JP2008010854A - Electric double-layer capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric double-layer capacitor capable of reducing resistance by suppressing deterioration in a positive electrode for the electric double-layer capacitor used for automobiles, or the like. <P>SOLUTION: The electric double-layer capacitor comprises: an element 1 in which a pair of positive and negative electrodes, where a polarizable electrode layer 3 mainly using activated carbon is formed on a collector 2, is wound while a separator 4 is interposed between the pair of positive and negative electrodes; and a metal case 6 in which the element 1 is stored with an electrolyte for drive. The surface of activated carbon including a part without any contact with a material, where the activated carbon in the polarizable electrode layer 3 formed in the positive electrode composes the polarizable electrode layer 3, is fluorinated by the termination section of carbon skeleton. An aluminum fluoride film is formed on the surface of the collector 2 including a part without any contact with a material, where the collector 2 composes the polarizable electrode layer 3 on the interface between the collector 2 and the polarizable electrode layer 3, thus suppressing deterioration in the positive electrode and reducing resistance. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は各種電子機器、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源用や回生用、あるいは電力貯蔵用等に使用される電気二重層キャパシタ及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electric double layer capacitor used for various electronic devices, a backup power source, a regenerative power source, a power storage device and the like of a hybrid vehicle and a fuel cell vehicle, and a manufacturing method thereof.

従来から、高耐電圧で大容量、しかも急速充放電の信頼性が高いということから電気二重層キャパシタが着目され、多くの分野で使用されている。このような電気二重層キャパシタは正極、負極共に活性炭を主体とする分極性電極を電極として用いたものであり、電気二重層キャパシタとしての耐電圧は、水系電解液を使用すると1.2V、有機系電解液を使用すると2.5〜3.3Vである。電気二重層キャパシタのエネルギは耐電圧の2乗に比例するため、耐電圧の高い有機系電解液の方が水系電解液より高エネルギであるが、有機系電解液を使用した電気二重層キャパシタでも、そのエネルギ密度は鉛蓄電池等の二次電池の1/10以下である。   Conventionally, electric double layer capacitors have attracted attention and are used in many fields because of their high withstand voltage, large capacity, and high reliability of rapid charge / discharge. Such an electric double layer capacitor uses a polarizable electrode mainly composed of activated carbon for both the positive electrode and the negative electrode, and the withstand voltage of the electric double layer capacitor is 1.2 V when an aqueous electrolyte is used. When a system electrolyte is used, it is 2.5 to 3.3 V. Since the energy of the electric double layer capacitor is proportional to the square of the withstand voltage, the organic electrolyte having a higher withstand voltage is higher in energy than the aqueous electrolyte, but even in an electric double layer capacitor using an organic electrolyte The energy density is 1/10 or less of a secondary battery such as a lead storage battery.

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開平10−270293号公報
As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-270293

しかしながら上記従来の電気二重層キャパシタでは、電圧印加時に、駆動用電解液を構成する電解質アニオンとして用いられるBF4 -やPF6 -等のF-成分が正極の集電体であるアルミニウムと反応してアルミニウムが溶出し、この溶出したアルミニウムがフッ化アルミニウム(AlF3)として分極性電極層を構成する活性炭の表面に付着してしまうため、抵抗値が上昇したり、集電体が劣化したりして性能が劣化するという課題があった。 However, in the conventional electric double layer capacitor, when a voltage is applied, an F component such as BF 4 or PF 6 used as an electrolyte anion constituting the driving electrolyte reacts with aluminum which is a positive electrode current collector. The aluminum is eluted, and the eluted aluminum adheres to the surface of the activated carbon constituting the polarizable electrode layer as aluminum fluoride (AlF 3 ), so that the resistance value increases and the current collector deteriorates. As a result, the performance deteriorates.

本発明はこのような従来の課題を解決し、正極の劣化を抑制して低抵抗化を図ることが可能な電気二重層キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and to provide an electric double layer capacitor capable of reducing resistance by suppressing deterioration of a positive electrode and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体上に活性炭を主体とした分極性電極層を形成した正負一対の電極を、その間にセパレータを介在させて夫々の電極層が対向した状態で積層または巻回することにより構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容したケースと、このケースの開口部を封止した封口部材からなる電気二重層キャパシタにおいて、上記正極電極に形成された分極性電極層中の活性炭が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体と分極性電極層の界面において集電体が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成した構成にしたものである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a pair of positive and negative electrodes in which a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon is formed on a current collector made of a metal foil, and each electrode layer is formed by interposing a separator therebetween. In an electric double layer capacitor comprising an element configured by stacking or winding in an opposed state, a case containing the element together with a driving electrolyte, and a sealing member sealing the opening of the case, The end of the carbon skeleton is fluorinated on the activated carbon surface including the portion where the activated carbon in the polarizable electrode layer formed on the positive electrode is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer, and the current collector In the interface between the electrode and the polarizable electrode layer, an aluminum fluoride film is formed on the surface of the current collector including a portion where the current collector is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer.

また、この電気二重層キャパシタを製造する方法としては、正極電極をフッ素ガス雰囲気で減圧して加熱処理することにより、正極に形成された分極性電極層中の活性炭が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体と分極性電極層の界面において集電体が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成するようにしたものである。   In addition, as a method of manufacturing this electric double layer capacitor, the positive electrode is decompressed in a fluorine gas atmosphere and heat-treated, so that activated carbon in the polarizable electrode layer formed on the positive electrode constitutes the polarizable electrode layer. A material that constitutes the polarizable electrode layer at the interface between the current collector and the polarizable electrode layer, such that the end portion of the carbon skeleton is fluorinated on the activated carbon surface including a portion that is not in contact with the material; An aluminum fluoride film is formed on the surface of the current collector including the non-contact portion.

以上のように本発明による電気二重層キャパシタは、正極電極に形成された分極性電極層中の活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成した構成により、フッ化アルミニウムはフッ素原子とアルミニウム原子の結合が強いため、電圧印加時に正極の集電体であるアルミニウムが電解液中に溶出するのを抑制して電極箔の劣化や抵抗の増加を防止することができるようになるという効果が得られるものである。   As described above, the electric double layer capacitor according to the present invention is such that the activated carbon surface in the polarizable electrode layer formed on the positive electrode is fluorinated at the terminal portion of the carbon skeleton and the surface of the current collector is aluminum fluoride. Due to the structure in which the film is formed, aluminum fluoride has a strong bond between fluorine atoms and aluminum atoms, so that when the voltage is applied, aluminum, which is the current collector of the positive electrode, is prevented from eluting into the electrolyte solution, The effect that the increase in resistance can be prevented is obtained.

(実施の形態)
以下、実施の形態を用いて、本発明の特に全請求項に記載の発明について説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, the invention described in the entire claims of the present invention will be described by using embodiments.

図1は本発明の一実施の形態による電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図であり、図1において、1は素子であり、この素子1はアルミニウム箔からなる集電体2の表裏面に活性炭を主体とした分極性電極層3を形成した正負一対の電極を、その間にセパレータ4を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。   FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a configuration of an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is an element, and the element 1 is a current collector made of an aluminum foil. 2 is formed by winding a pair of positive and negative electrodes formed with a polarizable electrode layer 3 mainly composed of activated carbon on the front and back surfaces 2 with a separator 4 interposed therebetween.

5は上記2枚の電極に夫々接続されて引き出されたリード線、6は上記素子1を図示しない駆動用電解液と共に収容したアルミニウム製の金属ケース、7は上記素子1から一対で引き出されたリード線5が貫通する孔を有して上記金属ケース6の開口部に嵌め込まれ、金属ケース6の開口端の加工により封止を行う封口ゴムであり、以下に具体的な実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   5 is a lead wire connected to and drawn from the two electrodes, 6 is an aluminum metal case containing the element 1 together with a driving electrolyte (not shown), and 7 is a pair drawn from the element 1. This is a sealing rubber that has a hole through which the lead wire 5 passes and is fitted into the opening of the metal case 6 and seals by processing the opening end of the metal case 6, and a specific embodiment will be described below. However, the present invention is not limited to this.

まず、正極ならびに負極の電極として、厚さ30μmの高純度アルミニウム箔(Al:99.99%以上)を集電体2として用い、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングして表面を粗面化した。   First, as a positive electrode and a negative electrode, high-purity aluminum foil (Al: 99.99% or more) having a thickness of 30 μm is used as a current collector 2, and the surface is roughened by electrolytic etching in a hydrochloric acid-based etching solution. did.

続いて、平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭粉末と、導電性付与剤として平均粒径0.05μmのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロース(以下、CMCと呼ぶ)を、10:2:1の重量比に混合して溶解した水溶性バインダ溶液を混練機で十分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製し、このペーストを上記集電体2の表裏面に塗布し、100℃の大気中で1時間乾燥することにより分極性電極層3を形成した。   Subsequently, a phenol resin-based activated carbon powder having an average particle diameter of 5 μm and carbon black and carboxymethylcellulose (hereinafter referred to as CMC) having an average particle diameter of 0.05 μm as a conductivity imparting agent in a weight ratio of 10: 2: 1. After the water-soluble binder solution mixed and dissolved is sufficiently kneaded with a kneader, methanol and water dispersion solvents are added little by little, and further kneaded to prepare a paste having a predetermined viscosity. The polarizable electrode layer 3 was formed by coating on the front and back surfaces of No. 2 and drying in air at 100 ° C. for 1 hour.

続いて、この集電体2の表裏面に分極層電極層3が形成された正極電極の表裏面をフッ素ガス雰囲気中で減圧して加熱処理することにより、分極性電極層3中の活性炭が分極性電極層3を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体2と分極性電極層3の界面において集電体2が分極性電極層3を構成する材料と接触していない部分を含む集電体2の表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成した。なお、このフッ素ガス処理は、上記正極電極を図示しない処理室に投入し、90KPaの減圧下でフッ素ガス雰囲気にした状態で、90℃で2分間加熱することにより行ったものであり、このようなフッ素ガス処理を行った正極を同処理前の正極と比較して図2に示す。   Subsequently, the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarization layer electrode layer 3 is formed on the front and back surfaces of the current collector 2 are heated in a fluorine gas atmosphere to reduce the activated carbon in the polarizable electrode layer 3. The end of the carbon skeleton is fluorinated on the activated carbon surface including the portion not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer 3, and the current collector is at the interface between the current collector 2 and the polarizable electrode layer 3. An aluminum fluoride film was formed on the surface of the current collector 2 including a portion where 2 is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer 3. This fluorine gas treatment was performed by putting the positive electrode into a treatment chamber (not shown) and heating at 90 ° C. for 2 minutes in a fluorine gas atmosphere under a reduced pressure of 90 KPa. FIG. 2 shows a positive electrode subjected to a fluorine gas treatment compared with a positive electrode before the treatment.

図2(a)、(b)はフッ素ガス処理前と同処理後の正極を示した断面図であり、図2(a)において、2はアルミニウム箔からなる集電体、2aはこの集電体2の表面に形成された酸化アルミニウムからなるAl23組成の合金層、3は分極性電極層である。また、この分極性電極層3は活性炭3aと導電助剤3bとバインダ3cにより構成されているものである。 2A and 2B are cross-sectional views showing the positive electrode before and after the fluorine gas treatment. In FIG. 2A, 2 is a current collector made of aluminum foil, and 2a is this current collector. An alloy layer 3 of Al 2 O 3 composition made of aluminum oxide formed on the surface of the body 2 is a polarizable electrode layer. The polarizable electrode layer 3 is composed of activated carbon 3a, conductive additive 3b, and binder 3c.

このようにフッ素ガス処理を行う前の正極(酸化アルミニウムからなるAl23組成の合金層2aが形成され、さらにその上に活性炭3aを主成分とする分極性電極層3が形成されたもの)は、酸化アルミニウムからなるAl23組成の合金層2aが分極性電極層3と集電体2の間に介在することにより、接触抵抗を低減させる効果があるものの、この正極を駆動用電解液中に浸漬して充放電を行うと、Al23組成の合金層2aの一部からアルミニウムが溶出し、駆動用電解液中のフッ素成分と反応してAlF3化合物が生成して活性炭3aの表面に付着する。そのため、活性炭面積が低下し、電気化学キャパシタの容量が低下するようになり、しかも、上記AlF3化合物は良導体ではないために、反応が進むほど抵抗も上昇していくものであるという問題がある。 Thus, the positive electrode before the fluorine gas treatment (alloy layer 2a made of aluminum oxide and having an Al 2 O 3 composition is formed, and further a polarizable electrode layer 3 mainly composed of activated carbon 3a is formed thereon. ) Has an effect of reducing the contact resistance by interposing the Al 2 O 3 alloy layer 2a made of aluminum oxide between the polarizable electrode layer 3 and the current collector 2, but this positive electrode is used for driving. When charging and discharging is performed by immersing in the electrolytic solution, aluminum is eluted from a part of the alloy layer 2a having the Al 2 O 3 composition, and reacts with the fluorine component in the driving electrolytic solution to produce an AlF 3 compound. It adheres to the surface of the activated carbon 3a. Therefore, the activated carbon area is reduced, the capacity of the electrochemical capacitor is reduced, and the AlF 3 compound is not a good conductor, so that there is a problem that the resistance increases as the reaction proceeds. .

これに対して本実施の形態によりフッ素ガス処理を行った正極は、図2(b)に示すように、集電体2の表面に形成された酸化アルミニウムからなるAl23組成の合金層2aが表出している部分の表面は勿論、分極性電極層3との界面において上記合金層2aが分極性電極層3を構成する材料と接触していない部分の合金層2aの表面もフッ素化されてAlF3の合金層2bが形成されている。 On the other hand, the positive electrode subjected to the fluorine gas treatment according to this embodiment is an alloy layer having an Al 2 O 3 composition made of aluminum oxide formed on the surface of the current collector 2 as shown in FIG. The surface of the part of the alloy layer 2a where the alloy layer 2a is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer 3 at the interface with the polarizable electrode layer 3 as well as the surface of the part where the 2a is exposed is fluorinated. Thus, an AlF 3 alloy layer 2b is formed.

また、分極性電極層3から表出している活性炭3aの表面は勿論、分極性電極層3中の活性炭3aが分極性電極層3を構成する材料(活性炭3a、導電助剤3b、バインダ3c)と接触していない部分の活性炭3aの表面も、炭素骨格の終端部がフッ素化(通常は水素(H)、または酸素(O)になっている)された状態(図示せず)になっている。   In addition to the surface of the activated carbon 3a exposed from the polarizable electrode layer 3, the activated carbon 3a in the polarizable electrode layer 3 is a material constituting the polarizable electrode layer 3 (activated carbon 3a, conductive additive 3b, binder 3c). The surface of the activated carbon 3a that is not in contact with the carbon is also in a state (not shown) in which the terminal portion of the carbon skeleton is fluorinated (usually hydrogen (H) or oxygen (O)). Yes.

なお、このように分極性電極層3との界面において合金層2aが分極性電極層3を構成する材料と接触していない部分の合金層2aの表面や、分極性電極層3中の活性炭3aが分極性電極層3を構成する材料と接触していない部分の活性炭3aの表面にまでフッ素化されるようになるのは、上記フッ素ガス処理を減圧下で行うことにより実現できたものと思われる。   In this way, the surface of the alloy layer 2a where the alloy layer 2a is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer 3 at the interface with the polarizable electrode layer 3, or the activated carbon 3a in the polarizable electrode layer 3 It can be considered that the fluorination of the surface of the activated carbon 3a that is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer 3 can be realized by performing the fluorine gas treatment under reduced pressure. It is.

従って、このように表面がフッ素化された正極は、フッ化アルミニウムはフッ素原子とアルミニウム原子の結合が強いため、この電極体を駆動用電解液中に含浸して充放電を行っても、正極の集電体であるアルミニウムの溶出を抑制することができるようになり、容量ならびに抵抗の劣化を防止することができるようになるものである。   Therefore, since the positive electrode whose surface is fluorinated in this way, aluminum fluoride has a strong bond between fluorine atoms and aluminum atoms. Therefore, even if this electrode body is impregnated in the driving electrolyte and charged and discharged, the positive electrode This makes it possible to suppress the elution of aluminum, which is a current collector, and to prevent the deterioration of the capacity and resistance.

次に、このようにして得られた正極と負極を2枚1組とし、その間にセパレータ4を介在させた状態で巻回することにより素子1を得て、この素子1を駆動用電解液と共に金属ケース6内に挿入すると共に、素子1に駆動用電解液を含浸させた。この駆動用電解液としては、電解質カチオンとしてテトラエチルアンモニウムイオンを、電解質アニオンとしてBF3(C25-を、溶媒として高誘電率のポリカーボネートを用い、これに添加剤としてリン酸を1wt%添加したものを用いた。 Next, the positive electrode and the negative electrode obtained in this way are made into a set of two sheets, and the element 1 is obtained by winding with the separator 4 interposed therebetween, and the element 1 is combined with the driving electrolyte. While being inserted into the metal case 6, the element 1 was impregnated with the driving electrolyte. As the driving electrolyte, tetraethylammonium ions are used as electrolyte cations, BF 3 (C 2 F 5 ) as electrolyte anions, polycarbonate having a high dielectric constant as a solvent, and 1 wt% of phosphoric acid as an additive. What was added was used.

次に、このようにして駆動用電解液と共に金属ケース6内に挿入された素子1から引き出されたリード線5を封口ゴム7に設けられた孔を貫通させ、この封口ゴム7を金属ケース6の開口部に嵌め込んだ後、金属ケース6の開口部近傍を絞り加工とカーリング加工することにより封止を行い、本実施の形態による電気二重層キャパシタを完成させた。   Next, the lead wire 5 drawn out from the element 1 inserted into the metal case 6 together with the driving electrolyte in this way is passed through the hole provided in the sealing rubber 7, and the sealing rubber 7 is inserted into the metal case 6. Then, sealing was performed by drawing and curling the vicinity of the opening of the metal case 6 to complete the electric double layer capacitor according to the present embodiment.

このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタの容量/抵抗特性を測定した結果を比較例としての従来品と比較して(表1)に示す。   The results of measuring the capacitance / resistance characteristics of the electric double layer capacitor according to this embodiment configured as described above are shown in Table 1 in comparison with a conventional product as a comparative example.

Figure 2008010854
Figure 2008010854

(表1)から明らかなように、本実施の形態による電気二重層キャパシタは、分極性電極層が形成された正極電極の表裏面をフッ化アルミニウムで被覆した構成により、フッ化アルミニウムはフッ素原子とアルミニウム原子の結合が強いため、電圧印加時に正極の集電体であるアルミニウムが駆動用電解液中に溶出するのを抑制して電極箔の劣化を防止することができるようになるという格別の効果が得られるものである。   As is clear from Table 1, the electric double layer capacitor according to the present embodiment has a configuration in which the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are covered with aluminum fluoride, so that the aluminum fluoride is a fluorine atom. Because the bond between aluminum and aluminum is strong, it is possible to prevent the electrode foil from degrading by suppressing the elution of the positive electrode current collector into the driving electrolyte when a voltage is applied. An effect is obtained.

なお、本実施の形態においては、上記駆動用電解液の電解質アニオンとしてBF3(C25-を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、PF3(C253 -、(CF3SO22-、(C25SO22-、(CF3SO23-、(化1)、(化2)、PF6 -のいずれかを用いた場合でも同様の効果が得られるものであり、このような各電解質アニオンを以下に示す(a)〜(d)に分類分けし、夫々の電解質アニオンによる効果についてより詳しく説明する。 In the present embodiment, the example in which BF 3 (C 2 F 5 ) is used as the electrolyte anion of the driving electrolyte has been described. However, the present invention is not limited to this, and PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 3 C , (Chemical Formula 1), (Chemical Formula 2) The same effect can be obtained even when any one of PF 6 is used, and each of the electrolyte anions is classified into the following (a) to (d), and the effects of the respective electrolyte anions are obtained. Will be described in more detail.

Figure 2008010854
Figure 2008010854

Figure 2008010854
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(a)BF3(C25-、PF3(C253 -を用いた場合
(b)(CF3SO22-、(C25SO22-、(CF3SO23-を用いた場合
(c)(化1)(化2)を用いた場合
(d)PF6 -を用いた場合
まず、(a)のBF3(C25-、PF3(C253 -の電解質アニオンを用いた場合、従来品としてのBF4 -アニオンを用いた場合と比較して、加水分解を抑制することによるセル劣化抑制の効果とセル低抵抗化の効果が得られるものである。
(A) When BF 3 (C 2 F 5 ) , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 is used (b) (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C - was the case (d) PF 6 that using the case of using (c) (Formula 1) (Formula 2) - first case of using, BF 3 (C in (a) 2 F 5) -, PF 3 (C 2 F 5) 3 - when using the electrolyte anions, BF 4 as conventional - as compared with the case of using the anion, cell degradation by inhibiting hydrolysis The effect of suppression and the effect of reducing the cell resistance can be obtained.

この理由を説明するため、まず従来品のBF4 -アニオンを用いた場合について説明すると、BF4 -アニオンを用いた場合の加水分解は、(式1)〜(式4)のように進行し、平衡が右へ進み、H+およびF-の濃度が増大する。 To explain this reason, first, the conventional products BF 4 - the case for using the anion is described, BF 4 - Hydrolysis in the case of using an anion proceeds as shown in Equation (1) - (Equation 4) Equilibrium goes to the right and the concentration of H + and F increases.

Figure 2008010854
Figure 2008010854

+濃度が増大すると電解液系内の酸性化が進行する。電解液が強酸性になると一般的に電気化学キャパシタや電気二重層キャパシタの電解液中の溶媒として使用される環状カーボネート系溶媒(プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等)の分解(溶媒分解反応)が進むため、ガス発生や容量劣化および抵抗劣化を引き起こすことになる。なお、この溶媒分解反応は化学反応のため、温度が高いほど反応速度が速くなってセル性能劣化が大きくなる。また、(式1)〜(式4)は平衡反応であり、H+濃度により溶液内平衡が変化することは言うまでもない。 As the H + concentration increases, acidification in the electrolyte system proceeds. When the electrolytic solution becomes strongly acidic, decomposition (solvent decomposition reaction) of cyclic carbonate solvents (propylene carbonate, ethylene carbonate, etc.) that are generally used as solvents in the electrolytic solution of electrochemical capacitors and electric double layer capacitors proceeds. Gas generation, capacity deterioration and resistance deterioration will be caused. Since this solvent decomposition reaction is a chemical reaction, the higher the temperature, the faster the reaction rate and the greater the cell performance degradation. Further, (Equation 1) to (Equation 4) are equilibrium reactions, and it goes without saying that the in-solution equilibrium changes depending on the H + concentration.

一方、F-濃度が増大すると主に正極集電体であるアルミニウム表面のアルミニウムや酸化アルミニウムがF-と反応しやすくなり、フッ化アルミニウム(主にAlF、AlF3)に変化する(アルミ腐食反応)。このアルミ腐食反応を(式5)〜(式8)で示す。 On the other hand, when the F concentration increases, the aluminum or aluminum oxide on the aluminum surface, which is the positive electrode current collector, tends to react with F and changes to aluminum fluoride (mainly AlF, AlF 3 ) (aluminum corrosion reaction). ). This aluminum corrosion reaction is shown by (Formula 5)-(Formula 8).

Figure 2008010854
Figure 2008010854

この反応は、電気化学キャパシタセル使用中(主に電圧印加時)に緩やかに反応するため、アルミニウム表面はアルミニウムまたは酸化アルミニウムの比率が徐々に減ると共に、フッ化アルミニウムの比率が徐々に増加する。フッ化アルミニウムは有機電解液中で非常に安定であり、その皮膜が機械的、電気的または電気化学的に破壊されたとしても電解液中にフッ素源があれば修復される。すなわちアルミニウム表面を緩やかに安定化(不動態化)できる。また、フッ素とアルミニウムはその結合エネルギーが高いため、フッ化アルミニウムは特に酸もしくはアルカリ溶液中でも非常に安定な化合物を形成する。このためBF4 -アニオンは電気化学キャパシタや電気二重層キャパシタに広く利用されている。 Since this reaction reacts slowly during use of the electrochemical capacitor cell (mainly when voltage is applied), the ratio of aluminum or aluminum oxide on the aluminum surface gradually decreases, and the ratio of aluminum fluoride gradually increases. Aluminum fluoride is very stable in organic electrolytes and is repaired if there is a fluorine source in the electrolyte even if the coating is mechanically, electrically or electrochemically destroyed. That is, the aluminum surface can be gently stabilized (passivated). In addition, since fluorine and aluminum have high binding energy, aluminum fluoride forms a very stable compound even in an acid or alkali solution. Therefore BF 4 - anions are widely used in electrochemical capacitors, electric double layer capacitor.

しかし、このアルミ腐食反応は、電解液溶液内でフッ化アルミニウムを生成し、電極表面またはセパレータ表面に付着することにより、電極活物質表面、セパレータ表面を不導体のフッ化アルミニウムで覆うことになる。このため、電気化学キャパシタセルの容量劣化、抵抗劣化の要因となっているという課題がある。   However, this aluminum corrosion reaction generates aluminum fluoride in the electrolyte solution and adheres to the electrode surface or separator surface, thereby covering the electrode active material surface and separator surface with non-conductive aluminum fluoride. . For this reason, there exists a subject that it becomes the factor of capacity | capacitance degradation of an electrochemical capacitor cell, and resistance degradation.

フッ化アルミニウムの組成は主にAlF、AlF3であるが、AlOF、AlO(OH)、Al(OH)3等の酸素を含有した組成(構造)になっている部分も若干量は残存することは言うまでもない。また、AlOF等が若干量存在していたとしても、主組成がAlF、AlF3であれば良好な不動態皮膜として機能することは言うまでもない。 The composition of aluminum fluoride is mainly AlF and AlF 3 , but some amount of the portion having a composition (structure) containing oxygen such as AlOF, AlO (OH), and Al (OH) 3 should remain. Needless to say. Needless to say, even if a small amount of AlOF or the like is present, if the main composition is AlF or AlF 3 , it functions as a good passive film.

これに対し、本発明によるBF3(C25-を電解質アニオンに用いた場合には、以下の(式9)に示すようになる。 On the other hand, when BF 3 (C 2 F 5 ) according to the present invention is used as the electrolyte anion, the following (formula 9) is obtained.

Figure 2008010854
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(式9)の反応は、上記(式1)の反応と比較して右辺に進み難い。すなわち上記(式1)〜(式4)のような加水分解反応が進行しにくいため、H+発生およびF-発生を抑制できる。そのために劣化反応が抑制でき、セル容量劣化、抵抗劣化、ガス発生を抑制できると考えられる。F-発生を抑制できることから、上記(式5)〜(式8)に示すような反応は、BF4 -アニオンの場合より進行しにくい。従って、実使用上アルミニウム集電体をあらかじめ主にフッ化アルミニウムにしておくことが必須というわけではない。ただし、長期間の使用においては、アルミニウム集電体をあらかじめ主にフッ化アルミニウムにしておくほうが劣化抑制の効果が若干あるものと考えられる。 The reaction of (Formula 9) is less likely to proceed to the right side than the reaction of (Formula 1) above. That is, since the hydrolysis reaction as in the above (formula 1) to (formula 4) does not proceed easily, H + generation and F generation can be suppressed. Therefore, it is considered that deterioration reaction can be suppressed and cell capacity deterioration, resistance deterioration, and gas generation can be suppressed. Since the generation of F can be suppressed, the reactions as shown in the above (formula 5) to (formula 8) are less likely to proceed than in the case of the BF 4 anion. Therefore, it is not essential that the aluminum current collector is mainly made of aluminum fluoride in advance for practical use. However, in long-term use, it is considered that the effect of suppressing deterioration is somewhat greater when the aluminum current collector is mainly made of aluminum fluoride in advance.

更に、BF3(C25-アニオンはBF4 -アニオンと比較して、電解液粘度が低く電導度が高い傾向があるため、電気化学キャパシタセルとして低抵抗化の効果も得られる。 Furthermore, BF 3 (C 2 F 5 ) - anions are BF 4 - as compared to the anion, since the electrolyte solution viscosity tends high low conductivity, the effect of lower resistance can be obtained as an electrochemical capacitor cell.

このように、BF3(C25-アニオンは加水分解抑制による劣化抑制効果に加え、低抵抗化の効果が得られるものである。なお、PF3(C253 -を用いた場合も同様の効果が得られるものである。 Thus, BF 3 (C 2 F 5 ) - anions in addition to the deterioration suppressing effect of hydrolysis inhibitor, in which the effect of resistance reduction is obtained. The same effect can be obtained when PF 3 (C 2 F 5 ) 3 - is used.

次に(b)の(CF3SO22-、(C25SO22-、(CF3SO23-の電解質アニオンを用いた場合について、(CF3SO22-を例に用いて説明する。 Next, in the case of using (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 3 C electrolyte anions in (b), (CF 3 SO 2 ) A description will be given using 2 N as an example.

この電解質アニオンを単独で電気化学キャパシタセルに適用した場合(電極処理やリン酸系添加をしない場合)、セル容量劣化、抵抗劣化が生じるという課題がある。劣化の理由としては、アニオンの加水分解反応によってH++F- が多量に生成するため、上記(式5)〜(式8)に示したアルミ腐食反応が激しく起こるためと推定される。 When this electrolyte anion is applied alone to an electrochemical capacitor cell (without electrode treatment or phosphoric acid addition), there is a problem that cell capacity deterioration and resistance deterioration occur. The reason for the deterioration is presumed to be that the aluminum corrosion reaction shown in the above (formula 5) to (formula 8) occurs vigorously because a large amount of H + + F is generated by an anion hydrolysis reaction.

このアニオンの加水分解反応について、(式10)〜(式15)を用いて説明する。   This anion hydrolysis reaction will be described using (Formula 10) to (Formula 15).

Figure 2008010854
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これらの式より、加水分解反応が進行すると平衡が右へ進み、F-およびH+の濃度が増大することが分かる。このため、(i)アルミ腐食反応と(ii)溶媒分解反応が進行する。 From these equations, it can be seen that as the hydrolysis reaction proceeds, the equilibrium proceeds to the right and the concentrations of F and H + increase. For this reason, (i) aluminum corrosion reaction and (ii) solvent decomposition reaction proceed.

(i)アルミ腐食反応の抑制
アルミ腐食反応を抑制するため、アルミ表面をあらかじめ主にフッ化アルミニウム(AlFまたはAlF3)からなる組成にする電極処理が特に有効である。
(I) Suppression of aluminum corrosion reaction In order to suppress the aluminum corrosion reaction, an electrode treatment in which the aluminum surface is preliminarily composed mainly of aluminum fluoride (AlF or AlF 3 ) is particularly effective.

電極活物質を有する電極に対して電極処理する場合、電極処理方法はドライプロセスとする必要がある。ウエットプロセスでは、反応生成物(主にフッ化アルミニウム等の不導体)が電極活物質表面やセパレータに付着するため、セル容量劣化や抵抗劣化の原因となるためである。このために電極へのプラズマ処理やガス処理等のドライプロセスでの処理が必要となる。   When performing electrode processing on an electrode having an electrode active material, the electrode processing method needs to be a dry process. This is because in the wet process, a reaction product (mainly a non-conductor such as aluminum fluoride) adheres to the surface of the electrode active material and the separator, which causes cell capacity deterioration and resistance deterioration. For this reason, the process by dry processes, such as a plasma process and gas processing to an electrode, is needed.

電極活物質を有さない電極に対して電極処理する場合(活物質層形成前に集電体アルミニウムのみにフッ化アルミニウムを形成する場合)には、ドライプロセスに限らず、ウエットプロセスを用いてもよい。この場合は、ウエットプロセスでも、先に述べた容量劣化や抵抗劣化を引き起こさないためである。ウエットプロセスで用いる溶液は、フッ酸含有水溶液やBF4 -アニオン、やPF6 -アニオン含有電解液等、Fを含有する電解液であれば良い。好ましくはBF4 -アニオン、やPF6 -アニオン含有有機系電解液がある。 When electrode processing is performed on an electrode having no electrode active material (when aluminum fluoride is formed only on the current collector aluminum before forming the active material layer), not only a dry process but also a wet process is used. Also good. In this case, the wet process does not cause the above-described capacity deterioration or resistance deterioration. The solution used in the wet process, hydrofluoric acid-containing aqueous solution or BF 4 - anion, or PF 6 - anion-containing electrolyte solution or the like, may be any electrolyte containing F. Preferably BF 4 - anion, or PF 6 - is anion-containing organic electrolyte.

なお、AlFまたはAlF3がアルミニウム集電体表面、電極表面に形成されていることは、例えばXPS分析(Al2pおよびF1s結合エネルギーの評価)により確認できる。Handbook of X−ray Photospectron Spectroscopy(Perkin−Elmer Corporation) Appendix B. Chemical States Tablesに記載されているXPS分析により得られるAl2p結合エネルギーによると、その値が76.3eVであればAlF3と同定されることが分かる。一方、アルミニウム単体:72.9eV、酸化アルミニウム:74.4〜74.7eV、水酸化アルミニウム:74.0〜74.2eV、であることが分かる。酸化アルミニウムの結合(Al−O結合)よりも強固な結合を形成する元素は、Oの電気陰性度(3.44)よりも高い元素と考えられ、該当するのはF(電気陰性度:3.98)のみである(電気陰性度値はポーリングのもの)。よって、Al−Fの結合がAl−O結合より強固な唯一の結合と推定される。よって、酸化アルミニウムの結合エネルギーよりも高エネルギー側にシフトするためにはAl−F結合が少なくとも形成される必要がある。 Incidentally, the AlF or AlF 3 is formed on the aluminum current collector surface, the electrode surface, for example, can be confirmed by XPS analysis (evaluation of Al2p and F1s binding energy). Handbook of X-ray Photospectron Spectroscopy (Perkin-Elmer Corporation) Appendix B. According to the Al2p binding energy obtained by XPS analysis described in Chemical States Tables, it is found that if the value is 76.3 eV, it is identified as AlF 3 . On the other hand, it turns out that they are aluminum simple substance: 72.9eV, aluminum oxide: 74.4-74.7eV, aluminum hydroxide: 74.0-74.2eV. An element that forms a bond stronger than the bond of aluminum oxide (Al—O bond) is considered to be an element having an electronegativity higher than that of O (3.44), and corresponds to F (electronegativity: 3). .98) only (electronegativity values are those of Pauling). Therefore, it is presumed that the Al—F bond is the only bond stronger than the Al—O bond. Therefore, in order to shift to a higher energy side than the binding energy of aluminum oxide, at least an Al—F bond needs to be formed.

以上から、XPS分析により得られるAl2p結合エネルギーが74.7eVより大であれば、アルミニウム集電体表面組成はフッ化アルミニウムを有するものであり上述の腐食反応が抑制されるものと考えられる。   From the above, it is considered that when the Al2p binding energy obtained by XPS analysis is larger than 74.7 eV, the surface composition of the aluminum current collector has aluminum fluoride and the above-mentioned corrosion reaction is suppressed.

また、本質的にはアルミニウム表面の皮膜のAl2p結合エネルギーが74.7eVより大であれば、フッ化アルミニウムに限らず、電極(アルミニウム集電体)腐食反応は抑制できるものと考えられる。   Essentially, if the Al2p bond energy of the film on the aluminum surface is larger than 74.7 eV, it is considered that the electrode (aluminum current collector) corrosion reaction is not limited to aluminum fluoride.

さらに、皮膜組成が主にフッ化アルミニウムということであれば、酸化アルミニウムの結合エネルギー値の上限:74.7eVとAlF3の結合エネルギー値:76.3eVの中心値である75.5eV以上であれば皮膜組成が主にフッ化アルミニウムであると完全に言えるものと考える。 Further, if the coating composition is mainly aluminum fluoride, the upper limit of the binding energy value of aluminum oxide: 74.7 eV and the binding energy value of AlF 3 : 75.5 eV or more, which is the central value of 76.3 eV. In other words, it can be said that the film composition is mainly aluminum fluoride.

すなわち、未使用(エージング後も含む)の電気化学キャパシタセルを分解して、正極集電体表面をXPS分析した場合、Al2p結合エネルギーが少なくとも74.7eVより大、好ましくは75.5eV以上であれば、本発明によるものとみなせる。   That is, when an unused (including after aging) electrochemical capacitor cell is disassembled and the positive electrode current collector surface is subjected to XPS analysis, the Al2p binding energy is at least 74.7 eV, preferably 75.5 eV or more. In other words, it can be regarded as according to the present invention.

さらに、XPS分析により、F1s結合エネルギーを評価でき、そのエネルギーが686〜687eVにあることにより、フッ化アルミニウムが形成されていることが分かる。   Furthermore, by XPS analysis, F1s binding energy can be evaluated, and when the energy is in the range of 686 to 687 eV, it can be seen that aluminum fluoride is formed.

なお、上記XPS分析条件とは、以下に記す内容のものである。
装 置 Physical Electronics社 ESCA5400MC
X線アノード Monochromated-AlKα(1486.6eV) 14kV 200W
分析領域 直径0.6mmの円
(ii)溶媒分解反応の抑制
溶媒分解反応を抑制するため、駆動用電解液に用いる添加剤としてリン酸トリメチルを添加するのが効果的である。このメカニズム詳細は明らかではないが、電極活物質表面およびアルミニウム集電体表面に薄い不動態皮膜を形成するため、溶媒分解反応が抑制されるためと推定される。
The XPS analysis conditions are those described below.
Equipment Physical Electronics ESCA5400MC
X-ray anode Monochromated-AlKα (1486.6eV) 14kV 200W
Analysis area Circle with a diameter of 0.6 mm (ii) Inhibition of solvent decomposition reaction In order to suppress the solvent decomposition reaction, it is effective to add trimethyl phosphate as an additive used in the driving electrolyte. Although the details of this mechanism are not clear, it is presumed that the solvent decomposition reaction is suppressed because a thin passive film is formed on the surface of the electrode active material and the surface of the aluminum current collector.

また、上記駆動用電解液に用いる添加剤としては、リン酸の他に、リン酸モノメチル、リン酸ジメチル、リン酸トリメチル、リン酸エステル、亜リン酸、またはそれらの塩、またはホウ酸エステル、ホウ酸、またはその塩を用いることができ、添加量としては0.01〜20wt%の範囲が好ましい。添加量が0.01wt%未満の場合には十分に良好な不動態皮膜が形成できない場合があり、電圧印加時に正極表面が酸性を帯び、アルミニウムを溶解してしまい、電気化学キャパシタの劣化が起こってしまう。また、20wt%を超えるとアルミニウムの表面に不動態皮膜が必要以上に厚く形成されてしまい、不動態皮膜による抵抗増加を引き起こしてしまうために好ましくないものである。   In addition to phosphoric acid, the additive used for the driving electrolyte includes monomethyl phosphate, dimethyl phosphate, trimethyl phosphate, phosphate ester, phosphorous acid, or salts thereof, or borate ester, Boric acid or a salt thereof can be used, and the addition amount is preferably in the range of 0.01 to 20 wt%. If the amount added is less than 0.01 wt%, a sufficiently good passive film may not be formed, and the positive electrode surface becomes acidic when a voltage is applied, and aluminum is dissolved, resulting in deterioration of the electrochemical capacitor. End up. On the other hand, if it exceeds 20 wt%, a passive film is formed on the surface of aluminum to be thicker than necessary, which causes an increase in resistance due to the passive film, which is not preferable.

以上のことから、(b)の電解質アニオンを用いた場合、(1)アルミニウム集電体表面をフッ化アルミニウムで被う、(2)リン酸トリメチル系添加剤を使用する、という(1)と(2)の両方または片方の工夫を施すことにより、(b)の電解質アニオンの本来の性能である劣化抑制(耐電圧を向上させる)能力を引き出すことができるものである。   From the above, when the electrolyte anion (b) is used, (1) the surface of the aluminum current collector is covered with aluminum fluoride, and (2) the trimethyl phosphate additive is used (1) and By devising both or one of (2), the ability to suppress deterioration (improve the withstand voltage), which is the original performance of the electrolyte anion of (b), can be brought out.

次に、(c)の(化1)、(化2)の電解質アニオンを用いた場合について、(化1)を用いた場合を例にして説明する。   Next, the case where the electrolyte anion of (Chem. 1) and (Chem. 2) of (c) is used will be described by taking the case of using (Chem. 1) as an example.

この場合には、上記(b)の電解質アニオンの場合と同じ説明(電極処理によるフッ化アルミニウム形成とリン酸系添加剤の添加による(i)アルミ腐食反応抑制と、(ii)溶媒分解反応抑制)が成り立ち、加えて上記(a)の電解質アニオンで示した加水分解反応抑制効果があるため、上記(a)、(b)の電解質アニオンの場合よりも、更に大きな劣化抑制効果が得られるものである。   In this case, the same explanation as in the case of the electrolyte anion in (b) above ((i) aluminum corrosion reaction suppression and (ii) solvent decomposition reaction suppression by the formation of aluminum fluoride by electrode treatment and addition of a phosphate-based additive) In addition, since the hydrolysis reaction suppression effect shown by the electrolyte anion of the above (a) is effective, a greater deterioration suppression effect can be obtained than in the case of the electrolyte anion of the above (a) and (b) It is.

上記(化1)の加水分解反応を以下の(式16)〜(式19)に示す。   The hydrolysis reaction of the above (Chemical Formula 1) is shown in the following (Formula 16) to (Formula 19).

Figure 2008010854
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上記(式16)〜(式19)のように加水分解反応が進むと、H+とF-が増大するため、上記(b)の電解質アニオンの場合と同様に(i)アルミ腐食と(ii)溶媒分解が進む。それらを抑制するために、電極処理によるアルミ集電体表面へのフッ化アルミニウム形成と電解液中へのリン酸系添加剤の添加が効果的である。 When the hydrolysis reaction proceeds as in the above (formula 16) to (formula 19), H + and F increase, so that (i) aluminum corrosion and (ii) as in the case of the electrolyte anion in (b) above. ) Solvent decomposition proceeds. In order to suppress them, it is effective to form aluminum fluoride on the surface of the aluminum current collector by electrode treatment and to add a phosphoric acid additive to the electrolytic solution.

また、上記(式16)〜(式19)は上記(式10)〜(式15)と比較すると右辺に反応が進行する度合いは少ないと考えられる。これはアニオン構造を環状にしたためと考えられる。従って、上記(化1)、(化2)のような環状アニオンは、加水分解抑制、すなわち上記(a)に分類した電解質アニオンで示した効果も併せ持つと推定できる。   In addition, it is considered that the degree of reaction progressing to the right side of the above (formula 16) to (formula 19) is less than that of the above (formula 10) to (formula 15). This is presumably because the anion structure was made cyclic. Therefore, it can be presumed that the cyclic anions such as (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) have the effects shown in the suppression of hydrolysis, that is, the electrolyte anions classified in (a) above.

以上のことから、(c)の電解質アニオンを用いた場合には、(1)加水分解反応抑制による劣化反応抑制と、(2)アニオンの本来の性能である劣化抑制(耐電圧を向上させる)能力を引き出すことができるという2つの効果を併せ持つものである。   From the above, when the electrolyte anion of (c) is used, (1) Degradation reaction suppression by suppressing hydrolysis reaction and (2) Deterioration suppression (improves withstand voltage) which is the original performance of anion. It has the two effects of being able to bring out the ability.

なお、上記(化1)、(化2)の構造において炭素末端基は全てフッ素で終端した構造で示したが、一部を水素やハロゲン原子で置き換えても同様の効果が得られるものである。   In the structures of (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2), all carbon terminal groups are shown terminated with fluorine. However, the same effect can be obtained even if part of the carbon terminal groups are replaced with hydrogen or halogen atoms. .

最後に、(d)のPF6 -の電解質アニオンを用いた場合について説明すると、この効果は上記(b)の電解質アニオンによる効果と電解液電導度向上によるセル低抵抗化が図れるというものである。 Finally, the case where the electrolyte anion of PF 6 of (d) is used will be described. This effect is that the effect of the electrolyte anion of (b) and the cell resistance can be reduced by improving the electrolyte conductivity. .

PF6 -アニオン単独では、BF4 -アニオン単独の場合と比較して、耐電圧は高いが、加水分解時にフッ素の解離が多く、アルミニウムの腐食が生じ、セル容量劣化、抵抗劣化が生じるという課題がある。そこで、(1)アルミニウム集電体表面をフッ化アルミニウムで被う、(2)リン酸トリメチル系添加剤を使用する、という(1)と(2)の両方または片方の工夫を施すことにより、(d)のPF6 -の電解質アニオンの本来の性能である劣化抑制(耐電圧を向上させる)能力を引き出すことが可能となるものである。 Challenge as compared to the case of anionic alone, although the withstand voltage high, dissociation of the fluorine many upon hydrolysis produces corrosion of aluminum, the cell capacity degradation, that is resistance deterioration occurs - the anion alone, BF 4 - PF 6 There is. Therefore, by (1) covering the surface of the aluminum current collector with aluminum fluoride, (2) using a trimethyl phosphate-based additive, (1) and (2) or by devising either one, It is possible to bring out the ability to suppress deterioration (improve the withstand voltage), which is the original performance of the electrolyte anion of PF 6 − in (d).

さらに、PF6 -アニオン自体はサイズが小さく、負電荷が非局在化しており、上記(b)、(c)の電解質アニオンと比較すると、低粘度で高電導度のためにセル低抵抗化を図ることができるという効果を有するものである。 Furthermore, PF 6 - anion itself is small in size, negative charge is delocalized, the (b), the electrolyte anions comparison, the cell low resistance for high conductivity with low viscosity (c) It has the effect that it can aim at.

なお、本発明の請求項1に記載した、正極に形成された分極性電極層中の活性炭が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにする(α)と共に、集電体と分極性電極層の界面において集電体が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成する(β)ことにより、以下のような効果が同時に得られるものである。   In addition, the end part of the carbon skeleton has an activated carbon surface including a portion where the activated carbon in the polarizable electrode layer formed on the positive electrode according to claim 1 of the present invention is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer. Aluminum fluoride is applied to the surface of the current collector including the portion that is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer at the interface between the current collector and the polarizable electrode layer, as well as to be fluorinated (α) By forming the film (β), the following effects can be obtained simultaneously.

すなわち、上記(α)により、正極での活性炭(活性炭自身または活性炭表面官能基)と電解液(特にアニオンや溶媒、更にその加水分解生成物等)とが電気化学的に反応する電位を高めることができる(耐電圧の向上)効果が得られる。この効果は、単セルの使用電圧を従来と同等に設定したときにおいては劣化抑制効果が得られるものといえる。   That is, (α) increases the potential at which the activated carbon (activated carbon itself or activated carbon surface functional group) at the positive electrode and the electrolytic solution (especially anions, solvents, and hydrolysis products thereof) react electrochemically. Can be obtained (improvement of withstand voltage). This effect can be said to be an effect of suppressing deterioration when the use voltage of the single cell is set to be equal to the conventional one.

また、上記(β)により、アルミ溶出による劣化物の電極付着起因のセル容量劣化と抵抗劣化を抑制する効果が得られる。   Moreover, the effect of suppressing cell capacity deterioration and resistance deterioration due to electrode adhesion of deteriorated products due to aluminum elution can be obtained by the above (β).

このように、正極電極箔へのフッ素ガス処理は、(α)、(β)を同時に得ることができるため、(α)、(β)夫々の効果を同時に得ることができるという格別の効果を奏するものである。   Thus, since the fluorine gas treatment to the positive electrode foil can obtain (α) and (β) at the same time, the special effect that (α) and (β) can be obtained at the same time. It is what you play.

なお、上記(α)、(β)による効果を同時に得るために、正極電極箔に対するフッ素ガス処理を行う例を用いて説明したが、特にこの方法に制限されるものではない。   In addition, in order to acquire the effect by said ((alpha)) and ((beta)) simultaneously, although demonstrated using the example which performs the fluorine gas process with respect to positive electrode electrode foil, it does not restrict | limit to this method in particular.

例えば、先にアルミ集電体のみにフッ素ガス処理、またはフッ素プラズマ処理、またはフッ素含有溶液やフッ素含有有機電解液による電気化学的な処理等によりフッ化アルミニウムをアルミニウム集電体表面に形成した後に、表面にフッ化アルミニウムを形成したアルミニウム集電体層の両面または片面に、活性炭層を塗工や貼り合せシート形成によりに形成し、最後に活性炭層に対しフッ素ガス処理、またはフッ素プラズマ処理をすることで活性炭表面官能基をフッ素原子で終端する方法等が考えられる。   For example, after aluminum fluoride is first formed on the surface of the aluminum current collector by fluorine gas treatment, fluorine plasma treatment, or electrochemical treatment with a fluorine-containing solution or a fluorine-containing organic electrolyte. The activated carbon layer is formed on both sides or one side of the aluminum current collector layer with aluminum fluoride formed on the surface by coating or bonding sheet formation, and finally the activated carbon layer is treated with fluorine gas or fluorine plasma. Thus, a method of terminating the activated carbon surface functional group with a fluorine atom or the like can be considered.

これらの方法を使用することにより、次のような場合に特に良好な効果が得られる。   By using these methods, particularly good effects can be obtained in the following cases.

すなわち、単にフッ素ガス処理で(α)、(β)の両方を実現するのに、単一のフッ素ガス処理条件を設定することが困難な場合が多い。このような場合に上記の方法を使用すれば、(α)、(β)の各々について最適なフッ素化条件を設定することが可能となるため、高い量産安定性が得られるという効果を奏する。   That is, it is often difficult to set a single fluorine gas treatment condition in order to realize both (α) and (β) by simply performing fluorine gas treatment. If the above method is used in such a case, it is possible to set optimum fluorination conditions for each of (α) and (β), so that there is an effect that high mass production stability can be obtained.

なお、フッ素ガス処理のガス組成は、単にフッ素だけではなく、撥水性を高めるガス組成であれば良く、フッ素と不活性ガスの混合ガスが好ましく、より好ましくはフッ素と窒素の混合ガスが望ましい。なお、混合ガス比率について、その比率とキャパシタ特性を詳細に検討した結果、その比率はフッ素分圧/窒素分圧=0.26〜0.02の範囲がより望ましい。   The gas composition of the fluorine gas treatment is not limited to fluorine but may be a gas composition that improves water repellency, and a mixed gas of fluorine and inert gas is preferable, and a mixed gas of fluorine and nitrogen is more preferable. In addition, as a result of examining the ratio and capacitor characteristics in detail regarding the mixed gas ratio, the ratio is more preferably in the range of fluorine partial pressure / nitrogen partial pressure = 0.26 to 0.02.

フッ素分圧/窒素分圧比率が0.26以上の場合には、フッ素ガス処理の際に、フッ素ガスと活性炭との反応熱が大きくなって活性炭表面積が減りセル容量減少を招くことと、活性炭表面に活性炭よりも導電率が低いフッ化炭素層が形成されるためにセル抵抗が増大する、という2つの理由でセル初期特性が著しく悪化し、実質的なセル劣化抑制効果が得られなくなると考えられる。一方、フッ素分圧/窒素分圧比率が0.02以下の場合には、活性炭表面の末端基のフッ素化やアルミニウム表面のフッ素化が充分進行しないために効果が得られないと考えられる。   When the fluorine partial pressure / nitrogen partial pressure ratio is 0.26 or more, during the fluorine gas treatment, the reaction heat between the fluorine gas and the activated carbon increases, the activated carbon surface area decreases, and the cell capacity decreases. If the cell resistance increases due to the formation of a fluorocarbon layer having a lower conductivity than activated carbon on the surface, the initial cell characteristics are significantly deteriorated, and a substantial cell deterioration suppressing effect cannot be obtained. Conceivable. On the other hand, when the fluorine partial pressure / nitrogen partial pressure ratio is 0.02 or less, it is considered that the effect cannot be obtained because the fluorination of the end groups on the activated carbon surface and the fluorination of the aluminum surface do not proceed sufficiently.

また、本発明において、フッ素化処理を施す電極は、主に正極に限定してきたが、広義には、少なくとも正極を選択する必要がある。すなわち、正極のみが最も望ましい形態だが、正極および負極への処理でも劣化抑制効果は見られる。これは、正極よりは少ないものの、負極からもアルミニウムの溶出が少なからずあるためである。ただし、セル耐電圧(印加電圧)を上昇させて試験(使用)した場合には、正極のみにフッ素処理した方がより効果が高い。この理由は、負極にフッ素化処理を施した場合、負極の還元電位が上昇し、負極側の耐電圧が低くなるためであると考えられる。   In the present invention, the electrode subjected to the fluorination treatment has been mainly limited to the positive electrode, but in a broad sense, it is necessary to select at least the positive electrode. That is, although only the positive electrode is the most desirable form, the effect of suppressing deterioration is also seen in the treatment of the positive electrode and the negative electrode. This is because there is not much elution of aluminum from the negative electrode although it is less than the positive electrode. However, when the cell withstand voltage (applied voltage) is increased and tested (used), it is more effective to treat only the positive electrode with fluorine. The reason for this is considered that when the negative electrode is subjected to a fluorination treatment, the reduction potential of the negative electrode increases and the withstand voltage on the negative electrode side decreases.

以上のように、電気二重層キャパシタ、広義には、アルミニウムを主とした集電体を正負極共に用いたキャパシタの場合、少なくとも正極にフッ素処理を行うことによってセル劣化抑制の効果が得られる。ただし、負極のみにフッ素処理を行うことは避ける必要がある。   As described above, in the case of an electric double layer capacitor, in a broad sense, a capacitor using a current collector mainly made of aluminum for both positive and negative electrodes, an effect of suppressing cell deterioration can be obtained by performing fluorine treatment on at least the positive electrode. However, it is necessary to avoid performing fluorine treatment only on the negative electrode.

これらの証明には、例えば、先に述べた、XPS分析でのAl2p結合エネルギーの測定により検証できる。初期またはエージング後、または使用済みの電気二重層キャパシタセルを分解し、正負極の集電体アルミニウムについて、先に示した分析条件と同等の条件でXPS分析し、正極のAl2p結合エネルギーと負極のAl2p結合エネルギーに有意差があり、正極のAl2p結合エネルギーより負極のAl2p結合エネルギーのほうが高く、かつ負極のAl2p結合エネルギーが74.7eVより大であれば、本発明によるものとみなせる。   These proofs can be verified, for example, by measuring the Al2p binding energy in the XPS analysis described above. Initially or after aging, or by disassembling the used electric double layer capacitor cell, the positive and negative electrode collector aluminum is subjected to XPS analysis under the same conditions as the analysis conditions described above, and the positive electrode Al2p binding energy and negative electrode If there is a significant difference in the Al2p binding energy, the Al2p binding energy of the negative electrode is higher than the Al2p binding energy of the positive electrode, and the Al2p binding energy of the negative electrode is larger than 74.7 eV, it can be regarded as being according to the present invention.

また、活性炭表面がフッ素化している証明にも、例えばXPS分析が使用できる。初期またはエージング後、または使用済みの電気二重層キャパシタセルを分解し、正極の活性炭表面の分析を実施し、C−F結合を示す287〜290eV付近にピークの一つが得られれば、本発明によるものとみなせる。   Further, for example, XPS analysis can be used for proof that the activated carbon surface is fluorinated. After initial or after aging, or by disassembling the used electric double layer capacitor cell and conducting analysis of the activated carbon surface of the positive electrode, if one of the peaks around 287 to 290 eV showing C—F bond is obtained, it is according to the present invention. It can be regarded as a thing.

以上、本発明による内容についてのXPSによる検出方法の例について説明したが、NMR等の他の分析方法によっても検出できることは言うまでもない。   As mentioned above, although the example of the detection method by XPS about the content by this invention was demonstrated, it cannot be overemphasized that it can detect also by other analysis methods, such as NMR.

また、本発明に示したアニオン種の同定には、NMR、イオンクロマトグラフィー、FT−IR、GC−MS等の各種分析方法により同定可能であることは言うまでもない。   Needless to say, the anion species shown in the present invention can be identified by various analysis methods such as NMR, ion chromatography, FT-IR, and GC-MS.

本発明による電気二重層キャパシタ及びその製造方法は、アルミニウムが電解液中に溶出するのを抑制して電極箔の劣化を防止し、抵抗の増加を抑制することができるという効果を有し、特に、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源や回生用等として有用である。   The electric double layer capacitor and the method for manufacturing the same according to the present invention have the effect that aluminum can be prevented from eluting into the electrolyte solution to prevent the electrode foil from deteriorating and the increase in resistance can be suppressed. It is useful as a backup power source and regenerative power for hybrid vehicles and fuel cell vehicles.

本発明の一実施の形態による電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図1 is a partially cutaway perspective view showing a configuration of an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. (a)フッ素ガス処理前の正極を示した断面図、(b)同処理後の正極を示した断面図(A) Cross-sectional view showing the positive electrode before the fluorine gas treatment, (b) Cross-sectional view showing the positive electrode after the treatment

符号の説明Explanation of symbols

1 素子
2 集電体
2a Al23組成の合金層
2b AlF3組成の合金層
3 分極性電極層
3a 活性炭
3b 導電助剤
3c バインダ
4 セパレータ
5 リード線
6 金属ケース
7 封口ゴム
1 element 2 current collectors 2a Al 2 O 3 alloy layer 2b AlF 3 alloy layer 3 polarizable electrode layer 3a charcoal 3b conductive additive 3c binder 4 separator 5 leads 6 metal case 7 sealing rubber composition having the composition

Claims (3)

金属箔からなる集電体上に活性炭を主体とした分極性電極層を形成した正負一対の電極を、その間にセパレータを介在させて夫々の電極層が対向した状態で積層または巻回することにより構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容したケースと、このケースの開口部を封止した封口部材からなる電気二重層キャパシタにおいて、少なくとも上記正極電極に形成された分極性電極層中の活性炭が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体と分極性電極層の界面において集電体が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成した電気二重層キャパシタ。 By laminating or winding a pair of positive and negative electrodes, in which a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon is formed on a current collector made of metal foil, with a separator interposed therebetween, with each electrode layer facing each other A polarizable electrode layer formed on at least the positive electrode in an electric double layer capacitor comprising a configured element, a case containing the element together with a driving electrolyte, and a sealing member sealing an opening of the case The end of the carbon skeleton is fluorinated on the activated carbon surface including the part where the activated carbon inside does not contact the material constituting the polarizable electrode layer, and the current collector is collected at the interface between the current collector and the polarizable electrode layer. An electric double layer capacitor in which an aluminum fluoride film is formed on the surface of a current collector including a portion where the body is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer. 駆動用電解液の電解質アニオンとして、BF3(C25-、PF3(C253 -、(CF3SO22-、(C25SO22-、(CF3SO23-、(化1)、(化2)、PF6 -のいずれか一つを用いた請求項1に記載の電気二重層キャパシタ。
Figure 2008010854
Figure 2008010854
As electrolyte anions of the driving electrolyte, BF 3 (C 2 F 5 ) , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, ( Formula 1), (Formula 2), PF 6 - electric double layer capacitor according to claim 1 with any one of the.
Figure 2008010854
Figure 2008010854
金属箔からなる集電体上に活性炭を主体とした分極性電極層を形成して正極ならびに負極電極を作製する工程と、上記電極を正負一対としてその間にセパレータを介在させて夫々の電極層が対向した状態で積層または巻回することにより素子を作製する工程と、この素子を駆動用電解液と共にケース内に収容する工程と、このケースの開口部を封止する工程とを有した電気二重層キャパシタの製造方法において、少なくとも上記正極電極をフッ素ガス雰囲気で減圧処理することにより、正極に形成された分極性電極層中の活性炭が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む活性炭表面を炭素骨格の終端部がフッ素化するようにすると共に、集電体と分極性電極層の界面において集電体が分極性電極層を構成する材料と接触していない部分を含む集電体表面にフッ化アルミニウム皮膜を形成するようにした電気二重層キャパシタの製造方法。 A step of forming a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon on a current collector made of metal foil to produce a positive electrode and a negative electrode, and a pair of positive and negative electrodes as described above, and a separator interposed between each electrode layer An electric circuit including a step of fabricating an element by stacking or winding in an opposed state, a step of housing the element in a case together with a driving electrolyte, and a step of sealing an opening of the case. In the multilayer capacitor manufacturing method, at least the positive electrode is subjected to a reduced pressure treatment in a fluorine gas atmosphere so that activated carbon in the polarizable electrode layer formed on the positive electrode is not in contact with the material constituting the polarizable electrode layer. The end of the carbon skeleton is fluorinated on the activated carbon surface, and the current collector is in contact with the material constituting the polarizable electrode layer at the interface between the current collector and the polarizable electrode layer. Method of manufacturing an electric double layer capacitor which is adapted to form aluminum fluoride film on the collector surface including portions without.
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