JP2005158882A - Electrochemical capacitor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical capacitor having a sufficient capacity. <P>SOLUTION: The electrochemical capacitor comprises an anode 10, a cathode 20 and a nonaqueous electrolyte solution 30 contained in a case 50. The anode 10 contains a first conductive polymer and/or a first carbon material as an anode active substance. The cathode 20 contains a second carbon material coated with a second conductive polymer having at least a molecular structure including a repetition unit based on a monomer represented by a formula (I) as a cathode active substance. The oxidation reduction potential E1 [V] of the anode active substance and the oxidation reduction potential E2 [V] of the cathode active substance satisfy conditions of expression (1); 0.20≤(E2-E1)≤3.60. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電気化学キャパシタに関する。   The present invention relates to an electrochemical capacitor.

電気二重層キャパシタをはじめとする電気化学キャパシタは、分極性電極の電極/電解質溶液界面に生ずる電気二重層に起因する容量を利用するものである。電気化学キャパシタは、大電流放電特性およびサイクル特性に優れるものであり、容易に小型化、軽量化が可能である。しかし、電気化学キャパシタの容量はリチウムイオン二次電池等の電池の容量の数十分の一程度であり、電気化学キャパシタには更なる高容量化が求められている。   Electrochemical capacitors, such as electric double layer capacitors, utilize the capacitance resulting from the electric double layer generated at the electrode / electrolyte solution interface of the polarizable electrode. The electrochemical capacitor has excellent large current discharge characteristics and cycle characteristics, and can be easily reduced in size and weight. However, the capacity of the electrochemical capacitor is about one tenth of the capacity of a battery such as a lithium ion secondary battery, and the electrochemical capacitor is required to have a higher capacity.

電気二重層キャパシタの高容量化のために、例えば、特許文献1では、活性炭と導電性ポリマーとを複合化したものを含む電極を用いることが提案されている。
特開2002−25868号公報
In order to increase the capacity of an electric double layer capacitor, for example, Patent Document 1 proposes to use an electrode including a composite of activated carbon and a conductive polymer.
JP 2002-25868 A

しかしながら、上記特許文献1の電気二重層キャパシタでは、電解質溶液として電位窓の狭い硫酸水溶液を用いており、十分な容量を得ることができていなかった。例えば、電位窓の広い非水電解質溶液を用いることにより更に高容量化を図ることができる可能性があるが、上記特許文献1の電気二重層キャパシタは、カソードを構成する導電性ポリマーとして有機溶媒に溶けやすいポリアニリンを使用している。そのため、このカソードを用いて非水電解質溶液の電気二重層キャパシタを構成することは困難であった。   However, the electric double layer capacitor disclosed in Patent Document 1 uses a sulfuric acid aqueous solution having a narrow potential window as an electrolyte solution, and a sufficient capacity cannot be obtained. For example, there is a possibility that the capacity can be further increased by using a non-aqueous electrolyte solution having a wide potential window. However, the electric double layer capacitor disclosed in Patent Document 1 uses an organic solvent as a conductive polymer constituting the cathode. Uses polyaniline, which is easy to dissolve. Therefore, it has been difficult to construct an electric double layer capacitor of a nonaqueous electrolyte solution using this cathode.

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、十分な容量を有する電気化学キャパシタを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide an electrochemical capacitor having a sufficient capacity.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、電解質溶液として非水電解質溶液を使用し、特定の導電性ポリマーで被覆された炭素材料をカソード活物質として使用することが電気化学キャパシタの高容量化に有効であることを見出した。さらに、アノード活物質となる炭素材料および導電性ポリマーの酸化還元電位を特定の方法で測定して、かかる酸化還元電位がカソード活物質の酸化還元電位に対して特定条件を満たすような材料をアノード活物質として選択することで上記目的が達成されることを見出し、本発明に到達した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used a non-aqueous electrolyte solution as an electrolyte solution and a carbon material coated with a specific conductive polymer as a cathode active material. It was found that it is effective for increasing the capacity of electrochemical capacitors. Further, the redox potential of the carbon material and the conductive polymer as the anode active material is measured by a specific method, and a material in which the redox potential satisfies a specific condition with respect to the redox potential of the cathode active material is anode-treated. The inventors have found that the object can be achieved by selecting the active material, and have reached the present invention.

すなわち、本発明の電気化学キャパシタは、集電体および該集電体上に形成されたアノード活物質含有層を有するアノードと、
集電体および該集電体上に形成されたカソード活物質含有層を有するカソードと、
非水電解質溶液と、
上記アノード、上記カソードおよび上記非水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、
上記アノード活物質含有層が、第一の導電性ポリマーおよび/または第一の炭素材料をアノード活物質として含んでおり、
上記カソード活物質含有層が、下記式(I)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有する、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料をカソード活物質として含んでおり、
上記アノード活物質の酸化還元電位E1[V]と、上記カソード活物質の酸化還元電位E2[V]とが下記式(1)の条件を満たすこと、を特徴とする。
0.20≦(E2−E1)≦3.60 …(1)

Figure 2005158882
[式(I)中、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基およびアルコキシ基からなる群より選ばれる一種を表す。] That is, the electrochemical capacitor of the present invention comprises a current collector and an anode having an anode active material-containing layer formed on the current collector,
A cathode having a current collector and a cathode active material-containing layer formed on the current collector;
A non-aqueous electrolyte solution;
A case for containing the anode, the cathode and the non-aqueous electrolyte solution in a sealed state,
The anode active material-containing layer contains the first conductive polymer and / or the first carbon material as an anode active material,
The cathode active material-containing layer has, as a cathode active material, a second carbon material coated with a second conductive polymer having at least a molecular structure including a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (I) Including
The redox potential E1 [V] of the anode active material and the redox potential E2 [V] of the cathode active material satisfy the condition of the following formula (1).
0.20 ≦ (E2-E1) ≦ 3.60 (1)
Figure 2005158882
[In Formula (I), R 1 and R 2 each independently represent one selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, and an alkoxy group. ]

上記特定の構成を採用することにより、本発明の電気化学キャパシタでは十分な容量を得ることができる。従って、本発明の電気化学キャパシタは、携帯機器等の電源のバックアップ用電源、ハイブリッド車向けの補助電源として好適である。また、本発明の電気化学キャパシタは、アノード活物質およびカソード活物質として非水電解質溶液に溶解し難いものを使用しているので、初期および長期の充放電特性も優れている。   By adopting the above specific configuration, a sufficient capacity can be obtained in the electrochemical capacitor of the present invention. Therefore, the electrochemical capacitor of the present invention is suitable as a backup power source for power sources of portable devices and the like and an auxiliary power source for hybrid vehicles. In addition, since the electrochemical capacitor of the present invention uses an anode active material and a cathode active material that are difficult to dissolve in the non-aqueous electrolyte solution, the initial and long-term charge / discharge characteristics are also excellent.

ここで、本発明における「酸化還元電位」とは、電気化学的測定方法(ポーラログラフィー、サイクリックボルタンメトリー等)に基づく測定により決定される電位である。すなわち、本発明における「酸化還元電位」は、以下の構成を有する電気化学セルを用いて測定される。電気化学セルは、作用極として測定対象となる電極活物質を含有する電極(15mmΦに打ち抜いた電極)と、参照極および対極としてリチウム金属と、電解質溶液としてプロピレンカーボネート溶液(支持塩として1mol・L−1のLiBFを含む)とから構成される。なお、参照極のルギン管の先端は直径1mmであり、参照極と作用極との距離は2mmに調節されている。また、対極の電極面積は、作用極の電極面積に対して十分に大きくなるように調節されている。そして、上記の電気化学セルを、25℃の条件下で4.2〜1.8[V vs. Li/Li]まで放電させた場合の平均放電電圧を測定し、本発明の「酸化還元電位」とする。平均放電電圧は本来の酸化還元電位よりも分極によって卑な値となるが、本発明ではカソードとアノードとの電位差を求めることに主眼を置いており、低い電流密度では平均放電電圧の差をもって、酸化還元電位の差として表すことができる。 Here, the “redox potential” in the present invention is a potential determined by measurement based on an electrochemical measurement method (polarography, cyclic voltammetry, etc.). That is, the “redox potential” in the present invention is measured using an electrochemical cell having the following configuration. The electrochemical cell includes an electrode containing an electrode active material to be measured as a working electrode (electrode punched to 15 mmΦ), lithium metal as a reference electrode and a counter electrode, and a propylene carbonate solution (1 mol·L as a supporting salt) as an electrolyte solution. −1 LiBF 4 ). Note that the tip of the reference electrode Lugin tube has a diameter of 1 mm, and the distance between the reference electrode and the working electrode is adjusted to 2 mm. Further, the electrode area of the counter electrode is adjusted to be sufficiently larger than the electrode area of the working electrode. And said electrochemical cell is 4.2-1.8 [V vs. The average discharge voltage when discharged to Li / Li + ] is measured and is defined as the “redox potential” of the present invention. Although the average discharge voltage is a lower value due to polarization than the original oxidation-reduction potential, the present invention focuses on obtaining the potential difference between the cathode and the anode, and at a low current density, with a difference in the average discharge voltage, It can be expressed as a difference in redox potential.

また、本発明の電気化学キャパシタは、上記式(I)で表されるモノマーが、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−フェニルチオフェンおよび3−メトキシチオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。上記特定のモノマーから得られる第二の導電性ポリマーは酸化還元電位が高い。従って、カソードに上記特定のモノマーから得られる第二の導電性ポリマーを用いることで、電気化学キャパシタの更なる高容量化が達成できる。   In the electrochemical capacitor of the present invention, the monomer represented by the formula (I) is at least selected from the group consisting of thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-phenylthiophene, and 3-methoxythiophene. One type is preferred. The second conductive polymer obtained from the specific monomer has a high redox potential. Therefore, by using the second conductive polymer obtained from the specific monomer for the cathode, it is possible to further increase the capacity of the electrochemical capacitor.

本発明の電気化学キャパシタは、第一の導電性ポリマーが、下記式(II)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造、またはインドール、エチレンジオキシチオフェンおよび3−(4−フルオロフェニル)チオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種に基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有していることが好ましい。

Figure 2005158882
[式(II)中、Rは、水素原子またはアルキル基を示し、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基およびアルコキシ基からなる群より選ばれる一種を表す。] In the electrochemical capacitor of the present invention, the first conductive polymer has a molecular structure containing a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (II), or indole, ethylenedioxythiophene and 3- (4-fluorophenyl) ) It preferably has at least a molecular structure containing a repeating unit based on at least one selected from the group consisting of thiophenes.
Figure 2005158882
[In the formula (II), R 3 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 4 and R 5 each independently represent one kind selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group and an alkoxy group. . ]

上記特定のモノマーから得られる第一の導電性ポリマーは酸化還元電位が低い。従って、アノードに上記特定のモノマーから得られる第一の導電性ポリマーを用いることで、電気化学キャパシタの更なる高容量化が達成できる。   The first conductive polymer obtained from the specific monomer has a low redox potential. Therefore, by using the first conductive polymer obtained from the specific monomer for the anode, it is possible to further increase the capacity of the electrochemical capacitor.

本発明のカソードにおいて、上記第二の導電性ポリマーが、電解重合により上記第二の炭素材料上に形成される。かかる電解重合により、容易に第二の導電性ポリマーで第二の炭素材料を被覆することができる。   In the cathode of the present invention, the second conductive polymer is formed on the second carbon material by electrolytic polymerization. By such electrolytic polymerization, the second carbon material can be easily coated with the second conductive polymer.

また、上記電解重合は、電子伝導性を有する集電体と、該集電体上に形成された、上記第二の炭素材料を含有するカソード活物質含有層と、を有する第二の炭素材料含有電極を作用極とし、上記式(I)で表されるモノマーを含む溶液に上記作用極を浸漬して行われる。   The electrolytic polymerization includes a second carbon material having a current collector having electron conductivity and a cathode active material-containing layer containing the second carbon material formed on the current collector. Using the containing electrode as a working electrode, the working electrode is immersed in a solution containing the monomer represented by the above formula (I).

このようにして行うことにより、電極内部の第二の炭素材料上にも第二の導電性ポリマーの膜を形成することができる。   By carrying out in this way, a second conductive polymer film can be formed also on the second carbon material inside the electrode.

なお、電解重合は、上記作用極(第二の炭素材料含有電極)および上記式(I)で表されるモノマーを含む溶液を用いた電解セルにより行われる。この場合の「電解セル」とは、上記作用極を用いるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、作用極と参照電極を兼ねる対極とから構成されるいわゆる2極系の電解セルでもよく、作用極と、参照電極と、対極とから構成されるいわゆる3極系の電解セルでもよい。何れの電解セルにおいても、作用極を所定時間、定電位保持することにより、作用極の表面を酸化反応が選択的に進行する反応場とし、対極を還元反応が選択的に進行する反応場とすることができる。しかし、参照電極に対する作用極の電位をより精密に制御し所望の酸化反応をより選択的かつ確実に進行させる観点から、3極系の電解セルを用いることが好ましい。   The electrolytic polymerization is performed by an electrolytic cell using a solution containing the monomer represented by the above working electrode (second carbon material-containing electrode) and the above formula (I). The “electrolysis cell” in this case is not particularly limited as long as the working electrode is used. For example, a so-called bipolar electrolytic cell including a working electrode and a counter electrode serving as a reference electrode may be used. It is also possible to use a so-called tripolar electrolytic cell composed of a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode. In any electrolytic cell, by holding the working electrode at a constant potential for a predetermined time, the surface of the working electrode is used as a reaction field where the oxidation reaction proceeds selectively, and the counter electrode is used as a reaction field where the reduction reaction proceeds selectively. can do. However, from the viewpoint of more precisely controlling the potential of the working electrode with respect to the reference electrode and allowing the desired oxidation reaction to proceed more selectively and reliably, it is preferable to use a three-electrode electrolytic cell.

また、電解重合は、上記式(I)で表されるモノマーと、上記第二の炭素材料と、を含む混合溶液を用いて行ってもよい。この電解重合は、上述したような電解セルを用いて行われるが、作用極としては、上記第二の炭素材料含有電極を用いてもよく、白金電極、炭素電極等の通常用いられる電極を用いてもよい。このとき、上記式(I)で表されるモノマーを含む溶液の代わりに、上記混合溶液を用いる。また、通常用いられる電極を用いて電解重合を行った場合には、電極上に形成した第二の導電性ポリマーと第二の炭素材料との複合物を、カソード活物質として使用する。   Moreover, you may perform electrolytic polymerization using the mixed solution containing the monomer represented by the said Formula (I), and said 2nd carbon material. This electrolytic polymerization is performed using the electrolytic cell as described above, but as the working electrode, the second carbon material-containing electrode may be used, and a commonly used electrode such as a platinum electrode or a carbon electrode is used. May be. At this time, the mixed solution is used instead of the solution containing the monomer represented by the formula (I). When electrolytic polymerization is performed using a commonly used electrode, a composite of a second conductive polymer and a second carbon material formed on the electrode is used as the cathode active material.

本発明の電気化学キャパシタは、上記第一の炭素材料および上記第二の炭素材料が、繊維状の活性炭であることが好ましく、繊維状の活性炭のアスペクト比が1.5以上であることが好ましい。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。   In the electrochemical capacitor of the present invention, the first carbon material and the second carbon material are preferably fibrous activated carbon, and the aspect ratio of the fibrous activated carbon is preferably 1.5 or more. . 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.

かかる繊維状の活性炭を用いることで電極の内部抵抗が低減し、優れた充放電特性を示す電気化学キャパシタが得られる。繊維状の活性炭は、電極中で活性炭同士の接触が線接触となることが多く、活性炭同士の接触面積が比較的大きいことから活性炭間で伝わる電気量が増大し、内部抵抗が十分に低減されると考えられる。また、充放電の際には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いが、繊維状の活性炭では接触面積が大きく、活性炭同士の接触を十分に保つことができる。但し、これは活性炭の形状を制限するものではない。   By using such fibrous activated carbon, the internal resistance of the electrode is reduced, and an electrochemical capacitor exhibiting excellent charge / discharge characteristics can be obtained. In the case of fibrous activated carbon, the contact between the activated carbons in the electrodes is often a line contact, and since the contact area between the activated carbons is relatively large, the amount of electricity transmitted between the activated carbons increases and the internal resistance is sufficiently reduced. It is thought. In addition, the activated carbon expands and contracts due to the desorption of electrolyte ions during charge and discharge, and the contact between the activated carbons is easily lost. However, the contact area between the activated carbons is large, and the contact between the activated carbons is sufficiently maintained. Can do. However, this does not limit the shape of the activated carbon.

本発明の電気化学キャパシタにおいて、上記アノードおよび上記カソードは対向して配置されており、上記アノードおよび上記カソードの間には絶縁性の多孔体からなるセパレータが配置されており、上記非水電解質溶液は少なくともその一部が上記アノード、上記カソードおよび上記セパレータの内部に含有されていることが好ましい。   In the electrochemical capacitor of the present invention, the anode and the cathode are arranged to face each other, and a separator made of an insulating porous body is arranged between the anode and the cathode, and the nonaqueous electrolyte solution It is preferable that at least a part thereof is contained in the anode, the cathode and the separator.

また、本発明の電気化学キャパシタにおいて、上記アノード、上記カソードおよび上記セパレータのそれぞれが板状の形状を呈しており、上記ケースが互いに対向する1対の複合包装フィルムを少なくとも用いて形成されており、かつ、上記複合包装フィルムが上記非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と上記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していることが好ましい。   In the electrochemical capacitor of the present invention, each of the anode, the cathode, and the separator has a plate shape, and the case is formed using at least a pair of composite packaging films facing each other. And it is preferable that the said composite packaging film has at least the innermost layer made from a synthetic resin which contacts the said nonaqueous electrolyte solution, and the metal layer arrange | positioned above the said innermost layer.

本発明によれば、十分な容量を有する電気化学キャパシタを提供することが可能となる。かかる電気化学キャパシタは、携帯機器等の電源のバックアップ用電源、ハイブリッド車向けの補助電源として好適である。   According to the present invention, an electrochemical capacitor having a sufficient capacity can be provided. Such an electrochemical capacitor is suitable as a backup power source for a power source of a portable device or the like and an auxiliary power source for a hybrid vehicle.

以下、図面を参照しながら本発明の電気化学キャパシタ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、同一また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。   Hereinafter, preferred embodiments of the electrochemical capacitor of the present invention 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.

図1は本発明の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。また、図2は図1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3は図1に示す電気化学キャパシタを図1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4は図1に示す電気化学キャパシタを図1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。また、図5は図1に示す電気化学キャパシタを図1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。   FIG. 1 is a front view showing a preferred embodiment of the electrochemical capacitor of the present invention. FIG. 2 is a development view when the inside of the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 is viewed from the normal direction of the surface of the anode 10. 3 is a schematic cross-sectional view of the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 taken along the line X1-X1 of FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the main part when the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 is cut along the line X2-X2 of FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the main part when the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 is cut along the line YY of FIG.

図1〜図5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および板状のカソード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、非水電解質溶液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および「カソード」20は説明の便宜上、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。従って、充電時には、「アノード10」が「カソード」となり、「カソード20」が「アノード」となる。   As shown in FIGS. 1 to 5, 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, nonaqueous electrolyte solution 30, case 50 containing these in a sealed state, one end of the anode 10 is electrically connected to the anode 10, and the other end is outside the case 50. The anode lead 12 is protruded, and one end is electrically connected to the cathode 20 and the other end is protruded to the outside of the case 50. Here, for convenience of explanation, the “anode” 10 and the “cathode” 20 are determined based on the polarity at the time of discharging the electrochemical capacitor 1. Accordingly, during charging, “anode 10” becomes “cathode” and “cathode 20” becomes “anode”.

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。   The electrochemical capacitor 1 has a configuration described below in order to achieve the above-described object of the present invention.

以下に図1〜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。   Details of each component of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.

ケース50は、互いに対向する一対のフィルム(第1のフィルム51および第2のフィルム52)を用いて形成されている。ここで、図2に示すように、本実施形態における第1のフィルム51および第2のフィルム52は連結している。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を、図2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および第2のフィルム52の縁部52B)を重ね合せて接着剤を用いるかまたはヒートシールを行うことにより形成されている。   The case 50 is formed by using a pair of films (a first film 51 and a second film 52) that face each other. Here, as shown in FIG. 2, 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 folding a rectangular film made of a single composite packaging film along a fold line X3-X3 shown in FIG. 2 and a pair of edges of the rectangular film facing each other ( The edge 51B of the first film 51 and the edge 52B of the second film 52 in the figure are overlapped to form an adhesive or heat seal.

そして、第1のフィルム51および第2のフィルム52は、1枚の矩形状のフィルム53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および第2のフィルム52のそれぞれの縁部51B,52Bを「シール部」という。   And the 1st film 51 and the 2nd film 52 respectively show the part of this film which has a mutually opposing surface formed when the one rectangular film 53 is bend | folded as mentioned above. Here, in the present specification, the respective edge portions 51B and 52B of the first film 51 and the second film 52 after being joined are referred to as “seal portions”.

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、電気化学キャパシタ1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をより向上させることができる。   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 volume energy density based on the volume of the space in which the electrochemical capacitor 1 is to be installed can be further improved.

そして、本実施形態の場合、図1および図2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およ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と第2のフィルムの縁部52B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。   In the case of this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, one end of each of the anode lead 12 and the cathode lead 22 connected to the anode 10 is the edge portion 51 </ b> B of the first film 51 described above. And the edge portion 52B of the second film are arranged so as to protrude to the outside from the sealed portion.

また、第1のフィルム51および第2のフィルム52を構成するフィルムは先に述べたように、可とう性を有するフィルムである。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。   Moreover, the film which comprises the 1st film 51 and the 2nd film 52 is a film which has flexibility as stated above. 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.

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50の充分な機械的強度と軽量性を確保しつつ、ケース50外部からケース50内部への水分や空気の侵入およびケース50内部からケース50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、非水電解質溶液30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。   The 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 50, moisture and air can enter from the outside of the case 50 into the case 50 and the case 50. From the viewpoint of effectively preventing the electrolyte component from escaping from the inside of the case 50 to the outside, the innermost layer made of synthetic resin that contacts the nonaqueous electrolyte solution 30 and the metal disposed above the innermost layer A “composite packaging film” having at least a layer is preferable.

第1のフィルム51および第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6および図7に示す構成の複合包装フィルムが挙げられる。図6に示す複合包装フィルム53は、その内面F53において非水電解質溶液30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とを有する。また、図7に示す複合包装フィルム54は、図6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。   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. 6 and 7. The composite packaging film 53 shown in FIG. 6 has an innermost layer 50a made of a synthetic resin that contacts the nonaqueous electrolyte solution 30 on the inner surface F53, and the other surface (outer surface) of the innermost layer 50a. And a metal layer 50c to be disposed. Further, the composite packaging film 54 shown in FIG. 7 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.

第1のフィルム51および第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、金属箔等の金属層を備えた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。上記と同様の効果をより確実に得る観点からは、図7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50a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50aと最外部の層50b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。   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. If it is a composite packaging material which has a layer, it will not specifically limit. From the viewpoint of obtaining the same effect as described above more reliably, like the composite packaging film 54 shown in FIG. 7, the innermost layer 50a and the outer surface of the case 50 farthest from the innermost layer 50a. It is composed of three or more layers including an outermost layer 50b made of synthetic resin and at least one metal layer 50c arranged between the innermost layer 50a and the outermost layer 50b. More preferably.

最内部の層50a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、使用される非水電解質溶液30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、酸素および水(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。最内部の層50aとしては、更に酸素、水(空気中の水分)および非水電解質溶液30の成分に対する透過性の低い特性を有している材料を用いることが好ましい。例えば、エンジニアリングプラスチック、並びに、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等が挙げられる。   The innermost layer 50a is a layer having flexibility, and the constituent material thereof can express the above-mentioned flexibility, and the chemical stability (chemical properties) with respect to the non-aqueous electrolyte solution 30 to be used. There is no particular limitation as long as it is a synthetic resin having characteristics that do not cause reaction, dissolution, and swelling) and chemical stability against oxygen and water (water in the air). For the innermost layer 50a, it is preferable to use a material having a low permeability to oxygen, water (water in the air) and the components of the nonaqueous electrolyte solution 30. Examples thereof include engineering plastics and thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyethylene acid modified products, polypropylene acid modified products, polyethylene ionomers, and polypropylene ionomers.

なお、「エンジニアリングプラスチック」とは、機械部品、電気部品、住宅用材等で使用されるような優れた力学特性と耐熱性、耐久性を有しているプラスチックを意味する。例えば、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシテトラメチレンオキシテレフタロイル(ポリブチレンテレフタレート)、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。   The “engineering plastic” means a plastic having excellent mechanical properties, heat resistance, and durability, such as those used in mechanical parts, electrical parts, housing materials, and the like. Examples thereof include polyacetal, polyamide, polycarbonate, polyoxytetramethyleneoxyterephthaloyl (polybutylene terephthalate), polyethylene terephthalate, polyimide, polyphenylene sulfide, and the like.

また、図7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。   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. Constituent materials similar to the innermost layer may be used.

金属層50cとしては、酸素、水(空気中の水分)および非水電解質溶液30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。   The metal layer 50 c is preferably a layer formed of a metal material having corrosion resistance against oxygen, water (water in the air), and the non-aqueous electrolyte solution 30. For example, a metal foil made of aluminum, aluminum alloy, titanium, chromium, or the like may be used.

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。   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.

次に、アノード10およびカソード20について説明する。図8は図1に示す電気化学キャパシタ1のアノードの基本構成の一例を示す模式断面図である。図9は図1に示す電気化学キャパシタ1のカソードの基本構成の一例を示す模式断面図である。   Next, the anode 10 and the cathode 20 will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the anode of the electrochemical capacitor 1 shown in FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the cathode of the electrochemical capacitor 1 shown in FIG.

図8に示すようにアノード10は、電子伝導性を有する集電体16と、該集電体16上に形成された電子伝導性を有するアノード活物質含有層18とを有する。図9に示すようにカソード20は、電子伝導性を有する集電体26と、該集電体26上に形成された電子伝導性を有するカソード活物質含有層28とを有する。なお、集電体16,26と活物質含有層18,28との間には、接着層であるアンダーコート層を設けてもよい。   As shown in FIG. 8, the anode 10 includes a current collector 16 having electron conductivity, and an anode active material-containing layer 18 having electron conductivity formed on the current collector 16. As shown in FIG. 9, the cathode 20 includes a current collector 26 having electron conductivity, and a cathode active material-containing layer 28 having electron conductivity formed on the current collector 26. An undercoat layer that is an adhesive layer may be provided between the current collectors 16 and 26 and the active material containing layers 18 and 28.

本発明において、アノード活物質含有層18は、第一の導電性ポリマーおよび/または電子伝導性を有する第一の炭素材料をアノード活物質として含んでいる。またカソード活物質含有層26は、下記式(I)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有する、第二の導電性ポリマーで被覆された電子伝導性を有する第二の炭素材料をカソード活物質として含んでいる。そして、上記アノード活物質の酸化還元電位E1[V]と上記カソード活物質の酸化還元電位E2[V]とは、下記式(1)の条件を満たす。
0.20≦(E2−E1)≦3.60 …(1)

Figure 2005158882
[上記式(I)中、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基(炭素数1〜5のアルキル基が好ましい)、アリール基(炭素数6〜12のアリール基が好ましい)およびアルコキシ基(炭素数1〜5のアルコキシ基が好ましい)からなる群より選ばれる一種を表す。] In the present invention, the anode active material-containing layer 18 contains a first conductive polymer and / or a first carbon material having electronic conductivity as an anode active material. Further, the cathode active material-containing layer 26 has at least a molecular structure including a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (I), and has a second carbon having an electron conductivity covered with a second conductive polymer. The material is included as a cathode active material. The redox potential E1 [V] of the anode active material and the redox potential E2 [V] of the cathode active material satisfy the condition of the following formula (1).
0.20 ≦ (E2-E1) ≦ 3.60 (1)
Figure 2005158882
[In the above formula (I), R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group (preferably an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms), an aryl group (preferably an aryl group having 6 to 12 carbon atoms). ) And an alkoxy group (preferably an alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms). ]

本発明においては、電解質溶液として非水電解質溶液30を用いており、さらにアノード10およびカソード20を上記特定の構成としている。従って、電気化学キャパシタ1は十分な容量を有している。   In the present invention, the non-aqueous electrolyte solution 30 is used as the electrolyte solution, and the anode 10 and the cathode 20 are configured as described above. Therefore, the electrochemical capacitor 1 has a sufficient capacity.

ここで、酸化還元電位E1と酸化還元電位E2とは、下記式(2)の条件を満たすことがより好ましく、下記式(3)の条件を満たすことがさらに好ましい。
0.20≦(E2−E1)≦1.00 …(2)
0.25≦(E2−E1)≦0.90 …(3)
Here, it is more preferable that the oxidation-reduction potential E1 and the oxidation-reduction potential E2 satisfy the condition of the following expression (2), and it is more preferable that the condition of the following expression (3) is satisfied.
0.20 ≦ (E2-E1) ≦ 1.00 (2)
0.25 ≦ (E2-E1) ≦ 0.90 (3)

酸化還元電位E1と酸化還元電位E2との差ΔEが、0.20V未満であると十分な容量を得ることが困難となり、他方、3.60Vを越えると非水電解質溶液の分解やドープさせるイオンの不足などの不都合が生じやすくなる。   If the difference ΔE between the oxidation-reduction potential E1 and the oxidation-reduction potential E2 is less than 0.20 V, it is difficult to obtain a sufficient capacity. Inconveniences such as lack of are likely to occur.

本発明は電気化学キャパシタに関するものであるが、上記アノードおよびカソードの構成はリチウムイオン二次電池等の二次電池にも適用可能である。二次電池において、上記アノードおよびカソードの構成を採用することで、二次電池の容量を向上させることもできると考えられる。   Although the present invention relates to an electrochemical capacitor, the anode and cathode configurations described above can also be applied to a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. It is considered that the capacity of the secondary battery can be improved by adopting the configuration of the anode and the cathode in the secondary battery.

以下、アノード10について詳述する。集電体16は、アノード活物質含有層18への電荷の移動を充分に行うことができる良導体であ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、銅などの金属箔が挙げられる。集電体16の厚さは、電極10の小型化および軽量化を図る観点から、15〜50μmであることが好ましく、15〜30μmであることがより好ましい。   Hereinafter, the anode 10 will be described in detail. The current collector 16 is not particularly limited as long as it is a good conductor that can sufficiently transfer charges to the anode active material-containing layer 18, and a current collector used in a known electrochemical capacitor should be used. Can do. For example, the current collector 16 may be a metal foil such as aluminum or copper. The thickness of the current collector 16 is preferably 15 to 50 μm, and more preferably 15 to 30 μm, from the viewpoint of reducing the size and weight of the electrode 10.

また、アノード10のアノード活物質含有層18は、主として、アノード活物質と結着剤とを含んで構成される。アノード活物質含有層18には、導電助剤が含まれていてもよい。   Further, the anode active material-containing layer 18 of the anode 10 mainly includes an anode active material and a binder. The anode active material-containing layer 18 may contain a conductive additive.

アノード活物質としては、第一の導電性ポリマーおよび/または電子伝導性を有する第一の炭素材料を含んでおり、第一の導電性ポリマーおよび第一の炭素材料を含むことがより好ましい。ここで、アノード活物質として第一の導電性ポリマーを単独で含む場合には、アノードは集電体16上に第一の導電性ポリマーが直接形成されている構成をとることも可能である。なお、第一の導電性ポリマーおよび第一の炭素材料を含ませる場合には、上述したカソード活物質と同様に第一の導電性ポリマーで被覆された第一の炭素材料の形態として含ませてもよい。   The anode active material includes a first conductive polymer and / or a first carbon material having electronic conductivity, and more preferably includes the first conductive polymer and the first carbon material. Here, when the first conductive polymer is included alone as the anode active material, the anode can be configured such that the first conductive polymer is directly formed on the current collector 16. When the first conductive polymer and the first carbon material are included, the first carbon material covered with the first conductive polymer is included in the same manner as the cathode active material described above. Also good.

第一の導電性ポリマーとしては、非水電解質溶液(特にプロピレンカーボネート溶液)に溶解し難いもので、上記式(1)の条件を満たすものであればよい。例えば、下記式(II)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造、またはインドール、エチレンジオキシチオフェンおよび3−(4−フルオロフェニル)チオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種に基づく繰り返し単位を含む分子構造、を少なくとも有していることが好ましい。なお、n型ドープの導電性ポリマーを用いると、アノード活物質の酸化還元電位とカソード活物質の酸化還元電位との差(E2−E1)が大きくなり、より高容量の電気化学キャパシタを得ることができ、より高電圧、高エネルギー密度のものを得ることができると考えられる。

Figure 2005158882
[式(II)中、Rは、水素原子またはアルキル基(炭素数1〜5のアルキル基が好ましい)を示し、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基(炭素数1〜5のアルキル基が好ましい)、アリール基(炭素数6〜12のアリール基が好ましい)およびアルコキシ基(炭素数1〜5のアルコキシ基が好ましい)からなる群より選ばれる一種を表す。] As a 1st electroconductive polymer, what is hard to melt | dissolve in a nonaqueous electrolyte solution (especially propylene carbonate solution), and should just satisfy | fill the conditions of said Formula (1). For example, a molecular structure containing a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (II), or a repeating unit based on at least one selected from the group consisting of indole, ethylenedioxythiophene and 3- (4-fluorophenyl) thiophene It is preferable to have at least a molecular structure containing When an n-type doped conductive polymer is used, the difference (E2-E1) between the redox potential of the anode active material and the redox potential of the cathode active material is increased, and an electrochemical capacitor having a higher capacity can be obtained. It is considered that a higher voltage and higher energy density can be obtained.
Figure 2005158882
[In Formula (II), R 3 represents a hydrogen atom or an alkyl group (preferably an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms), and R 4 and R 5 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group (carbon number 1 to 5 alkyl groups are preferred), an aryl group (preferably an aryl group having 6 to 12 carbon atoms) and an alkoxy group (preferably an alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms) are selected. ]

また、上記式(II)で表されるモノマーは、ピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール、3−フェニルピロールおよび3−メトキシピロールからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。   The monomer represented by the formula (II) is preferably at least one selected from the group consisting of pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole, 3-phenylpyrrole and 3-methoxypyrrole.

電子伝導性を有する第一の炭素材料としては、活性炭、アセチレンブラックやケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、低温焼成炭素、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素、カーボンナノチューブ等が挙げられる。中でも、活性炭およびカーボンナノチューブが好ましく、繊維状の活性炭がより好ましい。   Examples of the first carbon material having electron conductivity include activated carbon, carbon black such as acetylene black and ketjen black, graphite, low-temperature calcined carbon, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, and carbon nanotube. Among these, activated carbon and carbon nanotubes are preferable, and fibrous activated carbon is more preferable.

活性炭の密度は、0.1〜1.0g/cmであることが好ましく、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1.0g/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。 The density of the activated carbon is preferably 0.1 to 1.0 g / cm 3, more preferably 0.5~0.8g / cm 3. If such a density exceeds 1.0 g / cm 3 , the electrode characteristics tend to be insufficient, and if it is less than 0.1 g / cm 3 , it tends to be difficult to produce activated carbon.

活性炭の比表面積は、1000〜3000m・g−1であることが好ましく、1000〜2000m・g−1であることがより好ましく、1500〜2000m・g−1であることがさらに好ましい。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。 The specific surface area of the activated carbon is preferably 1000~3000m 2 · g -1, more preferably 1000 to 2000 2 · g -1, more preferably a 1500~2000m 2 · g -1. When the specific surface area is less than 1000 m 2 · g −1 , the electrode characteristics tend to be insufficient, and when the specific surface area exceeds 3000 m 2 · g −1 , the electrolyte solution tends to become unstable. .

繊維状の活性炭は、アスペクト比(b/a)が1.5以上(より好ましくは1.5〜8、さらに好ましくは2〜6、特に好ましくは2〜4)であることが好ましい。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)が困難となる傾向がある。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。   The fibrous activated carbon preferably has an aspect ratio (b / a) of 1.5 or more (more preferably 1.5 to 8, more preferably 2 to 6, particularly preferably 2 to 4). 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, and it tends to be difficult to produce the electrode (particularly to make it thinner). 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.

繊維状の活性炭の短径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。   The short axis a of the fibrous activated carbon is preferably 15 μm or less, more preferably 0.1 to 12 μm, and even more preferably 1 to 10 μm. 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.

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また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。   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 heavy oil cracking catalytic cracker 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).

カーボンナノチューブとしては、その直径が100nm以下(好ましくは50nm以下、より好ましくは1〜15nm)のものである。この直径が100nmを超えるカーボンナノチューブは、十分な電気二重層容量を発現しない傾向がある。また、その長さは特に制限されないが、500μm以下である。ここで、カーボンナノチューブとは、グラファイト層を円筒状に丸めた炭素原子からなる物質である。さらに、本実施形態においては、カーボンナノチューブとは、気相成長炭素繊維も含む。   The carbon nanotube has a diameter of 100 nm or less (preferably 50 nm or less, more preferably 1 to 15 nm). Carbon nanotubes having a diameter exceeding 100 nm tend not to exhibit sufficient electric double layer capacity. The length is not particularly limited, but is 500 μm or less. Here, the carbon nanotube is a substance composed of carbon atoms obtained by rounding a graphite layer into a cylindrical shape. Furthermore, in the present embodiment, the carbon nanotube includes vapor grown carbon fiber.

カーボンナノチューブとしては、多層カーボンナノチューブ(MWCNT;multi wall carbon nanotube)でも、単層カーボンナノチューブ(SWCNT;single wall carbon nanotube)でもよい。また、その構造は特に制限されず、アームチェア型、ジグザグ型、または、カイラル型のいずれの構造でもよく、これらの構造が混在したものでもよい。ここで、カーボンナノチューブは電極の導電性を高め、電気二重層容量を増加させるため、体積エネルギー密度の向上につながる。また、導電性ポリマーは、ファラデー的擬似容量を持ち、電極の容量を増加させるため、体積エネルギー密度の向上につながる。   The carbon nanotube may be a multi-wall carbon nanotube (MWCNT) or a single-wall carbon nanotube (SWCNT). The structure is not particularly limited, and may be an armchair type, zigzag type, or chiral type structure, or a mixture of these structures. Here, the carbon nanotubes increase the conductivity of the electrode and increase the electric double layer capacity, leading to an improvement in volume energy density. In addition, the conductive polymer has a Faraday pseudocapacitance and increases the capacity of the electrode, which leads to an improvement in volume energy density.

結着剤は、上記のアノード活物質の粒子を結着可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。結着剤は、箔(集電体16)への結着に対しても寄与している。   The binder is not particularly limited as long as it can bind the anode active material particles. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoro Ethylene copolymer (ETFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF) ) And the like. The binder also contributes to binding to the foil (current collector 16).

導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料および金属微粉の混合物、ITOのような導電性酸化物が挙げられる。   The conductive auxiliary agent is not particularly limited, and a known conductive auxiliary agent can be used. Examples thereof include carbon blacks, carbon materials, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel and iron, a mixture of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO.

アノード活物質含有層10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、10〜100μmであることがより好ましい。アノード活物質含有層10の厚さが、200μmを超えると、電極の小型化が困難となり、また、電極作製の際に筋等が生じ、電極作製が困難となる傾向がある。他方、10μm未満であると、十分な体積エネルギー密度が得られない傾向がある。   The anode active material-containing layer 10 has a plate-like shape, and its thickness is preferably 200 μm or less, and more preferably 10 to 100 μm. If the thickness of the anode active material-containing layer 10 exceeds 200 μm, it is difficult to reduce the size of the electrode, and stripes and the like are generated during the electrode preparation, which tends to make the electrode preparation difficult. On the other hand, when it is less than 10 μm, there is a tendency that sufficient volume energy density cannot be obtained.

次に、カソード20について詳述する。カソード20の集電体26としては、耐食性の不動態皮膜が形成される金属材料を適宜選択して用いることができる。たとえば、アルミニウム箔などが好ましい。   Next, the cathode 20 will be described in detail. As the current collector 26 of the cathode 20, a metal material on which a corrosion-resistant passive film is formed can be appropriately selected and used. For example, aluminum foil is preferable.

カソード20のカソード活物質含有層28は、主として、カソード活物質と、結着剤とから構成されている。カソード活物質含有層28には、導電助剤が含まれていてもよい。   The cathode active material-containing layer 28 of the cathode 20 is mainly composed of a cathode active material and a binder. The cathode active material-containing layer 28 may contain a conductive additive.

カソード活物質含有層28は、上述した第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料をカソード活物質として含んでいればよい。また、上記式(I)で表されるモノマーは、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−フェニルチオフェンおよび3−メトキシチオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。また、第二の炭素材料としては第一の炭素材料と同様のものが挙げられる。また、第一の炭素材料として好ましいものを、第二の炭素材料においても同様に好ましいものとして使用できる。   The cathode active material-containing layer 28 only needs to contain the second carbon material coated with the above-described second conductive polymer as the cathode active material. The monomer represented by the formula (I) is preferably at least one selected from the group consisting of thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-phenylthiophene and 3-methoxythiophene. The second carbon material is the same as the first carbon material. Moreover, what is preferable as a 1st carbon material can be used as a preferable thing similarly in a 2nd carbon material.

第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料とは、第二の炭素材料の一部または全てが第二の導電性ポリマーで覆われたものである。   The second carbon material coated with the second conductive polymer is a material in which part or all of the second carbon material is covered with the second conductive polymer.

カソード活物質含有層28は、カソード活物質として第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料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。本発明の効果をより確実に得る観点から、カソード活物質含有層28中の第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料の含有量は、カソード活物質含有層28の総質量を基準として、3〜90質量%であることが好ましく、10〜80質量%であることがより好ましい。第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料の含有量が、前記下限値未満であると、容量の向上が不十分となる傾向があり、他方、前記上限値を超える場合には、電極を作製する際の塗布液の調製が困難となる傾向がある。   As long as the cathode active material-containing layer 28 includes the second carbon material coated with the second conductive polymer as the cathode active material, the other constituent conditions are not particularly limited. From the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the content of the second carbon material coated with the second conductive polymer in the cathode active material-containing layer 28 is the total mass of the cathode active material-containing layer 28. As a reference, it is preferably 3 to 90% by mass, and more preferably 10 to 80% by mass. When the content of the second carbon material coated with the second conductive polymer is less than the lower limit value, the capacity tends to be insufficiently improved. On the other hand, when the content exceeds the upper limit value, There is a tendency that the preparation of a coating solution for producing an electrode becomes difficult.

第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料は、第二の炭素材料上に電解重合により形成される。この電解重合は、導電性ポリマーの構成材料となる上記式(I)で表されるモノマーと、第二の炭素材料と、を含む混合溶液を用いて行われる。   The second carbon material coated with the second conductive polymer is formed on the second carbon material by electrolytic polymerization. This electrolytic polymerization is performed using a mixed solution containing the monomer represented by the above formula (I), which is a constituent material of the conductive polymer, and the second carbon material.

具体的には、電解重合は、上記混合溶液が入った電解セルを用い、作用極として白金電極、炭素電極等の通常用いられる電極を用い、所定時間、定電位(4.0〜5.0[V vs. Li/Li]程度)保持することで行われる。電解重合の方法は、特に限定されず、定電位電解、定電流電解、電位掃引、電流パルス、電位パルス等から適宜選択される。この場合、電解セルは、2極系でも、3極系でもよい。なお、混合溶液は、上記式(I)で表されるモノマーおよび第二の炭素材料を分散または溶解可能な有機溶媒(プロピレンカーボネート等)、電解質(LiBF等)等の電解重合を行うために必要な成分を含有する。 Specifically, the electrolytic polymerization uses an electrolytic cell containing the above mixed solution, a commonly used electrode such as a platinum electrode or a carbon electrode as a working electrode, and a constant potential (4.0 to 5.0) for a predetermined time. [V vs. Li / Li + ] grade). The method of electrolytic polymerization is not particularly limited, and is appropriately selected from constant potential electrolysis, constant current electrolysis, potential sweep, current pulse, potential pulse and the like. In this case, the electrolytic cell may be a bipolar or tripolar system. The mixed solution is used for electrolytic polymerization of an organic solvent (such as propylene carbonate) or an electrolyte (such as LiBF 4 ) that can disperse or dissolve the monomer represented by the above formula (I) and the second carbon material. Contains necessary ingredients.

この電解重合により、第二の導電性ポリマーと第二の炭素材料との複合物である、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料が作用極表面で析出する。   By this electrolytic polymerization, the second carbon material coated with the second conductive polymer, which is a composite of the second conductive polymer and the second carbon material, is deposited on the surface of the working electrode.

カソード活物質含有層20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、10〜100μmであることがより好ましい。カソード活物質含有層20の厚さが、200μmを超えると、電極の小型化が困難となり、また、電極作製の際に筋等が生じ、電極作製が困難となる傾向がある。他方、10μm未満であると、十分な体積エネルギー密度が得られない傾向がある。   The cathode active material-containing layer 20 has a plate-like shape, and its thickness is preferably 200 μm or less, and more preferably 10 to 100 μm. If the thickness of the cathode active material-containing layer 20 exceeds 200 μm, it is difficult to reduce the size of the electrode, and streaks or the like are generated during the production of the electrode, which tends to make the production of the electrode difficult. On the other hand, when it is less than 10 μm, there is a tendency that sufficient volume energy density cannot be obtained.

また、カソード活物質含有層20には、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料以外の電極活物質、例えば、炭素材料(活性炭がより好ましい)が含まれていてもよく、結着剤等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助剤(アノード10で例示したものと同様のものが挙げられる)と、結着剤(アノード10で例示したものと同様のものが挙げられる)とが添加されていてもよい。   Further, the cathode active material-containing layer 20 may include an electrode active material other than the second carbon material coated with the second conductive polymer, for example, a carbon material (activated carbon is more preferable), Constituent materials such as a binder may be included. The type and content thereof are not particularly limited. For example, a conductive assistant for imparting conductivity to the carbon powder (including those exemplified for the anode 10), binding, and the like. An agent (similar to those exemplified for the anode 10 may be mentioned) may be added.

カソード活物質含有層20は、集電体26(アンダーコート層がある場合は、アンダーコート層)上に例えば以下のようにして形成される。先ず、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料、結着剤および結着剤を溶解可能な液体を少なくとも含むカソード活物質含有層形成用塗布液を調製する。次いで、塗布液を集電体26上に塗布する。そして、液体を除去することで形成される。なお、カソード活物質含有層28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。   The cathode active material-containing layer 20 is formed on the current collector 26 (or the undercoat layer when there is an undercoat layer) as follows, for example. First, a coating liquid for forming a cathode active material-containing layer containing at least a second carbon material coated with a second conductive polymer, a binder, and a liquid capable of dissolving the binder is prepared. Next, the coating liquid is applied onto the current collector 26. And it is formed by removing the liquid. In addition, it is preferable that the cathode active material-containing layer 28 further contains a conductive auxiliary agent in order to obtain better electronic conductivity.

また、カソード活物質含有層形成用塗布液を調製する際には、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料の代わりに、第二の導電性ポリマーで被覆されていない第二の炭素材料、すなわち単なる第二の炭素材料を使用してもよい。   When preparing the coating liquid for forming the cathode active material-containing layer, the second carbon material not coated with the second conductive polymer is used instead of the second carbon material coated with the second conductive polymer. A carbon material, that is, a simple second carbon material may be used.

この場合には、得られる第二の炭素材料含有電極(電子伝導性を有する集電体26と、集電体26上に形成された第二の炭素材料を含有し且つ電子伝導性を有するカソード活物質含有層と、からなる)には、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料が含有されていないことになるが、以下の方法により、炭素材料含有電極中の炭素材料を第二の導電性ポリマーで被覆することができる。   In this case, the obtained second carbon material-containing electrode (the current collector 26 having electron conductivity and the second carbon material formed on the current collector 26 and having the electron conductivity) The active material-containing layer) does not contain the second carbon material coated with the second conductive polymer, but the carbon material in the carbon material-containing electrode is obtained by the following method. Can be coated with a second conductive polymer.

すなわち、炭素材料含有電極を作用極とし、上記式(I)で表されるモノマーを含むモノマー溶液に作用極を浸漬して、上述の方法と同様の方法で電解重合を行う。これにより、電極内部の炭素材料はもとより、電極全体に第二の導電性ポリマーの膜を形成することができる。また、炭素材料含有電極を浸漬する場合には、電極活物質含有層の表面のみを浸漬させてもよく、全体を浸漬させてもよい。なお、モノマー溶液には、上記式(I)で表されるモノマーの他に、上記モノマーを分散または溶解可能な有機溶媒(プロピレンカーボネート等)、電解質(LiBF等)等の電解重合を行うために必要な成分を含有させる。また、モノマー溶液として、上記式(I)で表されるモノマーと第二の炭素材料とを含む混合溶液を用いてもよい。 That is, using the carbon material-containing electrode as a working electrode, the working electrode is immersed in a monomer solution containing the monomer represented by the above formula (I), and electrolytic polymerization is performed by the same method as described above. Thereby, the film | membrane of a 2nd conductive polymer can be formed in the whole electrode as well as the carbon material inside an electrode. Moreover, when immersing a carbon material containing electrode, only the surface of an electrode active material content layer may be immersed, and the whole may be immersed. In addition to the monomer represented by the above formula (I), the monomer solution is subjected to electrolytic polymerization of an organic solvent (such as propylene carbonate) in which the above monomer can be dispersed or dissolved, an electrolyte (such as LiBF 4 ), and the like. Contains necessary ingredients. Further, as the monomer solution, a mixed solution containing the monomer represented by the above formula (I) and the second carbon material may be used.

カソード20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26とカソード活物質含有層28との間に配置される層であって、カソード20における各層の物理的およ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結着剤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、結着剤および該結着剤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26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。   The cathode 20 may be provided with an undercoat layer (not shown). The undercoat layer is a layer disposed between the current collector 26 and the cathode active material-containing layer 28, and is a layer that imparts physical and electrical adhesion of each layer in the cathode 20. The material contains at least conductive particles and a binder capable of binding to the conductive particles. The undercoat layer is formed as follows. That is, first, an undercoat layer-forming coating solution containing conductive particles, a binder, and a liquid capable of dissolving the binder is prepared, and then this is applied onto the surface of the current collector 26. , Formed by removing the liquid.

また、カソード20の集電体26は、例えばアルミニウム、またはタンタル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、例えば銅、アルミニウムまたはニッケル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。   The current collector 26 of the cathode 20 is electrically connected to one end of a cathode lead 22 made of, for example, aluminum or tantalum, 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, copper, aluminum, or nickel, and the other end of the anode lead 12 extends to the outside of the encapsulating bag 14.

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、ポリプロピレンまた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、ポリエステルおよ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一種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。   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, the insulating porous body may be a laminate of films made of polyethylene, polypropylene or polyolefin, a stretched film of a mixture of the above resins, or at least one constituent material selected from the group consisting of cellulose, polyester and polypropylene. The fiber nonwoven fabric which becomes.

非水電解質溶液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非水電解質溶液(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。非水電解質溶液30は、電位窓が大きく、電気化学キャパシタ1の高容量化に寄与する。   The non-aqueous electrolyte solution 30 is not particularly limited, and a non-aqueous electrolyte solution (electrolyte solution using an organic solvent) used in a known electrochemical capacitor can be used. The non-aqueous electrolyte solution 30 has a large potential window and contributes to increasing the capacity of the electrochemical capacitor 1.

非水電解質溶液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る。非水電解質溶液30は、高導電率でかつ高電位窓(分解開始電圧が高い)の大きいものが望ましい。例えば、代表的な例としては、LiBFなどの支持塩を、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。また、支持塩としては、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級アンモニウム塩も使用できる。また、非水電解質溶液30は、ゲル状の溶液としてもよい。なお、この場合、混入水分を厳重に管理する必要がある。 The type of the nonaqueous electrolyte solution 30 is not particularly limited, but is generally selected in consideration of the solubility of the solute, the degree of dissociation, and the viscosity of the solution. The nonaqueous electrolyte solution 30 preferably has a high conductivity and a high potential window (a high decomposition starting voltage). For example, as a typical example, a solution in which a supporting salt such as LiBF 4 is dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate, diethylene carbonate, acetonitrile, γ-butyrolactone, and sulfolane is used. Further, as the supporting salt, a quaternary ammonium salt such as tetraethylammonium tetrafluoroborate can also be used. The non-aqueous electrolyte solution 30 may be a gel solution. In this case, it is necessary to strictly manage the moisture content.

更に、図2および図3に示すように、第1のフィルム51の縁部51Bおよび第2のフィルム52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および第2のフィルム52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。   Further, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the anode lead 12 portion that comes into contact with 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 52 includes 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 each film are formed in the portion of the cathode lead 22 that comes into contact with the sealing portion of the encapsulating bag composed of the edge 51B of the first film 51 and the edge 52B of the second film 52. An insulator 24 for preventing contact with the metal layer in the composite packaging film is coated.

これら絶縁体14および絶縁体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およ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および絶縁体24は配置しない構成としてもよい。   The configurations of the insulator 14 and the insulator 24 are not particularly limited, but may be made of, for example, 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.

本発明によれば、電気化学キャパシタ1を、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として得ることができる。これらは薄い特性を活かし、上述した用途に加え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。   According to the present invention, the electrochemical capacitor 1 can be obtained as an electric double layer capacitor having a large capacity while being in the form of a film. These make use of their thin characteristics and can be used for IC cards, IC tags and the like in addition to the above-described applications. In addition, applications for toys and portable devices will be expanded.

つぎに、上述したケース50および電気化学キャパシタ1の作製方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the case 50 and the electrochemical capacitor 1 described above will be described.

素体60(アノード10、セパレータ40およびカソード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方法を用いることができる。なお、カソード20には、上述した本発明の電極を用いる。   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 a known method employed in manufacturing a known electrochemical capacitor is used. be able to. The cathode 20 uses the above-described electrode of the present invention.

アノード10を作製する場合、先ず、上述した各構成成分を混合し、結着剤が溶解可能な溶媒に分散させ、アノード活物質含有層形成用塗布液(スラリー等)を作製する。溶媒としては、結着剤が溶解可能であり、導電助剤を分散可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、メチルイソブチルケトン、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミドを用いることができる。   When the anode 10 is manufactured, first, the above-described constituent components are mixed and dispersed in a solvent in which the binder can be dissolved to prepare a coating liquid (slurry or the like) for forming an anode active material-containing layer. The solvent is not particularly limited as long as the binder can be dissolved and the conductive additive can be dispersed. For example, methyl isobutyl ketone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethyl Formamide can be used.

次に、上記アノード活物質含有層形成用塗布液を集電体表面上に塗布し、乾燥させ、圧延することにより集電体16上にアノード活物質含有層18を形成し、アノード10の作製を完了する。ここで、アノード活物質含有層形成用塗布液を集電体の表面に塗布する際の手法は特に限定されるものではなく、集電体の材質や形状等に応じて適宜決定すればよい。例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。また、アノード10がアノード活物質として第一の導電性ポリマーで被覆された第一の炭素材料を含有する場合には、カソード20と同様の方法でアノードを作製してもよい。   Next, the anode active material-containing layer forming coating solution is applied onto the current collector surface, dried, and rolled to form the anode active material-containing layer 18 on the current collector 16, thereby producing the anode 10. To complete. Here, the method for applying the anode active material-containing layer forming coating solution to the surface of the current collector is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the material and shape of the current collector. Examples thereof include a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a gravure coating method, and a screen printing method. Moreover, when the anode 10 contains the 1st carbon material coat | covered with the 1st conductive polymer as an anode active material, you may produce an anode by the method similar to the cathode 20. FIG.

作製したアノード10およびカソード20のそれぞれに対して、アノード用リード12およびカソード用リード22をそれぞれ電気的に接続する。そのアノード10とカソード20との間にセパレータ40を接触した状態(非接着状態)で配置し、素体60を完成する。   The anode lead 12 and the cathode lead 22 are electrically connected to the produced anode 10 and cathode 20, respectively. The separator 40 is disposed between the anode 10 and the cathode 20 in a contacted state (non-adhered state), and the element body 60 is completed.

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のフィルムおよび第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、ドライラミネーション法、ウエットラミネーション法、ホットメルトラミネーション法、エクストルージョンラミネ−ション法等の既知の製法を用いて作製する。   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, known production methods such as a dry lamination method, a wet lamination method, a hot melt lamination method, an extrusion lamination method, etc. It is produced using.

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。   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.

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、矩形状のフィルムを1枚用意する。   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 to prepare one rectangular film.

次に、先に図3を参照して説明したように、1枚のフィルムを折り曲げて、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、素体60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。   Next, as described above with reference to FIG. 3, one film is folded, and the seal portion 51B (edge portion 51B) of the first film 51 and the seal portion 52B (edge portion) of the second film 52B) is heat-sealed by a desired seal width under a predetermined heating condition using, for example, a sealing machine. At this time, in order to secure an opening for introducing the element body 60 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.

そして、開口部を有した状態のケース50の内部に、アノード用リード12およびカソード用リード22が電気的に接続された素体60を挿入する。そして、非水電解質溶液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および電気化学キャパシタ1の作製が完了する。なお、本発明の電気化学キャパシタは、このような形状に限定されず適宜選択される。例えば、円筒形等の形状でもよい。また、上述した電気化学キャパシタ1は、電気二重層キャパシタとして特に好適であるが、レドックスキャパシタ、擬似容量キャパシタ、シュードキャパシタ等としても好適である。   Then, an element body 60 in which the anode lead 12 and the cathode lead 22 are electrically connected is inserted into the case 50 having an opening. Then, the nonaqueous electrolyte solution 30 is injected. 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. In addition, the electrochemical capacitor of this invention is not limited to such a shape, It selects suitably. For example, a cylindrical shape or the like may be used. The electrochemical capacitor 1 described above is particularly suitable as an electric double layer capacitor, but is also suitable as a redox capacitor, pseudocapacitance capacitor, pseudo capacitor, or the like.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明について更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ない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.

先ず、電極を作成した。電極の作製においては、先ず、繊維状活性炭(クラレケミカル社製、商品名FR25)80質量部と、フッ素ゴムバインダー10質量部とを混合した。次に、この混合物に溶剤のメチルイソブチルケトン(MIBK)を加えて、スラリー状の電極活物質含有層形成用塗布液を得た。得られた塗布液をドクターブレード法により集電体であるアルミ箔(20μm)に塗布し、150℃で乾燥させた。乾燥後に圧延を行い、活性炭含有電極を得た。なお、本件の繊維状活性炭は、FR25をアスペクト比1.5〜8に加工して使用した。   First, an electrode was prepared. In preparation of an electrode, first, 80 parts by mass of fibrous activated carbon (trade name FR25, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) and 10 parts by mass of a fluororubber binder were mixed. Next, methyl isobutyl ketone (MIBK) as a solvent was added to the mixture to obtain a slurry-like coating solution for forming an electrode active material-containing layer. The obtained coating solution was applied to an aluminum foil (20 μm) as a current collector by a doctor blade method and dried at 150 ° C. Rolling was performed after drying to obtain an activated carbon-containing electrode. In addition, the fibrous activated carbon of this case was used by processing FR25 into an aspect ratio of 1.5 to 8.

この活性炭含有電極を175℃で12時間真空乾燥した後、電解液が入った電解セル(電解槽)に入れた。電解液として、プロピレンカーボネートにLiBFを1.0mol・L−1の割合で溶解した溶液に、0.3mol・L−1の割合でチオフェンを溶解させたモノマー溶液を用いた。電解セルを4.4[V vs. Li/Li]で20分間、定電位保持することで電解酸化重合を行い、ポリチオフェンで被覆された繊維状活性炭を含有する電極を得た。なお、得られた電極を電極1とした。 The activated carbon-containing electrode was vacuum dried at 175 ° C. for 12 hours, and then placed in an electrolytic cell (electrolyzer) containing an electrolytic solution. As the electrolyte, a LiBF 4 in propylene carbonate to a solution at a ratio of 1.0 mol · L -1, using a monomer solution prepared by dissolving thiophene in a ratio of 0.3 mol · L -1. The electrolytic cell is 4.4 [V vs. Li / Li + ] was maintained at a constant potential for 20 minutes to perform electrolytic oxidation polymerization, and an electrode containing fibrous activated carbon coated with polythiophene was obtained. The obtained electrode was designated as electrode 1.

また、電解液に溶解させるモノマーを、3−フェニルチオフェン、3−ブチルチオフェン、インドール、ピロール、エチレンジオキシチオフェン(PEDOT)に代え、それぞれのモノマーに対応する導電性ポリマーで被覆された繊維状活性炭を含有する電極を得た。なお、得られた電極をそれぞれ電極2,3,4,5,6とした。なお、電解液に溶解させるモノマーにアニリンを使用して電極の作製を試みたが、プロピレンカーボネートを主成分とする電解液では、ポリアニリンが電解液に溶解するため、ポリアニリンで被覆された繊維状活性炭を含有する電極を作製することはできなかった。   In addition, instead of 3-phenylthiophene, 3-butylthiophene, indole, pyrrole, ethylenedioxythiophene (PEDOT) as the monomer to be dissolved in the electrolytic solution, fibrous activated carbon coated with a conductive polymer corresponding to each monomer An electrode containing was obtained. The obtained electrodes were referred to as electrodes 2, 3, 4, 5, and 6, respectively. An attempt was made to produce an electrode by using aniline as a monomer to be dissolved in the electrolytic solution. However, in the electrolytic solution mainly composed of propylene carbonate, polyaniline is dissolved in the electrolytic solution, so that the fibrous activated carbon coated with polyaniline is used. It was not possible to produce an electrode containing.

そして、得られた電極の酸化還元電位を調べた。先ず、電気化学セルを作製した。電気化学セルは、作用極として得られた電極(15mmΦ)と、参照極および対極としてリチウム金属と、電解質溶液としてプロピレンカーボネート溶液(支持塩として1mol・L−1のLiBFを含む)とから構成される。この電気化学セルは、参照極のルギン管の先端を直径1mmに調節し、参照極と作用極との距離を2mmに調節した。また、対極の電極面積は、作用極の電極面積に対して十分に大きくなるように調節した。次に、電気化学セルを25℃の条件下で、4.2〜1.8[Vvs. Li/Li]まで放電させた場合の平均放電電圧を測定し、その値を酸化還元電位とした。得られた結果を表1に示す。また、表1において、電極7は導電性ポリマーで活性炭を被覆しなかった、活性炭電極である。 And the oxidation-reduction potential of the obtained electrode was investigated. First, an electrochemical cell was produced. The electrochemical cell is composed of an electrode (15 mmΦ) obtained as a working electrode, lithium metal as a reference electrode and a counter electrode, and a propylene carbonate solution (including 1 mol·L −1 LiBF 4 as a supporting salt) as an electrolyte solution. Is done. In this electrochemical cell, the tip of the Lugin tube of the reference electrode was adjusted to 1 mm in diameter, and the distance between the reference electrode and the working electrode was adjusted to 2 mm. Further, the electrode area of the counter electrode was adjusted so as to be sufficiently larger than the electrode area of the working electrode. Next, the electrochemical cell was subjected to 4.2 to 1.8 [Vvs. The average discharge voltage when discharging to Li / Li + ] was measured, and the value was taken as the oxidation-reduction potential. The obtained results are shown in Table 1. Moreover, in Table 1, the electrode 7 is an activated carbon electrode which did not coat | cover activated carbon with a conductive polymer.

Figure 2005158882
Figure 2005158882

得られた各電極を用いて電気化学キャパシタを作製し、放電容量を測定した。
(実施例1)
ポリチオフェンで被覆された繊維状活性炭を含有する電極(電極1)を15mmΦに打ち抜きカソードとした。また、PEDOTで被覆された繊維状活性炭を含有する電極(電極6)を15mmΦに打ち抜きアノードとした。カソードおよびアノードの間に、プロピレンカーボネート溶液(支持塩として1mol・L−1のLiBFを含む)を含浸した膜厚50μmのセルロースのセパレータを挟んでケースに収納し、電気化学キャパシタを作製した。そして、得られた電気化学キャパシタで、0.5mAの定電流定電圧充電を行い、1.5Vから0.1Vまで放電し、容量(mAh)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、実施例1の電気化学キャパシタの放電曲線を図10に示す。
An electrochemical capacitor was produced using each of the obtained electrodes, and the discharge capacity was measured.
(Example 1)
An electrode (electrode 1) containing fibrous activated carbon coated with polythiophene was punched out to 15 mmΦ to form a cathode. In addition, an electrode (electrode 6) containing fibrous activated carbon coated with PEDOT was punched out to 15 mmΦ to be an anode. A 50 μm-thick cellulose separator impregnated with a propylene carbonate solution (containing 1 mol·L −1 LiBF 4 as a supporting salt) was sandwiched between the cathode and the anode and housed in a case to produce an electrochemical capacitor. Then, the obtained electrochemical capacitor was charged with a constant current and a constant voltage of 0.5 mA, discharged from 1.5 V to 0.1 V, and the capacity (mAh) was measured. The obtained results are shown in Table 2. Moreover, the discharge curve of the electrochemical capacitor of Example 1 is shown in FIG.

(実施例2〜4および比較例1)
アノードおよびカソードを表2に示す電極に代え、実施例1と同様にして電気化学キャパシタを作製した。そして、得られた電気化学キャパシタで、0.5mAで定電流定電圧充電を行い、1.5Vから0.1Vまで放電し、容量(mAh)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、実施例2〜4および比較例1の電気化学キャパシタの放電曲線を図10に示す。なお、参考のために、カソードおよびアノードに用いた電極の酸化還元電位の差(E2−E1)も示す。
(Examples 2 to 4 and Comparative Example 1)
An electrochemical capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode and the cathode were replaced with the electrodes shown in Table 2. And with the obtained electrochemical capacitor, constant current constant voltage charge was performed at 0.5 mA, it discharged from 1.5V to 0.1V, and the capacity | capacitance (mAh) was measured. The obtained results are shown in Table 2. Moreover, the discharge curve of the electrochemical capacitor of Examples 2-4 and the comparative example 1 is shown in FIG. For reference, the difference (E2-E1) in the redox potential of the electrodes used for the cathode and the anode is also shown.

Figure 2005158882
Figure 2005158882

表2に示した結果からわかるように、実施例1〜4では0.200mAh以上の十分な容量を有する電気化学キャパシタが得られた。特に、実施例1および2では、アノードが導電性ポリマーで被覆された炭素材料をアノード活物質として含有しており、0.400mAh以上の非常に高容量の電気化学キャパシタが得られた。また、比較例1では、容量が低いことが確認された。なお、ポリアニリンで被覆された繊維状活性炭を含有する電極は作製することができなかったので、かかる電極を用いる電気化学キャパシタを作製することはできなかった。   As can be seen from the results shown in Table 2, in Examples 1 to 4, electrochemical capacitors having a sufficient capacity of 0.200 mAh or more were obtained. In particular, in Examples 1 and 2, a carbon material whose anode was coated with a conductive polymer was contained as an anode active material, and an extremely high capacity electrochemical capacitor of 0.400 mAh or more was obtained. In Comparative Example 1, it was confirmed that the capacity was low. In addition, since an electrode containing fibrous activated carbon coated with polyaniline could not be produced, an electrochemical capacitor using such an electrode could not be produced.

本発明の電気化学キャパシタは、携帯機器(小型電子機器)等の電源のバックアップ用電源、ハイブリッド車向けの補助電源として利用することができる。   The electrochemical capacitor of the present invention can be used as a backup power source for a power source of a portable device (small electronic device) or the like and an auxiliary power source for a hybrid vehicle.

本発明の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。It is a front view which shows suitable one Embodiment of the electrochemical capacitor of this invention. 図1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。FIG. 2 is a development view when the inside of the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 is viewed from the normal direction of the surface of an anode 10. 図1に示す電気化学キャパシタを図1のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。It is a schematic cross section at the time of cut | disconnecting the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 along the X1-X1 line | wire of FIG. 図1に示す電気化学キャパシタを図1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。It is a schematic cross section which shows the principal part at the time of cut | disconnecting the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 along the X2-X2 line | wire of FIG. 図1に示す電気化学キャパシタを図1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。It is a schematic cross section which shows the principal part at the time of cut | disconnecting the electrochemical capacitor shown in FIG. 1 along the YY line of FIG. 図1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。It is a schematic cross section which shows an example of the basic composition of the film used as the constituent material of the case of the electrochemical capacitor shown in FIG. 図1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。It is a schematic cross section which shows another example of the basic composition of the film used as the constituent material of the case of the electrochemical capacitor shown in FIG. 図1に示す電気化学キャパシタのアノードの基本構成の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the basic composition of the anode of the electrochemical capacitor shown in FIG. 図1に示す電気化学キャパシタのカソードの基本構成の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the basic composition of the cathode of the electrochemical capacitor shown in FIG. 実施例1〜4および比較例1の電気化学キャパシタの放電曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge curve of the electrochemical capacitor of Examples 1-4 and the comparative example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…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、16…集電体、18…アノード活物質含有層、20…カソード、22…カソード用リード、24…絶縁体、26…集電体、28…カソード活物質含有層、30…非水電解質溶液、40…セパレータ、50…ケース、60…素体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrochemical capacitor, 10 ... Anode, 12 ... Anode lead, 14 ... Insulator, 16 ... Current collector, 18 ... Anode active material content layer, 20 ... Cathode, 22 ... Cathode lead, 24 ... Insulator, 26 ... current collector, 28 ... cathode active material-containing layer, 30 ... non-aqueous electrolyte solution, 40 ... separator, 50 ... case, 60 ... element body.

Claims (10)

集電体および該集電体上に形成されたアノード活物質含有層を有するアノードと、
集電体および該集電体上に形成されたカソード活物質含有層を有するカソードと、
非水電解質溶液と、
前記アノード、前記カソードおよび前記非水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、
前記アノード活物質含有層が、第一の導電性ポリマーおよび/または第一の炭素材料をアノード活物質として含んでおり、
前記カソード活物質含有層が、下記式(I)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有する、第二の導電性ポリマーで被覆された第二の炭素材料をカソード活物質として含んでおり、
前記アノード活物質の酸化還元電位E1[V]と、前記カソード活物質の酸化還元電位E2[V]とが下記式(1)の条件を満たすこと、
を特徴とする電気化学キャパシタ。
0.20≦(E2−E1)≦3.60 …(1)
Figure 2005158882
[式(I)中、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基およびアルコキシ基からなる群より選ばれる一種を表す。]
An anode having a current collector and an anode active material-containing layer formed on the current collector;
A cathode having a current collector and a cathode active material-containing layer formed on the current collector;
A non-aqueous electrolyte solution;
A case for containing the anode, the cathode, and the non-aqueous electrolyte solution in a sealed state,
The anode active material-containing layer contains a first conductive polymer and / or a first carbon material as an anode active material,
The cathode active material-containing layer has, as a cathode active material, a second carbon material coated with a second conductive polymer having at least a molecular structure including a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (I) Including
The oxidation-reduction potential E1 [V] of the anode active material and the oxidation-reduction potential E2 [V] of the cathode active material satisfy the condition of the following formula (1):
An electrochemical capacitor characterized by.
0.20 ≦ (E2-E1) ≦ 3.60 (1)
Figure 2005158882
[In Formula (I), R 1 and R 2 each independently represent one selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, and an alkoxy group. ]
前記式(I)で表されるモノマーが、チオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−フェニルチオフェンおよび3−メトキシチオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。   The monomer represented by the formula (I) is at least one selected from the group consisting of thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, 3-phenylthiophene and 3-methoxythiophene. 2. The electrochemical capacitor according to 1. 前記第一の導電性ポリマーが、下記式(II)で表されるモノマーに基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有していることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。
Figure 2005158882
[式(II)中、Rは、水素原子またはアルキル基を示し、RおよびRは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基およびアルコキシ基からなる群より選ばれる一種を表す。]
2. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the first conductive polymer has at least a molecular structure including a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (II).
Figure 2005158882
[In the formula (II), R 3 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 4 and R 5 each independently represent one kind selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group and an alkoxy group. . ]
前記第一の導電性ポリマーが、インドール、エチレンジオキシチオフェンおよび3−(4−フルオロフェニル)チオフェンからなる群より選ばれる少なくとも一種に基づく繰り返し単位を含む分子構造を少なくとも有していることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。   The first conductive polymer has at least a molecular structure including a repeating unit based on at least one selected from the group consisting of indole, ethylenedioxythiophene and 3- (4-fluorophenyl) thiophene. The electrochemical capacitor according to claim 1. 前記第二の導電性ポリマーが、電解重合により前記第二の炭素材料上に形成されたものであることを特徴とする請求項1〜4のうちの何れか一項に記載の電気化学キャパシタ。   The electrochemical capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein the second conductive polymer is formed on the second carbon material by electrolytic polymerization. 前記電解重合が、
電子伝導性を有する集電体と、
該集電体上に形成された、前記第二の炭素材料を含有するカソード活物質含有層と、を有する第二の炭素材料含有電極を作用極とし、
上記式(I)で表されるモノマーを含む溶液に前記作用極を浸漬して行われること、
を特徴とする請求項5に記載の電気化学キャパシタ。
The electrolytic polymerization is
A current collector having electron conductivity;
A cathode active material-containing layer containing the second carbon material formed on the current collector, and a second carbon material-containing electrode as a working electrode,
The working electrode is immersed in a solution containing the monomer represented by the formula (I),
The electrochemical capacitor according to claim 5.
前記電解重合が、
上記式(I)で表されるモノマーと、前記第二の炭素材料と、を含む混合溶液を用いて行われること、
を特徴とする請求項5に記載の電気化学キャパシタ。
The electrolytic polymerization is
Carried out using a mixed solution containing the monomer represented by the above formula (I) and the second carbon material,
The electrochemical capacitor according to claim 5.
前記第一の炭素材料および前記第二の炭素材料が繊維状の活性炭であることを特徴とする請求項1〜7のうちの何れか一項に記載の電気化学キャパシタ。   The electrochemical capacitor according to any one of claims 1 to 7, wherein the first carbon material and the second carbon material are fibrous activated carbon. 前記繊維状の活性炭がアスペクト比1.5以上であることを特徴とする請求項1〜8のうちの何れか一項に記載の電気化学キャパシタ。   The electrochemical capacitor according to any one of claims 1 to 8, wherein the fibrous activated carbon has an aspect ratio of 1.5 or more. 前記アノードおよび前記カソードは、対向して配置されており、
前記アノードおよび前記カソードの間には絶縁性の多孔体からなるセパレータが配置されており、
前記非水電解質溶液は、少なくともその一部が前記アノード、前記カソードおよび前記セパレータの内部に含有されていること、
を特徴とする請求項1〜9のうちの何れか一項に記載の電気化学キャパシタ。

The anode and the cathode are arranged to face each other,
A separator made of an insulating porous body is disposed between the anode and the cathode,
At least a part of the non-aqueous electrolyte solution is contained in the anode, the cathode and the separator;
The electrochemical capacitor according to any one of claims 1 to 9, wherein:

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