JP2006004814A - 集電体及び集電体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電荷供給デバイスの蓄積容量をさらに向上させる。
【解決手段】 電荷供給デバイスに備えられる一対の電極２を有し、夫々正極及び負極を構成し、導電材料からなる多孔質集電板２１と、当該多孔質集電板２１に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層２２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集電体及び集電体の製造方法に関するものである。

近年、電気自動車や携帯電話等の装置に、バッテリの代わりにさらに電気エネルギの入出力特性に優れたキャパシタ（電荷供給デバイス）を搭載する試みがなされている。このようなキャパシタは、当然、電気エネルギの蓄積容量が多い方が好ましく、このため、キャパシタの蓄積容量をより多くするための様々な技術が提案されている。
キャパシタの容積容量をより多くするための手段としては、電解液中に浸漬される一対の集電体の比表面積を広くすることによって集電体に吸着するイオンを増やすことが考えられる。この具現案として、キャパシタの電極の一部に、カーボンナノチューブを用いる技術がある。この技術は、短く破断されたカーボンナノチューブを結合材を用いて金属物質からなる集電板に固着させ、これを集電体として用いることによって、集電体の比表面積を広くするものである。また、集電板に直接カーボンナノチューブを析出させる技術も提案されている。
特開２００２−２４２０２６号公報 特開２００１−３０７９５１号公報 特表２００２−５２６９１３号公報 特表２０００−５１０９９９号公報 特開２００２−２９８６０号公報 特開２００１−２３３６７４号公報 特開２０００−１２４０７９号公報 特開平１１−４０７６７号公報

上述した技術によれば、キャパシタの蓄積容量を多くすることが可能となる。しかしながら、実際の装置に搭載するためには、一回の充電で使用できる時間等の問題から、まだまだ十分な蓄積用量とは言えない。このため、さらにキャパシタの蓄積容量を多くする技術が要求されている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電荷供給デバイスの蓄積容量をさらに向上させる集電板及び集電板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、集電体に係る第１の手段として、電荷供給デバイスに備えられる集電体であって、導電材料からなる多孔質集電板と、当該多孔質集電板に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層とを備えるという構成を採用する。

集電体に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記グラファイト繊維質層は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールによって形成されているという構成を採用する。

集電体に係る第３の手段として、上記第２の手段において、上記多孔質集電板がコバルトあるいはニッケルを含み、上記グラファイト繊維質層と上記多孔質集電板とが化学的に結合されているという構成を採用する。

集電体に係る第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記電荷供給デバイスは、電池である上記電荷供給デバイスは、キャパシタであるという構成を採用する。

集電体に係る第５の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記電荷供給デバイスは、電池であるという構成を採用する。

集電体に係る第６の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記電荷供給デバイスがニッケル水素電池である場合に、上記多孔質集電板は、メッシュメタルからなるという構成を採用する。

集電体の製造方法に係る第１の手段として、電荷供給デバイスに備えられる集電体の製造方法であって、粉末状の導電材料を圧延処理することによって多孔質集電板を形成する多孔質集電板形成工程と、上記多孔質集電板に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層を形成するグラファイト繊維質層形成工程とを有するという構成を採用する。

集電体の製造方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記グラファイト繊維質層形成工程において、上記多孔質集電板の表面に対してコバルト粉末あるいはニッケル粉末を配置し、これらコバルト粉末あるいはニッケル粉末を触媒としてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出するという構成を採用する。

集電体の製造方法に係る第３の手段として、上記第１の手段において、上記多孔質集電板形成工程において、粉末状の上記導電材料としてコバルト粉末あるいはニッケル粉末を含む導電材料を用い、上記グラファイト繊維質層形成工程において、上記多孔質集電体に含まれる上記コバルト粉末あるいは上記ニッケル粉末を触媒としてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出するという構成を採用する。

集電体の製造方法に係る第４の手段として、上記第１の手段において、上記電荷供給デバイスがニッケル水素電池である場合に、上記導電材料としてメッシュメタルを用いるという構成を採用する。

本発明の集電体によれば、集電板として多孔質集電板が用いられているため、集電板の集電効率が向上させることができる。したがって、本発明の集電板によれば電荷供給デバイスの蓄積容量をさらに向上させることが可能となる。
また、本発明の集電体の製造方法によれば、粉末状の導電材料を圧延処理することによって多孔質集電板が形成されるため、容易に多孔質の集電板を形成することができる。したがって、本発明の集電体の製造方法によれば、容易に多孔質集電板を備える集電体を製造することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る集電体及び集電体の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材及び各層を認識可能な大きさとするために、各部材及び各層の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、キャパシタ１（電荷供給デバイス）の全体構成を表した概略図である。この図において、符号２は電極、３はセパレータ、４は電源、５はスイッチであり、これらの部材によってキャパシタ１は構成されている。
このキャパシタ１は、例えば携帯電話等の装置にバッテリの変わりに搭載され、このような装置に対して電荷を供給するためのものであり、いわゆるスーパーキャパシタと呼ばれるものである。

本キャパシタ１は、２つで一対の電極２を有している。この電極２は、各々正電極、負電極を構成するものであり、水酸化カリウム等の電解液６中に浸漬された状態で対向配置されるものである。
このような電極２は、各々集電板２１（多孔質集電板）とグラファイト繊維質層２２とから構成されている。すなわち、本実施形態のキャパシタ１においては、本発明の集電体そのものが電極２として用いられている。
集電板２１は、導電材料からなる板状部材（あるいはシート状部材）であり、微細な孔が多数存在する多孔体として構成されている。なお、導電材料としては、導電率の高いアルミニウムを主として用いることができるが、本実施形態のキャパシタ１における集電板２１は、アルミニウムとコバルトとを含んで構成されている。
グラファイト繊維質層２２は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールの集合体によって形成されており、集電板２１に対して接触して配置されている。また、本実施形態のキャパシタ１においては、グラファイト繊維質層２２と集電板２１とは、結合材を用いず化学的に結合されている。

セパレータ３は、電極２，２間に配置されることによって、電極２，２同士が接触することに起因するキャパシタ１の短絡を防止する絶縁材である。また、このセパレータ３は、電解液６が通り抜けられるような不織布や多孔質フィルム等から構成されている。
また、集電板２１，２１同士は、電解液６の外部に配される配線７によって電気的に接続されている。この配線７の途中部位には、電源４及びスイッチ５が配されている。

このように構成されたキャパシタ１において、スイッチ５が接続され電源４から電圧及び電流が電極２に印加されると、電解液６中の陰イオン及び陽イオンが分離されて、電極２に吸着される。
ここで、本実施形態のキャパシタ１においては、集電板２１が多孔質体として構成されている。このため、従来のキャパシタが備える平板状の集電板と比較して、本実施形態の集電板２１の比表面積が広くなる。したがって、本実施形態のキャパシタ１及び電極２は、従来のキャパシタ及び電極と比較して、より多くのイオンを吸着でき、キャパシタ１の蓄積容量をさらに向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係るキャパシタ１では、グラファイト繊維質層２２が集電板２１と化学的に結合されているため、結合材を用いてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを集電板２１に物理的に結合した場合と比較して内部抵抗を減らすことが可能となる。
しかしながら、本発明は、結合材を用いてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを集電板２１に物理的に結合した集電体を除外するものではない。

なお、上述したグラファイト繊維質層２２には、焼結等の活性化処理が施されることが好ましい。これによって、グラファイト繊維質層２２が酸化され、表面がざらざらとなり、さらにグラファイト繊維質層２２の電解液６に対する比表面積を広くすることができる。

次に、このようなキャパシタ１の製造方法について説明する。

図２は、集電板２１の形成工程（多孔質集電板形成工程）を説明するための模式図である。
多孔質体として構成される集電板２１は、粉末状の導電材料を圧延処理することによって形成される。具体的には、図２に示すように、アルミニウム粉末Ｘ１とコバルト粉末Ｘ２とを一対のロール４１，４１間に供給し、当該ロール４１，４１間において冷間圧延することによって形成される。なお、このようにして形成された集電板２１に対して、４００°程度の温度環境で焼結処理を行うことが好ましい。このような焼結処理を行うことによって、集電板２１の剛性が向上する。また、焼結処理を行うことによって、コバルト粉末Ｘ２がアルミニウム粉末Ｘ１に拡散するとともに、一部が合金化される。このように、一部が合金化されることによって、集電板２１の耐熱性能が向上され、後述するシートプラズマＣＶＤ装置内における集電板２１の損傷が抑止される。

次に、上述のようにして形成された集電板２１に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層２２を形成する（グラファイト繊維質層形成工程）。
図３は、グラファイト繊維質層２２を形成するためのシートプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置３０の概略図である。この図において、符号３１は筐体、３２はプラズマ銃、３３は正電極、３４はコイル、３５は散気管、３６はヒータ、３７は基板である。

筐体３１は、所定の大きさを有する箱状の部材であり、その内部が真空雰囲気に保たれるものである。この筐体３１の一方側（図３における左側）の側部には、図示するようにプラズマ銃３２が設置されている。
このプラズマ銃３２は、筐体３１の高さ方向（図３おける上下方向）におけるほぼ中央部に設置されている。そして、このプラズマ銃３２の内部には、負電極３２ａが配されており、かつ、キャリアガスとして用いられるアルゴンガスが供給される。
正電極３３は、筐体１の内部においてプラズマ銃３２と対向するように、筐体３１の他方側の側部近傍に配置されている。
そして、これらプラズマ銃３２及び正電極３３に電圧及び電流が印加されることによって、プラズマ銃３２と正電極３３との間にアルゴンガスをキャリアガスとするプラズマＰが生成される。

コイル３４は、図示するように、筐体１の外面の適所に複数設置されており、自らが発生する磁場によって、プラズマＰを水平なシート状に形成するものである。散気管３５は、筐体１内において、このシート状のプラズマＰの上方に配されており、外部から供給される所定ガスを下方に向けて噴出するものである。この所定ガスとしては、炭素成分を含むメタンガス等や水素ガスを用いる。

また、ヒータ３６及び基板３７は、筐体１内において、シート状のプラズマＰの下方に配されている。ヒータ３６は自らの上に載置された基板３７を加温するものであり、支持部材３８によって筐体１に支持されている。
したがって、散気管３５から噴出された所定ガスはプラズマＰを介して基板３７に吹付けられる。

このように構成されたシートプラズマＣＶＤ装置３０によって、上記集電板２１の一方側の表面にカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出させる。
具体的には、まずニッケル等の導電性物質からなる集電板２１を基板３７上に載置する。この状態でプラズマ銃３２の負電極３２ａ及び正電極３３に電圧及び電流が印加されることによってシート状のプラズマＰが生成され、さらに散気管３５から水素ガスがプラズマＰを介して集電板２１に対して吹付けられる。そして、この水素ガスは、プラズマＰによって励起・分解されることによってイオン化し、集電板２１の一方側の面に付着する。これによって、集電板２１の一方側の面が還元処理される。

続いて、ヒータ３６によって基板３７を介して集電板２１が５００〜８００℃に加温され、この状態において散気管３５からメタンガスがプラズマＰを介して集電板２１に対して吹付けられる。このメタンガスも水素ガスと同様にプラズマＰによって励起・分解されることによってイオン化し、集電板２１の一方側の面に付着する。このようにして、メタンガスがプラズマＰを介して吹付けられることによって、集電板２１の一方側の面には、複数のカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールが析出する。なお、これらのカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールは、集電板２１に含まれるコバルト粉末を触媒として析出する。そして、このようにしてコバルト粉末を触媒として析出したカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールは、集電板２１に対して化学的に結合されたものとなる。したがって、本実施形態のキャパシタの製造方法によれば、集電板２１とグラファイト繊維質層２２とが化学的に結合された電極２（集電体）を製造することができる。

なお、例えば、集電板２１の加熱温度を６００℃程度とすることによってカーボンナノチューブを析出することができ、集電板２１の加熱温度を７００℃程度とすることによって、カーボンナノウォールを析出することができる。なお、途中で温度条件を変化させることで、例えば、カーボンナノチューブとカーボンナノウォールとが混ざったグラファイト繊維質層２２を形成することもできる。
また、上述のようにカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールはコバルト粉末を触媒として析出する。このため、コバルト粉末Ｘ２はアルミニウム粉末Ｘ１よりも粒径が小さいことが好ましい。このようにコバルト粉末Ｘ２の粒径をアルミニウム粉末Ｘ１の粒径よりも小さくすることによって、同様の質量比率でコバルト粉末Ｘ２とアルミニウム粉末Ｘ１とを用いた場合であっても、より多くのコバルト粉末Ｘ２が集電板２１の表層に存在することとなる。したがって、より多くのカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出することが可能となる。

そして、以上の工程によって、本実施形態の電極２すなわち本発明の集電体が製造される。すなわち、本発明の集電体の製造方法は、本実施形態において、上述の多孔質集電体形成工程及びグラファイト繊維質層形成工程を有して構成されている。

そして、この電極２を２つ形成し、これらの電極２，２の間にセパレータ３を配置し、電解液６が溜められたキャパシタ用筐体（不図示）に収納し、電極２，２同士を電解液６の外部において配線７によって接続し、さらに配線７の途中部位に電源４及びスイッチ５を配置することで、図１に示すような、集電板２１とこの集電板２１に析出したグラファイト繊維質層２２とを電極２とする本実施形態に係るキャパシタ１が組立てられ製造される。

なお、上述のように、グラファイト繊維質層２２に対して活性化処理を施す場合には、キャパシタ１を組立てる前に、グラファイト繊維質層２２を水蒸気雰囲気中で焼結等によって酸化させる。

このような本実施形態のキャパシタの製造方法によれば、粉末状の導電材料Ｘ１，Ｘ２を圧延処理することによって集電板２１が形成されるため、容易に多孔質の集電板２１を形成することができる。したがって、容易に集電板が多孔質体とされた電極２を製造することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、図１を参照して説明を行い、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

本第２実施形態のキャパシタ１は、集電板２１がアルミニウムのみによって形成されており、この集電板２１の表面にコバルト粉末（図１において不図示）が付着されている。そして、グラファイト繊維質層２２のカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールが集電板２１の表面に付着配置されたコバルト粉末を触媒として析出されている。

このような構成を有する本第２実施形態のキャパシタ１においても、集電板２１が多孔質体として構成されている。このため、従来のキャパシタが備える平板状の集電板と比較して、本実施形態の集電板２１の比表面積が広くなる。したがって、本第２実施形態のキャパシタ１及び電極２は、従来のキャパシタ及び電極と比較してより多くのイオンを吸着でき、キャパシタ１の蓄積容量をさらに向上させることが可能となる。
また、本第２実施形態のキャパシタ１における集電板２１は、アルミニウムのみによって、形成されているため、コバルトとアルミニウムとを含む電極２を有する上記第１実施形態のキャパシタ１よりも電極２の導電率を向上させることが可能となる。

なお、このような本第２実施形態のキャパシタ１を製造する場合には、アルミニウム粉末のみをロール２１，２２間で冷間圧延することによって集電板２１を形成し、当該集電板２１の表面にコバルト粉末を含む溶媒（例えばコバルト酢酸）を塗布した後に溶媒成分のみを蒸発させることによって集電板２１の表面にコバルト粉末を付着配置する。その後、集電板２１の表面に付着配置されたコバルト粉末を触媒としてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出することによってグラファイト繊維質層２２を形成する。

（第３実施形態）
図４は、電極Ｅを積載し、円筒に形状設定されたニッケル水素電池５０（電荷供給デバイス）の斜視図である。Ｅ１は負電極、Ｅ２は正電極、５１はセパレータ、５２は電槽（負極端子）、５３は正極端子、５４は封口板である。

負電極Ｅ１と正電極Ｅ２はセパレータ５１をはさんだ状態で多重巻回され円筒状の電槽（負極端子）５２内に収納されており、また電槽５２内は電解液に満たされている。電槽５２の上端は開口部が形成されており、該開口部は中央に正極端子５３が設けられると共に電槽５２に対して絶縁された封口板５４によって封止されている。また、負電極Ｅ１は電槽５２に接続され、また正電極Ｅ２は正極端子５３に接続されており、負電極Ｅ１と正電極Ｅ２は電解液を介して直列回路を構成している。

そして、本第３実施形態のニッケル水素電池５０は、電極Ｅの一部として、上記第１及び第２実施形態のキャパシタ１が備える集電体（上記第１及び第２実施形態における電極２）を有している。具体的には、正電極Ｅ１は集電体と当該集電体に圧着される水酸化ニッケル粉末（活物質）とを備えて構成され、負電極Ｅ２は集電体と当該集電体に圧着される水素吸蔵合金粉末（活物質）とを備えて構成される。

このような構成を有する本第３実施形態のニッケル水素電池５０においても、集電体が備える集電板が多孔質体として構成されているため、従来のニッケル水素電池よりも蓄積容量をさらに向上させることが可能となる。

なお、本発明の集電体をニッケル水素電池５０の負電極Ｅ２に応用する場合には、集電板をメッシュメタルによって形成することができる。このように集電板をメッシュメタルによって形成した場合には、集電板に水素吸蔵合金（活物質）の機能を担わせることが可能となるため、集電体そのものを負電極Ｅ２として用いることができる。なお、ここで言うメッシュメタルとは、鉱山等で採取した合金の塊を精錬する前に還元状態で溶かしたものであり、希土類とニッケルまたはコバルトとを含む水素吸蔵合金の一種である。
このようなメッシュメタルによって集電板を形成する場合には、メッシュメタルを粉末状にした後に圧延処理することによって形成することができる。

なお、メッシュメタルが含む希土類は、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールの析出を促進させるため、メッシュメタルによって集電体を形成した場合には、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールの析出を促進させることが可能となる。また、このような希土類を上記第１及び第２実施形態の集電板２１を形成する際の導電材料に混合することによって、上記第１及び第２実施形態におけるカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールの析出を促進させることも可能である。

以上、図１〜図４を参照しながら本発明に係る集電体及び集電体の製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出させるための触媒としてコバルトを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出させるための触媒としてニッケルを用いることもできる。
また、集電板２１をニッケルによって形成することによって、触媒を必要としない集電板を形成することもできる。この場合には、集電板２１にコバルトを含む必要はなくなる。

本発明の第１実施形態のキャパシタの全体構成を示した概略図である。 集電板の形成工程を説明するための模式図である。 グラファイト繊維質層を形成するためのシートプラズマＣＶＤ装置の概略図である。 本発明の第３実施形態のニッケル水素電池の斜視図である。

符号の説明

１……キャパシタ（電荷供給デバイス）
２……電極（集電体）
２１……集電板（多孔質集電板）
２２……グラファイト繊維質層
５０……ニッケル水素電池（電荷供給デバイス）

Claims (10)

1. 電荷供給デバイスに備えられる集電体であって、
   導電材料からなる多孔質集電板と、
   当該多孔質集電板に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層と
   を備えることを特徴とする集電体。
2. 前記グラファイト繊維質層は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールによって形成されていることを特徴とする請求項１記載の集電体。
3. 前記多孔質集電板がコバルトあるいはニッケルを含み、前記グラファイト繊維質層と前記多孔質集電板とが化学的に結合されていることを特徴とする請求項２記載の集電体。
4. 前記電荷供給デバイスは、キャパシタであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の集電体。
5. 前記電荷供給デバイスは、電池であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の集電体。
6. 前記電荷供給デバイスがニッケル水素電池である場合に、前記多孔質集電板は、メッシュメタルからなることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の集電体。
7. 電荷供給デバイスに備えられる集電体の製造方法であって、
   粉末状の導電材料を圧延処理することによって多孔質集電板を形成する多孔質集電板形成工程と、
   前記多孔質集電板に対して接触して配置されるグラファイト繊維質層を形成するグラファイト繊維質層形成工程と
   を有することを特徴とする集電体の製造方法。
8. 前記グラファイト繊維質層形成工程において、前記多孔質集電板の表面に対してコバルト粉末あるいはニッケル粉末を配置し、これらコバルト粉末あるいはニッケル粉末を触媒としてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出することを特徴とする請求項７記載の集電体の製造方法。
9. 前記多孔質集電板形成工程において、粉末状の前記導電材料としてコバルト粉末あるいはニッケル粉末を含む導電材料を用い、
   前記グラファイト繊維質層形成工程において、前記多孔質集電体に含まれる前記コバルト粉末あるいは前記ニッケル粉末を触媒としてカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを析出することを特徴とする請求項７記載の集電体の製造方法。
10. 前記電荷供給デバイスがニッケル水素電池である場合に、前記導電材料としてメッシュメタルを用いることを特徴とする請求項７記載の集電体の製造方法。
    
    
    

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