JP2006128150A - 電気二重層キャパシタ及び電解質電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】量産性があり、内部抵抗が小さな分極性電極を用いた電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】電気二重層キャパシタは、溶媒に炭素系材料及び導電性高分子化合物を混合した溶液を作り、該溶液を集電電極3、30となる集電電極構成片35上に塗布されて乾燥させ、該集電電極構成片35上に分極性電極20、21となる分極性電極構成片25を形成する工程と、集電電極構成片35及び分極性電極構成片25を切断して、分極性電極20、21と集電電極3、30を得る工程を経て形成される。
【選択図】図２
【解決手段】電気二重層キャパシタは、溶媒に炭素系材料及び導電性高分子化合物を混合した溶液を作り、該溶液を集電電極3、30となる集電電極構成片35上に塗布されて乾燥させ、該集電電極構成片35上に分極性電極20、21となる分極性電極構成片25を形成する工程と、集電電極構成片35及び分極性電極構成片25を切断して、分極性電極20、21と集電電極3、30を得る工程を経て形成される。
【選択図】図２
Description
本発明は、電気二重層キャパシタ及び電解質電池の製造方法に関する。
充放電特性に優れたデバイスとして、電気二重層キャパシタがある。図１は、従来の電気二重層キャパシタ(１)を構成するセル(２)の断面図である(例えば、特許文献１参照)。これは、一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を挟んで重ね、各分極性電極(20)(21)の外側に金属製の集電電極(３)(30)を取り付けている。分極性電極(20)(21)は、粉末状又は繊維状の活性炭にポリピロール等の導電性高分子化合物を加えて、結合材を加えて圧粉成形にてにて固めて構成される。分極性電極(20)(21)内には、硫酸等の電解液が含浸されている。
分極性電極(20)(21)の周部は、樹脂製の封止部材(４)にて塞がれ、該封止部材(４)により、電解液がセル(２)の外側に漏れることを防いでいる。
充電時には、一方の集電電極(３)を電源の正側、他方の集電電極(30)を電源の負側に接続して、直流電圧を印加する。正側の集電電極(３)に接した分極性電極(20)には負イオンが、負側の集電電極(30)に接した分極性電極(21)には正イオンが夫々引きつけられ、各分極性電極(20)(21)に電気二重層が形成される。
放電時には、集電電極(３)(30)間を電気的に接続する。各分極性電極(20)(21)に蓄積された電荷が放出される。
分極性電極(20)(21)の周部は、樹脂製の封止部材(４)にて塞がれ、該封止部材(４)により、電解液がセル(２)の外側に漏れることを防いでいる。
充電時には、一方の集電電極(３)を電源の正側、他方の集電電極(30)を電源の負側に接続して、直流電圧を印加する。正側の集電電極(３)に接した分極性電極(20)には負イオンが、負側の集電電極(30)に接した分極性電極(21)には正イオンが夫々引きつけられ、各分極性電極(20)(21)に電気二重層が形成される。
放電時には、集電電極(３)(30)間を電気的に接続する。各分極性電極(20)(21)に蓄積された電荷が放出される。
上記構成では、分極性電極(20)(21)を集電電極(３)(30)に取り付ける工程が必要であり、工程が増加していた。また、圧粉成形では、集電電極(３)(30)上に、分極性電極(20)(21)を厚みがバラ付くことなく形成することが難しく、量産化に支障がある。更に、分極性電極(20)(21)を形成した後に、結合材が分極性電極(20)(21)内部に残り、内部抵抗を増加させる問題がある。
本発明の目的は、量産性があり、内部抵抗が小さな分極性電極を用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。
本発明の目的は、量産性があり、内部抵抗が小さな分極性電極を用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。
電気二重層キャパシタは、溶媒に炭素系材料及び導電性高分子化合物を混合した溶液を作り、該溶液を集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布されて乾燥させ、該集電電極構成片(35)上に分極性電極(20)(21)となる分極性電極構成片(25)を形成する工程と、
集電電極構成片(35)及び分極性電極構成片(25)を切断して、分極性電極(20)(21)と集電電極(３)(30)を得る工程を経て形成される。
集電電極構成片(35)及び分極性電極構成片(25)を切断して、分極性電極(20)(21)と集電電極(３)(30)を得る工程を経て形成される。
１．炭素系材料及び導電性高分子化合物の混合溶液は、集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布されて乾燥される。即ち、分極性電極(20)(21)を集電電極(３)(30)に取り付ける工程が不要となり、工程削減及びコスト削減を図ることができる。また、集電電極(３)(30)上に分極性電極(20)(21)を、厚みがバラ付くことなく形成することができ、量産性が高くなる。
２．本発明の方法では、分極性電極(20)(21)を形成する際に、結合材が不要となる。従って、結合材が残存して内部抵抗が増加する問題はない。
２．本発明の方法では、分極性電極(20)(21)を形成する際に、結合材が不要となる。従って、結合材が残存して内部抵抗が増加する問題はない。
本例の電気二重層キャパシタの構成は、図１に示す従来のものと同じであり、封止部材(４)にはテフロン(登録商標)を用いている。本発明は、電気二重層キャパシタの製造方法に特徴がある。
本例の電気二重層キャパシタにあっては、２つの分電性電極(20)(21)の両方に導電性高分子化合物を加えた電極を用いても、一方の分電性電極(20)のみに導電性高分子化合物を加えた電極を用いてもよい。一方の分電性電極(20)のみに導電性高分子化合物を加えた電極を用いる場合、他方の分電性電極(21)は表面積の大きな導電性物質、例えば粉末状又は繊維状の多孔性活性炭を使用すればよい。
本例で使用する導電性高分子は、有機溶媒に分散しやすいポリアニリン又はその誘導体であり、有機溶媒に分散しやすいため多孔性炭素系材料を混合する等の簡単な方法で複合化できる。
分極性電極及びセパレータに含浸させる電解液としては、水もしくは有機溶媒（カーボネート類、アルコール類、ニトリル類、アミド類、エーテル類などの単独または混合物）に電解質を溶解したものが利用できる。
本例の電気二重層キャパシタにあっては、２つの分電性電極(20)(21)の両方に導電性高分子化合物を加えた電極を用いても、一方の分電性電極(20)のみに導電性高分子化合物を加えた電極を用いてもよい。一方の分電性電極(20)のみに導電性高分子化合物を加えた電極を用いる場合、他方の分電性電極(21)は表面積の大きな導電性物質、例えば粉末状又は繊維状の多孔性活性炭を使用すればよい。
本例で使用する導電性高分子は、有機溶媒に分散しやすいポリアニリン又はその誘導体であり、有機溶媒に分散しやすいため多孔性炭素系材料を混合する等の簡単な方法で複合化できる。
分極性電極及びセパレータに含浸させる電解液としては、水もしくは有機溶媒（カーボネート類、アルコール類、ニトリル類、アミド類、エーテル類などの単独または混合物）に電解質を溶解したものが利用できる。
電解質としては、プロトン、アルカリ金属イオン、４級アンモニウムイオン、４級ホスホニウムイオンなどの単独あるいは複数のカチオンと、スルホン酸イオン、過塩素酸イオン、６フッ化ヒ素イオン、ハロゲンイオン、リン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオンの単独あるいは複数のアニオンを組み合せたものがよい。
セパレータは両分極性電極の電気的な短絡を防ぎ、電気化学的に安定でイオン透過性が大きく、ある程度の機械強度を備えた、絶縁性の多孔体であればよい。具体的には、不織布あるいは多孔性のポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルムなどが利用できる。
セパレータは両分極性電極の電気的な短絡を防ぎ、電気化学的に安定でイオン透過性が大きく、ある程度の機械強度を備えた、絶縁性の多孔体であればよい。具体的には、不織布あるいは多孔性のポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルムなどが利用できる。
出願人は、多孔性の炭素系材料として、表面積が１１５０ｍ2／ｇ、全酸性基量が１.５ｍｍｏｌ／ｍ2の活性炭を用い、これをポリアニリンを有機溶媒(Ｎ−メチル−２−ピロリドン)に溶解した溶液(濃度３％)に混合した。活性炭の粒子径は、３−１０μｍであった。
スラリー状になった溶液をエッチング処理したアルミニウム箔に塗布して、雰囲気８５℃で１５分間乾燥させた。図２に示すように、乾燥した溶液が、分極性電極構成片(25)となり、アルミニウム箔が集電電極構成片(35)となる。
これを、直径１５ｍｍの円形に打ち抜き、酸化剤溶液であるパラトルエンスルホン酸２ｗｔ％水溶液に浸漬してドーピング処理を行った。有機溶媒に分散したポリアニリンは、脱ドープして導電性を失うが、スルホン酸系水溶液に浸漬することにより、ドーピング処理して導電性の高い分電性電極(20)(21)が得られる。
スラリー状になった溶液をエッチング処理したアルミニウム箔に塗布して、雰囲気８５℃で１５分間乾燥させた。図２に示すように、乾燥した溶液が、分極性電極構成片(25)となり、アルミニウム箔が集電電極構成片(35)となる。
これを、直径１５ｍｍの円形に打ち抜き、酸化剤溶液であるパラトルエンスルホン酸２ｗｔ％水溶液に浸漬してドーピング処理を行った。有機溶媒に分散したポリアニリンは、脱ドープして導電性を失うが、スルホン酸系水溶液に浸漬することにより、ドーピング処理して導電性の高い分電性電極(20)(21)が得られる。
両分電性電極(20)(21)をポリプロピレン多孔膜から成るセパレータ(６)を介して重ねて、電気二重層キャパシタを構成した。電解液には、２ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液を用いた。これを使用して、分電性電極(20)(21)の重量当たり１５ｍＡ／ｇの電流密度で２.３Ｖの定電流定電圧充放電を行い、放電曲線より直流静電容量を求めた。この結果から、分電性電極(20)(21)の重量当たりの容量を算出した。これを実施例１とする。
ドーピング処理を行う酸化剤溶液に、ナフタレンスルホン酸２ｗｔ％水溶液を用いる以外は、実施例１と同様の工程を経て、キャパシタを製作した。これを実施例２とする。
ドーピング処理を行う酸化剤溶液に、テトラリンスルホン酸２ｗｔ％水溶液を用いる以外は、実施例１と同様の工程を経て、キャパシタを製作した。これを実施例３とする。
ドーピング処理を行なわずに、従来の方法で製作したキャパシタを従来例１とする。
試作したキャパシタは、何れもサイズが直径６.３ｍｍ、高さ４.０ｍｍで、定電流充放電は電流密度１５ｍＡ／ｇで、定電圧充電２.３Ｖにて測定した。結果を下記の表１に示す。特性値は２０ヶの平均値である。
ドーピング処理を行う酸化剤溶液に、テトラリンスルホン酸２ｗｔ％水溶液を用いる以外は、実施例１と同様の工程を経て、キャパシタを製作した。これを実施例３とする。
ドーピング処理を行なわずに、従来の方法で製作したキャパシタを従来例１とする。
試作したキャパシタは、何れもサイズが直径６.３ｍｍ、高さ４.０ｍｍで、定電流充放電は電流密度１５ｍＡ／ｇで、定電圧充電２.３Ｖにて測定した。結果を下記の表１に示す。特性値は２０ヶの平均値である。
実施例１、２、３のキャパシタの方が比静電容量が大きくなったのは、内部抵抗が小さくなったためと考えられる。
一般に、定電流充電に於いて、充電電流をＩ、電圧Ｖ、内部抵抗Ｒ、容量をＣとすると、
（数１）
Ｉ＝(Ｖ／Ｒ)ＥＸＰ(−ｔ／ＣＲ)
で表される。従って、時間を一定に保ち、定電流充放電しようとすると、Ｒが小さくなると、Ｃが大きくなる。これにより、実施例のキャパシタは、従来例１に比して、内部抵抗が小さいと考えられる。
一般に、定電流充電に於いて、充電電流をＩ、電圧Ｖ、内部抵抗Ｒ、容量をＣとすると、
（数１）
Ｉ＝(Ｖ／Ｒ)ＥＸＰ(−ｔ／ＣＲ)
で表される。従って、時間を一定に保ち、定電流充放電しようとすると、Ｒが小さくなると、Ｃが大きくなる。これにより、実施例のキャパシタは、従来例１に比して、内部抵抗が小さいと考えられる。
本例の方法では、分極性電極(20)(21)を形成する際に、結合材が不要となる。従って、結合材が残存しない故に、内部抵抗が小さくなったと推察できる。
また、炭素系材料及び導電性高分子化合物の混合溶液は、集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布されて乾燥される。即ち、分極性電極(20)(21)を集電電極(３)(30)に取り付ける工程が不要となり、工程削減及びコスト削減を図ることができる。また、集電電極(３)(30)上に分極性電極(20)(21)を、厚みがバラ付くことなく形成することができる。これにより、量産性が高くなる。
また、炭素系材料及び導電性高分子化合物の混合溶液は、集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布されて乾燥される。即ち、分極性電極(20)(21)を集電電極(３)(30)に取り付ける工程が不要となり、工程削減及びコスト削減を図ることができる。また、集電電極(３)(30)上に分極性電極(20)(21)を、厚みがバラ付くことなく形成することができる。これにより、量産性が高くなる。
本発明は、水系又は非水系電解質電池にも応用できる。
電解質電池は、上記電気二重層キャパシタとは、一部の材料が異なるだけで、構造、製造方法は実質的に同じである。
非水系電解質電池の場合、上記電気二重層キャパシタの分極性電極は、正活物質体、負活物質体に置き換わる。
また、電解液には、リチウム塩を溶解させた有機溶媒が使用される。リチウム塩として、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、Ｌｉ(ＣＦ3Ｏ2)2Ｎ、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3を例示でき、有機溶媒としてプロピレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、又はこれら何れかと鎖状炭酸エステルとの混合液がある。鎖状炭酸エステルとして、ジメチルカーボネート(ＤＭＣ、ＤＥＣ)、エチルメチルカーボネート(ＥＭＣ)がある。
セパレータには、ポリオフィレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。
電解質電池は、上記電気二重層キャパシタとは、一部の材料が異なるだけで、構造、製造方法は実質的に同じである。
非水系電解質電池の場合、上記電気二重層キャパシタの分極性電極は、正活物質体、負活物質体に置き換わる。
また、電解液には、リチウム塩を溶解させた有機溶媒が使用される。リチウム塩として、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、Ｌｉ(ＣＦ3Ｏ2)2Ｎ、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3を例示でき、有機溶媒としてプロピレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、又はこれら何れかと鎖状炭酸エステルとの混合液がある。鎖状炭酸エステルとして、ジメチルカーボネート(ＤＭＣ、ＤＥＣ)、エチルメチルカーボネート(ＥＭＣ)がある。
セパレータには、ポリオフィレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子多孔性フィルムが使用される。
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
(１) 電気二重層キャパシタ
(２) セル
(３) 集電電極
(６) セパレータ
(20) 分電性電極
(21) 分電性電極
(30) 集電電極
(２) セル
(３) 集電電極
(６) セパレータ
(20) 分電性電極
(21) 分電性電極
(30) 集電電極
Claims (4)
- 電解液が含浸された一対の分極性電極(20)(21)をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、分極性電極(20)(21)の外側には集電電極(３)(30)が配備され、分極性電極(20)(21)は炭素系材料に導電性高分子化合物を混合して形成される電気二重層キャパシタの製造方法であって、
溶媒に炭素系材料及び導電性高分子化合物を混合した溶液を作り、該溶液を集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布して乾燥させ、該集電電極構成片(35)上に分極性電極(20)(21)となる分極性電極構成片(25)を形成する工程と、
集電電極構成片(35)及び分極性電極構成片(25)を切断して、分極性電極(20)(21)と集電電極(３)(30)を得る工程とを有する電気二重層キャパシタの製造方法。 - 該分極性電極構成片(25)はドーピング処理されて、導電性が付与される請求項１に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- 導電性高分子化合物は、ポリアニリン又はその誘導体である請求項１又は２に記載の製造方法。
- 電解液が含浸された一対の活物質体をセパレータ(６)を介して対向配備したセル(２)を具え、活物質体の外側には集電電極(３)(30)が配備され、活物質体は炭素系材料に導電性高分子化合物を混合して形成される電解質電池の製造方法であって、
溶媒に炭素系材料及び導電性高分子化合物を混合した溶液を作り、該溶液を集電電極(３)(30)となる集電電極構成片(35)上に塗布されて乾燥させ、該集電電極構成片(35)上に活物質体となる活物質体構成片を形成する工程と、
集電電極構成片(35)及び活物質体構成片を切断して、活物質体と集電電極(３)(30)を得る工程とを有する電解質電池の製造方法。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2014084182A1 (ja) * | 2012-11-30 | 2014-06-05 | 日東電工株式会社 | 蓄電デバイス、およびそれに用いる電極並びに多孔質シート |
| WO2024000427A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 |
-
2004
- 2004-10-26 JP JP2004310307A patent/JP2006128150A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2024000427A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 |
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