JP2008108979A - 電気二重層キャパシタ用電極材料、およびその製造方法 - Google Patents

電気二重層キャパシタ用電極材料、およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電気二重層キャパシタの温度低下に伴う静電容量減少および内部抵抗上昇を抑制できる電気二重層キャパシタ用電極材料の提供。
【解決手段】MP法により求めた縦軸がdV/dD、横軸がDである細孔径分布(Vは細孔容積、Dは細孔直径を表す。)においてdV/dDのピークをD<9Åで示す第一活性炭と、dV/dDのピークをD≧9Åで示す第二活性炭とが混合されている電気二重層キャパシタ用電極材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、活性炭を構成に有している電気二重層キャパシタ用電極材料、およびその製造方法に関するものである。
電気二重層キャパシタは、電極と電解液の界面に生じる電気二重層を蓄電原理とするキャパシタとして知られており、大容量であることが特徴である。このキャパシタの電極は、一般的に、アルミニウム箔等の集電板と、集電板表面に積層された電極材料層により構成される。そして、電極材料には、石油コークス、石炭、ヤシ殻、フェノール系樹脂等を薬品賦活またはガス賦活して得られる活性炭が用いられる。この活性炭の特性は、電気二重層キャパシタの静電容量および内部抵抗に影響を与える。
特許文献1には、静電容量が高く、かつ、内部抵抗が低い電気二重層キャパシタの電極材料として、2種類の活性炭の混合物を用いることが開示されている。ここで電極材料に使用されている一方の活性炭には、静電容量が高いが内部抵抗も高いキャパシタを製造するための活性炭(比表面積が2200〜2600m/g、平均細孔径が1.0〜1.6nm)が選択され、他方の活性炭には、内部抵抗が低いが静電容量も低いキャパシタを製造するための活性炭(比表面積が2800〜3200m/g、平均細孔径が1.5〜2.0nm)が選択される。
また、特許文献2には、アルカリ賦活炭とBET比表面積1900〜2400m/g、平均細孔径1.85〜2.20nmのヤシ殻活性炭との混合物が、単位体積あたりの静電容量が大きく、大容量キャパシタの材料として適していることが開示されている。
ところで、機器が常温のみならず低温の環境下においても使用されることがあるため、この機器に内蔵されている電気二重層キャパシタの低温特性と常温特性との差がないことが理想であるが、機器使用温度が低くなるにつれてキャパシタの静電容量が減少し、内部抵が上昇する。このうち、静電容量の減少を改善するための技術については、特許文献3および4に開示されている。
特許文献3には、電極材料として平均細孔径が15Å以上の活性炭を選択して、キャパシタの低温容量を改善する技術が開示されている。しかし、特許文献3は、温度低下に伴う内部抵抗上昇の問題を解決するための技術を開示するものではない。
他方の特許文献4には、全比表面積が1000m/g以上、かつ、細孔容積分布が直径40Å以上の細孔径に対しては50μl/g以上である活性炭を電極材料に使用すると、低温における静電容量に優れたキャパシタを実現できることが開示されている。しかし、特許文献3と同様に特許文献4も、温度低下に伴う内部抵抗上昇の問題を解決するための技術を開示していない。
特開2000−353642号公報 特開2005−243933号公報 特開昭60−42809号公報 特開2001−118753号公報
本発明は、上記事情に鑑み、常温から低温になると生じる電気二重層キャパシタの静電容量減少および内部抵抗上昇を抑制できる電気二重層キャパシタ用電極材料の提供を目的とする。
本発明者は、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す活性炭を電極材料に使用して、鋭意検討した。その結果、dV/dDのピークをD<9Åで示す活性炭を電極材料に混合含有させると、温度の低下に伴う電気二重層キャパシタの静電容量および内部抵抗の変化率を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD<9Åで示す第一活性炭と、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す第二活性炭とが混合されている電気二重層キャパシタ用電極材料である。ここで、本発明における細孔径分布は、Vを細孔容積、Dを細孔直径で表したときに、縦軸をdV/dD、横軸をDとする分布である。
前記本発明において、第一活性炭の質量に対する第二活性炭の質量の比W2/W1(W1は第一活性炭の質量を表し、W2は第二活性炭の質量を表す)の値を任意に設定すれば、以下に述べる通り、電気二重層キャパシタの特性が良化する。
前記W2/W1が15/85≦W2/W1≦70/30である場合、電気二重層キャパシタの常温容量が大きくなる。
前記W2/W1が、30/70≦W2/W1である場合には、低温容量が大きい電気二重層キャパシタを実現することができる。
本発明は、前記電極材料を備えた電気二重層キャパシタ用電極、および、当該電極を備えた電気二重層キャパシタである。
また、本発明は、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD<9Åで示す第一活性炭と、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す第二活性炭とを混合する電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法である。
上記の第一活性炭と第二活性炭との混合活性炭を電気二重層キャパシタ用電極材料とする本発明によれば、電気二重層キャパシタの静電容量および内部抵抗の温度低下に伴う変化率は、第一活性炭のみを電極材料とするキャパシタよりも抑えられる。
本発明を実施形態に基づき以下に説明する。電気二重層キャパシタ用電極材料(以下、「電極材料」)は、第一活性炭と第二活性炭との混合物である。
先ず、第一活性炭について説明する。
第一活性炭は、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD<9Åで示す。dV/dDピーク位置を示すD値の下限値は、電気二重層キャパシタで使用される電解液における電解質イオン径が6Å程度なので、この電解質イオンが電極材料表面の電荷と対峙して静電容量を高めることができる6Åであることが好ましい。
上記細孔径分布は、無孔質炭素表面への窒素吸着厚みのデータを用いたMP法により算出される。
第一活性炭において細孔直径の平均を意味する平均細孔径は、10.5Å未満であると良く、好ましくは10.0Å以下、更に好ましくは9.7Å以下である。ここで、この平均細孔径は、細孔の形状をスリット型と仮定し、「相対圧0.93までの窒素吸着量より求めた細孔容積」を「BET法により求めた比表面積」で除して算出される。
第一活性炭の比表面積は、特に限定されないが、1000〜3000m/gであると良く、好ましくは1200〜2800m/g、更に好ましくは1500〜2500m/gである。また、第一活性炭の細孔容積も特に限定されないが、0.5〜1.4cc/gであると良く、好ましくは0.6〜1.3cc/g、更に好ましくは0.8〜1.2cc/gである。
比表面積、および細孔容積は、BET法により求められ、比表面積については、多孔質炭素の窒素吸着等温線を測定して求められ、細孔容積については、相対圧P/P上限(P:吸着平衡にある吸着質の気体の圧力、P:吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧)が0.93までの窒素吸着量を測定して求められる。
第一活性炭は、その形状が粒子状であると良い。この場合の平均粒径は、キャパシタ用塗布電極の塗布厚みは通常50μm程度であるので、平均粒径の上限値は、塗布厚み以下の40μmであると良い。一方、粒径が余りに小さいと、活性炭と集電板の結着性が悪くなり、また、電極材料層が結着された集電板を実用的な強度とするためのバインダー量が増加するので、平均粒径の下限値は0.5μmであると良い。平均粒径は、1〜30μmであると好ましく、更に好ましくは、2〜20μmである。ここで、平均粒径とは、水に分散させた試料を、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて求められるメジアン径である。
次に第二活性炭について説明する。
第二活性炭は、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す。dV/dDピーク位置を示すD値の上限値は、特に限定されるものではないが、高D値であるほど混合活性炭における単位体積あたりの常温静電容量が減少するので、20Å以下であることが好ましく、より好ましくは15Å以下、更に好ましくは12Å以下である。第一活性炭よりも高いD値でdV/dDのピークを示す第二活性炭においては、細孔内での電解質イオンが低抵抗で移動できるので、キャパシタの内部抵抗を低減することが可能となる。
第二活性炭の平均細孔径は、10.5Å以上であると良く、好ましくは11.0Å以上である。また、比表面積は、1500〜4000m/gであると良く、好ましくは1700〜3700m/g、更に好ましくは2000〜3500m/gである。また、細孔容積は、1.0〜2.5cc/gであると良く、好ましくは1.2〜2.2cc/g、更に好ましくは1.4〜2.0cc/gである。
第二活性炭の形状は、第一活性炭と同じく、粒子状であると良い。そして、第一活性炭と同じく、キャパシタ用塗布電極における通常の塗布厚み、活性炭と集電板との良好な結着性、および電極材料層が結着された集電板の強度保持のため、第二活性炭の平均粒子径は、0.5〜40μmであると良く、好ましくは1〜30μm、更に好ましくは、2〜20μmである。
第二活性炭は、以上に説明した通りである。なお、第二活性炭の細孔径分布、平均細孔径、比表面積、細孔容積、平均細孔径は、第一活性炭の細孔径分布等と同じ方法により算出される。
本実施形態の電極材料である混合活性炭において、第一活性炭の質量に対する第二活性炭の質量の比W2/W1は、目的とするキャパシタの特性に応じて設定される。
25℃程度の常温における静電容量が大容量であるキャパシタを実現するためには、電極材料の単位体積あたりの静電容量を大容量化する必要がある。このためには、15/85≦W2/W1≦70/30であることが好ましく、より好ましくは50/50≦W2/W1≦70/30である。
また、−25℃よりも低温である−30℃においても使用できる電気二重層キャパシタが要求される場合があり、−30℃における静電容量を大容量化するためには、30/70≦W2/W1であることが好ましい。
上記本実施形態の電極材料は、第一活性炭と第二活性炭の任意量を混合するのみの簡易な方法で製造される。
電極材料を製造するときに使用する第一活性炭および第二活性炭は、市販されており、一般的に入手することが可能である。また、以下に示す方法によって製造することも可能である。
先ず、第一活性炭の製造方法について説明する。第一活性炭は、活性炭原料を賦活処理して得ることができ、必要に応じて、得られた第一活性炭の洗浄、粉砕を行う。
賦活処理における「賦活」とは、活性炭原料を多孔質化するための処理であり、一般的にはガス賦活および薬品賦活に分類される。ガス賦活で第一活性炭を製造することも可能であるが、薬品賦活で第一活性炭を製造することが好ましい。そこで、本実施形態における第一活性炭の製造方法を、活性炭原料を薬品賦活する処理としている。
薬品賦活により第一活性炭を製造する本実施形態の方法では、アルゴン、窒素等の不活性ガス中で賦活剤と混合した第一活性炭原料を焼成する。
第一活性炭原料には、一般的に活性炭を製造するために使用されている炭素質原料を使用すると良く、例えば、石油または石炭コークス、合成樹脂の炭化物、ヤシ殻、木炭、石炭を活性炭原料として使用すると良い。このうち合成樹脂を更に例示すれば、フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂が挙げられる。好ましい炭素質原料は、細孔径が必要以上に大きく成り難いフェノール樹脂の炭化物である。
使用する賦活剤には、リン酸、硫酸、塩化カルシウム、塩化亜鉛、硫化カリウム、およびアルカリ金属化合物等の一種または二種以上を選択して使用すると良い。アルカリ金属化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウムなどのアルカリ金属の水酸化物;炭酸カリウム、炭酸ナトリウムなどのアルカリ金属の炭酸塩;硫酸カリウム、硫酸ナトリウムなどのアルカリ金属の硫酸塩;を例示することができる。比表面積が大きな活性炭を製造するためには、アルカリ金属の水酸化物を賦活剤として選定することが好適であり、水酸化カリウムを選定することがより好適である。
上記の通り、賦活剤と混合した第一活性炭原料の焼成が行われる。このときの第一活性炭原料と賦活剤の混合比率は、賦活剤が高比率であるほど、活性炭における細孔径分布のdV/dDピークのD値、平均細孔径、比表面積および細孔容積が大きくなる傾向があり、賦活剤が低比率であるほど、逆の傾向がある。これらの傾向から混合比率が適宜決定される。
また、賦活剤と第一活性炭の混合物を焼成するときの温度も、製造目的物である第一活性炭における細孔径分布のdV/dDピークのD値、平均細孔径、比表面積、および細孔容積に影響を与える。すなわち、焼成温度が高いほど、dV/dDピークのD値、平均細孔径、比表面積、および細孔容積が大きくなる傾向があり、焼成温度が低いほど、逆の傾向となる。
賦活時間は、0〜5時間であると良い。なお、使用する賦活材量および焼成温度に比べて、賦活時間は、活性炭の上記平均細孔径等の物理的特性に影響を与えにくい。
焼成を経ると第一活性炭を得ることができ、必要に応じて、不純物除去のための洗浄処理、活性炭粒径調整のための粉砕処理が行われる。
次に、第二活性炭の製造方法について説明する。
本実施形態における第二活性炭の製造方法は、活性炭原料を薬品賦活する方法であり、活性炭原料と賦活剤の混合比率、および賦活温度が、第一活性炭の製造方法と相違する。なお、第二活性炭の原料には、大きな細孔が発達し易い石油コークスまたは石炭コークスを使用することが好ましい。
第二活性炭を製造する場合においても、賦活剤の使用量、焼成温度、および焼成時間が与える細孔径分布のdV/dDピークのD値、平均細孔径、比表面積および細孔容積への影響は、第一活性炭を製造する場合と同じである。したがって、賦活剤の使用量、焼成温度、および焼成時間は、適宜に決定される。
次に本実施形態の電極材料を備える電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタについて説明する。これらは、公知の方法で製造される。
電気二重層キャパシタ用電極としては、例えば、電極材料、導電性付与剤、およびバインダー溶液を混練し、溶媒を添加してペーストを調製し、このペーストをアルミ箔等の集電板に塗布した後、溶媒を乾燥除去したものが挙げられる。
この電極におけるバインダーには、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子化合物や、カルボキシメチルセルロース、スチレン‐ブタジエンゴム、石油ピッチ、フェノール樹脂等を使用することができる。また、導電性付与剤には、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどを使用することができる。
電気二重層キャパシタは、一般的には、電極、電解液、およびセパレータを主要構成とし、一対の電極間にセパレータが配置した構造となっている。ここで、電解液を例示すれば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの有機溶剤にアミジン塩を溶解した電解液、過塩素酸の4級アンモニウム塩を溶解した電解液、4級アンモニウムやリチウムなどのアルカリ金属の四フッ化ホウ素塩や六フッ化リン塩を溶解した電解液、4級ホスホニウム塩を溶解した電解液などが挙げられる。また、セパレータを例示すれば、セルロース、ガラス繊維、又は、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微孔フィルムが挙げられる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
次に示す製造方法に則って、第一活性炭AおよびB、並びに、第二活性炭CおよびDを製造した(本実施例において、「第一活性炭AおよびB」を「第一活性炭」と総称し、「第二活性炭CおよびD」を「第二活性炭」と総称する)。
(第一活性炭A)
フェノール樹脂(住友ベークライト社製「スミライトレジンPR−ACS−150」)を700℃で2時間の熱処理を行って、フェノール樹脂炭化物を得た。この炭化物10質量部と賦活剤であるKOH18質量部とを混合し、次に、窒素雰囲気下、800℃、2時間の条件による焼成で、前記炭化物の賦活処理を行って第一活性炭Aを製造した。
(第一活性炭B)
賦活剤としてKOHを25質量部使用した以外は第一活性炭Aと同様にして第一活性炭Bを製造した。
(第二活性炭C)
ディレート石油コークス(テキサコ社製)10質量部と賦活剤であるKOH35質量部とを混合し、次に、窒素雰囲気下、800℃、2時間の条件による焼成で、前記ディーレートコークスの賦活処理を行って第二活性炭Cを製造した。
(第二活性炭D)
賦活剤としてKOHを40質量部使用した以外は、第二活性炭Cと同様にして第二活性炭Dを製造した。
上記製造した第一活性炭および第二活性炭について、日本ベル株式会社製BELSORP‐maxを使用したMP法により細孔分布を求め、マイクロメリティックス社製窒素吸着装置ASAP−2400を使用したBET法により比表面積および細孔容積を求めた。また、平均細孔径を、細孔の形状をスリット型と仮定し、「相対圧0.93までの窒素吸着量より求めた細孔容積」と「BET法により求めた比表面積」とから求めた。
第一活性炭および第二活性炭の細孔分布算出値(dV/dD値)を表1に、このグラフを図1に示す。
Figure 2008108979
表1および図1に示す通り、dV/dDは、第一活性炭ではDが8Å(D<9Å)で示され、第二活性炭ではDが10Å(D≧9Å)で示されていたことを確認することができる。
また、第一活性炭および第二活性炭の比表面積、細孔容積、および平均細孔径を表2に示す。
Figure 2008108979
第一活性炭Bと第二活性炭Cの任意量を混合して実施例1〜5の電極材料を製造した。また、第一活性炭Aと第二活性炭Dの任意量を混合して実施例6〜9の電極材料を製造した。これら各電極材料を使用して電気二重層キャパシタを製造し、このキャパシタの静電容量および内部抵抗の評価を行った。また、実施例の電極材料と同様に、第一活性炭を比較例の電極材料とし、第二活性炭を参考例の電極材料として、静電容量等の評価を行った。前記電気二重層キャパシタの製法、並びに、静電容量および内部抵抗の評価の詳細は、次の通りである。
(電気二重層キャパシタの作製)
1.電極の作製
9.0gの電極材料、1.4gのアセチレンブラック、1.0gのカルボキシメチルセルロース、4.0gの5質量%ポリテトラフルオロエチレン水溶液、および40gのイオン交換水で、これらの混合物を調製した。この混合物をアルミ箔に塗布して電極材料層を形成した後、100℃で10分間乾燥した。乾燥後の電極材料層の厚みは、50μmであった。次に、円形に打ち抜いた直径25.4mmのアルミ箔を77MPaでプレスして、電極を作製した。
2.キャパシタの組み立て
真空条件下、200℃、1時間の条件で電極を乾燥した後、窒素ガスを流通させたグローブボックス内で電解液(テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートが1mol/Lのプロピレンカーボネート溶液)を電極に真空含浸させた。この電極を使用して、図2に示すキャパシタを組み立てた。図示のキャパシタは、電解液を含浸させたセパレータ(Celgard社製「セルガード♯3501」)を電極で挟み、電極をOリングで囲繞した後、更にアルミニウム板で挟んだものである。
(静電容量の評価)
充放電装置(楠本化成株式会社製ETAC Ver4.4)の充放電端子をキャパシタのアルミニウム板に接続し、集電板間電圧が2.5Vになるまで40mAの定電流充電を行い、続けて、2.5Vの定電圧で30分間充電した。充電後、定電流(放電電流=0.010A)でキャパシタの放電を行わせた。このとき、キャパシタ電圧(V、V)と放電時間(t、t)を測定し、下式からキャパシタの静電容量を算出し、キャパシタの静電容量を電極における電極材料層の総体積で除することで単位静電容量を算出した。この算出を25℃および−30℃の両条件で行った。
F(V−V)=−I(t−t
F:キャパシタの静電容量(F)
:2.0V
:1.0V
:キャパシタ電圧がVになった時の放電時間(sec)
:キャパシタ電圧がVになった時の放電時間(sec)
I:0.010A
(内部抵抗の評価)
上記静電容量の評価と同じ条件でキャパシタの充電を行った後、定電流(放電電流=0.010A)でキャパシタの放電を行わせた。このとき、キャパシタ電圧(V、V)と放電時間(t、t)を測定し、次の2式からキャパシタの抵抗を算出した。この算出を25℃および−30℃の両条件で行った。
=(V−V)/(t−t)×t+V
R=(V−V)/I
R:抵抗(Ω)
:2.5V
:みなし電圧(V)
:2.0V
:1.0V
:キャパシタ電圧がVになった時の放電時間(sec)
:キャパシタ電圧がVになった時の放電時間(sec)
I:0.010A
上記静電容量および内部抵抗の評価結果を表3および4に示す。
Figure 2008108979
Figure 2008108979
表3から次の(1)〜(3)を確認することができる。
(1)実施例1〜5の電極材料を使用した場合、比較例1の電極材料を使用したものよりもΔCおよびΔRの絶対値が小さいこと。
(2)実施例2〜5の電極材料(15/85≦W2/W1≦70/30)を使用した場合、比較例1のみならず参考例1の電極材料を使用したものよりも、25℃の静電容量大きいこと。
(3)実施例3〜5の電極材料(30/70≦W2/W1)を使用した場合、比較例1のみならず参考例1の電極材料を使用したものよりも、−30℃の静電容量大きいこと。
また表4から、表3と同様の次の(4)〜(6)を確認することができる。
(4)実施例6〜9の電極材料を使用した場合、比較例2の電極材料を使用したものよりもΔCおよびΔRの絶対値が小さいこと。
(5)実施例6〜9の電極材料(15/85≦W2/W1≦70/30)を使用した場合、比較例2のみならず参考例2の電極材料を使用したものよりも、25℃の静電容量大きいこと。
(6)実施例7〜9の電極材料(30/70≦W2/W1)を使用した場合、比較例2のみならず参考例2の電極材料を使用したものよりも、−30℃の静電容量大きいこと。
本発明の実施例における第一活性炭および第二活性炭の細孔径分布を表すグラフである。 実施例における抵抗および静電容量評価に使用した電気二重層キャパシタを説明するための図である。

Claims (6)

  1. MP法により求めた細孔径分布(縦軸がdV/dD、横軸がDの細孔径分布であり、Vは細孔容積、Dは細孔直径を表す。以下、同じ)においてdV/dDのピークをD<9Åで示す第一活性炭と、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す第二活性炭とが混合されている電気二重層キャパシタ用電極材料。
  2. 第一活性炭の質量に対する第二活性炭の質量の比W2/W1(W1は第一活性炭の質量を表し、W2は第二活性炭の質量を表す。以下、同じ)が、15/85≦W2/W1≦70/30である請求項1に記載の電気二重層キャパシタ用電極材料。
  3. 前記W2/W1が、30/70≦W2/W1である請求項1に記載の電気二重層キャパシタ用電極材料。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の電極材料を備えた電気二重層キャパシタ用電極。
  5. 請求項4に記載の電極を備えた電気二重層キャパシタ。
  6. MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD<9Åで示す第一活性炭と、MP法により求めた細孔径分布においてdV/dDのピークをD≧9Åで示す第二活性炭とを混合することを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料の製造方法。
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