JP2005026343A - Activated carbon for electrochemical element electrodes, electrochemical element electrode using it, and electrochemical element - Google Patents

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陽輔 宮木
Tetsuya Takahashi
哲哉 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide activated carbon for electrochemical element electrode of sufficiently low internal resistance which is useful for formation of an electrochemical element electrode having superior electric characteristic, an electrochemical element electrode using it, and an electrochemical element and electrochemical capacitor provided with the electrode. <P>SOLUTION: The activated carbon is contained in the electrochemical element electrode, an composition material is activated carbon 100 for electrochemical element electrode which is a fiber, and whose aspect ratio is at most 8. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学素子電極用活性炭、それを用いた電気化学素子電極、及び、電気化学素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気化学キャパシタ、非水二次電池をはじめとする電気化学素子は、小型化、軽量化が容易に可能であるため、例えば、携帯機器(小型電子機器)等の電源のバックアップ用電源、電気自動車やハイブリッド車向けの補助電源等として期待されており、その性能向上のための様々な検討がなされている。
【0003】
例えば、電気化学素子電極の内部抵抗の低減、及び、電極の単位質量当たりの静電容量や単位体積当たりの静電容量等の電極特性の向上が検討されている。このような電極の内部抵抗(インピーダンス)の低減、及び電極特性向上のために、略球状の活性炭を電極の構成材料として用いることが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。また、電極の構成材料としては微紛炭素繊維を用いることも提案されている(例えば、特許文献3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−180923号公報
【特許文献2】
特開2002−231589号公報
【特許文献3】
特開平11−322314号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1及び2に記載の略球状の活性炭を構成材料として含有する電極を用いた電気二重層キャパシタでは、内部抵抗を十分に低減できておらず、未だ十分な充放電特性を得ることができていなかった。また、上記特許文献3に記載の微紛炭素繊維を構成材料として含有する電極を用いた従来のリチウムイオン二次電池でも、賦活処理をしていなく活性炭ではない微紛炭素繊維と記載されているものの実態は略球状であり、さらに活性炭のように十分な比表面積を有していないため、内部抵抗を十分に低減できておらず、未だ十分な充放電特性を得ることができていなかった。
【0006】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、内部抵抗が十分に低減されており、優れた電極特性を有する電気化学素子電極の作製に有用な、電気化学素子電極用活性炭、それを用いた電気化学素子電極、及び、その電極を備える電気化学素子並びに電気化学キャパシタを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、電気化学素子電極の構成材料として特定の形状の活性炭を用いることにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明に到達した。
【0008】
すなわち、本発明は、電気化学素子電極に構成材料として含まれる活性炭であって、繊維状で且つアスペクト比が8以下であることを特徴とする電気化学素子電極用活性炭を提供する。ここで、「アスペクト比」とは、繊維状の活性炭の長径(長さ)bをその短径(直径)aで除した値(b/a)を示す。
【0009】
本発明の電気化学素子電極用活性炭を構成材料として含有する電気化学素子電極は、内部抵抗が十分に低減されており、優れた電極特性を有し、更に、この電気化学素子電極を備える電気化学素子は、内部抵抗が十分に低減されており、優れた充放電特性を得ることができる。
【0010】
本発明の電気化学素子電極用活性炭を用いることで、上記効果が得られる理由は定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、従来の略球状の活性炭を用いた電極では、電極中の活性炭同士の接触が点接触であり、接触面積が小さいために活性炭間で伝わる電気量が少なく、このため電極における内部抵抗が大きいと考えられる。また、充放電の際の電解質イオンの脱吸着による活性炭の膨張収縮が起こり、活性炭同士の接触が失われやすく、これも内部抵抗が大きい原因の1つであると考えられる。
【0011】
これに対して、本発明の電気化学素子電極用活性炭は繊維状であることから、電極中の活性炭同士の接触が線接触となることが多く、接触面積が略球状の活性炭と比較して大きいことから活性炭間で伝わる電気量が増大し、内部抵抗が実用的に十分に低減されると考えられる。さらに、本発明の電気化学素子電極用活性炭は、充放電の際の電解質イオンの脱吸着による活性炭全体の膨張収縮が起こりにくく、活性炭同士の接触が失われにくい。従って、電極の内部抵抗を十分に低減することが可能となり、長時間に渡り使用した場合であっても活性炭同士の接触面積が一定であることから、優れた電極特性が得られると考えられる。
【0012】
また、本発明の活性炭は、(1)アスペクト比が1.5以上であること、(2)活性炭の短径が15μm以下であること、(3)活性炭の密度が1.2g/cm以下であること、のうちの少なくとも1つの条件を満たすことが好ましい。上記(1)の条件を満たすことで、活性炭の線接触の面積が大きくなり、電極の内部抵抗をより低減させることが可能となる。また、上記(2)の条件を満たすことで、電極の薄膜化をより容易に達成することが可能となる。また、上記(3)の条件を満たすことで、活性炭における比表面積を十分に確保しやすくなるので、電極特性を更に向上させることが可能となる。
【0013】
また、本発明は、電子伝導性を有する集電体と、該集電体上に形成された電子伝導性を有する多孔体層と、を有しており、多孔体層が上記本発明の電気化学素子電極用活性炭を含有することを特徴とする電気化学素子電極を提供する。本発明の電極は、上記本発明の電気化学素子電極用活性炭を含有していることから、内部抵抗が十分に低減されており、優れた電極特性を有する。
【0014】
また、本発明の電極は、板状の形状を呈しており、多孔体層の厚さが200μm以下(より好ましくは100μm以下)であることが好ましい。このような電極は、電気化学素子の小型化及び軽量化に有用である。
【0015】
さらに、本発明の電極は、多孔体層が、上記電気化学素子電極用活性炭を少なくとも含有する多孔体層形成用塗布液を調製し、多孔体層形成用塗布液を集電体上に塗布する工程により形成されていることが好ましい。アスペクト比が8以下の繊維状の活性炭を用い、上記塗布する工程により形成されることで、前述のように内部抵抗を低減しつつ凝集の無い薄い電極を形成することが可能である。
【0016】
また、本発明は、互いに対向する第1の電極及び第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に配置されるセパレータと、電解質溶液と、第1の電極、第2の電極、セパレータ及び電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、を有しており、
第1の電極及び第2の電極のうちの少なくとも一方が、上記本発明の電気化学素子電極であることを特徴とする電気化学素子を提供する。本発明の電気化学素子は、上記本発明の電気化学素子電極を有していることから、内部抵抗が十分に低減されており、優れた充放電特性を示す。
【0017】
本発明の電気化学素子においては、第1の電極及び第2の電極の両方が上記本発明の電気化学素子電極であることを特徴としてもよい。この場合、この電気化学素子は、電気化学キャパシタとして機能する。
【0018】
ここで、本発明において、「電気化学素子」とは、互いに対向する第1の電極及び第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に配置されるセパレータと、電解質溶液と、を少なくとも備えている素子を示す。更に、本発明において、電気化学素子は、複数の単位セルを1つのケース内に直列または並列に配置させたモジュールの構成を有していてもよい。
【0019】
より具体的には、「電気化学素子」とは、好ましくは二次電池又は電気化学キャパシタを示す。二次電池として好ましくは、リチウムイオン二次電池等の非水電解質を使用する非水電解質二次電池、電解質水溶液を使用する二次電池等が挙げられる。電気化学キャパシタとしては、電気二重層キャパシタ、擬似容量キャパシタ、レドックスキャパシタ等が挙げられる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の電気化学素子電極用活性炭、それを用いた電気化学素子電極、及び、電気化学素子の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する記載は省略する。
【0021】
(電気化学素子電極用活性炭)
図1は、本発明の電気化学素子電極用活性炭の模式図である。図1に示すように、本発明の電気化学素子電極用活性炭100は繊維状である。また、この活性炭100はアスペクト比(b/a)が8以下(好ましくは1.5〜8、より好ましくは2〜6、更に好ましくは2〜4)である。
【0022】
アスペクト比が8を超えると、電極を作製する際の電極形成用塗布液において凝集隗が発生しやすくなり、電極の作製(特に薄膜化)が困難となる。他方、1.5未満であると、活性炭同士の接触が点接触に近くなり、電極の内部抵抗の低減が不十分となる傾向がある。
【0023】
また、本発明の活性炭100の短径aは、15μm以下であることが好ましく、0.1〜12μmであることがより好ましく、1〜10μmであることがさらに好ましい。このような短径aが15μmを超えると、電極の薄膜化が困難となる傾向にあり、他方、0.1μm未満であると、活性炭の作製が困難となる傾向にある。
【0024】
また、活性炭100の密度は、1.2g/cm以下であることが好ましく、0.1〜1.0g/cmであることがより好ましく、0.5〜0.8g/cmであることがより好ましい。このような密度が1.2g/cmを超えると、電極特性が不十分となる傾向にあり、他方、0.1g/cm未満であると、活性炭の作製が困難となる傾向にある。
【0025】
また、活性炭100は、比表面積が1000〜3000m・g−1であることが好ましく、1000〜2000m・g−1であることが好ましく、1000〜1200m・g−1であることが好ましい。比表面積が1000m・g−1未満であると、電極特性が不十分となる傾向があり、他方、比表面積が3000m・g−1を超えると、電解質溶液が不安定になる傾向がある。
【0026】
活性炭の材料としては、原料炭{例えば、石油系重質油の流動接触分解装置のボトム油や減圧蒸留装置の残さ油を原料油とするディレードコーカーより製造された石油コークス又は樹脂を炭化したもの(フェノール樹脂など)や天然材料を炭化したもの(例えばヤシ殻炭)等}を賦活処理することにより得られるものを主成分としているものが好ましい。
【0027】
本発明の活性炭100は、先ず、上記材料のうち繊維状で短径aが所定範囲のものを所定長さに切断し、賦活処理を行う。なお、切断及び賦活処理は、公知の方法で行うことができる。次に、賦活処理後の材料を所定の回転数のローターを用いて更に粉砕することで、本発明の活性炭100が得られる。
【0028】
(電気化学素子電極)
図2は、本発明の電気化学素子電極の模式断面図である。図2に示すように、本発明の電気化学素子電極10は、電子伝導性を有する集電体16と、該集電体上に形成された電子伝導性を有する多孔体層18とからなる。この多孔体層18は、電子伝導性を有する本発明の活性炭100を構成材料として含んでいる。これにより、この多孔体層18を有する電極10を備える電気化学素子は、内部抵抗が十分に低減され、優れた充放電特性を有するものとなる。
【0029】
集電体16は、多孔体層18への電荷の移動を十分に行うことができる良導体であれば特に制限されず、公知の電気化学素子電極に用いられる集電体を使用することができる。例えば、集電体16としては、アルミニウム等の金属箔等が挙げられ、金属箔としては、エッチング加工されたものや圧延加工されたもの等が特に制限なく使用可能である。
【0030】
この集電体16の厚さは、電極10の小型化及び軽量化を図る観点から、20〜50μmであることが好ましく、20〜30μmであることがより好ましい。
【0031】
多孔体層18は、その構成材料に本発明の活性炭100を含んで構成されていれば、その他の構成条件は特に限定されないが、本発明の効果をより確実に得る観点から、多孔体層18中の本発明の活性炭100の含有量は、多孔体層18の総質量を基準として、70〜90質量%であることが好ましい。
【0032】
また、多孔体層18は、板状の形状を呈しており、その厚さが200μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、20〜100μmであることがより好ましい。多孔体層18の厚さが、200μmを超えると、電極の小型化が困難となり、また、電極作製の際に筋などが生じ、電極作製が困難となる傾向がある。他方、20μm未満であると、電極作製の際にスジ等の表面の凸凹を生じ、電極作製が困難となる傾向にある。
【0033】
また、多孔体層18には、本発明の活性炭100以外の炭素材料が含まれていてもよく、バインダー等の炭素材料以外の構成材料が含まれていてもよい。その種類とその含有量は特に限定されるものではないが、例えば、炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤(カーボンブラック等)と、例えばバインダー(ポリテトラフルオロエチレン,以下、PTFEという)とが添加されていてもよい。
【0034】
多孔体層18は、集電体16(アンダーコート層がある場合は、アンダーコート層)上に形成される。そして、多孔体層18は、例えば、以下のようにして形成される。すなわち、先ず、本発明の活性炭100、バインダー及びバインダーを溶解可能な液体を少なくとも含む多孔体層形成用塗布液を調製し、次いで、これを集電体16上に塗布し、その後、液体を除去することで形成される。なお、多孔体層18は、より優れた電子伝導性を得るために導電助剤を更に含有していることが好ましい。
【0035】
また、本発明の電極10にはアンダーコート層(図示せず)が設けられていてもよい。アンダーコート層は、集電体16と多孔多層18との間に配置される層であって、電極10における各層(集電体16及び多孔体層18)の物理的及び電気的な密着性を付与する層であり、その構成材料として導電性粒子と該導電性粒子に結着可能なバインダーとを少なくとも含有している。なお、アンダーコート層は、以下のようにして形成される。すなわち、先ず、導電性粒子、バインダー及び該バインダーを溶解可能な液体を含むアンダーコート層形成用塗布液を調製し、次いで、これを集電体16の面上に塗布し、その後、液体を除去することで形成される。
【0036】
(電気化学素子)
図3は本発明の電気化学素子の好適な一実施形態(電気化学キャパシタ)を示す正面図である。また、図4は図3に示す電気化学キャパシタの内部をアノード10の表面の法線方向からみた場合の展開図である。更に、図5は図3に示す電気化学キャパシタを図3のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。また、図6は図3に示す電気化学キャパシタを図3のX2−X2線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【0037】
図3〜図7に示すように、電気化学キャパシタ1は、主として、互いに対向する板状のアノード10及び板状のカソード20と、アノード10とカソード20との間に隣接して配置される板状のセパレータ40と、電解質溶液30と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、アノード10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース50の外部に突出されるアノード用リード12と、カソード20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース50の外部に突出されるカソード用リード22とから構成されている。ここで、「アノード」10及び「カソード」20は、電気化学キャパシタ1の放電時の極性を基準に決定したものである。なお、アノード10及びカソード20には、図2で示した本発明の電気化学素子電極10を適用する。
【0038】
そして、電気化学キャパシタ1は、先に述べた本発明の目的を達成するために、以下に説明する構成を有している。
【0039】
以下に図3〜図9に基づいて本実施形態の各構成要素の詳細を説明する。
【0040】
ケース50は、互いに対向する第1のフィルム51及び第2のフィルム52とを有している。ここで、図4に示すように、本実施形態における第1のフィルム51及び第2のフィルム52は連結されている。すなわち、本実施形態におけるケース50は、一枚の複合包装フィルムからなる矩形状のフィルム53を、図4に示す折り曲げ線X3−X3において折り曲げ、矩形状のフィルムの対向する1組の縁部同士(図中の第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルムの縁部52B)を重ね合せて接着剤を用いるか又はヒートシールを行うことにより形成されている。
【0041】
そして、第1のフィルム51及び第2のフィルム52は、1枚の矩形状のフィルムを上述のように折り曲げた際にできる互いに対向する面(F51及びF52)を有する該フィルムの部分をそれぞれ示す。ここで、本明細書において、接合された後の第1のフィルム51及び第2のフィルム52のそれぞれの縁部を「シール部」という。
【0042】
これにより、折り曲げ線X3−X3の部分に第1のフィルム51と第2のフィルム52とを接合させるためのシール部を設ける必要がなくなるため、ケース50におけるシール部をより低減することができる。その結果、後述する電気化学キャパシタ1の設置されるべき設置空間の単位体積当たりのエネルギー密度(以下、「設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度」という)を向上させることができる。
【0043】
また、本実施形態の場合、図3及び図4に示すように、アノード10に接続されたアノード用リード12及びカソード用リード22のそれぞれの一端が上述の第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルムの縁部52Bシール部とを接合したシール部から外部に突出するように配置されている。
【0044】
更に、第1のフィルム51及び第2のフィルム52を構成するフィルムは可とう性を有するフィルムである。このように軽量であり薄膜化が容易な可とう性を有するフィルムを用いて形成されたケース50を備え、更に、アノード10、カソード20及びセパレータ40のそれぞれの形状を板状とすることにより、電気化学キャパシタ1自体の形状を薄膜状とすることができる。フィルムは軽量であり薄膜化が容易なため、電気化学キャパシタ自体の形状を薄膜状とすることができる。そのため、本来の体積エネルギー密度を容易に向上させることができるとともに、電気化学キャパシタの設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度も容易に向上させることができる。
【0045】
ここで、電気化学キャパシタの「体積エネルギー密度」とは、本来、電気化学キャパシタの容器を含む全体積に対する全出力エネルギーの割合で定義されるものである。これに対して、「設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度」とは、電気化学キャパシタの最大縦、最大横、最大厚さに基づいて求められる見かけ上の体積に対する電気化学キャパシタの全出力エネルギーの割合を意味する。実際に、電気化学キャパシタを小型電子機器に搭載する場合、上述した本来の体積エネルギー密度の向上とともに、設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度を向上させることが、小型電子機器内の限られたスペースをデッドスペースを充分に低減した状態で有効利用する観点から重要となる。
【0046】
このフィルムは可とう性を有するフィルムであれば特に限定されないが、ケースの十分な機械的強度と軽量性を確保しつつ、ケース外部からケース内部への水分や空気の侵入及びケース内部からケース外部への電解質成分の逸散を効果的に防止する観点から、電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と、最内部の層の上方に配置される金属層とを少なくとも有する「複合包装フィルム」であることが好ましい。
【0047】
第1のフィルム51及び第2のフィルム52として使用可能な複合包装フィルムとしては、例えば、図8及び図9に示す構成の複合包装フィルムが挙げられる。図8に示す複合包装フィルム53は、その内面F50aにおいて電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層50aと、最内部の層50aのもう一方の面(外側の面)上に配置される金属層50cと有する。また、図9に示す複合包装フィルム54は、図8に示す複合包装フィルム53の金属層50cの外側の面に更に合成樹脂製の最外部の層50bが配置された構成を有する。
【0048】
第1のフィルム51及び第2のフィルム52として使用可能な複合包装フィルムは、上述の最内部の層をはじめとする1以上の合成樹脂の層、金属箔などの金属層を備えた2以上の層を有する複合包装材であれば特に限定されないが、上記と同様の効果をより確実に得る観点から、図9に示した複合包装フィルム54のように、最内部の層50aと、最内部の層から最も遠いケース50の外表面の側に配置される合成樹脂製の最外部の層50bと、最内部の層と最外部の層との間に配置される少なくとも1つの金属層50cとを有する3層以上の層から構成されていることがより好ましい。
【0049】
最内部の層は可とう性を有する層であり、その構成材料は上記の可とう性を発現させることが可能であり、かつ、使用される電解質溶液に対する化学的安定性(化学反応、溶解、膨潤が起こらない特性)、並びに、酸素及び水(空気中の水分)に対する化学的安定性を有している合成樹脂であれば特に限定されないが、更に酸素、水(空気中の水分)及び電解質溶液の成分に対する透過性の低い特性を有している材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン酸変成物、ポリプロピレン酸変成物、ポリエチレンアイオノマー、ポリプロピレンアイオノマー等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。
【0050】
また、上述した図9に示した複合包装フィルム54のように、最内部の層50a以外に、最外部の層50b等のような合成樹脂製の層を更に設ける場合、この合成樹脂製の層も、上記最内部の層と同様の構成材料を使用してよい。更に、この合成樹脂製の層としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(ナイロン)等のエンジニアリングプラスチックからなる層を使用してもよい。
【0051】
また、ケース50における全てのシール部のシール方法は、特に限定されないが、生産性の観点から、ヒートシール法であることが好ましい。
【0052】
金属層としては、酸素、水(空気中の水分)及び電解質溶液に対する耐腐食性を有する金属材料から形成されている層であることが好ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、クロム等からなる金属箔を使用してもよい。
【0053】
次に、アノード10及びカソード20について説明する。本実施形態の電気化学キャパシタにおけるアノード10及びカソード20としては、図2に示す、上述の本発明の電気化学素子電極10をそれぞれ適用したものである。
【0054】
なお、本発明の電気化学素子は、アノード10及びカソード20のうちの少なくとも一方が本発明の電気化学素子電極10であればよく、例えば、集電体の一方の面上に多孔体層が形成された構成を有する従来公知の電極をアノード又はカソードとして用いてもよい。ただし、十分な電極特性を保持したまま更なる小型化及び軽量化を図る観点から、本実施形態に示したように、アノード及びカソードの両方が本発明の電気化学素子電極10であることが好ましい。
【0055】
アノード10とカソード20との間に配置されるセパレータ40は、絶縁性の多孔体から形成されていれば特に限定されず、公知の電気化学キャパシタに用いられているセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
【0056】
ただし、電解質溶液との接触界面を充分に確保する観点から、多孔体層18の空隙体積Zは、多孔体層体積100μLの時に50〜75μLであることが好ましく、60〜70μLであることがより好ましい。なお、空隙体積Zを求める方法は特に限定されず、公知の方法により求めることができる。
【0057】
また、カソード20の集電体28は、例えばアルミニウムからなるカソード用リード22の一端に電気的に接続され、カソード用リード22の他端はケース50の外部に延びている。一方、アノード10の集電体18も、例えばアルミニウムからなるアノード用リード12の一端に電気的に接続され、アノード用リード12の他端は封入袋14の外部に延びている。
【0058】
電解質溶液30はケース50の内部空間に充填され、その一部は、アノード10及びカソード20、及びセパレータ40の内部に含有されている。
【0059】
この電解質溶液30は、特に限定されず、公知の電気化学キャパシタに用いられている電解質溶液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、キャパシタの耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水電解質溶液)であることが好ましい。
【0060】
更に、電解質溶液30の種類は特に限定されないが、一般的には溶質の溶解度、解離度、液の粘性を考慮して選択され、高導電率でかつ高電位窓(分解開始電圧が高い)の電解質溶液であることが望ましい。例えば、代表的な例としては、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのような4級アンモニウム塩を、プロピレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、スルホランなどの有機溶媒に溶解したものが使用される。なお、この場合、混入水分を厳重に管理する必要がある。
【0061】
更に、図3及び図4に示すように、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルムの縁部52Bからなる封入袋のシール部に接触するアノード用リード12の部分の部分には、アノード用リード12と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体14が被覆されている。更に、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルムの縁部52Bからなる封入袋のシール部に接触するカソード用リード22の部分には、カソード用リード22と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体24が被覆されている。
【0062】
これら絶縁体14及び絶縁体24の構成は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていてもよい。なお、アノード用リード12及びカソード用リード22のそれぞれに対する複合包装フィルム中の金属層の接触が充分に防止可能であれば、これら絶縁体14及び絶縁体24は配置しない構成としてもよい。
【0063】
更に、携帯用の小型電子機器内の限られた狭い設置スペースにも設置可能とする観点から、アノード10、セパレータ40及びカソード20からなる積層体(アノード、セパレータ及びカソードからなる積層体)の厚さ(素体60の厚さ)が、0.1〜0.4mmであることが好ましく、0.1〜0.3mmであることがより好ましい。
【0064】
電気化学キャパシタ1は、キャパシタ容量が1×10−3〜1Fであることが好ましく、0.01〜0.10Fであることがより好ましい。これにより、フィルム状でありながら容量の大きい電気二重層キャパシタが得られる。これらは薄い特性を活かし、ICカード、ICタグ等への利用も可能となる。また、玩具等への用途や携帯機器への用途も拡大する。
【0065】
次に、上述したケース50及び電気化学キャパシタ1の作製方法について説明する。
【0066】
素体60(アノード10、セパレータ40及びカソード20がこの順で順次積層された積層体)の製造方法は、特に限定されず、公知の電気化学キャパシタの製造に採用されている公知の薄膜製造技術を用いることができる。
【0067】
先ず、アノード10及びカソード20のそれぞれに対して、アノード用リード12及びカソード用リード22をそれぞれ電気的に接続する。セパレータ40をアノード10とカソード20との間に接触した状態(非接着状態)で配置し、素体60を作製する。
【0068】
次に、ケース50の作製方法の一例について説明する。まず、第1のフィルム及び第2のフィルムを先に述べた複合包装フィルムから構成する場合には、ドライラミネ−ション法、ウエットラミネ−ション法、ホットメルトラミネ−ション法、エクストル−ジョンラミネ−ション法等の既知の製造法を用いて作製する。
【0069】
例えば、複合包装フィルムを構成する合成樹脂製の層となるフィルム、アルミニウム等からなる金属箔を用意する。金属箔は、例えば金属材料を圧延加工することにより用意することができる。
【0070】
次に、好ましくは先に述べた複数の層の構成となるように、合成樹脂製の層となるフィルムの上に接着剤を介して金属箔を貼り合わせる等して複合包装フィルム(多層フィルム)を作製する。そして、複合包装フィルムを所定の大きさに切断し、矩形状のフィルム53を1枚用意する。
【0071】
次に、先に図4を参照して説明したように、1枚のフィルム53を折り曲げ、この折り曲げたフィルム53内(第1のフィルム51と第2のフィルム52との間)に素体60を挟み込む。その際、素体60のリード部(アノード用リード12及びカソード用リード22)の一部をシール部51B及びシール部52Bからケース50の外部に突出るようにする。次に、第1のフィルム51のシール部51B(縁部51B)と第2のフィルムのシール部52B(縁部52B)を、例えば、シール機を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。このとき、電解質溶液30をケース50中に導入するための開口部を確保するために、一部のヒートシールを行わない部分を設けておく。これにより開口部を有した状態のケース50が得られる。
【0072】
そして、この素体60の入ったケース50の開口部より電解質溶液30を注入する。続いて、アノード用リード12、カソード用リード22の一部をそれぞれケース50内に挿入した状態で、シール機を用いて、ケース50の開口部をシールする。このようにしてケース50及び電気化学キャパシタ1の作製が完了する。
【0073】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の説明においては、主として、本発明を電気化学キャパシタ(電気二重層キャパシタ)に適用した場合に好適な構成について説明したが、本発明の電気化学素子は電気化学キャパシタに限定されるものではなく、例えば、非水二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)等の、互いに対向するアノード及びカソードと、アノードとカソードとの間に隣接して配置される板状のセパレータと、電解質溶液とを有し、これらがケース内に収容される構成の電気化学素子に適用可能である。
【0074】
なお、このように電気化学素子が非水二次電池として構成される場合には、本発明の活性炭の他に必要に応じて、酸化還元能を有する電極活物質が電極に更に含まれていてもよい。電極活物質としては、例えば、電極反応に関与する金属イオン(リチウムイオン)を吸蔵又は放出(インターカレート、又は、ドープ・脱ドープ)することが可能な材料であればよい。
【0075】
また、電気化学素子は、アノード10とカソード20との間にセパレータ40が配置された3層構造のものの他に、電極(アノード10又はカソード20)とセパレータとが交互に積層された5層以上の積層体からなる構成を有していてもよい。
【0076】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の電気化学素子の内容をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【0077】
(実施例1)
以下の手順により、図3に示した電気化学素子(電気化学キャパシタ)と同様の構成を有する電気化学キャパシタを作製した。
【0078】
(1)電極の作製
アノード(分極性電極)及びカソード(分極性電極)となる電極は以下の手順により作製した。繊維状の活性炭(比表面積:2000m/g、アスペクト比:2、繊維平均長:15μm、密度:0.7g/cm)と、バインダー{フッ素系樹脂、デュポン社製、商品名:「Viton−GF」}と、導電助剤(アセチレンブラック、電気化学工業社製、商品名:「DENKABLACK」)とを、これらの質量比が炭素材料:バインダー:導電助剤=80:10:10となるように配合し、これを溶媒であるNMP(N−メチルピロリドン)中に投入して混練することにより、電極形成用の塗布液(以下、「塗布液L1」という)を調製した。
【0079】
なお、上記アスペクト比は以下の方法で測定した。すなわち、アスペクト比は、粒度分布測定から求めており、繊維状活性炭の繊維平均長と平均繊維径によりアスペクト比を求めた。尚、平均繊維径は顕微鏡による実測である。また、上記繊維平均長は、繊維状活性炭をエタノール溶液中に分散させ、粒度分布測定器(HORIBA LA920)にて測定をして求めた。
【0080】
次に、この塗布液L1をアルミニウム箔からなる集電体(厚さ:50μm)の一方の面上に均一に塗布した。その後、乾燥処理により、塗膜からNMPを除去し、更に圧延ロールを用いて集電体と乾燥後の塗膜とからなる積層体をプレスし、アルミニウム箔からなる集電体(厚さ:50μm)の一方の面上に電子伝導性の多孔体層(厚さ:0.120mm)が形成された電極(以下、「電極E1」という)を作製した。
【0081】
次に、この電極E1を矩形(大きさ:17.5mm×32.3mm)状を呈するように切断し、更に、150℃〜175℃の温度で真空乾燥を12時間以上行うことにより、電子伝導性の多孔体層の表面に吸着した水分を除去し、実施例1の電気化学キャパシタに搭載する電極(アノード及びカソード)を作製した。
【0082】
(2)電気化学キャパシタの作製
先ず、作製したアノード及びカソードの電子伝導性の多孔体層の形成されていない側の集電体の面の外縁部にアルミニウム箔からなるタブ部(幅4mm、長さ3mm)を、集電体にタブ部が電気的に接続された状態で配設した。また、アノード及びカソードの各タブ部に、アルミニウムリボン(幅3mm、長さ20mm)からなるリードをそれぞれ超音波溶接により電気的に接続した。次に、アノード及びカソードを互いに対向させ、その間に再生セルロース不織布からなるセパレータ(18.0mm×33.5mm、厚さ:0.05mm、ニッポン高度紙工業製、商品名:「TF4050」)を配置し、アノード、セパレータ及びカソードがこの順で接触した状態(非接合の状態)で積層された積層体(素体)を形成した。
【0083】
次に、タブ部にシーラント材を熱圧着した。次に、上記積層体(素体)を可とう性を有する複合包装フィルムから形成されたケース中へ入れ、タブ部同士をヒートシールした。可とう性を有する複合包装フィルムとしては、電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層(変性ポリプロピレンからなる層)、アルミニウム箔からなる金属層、ポリアミドからなる層がこの順で順次積層された積層体を使用した。そして、この複合包装フィルムを2枚重ね合せてその縁部をヒートシールして作製した。
【0084】
上記ケース内へ電解質溶液(1.2mol/Lの四フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム塩のプロピレンカーボネート溶液)を注入した後、真空シールすることにより電気化学キャパシタ(電気二重層キャパシタ)の作製を完了した。
【0085】
(実施例2)
先ず、実施例1の電極の作製の際に用いた繊維状の活性炭を、比表面積が2000m/g、アスペクト比が4、繊維平均長が30μm、密度が0.7g/cmの繊維状の活性炭としたこと以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。次に、その電極を用いて実施例1と同様にして電気化学キャパシタの作製した。
【0086】
(実施例3)
先ず、実施例1の電極の作製の際に用いた繊維状の活性炭を、比表面積が2000m/g、アスペクト比が8、繊維平均長が70μm、密度が0.7g/cmの繊維状の活性炭としたこと以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。次に、その電極を用いて実施例1と同様にして電気化学キャパシタの作製した。
【0087】
(比較例1)
先ず、実施例1の電極の作製の際に用いた繊維状の活性炭を、比表面積が2000m/g、アスペクト比が10、繊維平均長が110μm、密度が0.7g/cmの繊維状の活性炭としたこと以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。次に、その電極を用いて実施例1と同様にして電気化学キャパシタの作製した。
【0088】
(比較例2)
先ず、実施例1の電極の作製の際に用いた繊維状の活性炭を、比表面積が2000m/g、アスペクト比が15、繊維平均長が180μm、密度が0.7g/cmの繊維状の活性炭としたこと以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。次に、その電極を用いて実施例1と同様にして電気化学キャパシタの作製した。
【0089】
(比較例3)
先ず、実施例1の電極の作製の際に用いた繊維状の活性炭を、比表面積が2000m/g、アスペクト比が1、平均粒径が6μm、密度が0.7g/cmの球状の活性炭としたこと以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。次に、その電極を用いて実施例1と同様にして電気化学キャパシタの作製した。
【0090】
[電気二重層キャパシタの特性評価試験]
実施例1〜3及び比較例1〜3の各電気化学キャパシタについて以下の諸特性を測定した。
【0091】
充放電の測定は、充放電試験装置(北斗電工(株)製、HJ−101SM6)を使用した。先ず、0.5Cの定電流充電を行い、電気二重層キャパシタに電荷が蓄積していくに従って電圧が上昇するのをモニタし、電位が2.5Vに達したのち、定電圧充電(緩和充電)に移行し、電流が充電電流の1/10になった時に充電を終了させた。そして、放電も0.5Cの定電流放電を行い終止電圧を0Vとした。この試験後、1Cの電流で充電を行い、電位が2.5Vに達した後、定電圧充電に移行し、電流が充電電流の1/10になったときに充電を終了させた。そして、放電も1Cの定電流放電を行い終止電圧を0Vとした。再び充電を開始させ、これを10回繰り返した。
【0092】
キャパシタ容量(電気化学キャパシタのセルの静電容量)は次のようにして求めた。すなわち、放電曲線(放電電圧−放電時間)から放電エネルギー(放電電圧×電流の時間積分として合計放電エネルギー[W・s]を求め、キャパシタ容量[F]=2×合計放電エネルギー[W・s]/(放電開始電圧[V])の関係式を用いて評価セルのキャパシタ容量[F]を求めた。
【0093】
次に、各電気化学キャパシタの内部抵抗(インピーダンス)は以下の方法で求めた。すなわち、測定環境温度25℃、相対湿度60%において、Solartron(東陽テクニカ社製,商品名)を用いて測定した1KHzの周波数における値を示した。
【0094】
「レート特性」(C2/C1)は以下の定義に基づいて算出した。すなわち、「C1」ととは、キャパシタ容量がαFである電気化学キャパシタを、放電電流値:α×10−3Aで放電させた場合の静電容量を示す。また、「C2」とは、上記C1を測定した同一の電気化学キャパシタ(キャパシタ容量がαFである電気化学キャパシタ)を、放電電流値:100×α×10−3Aで放電させた場合の静電容量を示す。そして、「レート特性」は、上記C2をC1で除した値(C2/C1)を示す。この「レート特性」の値が大きな電気化学キャパシタは、優れた充放電特性を有していると評価することができる。例えば、実施例1の電気化学キャパシタでは、α=1.8Fであるので、C1は1.8mAの電流値で放電した際に測定される静電容量となり、C2は180mAの電流値で放電した際に測定される静電容量となる。
【0095】
表1に、実施例1〜3及び比較例1〜3の各電気化学キャパシタの内部抵抗と、レート特性とを示す。なお、表1における内部抵抗値のうち、「初期」と記載された内部抵抗値は、セルを作製した直後に測定した値を示す。また、表1における内部抵抗値のうち、「120サイクル後の内部抵抗」と記載された内部抵抗値は、1C充放電を120サイクルした後の値を示す。なお、表中の「−」は、電極表面に筋が入ったため、又は、多孔体層形成用塗布液を作製することでできずに電極が作製できなかったため、測定が行えなかったものである。
【0096】
【表1】

Figure 2005026343
【0097】
表1に示した結果から明らかなように、アスペクト比が10以上になると電極表面に筋が入ったり、電極形成用塗布液が作製できなくなることが確認された。また、アスペクト比が1、すなわち、略球状の活性炭の場合は、電気抵抗の著しい増加と、レート特性(充放電特性)が劣化することが確認された。これに対して、実施例1〜3は、内部抵抗が十分に低減されており、優れたレート特性を示すことが確認された。
【0098】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、内部抵抗が十分に低減されており、優れた電極特性を有する電気化学素子電極の作製に有用な、電気化学素子電極用活性炭、それを用いた電気化学素子電極を提供することができる。さらに、本発明の電極を用いることで、内部抵抗が十分に低減されており、優れた充放電特性を示す電気化学素子並びに電気化学キャパシタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気化学素子電極用活性炭を示す模式図である。
【図2】本発明の電極の基本構成の一例を示す模式断面図である。
【図3】本発明の電気化学素子(電気化学キャパシタ)の好適な一実施形態を示す正面図である。
【図4】図3に示す電気化学キャパシタの内部をアノード10の表面の法線方向からみた場合の展開図である。
【図5】図3に示す電気化学キャパシタを図3のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。
【図6】図3に示す電気化学キャパシタを図3のX2−X2線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【図7】図3に示す電気化学キャパシタを図3のY−Y線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【図8】図3に示す電気化学キャパシタのケースの構成材料となるフィルムの基本構成の一例を示す模式断面図である。
【図9】図3に示す電気化学キャパシタのケースの構成材料となるフィルムの基本構成の別の一例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
100…電気化学素子電極用活性炭、10…電気化学素子電極、1…電気化学素子(電気化学キャパシタ)、10…アノード、12…アノード用リード、14…絶縁体、20…カソード、22…カソード用リード、24…絶縁体、30…電解質溶液、40…セパレータ、50…ケース、60…素体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to activated carbon for an electrochemical element electrode, an electrochemical element electrode using the activated carbon, and an electrochemical element.
[0002]
[Prior art]
Electrochemical elements such as electrochemical capacitors and non-aqueous secondary batteries can be easily reduced in size and weight. For example, backup power supplies for portable devices (small electronic devices), electric vehicles, etc. It is expected as an auxiliary power source for automobiles and hybrid vehicles, and various studies are being made to improve its performance.
[0003]
For example, reduction of the internal resistance of the electrochemical element electrode and improvement of electrode characteristics such as capacitance per unit mass of the electrode and capacitance per unit volume have been studied. In order to reduce the internal resistance (impedance) of the electrode and improve the electrode characteristics, it has been proposed to use substantially spherical activated carbon as a constituent material of the electrode (see, for example, Patent Documents 1 and 2). It has also been proposed to use fine carbon fiber as a constituent material of the electrode (see, for example, Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-180923 A
[Patent Document 2]
JP 2002-231589 A
[Patent Document 3]
JP-A-11-322314
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the electric double layer capacitor using the electrode containing the substantially spherical activated carbon described in Patent Documents 1 and 2 as a constituent material, the internal resistance cannot be sufficiently reduced, and sufficient charge / discharge characteristics are still obtained. I couldn't do it. Moreover, even the conventional lithium ion secondary battery using the electrode containing the fine carbon fiber described in Patent Document 3 as a constituent material is described as a fine carbon fiber that is not activated and is not activated carbon. The actual state of the material is substantially spherical, and it does not have a sufficient specific surface area like activated carbon. Therefore, the internal resistance has not been sufficiently reduced, and sufficient charge / discharge characteristics have not yet been obtained.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and has an internal resistance sufficiently reduced, which is useful for producing an electrochemical element electrode having excellent electrode characteristics. An object is to provide activated carbon, an electrochemical element electrode using the activated carbon, an electrochemical element including the electrode, and an electrochemical capacitor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by using activated carbon having a specific shape as a constituent material of an electrochemical element electrode. Reached.
[0008]
That is, the present invention provides activated carbon for an electrochemical element electrode, which is an activated carbon contained as a constituent material in an electrochemical element electrode and is fibrous and has an aspect ratio of 8 or less. Here, the “aspect ratio” indicates a value (b / a) obtained by dividing the major axis (length) b of the fibrous activated carbon by the minor axis (diameter) a.
[0009]
The electrochemical element electrode containing the activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention as a constituent material has an internal resistance sufficiently reduced, has excellent electrode characteristics, and further includes an electrochemical device equipped with this electrochemical element electrode. The element has a sufficiently reduced internal resistance and can obtain excellent charge / discharge characteristics.
[0010]
The reason why the above effect is obtained by using the activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention is not clear, but the present inventors speculate as follows. That is, in the conventional electrode using substantially spherical activated carbon, the contact between the activated carbons in the electrodes is a point contact, and since the contact area is small, the amount of electricity transmitted between the activated carbons is small, and thus the internal resistance of the electrodes is large. it is conceivable that. In addition, activated carbon expands and contracts due to desorption of electrolyte ions during charge and discharge, and the activated carbon tends to lose contact with each other, which is considered to be one of the causes of high internal resistance.
[0011]
On the other hand, since the activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention is in a fibrous form, the contact between the activated carbons in the electrode is often a line contact, and the contact area is larger than that of the substantially spherical activated carbon. Therefore, it is considered that the amount of electricity transmitted between the activated carbons increases and the internal resistance is sufficiently reduced practically. Furthermore, in the activated carbon for electrochemical element electrodes of the present invention, the entire activated carbon does not easily expand and contract due to desorption of electrolyte ions during charge and discharge, and contact between activated carbons is not easily lost. Accordingly, it is possible to sufficiently reduce the internal resistance of the electrode, and even when used for a long time, the contact area between the activated carbons is constant, so that it is considered that excellent electrode characteristics can be obtained.
[0012]
Further, the activated carbon of the present invention has (1) an aspect ratio of 1.5 or more, (2) a minor axis of activated carbon of 15 μm or less, and (3) a density of activated carbon of 1.2 g / cm. 3 It is preferable that at least one of the following conditions is satisfied. By satisfying the condition (1), the area of the line contact of the activated carbon increases, and the internal resistance of the electrode can be further reduced. In addition, by satisfying the condition (2), it is possible to more easily achieve the thinning of the electrode. Moreover, since it becomes easy to ensure the specific surface area in activated carbon enough by satisfy | filling the conditions of said (3), it becomes possible to further improve an electrode characteristic.
[0013]
The present invention also includes a current collector having electron conductivity, and a porous layer having electron conductivity formed on the current collector, and the porous layer is the electric current of the present invention. An electrochemical element electrode characterized by containing activated carbon for a chemical element electrode is provided. Since the electrode of the present invention contains the activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention, the internal resistance is sufficiently reduced and the electrode characteristics are excellent.
[0014]
In addition, the electrode of the present invention has a plate shape, and the thickness of the porous body layer is preferably 200 μm or less (more preferably 100 μm or less). Such an electrode is useful for reducing the size and weight of an electrochemical element.
[0015]
Furthermore, in the electrode of the present invention, a porous body layer is prepared with a coating liquid for forming a porous body layer containing at least the activated carbon for electrochemical element electrodes, and the coating liquid for forming a porous body layer is applied onto a current collector. It is preferably formed by a process. By using fibrous activated carbon having an aspect ratio of 8 or less and formed by the above-described coating step, it is possible to form a thin electrode without aggregation while reducing internal resistance as described above.
[0016]
The present invention also provides a first electrode and a second electrode facing each other, a separator disposed between the first electrode and the second electrode, an electrolyte solution, a first electrode, a second electrode An electrode, a separator and a case for containing the electrolyte solution in a sealed state, and
Provided is an electrochemical element, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is the electrochemical element electrode of the present invention. Since the electrochemical device of the present invention has the above-described electrochemical device electrode of the present invention, the internal resistance is sufficiently reduced and excellent charge / discharge characteristics are exhibited.
[0017]
In the electrochemical device of the present invention, both the first electrode and the second electrode may be the electrochemical device electrode of the present invention. In this case, the electrochemical element functions as an electrochemical capacitor.
[0018]
Here, in the present invention, the “electrochemical element” means a first electrode and a second electrode facing each other, a separator disposed between the first electrode and the second electrode, and an electrolyte solution. And an element provided with at least. Furthermore, in the present invention, the electrochemical element may have a module configuration in which a plurality of unit cells are arranged in series or in parallel in one case.
[0019]
More specifically, the “electrochemical element” preferably represents a secondary battery or an electrochemical capacitor. The secondary battery is preferably a non-aqueous electrolyte secondary battery using a non-aqueous electrolyte such as a lithium ion secondary battery, a secondary battery using an aqueous electrolyte solution, or the like. Examples of the electrochemical capacitor include an electric double layer capacitor, a pseudo capacitance capacitor, and a redox capacitor.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of an activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention, an electrochemical element electrode using the same, and an electrochemical element will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted.
[0021]
(Activated carbon for electrochemical device electrodes)
FIG. 1 is a schematic diagram of activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention. As shown in FIG. 1, the activated carbon 100 for electrochemical element electrodes of the present invention is fibrous. Further, this activated carbon 100 has an aspect ratio (b / a) of 8 or less (preferably 1.5 to 8, more preferably 2 to 6, and further preferably 2 to 4).
[0022]
When the aspect ratio is more than 8, aggregation flaws are likely to occur in the electrode-forming coating solution used to produce the electrode, making it difficult to produce the electrode (especially thin film). On the other hand, when the ratio is less than 1.5, the contact between the activated carbons becomes close to point contact, and the internal resistance of the electrode tends to be insufficiently reduced.
[0023]
Moreover, it is preferable that the short axis a of the activated carbon 100 of this invention is 15 micrometers or less, It is more preferable that it is 0.1-12 micrometers, It is further more preferable that it is 1-10 micrometers. If the short axis a exceeds 15 μm, it tends to be difficult to make the electrode thin, whereas if it is less than 0.1 μm, it tends to be difficult to produce activated carbon.
[0024]
The density of the activated carbon 100 is 1.2 g / cm. 3 Or less, preferably 0.1 to 1.0 g / cm 3 More preferably, 0.5 to 0.8 g / cm 3 It is more preferable that Such density is 1.2 g / cm 3 Exceeding the above range, the electrode characteristics tend to be insufficient. On the other hand, 0.1 g / cm 3 If it is less than 1, the production of activated carbon tends to be difficult.
[0025]
Moreover, the activated carbon 100 has a specific surface area of 1000 to 3000 m. 2 ・ G -1 It is preferable that it is 1000-2000m 2 ・ G -1 It is preferable that it is 1000-1200m. 2 ・ G -1 It is preferable that Specific surface area is 1000m 2 ・ G -1 If it is less than 1, the electrode characteristics tend to be insufficient, while the specific surface area is 3000 m. 2 ・ G -1 If it exceeds, the electrolyte solution tends to be unstable.
[0026]
As the material of the activated carbon, raw coal (for example, carbonized petroleum coke or resin produced from a delayed coker made from bottom oil of fluid catalytic cracking equipment of petroleum heavy oil or residual oil of vacuum distillation equipment) It is preferable to use as a main component what is obtained by activation treatment (such as phenol resin) or carbonized natural material (for example, coconut shell charcoal).
[0027]
The activated carbon 100 of the present invention first performs an activation treatment by cutting a fibrous material having a short axis a within a predetermined range into a predetermined length. In addition, a cutting | disconnection and activation process can be performed by a well-known method. Next, the activated carbon 100 of the present invention is obtained by further pulverizing the material after the activation treatment using a rotor having a predetermined rotational speed.
[0028]
(Electrochemical element electrode)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the electrochemical device electrode of the present invention. As shown in FIG. 2, the electrochemical device electrode 10 of the present invention comprises a current collector 16 having electron conductivity and a porous layer 18 having electron conductivity formed on the current collector. This porous layer 18 contains activated carbon 100 of the present invention having electron conductivity as a constituent material. Thereby, an electrochemical element provided with the electrode 10 having the porous body layer 18 has sufficiently reduced internal resistance and has excellent charge / discharge characteristics.
[0029]
The current collector 16 is not particularly limited as long as it is a good conductor capable of sufficiently transferring charges to the porous body layer 18, and a current collector used for a known electrochemical element electrode can be used. For example, the current collector 16 may be a metal foil such as aluminum, and the metal foil may be any one that has been etched or rolled, without particular limitation.
[0030]
The thickness of the current collector 16 is preferably 20 to 50 μm and more preferably 20 to 30 μm from the viewpoint of reducing the size and weight of the electrode 10.
[0031]
As long as the porous layer 18 includes the activated carbon 100 of the present invention in its constituent materials, the other structural conditions are not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining the effects of the present invention more reliably, the porous layer 18 The content of the activated carbon 100 of the present invention is preferably 70 to 90% by mass based on the total mass of the porous body layer 18.
[0032]
Moreover, the porous body layer 18 is exhibiting plate shape, The thickness is preferably 200 micrometers or less, More preferably, it is 100 micrometers or less, It is more preferable that it is 20-100 micrometers. If the thickness of the porous layer 18 exceeds 200 μm, it is difficult to reduce the size of the electrode, and streaks or the like are generated during the electrode preparation, which tends to make the electrode preparation difficult. On the other hand, when the thickness is less than 20 μm, unevenness of the surface such as streaks is produced during electrode production, and the electrode production tends to be difficult.
[0033]
Further, the porous body layer 18 may contain a carbon material other than the activated carbon 100 of the present invention, or may contain a constituent material other than the carbon material such as a binder. The type and content thereof are not particularly limited. For example, a conductive auxiliary agent (carbon black or the like) for imparting conductivity to the carbon powder, and a binder (polytetrafluoroethylene, hereinafter referred to as PTFE), for example. And) may be added.
[0034]
The porous body layer 18 is formed on the current collector 16 (undercoat layer when an undercoat layer is provided). And the porous body layer 18 is formed as follows, for example. That is, first, a coating liquid for forming a porous body layer containing at least the activated carbon 100 of the present invention, a binder and a liquid capable of dissolving the binder is prepared, and then this is applied onto the current collector 16 and then the liquid is removed. It is formed by doing. In addition, it is preferable that the porous body layer 18 further contains a conductive additive in order to obtain better electronic conductivity.
[0035]
The electrode 10 of the present invention may be provided with an undercoat layer (not shown). The undercoat layer is a layer disposed between the current collector 16 and the porous multilayer 18, and provides physical and electrical adhesion of each layer (the current collector 16 and the porous body layer 18) in the electrode 10. It is a layer to be applied, and contains at least conductive particles and a binder capable of binding to the conductive particles as a constituent material. The undercoat layer is formed as follows. That is, first, a coating liquid for forming an undercoat layer containing conductive particles, a binder, and a liquid capable of dissolving the binder is prepared. Then, this is applied onto the surface of the current collector 16, and then the liquid is removed. It is formed by doing.
[0036]
(Electrochemical element)
FIG. 3 is a front view showing a preferred embodiment (electrochemical capacitor) of the electrochemical device of the present invention. 4 is a development view when the inside of the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is viewed from the normal direction of the surface of the anode 10. 5 is a schematic cross-sectional view of the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 taken along the line X1-X1 of FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the main part when the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is cut along the line X2-X2 of FIG.
[0037]
As shown in FIGS. 3 to 7, the electrochemical capacitor 1 is mainly composed of a plate-like anode 10 and a plate-like cathode 20 facing each other, and a plate disposed adjacently between the anode 10 and the cathode 20. Separator 40, electrolyte solution 30, case 50 containing these in a sealed state, and one end of the anode 10 is electrically connected to the anode 10, and the other end protrudes outside the case 50. The anode lead 12 and the cathode 20 having one end electrically connected to the cathode 20 and the other end protruding to the outside of the case 50 are configured. Here, the “anode” 10 and the “cathode” 20 are determined based on the polarity when the electrochemical capacitor 1 is discharged. Note that the electrochemical element electrode 10 of the present invention shown in FIG. 2 is applied to the anode 10 and the cathode 20.
[0038]
And the electrochemical capacitor 1 has the structure demonstrated below, in order to achieve the objective of this invention described previously.
[0039]
Details of each component of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
[0040]
The case 50 has a first film 51 and a second film 52 that face each other. Here, as shown in FIG. 4, the first film 51 and the second film 52 in this embodiment are connected. That is, the case 50 in the present embodiment is formed by bending a rectangular film 53 made of a single composite packaging film along a fold line X3-X3 shown in FIG. 4 and a pair of edges of the rectangular film facing each other. (The edge part 51B of the 1st film 51 and the edge part 52B of the 2nd film in a figure) are overlapped, and it forms by using an adhesive agent or performing heat sealing.
[0041]
And the 1st film 51 and the 2nd film 52 show the part of this film which has the mutually opposing surface (F51 and F52) which is formed when one rectangular film is bent as mentioned above, respectively. . Here, in this specification, each edge part of the 1st film 51 after bonding and the 2nd film 52 is called "seal part."
[0042]
Thereby, since it becomes unnecessary to provide the seal part for joining the 1st film 51 and the 2nd film 52 in the part of bending line X3-X3, the seal part in case 50 can be reduced more. As a result, the energy density per unit volume of the installation space in which the electrochemical capacitor 1 to be described later is to be installed (hereinafter referred to as “volume energy density based on the volume of the space to be installed”) can be improved. .
[0043]
In the case of this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, one end of each of the anode lead 12 and the cathode lead 22 connected to the anode 10 is connected to the edge portion 51 </ b> B of the first film 51 described above. It arrange | positions so that it may protrude outside from the seal part which joined the edge part 52B seal part of the 2nd film.
[0044]
Furthermore, the film which comprises the 1st film 51 and the 2nd film 52 is a film which has a flexibility. By including a case 50 formed using a flexible film that is lightweight and easy to be thinned, and further, each of the anode 10, the cathode 20, and the separator 40 is formed into a plate shape, The shape of the electrochemical capacitor 1 itself can be a thin film. Since the film is lightweight and easy to thin, the electrochemical capacitor itself can be made into a thin film. Therefore, the original volume energy density can be easily improved, and the volume energy density based on the volume of the space in which the electrochemical capacitor is to be installed can be easily improved.
[0045]
Here, the “volume energy density” of the electrochemical capacitor is originally defined by the ratio of the total output energy to the total volume including the container of the electrochemical capacitor. On the other hand, “volume energy density based on the volume of the space to be installed” means the electrochemical capacitor for the apparent volume determined based on the maximum length, width, and thickness of the electrochemical capacitor. Means the ratio of the total output energy. In fact, when an electrochemical capacitor is mounted on a small electronic device, in addition to improving the original volume energy density described above, improving the volume energy density based on the volume of the space to be installed is This is important from the viewpoint of effectively using the limited space with the dead space sufficiently reduced.
[0046]
This film is not particularly limited as long as it is a flexible film. However, while ensuring sufficient mechanical strength and light weight of the case, moisture and air can enter from the outside of the case to the inside of the case and from the inside of the case to the outside of the case. From the standpoint of effectively preventing the electrolyte component from escaping, the “composite packaging” has at least an innermost layer made of synthetic resin in contact with the electrolyte solution and a metal layer disposed above the innermost layer. A “film” is preferred.
[0047]
Examples of the composite packaging film that can be used as the first film 51 and the second film 52 include a composite packaging film having a configuration shown in FIGS. 8 and 9. The composite packaging film 53 shown in FIG. 8 is disposed on the innermost layer 50a made of synthetic resin that contacts the electrolyte solution on the inner surface F50a, and on the other surface (outer surface) of the innermost layer 50a. It has the metal layer 50c. Further, the composite packaging film 54 shown in FIG. 9 has a configuration in which an outermost layer 50b made of synthetic resin is further arranged on the outer surface of the metal layer 50c of the composite packaging film 53 shown in FIG.
[0048]
The composite packaging film that can be used as the first film 51 and the second film 52 includes two or more layers including one or more synthetic resin layers including the innermost layer described above and a metal layer such as a metal foil. Although it will not specifically limit if it is the composite packaging material which has a layer, From the viewpoint of obtaining the same effect as the above more reliably, like the composite packaging film 54 shown in FIG. A synthetic resin outermost layer 50b disposed on the outer surface side of the case 50 farthest from the layer, and at least one metal layer 50c disposed between the innermost layer and the outermost layer. More preferably, it is composed of three or more layers.
[0049]
The innermost layer is a layer having flexibility, and the constituent material can express the above-mentioned flexibility, and chemical stability (chemical reaction, dissolution, It is not particularly limited as long as it is a synthetic resin having a characteristic that does not cause swelling) and chemical stability to oxygen and water (water in the air), but oxygen, water (water in the air) and electrolyte Materials having low permeability to the components of the solution are preferred. Examples thereof include thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyethylene acid modified product, polypropylene acid modified product, polyethylene ionomer, and polypropylene ionomer.
[0050]
Further, when a synthetic resin layer such as the outermost layer 50b is further provided in addition to the innermost layer 50a as in the composite packaging film 54 shown in FIG. 9 described above, this synthetic resin layer Alternatively, the same constituent material as the innermost layer may be used. Further, as the synthetic resin layer, for example, a layer made of engineering plastic such as polyethylene terephthalate (PET) or polyamide (nylon) may be used.
[0051]
Moreover, the sealing method of all the sealing parts in the case 50 is not particularly limited, but the heat sealing method is preferable from the viewpoint of productivity.
[0052]
The metal layer is preferably a layer formed of a metal material having corrosion resistance against oxygen, water (water in the air) and an electrolyte solution. For example, a metal foil made of aluminum, aluminum alloy, titanium, chromium, or the like may be used.
[0053]
Next, the anode 10 and the cathode 20 will be described. As the anode 10 and the cathode 20 in the electrochemical capacitor of this embodiment, the above-described electrochemical element electrode 10 of the present invention shown in FIG. 2 is applied.
[0054]
The electrochemical device of the present invention may be such that at least one of the anode 10 and the cathode 20 is the electrochemical device electrode 10 of the present invention. For example, a porous layer is formed on one surface of the current collector. A conventionally known electrode having the structure described above may be used as the anode or the cathode. However, from the viewpoint of further reducing the size and weight while maintaining sufficient electrode characteristics, it is preferable that both the anode and the cathode are the electrochemical element electrodes 10 of the present invention as shown in the present embodiment. .
[0055]
The separator 40 disposed between the anode 10 and the cathode 20 is not particularly limited as long as it is formed of an insulating porous body, and a separator used in a known electrochemical capacitor can be used. For example, as the insulating porous body, at least one constituent material selected from the group consisting of a laminate of films made of polyethylene, polypropylene or polyolefin, a stretched film of a mixture of the above resins, or cellulose, polyester and polypropylene The fiber nonwoven fabric which consists of is mentioned.
[0056]
However, from the viewpoint of ensuring a sufficient contact interface with the electrolyte solution, the void volume Z of the porous body layer 18 is preferably 50 to 75 μL and more preferably 60 to 70 μL when the porous body layer volume is 100 μL. preferable. The method for obtaining the void volume Z is not particularly limited, and can be obtained by a known method.
[0057]
The current collector 28 of the cathode 20 is electrically connected to one end of a cathode lead 22 made of, for example, aluminum, and the other end of the cathode lead 22 extends to the outside of the case 50. On the other hand, the current collector 18 of the anode 10 is also electrically connected to one end of an anode lead 12 made of, for example, aluminum, and the other end of the anode lead 12 extends to the outside of the encapsulating bag 14.
[0058]
The electrolyte solution 30 is filled in the internal space of the case 50, and a part of the electrolyte solution 30 is contained in the anode 10, the cathode 20, and the separator 40.
[0059]
The electrolyte solution 30 is not particularly limited, and an electrolyte solution (electrolyte aqueous solution, electrolyte solution using an organic solvent) used in a known electrochemical capacitor can be used. However, the electrolyte aqueous solution is preferably an electrolyte solution (non-aqueous electrolyte solution) that uses an organic solvent because the electrochemical breakdown voltage is low, which limits the capacitor withstand voltage.
[0060]
Further, the type of the electrolyte solution 30 is not particularly limited, but is generally selected in consideration of the solubility, dissociation degree, and liquid viscosity of the solute, and has a high conductivity and a high potential window (a high decomposition start voltage). The electrolyte solution is desirable. For example, as a typical example, a quaternary ammonium salt such as tetraethylammonium tetrafluoroborate dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate, diethylene carbonate, acetonitrile, γ-butyrolactone, or sulfolane is used. In this case, it is necessary to strictly manage the moisture content.
[0061]
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the portion of the portion of the anode lead 12 that contacts the sealing portion of the encapsulating bag composed of the edge portion 51 </ b> B of the first film 51 and the edge portion 52 </ b> B of the second film An insulator 14 for preventing contact between the anode lead 12 and the metal layer in the composite packaging film constituting each film is coated. Further, the cathode lead 22 and the composite constituting each film are formed on the portion of the cathode lead 22 that comes into contact with the sealing portion of the sealing bag composed of the edge 51B of the first film 51 and the edge 52B of the second film. An insulator 24 for preventing contact with the metal layer in the packaging film is coated.
[0062]
The configurations of the insulator 14 and the insulator 24 are not particularly limited. For example, the insulator 14 and the insulator 24 may be made of a synthetic resin. It should be noted that the insulator 14 and the insulator 24 may not be disposed as long as the metal layer in the composite packaging film can be sufficiently prevented from contacting the anode lead 12 and the cathode lead 22 respectively.
[0063]
Furthermore, from the viewpoint of enabling installation in a limited installation space within a portable small electronic device, the thickness of the laminate composed of the anode 10, the separator 40, and the cathode 20 (the laminate composed of the anode, the separator, and the cathode). The thickness (the thickness of the element body 60) is preferably 0.1 to 0.4 mm, and more preferably 0.1 to 0.3 mm.
[0064]
The electrochemical capacitor 1 has a capacitor capacity of 1 × 10 -3 It is preferably ˜1F, and more preferably 0.01 to 0.10F. Thereby, an electric double layer capacitor having a large capacity while being in the form of a film is obtained. These can be used for IC cards, IC tags, etc. by utilizing their thin characteristics. In addition, applications for toys and portable devices will be expanded.
[0065]
Next, a method for manufacturing the case 50 and the electrochemical capacitor 1 described above will be described.
[0066]
The manufacturing method of the element body 60 (a stacked body in which the anode 10, the separator 40, and the cathode 20 are sequentially stacked in this order) is not particularly limited, and is a known thin film manufacturing technique that is employed for manufacturing a known electrochemical capacitor. Can be used.
[0067]
First, the anode lead 12 and the cathode lead 22 are electrically connected to the anode 10 and the cathode 20, respectively. The separator 40 is disposed between the anode 10 and the cathode 20 (in an unbonded state), and the element body 60 is manufactured.
[0068]
Next, an example of a method for manufacturing the case 50 will be described. First, when the first film and the second film are composed of the composite packaging film described above, a dry lamination method, a wet lamination method, a hot melt lamination method, and an extrusion lamination method are used. It is produced using a known production method such as
[0069]
For example, a film that becomes a synthetic resin layer constituting the composite packaging film, and a metal foil made of aluminum or the like are prepared. The metal foil can be prepared, for example, by rolling a metal material.
[0070]
Next, a composite packaging film (multilayer film) is preferably obtained by laminating a metal foil via an adhesive on a film that becomes a layer made of a synthetic resin so as to have a configuration of a plurality of layers described above. Is made. Then, the composite packaging film is cut into a predetermined size, and one rectangular film 53 is prepared.
[0071]
Next, as described above with reference to FIG. 4, one film 53 is folded, and the element body 60 is placed in the folded film 53 (between the first film 51 and the second film 52). Is inserted. At this time, a part of the lead portion (the anode lead 12 and the cathode lead 22) of the element body 60 is projected from the seal portion 51B and the seal portion 52B to the outside of the case 50. Next, the seal portion 51B (edge portion 51B) of the first film 51 and the seal portion 52B (edge portion 52B) of the second film are made to have a desired seal width under a predetermined heating condition using, for example, a sealing machine. Heat seal. At this time, in order to secure an opening for introducing the electrolyte solution 30 into the case 50, a part where heat sealing is not performed is provided. As a result, the case 50 having an opening is obtained.
[0072]
Then, the electrolyte solution 30 is injected from the opening of the case 50 containing the element body 60. Subsequently, with the anode lead 12 and the cathode lead 22 partially inserted into the case 50, the opening of the case 50 is sealed using a sealing machine. In this way, the production of the case 50 and the electrochemical capacitor 1 is completed.
[0073]
The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the description of the above embodiment, a configuration suitable for the case where the present invention is applied to an electrochemical capacitor (electric double layer capacitor) has been mainly described. However, the electrochemical element of the present invention is limited to an electrochemical capacitor. For example, a non-aqueous secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) and the like, an anode and a cathode facing each other, and a plate-like separator disposed adjacent to each other between the anode and the cathode The present invention can be applied to an electrochemical device having an electrolyte solution and a configuration in which these are accommodated in a case.
[0074]
When the electrochemical device is configured as a non-aqueous secondary battery as described above, an electrode active material having oxidation-reduction ability is further included in the electrode, if necessary, in addition to the activated carbon of the present invention. Also good. The electrode active material may be any material that can occlude or release (intercalate or dope / dedope) metal ions (lithium ions) involved in the electrode reaction, for example.
[0075]
In addition to the three-layer structure in which the separator 40 is disposed between the anode 10 and the cathode 20, the electrochemical element has five or more layers in which electrodes (anode 10 or cathode 20) and separators are alternately stacked. You may have the structure which consists of these laminated bodies.
[0076]
【Example】
Hereinafter, the contents of the electrochemical device of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0077]
(Example 1)
By the following procedure, an electrochemical capacitor having the same configuration as the electrochemical element (electrochemical capacitor) shown in FIG. 3 was produced.
[0078]
(1) Production of electrodes
The electrodes to be the anode (polarizable electrode) and the cathode (polarizable electrode) were prepared by the following procedure. Fibrous activated carbon (specific surface area: 2000 m 2 / G, aspect ratio: 2, fiber average length: 15 μm, density: 0.7 g / cm 3 ), A binder {fluorine resin, manufactured by DuPont, product name: “Viton-GF”}, and a conductive additive (acetylene black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., product name: “DENKABLACK”), and their mass The composition is such that the ratio is carbon material: binder: conducting aid = 80: 10: 10, and this is put into NMP (N-methylpyrrolidone) as a solvent and kneaded to apply for electrode formation. A liquid (hereinafter referred to as “coating liquid L1”) was prepared.
[0079]
The aspect ratio was measured by the following method. That is, the aspect ratio was obtained from the particle size distribution measurement, and the aspect ratio was obtained from the fiber average length and the average fiber diameter of the fibrous activated carbon. The average fiber diameter is actually measured with a microscope. The average fiber length was obtained by dispersing fibrous activated carbon in an ethanol solution and measuring it with a particle size distribution analyzer (HORIBA LA920).
[0080]
Next, this coating liquid L1 was uniformly applied on one surface of a current collector (thickness: 50 μm) made of an aluminum foil. Thereafter, NMP is removed from the coating film by a drying treatment, and a laminate comprising the current collector and the dried coating film is pressed using a rolling roll, and a current collector made of aluminum foil (thickness: 50 μm). ) Was formed on one surface of the electrode conductive layer (thickness: 0.120 mm) (hereinafter referred to as “electrode E1”).
[0081]
Next, the electrode E1 is cut so as to have a rectangular shape (size: 17.5 mm × 32.3 mm), and further vacuum-dried at a temperature of 150 ° C. to 175 ° C. for 12 hours or more to thereby conduct electron conduction. Moisture adsorbed on the surface of the porous layer was removed, and electrodes (anode and cathode) mounted on the electrochemical capacitor of Example 1 were produced.
[0082]
(2) Production of electrochemical capacitor
First, a tab portion (width 4 mm, length 3 mm) made of an aluminum foil is formed on the outer edge of the surface of the current collector on the side of the anode and cathode where the electron conductive porous layer is not formed. The tab portion was disposed in an electrically connected state. Moreover, the lead which consists of an aluminum ribbon (width 3mm, length 20mm) was electrically connected to each tab part of an anode and a cathode, respectively by ultrasonic welding. Next, the anode and the cathode are opposed to each other, and a separator (18.0 mm × 33.5 mm, thickness: 0.05 mm, manufactured by Nippon Kogyo Kogyo Co., Ltd., trade name: “TF4050”) is disposed between them. Then, a laminated body (element body) was formed in which the anode, the separator, and the cathode were laminated in this order (non-bonded state).
[0083]
Next, a sealant material was thermocompression bonded to the tab portion. Next, the laminated body (element body) was put into a case formed of a composite packaging film having flexibility, and the tab portions were heat sealed. As a flexible composite packaging film, the innermost layer made of synthetic resin (a layer made of modified polypropylene) in contact with the electrolyte solution, a metal layer made of aluminum foil, and a layer made of polyamide are sequentially laminated in this order. A laminate was used. And two sheets of this composite packaging film were piled up, and the edge part was heat-sealed and produced.
[0084]
Injecting electrolyte solution (1.2 mol / L propylene carbonate solution of triethylmethylammonium tetrafluoroborate) into the above case, then vacuum-sealing completes the production of an electrochemical capacitor (electric double layer capacitor) did.
[0085]
(Example 2)
First, the fibrous activated carbon used in producing the electrode of Example 1 has a specific surface area of 2000 m. 2 / G, aspect ratio of 4, fiber average length of 30 μm, density of 0.7 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the activated carbon was used. Next, an electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 using the electrode.
[0086]
(Example 3)
First, the fibrous activated carbon used in producing the electrode of Example 1 has a specific surface area of 2000 m. 2 / G, aspect ratio of 8, fiber average length of 70 μm, density of 0.7 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the activated carbon was used. Next, an electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 using the electrode.
[0087]
(Comparative Example 1)
First, the fibrous activated carbon used in producing the electrode of Example 1 has a specific surface area of 2000 m. 2 / G, aspect ratio is 10, fiber average length is 110 μm, density is 0.7 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the activated carbon was used. Next, an electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 using the electrode.
[0088]
(Comparative Example 2)
First, the fibrous activated carbon used in producing the electrode of Example 1 has a specific surface area of 2000 m. 2 / G, aspect ratio is 15, fiber average length is 180 μm, density is 0.7 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the activated carbon was used. Next, an electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 using the electrode.
[0089]
(Comparative Example 3)
First, the fibrous activated carbon used in producing the electrode of Example 1 has a specific surface area of 2000 m. 2 / G, aspect ratio is 1, average particle size is 6 μm, density is 0.7 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that the spherical activated carbon was used. Next, an electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 using the electrode.
[0090]
[Characteristic evaluation test of electric double layer capacitor]
The following various characteristics were measured about each electrochemical capacitor of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3.
[0091]
For the measurement of charge / discharge, a charge / discharge test apparatus (HJ-101SM6, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) was used. First, a constant current charge of 0.5 C is performed, and the voltage rise is monitored as the electric charge is accumulated in the electric double layer capacitor. After the potential reaches 2.5 V, the constant voltage charge (relaxation charge) is performed. The charging was terminated when the current became 1/10 of the charging current. The discharge was also a constant current discharge of 0.5 C, and the final voltage was set to 0V. After this test, the battery was charged with a current of 1 C. After the potential reached 2.5 V, the charging was switched to constant voltage charging, and the charging was terminated when the current became 1/10 of the charging current. The discharge was also a constant current discharge of 1 C, and the final voltage was set to 0V. Charging was started again and this was repeated 10 times.
[0092]
The capacitor capacity (electrostatic capacitor cell capacitance) was determined as follows. That is, the discharge energy (discharge voltage × current time integral of the discharge energy (W · s) is obtained from the discharge curve (discharge voltage−discharge time), and the capacitor capacity [F] = 2 × total discharge energy [W · s]. / (Discharge start voltage [V]) 2 The capacitor capacity [F] of the evaluation cell was obtained using the following relational expression.
[0093]
Next, the internal resistance (impedance) of each electrochemical capacitor was determined by the following method. That is, a value at a frequency of 1 KHz measured using Solartron (trade name, manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) at a measurement environment temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 60% is shown.
[0094]
The “rate characteristic” (C2 / C1) was calculated based on the following definition. That is, “C1” refers to an electrochemical capacitor having a capacitance of αF, a discharge current value: α × 10 -3 The electrostatic capacity when discharged with A is shown. In addition, “C2” means that the same electrochemical capacitor (electrochemical capacitor whose capacitor capacity is αF) from which C1 is measured is a discharge current value: 100 × α × 10 -3 The electrostatic capacity when discharged with A is shown. The “rate characteristic” indicates a value (C2 / C1) obtained by dividing C2 by C1. An electrochemical capacitor having a large “rate characteristic” value can be evaluated as having excellent charge / discharge characteristics. For example, in the electrochemical capacitor of Example 1, since α = 1.8F, C1 is a capacitance measured when discharged at a current value of 1.8 mA, and C2 is discharged at a current value of 180 mA. It becomes the electrostatic capacity measured at the time.
[0095]
Table 1 shows the internal resistance and rate characteristics of the electrochemical capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Note that, among the internal resistance values in Table 1, the internal resistance value described as “initial” indicates a value measured immediately after manufacturing the cell. Moreover, among the internal resistance values in Table 1, the internal resistance value described as “internal resistance after 120 cycles” indicates a value after 120 cycles of 1C charge / discharge. In addition, “−” in the table indicates that the measurement was not possible because the surface of the electrode was streaked or the electrode could not be prepared without preparing the coating liquid for forming the porous layer. .
[0096]
[Table 1]
Figure 2005026343
[0097]
As is clear from the results shown in Table 1, it was confirmed that when the aspect ratio was 10 or more, streaks entered the electrode surface or the electrode forming coating solution could not be produced. It was also confirmed that when the aspect ratio was 1, that is, substantially spherical activated carbon, the electrical resistance was remarkably increased and the rate characteristics (charge / discharge characteristics) deteriorated. On the other hand, in Examples 1 to 3, it was confirmed that the internal resistance was sufficiently reduced and excellent rate characteristics were exhibited.
[0098]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the internal resistance is sufficiently reduced, and the activated carbon for an electrochemical element electrode useful for the production of an electrochemical element electrode having excellent electrode characteristics, and the electric power using the same A chemical element electrode can be provided. Furthermore, by using the electrode of the present invention, the internal resistance is sufficiently reduced, and an electrochemical element and an electrochemical capacitor exhibiting excellent charge / discharge characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing activated carbon for an electrochemical element electrode of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of an electrode of the present invention.
FIG. 3 is a front view showing a preferred embodiment of the electrochemical element (electrochemical capacitor) of the present invention.
4 is a development view when the inside of the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is viewed from the normal direction of the surface of the anode 10. FIG.
5 is a schematic cross-sectional view when the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is cut along line X1-X1 in FIG. 3;
6 is a schematic cross-sectional view showing the main part when the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is cut along the line X2-X2 of FIG. 3;
7 is a schematic cross-sectional view showing the main part when the electrochemical capacitor shown in FIG. 3 is cut along the YY line of FIG. 3;
8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a film that is a constituent material of the case of the electrochemical capacitor shown in FIG. 3. FIG.
9 is a schematic cross-sectional view showing another example of the basic structure of a film that is a constituent material of the case of the electrochemical capacitor shown in FIG. 3. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Activated carbon for electrochemical element electrodes, 10 ... Electrochemical element electrode, 1 ... Electrochemical element (electrochemical capacitor), 10 ... Anode, 12 ... Lead for anode, 14 ... Insulator, 20 ... Cathode, 22 ... For cathode Lead, 24 ... insulator, 30 ... electrolyte solution, 40 ... separator, 50 ... case, 60 ... element body.

Claims (9)

電気化学素子電極に構成材料として含まれる活性炭であって、繊維状で且つアスペクト比が8以下であることを特徴とする電気化学素子電極用活性炭。An activated carbon contained in an electrochemical element electrode as a constituent material, which is fibrous and has an aspect ratio of 8 or less. 前記アスペクト比が1.5以上であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子電極用活性炭。The activated carbon for an electrochemical element electrode according to claim 1, wherein the aspect ratio is 1.5 or more. 前記活性炭の短径が15μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学素子電極用活性炭。The activated carbon for an electrochemical element electrode according to claim 1 or 2, wherein the activated carbon has a minor axis of 15 µm or less. 前記活性炭の密度が1.2g/cm以下であることを特徴とする請求項1〜3のうちの何れか一項に記載の電気化学素子電極用活性炭。The activated carbon for an electrochemical element electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the activated carbon has a density of 1.2 g / cm 3 or less. 電子伝導性を有する集電体と、該集電体上に形成された電子伝導性を有する多孔体層と、を有しており、
前記多孔体層が請求項1〜4のうちの何れか一項に記載の電気化学素子電極用活性炭を含有することを特徴とする電気化学素子電極。
A current collector having electron conductivity, and a porous layer having electron conductivity formed on the current collector,
The said porous body layer contains the activated carbon for electrochemical element electrodes as described in any one of Claims 1-4, The electrochemical element electrode characterized by the above-mentioned.
前記多孔体層が、請求項1〜4のうちの何れか一項に記載の電気化学素子電極用活性炭を少なくとも含有する多孔体層形成用塗布液を調製し、該多孔体層形成用塗布液を前記集電体上に塗布する工程により形成されていることを特徴とする請求項5に記載の電気化学素子電極。The said porous body layer prepares the coating liquid for porous body layer formation containing the activated carbon for electrochemical element electrodes as described in any one of Claims 1-4, This coating liquid for porous body layer formation The electrochemical device electrode according to claim 5, wherein the electrochemical device electrode is formed by a step of coating the current collector on the current collector. 板状の形状を呈しており、前記多孔体層の厚さが200μm以下であることを特徴とする請求項5又は6に記載の電気化学素子電極。The electrochemical element electrode according to claim 5 or 6, wherein the electrochemical element electrode has a plate shape, and the thickness of the porous layer is 200 µm or less. 互いに対向する第1の電極及び第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置されるセパレータと、
電解質溶液と、
前記第1の電極、前記第2の電極、前記セパレータ及び前記電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、
を有しており、
前記第1の電極及び前記第2の電極のうちの少なくとも一方が、請求項5〜7のうちの何れか一項に記載の電気化学素子電極であることを特徴とする電気化学素子。
A first electrode and a second electrode facing each other;
A separator disposed between the first electrode and the second electrode;
An electrolyte solution;
A case for containing the first electrode, the second electrode, the separator, and the electrolyte solution in a sealed state;
Have
The electrochemical element according to claim 5, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is the electrochemical element electrode according to claim 5.
前記第1の電極及び前記第2の電極の両方が、請求項5〜7のうちの何れか一項に記載の電気化学素子電極であることを特徴とする請求項8に記載の電気化学素子。The electrochemical element according to claim 8, wherein both the first electrode and the second electrode are electrochemical element electrodes according to claim 5. .
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