JP2010087314A

JP2010087314A - 電気二重層キャパシタ用電極

Info

Publication number: JP2010087314A
Application number: JP2008255847A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nanaumi; 毅七海; Osamu Nakamura; 修中村
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】抵抗の低いコーティング電極を得ることを目的とする。
【解決手段】コーティング電極においては、電極ペーストを集電体に塗布した後、圧延することによって電極密度の向上および電極と集電体との接触抵抗の低減を図ることができる。ところが、圧延の圧力を増大させると集電体の伸びによって、塗布された電極の割れ、電極剥離が生じるという問題点がある。しかしながら、本発明においては、集電体であるアルミニウムエッチング箔の伸びを６％以下としているので高圧をかけてもアルミニウムエッチング箔の伸びが小さいので、電極の割れを防止で、さらに２〜４ｗｔ％のラテックスを含有しているので、電極の強度が向上して電極の割れ防止は向上する。そして、このことによって、アルミニウムエッチング箔と電極との接触抵抗が低減し、電極密度が向上し、電極の厚みを５０〜２００ｍｍとしているので、抵抗の低いコーティング電極を提供することができる。
【選択図】なし

Description

この発明は、電気二重層キャパシタに用いられる電極に関する。

電気二重層キャパシタは、例えばアルミニウムである金属箔の表面に分極性電極層（例えばカ−ボン層）を設けた分極性電極間にセパレ−タを介在させて巻回し、または積層したキャパシタセルに電解液を含浸し、このキャパシタセルを金属ケ−ス内に収納して、開口端部を密封した構造を有する。

上記の構造を有する電気二重層キャパシタの電極は、電気化学的にエッチング処理してなる金属集電体箔に分極性電極材料、例えば活性炭粉末およびバインダを含有するペーストを塗布および乾燥して分極性電極層を形成して電極としたものや、表面をエッチング処理した金属集電体箔に分極性電極シート、例えば活性炭粉末およびカ−ボンブラックをバインダとともに混練し、圧延した分極性電極シートを導電性の接着剤で貼り付けて電極としたものなどがある。

このうち、金属集電体箔に分極性電極シートを貼り付けた電極は、分極性電極シートの厚さを厚く形成することが容易で、電気二重層キャパシタとして、単位体積当たりの静電容量を大きくすることができるという利点がある反面、電気二重層キャパシタの電気的特性を向上させるために、金属集電体箔と分極性電極シートとを導電性接着剤を用いて貼り付ける工程が必要となる。また、分極性電極シートはその厚さを均一な厚さとするため、分極性電極材料の混練物を圧延ロール等で圧延して分極性電極シートを作製している。この際、分極性電極シートを薄くしようとすると、圧延時に分極性電極シートが破断してしまうことがあり、分極性電極シートを薄く作製することは困難である。

一方で、金属集電体箔に分極性電極材料を塗布してなる分極性電極は、分極性電極材料を塗布する厚さが厚いと分極性電極層が脱落するおそれがあるため、塗布による厚さを厚くすることは困難となるが、逆に分極性電極層を薄くすることは容易に達成することができる。
ところで、電気二重層キャパシタの用途としては、エネルギー貯蔵用途、パワー用途と多岐に渡ってきており、エネルギー貯蔵用途の場合には、エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）が高いこと、すなわち単位体積当たりの静電容量が最も大きなファクターであり、金属集電体箔に比較的厚さの厚い分極性電極層を形成して、単位体積当たりの静電容量を増大させることが必要であり、金属集電体箔に分極性電極シートを貼り付けた電極が多用されている。

また、パワー用途としては、パワー密度（ｋＷ／Ｌ）が高いことが求められ、より高い電圧で大電流を充放電できることが最も重要なファクターとなる。電気二重層キャパシタは定格電圧が２．５Ｖから３．５Ｖであり、このような電気二重層キャパシタをパワー用途として使用する場合には、電気二重層キャパシタの内部抵抗が低く、電力損失が小さいことが重要となる。そして、電気二重層キャパシタの内部抵抗は、電解液の比抵抗、分極性電極層の持つ固有抵抗、金属集電体箔と分極性電極層の接触抵抗などが大きな要因となっている。

このため、分極性電極層の固有抵抗を小さくするためには、分極性電極の表面から金属集電体箔までの距離を短くすることが効果的であり、分極性電極層の厚さが薄い方が好ましい。従って、パワー用途の電気二重層キャパシタでは、分極性電極層の厚さを薄いものとした方が、高いパワー密度が得られることになる。このような観点では、電気二重層キャパシタに用いられる分極性電極としては、金属集電体箔に分極性電極材料を塗布してなる分極性電極が好適である。
一方、金属集電体箔と分極性電極層の接触抵抗は導電性接着剤を用いるシート電極が有利であり（特許文献１）、したがって、コーティング電極において、シート電極と同等の接触抵抗が得られれば抵抗の低い電極が得られることになる。
特開平１１−１５４６３０号公報

そこで、抵抗の低いコーティング電極を得ることを目的とする。

本発明の電気二重層キャパシタ用電極は、伸びが６％以下のアルミニウムエッチング箔の表面に、２〜４ｗｔ％のラテックスを含有する分極性電極材料を塗布して、電極密度が０．５５〜０．６０ｇ／ｃｍ^３の、厚みが５０〜２００ｍｍの分極性電極層を形成してなることを特徴とする。

また、本発明の電気二重層キャパシタ用電極は、前記アルミニウムエッチング箔の破断強度が６０〜２００Ｎ／ｍｍ²であることを特徴とする。
また、前記アルミニウムエッチング箔の厚みが２０〜５０μｍであることを特徴とする。

コーティング電極においては、電極ペーストを集電体に塗布した後、圧延することによって電極密度の向上および電極と集電体との接触抵抗の低減を図ることができる。ところが、圧延の圧力を増大させると集電体の伸びによって、塗布された電極の割れ、電極剥離が生じるという問題点がある。しかしながら、本発明においては、集電体であるアルミニウムエッチング箔の伸びを６％以下としているので高圧をかけてもアルミニウムエッチング箔の伸びが小さいので、電極の割れを防止で、さらに２〜４ｗｔ％のラテックスを含有しているので、電極の強度が向上して電極の割れ防止は向上する。そして、このことによって、アルミニウムエッチング箔と電極との接触抵抗が低減し、電極密度が向上し、電極の厚みを５０〜２００ｍｍとしているので、抵抗の低いコーティング電極を提供することができる。

この発明の電気二重層キャパシタ用電極は、アルミニウムエッチング箔からなる金属集電体箔に性炭粉末と導電助剤とバインダと、有機溶剤または水などの溶媒とを混合してなるペーストを塗布して、電気二重層キャパシタ用電極としたものである。

電極に用いる金属集電体箔は、アルミニウムエッチング箔である。アルミニウム箔としては純度９９．９％以上の高純度のアルミニウムを用いる。このアルミニウムエッチング箔の伸びは、６％以下である。伸びは以下のようにして測定する。アルミニウムエッチング箔を基材を万能引張試験機(島津製作所製オートグラフ AGS-H-100N)により、チャック間長さ：50mm，クロスヘッド速度：10mm ／min の条件にて引張試験を行って、基材が破断したときの伸びを百分率により表す。また、厚さとしては、２０〜５０μｍの厚さのアルミニウム箔を用いると伸びが抑制されて好ましい。
この金属集電体箔に、活性炭粉末と導電助剤とバインダと、有機溶剤または水などの溶媒とを混合してなるペーストを塗布する。

活性炭の原料は、植物系の木材、のこくず、ヤシ殻、パルプ廃液、化石燃料系の石炭、石油重質油、或いはそれらを熱分解した石炭及び石油系ピッチ、石油コークス等である。活性炭は、これらの原料を炭化後、水蒸気によって賦活処理したものを用いる。この水蒸気賦活は、炭化された原料を高温で水蒸気と接触反応させて、活性炭を得るものである。
導電助剤としては、伝導性を有する炭素材料である、カーボンブラック、グラファイトなどを用いることができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等が挙げられ、これらの中でも、ケッチェンブラックが好ましい。グラファイトとしては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。
バインダとしては、エマルジョン型のラテックスを用いる。ラテックスとしては、アクリル系エラストマー樹脂が好ましい。

本発明に使用するスラリーは電極活物質、導電助剤、バインダ組成物および必要に応じて増粘剤を、混合機を用いて混合して製造出来る。混合機としては、プラネタリーミキサー、ボールミル、サンドミル、超音波分散機、ホモジナイザー、ホバートミキサーなどを用いることが出来る。
ペーストの金属集電体箔への塗布は、ドクターブレード法、ダイコート法、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、スクリーン印刷法、スピンコーティング法などの公知の塗布方法で作製ができる。

ペーストを塗布した後に、乾燥し、圧延して分極性電極層を形成する。

以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例）
本実施形態に使用する分極性電極は、ケッチェンブラック、活性炭、カルボキシメチルセルロース(ＣＭＣ)、アクリル系エラストマー樹脂を混合することで作製される。具体的には、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液中でケッチェンブラックと活性炭を攪拌し、その溶液にアクリル系エラストマー樹脂を混合することでスラリーを作製する。

このようにして得られたスラリーを、塗工機を用いてアルミニウムエッチング箔の両面に乾燥後の塗膜片面の厚みがそれぞれ１６０μｍになるように塗布し、シートを作製した。

さらに、このシートに対して塗膜片面の厚みが１５０μｍになるようにロールプレスを施し、接続端子を設けて、分極性電極の正極・負極が形成される。

このようにして作製した正極及び負極を、セルロース系セパレータを介して配置することにより電気二重層キャパシタ素子を作製した。この素子に電解液として１ＭＴＥＡＢＦ₄／ＰＣを含浸し、ラミネートフィルムで封止し、電圧印加して電気二重層キャパシタセルを作製した。

ここで、アルミニウムエッチング箔の伸び、電極の密度、厚み、アクリル系エラストマー樹脂の含有量を変えて、電気二重層キャパシタを作製し、直流抵抗を測定した。結果を（表１）に示す。

（表１）から明らかなように、伸びが６％以下、ラテックスが２〜４ｗｔ％、厚みが５０〜２００μｍ以下の実施例１〜８は、抵抗が１．２０〜１．５５Ω／□と良好な値を得ている。これに対して、伸びが８％の比較例１は電極割れが発生している。また、電極密度が０．５０ｇ／ｃｍ３の比較例２では抵抗が４．３６Ω／□と増大している。また、ラテックスが１ｗｔ％の比較例３では電極剥離が発生し、ラテックスが６ｗｔ％の比較例３では抵抗が２．１４Ω／□と増大している。以上のように、本発明の効果が明らかである。

Claims

伸びが６％以下のアルミニウムエッチング箔の表面に、２〜４ｗｔ％のラテックスを含有する分極性電極材料を塗布して、電極密度が０．５５〜０．６０ｇ／ｃｍ^３、厚みが５０〜２００ｍｍの分極性電極層を形成してなる電気二重層キャパシタ用電極。
前記アルミニウムエッチング箔の破断強度が６０〜２００Ｎ／ｍｍ²である請求項１記載の電気二重層キャパシタ用電極。
前記アルミニウムエッチング箔の厚みが２０〜５０μｍである請求項１記載の電気二重層キャパシタ用電極。