JP2010245067A - Electric double-layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は一対の分極性電極と電解液とからなる電気二重層キャパシタに関する。 The present invention relates to an electric double layer capacitor comprising a pair of polarizable electrodes and an electrolytic solution.
従来、一対の分極性電極と電解液とからなる電気二重層キャパシタは一対の分極性電極と、この間に存在するセパレータと、それぞれの分極性電極の集電層とから構成されるものであり、代表的な分極性電極としては活性炭粉末,活性炭繊維などが用いられている。 Conventionally, an electric double layer capacitor composed of a pair of polarizable electrodes and an electrolytic solution is composed of a pair of polarizable electrodes, a separator existing therebetween, and a current collecting layer of each polarizable electrode, As a typical polarizable electrode, activated carbon powder, activated carbon fiber or the like is used.
この分極性電極の製造方法は、代表的な分極性電極である活性炭粉末に、アセチレンブラック等の導電性物質及びポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン樹脂等の樹脂をバインダーとして添加して混合した後、加圧成型する方法、またこの混合物を集電体に塗布する方法が挙げられる。 In this method for producing a polarizable electrode, a conductive material such as acetylene black and a resin such as polytetrafluoroethylene or tetrafluoroethylene resin are added to and mixed with activated carbon powder, which is a typical polarizable electrode. Thereafter, a method of pressure molding and a method of applying this mixture to a current collector can be mentioned.
このような電気二重層キャパシタの耐電圧は、有機系電解液の耐電圧は3.5Vあるにもかかわらず、電気二重層キャパシタの耐電圧としては3.0V以下という問題点があった。このような耐電圧の低下を解決するために、電解液の改良を試みたものがある(特許文献1)が、電解液の耐電圧が電気二重層キャパシタの耐電圧とならないという問題点は解決されない。さらには3.0Vの寿命特性が得られず、電気二重層キャパシタとして用いることができないという問題点があった。 The withstand voltage of such an electric double layer capacitor has a problem that the withstand voltage of the electric double layer capacitor is 3.0 V or less even though the withstand voltage of the organic electrolyte is 3.5 V. In order to solve such a decrease in withstand voltage, there has been an attempt to improve the electrolyte (Patent Document 1), but the problem that the withstand voltage of the electrolyte does not become the withstand voltage of the electric double layer capacitor is solved. Not. Furthermore, there is a problem that a life characteristic of 3.0 V cannot be obtained, and it cannot be used as an electric double layer capacitor.
本発明は、電極中のバインダーに着目して、耐電圧の向上を図ったもので、従来の電解液を用いて電気二重層キャパシタの耐電圧を向上させることを目的とする。 The present invention aims to improve the withstand voltage by focusing on the binder in the electrode, and an object thereof is to improve the withstand voltage of an electric double layer capacitor using a conventional electrolytic solution.
上記の課題を解決するために、本発明の電気二重層キャパシタは炭素質材料とポリテトラフルオロエチレンとからなる正極と、炭素質材料とC/F比が100%以下のフッ素化ポリマーとからなる負極と、非水系電解液を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the electric double layer capacitor of the present invention comprises a positive electrode made of a carbonaceous material and polytetrafluoroethylene, and a carbonaceous material and a fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less. It has a negative electrode and a non-aqueous electrolyte.
そして、非水系電解液の溶媒がスルホランまたはその誘導体、またはイオン性液体であることを特徴とする。 The solvent of the non-aqueous electrolyte is sulfolane or a derivative thereof, or an ionic liquid.
また、非水系電解液の電解質が第四級アンモニウム塩または第四級ホスホニウム塩であることを特徴とする。 Further, the electrolyte of the nonaqueous electrolytic solution is a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt.
そして、C/F比が100%以下のフッ素化ポリマーがポリビニリデンフルオライドであることを特徴とする。 The fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less is polyvinylidene fluoride.
本発明は炭素質材料とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる正極と、炭素質材料とC/F比が100%以下のフッ素化ポリマーとからなる負極と、非水系電解液を構成とすることにより、耐電圧特性が高いという効果を有する。 The present invention comprises a positive electrode made of a carbonaceous material and polytetrafluoroethylene (PTFE), a negative electrode made of a carbonaceous material and a fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less, and a non-aqueous electrolyte. This has the effect that the withstand voltage characteristic is high.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本願発明者らは、スルホランまたはその誘導体、またはイオン性液体を溶媒とする電解液の分解電圧が3.0V以上であるのにも関わらず、電気二重層キャパシタの耐電圧が3.0V以下である理由を考察し、電極のバインダー成分の分解電位に着目した。特にPTFEがリチウム塩溶液では−4Vで分解することは知られており、四級アンモニウム塩溶液での分解電位に着目したものである。そして、四級アンモニウム塩溶液での分解電位がリチウム塩溶液での分解電位より低いことが判明した。 The inventors of the present application have disclosed that the withstand voltage of the electric double layer capacitor is 3.0 V or less, even though the decomposition voltage of the electrolyte using sulfolane or a derivative thereof or an ionic liquid as a solvent is 3.0 V or more. For some reason, we focused on the decomposition potential of the binder component of the electrode. In particular, it is known that PTFE decomposes at −4 V in a lithium salt solution, and attention is paid to the decomposition potential in a quaternary ammonium salt solution. And it became clear that the decomposition potential in a quaternary ammonium salt solution was lower than the decomposition potential in a lithium salt solution.
そして、ラテックス系のバインダーの分解電位との対比により、正極のバインダーにPTFE、負極のバインダーにC/F比が100%以下のフッ素化ポリマーを用いることによって、3.0Vの耐電圧を有する電気二重層キャパシタを得ることができる。C/F比とは、フッ素化ポリマーの分子内のCとFの比を示す。 By contrast with the decomposition potential of the latex binder, PTFE is used as the positive electrode binder, and a fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less is used as the negative electrode binder. A double layer capacitor can be obtained. The C / F ratio indicates the ratio of C and F in the molecule of the fluorinated polymer.
さらに、高温での寿命特性、すなわち耐久性も良好である。 Furthermore, the life characteristics at high temperature, that is, the durability is also good.
ここで、C/F比が100%以下のフッ素化ポリマーとしては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体を挙げることができる。 Here, examples of the fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less include polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, and a tetrafluoroethylene-ethylene copolymer.
電極に用いる金属集電体箔としては、アルミニウム箔またはアルミニウムエッチング箔を用いる。アルミニウ箔としては純度99.9%以上の高純度のアルミニウムを用いる。その厚さとしては、通常10〜50μm程度の厚さのアルミニウム箔を用いる。 As the metal current collector foil used for the electrode, an aluminum foil or an aluminum etching foil is used. As the aluminum foil, high-purity aluminum having a purity of 99.9% or more is used. As the thickness, an aluminum foil having a thickness of about 10 to 50 μm is usually used.
この金属集電体箔に、例えば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。または、ぺーストをシート状に成形して、このシートを集電体に圧接して分極性電極とする。 For example, a paste obtained by mixing activated carbon powder, a conductive additive, a binder, and a solvent such as an organic solvent or water is applied to the metal current collector foil. Alternatively, the paste is formed into a sheet shape, and this sheet is pressed against a current collector to form a polarizable electrode.
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、賦活処理して得られる。
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。
The raw material of the activated carbon is plant-based wood, sawdust, coconut husk, pulp waste liquid, fossil fuel-based coal, heavy petroleum oil, or coal and petroleum-based pitch, petroleum coke obtained by pyrolyzing them. Activated carbon is obtained by carbonizing these raw materials and then activating them.
As the conductive assistant, carbon black and graphite, which are carbon materials having conductivity, can be used. Examples of the carbon black include acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, and thermal black. Among these, ketjen black is preferable. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite.
この電極をセパレータを介して対向させてキャパシタセルを作製し、このキャパシタセルに電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとする。 A capacitor cell is manufactured by making the electrodes face each other with a separator interposed therebetween, and the capacitor cell is impregnated with an electrolytic solution to obtain an electric double layer capacitor.
本発明においては電解液として、その主溶媒としてスルホランまたはその誘導体、またはイオン性液体を用いるものであるが、副溶媒として、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、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、δ−バレロラクトンなどのラクトン類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類;1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのオキソラン類;アセトニトリルやニトロメタンなどの含窒素類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの有機酸エステル類;リン酸トリエステルや炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジプロピルのような炭酸ジエステルなどの無機酸エステル類;ジグライム類;トリグライム類;3−メチル−2−オキサゾリジノンなどのオキサゾリジノン類;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、ナフタスルトンなどのスルトン類等を用いることができる。 In the present invention, as the electrolyte, sulfolane or a derivative thereof, or an ionic liquid is used as the main solvent, but carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate are used as the auxiliary solvent. Lactones such as γ-butyrolactone and δ-valerolactone; ethers such as trimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, 2-ethoxyethane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; sulfoxides such as dimethyl sulfoxide; Oxolanes such as 1,3-dioxolane and 4-methyl-1,3-dioxolane; nitrogen-containing compounds such as acetonitrile and nitromethane; methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate Organic acid esters such as chill, methyl propionate, and ethyl propionate; inorganic acid esters such as phosphoric acid triester and carbonic acid diesters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and dipropyl carbonate; diglymes; triglymes; 3-methyl Oxazolidinones such as 2-oxazolidinone; sultones such as 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, naphtha sultone, and the like can be used.
イオン性液体としては、N,N−ジメチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムテトラフルオロボレート、1−メチル−1−プロピル−ピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、1−メチル−1−プロピル−ピぺリジニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、N−メトキシメチル−N−メチル−ピロリジニウムテトラフルオロボレートを挙げることができる。 Examples of the ionic liquid include N, N-dimethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium tetrafluoroborate, 1-methyl-1-propyl-pyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1- Mention may be made of methyl-1-propyl-piperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, N-methoxymethyl-N-methyl-pyrrolidinium tetrafluoroborate.
有機溶媒中に溶解する電解質としては、金属の陽イオン、第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン、カルボニウムカチオン等のカチオンと、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、またはRfSO3 -、(RfSO2)2N-、RfCO2 -(Rfは炭素数1〜8のフルオロアルキル基)から選ばれるアニオンの塩を挙げることができるが、好ましくは、第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオンを用いた電解質である。 Examples of the electrolyte dissolved in the organic solvent include metal cations, quaternary ammonium cations, quaternary phosphonium cations, carbonium cations, and the like, BF 4 − , PF 6 − , ClO 4 − , AsF 6 −, and the like. SbF 6 − , AlCl 4 − , RfSO 3 − , (RfSO 2 ) 2 N − , RfCO 2 − (Rf is a fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms). Preferably, the electrolyte uses a quaternary ammonium cation or a quaternary phosphonium cation.
そして、本発明の電気二重層キャパシタは、コイン型、巻回型、積層型等の形状の何れであってもよい。このような電気二重層キャパシタは、例えば、電極シートを所望の大きさ、形状に切断し、セパレータを両極の間に介在させた状態で積層または巻回し、容器に挿入後電解液を注入し、封口板、ガスケットを用いて封口をかしめて製造できる。 The electric double layer capacitor of the present invention may have any shape such as a coin type, a wound type, and a laminated type. Such an electric double layer capacitor is obtained by, for example, cutting an electrode sheet into a desired size and shape, stacking or winding the separator sheet between both electrodes, inserting the electrolyte into the container, It can be produced by caulking the seal using a sealing plate or gasket.
本発明の実施例に係る発明を具体的に説明する。
(実施例)
(負極の作製法)
活性炭とカーボンブラック(CB)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)を重量比で10:1:1となるように評量し、N-メチルピロリドン中で混合・分散することによってスラリーを作製した。得られたスラリーをAl箔集電体上に塗布し、150oCで乾燥することによってPVDFからなる電極体を得た。
(正極の作製法)
活性炭とCB、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を10:1:1の重量比で混合・混練した後、加圧成型することによって、シート状の電極体を得た。得られたシート状の電極体をAl箔集電体上に導電性接着剤を用いて貼り付けることによってPTFEからなる電極体を得た。この際、電極体の単位面積当たりの容量が上記ラテックスから形成された電極体の単位面積当たりの容量と等しくなるように、電極体の厚みを調整した。
(キャパシタセルの作製法)
PVDFからなる電極体を負極、PTFEからなる電極体を正極として、セパレータを介して対向させ、150oC真空中で乾燥した後、1Mの四級アンモニウム塩を含むスルホランとエチルメチルカーボネートの混合溶媒を電解液として含浸させることによってキャパシタセルを作製した。
(測定法)
得られたキャパシタセルはラミネートフィルムで密封して、電流密度2mAcm−2、0−3.0Vの電圧範囲で充放電することにより容量、内部抵抗を算出した。その後、60℃の恒温槽中で3.0Vの電圧を印加し、耐久性の加速テストを実施した。加速テストは100、300、500、1000時間でセルを取りだし、上記の充放電試験によって容量と内部抵抗を測定した。
(比較例)
The invention according to the embodiments of the present invention will be specifically described.
(Example)
(Production method of negative electrode)
Activated carbon, carbon black (CB), and polyvinylidene fluoride (PVDF) were weighed so as to have a weight ratio of 10: 1: 1, and mixed and dispersed in N-methylpyrrolidone to prepare a slurry. The obtained slurry was applied on an Al foil current collector and dried at 150 ° C. to obtain an electrode body made of PVDF.
(Production method of positive electrode)
Activated carbon, CB, and polytetrafluoroethylene (PTFE) were mixed and kneaded at a weight ratio of 10: 1: 1, and then pressure-molded to obtain a sheet-like electrode body. The obtained sheet-like electrode body was stuck on an Al foil current collector using a conductive adhesive to obtain an electrode body made of PTFE. At this time, the thickness of the electrode body was adjusted so that the capacity per unit area of the electrode body was equal to the capacity per unit area of the electrode body formed from the latex.
(Capacitor cell fabrication method)
The electrode body made of PVDF is the negative electrode and the electrode body made of PTFE is the positive electrode, facing each other through a separator, dried in a vacuum at 150 ° C., and then a mixed solvent of sulfolane and ethyl methyl carbonate containing 1M quaternary ammonium salt A capacitor cell was produced by impregnating as an electrolyte.
(Measurement method)
The obtained capacitor cell was sealed with a laminate film, and the capacity and internal resistance were calculated by charging and discharging in a voltage range of current density 2 mAcm −2 and 0 to 3.0 V. Thereafter, a voltage of 3.0 V was applied in a constant temperature bath at 60 ° C., and a durability acceleration test was performed. In the acceleration test, the cells were taken out in 100, 300, 500, and 1000 hours, and the capacity and internal resistance were measured by the charge / discharge test described above.
(Comparative example)
実施例1の負極をPTFEからなる電極体に変えた以外は実施例1と同様に作製し、加速テストを実施した。 An acceleration test was performed in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode of Example 1 was changed to an electrode body made of PTFE.
容量の充放電試験結果を(図1)に、内部抵抗の充放電試験結果を(図2)に示す。図からわかるように、容量、内部抵抗ともに比較例より良好で、3.0Vの電気二重層キャパシタを得ている。 The capacity charge / discharge test results are shown in FIG. 1 and the internal resistance charge / discharge test results are shown in FIG. As can be seen from the figure, both the capacitance and the internal resistance are better than the comparative example, and an electric double layer capacitor of 3.0 V is obtained.
Claims (4)
4. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein the fluorinated polymer having a C / F ratio of 100% or less is polyvinylidene fluoride.
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2009
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