JP2009295665A - Electrode for electrochemical element, its manufacturing method, and electrical double layer capacitor using electrode for electrochemical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学素子用電極に関し、より詳しくは、低い内部抵抗と高い電極強度を併せ持ち、特に電気二重層キャパシタに好ましく用いられる電気化学素子用電極に関する。また、本発明は、該電気化学素子用電極の製造方法および該電気化学素子用電極を用いた電気二重層キャパシタに関する。 The present invention relates to an electrode for an electrochemical device, and more particularly to an electrode for an electrochemical device that has both a low internal resistance and a high electrode strength, and is preferably used for an electric double layer capacitor. Moreover, this invention relates to the manufacturing method of this electrode for electrochemical devices, and the electric double layer capacitor using this electrode for electrochemical devices.
近年、電気二重層キャパシタ(以下、単に「キャパシタ」ということがある。)は高速充放電が可能なため高出力用途や回生エネルギー用途において注目を集めており、その用途は拡大しつつある。キャパシタにおいて、内部抵抗の低減は大電流充放電時のI2Rにより発生する熱損失を抑え、充放電効率の改善に繋がるため、重要な課題であると考えられている。 In recent years, electric double layer capacitors (hereinafter sometimes simply referred to as “capacitors”) are attracting attention in high-power applications and regenerative energy applications because they can be charged and discharged at high speed, and their applications are expanding. In capacitors, reduction of internal resistance is considered to be an important issue because it reduces heat loss caused by I 2 R during large current charge / discharge and leads to improvement of charge / discharge efficiency.
電極強度の向上はハンドリング性の向上や捲回式セルの巻き径を小さくすることができるため、容量向上にも繋がる。以上より、内部抵抗の低減と電極強度の向上は電気二重層キャパシタの性能を向上させるため重要な課題となっている。 The improvement of the electrode strength leads to an improvement in the capacity because the handling property and the winding diameter of the wound cell can be reduced. From the above, reduction of internal resistance and improvement of electrode strength are important issues for improving the performance of electric double layer capacitors.
キャパシタの内部抵抗低減のために、従来、複数の突起を集電体上に形成させることで、電極の内部抵抗を低減させることが提案されている。例えば、特許文献1記載の電気化学素子は、集電体となる金属箔を打ち抜き、貫通孔と高さ300μm、寸法0.4mm×0.4mmの突起を4個/mm2形成させ電気二重層キャパシタの内部抵抗の低減を図っている。この際、突起の高さは、電極の厚さ1.0としたときに0.5〜0.8にすることが好ましいとしている。しかしながら、特許文献1記載の方法では、電極組成物層に突出する突起の数が少なく、また電極組成物層と集電体とが接する面積が少ない。このため、内部抵抗の低減はなお不充分であった。さらに、特許文献1記載の方法は、単に集電体上に電極組成物層を形成させているだけなので、電極組成物層と集電体とが十分に密着しているとは言えず、そのため電極組成物層と集電体との界面で発生する接触抵抗を十分に低減できていない。そして、十分な密着が図られていないため、電極強度も脆弱になってしまうという問題点があった。
In order to reduce the internal resistance of a capacitor, it has heretofore been proposed to reduce the internal resistance of an electrode by forming a plurality of protrusions on a current collector. For example, in the electrochemical device described in
一方、特許文献2記載の電気二重層キャパシタでは、導電材料と分極性電極とを導電性接着剤を用いて接着することで分極性電極との密着性を向上させ、内部抵抗を低減させることが提案されている。
On the other hand, in the electric double layer capacitor described in
本発明の目的は、上記文献記載の方法では十分に解決されたとは言えない、キャパシタの内部抵抗の低減と電極強度の向上を図り、大電流での高速充放電に適したキャパシタを得ることができる電気化学素子用電極を提供することにある。 The object of the present invention is to achieve a capacitor suitable for high-speed charge / discharge with a large current by reducing the internal resistance of the capacitor and improving the electrode strength, which cannot be said to be sufficiently solved by the method described in the above-mentioned document. The object is to provide an electrode for an electrochemical element.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、集電体に複数の突起を形成することにより、電極組成物層と集電体との接触面積が向上し、さらに、突起を有する集電体上に導電性接着剤層を介して電極組成物層を形成することで、電極組成物層と集電体との界面抵抗を飛躍的に低減でき、しかも電極強度が向上することを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have improved the contact area between the electrode composition layer and the current collector by forming a plurality of protrusions on the current collector, By forming the electrode composition layer on the current collector through the conductive adhesive layer, the interface resistance between the electrode composition layer and the current collector can be drastically reduced and the electrode strength can be improved. I found.
また、電極組成物層と集電体とが接触する面積を増大させるために、集電体上の突起の形成密度や、形状等を制御することで、さらに内部抵抗が低減され、電極強度が向上することを見出した。また、集電体に開口部を形成することで、電解質イオンが電極を透過するため、電極組成物層中の活物質の有効利用が図られ、さらに静電容量が向上し、しかも製品間の容量のバラツキが低減されることを見出した。 Further, in order to increase the contact area between the electrode composition layer and the current collector, by controlling the formation density and shape of the protrusions on the current collector, the internal resistance is further reduced and the electrode strength is reduced. I found it to improve. In addition, by forming an opening in the current collector, electrolyte ions permeate the electrodes, so that the active material in the electrode composition layer can be effectively used, the capacitance is further improved, and between the products. It has been found that the variation in capacity is reduced.
さらに、集電体に導電性接着剤を塗布し、その後、突起を付与させる工程を設けることで、突起の側部にも導電性接着剤層を形成させることができ、突起の開口部を塞ぐことなく、集電体と電極組成物層の密着性を向上させることができることを見出した。 Furthermore, by applying a conductive adhesive to the current collector and then providing a protrusion, a conductive adhesive layer can be formed on the side of the protrusion, and the opening of the protrusion is blocked. It has been found that the adhesion between the current collector and the electrode composition layer can be improved.
本発明者らは、これらの知見に基づき本発明を完成させるに至った。すなわち、上記課題を解決する本発明は、下記事項を要旨として含む。 Based on these findings, the present inventors have completed the present invention. That is, this invention which solves the said subject contains the following matter as a summary.
(1)少なくとも一方面に複数の突起を有する集電体上に、導電性接着剤層を介して電極組成物層が形成されてなる電気化学素子用電極。 (1) An electrode for an electrochemical device, wherein an electrode composition layer is formed on a current collector having a plurality of protrusions on at least one surface via a conductive adhesive layer.
(2)該集電体の突起形成密度が、1個/mm2以上である(1)に記載の電気化学素子用電極。 (2) The electrode for an electrochemical element according to (1), wherein a protrusion forming density of the current collector is 1 piece / mm 2 or more.
(3)該集電体の単位面積(B)あたりの集電体の有効表面積(A)が、A/B比で1を超える(1)または(2)に記載の電気化学素子用電極。 (3) The electrode for an electrochemical element according to (1) or (2), wherein the effective surface area (A) of the current collector per unit area (B) of the current collector exceeds 1 in terms of A / B ratio.
(4)電極組成物層中に突出した突起により囲繞される電極組成物が、該電極組成物層の全体積の、1体積%以上である(1)〜(3)のいずれかに記載の電気化学素子用電極。 (4) The electrode composition surrounded by the protrusion protruding into the electrode composition layer is 1% by volume or more of the total volume of the electrode composition layer, according to any one of (1) to (3) Electrode for electrochemical elements.
(5)前記突起の高さ(H)が電極組成物層の厚さ(T)に対してH/T<1の関係を有する(1)〜(4)のいずれかに記載の電気化学素子用電極。 (5) The electrochemical element according to any one of (1) to (4), wherein the height (H) of the protrusion has a relationship of H / T <1 with respect to the thickness (T) of the electrode composition layer. Electrode.
(6)前記集電体は、開孔部を有し、その開孔率が集電体の単位面積に対して10〜90%である(1)〜(5)のいずれかに記載の電気化学素子用電極。 (6) The electricity according to any one of (1) to (5), wherein the current collector has a hole portion, and the hole area ratio is 10 to 90% with respect to a unit area of the current collector. Electrode for chemical elements.
(7)前記開孔部が突起頂部に形成されてなる(6)に記載の電気化学素子用電極。 (7) The electrode for an electrochemical element according to (6), wherein the opening is formed on the top of the protrusion.
(8)前記突起の形状が、上底面積が下底面積よりも狭い、三角錐台状または四角錐台状である(1)に記載の電気化学素子用電極。 (8) The electrode for an electrochemical element according to (1), wherein the shape of the protrusion is a triangular frustum shape or a quadrangular frustum shape whose upper base area is smaller than the lower base area.
(9)前記電極組成物層が、電極活物質、導電助剤および結着剤を含む(1)〜(8)のいずれかに記載の電気化学素子用電極。 (9) The electrode for an electrochemical element according to any one of (1) to (8), wherein the electrode composition layer contains an electrode active material, a conductive additive, and a binder.
(10)集電体に導電性接着剤を塗布する工程、
該集電体に突起を形成する工程、
電極組成物を該集電体上に塗布する工程、
塗布された電極組成物を熱プレスする工程を有する電気化学素子用電極の製造方法。
(10) A step of applying a conductive adhesive to the current collector,
Forming a protrusion on the current collector;
Applying an electrode composition onto the current collector;
The manufacturing method of the electrode for electrochemical elements which has the process of hot-pressing the apply | coated electrode composition.
(11)上記(1)1〜(9)のいずれかに記載の電気化学素子用電極を有する電気二重層キャパシタ。 (11) An electric double layer capacitor having the electrode for an electrochemical element according to any one of (1) to (9).
本発明によれば、集電体に複数の突起を形成することにより、電極組成物層と集電体との接触面積が向上し、さらに、突起を有する集電体上に導電性接着剤層を介して電極組成物層を形成することで、電極組成物層と集電体との界面抵抗が低く、しかも電極強度の高い電気化学素子用電極が提供される。 According to the present invention, the contact area between the electrode composition layer and the current collector is improved by forming a plurality of protrusions on the current collector, and the conductive adhesive layer is further formed on the current collector having the protrusions. By forming the electrode composition layer via the electrode, an electrode for an electrochemical device having a low interface resistance between the electrode composition layer and the current collector and a high electrode strength is provided.
以下、本発明について、図面を参照しながら、その最良の形態を含めてさらに詳細に説明する。図示するように、本発明の電気化学素子用電極4は、少なくとも一方面に複数の突起(10,12)を有する集電体1上に、導電性接着剤層2を介して電極組成物層3が形成されてなることを特徴としている。まず、本発明で使用する突起を有する集電体1について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings including the best mode. As shown in the figure, an electrode for an
<突起付き集電体>
図1に、本発明で使用する集電体1の部分斜視図を示し、図2にその平面図、図3に断面図を示す。
<Current collector with protrusion>
FIG. 1 is a partial perspective view of a
集電体1を構成する材料の種類は、例えば、金属、炭素、導電性高分子等を用いることができ、好適には金属が用いられる。集電体用金属としては、通常、アルミニウム、白金、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼、その他合金等が使用される。
As the type of material constituting the
集電体1は、電極組成物層との接触抵抗の低減、または電極組成物層との付着性向上のために、必要に応じて表面化学処理、表面粗面化処理があらかじめ施されていても良い。表面化学処理としては、酸処理、クロメート処理等が挙げられる。表面粗面化処理としては、電気化学的エッチング処理、酸またアルカリによるエッチング処理が挙げられる。
The
集電体1の厚みは、平坦部において、通常1〜200μm、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜60μmである。
The thickness of the
図示したように、集電体1には、その少なくとも一方面から突出する凸状の突起10が形成されてなる。また、図示したように、他方の面に突出する凹状の突起12が形成されていてもよい。これらの突起は、電極組成物層3が形成される面側に突出するように形成することが特に好ましい。したがって、電極組成物層3を集電体1の片面にのみ形成する場合には、該面に突出する凸状の突起10のみが形成されていてもよい。また、電極組成物層3を集電体1の両面に形成する場合には、一方面に突出する凸状の突起10および他方面に突出する凹状の突起12を形成することが特に好ましい。ここで、本発明における突起(10,12)とは、集電体平面に対し垂直方向に1μm以上の高さを有する突起であって、集電体表面のエッチング処理あるいは粗面化により生成する微細な凹凸は含まない。すなわち、本発明における突起の高さ(H)は、1μm以上、好ましくは2〜200μmである。
As shown in the figure, the
集電体1には複数の突起が形成される。突起の数は、形成密度に換算して、好ましくは1個/mm2より大きく、さらに好ましくは2〜30個/mm2、特に好ましくは10〜25個/mm2である。ここで、突起の形成密度とは、集電体表面の単位面積当たりに形成される突起の数であり、集電体表面を拡大観察して求められる。また、突起の数は、凸状突起10および凹状突起12の総和である。
A plurality of protrusions are formed on the
上記のような突起は、後述するように箔状の金属等にエンボス加工を施して、エンボス部の金属を延伸して形成される。したがって、金属箔が延伸された分だけ、全表面積(有効表面積)が増大することになる。すなわち、集電体1の単位面積(B)当たりの有効表面積(A)は、A/B比で1を超える。言い換えると、集電体表面の1mm×1mmの領域(1mm2)における有効表面積は、1mm2を超える。集電体1の有効表面積とは、突起が形成されていない平坦部の面積と、突起側面の面積の総和である。突起側面の面積とは、凸状突起10においては、集電体平坦部から立ち上がり頂部に至るまでの突起側部11の面積である。また凹状突起12が形成されている場合には、集電体平坦部から垂下するテーパ部13の面積も、突起側面の面積として算入する。さらに、突起に開口部3が形成されていない場合には、該突起の上面あるいは下面の面積も集電体1の有効表面積に算入する。
The protrusions as described above are formed by embossing a foil-like metal or the like and extending the metal of the embossed portion as described later. Therefore, the total surface area (effective surface area) is increased by the amount that the metal foil is stretched. That is, the effective surface area (A) per unit area (B) of the
集電体1の有効表面積は、集電体1の単位面積当たりに形成された突起(10,12)の数、突起寸法および開孔部が形成されている場合にはその寸法を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定して求められる。集電体1の有効表面積を増大することで、電極組成物層3と集電体1との接触面積が増大するため、電極組成物層3と集電体1との接触抵抗が低減し、また電極強度が向上する。この結果、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低減でき、かつ耐久性が向上する。したがって、集電体1の単位面積(B)当たりの有効表面積(A)は、A/B比で1を超え、好ましくは1.5以上、さらに好ましくは1.5〜6、特に好ましくは1.5〜4の範囲にある。
The effective surface area of the
図5、図6に示したように、集電体1に形成された突起は、電極組成物層3中に貫入する。突起の内部空間にも電極組成物が充填されるため、電極組成物層3と集電体1との接合が強化され、電極強度が向上し、また集電効率も向上する。したがって、突起の内部空間に充填される電極組成物、すなわち突起に囲繞される電極組成物量の、全電極組成物量に対する割合は大きいほど好ましい。すなわち、本発明の電気化学素子用電極4において、突起により囲繞される電極組成物が、該電極組成物層3の全体積の、1体積%以上であることが好ましく、より好ましくは10体積%以上、さらに好ましくは10〜30体積%の範囲にある。
As shown in FIGS. 5 and 6, the protrusion formed on the
ここで、突起に囲繞される電極組成物の体積は、集電体1に形成された突起の数、突起寸法および開口部14が形成されている場合にはその寸法を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定し、さらに、突起の高さを厚さ計より求め(突起の高さ=突起集電体厚さ−突起加工前厚さ)、これらから算出される突起の全体積と等しい。
Here, the volume of the electrode composition surrounded by the protrusions is the number of protrusions formed on the
本発明の電気化学素子用電極4において、集電体1に形成された突起の高さ(H)と、突起形成面に設けられた電極組成物層3の厚み(T)との比、H/Tは1未満であることが好ましく、さらに0.2〜0.9の範囲にあることが好ましい。H/T比を上記範囲とすることで、内部抵抗の低減と電極強度の向上がさらに顕著になる。一方、突起の高さHが電極組成物層3の厚みT以上であると、突起が電極組成物層3から突き出し、電極間に形成されたセパレータを傷つけたり、電極同士が接触しショートすることがある。
In the
集電体1は、開孔部を有することが好ましい。開口部14の形成位置は特に限定はされず、集電体1の平坦部に貫通孔を形成することで、開口部14を形成してもよく、また突起の頂部を突き破ることで開口部14を形成してもよい。開口部14の形成量、すなわち開口率は、集電体1の単位面積に対して好ましくは10%〜90%であり、さらに好ましくは20%〜60%、特に好ましくは30%〜60%の範囲にある。開口率は、集電体1の平面観察により求められる。具体的には、集電体1を平面観察し、単位面積当たりの貫通孔の面積を算出することで、開口率を決定する。
The
集電体1の開口率を上記範囲とすることで、電気二重層キャパシタを作製した際のロット間の容量バラツキを抑えることができる。通常の開孔部を有さない集電体を用いた電気化学素子では、積層型の電気二重層キャパシタを作製した際に電極同士が向かい合わない非対向面ができると、その非対抗面からは静電容量は取り出せない。さらに電極の単位面積当たりの活物質量にバラツキが生じると、活物質量の重量から計算された静電容量に比べ、実際に取り出せる静電容量は少なくなることがある。そのため、電気二重層キャパシタセルのロット間での容量バラツキが生じることがある。これは電解質イオンの拡散は正負極の対抗面のみでしか起らないためである。しかし、集電体1に開孔部を形成することで、電解質イオンが集電体1を通過し、拡散するため、電極が向かい合わない非対向面からも静電容量を取り出すことができる。さらに、電極の単位面積あたりの活物質量が異なっている電極を用いても、電極活物質の総重量さえ合わせれば、容易にキャパシタセル内で容量バランスを取ることができるため、電気二重層キャパシタセルのロット間での容量バラツキを抑えられる。
By setting the aperture ratio of the
集電体1に開口部14を設ける場合、その開孔径は0.01〜10μm、好ましくは1〜5μmである(開口部が矩形の場合は開口部の一辺の長さとする。)。開口部が小さすぎる場合には、電解質イオンの通過が不充分になり、上記した効果が得られない。一方、開口径が大きすぎる場合には、集電体1の有効表面積が低下することがある。
When the
集電体1に形成される突起の形状は、特に限定はされず、図示したように、角錐状であってもよく、また円錐状、角柱状、円柱状であってもよい。しかしながら、突起の強度を保ためには、図示したように、上底面積(上部開口部)が、下底面積(下部開口部)よりも狭い、三角錐台状または四角錐台状であることが好ましい。
The shape of the protrusion formed on the
集電体1への突起の付与方法は、特に限定はされず、各種公知の方法が使用できるが、中でも生産性とコストの面から、互いに反対方向に回転する上下一対のエンボスロールを用いた方法が好ましい。このエンボスロールの間隙に、突起が付与されていない集電体を通すことで集電体に突起が形成される。上下一対の各エンボスロールの表面には、多数の凸部と凹部とが、縦横交互に互い違いに碁盤の目状に配設されており、その凸凹部の配設は集電体1に付与される突起形状が三角錐台状または四角錐台状になるように配設されていることが好ましい。さらに、エンボスロールに配設された多数の凸部と凹部の各片が鋭利な刃になっており、突起の頂部に開口部を設けられるようにすることがより好ましい。
The method for imparting protrusions to the
<導電性接着剤>
集電体表面には、導電性接着剤層2を介して電極組成物層3が形成される。導電性接着剤層2を設けることで、電極組成物層3と集電体1との密着性が向上し、電極組成物層3と集電体1との界面抵抗を低減できる。導電性接着剤は、公知のものを使用することができるが、その中でも、導電剤、結合剤、増粘剤を溶媒に溶解または分散して得た導電性接着剤が好ましい。
<Conductive adhesive>
An
導電剤は、導電性を有するものであれば特に限定されないが、中でも、導電性カーボンブラック、黒鉛等が特に好ましい。導電剤の体積平均粒子径は、通常0.001〜10μm、好ましくは0.05〜5μm、より好ましくは0.01〜1μmの範囲である。これらの導電剤は、それぞれ単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。 The conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity, among which conductive carbon black, graphite and the like are particularly preferable. The volume average particle diameter of the conductive agent is usually in the range of 0.001 to 10 μm, preferably 0.05 to 5 μm, more preferably 0.01 to 1 μm. These conductive agents can be used alone or in combination of two or more.
結合剤は、特に限定されないが、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリレート系重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン等の高分子化合物が挙げられる。さらに、増粘剤としてセルロース誘導体を用いても良く、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩が特に好ましい。 The binder is not particularly limited, and examples thereof include polymer compounds such as a fluorine polymer, a diene polymer, an acrylate polymer, polyimide, polyamide, and polyurethane. Furthermore, a cellulose derivative may be used as a thickener, and an ammonium salt of carboxymethyl cellulose is particularly preferable.
本発明に使用される導電性接着剤は、必要に応じ溶媒を含んでいてもよく、この溶媒成分としては、トルエン、アセトン、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、テトラクロロエチレン、トリクロルエチレン、ブロムクロロメタン、ジアセトン、ジメチルホルムアミド、エチルエーテル、クレゾール、キシレン、クロロホルム、ジメチルエーテルがあげられ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。 The conductive adhesive used in the present invention may contain a solvent as required. Examples of the solvent component include toluene, acetone, water, methanol, ethanol, propanol, butanol, tetrachloroethylene, trichloroethylene, and bromochloro. Examples include methane, diacetone, dimethylformamide, ethyl ether, cresol, xylene, chloroform, and dimethyl ether, and these can be used alone or in combination of two or more.
導電性接着剤における、導電剤、結合剤及び溶媒の量比は、目的により適宜決定すればよいが、例えば、導電性カーボンブラック粉末100重量部に対して、結合剤を1〜10重量部、溶媒を0〜300重量部という範囲を挙げることができる。 The amount ratio of the conductive agent, the binder and the solvent in the conductive adhesive may be appropriately determined depending on the purpose. For example, 1 to 10 parts by weight of the binder with respect to 100 parts by weight of the conductive carbon black powder, The range of 0-300 weight part of a solvent can be mentioned.
導電性接着剤は前記の各成分を、混合機を用いて混合して製造できる。混合機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、およびホバートミキサーなどを用いることができる。 The conductive adhesive can be produced by mixing the above components using a mixer. As the mixer, a ball mill, a sand mill, a pigment disperser, a pulverizer, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a planetary mixer, a Hobart mixer, and the like can be used.
導電性接着剤の集電体1への塗布方法は、特に限定されない。例えば、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
The method for applying the conductive adhesive to the
集電体1に塗布される導電性接着剤層2の厚みは、通常1〜15μm、好ましくは2〜10μm、より好ましくは2〜5μmである。導電性接着剤層の厚みが、前記範囲であることにより、アンカー効果が良好に発揮され、電子移動抵抗を低減することができる。
The thickness of the conductive
導電性接着剤層2は、集電体に突起を付与した後に形成してもよいが、突起付与前の平板な集電体に導電性接着剤層2を形成し、次いで集電体に突起を付与することが、効率良く導電性接着剤が形成された突起付集電体1を作製できるため好ましい。突起付与前の集電体に導電性接着剤を塗布し、その後、突起を付与させる工程を設けることで、突起の側部にも導電性接着剤層2を形成させることができ、また突起の開口部14を導電性接着剤が塞ぐことなく、集電体1と電極組成物層3の密着性を向上させることができる。
The conductive
<電極活物質>
電極組成物層3は、電極活物質、導電助剤および結着剤を含むことが好ましい。
電極活物質は炭素の同素体が好ましく、具体的には活性炭、ポリアセン、カーボンウィスカおよびグラファイト等が挙げられる。特に電気二重層キャパシタ用の電極活物質としては活性炭が好ましく、具体的にはフェノール系、レーヨン系、アクリル系、ピッチ系、またはヤシガラ系等の活性炭を挙げることができる。これら炭素質物質は、単独でまたは二種類以上を組み合わせて使用することができる。また、電極活物質として、黒鉛類似の微結晶炭素を有し、その微結晶炭素の層間距離が拡大された非多孔性炭素を用いることもできる。このような非多孔性炭素は、多層グラファイト構造の微結晶が発達した易黒鉛化炭を700〜850℃で乾留し、次いで苛性アルカリと共に800〜900℃で熱処理し、さらに必要に応じ加熱水蒸気により残存アルカリ成分を除くことで得られる。
<Electrode active material>
The
The electrode active material is preferably an allotrope of carbon, and specific examples include activated carbon, polyacene, carbon whisker, and graphite. In particular, activated carbon is preferable as the electrode active material for the electric double layer capacitor, and specific examples thereof include phenol-based, rayon-based, acrylic-based, pitch-based, and coconut shell-based activated carbon. These carbonaceous materials can be used alone or in combination of two or more. Further, as the electrode active material, non-porous carbon having a microcrystalline carbon similar to graphite and having an increased interlayer distance of the microcrystalline carbon can be used. Such non-porous carbon is obtained by dry-distilling graphitized charcoal with microcrystals of a multilayer graphite structure at 700 to 850 ° C., then heat-treating with caustic at 800 to 900 ° C., and if necessary with heated steam. It is obtained by removing the residual alkali component.
本発明に使用される電極活物質の比表面積は、同じ質量でもより広い面積の界面を形成することが可能な、比表面積の大きいものが好ましい。具体的には、電極活物質の比表面積は好ましくは30m2/g以上、さらに好ましくは500〜5,000m2/g、特に好ましくは1,000〜3,000m2/gの範囲である。電極活物質の形状は、粉末状または繊維状のいずれであってもよい。 The electrode active material used in the present invention preferably has a large specific surface area that can form an interface having a larger area even with the same mass. Specifically, the specific surface area of the electrode active material is preferably 30 m 2 / g or more, more preferably 500~5,000m 2 / g, particularly preferably from 1,000~3,000m 2 / g. The shape of the electrode active material may be either powder or fiber.
電極活物質の体積平均粒子径は、好ましくは0.1〜100μm、さらに好ましくは1〜50μm、更に好ましくは3〜35μmである。体積平均粒子径がこの範囲にあると、電極の成形が容易で、容量も高くできるので好ましい。上記した電極活物質は、電気二重層キャパシタ用電極の種類に応じて、単独でまたは二種類以上を組み合わせて使用することができる。電極活物質を組み合わせて使用する場合は、平均粒子径または粒径分布が異なる二種類以上の電極活物質を組み合わせて使用してもよい。 The volume average particle diameter of the electrode active material is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, and still more preferably 3 to 35 μm. When the volume average particle diameter is in this range, it is preferable because the electrode can be easily molded and the capacity can be increased. The electrode active material described above can be used alone or in combination of two or more depending on the type of electrode for the electric double layer capacitor. When the electrode active materials are used in combination, two or more types of electrode active materials having different average particle diameters or particle size distributions may be used in combination.
<導電助剤>
導電助剤の種類は、導電性を有するものであれば特に限定されず、炭素の同素体または金属からなるものが挙げられ、好適には炭素の同素体が用いられる。具体的には、ファーネスブラック、アセチレンブラック、およびケッチェンブラック(アクゾノーベル ケミカルズ ベスローテン フェンノートシャップ社の登録商標)等の導電性カーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;などの炭素の同素体からなる粒子状導電助剤が挙げられる。また、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相法炭素繊維等の炭素繊維;などの炭素の同素体からなる繊維状導電助剤も挙げられる。金属からなる導電助剤としては、例えば酸化チタン、酸化ルテニウム、アルミニウム、ニッケル等の粒子状導電助剤;金属ファイバなどの繊維状導電助剤;が挙げられる。これらの中でも、カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラックおよびファーネスブラックがより好ましい。
<Conductive aid>
The type of the conductive aid is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include carbon allotropes or metals, and carbon allotropes are preferably used. Specifically, conductive carbon black such as furnace black, acetylene black, and ketjen black (registered trademark of Akzo Nobel Chemicals Bethloten Fennaut Shap); natural graphite, graphite such as artificial graphite; Particulate conductive aids that are: Moreover, the fibrous conductive support agent which consists of carbon allotropes, such as carbon fibers, such as a polyacrylonitrile type | system | group carbon fiber, a pitch type | system | group carbon fiber, and a vapor-grown carbon fiber; Examples of conductive assistants made of metal include particulate conductive assistants such as titanium oxide, ruthenium oxide, aluminum, and nickel; and fibrous conductive assistants such as metal fibers. Among these, carbon black is preferable, and acetylene black and furnace black are more preferable.
導電助剤の体積平均粒子径は、電極活物質の体積平均粒径よりも小さいものが好ましく、通常0.001〜10μm、好ましくは0.05〜5μm、より好ましくは0.01〜1μmの範囲である。導電助剤の粒径がこの範囲にあると、より少ない使用量で高い導電性が得られる。これらの導電助剤は、それぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。 The volume average particle diameter of the conductive auxiliary agent is preferably smaller than the volume average particle diameter of the electrode active material, and is usually in the range of 0.001 to 10 μm, preferably 0.05 to 5 μm, more preferably 0.01 to 1 μm. It is. When the particle size of the conductive assistant is within this range, high conductivity can be obtained with a smaller amount of use. These conductive assistants can be used alone or in combination of two or more.
導電助剤の量は、電極活物質100重量部に対して通常0.1〜50重量部、好ましくは0.5〜15重量部、より好ましくは1〜10重量部の範囲である。この範囲の量の導電助剤を含有する電気二重層キャパシタ用電極を形成することによって、キャパシタの容量を高く、かつ内部抵抗を低くすることができる。 The amount of the conductive assistant is usually 0.1 to 50 parts by weight, preferably 0.5 to 15 parts by weight, more preferably 1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrode active material. By forming the electrode for the electric double layer capacitor containing the amount of the conductive auxiliary in this range, the capacity of the capacitor can be increased and the internal resistance can be decreased.
<結着剤>
結着剤は、結着力を有する化合物であれば特に制限はない。結着剤の例としては、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリレート系重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン等の高分子化合物が挙げられる。中でも、結着剤はアクリレート系重合体が好ましく、集電体1との結着性、プレスによる電極密度の向上性、得られた電極の内部抵抗と柔軟性が良い。これらの結着剤は単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、結着剤は2種以上の単量体混合物を段階的に重合することにより得られるコアシェル構造を有する結着剤であっても良い。
<Binder>
The binder is not particularly limited as long as it is a compound having a binding force. Examples of the binder include polymer compounds such as a fluorine polymer, a diene polymer, an acrylate polymer, polyimide, polyamide, and polyurethane. Among them, the binder is preferably an acrylate polymer, and has good binding properties with the
フッ素系重合体は、フッ素原子を含む単量体単位を含有する重合体である。フッ素系重合体の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン・プロペン共重合体が挙げられる。中でも、ポリテトラフルオロエチレンを含むことが、フィブリル化して電極活物質を保持しやすいので好ましい。 The fluorine-based polymer is a polymer containing a monomer unit containing a fluorine atom. Specific examples of the fluoropolymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer, ethylene / chlorotri Fluoroethylene copolymer and perfluoroethylene / propene copolymer may be mentioned. Among them, it is preferable to include polytetrafluoroethylene because it is easy to fibrillate and retain the electrode active material.
ジエン系重合体は、共役ジエンの単独重合体もしくは共役ジエンを含む単量体混合物を重合して得られる共重合体、またはそれらの水素添加物である。前記単量体混合物における共役ジエンの割合は通常40重量%以上、好ましくは50重量%以上、より好ましくは60重量%以上である。ジエン系重合体の具体例としては、ポリブタジエンやポリイソプレンなどの共役ジエン単独重合体;カルボキシ変性されていてもよいスチレン・ブタジエン共重合体(SBR)などの芳香族ビニル・共役ジエン共重合体;アクリロニトリル・ブタジエン共重合体(NBR)などのシアン化ビニル・共役ジエン共重合体;水素化SBR、水素化NBR等が挙げられる。 The diene polymer is a homopolymer of a conjugated diene or a copolymer obtained by polymerizing a monomer mixture containing a conjugated diene, or a hydrogenated product thereof. The proportion of the conjugated diene in the monomer mixture is usually 40% by weight or more, preferably 50% by weight or more, more preferably 60% by weight or more. Specific examples of the diene polymer include conjugated diene homopolymers such as polybutadiene and polyisoprene; aromatic vinyl / conjugated diene copolymers such as carboxy-modified styrene / butadiene copolymer (SBR); Examples thereof include vinyl cyanide / conjugated diene copolymers such as acrylonitrile / butadiene copolymer (NBR); hydrogenated SBR, hydrogenated NBR, and the like.
アクリレート系重合体はアクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルを重合して得られる単量体単位を通常50重量%以上、好ましくは70重量%以上含有するアクリレート系重合体が好ましく、耐熱性が高く、かつ得られる電気二重層キャパシタ用電極の内部抵抗を小さくできる。アクリレート系重合体の具体例としては、例えば、アクリル酸2−エチルヘキシル・メタクリル酸・アクリロニトリル共重合体、アクリル酸2−エチルヘキシル・メタクリル酸・メタクリロニトリル共重合体、アクリル酸ブチル・アクリロニトリル共重合体、アクリル酸ブチル・アクリル酸共重合体、アクリル酸2−エチルヘキシル・スチレン・メタクリル酸共重合体、およびアクリル酸ブチル・メタクリル酸メチル・メタクリル酸共重合体、アクリル酸−2−エチルヘキシル・アクリロニトリル・イタコン酸重合体などが挙げられる。 The acrylate polymer is preferably an acrylate polymer containing a monomer unit obtained by polymerizing an acrylic ester and / or a methacrylic ester, usually 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, and has high heat resistance. And the internal resistance of the electrode for electric double layer capacitors obtained can be made small. Specific examples of the acrylate polymer include, for example, 2-ethylhexyl acrylate / methacrylic acid / acrylonitrile copolymer, 2-ethylhexyl acrylate / methacrylic acid / methacrylonitrile copolymer, butyl acrylate / acrylonitrile copolymer. , Butyl acrylate / acrylic acid copolymer, 2-ethylhexyl acrylate / styrene / methacrylic acid copolymer, and butyl acrylate / methyl methacrylate / methacrylic acid copolymer, acrylic acid-2-ethylhexyl / acrylonitrile / itacon An acid polymer etc. are mentioned.
結着剤のガラス転移温度(Tg)は、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは−100〜0℃である。結着剤のTgがこの範囲であると、少量の使用量で結着性に優れ、電極強度が高く、柔軟性に富み、電極形成時のプレス工程により電極密度を容易に高めることができる。 The glass transition temperature (Tg) of the binder is preferably 50 ° C. or lower, more preferably −100 to 0 ° C. When the Tg of the binder is within this range, the binding property is excellent with a small amount of use, the electrode strength is high, the flexibility is high, and the electrode density can be easily increased by a pressing process during electrode formation.
結着剤の形状は、結着性の向上、電極の容量の低下、および内部抵抗の増大を最小限に抑えるために、粒子状であることが最も好ましく、例えば、ラテックスのような結着剤の粒子が溶媒に分散した状態のものや、このような分散液を乾燥して得られる粉末状のものが挙げられる。 The shape of the binder is most preferably particulate in order to minimize binding, increase in electrode capacity, and increase in internal resistance, for example, a binder such as latex. In a state in which the above particles are dispersed in a solvent, and powders obtained by drying such a dispersion.
結着剤の粒子径は特に限定されないが、通常は0.001〜100μm、好ましくは0.01〜10μm、より好ましくは0.05〜1μmの体積平均粒子径を有するものである。結着剤の平均粒子径がこの範囲であるときは、少量の結着剤の使用でも優れた結着力を活物質層に与えることができる。 The particle size of the binder is not particularly limited, but is usually 0.001 to 100 μm, preferably 0.01 to 10 μm, more preferably 0.05 to 1 μm. When the average particle size of the binder is within this range, an excellent binding force can be imparted to the active material layer even when a small amount of the binder is used.
結着剤の製造方法は特に限定されず、乳化重合法、懸濁重合法、分散重合法または溶液重合法等の公知の重合法を採用することができる。中でも、乳化重合法で製造することが、結着剤の粒子径の制御が容易であるので好ましい。 The method for producing the binder is not particularly limited, and a known polymerization method such as an emulsion polymerization method, a suspension polymerization method, a dispersion polymerization method, or a solution polymerization method can be employed. Among them, it is preferable to produce by an emulsion polymerization method because the particle diameter of the binder is easy to control.
結着剤の使用量は、電極活物質100重量部に対して、通常は1〜20重量部、好ましくは3〜15重量部の範囲である。 The usage-amount of a binder is 1-20 weight part normally with respect to 100 weight part of electrode active materials, Preferably it is the range of 3-15 weight part.
<電極組成物>
本発明に好ましく使用される電極組成物は、電極活物質、導電助剤、結着剤から構成されており、さらにセルロース誘導体を含んでも良い。セルロース誘導体を用いると、電極組成物を含むスラリーの安定性が高く、固形分の沈降や凝集が生じにくい。さらに、セルロース誘導体を用いることにより、スラリーの塗工性や流動性が向上する。
<Electrode composition>
The electrode composition preferably used in the present invention is composed of an electrode active material, a conductive additive and a binder, and may further contain a cellulose derivative. When a cellulose derivative is used, the stability of the slurry containing the electrode composition is high, and solid matter precipitation and aggregation are unlikely to occur. Furthermore, the coating property and fluidity | liquidity of a slurry improve by using a cellulose derivative.
セルロース誘導体は、セルロースの水酸基の少なくとも一部をエーテル化またはエステル化した化合物であり、水溶性のものが好ましい。セルロース誘導体は、通常、ガラス転移点を有さない。具体的には、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースおよびヒドロキシプロピルセルロースなどが挙げられる。また、これらの塩も用いることができる。塩としては、アンモニウム塩およびアルカリ金属塩が挙げられる。中でも、カルボキシメチルセルロースの塩が好ましく、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩が特に好ましい。 The cellulose derivative is a compound obtained by etherifying or esterifying at least a part of the hydroxyl group of cellulose, and is preferably water-soluble. Cellulose derivatives usually do not have a glass transition point. Specific examples include carboxymethyl cellulose, carboxymethyl ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and hydroxypropyl cellulose. These salts can also be used. Examples of the salt include ammonium salt and alkali metal salt. Among these, a salt of carboxymethyl cellulose is preferable, and an ammonium salt of carboxymethyl cellulose is particularly preferable.
セルロース誘導体のエーテル化度は、好ましくは0.5〜2、より好ましくは0.5〜1.5である。なお、ここでエーテル化度とは、セルロースのグルコース単位あたりに3個含まれる水酸基が、平均で何個エーテル化されているかを表す値である。エーテル化度がこの範囲であると、電極組成物を含むスラリーの安定性が高く、固形分の沈降や凝集が生じにくい。さらに、セルロース誘導体を用いることにより、スラリーの塗工性や流動性が向上する。 The degree of etherification of the cellulose derivative is preferably 0.5 to 2, more preferably 0.5 to 1.5. Here, the degree of etherification is a value representing how many hydroxyl groups contained per 3 glucose units of cellulose are etherified on average. When the degree of etherification is within this range, the stability of the slurry containing the electrode composition is high, and solid matter sedimentation and aggregation are unlikely to occur. Furthermore, the coating property and fluidity | liquidity of a slurry improve by using a cellulose derivative.
セルロース誘導体の使用量は、前記電極用組成物を用いて製造される電気化学素子用電極の種類に応じ適宜選択されるが、電極活物質に対して通常0.1〜10重量部、好ましくは0.5〜5重量部である。 The amount of the cellulose derivative used is appropriately selected according to the type of electrode for an electrochemical element produced using the electrode composition, but is usually 0.1 to 10 parts by weight, preferably with respect to the electrode active material. 0.5 to 5 parts by weight.
<電気化学素子用電極の製造方法>
本発明の電気化学素子用電極4の製造方法としては、突起を有する集電体1上に、導電性接着剤層2を介して、湿式成形または乾式成形により電極組成物層3を形成させる方法が挙げられる。湿式成形は、具体的には、電極活物質、導電助剤、セルロース誘導体、結着剤を水または有機溶剤に分散または溶解させスラリーを作製し、スラリーを集電体1上に塗布し、乾燥して集電体1上に電極組成物層3を形成する方法である。乾式成形は、前記の湿式成形に対する概念であり、結着剤と電極活物質とを混合して混合物を得る工程と、得られた混合物をシート状の電極組成物層3に成形する工程とを含む。乾式成形において、前記混合物は少量の水または有機溶媒を成形助剤として含んでいてもよいが、成形する工程での該混合物の固形分濃度は、通常70重量%超、好ましくは80重量%以上である。乾式成形の方法としては、具体的には、押出し成形法、ロール圧延法、粉体成形法、加圧成形法などが挙げられる。
<Method for producing electrode for electrochemical device>
As a method for producing the
スラリーは、水および前記の各成分を、混合機を用いて混合して製造できる。混合機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、およびホバートミキサーなどを用いることができる。また、電極活物質と導電性付与材とを擂潰機、プラネタリーミキサー、ヘンシェルミキサー、およびオムニミキサーなどの混合機を用いて先ず混合し、次いでバインダー組成物を添加して均一に混合する方法も好ましい。この方法を採ることにより、容易に均一なスラリーを得ることができる。 The slurry can be produced by mixing water and each of the above components using a mixer. As the mixer, a ball mill, a sand mill, a pigment disperser, a pulverizer, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a planetary mixer, a Hobart mixer, and the like can be used. Also, the electrode active material and the conductivity imparting material are first mixed using a mixer such as a crusher, a planetary mixer, a Henschel mixer, and an omni mixer, and then the binder composition is added and mixed uniformly. Is also preferable. By adopting this method, a uniform slurry can be easily obtained.
スラリーの粘度は、塗工機の種類や塗工ラインの形状によっても異なるが、通常100〜100,000mPa・s、好ましくは、1,000〜50,000mPa・s、より好ましくは5,000〜20,000mPa・sである。 The viscosity of the slurry varies depending on the type of coating machine and the shape of the coating line, but is usually 100 to 100,000 mPa · s, preferably 1,000 to 50,000 mPa · s, and more preferably 5,000 to 5,000. It is 20,000 mPa · s.
スラリーの集電体1への塗布方法は特に制限されない。例えば、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
The method for applying the slurry to the
塗工したスラリーの乾燥方法としては例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。中でも、遠赤外線の照射による乾燥法が好ましい。 Examples of the drying method of the coated slurry include drying by warm air, hot air, low-humidity air, vacuum drying, and drying by irradiation with (far) infrared rays or electron beams. Among these, a drying method by irradiation with far infrared rays is preferable.
乾燥温度と乾燥時間は、塗布したスラリー中の溶媒を完全に除去できる温度と時間が好ましく、乾燥温度としては100〜300℃、好ましくは120〜250℃である。乾燥時間としては、通常10分〜100時間、好ましくは20分〜20時間である。 The drying temperature and the drying time are preferably a temperature and a time at which the solvent in the applied slurry can be completely removed, and the drying temperature is 100 to 300 ° C, preferably 120 to 250 ° C. The drying time is usually 10 minutes to 100 hours, preferably 20 minutes to 20 hours.
本発明では、上記塗布された電極組成物を熱プレスすることが好ましい。熱プレスは、上記乾燥の前に行ってもよいし、乾燥の後でもよい。プレスを行うことにより、表面が平滑で均一な電極を得ることができる。また、乾燥後にプレスを行うと、電極密度を容易に高めることができるので好ましい。 In the present invention, it is preferable to hot press the applied electrode composition. The hot press may be performed before the drying or after the drying. By performing the pressing, an electrode having a smooth surface and a uniform surface can be obtained. In addition, pressing after drying is preferable because the electrode density can be easily increased.
熱プレスの方法は金型プレスやロールプレスなどの方法が好ましい。熱プレスの温度は50℃〜150℃の範囲が好ましく、80℃〜130℃がより好ましい。 The hot pressing method is preferably a die press or roll press. The temperature of hot pressing is preferably in the range of 50 ° C to 150 ° C, more preferably 80 ° C to 130 ° C.
<電気二重層キャパシタ>
本発明の電気二重層キャパシタは、上記本発明の電気化学素子用電極4を有するものである。電気二重層キャパシタは、本発明の電極と、電解液、セパレータなどの部品を用いて、常法に従って製造することができる。具体的には、例えば、電極を適切な大きさに切断し、次いでセパレータを介して電極を重ね合わせ、これをキャパシタ形状に巻く、折るなどして容器に入れ、容器に電解液を注入して封口して製造できる。
<Electric double layer capacitor>
The electric double layer capacitor of the present invention has the
本発明に使用される電解液の種類は、特に限定されないが、電解質を有機溶媒に溶解した非水電解液が好ましい。 The type of the electrolytic solution used in the present invention is not particularly limited, but a nonaqueous electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent is preferable.
電解質としては、従来より公知のものが使用でき、(C2H5)4NBF4、(C2H5)3(CH3)NBF4、(C2H5)4NPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)2等の塩が挙げられる。電解液中の電解質の濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため少なくとも0.1モル/リットル以上とすることが好ましく、0.5〜1.5モル/リットルの範囲内とすることが更に好ましい。 As the electrolyte, conventionally known ones can be used, and (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 , (C 2 H 5 ) 3 (CH 3 ) NBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NPF 6 , LiClO 4 , Examples of the salt include LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 . The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is preferably at least 0.1 mol / liter or more in order to reduce the internal resistance due to the electrolytic solution, and more preferably in the range of 0.5 to 1.5 mol / liter. preferable.
溶媒(電解液溶媒)は、一般的に電解液溶媒として用いられるものであれば特に限定されない。具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類;γ-ブチロラクトンなどのラクトン類;スルホラン類;アセトニトリルなどのニトリル類;が挙げられる。これらは単独または二種以上の混合溶媒として使用することができる。中でも、カーボネート類が好ましい。 The solvent (electrolytic solution solvent) is not particularly limited as long as it is generally used as an electrolytic solution solvent. Specific examples include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate; lactones such as γ-butyrolactone; sulfolanes; nitriles such as acetonitrile. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more. Of these, carbonates are preferred.
電気二重層キャパシタに使用されるセパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微孔膜または不織布、一般に電解コンデンサ紙と呼ばれるパルプを主原料とする多孔質膜、レーヨン系の多孔膜などを用いることができる。また、セパレータに代えて固体電解質を用いることもできる。 Examples of separators used in electric double layer capacitors include microporous membranes or non-woven fabrics made of polyolefins such as polyethylene and polypropylene, porous membranes mainly made of pulp called electrolytic capacitor paper, and rayon-based porous membranes. Can be used. Moreover, it can replace with a separator and a solid electrolyte can also be used.
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本実施例における部および%は、特に断りがない限り重量基準である。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, the part and% in a present Example are a basis of weight unless there is particular notice.
実施例および比較例中の試験および評価は以下の方法で行う。
(集電体の有効表面積の測定)
集電体の有効表面積の測定は、突起付き集電体を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、集電体平面の単位面積(縦1mm×横1mm)に形成された突起の数、及び四角錐台状突起の開孔部(縦×横)寸法を測定する。また、四角錐台状突起の高さは、厚み計を用いて測定し(突起の高さ(H)=突起集電体厚み−突起加工前厚み)、四角錐台状突起の高さを算出する。これらの値より、電極片面の単位体積当たりの集電体の表面積を算出し、有効表面積とする。以上より、集電体の有効表面積(A)と集電体の単位面積(B)との比、A/Bを求める。また、突起を有する集電体上に電極組成物層を形成後、割断面をSEMを用いて確認し、四角錐台状突起が潰れていないことを確認し、A/Bが電極組成物層の形成後も変化しないことを確認する。
The tests and evaluations in the examples and comparative examples are performed by the following methods.
(Measurement of effective surface area of current collector)
The effective surface area of the current collector is measured by observing the current collector with protrusions with a scanning electron microscope (SEM), the number of protrusions formed on a unit area (1 mm length × 1 mm width) on the current collector plane, and Measure the aperture (vertical x horizontal) dimensions of the truncated pyramidal projections. The height of the quadrangular frustum-shaped protrusion is measured using a thickness meter (the height of the protrusion (H) = the thickness of the current collector of the protrusion−the thickness before processing the protrusion), and the height of the quadrangular frustum-shaped protrusion is calculated. To do. From these values, the surface area of the current collector per unit volume on one side of the electrode is calculated and used as the effective surface area. From the above, the ratio of the effective surface area (A) of the current collector to the unit area (B) of the current collector, A / B, is obtained. Further, after forming the electrode composition layer on the current collector having protrusions, the fractured surface is confirmed using SEM, and it is confirmed that the quadrangular frustum-shaped protrusions are not crushed, and A / B is the electrode composition layer. It is confirmed that there is no change even after the formation of.
(突起に囲繞される電極組成物の割合の測定)
突起に囲繞される電極組成物の割合(体積%)は、突起付き集電体をSEMで観察し、集電体平面縦1mm×横1mmに形成される突起の数、及び四角錐台状突起の開孔部(縦×横)寸法を測定する。また、四角錐台状突起の高さは、厚み計を用いて測定し(突起の高さ=突起集電体厚み−突起加工前厚み)、四角錐台状突起の高さを算出する。これらの値より、集電体上に形成される突起の体積(内部空間の容積)を算出し、電極片面の単位体積中に占める突起により囲繞される電極組成物の割合を求める。また、突起集電体上に電極組成物層を形成後、割断面をSEMを用いて確認し、四角錐台状突起が潰れていないことを確認し、突起体積の割合が正しいことを確認する。
(Measurement of the ratio of electrode composition surrounded by protrusions)
The ratio (volume%) of the electrode composition surrounded by the protrusions was determined by observing the current collector with protrusions with an SEM, the number of protrusions formed on the current
(開孔率の測定)
集電体の開孔率の測定は、突起付集電体を集電体平面に対して垂直方向からSEMで観察し、開孔している寸法を測定することで、単位面積当たりに開孔している面積%を求める。
(Measurement of hole area ratio)
Measurement of the aperture ratio of the current collector is performed by observing the current collector with protrusions from the direction perpendicular to the current collector plane with an SEM, and measuring the size of the aperture, thereby opening the aperture per unit area. Calculate the area percentage.
(電極組成物層の厚さの測定)
電極組成物層の厚さは集電体の両面に電極組成物層を形成した後に、渦電流式変位センサ(センサヘッド部EX−110V、アンプユニット部EX−V02:キーエンス社製)を用いて測定する。2cm間隔で各電極組成物層の厚さを測定し、それらの平均値を電極組成物層の厚さ(T)とする。
(Measurement of electrode composition layer thickness)
The thickness of the electrode composition layer was determined by forming an electrode composition layer on both sides of the current collector and then using an eddy current displacement sensor (sensor head part EX-110V, amplifier unit part EX-V02: manufactured by Keyence Corporation). taking measurement. The thickness of each electrode composition layer is measured at intervals of 2 cm, and the average value thereof is defined as the thickness (T) of the electrode composition layer.
(電極のピール強度)
電極組成物の塗布方向が長辺となるように電極を長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とし、電極組成物層面を下にして電極組成物層表面にセロハンテープ(JIS Z1522に規定されるもの)を貼り付け、集電体の一端を垂直方向に引張り速度50mm/分で引張って剥がしたときの応力を測定する。測定を3回行い、その平均値を求めてこれをピール強度とする。ピール強度が大きいほど電極組成物層の集電体への結着力が大きいことを示す。
(Peel strength of electrode)
The electrode is cut into a rectangle having a length of 100 mm and a width of 10 mm so that the coating direction of the electrode composition is the long side to obtain a test piece, and the cell composition tape (to JIS Z1522) is applied to the surface of the electrode composition layer with the electrode composition layer side down. The stress is measured when one end of the current collector is pulled in the vertical direction and pulled at a pulling speed of 50 mm / min. The measurement is performed three times, the average value is obtained, and this is taken as the peel strength. The higher the peel strength, the greater the binding force of the electrode composition layer to the current collector.
(電気二重層キャパシタの電気特性)
電気二重層キャパシタの電気特性は、電気二重層キャパシタの充放電試験により求めた。充電電流は、電極の単位面積あたりの電流値が3.3mA/cm2となる電流値を用いて行い、電圧が2.7Vに達したら、その電圧を保って定電圧充電とし、充電電流の電流値が0.165mA/cm2まで低下した時点で充電を完了する。次いで、充電終了直後に定電流放電を充電時に用いたのと同様な電流値で0Vに達するまで行う。静電容量は放電時の電力量からエネルギー換算法を用いて算出する。
(Electrical characteristics of electric double layer capacitor)
The electric characteristics of the electric double layer capacitor were determined by a charge / discharge test of the electric double layer capacitor. Charging current is performed using a current value at which the current value per unit area of the electrode is 3.3 mA / cm 2, and when the voltage reaches 2.7 V, the voltage is maintained and constant voltage charging is performed. Charging is completed when the current value drops to 0.165 mA / cm 2 . Then, immediately after the end of charging, constant current discharging is performed until the voltage reaches 0 V at a current value similar to that used during charging. The capacitance is calculated from the amount of electric power at the time of discharge using an energy conversion method.
次に、この静電容量を用いて、電気二重層キャパシタの充放電速度が一定になるように5mA/Fの定電流で充電を開始し、定電流充電と定電圧充電の充電時間を合わせて20分間行った時点で充電完了とし、次いで、充電終了直後に定電流放電を充電時に用いたのと同様な電流値で0Vに達するまで行う。内部抵抗は放電開始0.2秒後の電圧を用いて算出し、体積当たりの抵抗率として表す。静電容量は放電時の電力量からエネルギー換算法を用いて算出し、電気二重層キャパシタに使用している電極組成物層の体積当たりの静電容量として算出する。 Next, using this capacitance, charging is started at a constant current of 5 mA / F so that the charging / discharging speed of the electric double layer capacitor is constant, and the charging times of constant current charging and constant voltage charging are matched. When the charging is completed for 20 minutes, the charging is completed. Then, immediately after the charging is completed, constant current discharging is performed until the voltage reaches 0 V at a current value similar to that used for charging. The internal resistance is calculated using a voltage 0.2 seconds after the start of discharge, and is expressed as a resistivity per volume. The capacitance is calculated from the amount of electric power during discharge using an energy conversion method, and is calculated as the capacitance per volume of the electrode composition layer used in the electric double layer capacitor.
<実施例1>
エーテル化度が0.6で1%水溶液の粘度が30mPa・sであるカルボキシメチルセルロースアンモニウム塩3.3部をイオン交換水213.2部に溶解し、導電性付与剤として体積平均粒径0.035μmのアセチレンブラック(デンカブラック粉状:電気化学工業社製)50部を添加し、プラネタリーミキサーを用いて混合分散して固形分濃度20%の導電性付与剤分散液を得た。
<Example 1>
Carboxymethylcellulose ammonium salt having a degree of etherification of 0.6 and a 1% aqueous solution having a viscosity of 30 mPa · s is dissolved in 213.2 parts of ion-exchanged water, and a volume average particle diameter of 0. 50 parts of 035 μm acetylene black (Denka black powder: manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added and mixed and dispersed using a planetary mixer to obtain a conductivity imparting agent dispersion having a solid concentration of 20%.
得られた導電性付与剤分散液26部、電極活物質として平均粒径5μmで比表面積が2000m2/gの活性炭粉末100部、アクリレート重合体の固形分濃度40%の水分散液7.5部およびエーテル化度が0.6で1%水溶液の粘度が900mPa・sであるカルボキシメチルセルロースアンモニウム塩1部に適当量の水を加え、プラネタリーミキサーを用いて混合分散し、粘度が5,000〜20,000mPa・sの間に入るスラリー(電極組成物)を得た。なお、アクリレート重合体としては、アクリル酸2−エチルヘキシル76部、アクリロニトリル20部およびイタコン酸4部を乳化重合して得られる、Tgが−20℃の共重合体を用いた。 26 parts of the resulting conductivity imparting agent dispersion, 100 parts of activated carbon powder having an average particle size of 5 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g as an electrode active material, and an aqueous dispersion 7.5 having an acrylate polymer solid content concentration of 40% A suitable amount of water is added to 1 part of carboxymethylcellulose ammonium salt having a etherification degree of 0.6 and a 1% aqueous solution having a viscosity of 900 mPa · s, and the mixture is dispersed by using a planetary mixer. A slurry (electrode composition) falling between ˜20,000 mPa · s was obtained. As the acrylate polymer, a copolymer having a Tg of −20 ° C. obtained by emulsion polymerization of 76 parts of 2-ethylhexyl acrylate, 20 parts of acrylonitrile and 4 parts of itaconic acid was used.
導電性接着剤は導電剤として体積平均粒径3.7μmの黒鉛(KS−6:ティムカル社製)80部、体積平均粒径0.4μmのカーボンブラック(Super―P:ティムカル社製)20部、分散剤としてエーテル化度が0.6で1%水溶液の粘度が30mPa・sであるカルボキシメチルセルロースアンモニウム塩4部、結合剤としてアクリレート重合体の固形分濃度40%水分散液8部に水を261部加え、プラネタリーミキサーを用いて混合分散して固形分濃度30%のスラリー(導電性接着剤)を得た。なお、アクリレート重合体としては、アクリル酸2−エチルヘキシル76部、アクリロニトリル20部およびイタコン酸4部を乳化重合して得られる、Tgが−20℃の共重合体を用いた。この導電性接着剤をバーコーターで厚さ30μmのアルミニウム箔の集電体に塗布し、120℃で5分間乾燥させて4μmの導電性接着剤層付き集電体を得た。 The conductive adhesive is 80 parts of graphite having a volume average particle diameter of 3.7 μm (KS-6: manufactured by Timcal) and 20 parts of carbon black (Super-P: manufactured by Timcal) having a volume average particle diameter of 0.4 μm as a conductive agent. 4 parts of carboxymethylcellulose ammonium salt having a degree of etherification of 0.6 and a viscosity of 1 m aqueous solution of 30 mPa · s as a dispersant, and 8 parts of an aqueous dispersion of 40% solid content of an acrylate polymer as a binder. 261 parts were added and mixed and dispersed using a planetary mixer to obtain a slurry (conductive adhesive) having a solid content concentration of 30%. As the acrylate polymer, a copolymer having a Tg of −20 ° C. obtained by emulsion polymerization of 76 parts of 2-ethylhexyl acrylate, 20 parts of acrylonitrile and 4 parts of itaconic acid was used. This conductive adhesive was applied to an aluminum foil current collector with a thickness of 30 μm with a bar coater and dried at 120 ° C. for 5 minutes to obtain a current collector with a 4 μm conductive adhesive layer.
導電性接着剤層付き集電体を、反対方向に回転する上下一対のエンボスロールの対向間隙に通し突起加工を施すことで、突起数11個/mm2、突起高さ66μmの上部が開口された四角錐台状突起(突起下底寸法、縦15μm×横21μm)を有する開孔率36%の導電性接着剤層付き突起集電体を得た。 By passing the current collector with the conductive adhesive layer through the opposing gaps between a pair of upper and lower embossing rolls rotating in the opposite direction, the upper part with 11 protrusions / mm 2 and a protrusion height of 66 μm is opened. In addition, a projection current collector with a conductive adhesive layer having a porosity of 36% and having a truncated pyramidal projection (bottom dimension of the bottom of the projection, length 15 μm × width 21 μm) was obtained.
導電性接着剤層付き突起付き集電体にロールコーターを用いて電極組成物のスラリーを集電体の両面に塗布し、60℃で20分乾燥し、次いで120℃で20分加熱処理した後、ロール温度100℃でロールプレスを行い、厚さ(両面の電極組成物層厚みと導電性接着剤層の厚みと集電体厚み)110μmの電気化学素子用電極を得た。渦電流式変位センサ(センサヘッド部EX−110V、アンプユニット部EX−V02:キーエンス社製)を用いて電極組成物層厚みを測定すると、電極組成物層の厚みは72μmであった。 After applying the slurry of the electrode composition to both sides of the current collector using a roll coater on the current collector with protrusions having a conductive adhesive layer, drying at 60 ° C. for 20 minutes, and then heat-treating at 120 ° C. for 20 minutes Then, a roll press was performed at a roll temperature of 100 ° C. to obtain an electrode for an electrochemical element having a thickness (the thickness of the electrode composition layers on both sides, the thickness of the conductive adhesive layer and the thickness of the current collector) of 110 μm. When the electrode composition layer thickness was measured using an eddy current displacement sensor (sensor head portion EX-110V, amplifier unit portion EX-V02: manufactured by Keyence Corporation), the thickness of the electrode composition layer was 72 μm.
上記で得られた電極を、導電性接着剤層と電極組成物層が形成されていない未塗工部を縦2cm×横2cmを残し、電極組成物層が縦5cm×横5cmになるように切り抜いた。これに縦7cm×横1cm×厚み0.01cmのアルミからなるタブ材を未塗工部に超音波溶接した。これを2組用意し、160℃で40分間乾燥した後、2組の電極組成物層面を対向させ、縦6cm×横6cm、厚さ35μmのレーヨン系多孔膜からなるセパレータを挟んだ。これをラミネートフィルム内に収納し、空気が残らないように電解液を真空含浸させた後にラミネーターでラミネートフィルムを圧着し、密閉して電気二重層キャパシタを製造した。なお、電解液としては、プロピレンカーボネートにホウフッ化テトラエチルアンモニウムを1.0モル/Lの濃度で溶解させたものを用いた。また、加熱処理後の電極の保管およびキャパシタの組み立ては、露点温度−60℃のドライルームで行った。得られた電気二重層キャパシタの静電容量密度および体積抵抗率を表1に示す。 In the electrode obtained above, the uncoated part where the conductive adhesive layer and the electrode composition layer are not formed is left 2 cm × 2 cm wide, and the electrode composition layer is 5 cm × 5 cm wide. Cut out. A tab material made of aluminum having a length of 7 cm, a width of 1 cm, and a thickness of 0.01 cm was ultrasonically welded to the uncoated portion. Two sets were prepared and dried at 160 ° C. for 40 minutes, and then the two electrode composition layer surfaces were opposed to each other, and a separator made of a rayon-based porous film having a length of 6 cm × width of 6 cm and a thickness of 35 μm was sandwiched therebetween. This was housed in a laminate film, vacuum impregnated with an electrolyte solution so that no air remained, the laminate film was pressure-bonded with a laminator, and sealed to produce an electric double layer capacitor. In addition, as electrolyte solution, what melt | dissolved tetraethylammonium borofluoride in the density | concentration of 1.0 mol / L in propylene carbonate was used. The storage of the electrode after the heat treatment and the assembly of the capacitor were performed in a dry room having a dew point temperature of −60 ° C. Table 1 shows the capacitance density and volume resistivity of the obtained electric double layer capacitor.
<実施例2>
用いる集電体の突起高さを36μmにする以外は実施例1と同様に電気化学素子用電極を得た。得られる電極の電気特性の評価結果を表1に示す。
<Example 2>
An electrode for an electrochemical element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the height of the protrusion of the current collector to be used was 36 μm. Table 1 shows the evaluation results of the electrical characteristics of the obtained electrode.
<比較例1>
導電性接着剤を塗布していない突起付集電体を使用した以外は実施例1と同様に電気化学素子用電極を得た。得られる電極の電気特性の評価結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
An electrode for an electrochemical element was obtained in the same manner as in Example 1 except that a current collector with protrusions not coated with a conductive adhesive was used. Table 1 shows the evaluation results of the electrical characteristics of the obtained electrode.
<比較例2>
突起加工を施さない平板集電体を使用した以外は実施例1と同様に電気化学素子用電極を得た。得られる電極の電気特性の評価結果を表1に示す。
<Comparative Example 2>
An electrode for an electrochemical device was obtained in the same manner as in Example 1 except that a flat plate current collector not subjected to protrusion processing was used. Table 1 shows the evaluation results of the electrical characteristics of the obtained electrode.
<比較例3>
導電性接着剤を塗布していない平板集電体を使用する以外は比較例1と同様に電気化学素子用電極を得た。得られる電極の電気特性の評価結果を表1に示す。
<Comparative Example 3>
An electrode for an electrochemical device was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that a flat plate current collector not coated with a conductive adhesive was used. Table 1 shows the evaluation results of the electrical characteristics of the obtained electrode.
実施例1、2では、比較例1〜3に比べて、電気二重層キャパシタの体積抵抗率は減少する。これは、集電体に突起を付与することによって、集電体の有効表面積が増加し、電極組成物層と集電体が接する面積が増大し、さらに、電極組成物層中に占める突起の割合(体積%)が増え、突起高さ(H)/電極厚さ(T)が大きくなったことにより電極組成物層中から効率良く集電できるようになったことに加え、導電性接着剤層を設けたことにより、この突起を付与させた効果が相乗的に引き出されたためと考えられる。 In Examples 1 and 2, the volume resistivity of the electric double layer capacitor is reduced as compared with Comparative Examples 1 to 3. This is because by adding protrusions to the current collector, the effective surface area of the current collector is increased, the area where the electrode composition layer and the current collector are in contact with each other is increased, and the protrusions occupying the electrode composition layer are further increased. In addition to increasing the ratio (volume%) and increasing the protrusion height (H) / electrode thickness (T), it is possible to efficiently collect current from within the electrode composition layer. It is considered that the effect of providing the protrusions was synergistically extracted by providing the layer.
1…突起付集電体
2…導電性接着剤層
3…電極組成物層
4…電気化学素子用電極
10…凸状突起
11…凸状突起の側面
12…凹状突起
13…凹状突起のテーパ部
14…開口部
DESCRIPTION OF
Claims (11)
該集電体に突起を形成する工程、
電極組成物を該集電体上に塗布する工程、
塗布された電極組成物を熱プレスする工程を有する電気化学素子用電極の製造方法。 Applying a conductive adhesive to the current collector;
Forming a protrusion on the current collector;
Applying an electrode composition onto the current collector;
The manufacturing method of the electrode for electrochemical elements which has the process of hot-pressing the apply | coated electrode composition.
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