JP2009158961A - スーパーキャパシタ - Google Patents

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開利 姜
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Abstract

【課題】本発明は、スーパーキャパシタに関する。
【解決手段】本発明のスーパーキャパシタは、第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターを含む。前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、前記第一電極又は/及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、スーパーキャパシタに関し、特にカーボンナノチューブを使用したスーパーキャパシタに関するものである。
スーパーキャパシタは、電解コンデンサ又は電気二重層コンデンサと呼ばれる。該スーパーキャパシタは、一般的に、電極、セパレーター及び電解液を含み、該電極及びセパレーターは、前記電解液の中に設置される。前記電極は、集電体と、該集電体に設置された電極材料を含む。従来技術のスーパーキャパシタの製造方法は、まず、電極材料を十分に研磨してから、その中に接着剤を加入し、撹拌して均一的な混合物にする。次に、プレス方法で前記混合物を前記集電体にプレスし、所定の形状を有する電極を形成する。最後に、電極を、セパレーターを含む電解液の中に設置し、スーパーキャパシタを形成する。
スーパーキャパシタの電気容量は、電極材料によって決められる。理想的な電極材料に対して、結晶度が高く、導電性が良く、比表面積が大きく、微孔構造が所定の範囲に集中する要望がある。現在、スーパーキャパシタの電極材料としては、主に活性炭及び遷移金属酸化物がある。活性炭の導電性が良くなく、該活性炭を電極とするスーパーキャパシタは、抵抗が大きく、該活性炭の比表面積の利用率が30%以下であるので、電解質のイオンが進入しにくい。遷移金属酸化物を電極とするスーパーキャパシタは、電気容量が大きいが、コストが高く、広く応用することができない。
カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube,CNT)は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって1991年に発見された(非特許文献1を参照)。カーボンナノチューブは、直径が数ナノメートル〜数十ナノメートルであり、長さが数マイクロメートル〜数十マイクロメートルであり、その比表面積が大きく、結晶度が高く、導電性が良く、比表面積の利用率が100%に達することができ、理想的なスーパーキャパシタの電極材料である。
非特許文献2は、カーボンナノチューブをスーパーキャパシタの電極材料とすることを公開する。多層のカーボンナノチューブ粉末をフィルム電極に製造し、該フィルム電極を封装し、スーパーキャパシタを形成する。
中国特許出願公開第101239712号明細書 特許出願第2008−264509号明細書 特許出願第2008−131428号明細書 中国特許第100411979号明細書 中国特許出願公開第1982209号明細書 S.Iijima、"Helical Microtubules of Graphitic Carbon"、Nature、1991年、第354巻、p.56 Chunming Niu et al.、"High power electrochemical capacitors based on carbon nanotube electrodes"、Apply Physics Letter、1997年、第70巻、p.1480−1482
前記フィルム電極の製造方法において、カーボンナノチューブ原料が粉末状であり、凝集しやすいので、該フィルム電極におけるカーボンナノチューブは、均一的に分散できない。従って、該カーボンナノチューブを表面改質する必要がある。しかし、表面改質されたカーボンナノチューブもまた凝集しやすいので、製造されたフィルム電極は、靱性が良くなく、断裂しやすく、スーパーキャパシタの性能に影響を及ぼす。
従って、本発明は、高電気容量及び高パワー密度を有するスーパーキャパシタを提供する。
スーパーキャパシタは、第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターを含む。前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、前記第一電極又は/及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体を含む。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、絡み合っている。
前記カーボンナノチューブ構造体が二枚以上のカーボンナノチューブフィルムを含み、該二枚以上のカーボンナノチューブフィルムが積層して配列される。
前記カーボンナノチューブ構造体が、複数の微孔構造を有する。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤが、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、該カーボンナノチューブワイヤが、該カーボンナノチューブワイヤの軸向に沿って、螺旋配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
前記スーパーキャパシタは、さらに、第一集電体と第二集電体を含み、該第一集電体が前記第一電極のセパレーターから離れる表面に設置され、該第二集電体が前記第二電極のセパレーターから離れる表面に設置される。
従来のスーパーキャパシタと比べると、本発明のスーパーキャパシタの電極は、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体において、複数の微孔構造を有するので、電荷が通りやすい。また、前記カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが良い導電性及び大きな比表面積を有するので、前記スーパーキャパシタ10は、高電気容量、高パワー密度及び高導電率を有する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
(実施形態1)
図1を参照すると、本実施形態は、スーパーキャパシタ10を提供する。該スーパーキャパシタ10は、平板型の構造である。該スーパーキャパシタ10は、第一電極101、第二電極102、第一集電体103、第二集電体104、セパレーター105、電解液106、ハウジング107を含む。前記電解液106は、前記ハウジング107の中に収容される。前記第一集電体103及び前記第二集電体104は、前記電解液106の中に分離して設置されている。前記第一電極101は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第一集電体103の表面に設置されている。前記第二電極102は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第二集電体104の表面に設置されている。前記セパレーター105は、前記第一電極101と前記第二電極102の間に設置され、該第一電極101及び該第二電極102と分離する。
前記カーボンナノチューブ構造体は、均一的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は数種である。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該単層カーボンナノチューブの直径は、0.5ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は、1.0ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は、1.5ナノメートル〜50ナノメートルである。具体的には、前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤを含む。
前記カーボンナノチューブフィルムは、下記の四つの種類がある。
第一種の前記カーボンナノチューブフィルムについて、図2を参照する。一枚のカーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。該複数のカーボンナノチューブは、分子間力で端と端が接続される。さらに、前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列された複数のカーボンナノチューブを含み、該相互に平行に配列された複数のカーボンナノチューブが分子間力で接続される。前記カーボンナノチューブフィルム及びその製造方法は、特許文献1を参照する。
第二種の前記カーボンナノチューブフィルムについて、図3及び図4を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、均一的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブが等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。図3は、該カーボンナノチューブが等方的に配列されているカーボンナノチューブフィルムを示す。図4は、カーボンナノチューブが所定の方向に沿って配列されているカーボンナノチューブフィルムを示す。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、相互に積層し、分子間力で接続されるので、該カーボンナノチューブフィルムは、強靭性を有し、任意の形状に折り畳まれることができ、自立構造を有し、ここで、自立構造というものは、別の支持部材が利用されず、前記カーボンナノチューブフィルムが独立な構造を保持するものである。前記カーボンナノチューブフィルム及びその製造方法は、特許文献2を参照する。
第三種前記カーボンナノチューブフィルムについて、図5を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、互いに絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。ここで、一本の前記カーボンナノチューブの長さが10マイクロメートル以上である。前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに引き付けあい絡み合って、ネットワーク構造に形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、等方的な導電性及び熱伝導性を有する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、均一的に、不規則的に配列され、微孔構造が形成される。特許文献3を参照する。
第四種前記カーボンナノチューブフィルムについて、図6を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向又は複数の異なる方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、該複数のカーボンナノチューブがカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に並列され、分子間力で接続される。該複数のカーボンナノチューブの長さは、基本的に同じである。一本のカーボンナノチューブの長さは、1センチメートル以上である。前記カーボンナノチューブフィルムの長さとカーボンナノチューブの長さが同じであることができる。この場合、前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、一本のカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブフィルムの一端から、もう一端までに延長する。
また、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを隙間なく平行に並列し、大寸法のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
前記カーボンナノチューブワイヤは、下記の二つの種類がある。
第一種のカーボンナノチューブワイヤについて、図7を参照する。カーボンナノチューブワイヤは、該カーボンナノチューブワイヤの長手方向に沿って、配列し、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。さらに、前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列して分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、任意の長さ、厚さ、均一性及び形状を有する。前記カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、直径が0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。特許文献4と特許文献5を参照する。
第二種のカーボンナノチューブワイヤについて、図8を参照する。カーボンナノチューブワイヤは、該カーボンナノチューブワイヤの軸向に沿って、螺旋配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含み、該複数のカーボンナノチューブセグメントの端と端が分子間力で接続される。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列して分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブセグメントは、任意の長さ、厚さ、均一性及び形状を有する。前記カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、直径が0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。特許文献4と特許文献5を参照する。
前記カーボンナノチューブ構造体は、一枚のカーボンナノチューブフィルムのみ或いは、少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤ或いは、カーボンナノチューブフィルムと複数のカーボンナノチューブワイヤを含むこともできる。
図9を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブ構造体12は、第一カーボンナノチューブフィルム121、第二カーボンナノチューブフィルム122、第三カーボンナノチューブフィルム123、第四カーボンナノチューブフィルム124が積層されてなる。各カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列される。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが0°〜90°角度で交叉し、複数の微孔構造に形成されている。単一の前記微孔構造の直径は1ナノメートル〜500ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体12が第一電極101、第二電極102に含まれる。
前記セパレーター105は、ガラス繊維又はポリマーフィルムからなる。該セパレーター105は、前記電解液106の電解質イオンを通し、前記第一電極101と前記第二電極102とが接触することを防止できる。前記電解液106は、水性溶液又は有機溶液である。前記ハウジング107は、ガラスハウジング又はステンレスハウジングである。
前記第一集電体103と第二集電体104の材料は、グラファイト、アルミニウム、ニッケル、銅などである。該第一集電体103と該第二集電体104は、金属フィルムであり、銅フィルムであることが好ましく、それらの大きさは制限されず、実際の応用により、選択することができる。前記カーボンナノチューブ構造体12自体が強い接着性を有するので、電極としてのカーボンナノチューブ構造体12は、直接的に前記第一集電体103と第二集電体104の表面に接着することができる。或いは、電極としてのカーボンナノチューブ構造体12は、接着剤で前記第一集電体103と第二集電体104の表面に接着することもできる。
前記カーボンナノチューブ構造体12は、良い導電性、自立性及び安定性を有するので、前記スーパーキャパシタ10は、前記第一集電体103と前記第二集電体104がなくてもよく、該カーボンナノチューブ構造体12の表面に導電性接着剤を塗布することができる。
本実施形態は、スーパーキャパシタ10を製造する方法を提供する。該方法は、下記のステップを含む。
第一ステップでは、第一集電体103及び第二集電体104を提供する。該第一集電体103及び該第二集電体104は、銅シートであることが好ましい。
第二ステップでは、カーボンナノチューブ構造体12を提供する。次に、該第二ステップについて詳しく説明する。
まず、それぞれ第一カーボンナノチューブフィルム121、第二カーボンナノチューブフィルム122、第三カーボンナノチューブフィルム123及び第四カーボンナノチューブフィルム124を製造する。各カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って配列される。
次に、該第一カーボンナノチューブフィルム121、該第二カーボンナノチューブフィルム122、該第三カーボンナノチューブフィルム123及び該第四カーボンナノチューブフィルム124を積層する。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、0°〜90°の角度を成す。本実施形態において、前記第二カーボンナノチューブフィルム122におけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第一カーボンナノチューブフィルム121及び前記第三カーボンナノチューブフィルム123におけるカーボンナノチューブの配列する方向と90°の角度を成させる。前記第三カーボンナノチューブフィルム123おけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第二カーボンナノチューブフィルム122及び前記第四カーボンナノチューブフィルム124におけるカーボンナノチューブの配列する方向と90°の角度を成させる。前記カーボンナノチューブ構造体12を、図9に示す。
第三ステップでは、前記カーボンナノチューブ構造体12をそれぞれ前記第一集電体103及び前記第二集電体104の表面に設置する。
該カーボンナノチューブ構造体12が良い接着性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体12は、それ自体の接着性を利用して直接前記第一集電体103及び前記第二集電体104の表面に接着することができる。或いは、導電接着剤を利用して前記第一集電体103及び前記第二集電体104の表面に接着することもできる。
さらに、前記カーボンナノチューブ構造体12を有機溶剤で処理することができる。有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体12を処理する方法は、下記に説明する。
試験管で有機溶剤を前記カーボンナノチューブ構造体12の表面に滴下させ、該カーボンナノチューブ構造体12を浸漬する。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体12を有機溶剤が詰められた容器に浸漬する。該有機溶剤は、揮発性有機溶剤であり、アルコール、メチルアルコール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は多種の混合物である。本実施形態において、アルコールを利用して前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬することにより、該アルコールの表面張力作用で、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが収縮する。従って、該カーボンナノチューブ構造体12は、比表面積が小さくなり、接着性がなくなり、優れた機械強度と強靱性を有する。
第四ステップでは、セパレーター105及びハウジング107を提供し、前記カーボンナノチューブ構造体12が設置された第一集電体103及び前記第二集電体104を分離して前記ハウジング107の中に設置し、前記セパレーター105を前記第一集電体103と前記第二集電体104との間に設置する。本実施形態において、前記セパレーター105は、ノンブーンファブリックを採用する。
第五ステップでは、電解液106を提供し、該電解液106を前記ハウジング107に注入し、封装してスーパーキャパシタ10を形成する。
前記電解液106を前記ハウジング107に注入してから、前記カーボンナノチューブ構造体12が設置された第一集電体103及び前記第二集電体104、並びに前記セパレーター105が該電解液106の中に浸漬される。前記スーパーキャパシタ10の封装過程が、不活性ガスを充填した、乾燥の雰囲気で行なわれる。
図10を参照し、本実施形態のスーパーキャパシタ10において、3ミリアンペア(mA)の電流を流す場合の充電−放電の曲線を示す。図10から、該充電−放電の曲線と横軸と成す形状は、三角形状に近似し、該充電の曲線及び該放電の曲線が大体に軸対称であり、定電流で充電−放電する場合、該スーパーキャパシタ10の電圧は、充電−放電する時間に対して、線形性を有し、該スーパーキャパシタ10の電極の反応の可逆性が良いことが分かる。
前記スーパーキャパシタ10の第一電極101と第二電極102は、全てカーボンナノチューブ構造体12を含む。該カーボンナノチューブ構造体12は複数の微孔構造を有するので、前記スーパーキャパシタ10から、電荷が前記第一電極101と前記第二電極102を通りやすい。また、前記カーボンナノチューブ構造体12において、複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが良い導電性及び大きな比表面積を有するので、前記スーパーキャパシタ10は、高電気容量、高パワー密度及び高導電率を有する。前記スーパーキャパシタ10の製造方法が簡単で、実際の応用に便利である。
また、前記第一電極101と第二電極102の少なく一つの電極は、カーボンナノチューブ構造体12を含むことができる。
本発明の実施形態に係るスーパーキャパシタの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る第一種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 本発明の実施形態に係る第二種の一つのカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 本発明の実施形態に係る第二種のもう一つのカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 本発明の実施形態に係る第三種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 本発明の実施形態に係る第四種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 本発明の実施形態に係る第一種のカーボンナノチューブワイヤを示す図である。 本発明の実施形態に係る第二種のカーボンナノチューブワイヤを示す図である。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ構造体を示す図である。 本発明の実施形態に係るスーパーキャパシタにおいて、3ミリアンペア(mA)の電流を流す場合の充電−放電の曲線である。
符号の説明
10 スーパーキャパシタ
12 カーボンナノチューブ構造体
101 第一電極
102 第二電極
103 第一集電体
104 第二集電体
105 セパレーター
106 電解液
107 ハウジング
121 第一カーボンナノチューブフィルム
122 第二カーボンナノチューブフィルム
123 第三カーボンナノチューブフィルム
124 第四カーボンナノチューブフィルム

Claims (10)

  1. 第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターを含むスーパーキャパシタにおいて、
    前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、
    前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、
    前記第一電極又は/及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体を含むことを特徴とするスーパーキャパシタ。
  2. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含むことを特徴とする、請求項1に記載のスーパーキャパシタ。
  3. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、
    前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ。
  4. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、
    前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ。
  5. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、
    前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、絡み合っていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ。
  6. 前記カーボンナノチューブ構造体が二枚以上のカーボンナノチューブフィルムを含み、該二枚以上のカーボンナノチューブフィルムが積層して配列されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ。
  7. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数の微孔構造を有することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ。
  8. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、
    前記カーボンナノチューブワイヤが、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ。
  9. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含み、
    前記カーボンナノチューブワイヤが、該カーボンナノチューブワイヤの軸向に沿って、螺旋配列された複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ。
  10. 前記スーパーキャパシタは、さらに、第一集電体と第二集電体を含み、
    該第一集電体が前記第一電極のセパレーターから離れる表面に設置され、該第二集電体が前記第二電極のセパレーターから離れる表面に設置されることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ。
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