JP2005509285A - ウルトラキャパシタ用導電性自立微小孔性シート - Google Patents
ウルトラキャパシタ用導電性自立微小孔性シート Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005509285A JP2005509285A JP2003543045A JP2003543045A JP2005509285A JP 2005509285 A JP2005509285 A JP 2005509285A JP 2003543045 A JP2003543045 A JP 2003543045A JP 2003543045 A JP2003543045 A JP 2003543045A JP 2005509285 A JP2005509285 A JP 2005509285A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- molecular weight
- layer
- porous electrode
- self
- electrode layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 54
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 36
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 claims description 22
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 claims description 22
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 8
- 239000004966 Carbon aerogel Substances 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 7
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910000464 lead oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N oxolead Chemical compound [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 28
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 15
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 40
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 23
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 14
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 13
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N Trichloroethylene Chemical group ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010734 process oil Substances 0.000 description 10
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000011262 electrochemically active material Substances 0.000 description 9
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 7
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 7
- -1 polyethylenes Polymers 0.000 description 7
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 5
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000003490 calendering Methods 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 235000012438 extruded product Nutrition 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- UBOXGVDOUJQMTN-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trichloroethane Chemical compound ClCC(Cl)Cl UBOXGVDOUJQMTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100493712 Caenorhabditis elegans bath-42 gene Proteins 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 229920010741 Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Polymers 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N dioxolead Chemical compound O=[Pb]=O YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910003455 mixed metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N resorcinol Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1 GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- UOCLXMDMGBRAIB-UHFFFAOYSA-N 1,1,1-trichloroethane Chemical compound CC(Cl)(Cl)Cl UOCLXMDMGBRAIB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005662 Paraffin oil Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 150000008064 anhydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000010692 aromatic oil Substances 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 1
- 239000011245 gel electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/46—Metal oxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/48—Conductive polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/004—Details
- H01G9/04—Electrodes or formation of dielectric layers thereon
- H01G9/042—Electrodes or formation of dielectric layers thereon characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/621—Binders
- H01M4/622—Binders being polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/621—Binders
- H01M4/622—Binders being polymers
- H01M4/623—Binders being polymers fluorinated polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
- H01M50/411—Organic material
- H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
- H01M50/417—Polyolefins
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
- H01G11/28—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features arranged or disposed on a current collector; Layers or phases between electrodes and current collectors, e.g. adhesives
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
自立微小孔性ポリマーシート(30)は、導電性マトリクス(52,56)を結合するポリマーマトリクスを有する。ポリマーマトリクスはUHMWPEを含むのが好ましく、導電性マトリクス(52,56)は、炭質材料又は金属酸化物又はこれらの組み合わせを含むのが好ましい。UHMWPEは、自立特性を有するシートを形成するのに充分な分子鎖の絡み合いを与える分子量のものとする。複数の微小孔性シートを、電解質を充填したパッケージ内で巻回又は積層し、これらシートがバッテリ又はキャパシタのようなエネルギー蓄積装置内の電極として機能するようにしうる。
Description
本発明は、導電性自立微小孔性ポリマーシート、特に、スーパーキャパシタ、擬似キャパシタ、電気化学キャパシタ、二重層キャパシタ、電気化学二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、非対称キャパシタ及びウルトラキャパシタを含むエネルギー蓄積装置及び適切なその他の好適な装置の製造に用いる導電性自立微小孔性シートの形成に関するものである。
エネルギー蓄積装置に用いられる電極の製造を参照して背景技術情報を以下に例として示す。本発明に関連するエネルギー蓄積装置の構造の詳細については、文献“J. Power Sources, Vol. 91, (2000)”の第33〜50頁における論文“Ultracapacitor: Why, how, and where is the technology(A.Burke氏著)”に説明されている。
ウルトラキャパシタは、パワー密度がより高く、可逆性が優れており、サイクル寿命が極めて長いという点においてバッテリと異なっている。ウルトラキャパシタの代表的な電荷蓄積機構には、二重層容量及び電荷移行偽似容量がある。二重層容量は、固体−電解質界面における電荷の分離により生じ、これに対し擬似容量は、固体表面において所定の電位範囲に亘って起こる可逆ファラデー反応を伴うものである。
ウルトラキャパシタ内の電気化学活性材料として、表面積が大きい炭素粉末に焦点を当てた研究に多大な労力が払われてきた。これら炭素粉末のあるものは、100ファラド/グラムを超える比容量値を有しているものの、密度が低いため、ウルトラキャパシタの製造において重要となる体積比容量値がかなり低くなってしまう。さらに、活性化した炭素の微小孔は直径が2mmよりも小さく、しばしばウルトラキャパシタ内の電解質にとって利用できず、その結果、二重層が形成されず、キャパシタンス値が予想していたものより低くなったりする。カーボンエーロゲルは、レソルシノールやホルムアルデヒドのような有機モノマーをゾルゲル重合させ次に高温(>800℃)で熱分解することにより得られる独特の形態の炭素である。文献“Materials Research Society Symposium Proceedings 349, (1994)”の第79〜85頁に記載されている論文“Structure and Performance of Carbon Aerogel Electrodes”(Pekala氏等著)で説明されているように、カーボンエーロゲルは、幅広い密度範囲に亘って合成して大表面積(600〜800m2 /g)を有し、中間細孔(2〜50nm)が支配的であり且つ電気抵抗が低くなるようにできる。この微細構造により、カーボンエーロゲルのモノリス及び粉末の双方についての体積比容量値を高くする。従って、カーボンエーロゲルを自立微小孔性ポリマーシート中に導入すること自体は、ウルトラキャパシタの電極の製造に対する新規な方法として極めて有利なものである。
多くの遷移金属酸化物及び混合金属酸化物も、主たる電荷蓄積機構を擬似容量としたウルトラキャパシタのための電気化学活性材料として研究されてきた。ある形態の酸化ルテニウムは、750ファラド/グラム程度の比容量値を有する。酸化タンタル、二酸化マンガン、酸化鉛及び酸化ニッケルのような他の金属酸化物についても研究されている。いずれの場合も、ウルトラキャパシタの電極を製造する場合に、これら材料を自立微小孔性ポリマーシートに導入することは考慮されていなかった。
ウルトラキャパシタは、一方の電極を二重層材料(例えば活性炭素)とし、他方の電極を擬似容量材料(例えば酸化ルテニウム)から形成することにより製造することができる。このようなエネルギー蓄積装置は、ハイブリッド又は非対象キャパシタと称される。
多くのエネルギー蓄積装置のための電極は、粉末形態の電気化学活性材料と、フルオロポリマーと、溶剤とを含むスラリーから形成し始める。このスラリーを集電部として作用する金属箔上に被覆する。次に、電気化学活性材料で被覆された金属箔を、乾燥用オーブンに通して溶剤を除去する。フルオロポリマーが、電気化学活性材料を一緒に保持して結多孔質電極を形成する結合剤として作用する。電気化学活性材料の容積率又は充填率を増大させ、それにより電極の多孔度を減少させることにより、集電部上に被覆された電気化学活性材料を高密なものとするために、しばしば電極はカレンダー処理される。集電体は、電気化学活性材料及び結合剤のための坦持体としても機能させる。その理由は、電気化学活性材料及び結合剤の2つの組み合わせでは自立するための機械的一体性が不十分となるためである。その後、電極を細条状に切断し、これら細条を巻回又は積層してパッケージされたエネルギー蓄積装置とする。
フッ化ポリビニリデンのようなフルオロポリマーは、殆どのポリマーや、ゲル又は液体の電解質に対して電気化学的及び化学的に不活性であるため従来からポリマー結合剤として用いられてきた。しかし、フルオロポリマーの分子量が低いことにより分子鎖の絡み合いが不十分となるため、従来の結合剤の量(2〜10重量%)でフルオロポリマーを用いて自立微小孔性電極を製造することは、不可能ではないにしても困難である。EPDMラバーや各種のポリエチレンのような他の結合剤を用いることもできるが、これらも微小孔性シートに自立特性を付与するものではない。「自立」とは、エネルギー蓄積装置アセンブリに使用するために、シートの形態で巻いたり巻き戻したりするような操作を行い得る十分な機械的特性をシートが有していることを示すものである。
特別な種類のポリエチレン、すなわち超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)を用いて、上述した結合剤量で自立特性を有する微小孔性シートを形成することができる。ポリエチレンの繰り返し単位を以下に示す。
(−CH2 CH2 −)x
この式において、xは個々のポリマー鎖における繰り返し単位の数の平均値を示すものである。多くのフィルム及び成形品の用途に用いられるポリエチレンの場合には、xは約103〜104であるのに対して、UHMWPEの場合には、xが約105である。この繰り返し単位の数の違いにより、UHMWPEは分子鎖の絡み合いの程度が高くなり独特の特性を有することになる。
(−CH2 CH2 −)x
この式において、xは個々のポリマー鎖における繰り返し単位の数の平均値を示すものである。多くのフィルム及び成形品の用途に用いられるポリエチレンの場合には、xは約103〜104であるのに対して、UHMWPEの場合には、xが約105である。この繰り返し単位の数の違いにより、UHMWPEは分子鎖の絡み合いの程度が高くなり独特の特性を有することになる。
このような特性の1つが、UHMWPEを結晶溶解点より高い温度に加熱した場合に、UHMWPEが自重による材料の流れに耐え得るということである。この現象は、それぞれの分子鎖が互いにすべるのに必要とされる緩和時間が長い結果によるものである。UHMWPEは、優れた耐化学性及び耐摩耗性を有しており、UHMWPEの炭化水素組成物では、電極の形成に一般的に用いられる多くのフルオロポリマーよりも骨格密度がかなり低くなる(0.93g/cc)。一般的に用いられるこのようなフルオロポリマーには、フッ化ポリビニリデン(1.77g/cc)及びポリテトラフルオロエチレン(2.2g/cc)がある。
UHMWPEは、鉛蓄電池において用いられているセパレータ(分離層)のためのポリマーマトリクス又は結合剤として広く用いられている。このようなセパレータは、UHMWPEと沈降シリカとプロセスオイルとを含む混合物を押出成形し、カレンダー処理し、抽出処理することにより得られる。得られたセパレータには、多孔度が高くなり(50〜60%)、樹脂状成長が抑制された超微小細孔寸法が得られ、電気抵抗が低くなり、耐酸化性が良好となり、ポケット構造にする封止性が得られるといった多くの利点がある。これらセパレータのシリカ対UHMWPEの重量比は通常約2.5〜約3.5であり、これに対応する体積比は1.0〜1.5である。このようなセパレータは、アノード及びカソード間の電子伝導(すなわち短絡)を防止するとともに、微小孔を充填している電解質を介するイオン伝導を行うように設計されている。
UHMWPEはセパレータの技術のうちの不可欠な部分であるが、自立導電性微小孔性フィルム電極を押出成形及び抽出処理するのにはこれまでUHMWPEは用いられていなかった。本発明は、エネルギー蓄積装置及びその他の電子装置に使用するためのこのようなフィルム電極を製造しようという要望に対処するものである。
発明の概要
従って、本発明の目的は、ポリマーマトリクスに対して比較的高い体積比の導電性マトリクス(電気化学活性粉末と、必要であれば導電性材料とから構成されるもの)により形成され、ウルトラキャパシタの電極として用いるのに十分な機械的特性を有している導電性自立微小孔性ポリマーシートを提供することにある。
従って、本発明の目的は、ポリマーマトリクスに対して比較的高い体積比の導電性マトリクス(電気化学活性粉末と、必要であれば導電性材料とから構成されるもの)により形成され、ウルトラキャパシタの電極として用いるのに十分な機械的特性を有している導電性自立微小孔性ポリマーシートを提供することにある。
本発明は、導電性の材料組成物(すなわち導電性マトリクス)を結合するポリマーマトリクスよりなる自立微孔小性ポリマーシートを提供する。このポリマーマトリクスは、UHMWPEを含むものとするのが好ましく、材料組成物は、炭質材料、金属酸化物又はこれらの組み合わせを含むものとするのが好ましい。代表的な炭質材料としては、大表面積炭素(<250m2 /g)、活性炭素及びカーボンエーロゲルがある。代表的な金属酸化物には、酸化ルテニウム、酸化タンタル、二酸化マンガン、酸化ニッケル及び酸化鉛がある。UHMWPEは、自立特性を有するシートを形成するのに充分な分子鎖の絡み合いを与える分子量を有しており、材料組成物粉末は、電池セパレータ技術において用いられている沈降シリカと比較して小さな表面積を有しており、大幅に低減された吸油値を有している。このシートのポリマーマトリクスの体積比は約0.20以下を超えないようにするのが好ましい。
複数の微小孔性シートをパッケージ内で巻回又は積層し、このパッケージに電解質を充填して、これらシートがバッテリ又はウルトラキャパシタのようなエネルギー蓄積装置内の電極として機能するようにすることができる。金属層を微小孔性シートに被着してこのような装置の集電部として機能させることができる。
本発明の第1の好適例においては、UHMWPEと、導電性とした粉末形態の材料組成物と、可塑剤(例えば鉱物油)とを組み合わせることにより自立微小孔性ポリマーシートを製造する。UHMWPEと材料組成物粉末との混合物を、充分な量の可塑剤と混合し、押出成形して均質な凝集物質を形成する。インフレートフィルム処理又は他の通常のカレンダー処理法を用いてオイルを含んだシートを最終的な厚さに整形する。鉛蓄電池のセパレータを製造するのに用いられる抽出処理に類似した抽出処理で、シートからオイルを除去する。その後、抽出処理したシートに金属層を被着して集電部を形成する。金属層は、微小孔性シート上に、金属スラリーをスパッタリング堆積、無電解堆積、電解堆積、プラズマ溶射又はロール塗布することにより形成した金属フィルムとするか、或いは微小孔性シートに積層した有孔性又は無孔性金属箔とすることができる。ある場合には、充分な金属粉末をポリマーシート中に入れることにより上述したような金属層を不要なものとすることができる。
本発明の第2の好適例においては、ポリマーマトリクスが、自立微小孔性シートを形成するのに必要な分子鎖の絡み合いを与えるのに十分な分子量を有するUHMWPEをある量含むようにし、このポリマーマトリクスにより導電性の材料組成物を結合する。得られた導電性シートをパッケージ内で巻回又は積層し、シートの孔に電解質を充填して、例えばバッテリ、キャパシタ、スーパーキャパシタ又は燃料電池のようなエネルギー蓄積装置における多くの電極のうちの1つとして導電性シートを用いる。このポリマーマトリクスの利点の1つは、隣接する電極とセパレータ層との間を接触させるのに、場合によっては密に接触させるのに、このポリマーマトリクスを用いることができることである。
本発明の第3の好適例においては、複数の電極層とセパレータ層とを互いに密着結合させてウルトラキャパシタを形成する。これらの層を密着結合する好適な方法は、これらの層を複数の押出し成形機に通して同時に押出し成形する工程を有する。他の好適な方法は、これら層を互いに積層する工程を有する。これらの処理により、隣接する電極層及びセパレータ層間の一体的な密着結合を促進し、抽出処理中での層の剥離のおそれを低減させる。また、これら処理によれば、隣接する層の界面における多孔度を失わせることなく、多孔性電極とセパレータ層との間の接触を密にする。1つ以上の集電部を有する得られた複数層(多重層)の細条を適当な寸法に切断し、孔に電解質を充填してエネルギー蓄積装置を製造する。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の本発明の好適な実施例の詳細な説明から明らかとなるであろう。
好適例の詳細な説明
本発明に使用するのに好適なポリマー材料は超高分子量ポリオレフィンである。最も好適に使用される超高分子量ポリオレフィンは、固有粘度が少なくとも10デシリットル/グラム、好ましくは約14〜18デシリットル/グラムより大きい超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)である。本発明に使用することのできるUHMWPEの固有粘度に上限が存在するとは思えないが、現在市販されているUHMWPEの固有粘度は、約29デシリットル/グラムが上限である。
本発明に使用するのに好適なポリマー材料は超高分子量ポリオレフィンである。最も好適に使用される超高分子量ポリオレフィンは、固有粘度が少なくとも10デシリットル/グラム、好ましくは約14〜18デシリットル/グラムより大きい超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)である。本発明に使用することのできるUHMWPEの固有粘度に上限が存在するとは思えないが、現在市販されているUHMWPEの固有粘度は、約29デシリットル/グラムが上限である。
本発明においてポリマーに対して使用される可塑剤は、室温において液体であるのが好ましい不揮発性の溶媒である。この可塑剤は、室温ではポリマーに対しての溶媒和作用を有さないか又は殆ど有することはない。可塑剤の溶媒和作用は、ポリマーの軟化温度以上の温度で発揮される。UHMWPについては、溶媒和温度は約160℃より高く、好ましくは約160℃〜約220℃の範囲である。可塑剤としては、パラフィンオイル、ナフテン酸オイル、芳香オイル又はこのようなオイルの2種以上の混合物のようなプロセスオイルを用いるのが好ましい。好適なプロセスオイルの例としては、ShellFlex (登録商標)3681、Gravex(登録商標)41、Catnex(登録商標)945 のようなShell Oil社から市販されているオイルや、Chevron (登録商標)500RのようなChevron社から市販されているオイルや、Tufflo(登録商標)6056のようなLyondell社から市販されているオイルがある。
個々のフィルム又は複数層のフィルムからプロセスオイルを抽出するための溶媒としては、ポリマーマトリクス中に含まれている電極活性成分に悪影響がなく、蒸留により可塑剤から溶媒を分離するのを実現する沸点を有するものであれば、いかなる溶媒をも抽出処理に用いることができる。このような溶媒としては、1,1,2−トリクロロエチレン、ペルクロロエチレン、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、塩化メチレン、クロロホルム、1,1,2−トリクロロー1,2,2−トリフルオロエタン、イソプロピルアルコール、ジエチルエーテル、アセトン、ヘキサン、ヘプタン及びトルエンがある。
ある場合においては、抽出処理後にポリマーシート中に残留するいかなるプロセスオイルも電気化学的に不活性なものとなるようにプロセスオイルを選択するのが好ましい。
本発明の第1の好適例は、自立微小孔性フィルムを構成要素として用いるものである。本明細書中を通じて、本発明により形成する製品を説明するために用いる「フィルム」及び「シート」の用語は相互に置き換え可能なものであり、「ウエブ」の用語はフィルム及びシートを含むものとして用いる。本発明を実施する上で、ウエブ厚さは特定の値に制限されるものではない。本発明は、自立微小孔性ポリマーシートを形成するものであり、UHMWPEと、電気化学活性粉末と、必要に応じ導電性材料(例えばカーボンブラック)とを、充分な可塑剤と適温で混合させて均質な凝集シートを形成する。これらシートを形成するために用いられる電気化学活性粉末は様々な種類のものがある。幾つかの例を以下に示す。
例1 粒状炭素含有シートの製造
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 1.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で粒状炭素粉末(ENSACO 350; MMM Carbon, 10.0g (約800m2 /gの表面積を有する))に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShellFlex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、25.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(13.4g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.3mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 1.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で粒状炭素粉末(ENSACO 350; MMM Carbon, 10.0g (約800m2 /gの表面積を有する))に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShellFlex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、25.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(13.4g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.3mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
このシートを室温まで冷却し、その後カミソリの刃を用いてシートを40mm×60mmの試料に切断した。次にこれらを500mlのトリクロロエチレン浴中に入れ、この浴中で電磁攪拌棒を用いて溶媒を循環さることによりShell Flex(登録商標)3681オイルの抽出を促進した。この処理を新しいトリクロロエチレンを用いて3回繰り返し、試料からオイルを完全に抽出した。このトリクロロエチレンを含んだ試料を、換気フード中で20℃で5分間乾燥させ、その後強制空気乾燥機中で90℃で15分間乾燥させた。
0.29mmの厚さを有する得られた多孔性シートの重量を測定し密度を決定したところ、密度は0.41g/ccであった。
例2 活性炭素含有シートの製造
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 1.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で活性炭素粉末(Norit SX Ultra; NORIT Americas Inc., 10.0g(約1150m2 /gの表面積を有する))に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShell Flex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、12.0g)を添加した。オイルを含有させた混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(6.9g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.3mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 1.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で活性炭素粉末(Norit SX Ultra; NORIT Americas Inc., 10.0g(約1150m2 /gの表面積を有する))に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShell Flex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、12.0g)を添加した。オイルを含有させた混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(6.9g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.3mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
オイルが含浸されたこのシートを、例1で説明したようにして抽出処理した。
0.30mmの厚さを有する得られた多孔性シートの重量を測定し密度を決定したところ、密度は0.43g/ccであった。
例3 二酸化マンガン含有シートの製造
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 2.6g)と黒鉛粉末(BG-35; Superior Graphite Co., 4.0g)とを、250mlのプラスチックビーカ中で二酸化マンガン粉末(アルカリ電池品質のもの; Kerr-McGee Chemical LLC., 32.0g )に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShell Flex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、8.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(12.0g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.4mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins, 2.6g)と黒鉛粉末(BG-35; Superior Graphite Co., 4.0g)とを、250mlのプラスチックビーカ中で二酸化マンガン粉末(アルカリ電池品質のもの; Kerr-McGee Chemical LLC., 32.0g )に添加した。これら粉末を均質な混合物が形成されるまでスパチュラにより混合し、この時点でShell Flex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、8.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(12.0g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を150℃に設定した。ロール間隙は約0.4mmに調整し、得られたポリマーシートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
オイルが含浸されたシートを、例1で説明したようにして抽出処理した。
0.39mmの厚さを有する得られた多孔性シートの重量を測定し密度を決定したところ、密度は1.27g/ccであった。
例4 カーボンエーロゲル含有シートの製造
カーボンエーロゲル粉末(粒子の大きさが20mmより小さいものOcellus Technologies Inc., 18.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で超高分子量ポリエチレン〔UHMWPE〕(1900H; Basel Polyolefins, 1.08g )に添加した。これら粉末をスパチュラにより混合し均質な混合物を形成し、この時点でShellFlex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、12.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(8.0g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を160℃に設定した。ロール間隙は約0.25mmに調整し、ロール温度を140℃まで下げた後に、シートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
カーボンエーロゲル粉末(粒子の大きさが20mmより小さいものOcellus Technologies Inc., 18.0g)を、250mlのプラスチックビーカ中で超高分子量ポリエチレン〔UHMWPE〕(1900H; Basel Polyolefins, 1.08g )に添加した。これら粉末をスパチュラにより混合し均質な混合物を形成し、この時点でShellFlex(登録商標)3681のプロセスオイル(Shell Oil社、12.0g)を添加した。オイルを含有させたこの混合物をさらさらの状態となるまで攪拌し、次にこの混合物を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。追加のオイル(8.0g)をミクサ内に加えた。この得られた混合物を5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を160℃に設定した。ロール間隙は約0.25mmに調整し、ロール温度を140℃まで下げた後に、シートを、取り出し用のナイフによりロールから取り外した。
オイルが含浸されたこのシートを室温まで冷却し、その後カミソリの刃を用いてシートを50mm×25mmの試料に切断した。次にこれらを500mlのトリクロロエチレン浴に入れ、この浴中で電磁攪拌棒を用いて溶媒を循環させることによりShellFlex(登録商標)3681オイルの抽出を促進した。この処理を新しいトリクロロエチレンを用いて3回繰り返し、試料からオイルを完全に抽出した。このトリクロロエチレンを含んだ試料を、乾燥フード中で20℃で5分間乾燥させ、その後強制空気乾燥機中で90℃で15分間乾燥させた。
抽出処理を行った後の得られた多孔性シートの密度は0.62g/ccであった。
例5 カーボンエーロゲル含有シートの製造
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(粒子の大きさが20mmより小さいものOcellus Technology Inc., 17.28g )と、UHMWPE(1900H; Basel Polyolefins, 1.08g)と、導電性の黒体(Super P(登録商標);MMM Carbon, 0.72g)と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g )とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(粒子の大きさが20mmより小さいものOcellus Technology Inc., 17.28g )と、UHMWPE(1900H; Basel Polyolefins, 1.08g)と、導電性の黒体(Super P(登録商標);MMM Carbon, 0.72g)と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g )とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
抽出処理を行った後の得られた多孔性シートの密度は0.67g/ccであった。
例6 カーボンエーロゲル含有シートの製造
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(Ocellus Technology Inc., 14.7g)と、UHMWPE(1900H; Basel Polyolefins, 1.64g )と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g)とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(Ocellus Technology Inc., 14.7g)と、UHMWPE(1900H; Basel Polyolefins, 1.64g )と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g)とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
抽出処理を行った後の得られた多孔性シートの密度は0.45g/ccであった。
例7 カーボンエーロゲル含有シートの製造
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(Ocellus Technology Inc., 21.56g )と、UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins Inc., 2.4g )と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g)とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
例4において説明したのと同じ方法を用いて、カーボンエーロゲル粉末(Ocellus Technology Inc., 21.56g )と、UHMWPE(1900HCM; Basel Polyolefins Inc., 2.4g )と、ShellFlex(登録商標)3681オイル(Shell Oil Co., 20.0g)とを含む混合物から多孔性シートを形成した。
抽出処理を行った後の得られた多孔性シートの密度は0.68g/ccであった。
本発明の第2の好適例は、エネルギー蓄積装置に自立微小孔性ポリマーシートを用いることを目的とするものである。自立微小孔性ポリマーシートは、自立性で微小孔性で導電性で且つ電気化学的に活性であるためにこのような装置に用いるのに特に有用である。本発明を用いることができるエネルギー蓄積装置には、ウルトラキャパシタ、バッテリ及び燃料電池があるが、これらに限定されるものではない。
第2の好適例の好ましい態様は、自立微小孔性ポリマーフィルムをウルトラキャパシタに用いるものである。キャパシタは、電極表面に電気エネルギーを蓄積する電気エネルギー蓄積装置である。多くの従来のキャパシタは、利用可能な容積及び重量では、大きなエネルギーを供給するのに充分なエネルギーを蓄積することができない。これに対して、ウルトラキャパシタは単位重量当り多くのエネルギーを蓄積することができ、従来のキャパシタと比べてより高い出力定格でエネルギーを生じることができる。ウルトラキャパシタは、電極−電解質の界面における微視的電荷分離によって、又は電極表面で起こる高速可逆ファラデー反応に基づく電荷蓄積によってエネルギーを発生し蓄積する。具体的には、ウルトラキャパシタは、多孔性セパレータにより互いに分離された2つの多孔性電極を有する。これらセパレータ及び電極には電解質が含浸されており、この電解質によりイオン電流を電極間で流し得るようになっている。本発明によるキャパシタでは、小さい体積の微小孔性ポリマーマトリクス中に大きな体積の電極活性材料を有し、これにより電気抵抗を低く保つ。ウルトラキャパシタを利用し得る可能な用途としては、携帯型電子装置及び電気自動車におけるパルス電力分配や負荷平準化がある。
図1に示すように、ウルトラキャパシタセル100は、一対の電極102及び104と、セパレータ106と、一対の集電プレート108及び110とを有する。ウルトラキャパシタ100は、電極活性材料のための結合剤として、UHMWPEとするのが好ましい超高分子量ポリオレフィンを有する。このUHMWPEは電極の20体積%を超えない量で存在させるのが好ましい。ウルトラキャパシタ100において使用する活性材料は、いかなる多孔性粒子又は繊維性材料とすることもできるが、好適な活性材料としては、大表面積炭素(<250m2 /g)、活性炭素、カーボンエーロゲル、酸化ルテニウム(水和物又は無水物)、酸化タンタル、二酸化マンガン、酸化ニッケル又は二酸化鉛がある。
以下の例は、ウルトラキャパシタに本発明を用いた場合の例である。
例8 カーボンブラック(Ensaco 350 GR)キャパシタ
1:Erachem Europe社のEnsaco 350 GR
2:PPG Industries社のHi−Sil(登録商標)SBG沈降シリカ
3:Allied Color Industries社のACC 10319E
4:Synthetic Products社のPetrac(登録商標)CZ−81
5:Ciba−Geigy社のIrganox(登録商標)B−215
6:Montell USA社の1900HCM
7:Shell Oil社のShellFlex(登録商標)3681
例8 カーボンブラック(Ensaco 350 GR)キャパシタ
1:Erachem Europe社のEnsaco 350 GR
2:PPG Industries社のHi−Sil(登録商標)SBG沈降シリカ
3:Allied Color Industries社のACC 10319E
4:Synthetic Products社のPetrac(登録商標)CZ−81
5:Ciba−Geigy社のIrganox(登録商標)B−215
6:Montell USA社の1900HCM
7:Shell Oil社のShellFlex(登録商標)3681
カーボンブラック(Ensaco 350 GR)キャパシタの組成について表1に示した。表1の乾燥した電極成分を600mlのトールビーカ中に一緒に入れスパチュラにより混合した。次に、スパチュラでの混合中にオイル(28g)をビーカ内に加えた。完全に混合すると、この混合物はさらさらの粉末を形成した。
このさらさらの粉末を、ローラブレードが装着されている小型の強力なミクサ(商品名HAAKE Rheomix 600)内に入れ、このミクサをトルクレオメータ(商品名HAAKE Rheocord 90)により駆動して80rpmで回転させ温度を180℃に設定した。残りのオイル(14g)をこのミクサに加えた。この混合物を約5分間混合し、均質な凝集物質を得た。この物質を2ロールミル(C.W. Brabender社のPrep−Mill(型番PM−300))に移し、これを15rpmで回転させ温度を175℃に設定した。ロール間隙は約0.4mmに調整し、取り出し用のナイフによりシートをロールから取り外した。
セパレータ配合物に対しても上述した手順を繰り返すが、処理は以下のように変更した。オイル(12g)を600mlのトールビーカ中で乾燥成分と混合させ、追加のオイル(6g)を小型の強力なミクサに加え、2ロールミルの温度を約173℃とし、2ロールミルのロール間隙を約0.3mmに設定した。このセパレータシートから8cm×8cmの方形片を切り出し、アルミニウム箔のカバーシートの間に配置し、これを圧縮機であるCarver Laboratory Pressに移して、143℃の温度において約2500kPaの圧力で0.10mmの厚さとなるまで圧力を加えた。フィルムを室温まで冷却しアルミニウム箔のカバーシートを取り除いた。
電極シートから4cm×6cmの長方形片を切り取った。セパレータフィルムから6cm×8cmの長方形片を切り取った。Exmet社製造のエキスパンドチタン箔2Ti3.5−4/OAから2cm×10cmのタブを具えた4cm×6cmの2つの集電部を切り取った。この箔の厚さは0.05mmとし、ストランド厚さは0.09mmとした。集電部、オイルを含む電極シート及びセパレータを、集電部、電極シート、セパレータフィルム、電極シート、集電部の順番に積層した。この場合、この積層体は、圧縮機であるC Carver Laboratory Press内で約143℃で100kPa以下の圧力下で形成した。この積層したキャパシタアセンブリを、600mlのトールビーカに入れたトリクロロエチレン中で電磁攪拌バーを100rpmで回転させて抽出処理した。この処理を新しいトリクロロエチレンを用いて3回繰り返し、オイルを完全に抽出した。このトリクロロエチレンを含んだキャパシタを、乾燥フード中で20℃で5分間乾燥させ、その後強制空気乾燥機中で90℃で15分間乾燥させた。
得られた多孔性キャパシタアセンブリを、比重1.28のH2 SO4 電解質を入れた250mlの試料ジャー内に浸漬した。キャパシタアセンブリ及びジャーを、1分間、125mmHg(1mmHg≒133.32Pa)の圧力まで排気した真空デシケータ内に配置し、その後真空状態を解除した。この排気及び真空解除サイクルを5回繰り返した。電解質を飽和させたこのキャパシタを75mm×125mmのポリエチレンバッグ内に配置し、集電部がこのバッグから突出するようにした。
キャパシタの集電部のタブをHewlett Packard社の型番6611Cの直流電源の端子に接続した。電源電圧の限界値を1.2ボルトに設定し、電流の限界値を1アンペアに設定した。初期電流は71ミリアンペアとし、これが指数関数的に減衰して10分後には19ミリアンペアとなった。10分後に電源を切断し、キャパシタの開路電圧が蓄積された。初期の開路電圧は0.98ボルトであり、電源を切断してから10分後には0.65ボルトに減少した。容量をファラドで数量化するのに必要な装置は得られなかったが、上述したことは機能上のキャパシタに対応するものである。
例9 エーロゲルカーボンのスーパーキャパシタ
例6で説明したオイルを含浸させたシートを、圧縮機であるCarver Pressを用いて約140℃の温度でニッケルエキスパンドメタルの格子体に積層し、次にトリクロロエチレン中で抽出処理を行い多孔性の電極を形成した。この電極/格子体アセンブリを、イソプロパノール中に浸漬し、次に多量の5MのKOH溶液中に一晩中置くことにより、イソプロパノールではなく5MのKOHが孔を充填するようにした。その後、5MのKOHが充填されたガラス繊維のセパレータを、2つの電極/格子体格子体の間に挟み、これをステンレス鋼の取付け具内に圧縮保持してスーパーキャパシタを形成した。得られたスーパーキャパシタを0.1A/gで1.2Vまで充電すると、1時間の間この電圧が保持された。
例6で説明したオイルを含浸させたシートを、圧縮機であるCarver Pressを用いて約140℃の温度でニッケルエキスパンドメタルの格子体に積層し、次にトリクロロエチレン中で抽出処理を行い多孔性の電極を形成した。この電極/格子体アセンブリを、イソプロパノール中に浸漬し、次に多量の5MのKOH溶液中に一晩中置くことにより、イソプロパノールではなく5MのKOHが孔を充填するようにした。その後、5MのKOHが充填されたガラス繊維のセパレータを、2つの電極/格子体格子体の間に挟み、これをステンレス鋼の取付け具内に圧縮保持してスーパーキャパシタを形成した。得られたスーパーキャパシタを0.1A/gで1.2Vまで充電すると、1時間の間この電圧が保持された。
例10 エーロゲルカーボンのスーパーキャパシタ
例9で説明したのと同じ方法を利用して、例7に説明したオイル含浸シートを2つ用いてスーパーキャパシタを形成した。
例9で説明したのと同じ方法を利用して、例7に説明したオイル含浸シートを2つ用いてスーパーキャパシタを形成した。
本発明の第3の好適例は、個々の電極及びセパレータ層から構成される複数層のフィルムを形成する方法である。集電部を有する得られた複数層のフィルムを適切な大きさに切断し、これに電解質を充填してウルトラキャパシタを形成した。
図2は、複数の層を密着結合する好適な方法を示したものであり、この方法は、複数の押出し成形機を介してこれらの層を同時に押出しする処理を含む。図2に示した処理は、3つの押出し成形機と、1つの共有押出し成形用ダイとを用いるものである。
押出し成形機10は、第1導入口11を有する第1調量部を具えており、この第1導入口により、不揮発性可塑剤中にポリマーを懸濁して成る懸濁物を押出し成形機に導入する。この押出し成形機10は第2導入口111を有する第2調量部を具えており、この第2導入口により活性材料を(第1調量部よりも下流の)第2調量部に導入する。押出し成形機10は、第1多孔性電極層102を押出し成形する。
押出し成形機12は、導入口13を有する調量部を具えており、この導入口により、不揮発性可塑剤中にポリマー及び充填剤を懸濁して成る懸濁物を押出し成形機に導入する。この押出し成形機12はセパレータ層106を押出し成形する。押出し成形機14は、第1導入口15を有する調量部を具えており、この第1導入口により、不揮発性可塑剤中にポリマーを懸濁して成る懸濁物を押出し成形機に導入する。この押出し成形機14は、第2導入口115を有する第2調量部をも具えており、この第2導入口により活性材料を(第1調量部よりも下流の)第2調量部に導入する。押出し成形機14は、第2多孔性電極層104を押出し成形する。
押出し成形機10、12及び14は、混合部及び搬送部を有する2軸スクリュー押出し成形機とするのが好ましい。2軸スクリュー押出し成形機は、互いに同一方向に回転する又は互いに反対方向に回転するスクリューを有することができる。押出し成形機の温度は、ポリマーが可塑剤により溶媒和される温度ではあるが、押出し成形機中にスラリーが入っている間にこのスラリー組成物のいかなる成分をも劣化させない程度の高さの温度にする。2軸スクリュー押出し成形機を用いるのが好ましいが、種々のスラリーを加熱し剪断する他の手段、例えばファレル(Farrel)の連続ミクサを用いることができる。
第1多孔性電極層の押出し成形物を、押出し成形機10から加熱されたパイプ16を介して共有押出し成形用ダイ20に搬送し、セパレータ層の押出し成形物を、押出し成形機12から加熱されたパイプ17を介して共有押出し成形用ダイ20に搬送し、第2多孔性電極層の押出し成形物を、押出し成形機14から加熱されたパイプ18を介して共有押出し成形用ダイ20に搬送する。押出し成形機10、12及び14又はこれらの任意の組合せから共有押出し成形用ダイ20に押出し成形物を搬送するのにメルトポンプを用いることができる。
共有押出し成形用ダイ20は、シート押出し成形用ダイ又はインフレートフィルム押出し成形用ダイとすることができる。インフレートフィルムを形成する場合には、可塑剤を抽出する前にこのインフレートフィルムの管状体を切開して広幅の単一な厚さのウエブにすることができる。
図示していないが、シート押出成形用ダイを用いる場合には、得られた3層の前駆体(前段階)フィルム30を、フィルム厚さ及び他の特性の制御を補助する2つ以上のカレンダーロールのニップを通過させるのが望ましい。或いは又、加熱した前駆体フィルム30を急冷ロール及び一連の引落し(ドローダウン)ロール上に流延させてフィルム厚さ及び他の特性を制御することができる。
さらに、3層の前駆体フィルム30は、インフレートフィルム押出し成形用ダイにおいてシート押出し成形用ダイからのカレンダーフィルム及びこれらの積層体として形成したか、又はシート押出し成形用ダイ及び急冷ロールからの溶融流延フィルムとして形成したかに関わらず、幅出機により処理の流れ方向及びこれと交差する方向の双方又はいずれか一方に延伸してフィルム厚さ及び他の特性を変えることができる。
共有押出し成形用ダイ20により形成された3層の前駆体フィルム30は、種々の中間処理による特性変更の有無に関わらず、第1多孔性電極層集電部81及び第2多孔性電極層集電部83と一緒に、積層用ロール84及び85のニップ内に送給され完全なセル構造体を形成する。巻き取り形態の集電部は、巻き出し部80及び82から積層用ロールに送給される。
3層の前駆体フィルム30を含む5層のセル構造体86を、ロール40を通って、タンク44に入れられた抽出浴42内に送給する。次に5層のセル構造体をロール46に通してタンク44から取出す。3層の前駆体フィルム30を有する5層のセル構造体86の部分に含まれている殆ど全ての可塑剤が抽出浴42中で溶剤により除去される。抽出処理を行った5層のセル構造体をロール60に通して乾燥部88に入れ、そこで溶剤を揮発させる。
抽出処理を行った溶剤の含まれていない5層のセル構造体89を湿度制御環境90に通し、そこでセル構造体を適切な長さに切断し、これら切断片を個々のバッテリに組立て、電解質を導入し、他の最終組立処理を行う。セル構造体を適切な長さに切断した段階で、バッテリ製造工程の連続処理部分が終わりとなる。
抽出処理は、説明を容易にするためタンク44内で行うものとして説明した。しかし、抽出処理は、米国特許第4648417号明細書に記載されたものと同様の抽出装置で行うのが好ましい。抽出処理を行った後に、得られた複数層のセル構造体をさらにカレンダー処理して多孔度及び層の厚さを制御することができる。
連続して製造される(抽出処理前の)複数層(3層)セルアセンブリ30及び複数層(5層)電気化学セル構造体86をそれぞれ図3及び4に示す。図4から明らかなように、セル構造体86は、第1多孔性集電部81と、第1多孔性電極層52と、セパレータ層54と、第2多孔性電極層56と、第2多孔性集電部83とを有している。
本発明の複数層セル構造体を形成する方法は、連続的な一連の処理で、電極層及びセパレータ層を共有押出し成形し、集電部を積層し、可塑剤を抽出し、抽出溶剤を除去することにより行うのが好ましいが、これら処理は別々に行ってもよいし、又は様々に組み合わせてもよい。電極層及びセパレータ層を別々に形成する場合には、可塑剤を溶剤抽出する前に、これら電極及びセパレータ層を互いに積層し且つ関連する集電部と積層して隣接する層間の密着接合を促進するようにするのが好ましい。しかし、これら層の1層以上から個別の処理で可塑剤を抽出し、その後、抽出処理を行ったこれらの層を積層するのも望ましい。電極及びセパレータ層を個別に形成する場合には、各押出し成形機からのそれぞれの押出し成形物を、フィルムの厚さ及び他のパラメータの制御を補助するカレンダーロールに通すのが望ましい。好適なこのようなカレンダーロールは、米国特許第4734229号明細書に開示されている。可塑剤の溶剤抽出処理を行った後で、セルアセンブリを、当該技術分野において周知の湿度制御環境に通過させる。
電極及びセパレータフィルムを別々に形成したか、又は多重層のフィルムとして形成したかにかかわらず、フィルムからの可塑剤の抽出処理の前又は後であって集電部への積層の前に、処理の流れの方向、又はこれと交差する方向又はこれらの双方の方向にフィルムを延伸(伸張)することができる。
電気化学セルアセンブリを形成した後に、ウエブを適切な寸法に切断し、包装してバッテリ群を形成する。その後、包装したセルアセンブリに、当該技術分野において既知の方法により電解質を充填しこのセルアセンブリを封止する。
ウルトラキャパシタは、一方の電極を2重層(炭素)材料とし、他方の電極を擬似容量材料とすることにより製造することができる。このような装置は、しばしばハイブリッドキャパシタと称される。これまでに開発されたほとんどのハイブリッドキャパシタは、正電極における擬似容量材料として酸化ニッケルを使用していた。これら装置のエネルギー密度は、二重層キャパシタの場合と比べて著しく高くしうる。ハイブリッドキャパシタは、2種の非類似の混合金属酸化物又はドープした導電性ポリマー材料を用いて組み立てることもできる。
図5は、セパレータ層106がバッテリ状電極502と二重層電極104との間に位置する代表的なハイブリッドキャパシタ500を示す線図である。集電部108及び110はそれぞれ電極502及び104に隣接して位置している。
本発明は、その基礎を成す原理から逸脱することなく、上述した実施例の細部について多くの変形をなし得ること当業者にとって明らかであろう。従って本発明の範囲は特許請求の範囲からのみ決定されるべきものである。
Claims (19)
- 導電性の材料組成物を結合するポリマーマトリクスを有する自立微小孔性ポリマーウエブであって、このポリマーマトリクスは超高分子量ポリオレフィンを有し、前記導電性の材料組成物は炭質材料若しくは金属酸化物又はこれらの組み合わせを含んでおり、前記超高分子量ポリオレフィンが、自立特性を有する微小孔性ウエブを形成するのに充分な分子鎖の絡み合いを与える分子量を有している自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項1に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記超高分子量ポリオレフィンが超高分子量ポリエチレンである自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項2に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記超高分子量ポリエチレンが、約20体積%以下の量で存在している自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項1に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記炭質材料が、カーボンエーロゲル、活性炭素及び大表面積炭素のうちの1つである自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項1に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記金属酸化物が、酸化ルテニウム、酸化鉛、酸化タンタル、二酸化マンガン及び酸化ニッケルのうちの1つである自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項1に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記自立微小孔性ポリマーウエブが、さらに、当該ポリマーウエブに被着された金属層を有しており、これにより金属化した集電部が形成されている自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項6に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記金属層が、金属性格子体、有孔金属シート、金属フィルム及び金属箔のうちの1つを含む自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 請求項6に記載の自立微小孔性ポリマーウエブにおいて、前記金属層は、前記微小孔性ポリマーウエブ上に、金属スラリーを、スパッタリング堆積、無電解堆積、電解堆積、プラズマ溶射又はロール塗布することにより形成された金属フィルムを有するものであるか、或いは前記微小孔性ポリマーウエブに積層した多孔性又は無孔性金属箔を有するものである自立微小孔性ポリマーウエブ。
- 超高分子量ポリオレフィンの混合物をそれぞれ含んでいる第1及び第2多孔性電極層の間に位置したセパレータ層であって、前記第1及び第2多孔性電極層のそれぞれが、導電性の材料組成物を結合するポリマーマトリクスを有し、このポリマーマトリクスが、炭質材料と、金属酸化物と、これらの組み合わせとのうちの1つと、超高分子量ポリオレフィンとを含み、この超高分子量ポリオレフィンが、自立特性を有する微小孔性ウエブを形成するのに充分な分子鎖の絡み合いを与える分子量を有するようにした当該セパレータ層と、
一対の集電部であって、これら集電部が、前記第1及び第2多孔性電極層にそれぞれ結合されている当該集電部と、
これらの層と接触している電解質と
を有する複数の層を有するウルトラキャパシタ。 - 請求項9に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記超高分子量ポリオレフィンが超高分子量ポリエチレンであるウルトラキャパシタ。
- 請求項10に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記電極層中の前記超高分子量ポリエチレンが約20体積%以下の量で存在しているウルトラキャパシタ。
- 請求項9に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記セパレータ層が超高分子量ポリオレフィンを含んでいるウルトラキャパシタ。
- 請求項12に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記超高分子量ポリオレフィンが超高分子量ポリエチレンであるウルトラキャパシタ。
- 請求項9に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記材料組成物が、カーボンエーロゲル、酸化ルテニウム、二酸化マンガン、酸化ニッケル又は酸化タンタルのうちの1つを含むウルトラキャパシタ。
- 請求項9に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記第1及び第2多孔性電極層が擬似容量を呈するようになっているウルトラキャパシタ。
- 請求項9に記載のウルトラキャパシタにおいて、前記第1多孔性電極層が擬似容量を呈し、前記第2多孔性電極層が二重容量を呈するようになっているウルトラキャパシタ。
- 超高分子量ポリオレフィンと、可塑剤と、活性材料とを有する第1多孔性電極層を形成する工程と、
超高分子量ポリオレフィンと、可塑剤と、活性材料とを有する第2多孔性電極層を形成する工程と、
超高分子量ポリオレフィンと、可塑剤とを有するセパレータ層を形成する工程と、
前記第1多孔性電極層、前記第2多孔性電極層及び前記セパレータ層のうちの隣接する層の間に密着結合を形成し、前記セパレータ層が前記第1多孔性電極層と前記第2多孔性電極層との間に位置する多重層ウエブを形成する工程と、
一対の集電部のそれぞれの集電部を、前記第1多孔性電極層及び前記第2多孔性電極層にそれぞれ密着結合する工程と
を有するウルトラキャパシタ内に密着結合された層を形成する方法。 - 請求項17に記載のウルトラキャパシタ内に密着結合された層を形成する方法において、当該方法が、前記第1多孔性電極層、前記第2多孔性電極層及び前記セパレータ層を共有押出し成形する工程を有するウルトラキャパシタ内に密着結合された層を形成する方法。
- 請求項17に記載のウルトラキャパシタ内に密着結合された層を形成する方法において、当該方法が、前記第1細孔性電極層、前記第2細孔性電極層及び前記セパレータ層を互いに積層する工程を有するウルトラキャパシタ内に密着結合された層を形成する方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/975,288 US6704192B2 (en) | 1999-02-19 | 2001-10-10 | Electrically conductive, freestanding microporous sheet for use in an ultracapacitor |
PCT/US2002/032390 WO2003041098A1 (en) | 2001-10-10 | 2002-10-10 | Electrically conductive, freestanding microporous sheet for use in an ultracapacitor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005509285A true JP2005509285A (ja) | 2005-04-07 |
Family
ID=25522866
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003543045A Pending JP2005509285A (ja) | 2001-10-10 | 2002-10-10 | ウルトラキャパシタ用導電性自立微小孔性シート |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6704192B2 (ja) |
EP (1) | EP1440454A4 (ja) |
JP (1) | JP2005509285A (ja) |
KR (1) | KR20050035124A (ja) |
CN (1) | CN1565038A (ja) |
CA (1) | CA2460182A1 (ja) |
WO (1) | WO2003041098A1 (ja) |
Families Citing this family (41)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060163160A1 (en) * | 2005-01-25 | 2006-07-27 | Weiner Michael L | Halloysite microtubule processes, structures, and compositions |
US7425232B2 (en) * | 2004-04-05 | 2008-09-16 | Naturalnano Research, Inc. | Hydrogen storage apparatus comprised of halloysite |
US7180724B2 (en) * | 2004-09-30 | 2007-02-20 | Intel Corporation | Electrolytic polymer capacitors for decoupling power delivery, packages made therewith, and systems containing same |
US20060076354A1 (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-13 | Lanzafame John F | Hydrogen storage apparatus |
US7400490B2 (en) | 2005-01-25 | 2008-07-15 | Naturalnano Research, Inc. | Ultracapacitors comprised of mineral microtubules |
US20070044299A1 (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-01 | Cheng-Hsin Chen | Method of fabricating rechargeable batteries |
US20070128472A1 (en) * | 2005-10-27 | 2007-06-07 | Tierney T K | Cell Assembly and Casing Assembly for a Power Storage Device |
JP4878881B2 (ja) * | 2006-03-17 | 2012-02-15 | 日本ゴア株式会社 | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ |
US9564623B2 (en) * | 2006-09-27 | 2017-02-07 | Daramic Llc | Battery separator with a conductive layer for extending the cycle life of a battery |
US8202653B2 (en) * | 2006-10-23 | 2012-06-19 | Axion Power International, Inc. | Electrode with reduced resistance grid and hybrid energy storage device having same |
KR101050021B1 (ko) | 2006-10-23 | 2011-07-19 | 액시온 파워 인터네셔널, 인크. | 하이브리드 에너지 저장 장치용 음극 |
US20090035657A1 (en) * | 2006-10-23 | 2009-02-05 | Buiel Edward R | Electrode for Hybrid Energy Storage Device and Method of Making Same |
US20080113268A1 (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-15 | Buiel Edward R | Recombinant Hybrid Energy Storage Device |
WO2008094893A2 (en) * | 2007-01-29 | 2008-08-07 | Daramic Llc | An ultracapacitor and method of manufacturing the same |
US20090103242A1 (en) * | 2007-10-19 | 2009-04-23 | Axion Power International, Inc. | Electrode with Reduced Resistance Grid and Hybrid Energy Storage Device Having Same |
US20100056048A1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-03-04 | Cooper Technologies Company | Supercapacitor Device For Ultra Low Frequency Transmission System |
US20100056045A1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-03-04 | Cooper Technologies Company | Ultra Low Frequency-Based Radio Transmission System |
WO2010051540A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | The Curators Of The University Of Missouri | Convection battery configuration for connective carbon matrix electrode |
KR101031018B1 (ko) * | 2009-02-03 | 2011-04-25 | 삼성전기주식회사 | 전이금속 산화물 에어로젤을 이용한 하이브리드 수퍼커패시터 |
KR101024940B1 (ko) * | 2009-02-03 | 2011-03-31 | 삼성전기주식회사 | 표면 산화된 전이금속질화물 에어로젤을 이용한 하이브리드수퍼커패시터 |
US8405955B2 (en) | 2010-03-16 | 2013-03-26 | Corning Incorporated | High performance electrodes for EDLCS |
KR101120053B1 (ko) * | 2010-06-04 | 2012-03-22 | 삼화콘덴서공업주식회사 | 복합전극을 이용한 하이브리드 슈퍼 커패시터 |
CN101901694A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-12-01 | 万星光电子(东莞)有限公司 | 超级电容器电极片 |
TWI462134B (zh) * | 2010-07-13 | 2014-11-21 | Starzeon Electronics Dongguan Co Ltd | 超級電容器電極片 |
WO2013090927A1 (en) | 2011-12-16 | 2013-06-20 | Calgon Carbon Corporation | Double layer capacitors |
FR2985598B1 (fr) * | 2012-01-06 | 2016-02-05 | Hutchinson | Composition carbonee pour electrode de cellule de supercondensateur, electrode, son procede de fabrication et cellule l'incorporant. |
CN102903529A (zh) * | 2012-09-10 | 2013-01-30 | 吉林大学 | 高能量密度的水系三维多孔钛基二氧化铅/活性碳非对称型超级电容器 |
US9892865B2 (en) | 2012-10-17 | 2018-02-13 | Ramot At Tel Aviv University Ltd. | Super hybrid capacitor |
US9595398B2 (en) | 2013-08-30 | 2017-03-14 | Corning Incorporated | Low resistance ultracapacitor electrode and manufacturing method thereof |
JPWO2016121510A1 (ja) * | 2015-01-28 | 2017-08-31 | 日立化成株式会社 | 鉛蓄電池及びそれを備える自動車 |
TWI570755B (zh) * | 2015-04-01 | 2017-02-11 | 欣興電子股份有限公司 | 電容器及其製作方法 |
US9805875B2 (en) * | 2015-05-06 | 2017-10-31 | Unimicron Technology Corp. | Capacitor and manufacturing method thereof |
WO2017075554A1 (en) | 2015-10-29 | 2017-05-04 | Golfetto Michael | Methods freeze drying and composite materials |
CN105296973B (zh) * | 2015-12-01 | 2018-03-09 | 中北大学 | 一种超高分子量聚乙烯粉末表面化学镀镍方法 |
KR102149591B1 (ko) | 2016-01-27 | 2020-08-28 | 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드 | 보강된 에어로겔 복합재를 포함하는 적층체 |
CN106025247B (zh) * | 2016-06-30 | 2019-08-02 | 天津工业大学 | 柔性纳米多孔金属箔电极及其制备方法 |
KR101911607B1 (ko) | 2016-12-21 | 2018-10-25 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 이차전지 세퍼레이터 제조용 조성물 및 그 이차전지 |
CN110323392A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 北京国能电池科技股份有限公司 | 可充电电池及其制备方法与用电设备 |
RU188123U1 (ru) * | 2018-12-11 | 2019-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Камский кабель" | Силовой кабель с комбинированной изоляцией |
CN115149205A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-10-04 | 中材锂膜(宁乡)有限公司 | 一种基于吹膜工艺的湿法锂电池隔膜的制备方法及系统 |
CN116315423B (zh) * | 2023-03-29 | 2023-12-19 | 南京贝迪新材料科技股份有限公司 | 一种改性聚乙烯锂电池隔膜的制备装置及方法 |
Family Cites Families (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0205856B1 (en) | 1985-05-10 | 1991-07-17 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Secondary battery |
US5143805A (en) | 1986-03-24 | 1992-09-01 | W. R. Grace & Co.-Conn: | Cathodic electrode |
US5230949A (en) * | 1987-12-21 | 1993-07-27 | Entek Manufacturing Inc. | Nonwoven webs of microporous fibers and filaments |
US5028500A (en) | 1989-05-11 | 1991-07-02 | Moli Energy Limited | Carbonaceous electrodes for lithium cells |
US5047283A (en) * | 1989-09-20 | 1991-09-10 | Ppg Industries, Inc. | Electrically conductive article |
US5714279A (en) | 1989-10-24 | 1998-02-03 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Non-aqueous lithium cells |
US5460904A (en) | 1993-08-23 | 1995-10-24 | Bell Communications Research, Inc. | Electrolyte activatable lithium-ion rechargeable battery cell |
US5418091A (en) | 1993-03-05 | 1995-05-23 | Bell Communications Research, Inc. | Polymeric electrolytic cell separator membrane |
US5296318A (en) | 1993-03-05 | 1994-03-22 | Bell Communications Research, Inc. | Rechargeable lithium intercalation battery with hybrid polymeric electrolyte |
US5879836A (en) | 1993-09-10 | 1999-03-09 | Hyperion Catalysis International Inc. | Lithium battery with electrodes containing carbon fibrils |
US5748438A (en) * | 1993-10-04 | 1998-05-05 | Motorola, Inc. | Electrical energy storage device having a porous organic electrode |
US5748439A (en) * | 1995-06-06 | 1998-05-05 | Telectronics Pacing Systems, Inc. | Capacitors having high strength electrolytic capacitor separators |
US5751541A (en) * | 1995-07-05 | 1998-05-12 | Motorola, Inc. | Polymer electrodes for energy storage devices and method of making same |
EP0781815B1 (en) * | 1995-07-13 | 2010-11-17 | AZ Electronic Materials USA Corp. | Composition for forming ceramic substances and process for producing ceramic substances |
US5744264A (en) | 1996-06-13 | 1998-04-28 | Valence Technology, Inc. | Lithium ion electrochemical cell |
US5871865A (en) | 1997-05-15 | 1999-02-16 | Valence Technology, Inc. | Methods of fabricating electrochemical cells |
US6171723B1 (en) | 1997-10-10 | 2001-01-09 | 3M Innovative Properties Company | Batteries with porous components |
US5910378A (en) | 1997-10-10 | 1999-06-08 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Membrane electrode assemblies |
US6212062B1 (en) | 1998-09-29 | 2001-04-03 | General Electric Company | Sealed ultracapacitor |
US6212061B1 (en) * | 1998-09-29 | 2001-04-03 | General Electric Company | Sealing an ultracapacitor |
US6201685B1 (en) * | 1998-10-05 | 2001-03-13 | General Electric Company | Ultracapacitor current collector |
KR20010102230A (ko) * | 1999-02-19 | 2001-11-15 | 쿤츠 조엘 | 전기 전도성이고 자립성인 미공성 중합체 시트 |
US6433996B1 (en) * | 1999-03-23 | 2002-08-13 | Nisshinbo Industries, Inc. | Electrolyte composition for electric double layer capacitor, solid polymer electrolyte, composition for polarizable electrode, polarizable electrode, and electric double layer capacitor |
US6252762B1 (en) * | 1999-04-21 | 2001-06-26 | Telcordia Technologies, Inc. | Rechargeable hybrid battery/supercapacitor system |
WO2001057940A2 (en) * | 2000-02-04 | 2001-08-09 | Amtek Research International Llc | Freestanding microporous separator including a gel-forming polymer |
-
2001
- 2001-10-10 US US09/975,288 patent/US6704192B2/en not_active Expired - Lifetime
-
2002
- 2002-10-10 EP EP02778500A patent/EP1440454A4/en not_active Withdrawn
- 2002-10-10 WO PCT/US2002/032390 patent/WO2003041098A1/en not_active Application Discontinuation
- 2002-10-10 CA CA002460182A patent/CA2460182A1/en not_active Abandoned
- 2002-10-10 CN CNA028197178A patent/CN1565038A/zh active Pending
- 2002-10-10 JP JP2003543045A patent/JP2005509285A/ja active Pending
- 2002-10-10 KR KR1020047005128A patent/KR20050035124A/ko not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2460182A1 (en) | 2003-05-15 |
CN1565038A (zh) | 2005-01-12 |
EP1440454A1 (en) | 2004-07-28 |
WO2003041098A1 (en) | 2003-05-15 |
EP1440454A4 (en) | 2005-12-28 |
US20020080553A1 (en) | 2002-06-27 |
US6704192B2 (en) | 2004-03-09 |
KR20050035124A (ko) | 2005-04-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2005509285A (ja) | ウルトラキャパシタ用導電性自立微小孔性シート | |
US6524742B1 (en) | Electrically conductive, freestanding microporous polymer sheet | |
US11362372B2 (en) | Secondary cell with high recharging efficiency and long term stability | |
US9985260B2 (en) | Separator for electrochemical device and electrochemical device including the separator | |
JP7461877B2 (ja) | 多層電極膜のための組成物および方法 | |
CN111436199A (zh) | 用于具有改善性能的能量存储装置的组合物和方法 | |
US20050186479A1 (en) | Separator for electronic component and method for producing the same | |
US8268056B2 (en) | Method for manufacturing separator, separator manufactured by the method and method for manufacturing electrochemical device including the separator | |
WO1997008763A1 (en) | Cell and production method thereof | |
JP2002541633A (ja) | 非水系バッテリに用いる細孔質電極又は隔壁及びその製造方法 | |
KR20150002666A (ko) | 에너지 저장장치용 전극과 그 제조방법 | |
JPS63250055A (ja) | カソード | |
KR101635763B1 (ko) | 울트라커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 울트라커패시터 | |
KR20170103208A (ko) | 분리막과 음극의 계면 접착력이 향상된 전극 조립체 | |
JP4209986B2 (ja) | ポリオレフィン系微多孔膜二次電池用セパレータ | |
US20120154981A1 (en) | Hybrid solid electrolyte membrane, method of manufacturing the same, and lithium ion capacitor comprising the same | |
EP1261046B1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Separator/ Elektrodenverbundes für galvanische Elemente | |
KR102013173B1 (ko) | 울트라커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 울트라커패시터 | |
JP7425983B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ | |
IL302201A (en) | An advanced device for storing lithium ion energy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050908 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080318 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20081007 |