JP2008160068A - ポリアニリン/炭素複合体及びそれを用いた電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリアニリン又はその誘導体を炭素系材料に複合化させてなるポリアニリン/炭素複合体において、ポリアニリン又はその誘導体が非極性有機溶媒中に分散した導電性ポリアニリン又はその誘導体を脱ドープしたものであるポリアニリン/炭素複合体。
【選択図】なし
Description
(1)導電性ポリアニリン分散液と炭素系材料を混合した分散液を塩基処理することにより、ポリアニリン/炭素複合体を調製する。脱ドープ処理された分散液中の固形分を濾別、洗浄することによりポリアニリン/炭素複合体は単離できる。
(2)導電性ポリアニリン分散液と炭素系材料とを混合した分散液から溶媒を除去することにより導電性ポリアニリン/炭素複合体を得る。得られた複合体を塩基処理することによりポリアニリン/炭素複合体を調製する。
(3)導電性ポリアニリン分散液と非プロトン性溶媒を混合した分散液を塩基処理することにより脱ドープされたポリアニリン分散液を得る。ポリアニリン分散液に炭素系材料を混合した後、固形分を濾別、洗浄してポリアニリン/炭素複合体を調製する。
(4)導電性ポリアニリン分散液と炭素系材料と非プロトン性溶媒とを混合した分散液を塩基処理することによりポリアニリン/炭素複合体を調製する。分散液中の固形分を濾別、洗浄することにより、ポリアニリン/炭素複合体を単離できる。
(5)導電性ポリアニリン分散液を塩基処理して生成した沈殿物を濾別、洗浄することにより脱ドープ状態のポリアニリン粉末を得た。このポリアニリン粉末と炭素系材料を混合分散することによりポリアニリン/炭素複合体を調製する。または、ポリアニリン粉末を非プロトン性溶媒中に分散、溶解させた分散液と炭素系材料を混合した後、溶媒を除去することによりポリアニリン/炭素複合体を調製する。
トルエン150gにアニリン12.6g、ドデシルベンスルホン酸26.4g及び2,4,6−トリメチルアニリン0.63gを溶解させた後、6N塩酸22.5mLを溶解した蒸留水100gを加えた。この混合溶液にテトラブチルアンモニウムブロマイド3.8gを添加し、5℃以下に冷却した後、過硫酸アンモニウム33.9gを溶解させた蒸留水80gを加えた。5℃以下の状態で6時間酸化重合を行なった後、トルエン100g、ついでメタノール水混合溶媒(水/メタノール=2/3(重量比))を加え攪拌を行なった。攪拌終了後、トルエン層を水層に分離した反応溶液のうち、水層のみを除去することによりポリアニリントルエン分散液を得た。ポリアニリントルエン分散液を一部採取し、トルエンを真空留去したところ分散液中に固形分12.9重量%(ポリアニリン含有量5重量%)が含まれていた。また、この分散液を孔径1.0μmのフィルターでろ過したところ目詰まりすることはなかった。分散液中のポリアニリン粒子の粒子径を超音波粒度分布測定器(Matec Applied Sciences社製APS−100)で解析した結果、粒度分布は単分散(ピーク値が0.33μm、半値幅が0.17μm)であることがわかった。さらに、この分散液は室温1年間経過した後も凝集、沈殿することはなく安定であった。元素分析からドデシルベンゼンスルホン酸のアニリンモノマーユニット当りのモル比は0.45であった。得られたポリアニリンの収率は96%であった。
ポリアニリントルエン分散液100gに2モル/リットルトリエチルアミンメタノール溶液500mLを添加した後、5時間攪拌混合行なった。攪拌終了後、沈殿物を口別回収し、メタノールで洗浄した。この時の濾液及び洗浄液は、無色透明であった。洗浄精製された沈殿物を真空乾燥することにより脱ドープされたポリアニリン粉末を得た。このポリアニリン粉末5gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)95gに添加、混合させ、ポリアニリンN−メチル−2−ピロリドン分散液を調製した。ポリアニリン粒子の粒子径を超音波粒度分布測定器(Matec Applied Sciences社製APS−100)で解析した結果、粒度分布は単分散(ピーク値が0.31μm、半値幅が0.17μm)であることがわかった。
脱ドープポリアニリン粉末5g(アルドリッチ社製平均分子量10,000)をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)95gに添加、混合させ、ポリアニリンN−メチル−2−ピロリドン分散液を調製した。ポリアニリン粒子の粒子径を超音波粒度分布測定器(Matec Applied Sciences社製APS−100)で解析した結果、粒度分布は、(A)ピーク(ピーク値0.31μm、半値幅0.17μm)と(B)ピーク(ピーク値1.1μm、半値幅0.43μm)と(C)ピーク(ピーク値6.8μm、半値幅0.8μm)で構成され、ピーク面積比(A):(B):(C)が、55:40:5であることがわかった。この粒度分布の結果から、ポリアニリンN−メチル−2−ピロリドン分散液には、凝集体が混在していることがわかった。
ポリアニリントルエン分散液20gに導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを添加混合し、導電性ポリアニリンとカーボンブラックの混合分散液を得た。この混合分散液に2モル/リットルのトリエチルアミンメタノール溶液200mLを添加した後、5時間攪拌混合行なった。攪拌終了後、沈殿物を口別回収し、メタノールで洗浄した。この時の濾液及び洗浄液は、無色透明であった。洗浄精製された沈殿物を真空乾燥することによりポリアニリン/炭素複合体1を調製した。
ポリアニリントルエン分散液20gをポリアニリントルエン分散液30gに変更する以外は、ポリアニリン/炭素複合体1を調製する同じ方法でポリアニリン/炭素複合体2を調製した。
ポリアニリントルエン分散液20gをポリアニリントルエン分散液40gに変更する以外は、ポリアニリン/炭素複合体1を調製する同じ方法でポリアニリン/炭素複合体3を調製した。
ポリアニリントルエン分散液20gに活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)7.5g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを添加混合し、導電性ポリアニリン、活性炭、カーボンブラックの混合分散液を得た。この混合分散液に2モル/リットルのトリエチルアミンメタノール溶液200mLを添加した後、5時間攪拌混合行なった。攪拌終了後、沈殿物を口別回収し、メタノールで洗浄した。この時の濾液及び洗浄液は、無色透明であった。洗浄精製された沈殿物を真空乾燥することによりポリアニリン/炭素複合体4を調製した。
ポリアニリントルエン分散液、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)の使用量が、各々30g、7.0g、1gとなる以外は、ポリアニリン/炭素複合体4を調製した同じ方法でポリアニリン/炭素複合体5を調製した。
上記脱ドープされたポリアニリン粉末1g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1g、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)20gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体6を調製した。
上記脱ドープされたポリアニリン粉末1.5g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1g、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)20gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体7を調製した。
上記ポリアニリンNMP分散液20gに導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体8を調製した。
上記ポリアニリンNMP分散液30gに導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体9を調製した。
上記ポリアニリンNMP分散液20gに活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)7.5g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを乳鉢混合し、導電性ポリアニリン、活性炭、カーボンブラックからなるペースト状のポリアニリン/炭素複合体10を調製した。
ポリアニリン粉末(アルドリッチ社製平均分子量10,000)1g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1g、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)20gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体11を調製した。
ポリアニリンスルホン酸水溶液(アルドリッチ社製、5%水溶液)20g、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)1gを乳鉢混合し、ペースト状のポリアニリン/炭素複合体12を調製した。
ポリアニリン/炭素複合体1(2g)と活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.5g)とカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストをアルミニウム箔(膜厚30μm)に活物質層の厚さが100μmとなるように塗布した。150℃で24時間乾燥させた後、150℃、2時間真空乾燥を行なった。このシート状の電極を20MPaで加圧処理した後、1cmx1cmの寸法で切り出し、評価用電極1を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体2(2.5g)と活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.0g)とカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極2を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体3(3.0g)と活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(6.5g)とカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極3を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体4(9.5g)とカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極4を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体5(9.5g)とカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極5を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体6(22g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.5g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極6を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体7(22.5g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.0g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極7を作製した。
活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(8.5g)、導電性カーボンブラック(ライオン(株)製、ケッチェンブラックECP600JD)(1.0g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(30g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極8を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体8(22g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.5g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極9を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体9(31g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.0g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を十分乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極10を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体10(28.5g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極11を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体11(22g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.5g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極12を作製した。
ポリアニリン/炭素複合体12(21g)、活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒子径10μm)(7.5g)、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(アルドリッチ社製、粘度1500−3000cP(1%水溶液))(0.5g)を乳鉢で混合分散させた後、水(20g)を徐々に加えながら更に乳鉢で混合してペースト状にした。このペーストを用いた以外は、実施例1と同じ方法で評価用電極13を作製した。
実施例1〜7及び比較例1〜6は、以下の方法で電気二重層キャパシタを作製し、電極活物質あたりの比容量を求めた。
上記作製した評価用電極1〜12を正負両極として、ガラス繊維濾紙(ワットマン濾紙GF/A)を介して対向させ、1Mテトラエチルアンモニムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を電解液として用いて電気二重層キャパシタを作製した。この電気二重層キャパシタの充放電試験は、充放電試験機(北斗電工製HJ1001SM8A)を用いて行なった。充電は、2mAの定電流で行い、電圧が2.5Vに達した後は定電圧充電で1時間充電を行なった。放電は、2mAの定電流で行い、終止電圧を0Vとした。各キャパシタの充放電試験を1000回繰り返し、10サイクル目の放電曲線から電極活物質重量あたりの比容量を求めた。また、1000サイクル目の放電曲線から電極活物質重量あたりの比容量を求め、10サイクル目の放電曲線から求めた比容量との比をサイクル特性(=1000サイクル目の放電曲線から求めた比容量/10サイクル目の放電曲線から求めた比容量)とし、電極の安定性の指標とした。
上記作製した評価用電極1〜3、8〜10、13を正負両極として、ガラス繊維濾紙(ワットマン濾紙GF/A)を介して対向させ、15重量%硫酸水溶液を電解液として用いて電気二重層キャパシタを作製した。この電気二重層キャパシタの充放電試験は、充放電試験機(北斗電工製HJ1001SM8A)を用いて行なった。充電は、2mAの定電流で行い、電圧が1.0Vに達した後は定電圧充電で1時間充電を行なった。放電は、2mAの定電流で行い、終止電圧を0Vとした。各キャパシタの充放電試験を1000回繰り返し、10サイクル目の放電曲線から電極活物質重量あたりの比容量を求めた。また、1000サイクル目の放電曲線から電極活物質重量あたりの比容量を求め、10サイクル目の放電曲線から求めた比容量との比をサイクル特性(=1000サイクル目の放電曲線から求めた比容量/10サイクル目の放電曲線から求めた比容量)とし、電極の安定性の指標とした。
Claims (5)
- ポリアニリン又はその誘導体を炭素系材料に複合化させてなるポリアニリン/炭素複合体において、前記ポリアニリン又はその誘導体が非極性有機溶媒中に分散した導電性ポリアニリン又はその誘導体を脱ドープしたものであるポリアニリン/炭素複合体。
- 前記導電性ポリアニリン又はその誘導体が、水及び非極性有機溶媒からなる混合溶媒中
において、分子量調整剤及び相間移動触媒の存在下に、スルホン酸とアニリン又はその誘導体とを酸化重合することにより得られる有機溶媒中に安定に分散したものである請求項1に記載のポリアニリン/炭素複合体。 - 前記ポリアニリン又はその誘導体の量が、前記炭素系材料100重量部に対して、1〜300重量部である請求項1又は2に記載のポリアニリン/炭素複合体。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のポリアニリン/炭素複合体を用いた電気2重層キャパシタ用電極材料。
- 請求項4に記載の電極材料を用いた分極性電極を有する電気二重層キャパシタ。
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