１５重量％のプロピレンカーボネート分散液６０重量部を、定量ポンプを介して、Ｄ＝２５ｍｍ、（Ｌ／Ｄ）＝６０の混練押出機で１２５ｍｍ幅にＴダイスで２５０ｍｍ幅、厚さ３０μｍのアルミ箔上に押出し、自由表面に厚さ２５μｍのポリプロピレン多孔質セパレーターフィルムをラミネートロールで圧着して１００μｍの厚さの電極層（ｆ）を持つシートを巻き取った。続いてアルミ箔のもう一面に同様に１００μｍの電極層（ｆ）を押出し成形して分極性電極シート（Ｆ）を作成した。シートの引き取りは、速度３２ｍ／ｍｉｎで行ったが、均一な厚さの平滑な表面の電極層を、安定して押出すことができた。
【００５１】
（比較例１）
比較のため、実施例１と同じ原料を用いて、二軸混練押出機の温度設定を全域３０℃として運転したところ、ダイスから電極組成物が排出されず、電解質溶液のみが染み出てくるのみで集電体箔上に電極組成物を塗布することができなかった。そこで集電体箔の引き取り速度を１／１０の３．２ｍ／ｍｉｎに落とし、ダイスギャップを広げることで組成物（ｇ）をダイスから排出させたが、押出しは安定せず、電極表面には凹凸があり、濡れていた。結局後の評価に供することのできる電極は得られなかった。
【００５２】
（比較例２）
比表面積１５００ｍ^２／ｇの活性炭１００重量部、アセチレンブラック４重量部、実施例１に用いたと同じスチレン・ブタジエンエラストマーの４０％水分散液５重量部、カルボキシメチルセルロースの２％水溶液１００重量部、及び水１００重量部をプラネタリーミキサーで混合して塗料を調製してブレードコーター２５０ｍｍ幅でアルミ箔両面に塗布し、５０℃で１５分、次いで１００℃で２０分熱風乾燥した後ロール圧縮して、１００μｍ厚さの電極層を持つ電極シート（Ｈ）を得た。電極シート（Ｈ）の電極層の水分含有率は１．２質量％であった。
【００５３】
（比較例３）
上記比較例２の電極シート（Ｈ）を２００℃の窒素オーブンで７２時間乾燥して水分含有率０．０１質量％の電極層の電極シート（Ｉ）とした。
【００５４】
（比較例４）
実施例６において、超臨界流体処理を行う前の黒鉛と有機電解質溶液との混合物は泥状で、スパチュラでガラス板上に広げても欠陥部の多い濡れた層状のものしか得られなかった。
【００５５】
＜電極材料の評価＞
以上の実施例１〜６で得られた電極シート（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、及び（Ｆ）のそれぞれから採取した電極層（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）、実施例６の電極層（ｆ）、比較例１の押出し組成物（ｇ）、並びに調製前の天然黒鉛（参考例）について、グラファイト構造の層間距離を、粉末Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ２０００ リガク社製）でＣｕＫα１線を用いて、その回折角度より測定算出し、その結果を表２に示した。併せて電極層（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、及び押出し組成物（ｇ）、並びに調整前の天然黒鉛（参考例）について、水分含有率を電量滴定式水分測定装置（ＣＡ−０６型三菱化学製）で測定した結果も表２に示した。表２より、加温混合していない比較例１の押出し組成物（ｇ）が調整前の天然黒鉛と同じ０．３３５ｎｍ相当の層間距離を示す明瞭な回折角ピークを示すのに対して、加熱混合した電極層（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）や超臨界流体処理した電極層（ｆ）は１〜３ｎｍ相当の層間距離に相当する回折角部分に広がった不明瞭なピークを示し、グラファイト層間が広がっていることが分かる。また、それぞれの電極層の体積および重量を測定して電極層の密度を求め、その結果を表２に示した。ここで、炭素材料の層間距離が２ｎｍに広がり、その間隙に空気が満たされていると仮定すると、電極層の製造に用いた各材料の密度（黒鉛：２．２５、アセチレンブラック：１．９、結着剤：１．０）から計算した電極層の密度は０．８５であるのに対し、電極層（ａ）〜（ｆ）の密度は高くなっており、炭素材料の層間に電解液（密度：１．３）が挿入されていることが分かる。
【表２】

【００５６】
＜キャパシタの組立および評価＞
露点温度−５０℃以下の湿度に制御されたドライルームで、電極シート（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｈ）、及び（Ｉ）を、電極の塗布方向に幅１２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの長方形に、セパレーターは電極より両幅１ｍｍ、両長さ方向に２ｍｍ幅広に残すように裁断した。裁断された電極を、セパレーターと接していない面の電極を長さ方向の一端を端面から１０ｍｍ除去して集電体箔に幅５ｍｍ厚さ０．２ｍｍのアルミ集電棒に接続した。次に、除去された電極の端面に、もう一枚の電極の電極を除去していない端面を合わせてセパレーターを介するように重ね、直径３０ｍｍのマンドレルに巻きつけた。巻いた電極積層物をマンドレルから外し二つの集電棒が重ならないように押し潰して集電棒が頭を出すように６０ｍｍ×１４０ｍｍラミネート袋に収納し減圧した後、０．５ｍｌのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを１ｍｏｌ／Ｌの濃度に溶解したプロピレンカーボネート溶液を注入後封止してキャパシタを得た。こうして得られたキャパシタの初期の放電容量及び内部抵抗を測定し、２．５Ｖで１００時間充電した後の漏れ電流を測定した。さらに、２．５Ｖで１００時間充電した後、２５℃で開路状態とし、３０日間放置した後のキャパシタの保持電圧を測定した。次いで、４５℃の恒温槽中で０〜２．５Ｖの間で５０Ａの定電流による充放電サイクルを３０万回繰り返し、３０万サイクル後の放電容量及び内部抵抗を測定し、初期特性と比較した。得られた結果を表３に示す。表３より、本発明の電極シート（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、及び（Ｆ）により形成したキャパシタが大きな静電容量を示すこと、及び、繰り返し充放電で容量の低下がないことが分かる。
【表３】

【００５７】
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電気二重層キャパシタ用電極材料やその製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【００５８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、コスト、静電容量に優れた電気二重層キャパシタ用電極材料、およびコスト、工程適性に優れた電気二重層キャパシタの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極シート１００，１００’の断面図である。
【図２】本発明の電極シートの製造に使用される装置の概略図である。
【符号の説明】
Ｍ１ 第一混合部
Ｍ２ 第二混合部
１００，１００’ 電極シート
３０，３０’ 電極層
４０ 集電体
１ ホッパー
２ 定量フィーダー
３ 有機電解液タンク
４ 定量ポンプ
５ 流量計
６ 結着剤分散液タンク
７ 定量ポンプ
８ 流量計
９ 電動機
１０ 減速機
１１： 軸混練押出機
１２、１２’ベント口
１３ 真空ポンプ
１４ ギヤポンプ
１５ コイル内蔵セラミック管
１６ ダイス
１７ インバーター
５０ セパレーターロール

Claims (12)

1. 層構造を有する炭素材料と有機電解液とを混合し、前記炭素材料の層間に、前記有機電解液を挿入する工程を有する電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法。
2. 前記混合を１５０℃以上で行うことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記炭素材料が膨張性黒鉛であり、前記混合を該膨張性黒鉛の膨張温度以上の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
4. 層構造を有する炭素材料と有機電解液とを、超臨界流体中で混合して、該炭素材料の層間に有機電解液を挿入させた後、超臨界流体を除去することを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法。
5. 前記超臨界流体が二酸化炭素である請求項４に記載の製造方法。
6. 前記炭素材料と有機電解液との混合に際して、混合物を交番電場及び／又は交番磁場におくことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により得られる電気二重層キャパシタ用電極材料。
8. 層構造を有する炭素材料と、有機電解液とを含有する電気二重層キャパシタ用電極材料であって、前記有機電解液が前記炭素材料の層間に挿入されており、該層間距離が０．３９〜１０ｎｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料。
9. 集電体上に請求項７又は８に記載の電極材料を含む電極層が積層された電気二重層キャパシタ用電極材料シート。
10. 前記電極材料の水分含有率が０．０１質量％未満である、請求項９に記載の電極シート。
11. 請求項７又は８に記載の電極材料、及び結着剤を含有する電極形成用組成物を押出し成形する工程を含む電気二重層キャパシタ用電極シートの製造方法。
12. 請求項９または１０に記載の電極シートを備えた電気二重層キャパシタ。

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