JP2008010855A - Electrochemical capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents

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敬一 近藤
Hideki Shimamoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical capacitor capable of reducing resistance by suppressing deterioration in the quality of a positive electrode for the electrochemical capacitor used for automobiles, or the like. <P>SOLUTION: The electrochemical capacitor comprises: the positive electrode where a polarizable electrode layer mainly made of activated carbon is formed on a collector; an element in which negative electrodes where the electrode layer of graphite is formed on the collector are wound by interposing a separator between the negative electrodes; and a metal case in which the element is stored with an organic-based electrolyte containing a lithium ion. The front and rear of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed is covered with aluminum fluoride, and Li<SP>+</SP>is used as the electrolyte cation of the organic-based electrolyte, and one of BF<SB>3</SB>(C<SB>2</SB>F<SB>5</SB>)<SP>-</SP>, PF<SB>3</SB>(C<SB>2</SB>F<SB>5</SB>)<SB>3</SB><SP>-</SP>, (CF<SB>3</SB>SO<SB>2</SB>)<SB>2</SB>N<SP>-</SP>, (C<SB>2</SB>F<SB>5</SB>SO<SB>2</SB>)<SB>2</SB>N<SP>-</SP>, (CF<SB>3</SB>SO<SB>2</SB>)<SB>3</SB>C<SP>-</SP>, and PF<SB>6</SB><SP>-</SP>of a chemical formula (1) or (2) is used as an electrolytic anion. <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化学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 electrochemical capacitor used for various electronic devices, a backup power source, a regenerative power source or a power storage for a hybrid vehicle or 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コンデンサが着目され、多くの分野で使用されている。このような電気二重層コンデンサは正極、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、電気二重層コンデンサとしての耐電圧は、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。電気二重層コンデンサ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コンデンサでも、そのエネルギ密度は鉛蓄電池等の二次電池の1/10以下であり、更なるエネルギ密度の向上が必要とされている。   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 with a higher withstand voltage has higher energy than the aqueous electrolyte, but even with 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-acid battery, and further improvement of the energy density is required.

このような背景から、活性炭を主体とする電極を正極とし、X線回折法による〔002〕面の面間隔が0.338〜0.356nmである炭素材料にあらかじめリチウムイオンを吸蔵させた電極を負極とする上限電圧3Vの二次電池が提案されている(特許文献1)。   From such a background, an electrode mainly composed of activated carbon is used as a positive electrode, and an electrode in which lithium ions are previously occluded in a carbon material having a [002] plane spacing of 0.338 to 0.356 nm by X-ray diffraction is used. A secondary battery having an upper limit voltage of 3 V as a negative electrode has been proposed (Patent Document 1).

また、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料にあらかじめ化学的方法または電気化学的方法でリチウムイオンを吸蔵させた炭素材料を負極に用いる二次電池が提案されている(特許文献2)。   In addition, a secondary battery using a carbon material in which lithium ions are occluded in advance by a chemical method or an electrochemical method in a carbon material that can occlude and desorb lithium ions has been proposed (Patent Document 2).

さらに、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を、リチウムと合金を形成しない多孔質集電体に担持させる負極を有する上限電圧4Vの二次電池が提案されている(特許文献3)。   Furthermore, a secondary battery having an upper limit voltage of 4 V has been proposed having a negative electrode in which a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is supported on a porous current collector that does not form an alloy with lithium (Patent Document 3).

また、電気二重層コンデンサ以外に大電流充放電可能な電源としてリチウムイオン電池があるが、リチウムイオン電池は電気二重層コンデンサに比べて高電圧かつ大容量という特徴を有するが、抵抗が高く、急速充放電サイクルによる寿命が電気二重層コンデンサに比べて著しく短いという問題があった。
特開昭64−14882号公報 特開平8−107048号公報 特開平9−55342号公報
In addition to the electric double layer capacitor, there is a lithium ion battery as a power source capable of charging / discharging a large current. The lithium ion battery has a feature of a high voltage and a large capacity as compared with the electric double layer capacitor, but has a high resistance and a high speed. There was a problem that the life due to the charge / discharge cycle was remarkably shorter than that of the electric double layer capacitor.
JP-A 64-14882 Japanese Patent Laid-Open No. 8-1007048 JP-A-9-55342

しかしながら上記従来の電気二重層コンデンサの短所を改良する目的で提案された二次電池では、高耐電圧で大容量、しかも急速充放電が可能という長所は有するものの、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抵抗値が上昇したり、集電体が劣化したりして二次電池としての性能が劣化するという課題があった。 However, the secondary battery proposed for the purpose of improving the disadvantages of the conventional electric double layer capacitor has the advantages of high withstand voltage, large capacity, and rapid charge / discharge. BF 4 used as an electrolyte anions constituting - or PF 6 -, etc. F - component reacts with aluminum as the current collector of the positive electrode and aluminum eluted aluminum aluminum fluoride this elution (AlF 3) As a result, there are problems that the resistance value increases due to adhesion to the surface of the activated carbon constituting the polarizable electrode layer, or the performance as a secondary battery deteriorates due to deterioration of the current collector.

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化学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 electrochemical 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極と、金属箔からなる集電体上に炭素材料を主体とした電極層を形成した負極とを、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、この素子をリチウムイオンを含む有機系電解液と共に収容したケースからなる電気化学キャパシタにおいて、上記分極性電極層が形成された正極の表裏面をフッ化アルミニウムで被覆し、かつ、上記有機系電解液の電解質カチオンとしてLi+、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構成にしたものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention mainly comprises a positive electrode in which a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon is formed on a current collector made of metal foil, and a carbon material mainly on the current collector made of metal foil. An element formed by laminating or winding a negative electrode on which an electrode layer is formed, with each electrode layer facing each other with a separator interposed therebetween, and this element together with an organic electrolyte containing lithium ions In an electrochemical capacitor comprising a housing case, the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are covered with aluminum fluoride, and Li + is used as the electrolyte cation of the organic electrolyte, and BF 3 is used as the electrolyte anion. (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 - It is obtained by the configuration using any one.

また、この電気化学キャパシタを製造する方法としては、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て正極を作製する工程と、金属箔からなる集電体上に炭素材料を主体とした電極層を形成して負極を作製する工程と、上記正極と負極と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素子を作製する工程と、この素子をリチウムイオンを含む有機系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化学キャパシタの製造方法において、上記分極性電極層が形成された正極の表裏面をフッ素プラズマ処理することによりフッ化アルミニウムで被覆するようにしたものである。   In addition, as a method of manufacturing this electrochemical capacitor, a step of forming a positive electrode by forming a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon on a current collector made of metal foil, Forming a negative electrode by forming an electrode layer mainly composed of a carbon material on the element, and laminating or winding the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween, with each electrode layer facing each other. In the method for producing an electrochemical capacitor, comprising the steps of: preparing the element together with an organic electrolyte containing lithium ions in a case; and sealing the case opening. The front and back surfaces of the positive electrode on which the polar electrode layer is formed are coated with aluminum fluoride by performing fluorine plasma treatment.

以上のように本発明による電気化学キャパシタは、分極性電極層が形成された正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。また、電解液の電解質アニオンによってアルミニウム製の集電体が不動態化するため、電解液中のフッ素成分がアルミニウムを侵すことなく、これにより抵抗の増加を抑制することができるという効果が得られるものである。   As described above, the electrochemical capacitor according to the present invention has a structure in which the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are covered with aluminum fluoride, and aluminum fluoride has a strong bond between fluorine atoms and aluminum atoms. It is possible to prevent the electrode foil from deteriorating by suppressing the aluminum, which is the positive electrode current collector, from eluting into the electrolyte during application. In addition, since the aluminum current collector is passivated by the electrolyte anion of the electrolytic solution, the fluorine component in the electrolytic solution does not attack the aluminum, which can suppress the increase in resistance. Is.

(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化学キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図、図2(a)、(b)は同電気化学キャパシタの原理を説明するために示した放電状態と充電状態の概念図であり、図1と図2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を形成した正極と、銅箔からなる集電体4の表裏面に黒鉛の電極層5を形成した負極とを2枚1組とし、その間にセパレータ6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 the structure of an electrochemical capacitor according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are discharges shown for explaining the principle of the electrochemical capacitor. 1 and FIG. 2, 1 is an element, and the element 1 has a polarizable electrode layer 3 mainly composed of activated carbon on the front and back surfaces of a current collector 2 made of aluminum foil. Constructed by winding a formed positive electrode and a negative electrode having a graphite electrode layer 5 formed on the front and back surfaces of a current collector 4 made of copper foil in a set with two separators interposed therebetween It is what has been.

7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、8は上記素子1を駆動用電解液9と共に収容したアルミニウム製の金属ケース、10は上記素子1から一対で引き出されたリード線7が貫通する孔を有して上記金属ケース8の開口部に嵌め込まれ、金属ケース8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。   7 is a lead wire connected to the two electrodes and drawn out, 8 is an aluminum metal case containing the element 1 together with the driving electrolyte 9, and 10 is a lead drawn from the element 1 as a pair. It is a sealing rubber that has a hole through which the wire 7 passes and is fitted into the opening of the metal case 8 and seals by processing the opening end of the metal case 8, and a specific embodiment will be described below. However, the present invention is not limited to this.

まず、正極として、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, a high-purity aluminum foil (Al: 99.99% or more) having a thickness of 30 μm was used as the positive electrode as the current collector 2, and the surface was roughened by electrolytic etching in a hydrochloric acid-based etching solution.

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の表裏面に分極性電極層3が形成された正極の表裏面をフッ素プラズマ処理することによりフッ化アルミニウムで被覆した。なお、このフッ素プラズマ処理は、図3(a)のプラズマ処理用チャンバーの断面図と図3(b)のプラズマ発生用チャンバーの断面図に夫々示す装置を用いて行ったものである。   Subsequently, the front and back surfaces of the positive electrode having the polarizable electrode layer 3 formed on the front and back surfaces of the current collector 2 were coated with aluminum fluoride by fluorine plasma treatment. This fluorine plasma treatment was performed using apparatuses shown in the sectional view of the plasma processing chamber in FIG. 3A and the sectional view of the plasma generating chamber in FIG.

すなわち、上記プラズマ処理用チャンバー11とプラズマ発生用チャンバー12はチャンバー接続孔13を介して接続されており、図3(b)において、ガス導入孔14からアルゴン及び四フッ化炭素からなる混合ガスを高周波電源15に接続されている電極16A、16B間に注入することによってプラズマを発生させ、このプラズマをプラズマ導出孔17からプラズマ導入孔18を介してプラズマ処理用チャンバー11へ供給する。   That is, the plasma processing chamber 11 and the plasma generation chamber 12 are connected via a chamber connection hole 13, and in FIG. 3B, a mixed gas composed of argon and carbon tetrafluoride is supplied from the gas introduction hole 14. Plasma is generated by injection between the electrodes 16A and 16B connected to the high-frequency power source 15, and this plasma is supplied from the plasma lead-out hole 17 to the plasma processing chamber 11 through the plasma introduction hole 18.

図3(a)に示すように、上記プラズマ導入孔18からプラズマが導入されたプラズマ処理用チャンバー11内には上記集電体2の表裏面に分極性電極層3を形成した正極19がロールで用意されており、未処理正極19aとして巻き出し側から送り出された正極19はプラズマ処理された後、巻き取り側にて処理済み正極19bとして巻き取られ、適宜の長さに切断されるものである。   As shown in FIG. 3A, a positive electrode 19 in which a polarizable electrode layer 3 is formed on the front and back surfaces of the current collector 2 is rolled in a plasma processing chamber 11 into which plasma is introduced from the plasma introduction hole 18. The positive electrode 19 delivered from the unwinding side as the untreated positive electrode 19a is subjected to plasma treatment, and then wound up as the treated positive electrode 19b on the winding side and cut to an appropriate length. It is.

また、上記フッ素プラズマ処理は以下の(表1)に示す条件で行ったものであり、このフッ素プラズマ処理前とフッ素プラズマ処理後の正極の断面図を図4(a)、(b)に示す。   Moreover, the said fluorine plasma processing was performed on the conditions shown in the following (Table 1), and sectional drawing of the positive electrode before this fluorine plasma processing and after a fluorine plasma processing is shown to Fig.4 (a), (b). .

このようにしてフッ素プラズマ処理を行った正極19は、図4(b)に示すように、アルミニウム箔からなる集電体2と活性炭3aに接触している部分のAl23組成の合金層2aは、フッ素プラズマ処理前後で変化はない。一方、集電体2と活性炭3aに囲まれておらず、Al23組成の合金層2aが露出している部分は、フッ素プラズマ処理によりフッ素化され、AlF3の合金層2bへと組成変化を起こす。 As shown in FIG. 4B, the positive electrode 19 subjected to the fluorine plasma treatment as described above has an Al 2 O 3 composition alloy layer in contact with the current collector 2 made of aluminum foil and the activated carbon 3a. 2a is not changed before and after the fluorine plasma treatment. On the other hand, the portion where the alloy layer 2a of the Al 2 O 3 composition is not surrounded by the current collector 2 and the activated carbon 3a is exposed to fluorination by the fluorine plasma treatment to form the AlF 3 alloy layer 2b. Make a change.

従って、プラズマ処理を行うことによってアルミニウム成分を予めAlF3の組成にしておくことにより、この電極体を電解液中に含浸し、充放電を行っても、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ものである。 Accordingly, by preliminarily making the aluminum component into an AlF 3 composition by performing plasma treatment, it is possible to suppress the elution of aluminum even when the electrode body is impregnated in the electrolytic solution and charged and discharged. Thus, deterioration of the capacity and resistance can be prevented.

すなわち、上記フッ素プラズマ処理前の正極(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、電解液中のフッ素成分と反応してAlF3化合物が生成し、活性炭3aの表面に付着する(図4(a))。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が、これを本実施の形態のようにフッ素プラズマ処理することにより、アルミニウムの溶出を抑制して、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。なお、図4において、3bは導電助剤、3cはバインダを示す。 That is, the positive electrode before the fluorine plasma treatment (in which an alloy layer 2a made of aluminum oxide and having an Al 2 O 3 composition is formed, and a polarizable electrode layer 3 mainly composed of activated carbon 3a is formed thereon) Although the alloy layer 2a composed of aluminum oxide and having an Al 2 O 3 composition is interposed between the polarizable electrode layer 3 and the current collector 2, there is an effect of reducing the contact resistance. When it is immersed and charged and discharged, aluminum is eluted from a part of the alloy layer 2a having the Al 2 O 3 composition, reacts with the fluorine component in the electrolytic solution to produce an AlF 3 compound, and adheres to the surface of the activated carbon 3a. (FIG. 4A). 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. However, by subjecting this to fluorine plasma treatment as in this embodiment, elution of aluminum can be suppressed and deterioration of capacity and resistance can be prevented. In FIG. 4, 3b represents a conductive additive, and 3c represents a binder.

次に、負極として、厚さ15μmの銅箔を集電体4として用い、この集電体4の表裏面に厚さ30μm(片面厚さ)の黒鉛の電極層5を形成した。この黒鉛の電極層5は、黒鉛:アセチレンブラック:バインダ=80:10:10とし、かつ、バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン((以下、PTFEと呼ぶ)8):CMC(2)の割合で構成した。また、製造方法としては、水にCMC・アセチレンブラック・黒鉛・PTFEの順に添加し、撹拌して混練することによりペースト状にしたものを、コンマコータやダイコータ等を用いて上記集電体4上に厚さ50μm(片面厚さ)に塗工し、これを80℃の温度で乾燥した後、線圧が75〜100kgf/cmでプレス加工することにより、厚さ30μm(片面厚さ)、電極密度が1.2〜1.5g/cm3の黒鉛の電極層5を作製し、これを所定の寸法に切断した。 Next, as a negative electrode, a copper foil having a thickness of 15 μm was used as the current collector 4, and a graphite electrode layer 5 having a thickness of 30 μm (single-sided thickness) was formed on the front and back surfaces of the current collector 4. This graphite electrode layer 5 has a ratio of graphite: acetylene black: binder = 80: 10: 10, and the binder is polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) 8): CMC (2). Configured. In addition, as a manufacturing method, CMC, acetylene black, graphite, and PTFE are added to water in this order, and a paste-like product obtained by stirring and kneading is added onto the current collector 4 using a comma coater, a die coater, or the like. After coating to a thickness of 50 μm (single-sided thickness), drying this at a temperature of 80 ° C., and pressing at a linear pressure of 75-100 kgf / cm, the thickness of 30 μm (single-sided thickness), electrode density A graphite electrode layer 5 having a thickness of 1.2 to 1.5 g / cm 3 was prepared and cut into predetermined dimensions.

続いて、この黒鉛の電極層5が表裏面に形成された集電体4をLi箔と共に、電解質カチオンとしてLi+、電解質アニオンとしてBF4 -を、溶媒として高誘電率のエチレンカーボネート(以下、ECと呼ぶ)と低粘度のジエチルカーボネート(以下、DECと呼ぶ)を体積比で1:1に混合した混合溶媒からなる電解液中に浸漬し、図示しない充放電装置の+極を集電体4に、−極をLi箔に接続した。 Subsequently, the current collector 4 having the graphite electrode layer 5 formed on the front and back surfaces thereof, together with the Li foil, Li + as the electrolyte cation, BF 4 as the electrolyte anion, and ethylene carbonate having a high dielectric constant (hereinafter, referred to as a solvent). EC) and low-viscosity diethyl carbonate (hereinafter referred to as DEC) are mixed in an electrolytic solution made of a mixed solvent in a volume ratio of 1: 1, and the positive electrode of a charge / discharge device (not shown) is used as a current collector. 4, the negative electrode was connected to the Li foil.

この状態で+極/−極間の電位差は2.5〜3V程度であるが、この電位差が0.004Vになるまで(0VになるとLiが析出するために好ましくない)定電流放電(集電体4から見ると定電流充電)を行った。そして、この+極/−極間の電位差が0.004Vの状態で5時間、または電流値が1/20になるまで定電位放電(集電体4から見ると定電位充電)を行うことにより、集電体4の表裏面に形成された電極層5を構成する黒鉛にリチウムイオンを吸蔵させた負極を得た。   In this state, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode is about 2.5 to 3 V, but constant current discharge (current collection is not preferable because Li is deposited when the electric potential difference becomes 0.004 V). When viewed from the body 4, constant current charging) was performed. Then, constant potential discharge (constant potential charging as viewed from the current collector 4) is performed for 5 hours in the state where the potential difference between the + and − electrodes is 0.004 V or until the current value becomes 1/20. Thus, a negative electrode in which lithium ions were occluded in graphite constituting the electrode layer 5 formed on the front and back surfaces of the current collector 4 was obtained.

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9と共に金属ケース8内に挿入すると共に、素子1に駆動用電解液9を含浸させた。この駆動用電解液9としては、電解質カチオンとしてLi+、電解質アニオンとしてBF3(C25-を、溶媒として高誘電率のECと低粘度のDECを重量比で1:1に混合した混合溶媒を用い、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 an element 1 is obtained by winding with a separator interposed therebetween, and the element 1 together with the driving electrolyte 9 is obtained. While being inserted into the metal case 8, the element 1 was impregnated with the driving electrolyte 9. As the driving electrolyte 9, Li + as an electrolyte cation, BF 3 (C 2 F 5 ) as an electrolyte anion, and EC having a high dielectric constant and DEC having a low viscosity as a solvent are mixed at a weight ratio of 1: 1. The mixed solvent used was added with 1 wt% phosphoric acid as an additive.

次に、このようにして駆動用電解液9と共に金属ケース8内に挿入された素子1から引き出されたリード線7を封口ゴム10に設けられた孔を貫通させ、この封口ゴム10を金属ケース8の開口部に嵌め込んだ後、金属ケース8の開口端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化学キャパシタを完成させた。   Next, the lead wire 7 drawn out from the element 1 inserted in the metal case 8 together with the driving electrolyte 9 in this way is passed through the hole provided in the sealing rubber 10, and the sealing rubber 10 is inserted into the metal case. After being fitted into the opening of 8, sealing was performed by drawing and curling the vicinity of the opening end of the metal case 8 to complete the electrochemical 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化学キャパシタの容量/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2)に示す。   The results of measuring the capacitance / resistance characteristics of the electrochemical capacitor according to the present embodiment configured as described above are shown in Table 2 in comparison with a conventional product as a comparative example.

(表2)から明らかなように、本実施の形態による電気化学キャパシタは、分極性電極層が形成された正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。また、電解液の電解質アニオンならびに添加剤によってアルミニウム製の集電体が不動態化するため、電解液中のフッ素成分がアルミニウムを侵すことなく、これにより抵抗の増加を抑制することができるという格別の効果が得られるものである。   As is clear from Table 2, the electrochemical capacitor according to the present embodiment has a structure in which the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are covered with aluminum fluoride. Since the bonding of the atoms is strong, it is possible to prevent the electrode foil from deteriorating by suppressing the aluminum, which is the positive electrode current collector, from eluting into the electrolyte when a voltage is applied. In addition, since the aluminum current collector is passivated by the electrolyte anion and additives of the electrolytic solution, the fluorine component in the electrolytic solution does not attack the aluminum, thereby suppressing an increase in resistance. The effect of is obtained.

なお、本実施の形態においては、上記駆動用電解液9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3)、(化4)、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 9 has been described, but 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 3), (Chemical Formula 4) ) And PF 6 , the same effect can be obtained. Each of the electrolyte anions is classified into the following (a) to (d), and each of the electrolyte anions depends on the electrolyte anion. The effect will be described in more detail.

(a)BF3(C25-、PF3(C253 -を用いた場合
(b)(CF3SO22-、(C25SO22-、(CF3SO23-を用いた場合
(c)(化3)、(化4)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 - when using the (c) (Formula 3), if (d) PF 6 using (Formula 4) - first case of using, BF 3 in (a) ( C 2 F 5 ) , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 electrolyte anion, compared to the case of using BF 4 anion as a conventional product, cell by inhibiting hydrolysis The effect of suppressing deterioration and the effect of reducing 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.

+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).

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.

(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が、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, generation of H + and generation of F 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 the case of long-term use, it is better to keep the aluminum current collector mainly made of aluminum fluoride in advance. It is considered that there is some effect of suppressing deterioration.

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 Description will be made using SO 2 ) 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 with reference to (Formula 10) to (Formula 15).

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等が必要となる。   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, plasma treatment or the like for the electrode is required.

プラズマ処理に使用されるガスは主にCF4等のフッ素原子を含有したものであれば良い。また、地球温暖化防止の観点から言うと、C26、c−C48、c−C58、CFCO等の地球温暖化係数がより小さいガスが望ましい。プラズマ生成装置に用いられる電極やRF電源などの装置、RF電力、圧力、ガス組成等のプロセス条件は、FラジカルまたはF-イオンを含むプラズマを適度に生成するものが望ましい。 The gas used for the plasma treatment may be any gas mainly containing fluorine atoms such as CF 4 . From the viewpoint of preventing global warming, a gas having a smaller global warming potential such as C 2 F 6 , c-C 4 F 8 , c-C 5 F 8 , CFCO, etc. is desirable. It is desirable that the process conditions such as electrodes, RF power supply, etc. used in the plasma generating apparatus, RF power, pressure, gas composition, etc. generate moderately plasma containing F radicals or F 2 ions.

プラズマ安定生成の観点からCF4等のフッ素含有ガスと共にアルゴンガスを併用することが望ましい。プラズマ生成中のアルゴン発光強度(IAr(発光波長:λ=697nm))とフッ素発光強度(IF(発光波長:λ=685nm))の比(IF/IAr)がプラズマ処理実施中に一定になるようなプロセス条件にすることが望ましい。これらは電極処理プロセス中にガス流量、圧力、RF電力等を変化させることでも実現可能である。これにより長尺の電極箔に対して安定した電極処理を連続して行うことが可能となる条件が得られる。 From the viewpoint of stable plasma generation, it is desirable to use an argon gas together with a fluorine-containing gas such as CF 4 . The ratio (I F / I Ar ) between the argon emission intensity (I Ar (emission wavelength: λ = 697 nm)) and the fluorine emission intensity (I F (emission wavelength: λ = 685 nm)) during plasma generation is It is desirable to make the process conditions constant. These can also be realized by changing the gas flow rate, pressure, RF power, etc. during the electrode treatment process. Thereby, conditions that enable stable electrode processing to be continuously performed on the long electrode foil are obtained.

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良い。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、PF6 -アニオン含有電解液等、Fを含有する電解液であればよい。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, PF 6 - anion-containing electrolyte solution and the like, may be a electrolyte containing F. Preferably BF 4 - is anion-containing organic electrolyte - anion or PF 6.

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わかる。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、であることがわかる。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)。従って、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。従って、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, AlF 3 is identified. 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 surface of the positive electrode current collector is subjected to XPS analysis, if the Al2p bond energy is 75.5 eV or more, 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、以下に示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 have the following contents.
Equipment: ESCA5400MC, Physical Electronics
X-ray anode: Monochromated-AlKα (1486.6eV) 14kV 200W
Analysis region: 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3)、(化4)の電解質アニオンを用いた場合について、(化3)を用いた場合を例にして説明する。   Next, the case of using the electrolyte anion of (Chemical Formula 3) and (Chemical Formula 4) of (c) will be described taking the case of using Chemical Formula 3 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3)の加水分解反応を以下の(式16)〜(式19)に示す。   The hydrolysis reaction of (Chemical Formula 3) is shown in the following (Formula 16) to (Formula 19).

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3)、(化4)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ものと推定できる。   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 3) and (Chemical Formula 4) have the effects shown by the hydrolysis inhibition, that is, the electrolyte anions classified in the above (a).

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3)、(化4)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 3) and (Chemical Formula 4), all the carbon terminal groups are shown to be terminated with fluorine. However, the same effect can be obtained even if part of the carbon terminal groups are replaced with hydrogen.

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.

以上のように、電気化学キャパシタの正極集電体のアルミニウム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、更に、アニオンおよび添加剤と組み合わせることによってセル劣化抑制の効果が得られるものである。   As described above, the effect of suppressing cell deterioration can be obtained by subjecting aluminum of the positive electrode current collector of the electrochemical capacitor to fluorine treatment, and further, the effect of suppressing cell deterioration can be obtained by combining with an anion and an additive. It is.

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化学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結合エネルギーの方が高く、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. Initial or after aging, or by disassembling the used electrochemical 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 the negative electrode Al2p If there is a significant difference in 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 higher than 74.7 eV, it can be regarded as being according to the present invention.

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、添加剤の同定には、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 and additives shown in the present invention can be identified by various analysis methods such as NMR, ion chromatography, FT-IR, and GC-MS.

本発明による電気化学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 electrochemical 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 electrolytic solution to prevent deterioration of the electrode foil, 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化学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 electrochemical capacitor according to an embodiment of the present invention. (a)同電気化学キャパシタの原理を説明するために示した放電状態の概念図、(b)同充電状態の概念図(A) The conceptual diagram of the discharge state shown in order to demonstrate the principle of the electrochemical capacitor, (b) The conceptual diagram of the charge state (a)同実施の形態に用いるプラズマ処理用チャンバーの構成を示した断面図、(b)同プラズマ発生用チャンバーの構成を示した断面図(A) Cross-sectional view showing the configuration of the plasma processing chamber used in the embodiment, (b) Cross-sectional view showing the configuration of the plasma generation chamber (a)同実施の形態によるプラズマ処理前の正極を示した断面図、(b)同プラズマ処理後の正極を示した断面図(A) Cross-sectional view showing a positive electrode before plasma treatment according to the embodiment, (b) Cross-sectional view showing a positive electrode after plasma treatment

符号の説明Explanation of symbols

1 素子
2、4 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
5 電極層
6 セパレータ
7 リード線
8 金属ケース
9 駆動用電解液
10 封口ゴム
11 プラズマ処理用チャンバー
12 プラズマ発生用チャンバー
13 チャンバー接続孔
14 ガス導入孔
15 高周波電源
16A、16B 電極
17 プラズマ導出孔
18 プラズマ導入孔
19 正極
19a 未処理正極
19b 処理済み正極
1 elements 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 5 electrode layer 6 separator 7 leads 8 metal case 9 drives the composition of the composition Electrolytic solution 10 Sealing rubber 11 Plasma processing chamber 12 Plasma generation chamber 13 Chamber connection hole 14 Gas introduction hole 15 High frequency power supply 16A, 16B Electrode 17 Plasma outlet hole 18 Plasma introduction hole 19 Positive electrode 19a Untreated positive electrode 19b Treated positive electrode

Claims (6)

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極と、金属箔からなる集電体上に炭素材料を主体とした電極層を形成した負極とを、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、この素子をリチウムイオンを含む有機系電解液と共に収容したケースからなる電気化学キャパシタにおいて、上記有機系電解液の電解質カチオンとしてLi+、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電気化学キャパシタ。
A positive electrode in which a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon is formed on a current collector made of metal foil, and a negative electrode in which an electrode layer mainly composed of a carbon material is formed on a current collector made of metal foil. In an electrochemical capacitor comprising an element configured by stacking or winding each electrode layer facing each other with a separator interposed therebetween, and a case in which this element is accommodated together with an organic electrolyte containing lithium ions, Li + as the electrolyte cation of the organic electrolyte, BF 3 (C 2 F 5 ) , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 ) as the electrolyte anion An electrochemical capacitor using any one of SO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 3 C , (Chemical Formula 1), (Chemical Formula 2), and PF 6 .
分極性電極層が形成された正極の表裏面をフッ化アルミニウムで被覆した請求項1に記載の電気化学キャパシタ。 The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are covered with aluminum fluoride. 分極性電極層が形成された正極の表裏面を被覆したフッ化アルミニウムがフッ素プラズマ処理により形成されたものである請求項2に記載の電気化学キャパシタ。 The electrochemical capacitor according to claim 2, wherein the aluminum fluoride covering the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed is formed by fluorine plasma treatment. 有機系電解液にリン酸、リン酸塩、リン酸エステルのいずれか、またはホウ酸、ホウ酸塩、ホウ酸エステルのいずれかからなる添加剤を0.01〜20wt%添加した請求項1に記載の電気化学キャパシタ。 The organic electrolyte solution according to claim 1, wherein 0.01 to 20 wt% of an additive composed of any one of phosphoric acid, phosphate and phosphate, or boric acid, borate and borate is added. The electrochemical capacitor as described. 負極の電極層を構成する炭素材料として黒鉛を用いた請求項1に記載の電気化学キャパシタ。 The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein graphite is used as a carbon material constituting the electrode layer of the negative electrode. 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を作製する工程と、金属箔からなる集電体上に炭素材料を主体とした電極層を形成して負極を作製する工程と、上記正極と負極と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素子を作製する工程と、この素子をリチウムイオンを含む有機系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化学キャパシタの製造方法において、上記分極性電極層が形成された正極の表裏面をフッ素プラズマ処理することによりフッ化アルミニウムで被覆するようにした電気化学キャパシタの製造方法。 Forming a positive electrode by forming a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon on a current collector made of metal foil, and forming an electrode layer mainly composed of a carbon material on the current collector made of metal foil; A step of producing a negative electrode, a step of producing an element by laminating or winding the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween, and each electrode layer facing each other, and the element contains lithium ions In a method for producing an electrochemical capacitor having a step of housing in a case together with an organic electrolyte and a step of sealing an opening of the case, the front and back surfaces of the positive electrode on which the polarizable electrode layer is formed are fluorine A method for producing an electrochemical capacitor which is coated with aluminum fluoride by plasma treatment.
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