JP2010251442A - Method of manufacturing electrode for electric storage device - Google Patents

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健治 木村
Nobuo Kieda
暢夫 木枝
Masafumi Emoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an electrode for an electric storage device, the electrode being superior in shape preserving property of the electrode and facilitating collection/reuse of carbon nanotubes. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the electrode for the electric storage device using carbon nanotubes includes a process of preparing single-layer carbon nanotubes of ≥10,000 in aspect ratio; a dispersion process (S10) of preparing a dispersion solution by dispersing the carbon nanotubes in solvent; a pressure-reduction filtering process (S20) of forming a carbon nanotube deposit body on a filter by filtering the dispersion solution through the filter under reduced pressure; and a heat treatment process (S40) of heat-treating the formed carbon nanotube deposit body. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、蓄電デバイス用電極の製造方法に関する。詳しくは、電極材料としてカーボンナノチューブを用いた蓄電デバイス用電極を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device. Specifically, the present invention relates to a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device using carbon nanotubes as an electrode material.

電気二重層キャパシタは、特性の経年劣化が少なく、材料に重金属等の環境負荷物質を使用していないことから、近年、クリーンなエネルギーが得られる蓄電デバイスとして重要性が高まっている。   An electric double layer capacitor has little deterioration over time in characteristics and does not use an environmentally hazardous substance such as heavy metal as a material. Therefore, in recent years, an electric double layer capacitor has been gaining importance as a power storage device capable of obtaining clean energy.

電気二重層キャパシタの一つの典型的な構成では、一対の分極性電極の間にセパレータを挟んだ発電要素を備えている。発電要素を構成する分極性電極の材料としては、一般に、表面積が大きな活性炭が使用されている。しかし、活性炭を電極材料として用いた場合、活性炭は電気伝導度が小さいため、活性炭のみでは分極性電極の内部抵抗が大きくなり大電流が取り出せないという問題がある。このような分極性電極の内部抵抗の増大を解消するために、活性炭よりも電気伝導度が高いカーボンナノチューブを分極性電極に混合することが提案されている。例えば、特許文献1には、集電体として多孔性導電膜を用い、これをフィルタとして、カーボンナノチューブと活性炭とを均一に分散させた分極性電極溶液を減圧吸引ろ過することにより、多孔性導電膜上にカーボンナノチューブを含む物質を積層させた電気二重層キャパシタが開示されている。この技術では、集電体と分極性電極との複合膜を簡便な方法により製造することができる。   One typical configuration of the electric double layer capacitor includes a power generation element having a separator sandwiched between a pair of polarizable electrodes. In general, activated carbon having a large surface area is used as a material for the polarizable electrode constituting the power generation element. However, when activated carbon is used as an electrode material, the activated carbon has a low electrical conductivity, so that there is a problem that only the activated carbon increases the internal resistance of the polarizable electrode and cannot extract a large current. In order to eliminate such an increase in internal resistance of the polarizable electrode, it has been proposed to mix carbon nanotubes having higher electrical conductivity than activated carbon into the polarizable electrode. For example, in Patent Document 1, a porous conductive film is used as a current collector, and this is used as a filter. A porous conductive film is obtained by performing vacuum suction filtration of a polarizable electrode solution in which carbon nanotubes and activated carbon are uniformly dispersed. An electric double layer capacitor in which a substance containing carbon nanotubes is laminated on a film is disclosed. With this technique, a composite film of a current collector and a polarizable electrode can be produced by a simple method.

特開2006−032371号公報JP 2006-032371 A

しかしながら、特許文献1に記載の分極性電極を用いて電気二重層キャパシタを構築した場合、該分極性電極にイオン液体などの分散性の高い電解液を含浸させると、吸引ろ過によって集電体上に積層したカーボンナノチューブが電解液によって再び分散し、電極としての適切な形状を維持できない場合があった。また、特許文献1の技術では、集電体として高価な多孔性導電膜が必須な構成のため、部品コストが高くなるとともに、集電体と分極性電極との複合膜を形成しているので、廃電極からカーボンナノチューブを回収して再利用することが難しいという問題があった。   However, when an electric double layer capacitor is constructed using the polarizable electrode described in Patent Document 1, if the polarizable electrode is impregnated with an electrolyte having high dispersibility such as an ionic liquid, the current is collected on the current collector by suction filtration. In some cases, the carbon nanotubes laminated on the electrode were dispersed again by the electrolytic solution, and an appropriate shape as an electrode could not be maintained. Further, in the technique of Patent Document 1, an expensive porous conductive film is essential as a current collector, so that the component cost is increased and a composite film of the current collector and a polarizable electrode is formed. There has been a problem that it is difficult to recover and reuse carbon nanotubes from waste electrodes.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電極の形状保持性に優れ、かつ、カーボンナノチューブの回収・再利用が容易な蓄電デバイス用電極の製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of such points, and its main object is to provide a method for producing an electrode for an electricity storage device that is excellent in electrode shape retention and that allows easy collection and reuse of carbon nanotubes. That is.

本発明により提供される方法は、カーボンナノチューブを用いた蓄電デバイス用電極(以下、カーボンナノチューブ電極ともいう。)を製造する方法である。この方法は、アスペクト比が10000以上の単層カーボンナノチューブを用意する工程と、上記カーボンナノチューブを溶媒中(典型的には水中)に分散して分散溶液を調製する分散工程と、上記分散溶液をフィルタを介して減圧濾過することにより該フィルタ上にカーボンナノチューブ堆積体を形成する減圧濾過工程と、上記形成したカーボンナノチューブ堆積体を熱処理する熱処理工程とを含む。   The method provided by the present invention is a method for producing an electrode for an electricity storage device using carbon nanotubes (hereinafter also referred to as a carbon nanotube electrode). This method comprises a step of preparing single-walled carbon nanotubes having an aspect ratio of 10,000 or more, a dispersion step of preparing a dispersion solution by dispersing the carbon nanotubes in a solvent (typically in water), and the dispersion solution. It includes a vacuum filtration step of forming a carbon nanotube deposit on the filter by filtration under reduced pressure through a filter, and a heat treatment step of heat-treating the formed carbon nanotube deposit.

本発明の製造方法によれば、減圧濾過の過程でアスペクト比が大きな単層カーボンナノチューブ同士が密接に絡み合うため、カーボンナノチューブ間に強い相互結合が生じる。この強い相互結合によりカーボンナノチューブ同士を接着することができる。このようにして得られたカーボンナノチューブ電極は、カーボンナノチューブ相互の緻密な絡み合い構造によって電極形状が強固に保持される。そのため、電解液に浸してもカーボンナノチューブ電極の形状が崩れることがなく、特にイオン性液体等の分散性が高い電解液への適用が期待できる。また、本発明の製造方法によれば、結着剤(典型的には樹脂成分)を用いずにカーボンナノチューブ同士を接着することができる。そのため、廃電極からのカーボンナノチューブの回収が容易となり、カーボンナノチューブを再生(再利用)することができる。   According to the production method of the present invention, since single-walled carbon nanotubes having a large aspect ratio are intertwined closely in the process of vacuum filtration, strong mutual coupling occurs between the carbon nanotubes. The carbon nanotubes can be bonded to each other by this strong mutual bond. The carbon nanotube electrode thus obtained is firmly held in the electrode shape by the dense entangled structure between the carbon nanotubes. Therefore, even if immersed in the electrolytic solution, the shape of the carbon nanotube electrode does not collapse, and application to an electrolytic solution having high dispersibility, such as an ionic liquid, can be expected. Moreover, according to the production method of the present invention, carbon nanotubes can be bonded together without using a binder (typically a resin component). Therefore, it becomes easy to recover the carbon nanotubes from the waste electrode, and the carbon nanotubes can be regenerated (reused).

ここで、上記の単層カーボンナノチューブとしては、アスペクト比(長さ/直径比)が10000以上のものを使用するとよい。アスペクト比が小さなカーボンナノチューブを用いると、絡み合ったカーボンナノチューブが解きほぐれ易くなり、電極形状を適切に保持できなくなる場合がある。よって、本発明では、アスペクト比が10000以上(より好ましくは12000以上)の単層カーボンナノチューブを使用する。   Here, as said single-walled carbon nanotube, it is good to use a thing with an aspect ratio (length / diameter ratio) of 10,000 or more. When carbon nanotubes having a small aspect ratio are used, the entangled carbon nanotubes are easily unraveled, and the electrode shape may not be appropriately maintained. Therefore, in the present invention, single-walled carbon nanotubes having an aspect ratio of 10,000 or more (more preferably 12000 or more) are used.

ここに開示される方法の好ましい一態様において、上記熱処理工程では、カーボンナノチューブ堆積体を400℃を下回らない温度で加熱する。400℃以上の高温で加熱することにより、不純物として含まれる非晶系炭素(典型的には原料の単層カーボンナノチューブを合成するときに混入し得る。)を焼き飛ばすことができ、結果、不純物が少なく品質の良い電極を得ることができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, in the heat treatment step, the carbon nanotube deposit is heated at a temperature not lower than 400 ° C. By heating at a high temperature of 400 ° C. or higher, amorphous carbon contained as an impurity (typically, it can be mixed when synthesizing a single-walled carbon nanotube as a raw material) can be burned off. There can be obtained a good quality electrode with less.

ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記濾過工程の前に、上記分散溶液を静置して該溶液中に分散しているカーボンナノチューブの少なくとも一部を凝集させる。分散溶液を静置すると、単層カーボンナノチューブの凝集が始まり、そして、単層カーボンナノチューブが互いの分子間力により集まってカーボンナノチューブ凝集体を形成する。このとき、単層カーボンナノチューブは、全体として1つに凝集するのではなく、複数のカーボンナノチューブ凝集体(例えば3個〜5個のカーボンナノチューブ凝集体)に分かれて凝集する。その状態で減圧濾過を行うと、複数のカーボンナノチューブ凝集体が互いの隙間に入り込み絡み合うため、より凝集・高密度化したカーボンナノチューブ電極を形成することができる。このようにして得られたカーボンナノチューブ電極は、カーボンナノチューブ相互の絡み合いが高まるので、電極の形状保持性をさらに向上させることができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, before the filtration step, the dispersion solution is allowed to stand to aggregate at least a part of the carbon nanotubes dispersed in the solution. When the dispersion solution is allowed to stand, the aggregation of the single-walled carbon nanotubes starts, and the single-walled carbon nanotubes gather due to mutual intermolecular forces to form a carbon nanotube aggregate. At this time, the single-walled carbon nanotubes are not aggregated into one as a whole, but are aggregated into a plurality of carbon nanotube aggregates (for example, 3 to 5 carbon nanotube aggregates). When filtration under reduced pressure is performed in this state, a plurality of aggregates of carbon nanotubes enter each other's gaps and become entangled with each other, so that a more aggregated and densified carbon nanotube electrode can be formed. Since the carbon nanotube electrode obtained in this way increases the entanglement between the carbon nanotubes, the shape retention of the electrode can be further improved.

ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記濾過工程の後、得られたカーボンナノチューブ堆積体を酸洗浄(例えば塩酸処理)する。上記酸洗浄工程を含むことにより、不純物として含まれる鉄などの残留触媒(典型的には原料の単層カーボンナノチューブを合成するときに混入し得る。)を取り除くことができ、結果、不純物が少ない高品質な電極を得ることができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, the obtained carbon nanotube deposit is subjected to acid cleaning (for example, hydrochloric acid treatment) after the filtration step. By including the acid washing step, it is possible to remove residual catalyst such as iron (typically, it can be mixed when synthesizing single-walled carbon nanotubes as a raw material) contained as impurities, resulting in less impurities. A high quality electrode can be obtained.

また、本発明によると、ここに開示されるいずれかの方法により製造された蓄電デバイス用電極を備える電気二重層キャパシタが提供される。かかる電気二重層キャパシタは、分散性の高い電解液に浸しても形状を適切に保持することが可能な形状保持性に優れたカーボンナノチューブ電極を用いて構築されていることから、より良好な性能(例えば、長寿命で、特性の経年劣化が少ない)を示すものであり得る。このような電気二重層キャパシタは、例えば自動車等の車両に搭載される電気二重層キャパシタとして好適である。したがって本発明によると、ここに開示される電気二重層キャパシタを備える車両が提供される。   Moreover, according to this invention, an electrical double layer capacitor provided with the electrode for electrical storage devices manufactured by one of the methods disclosed here is provided. Such an electric double layer capacitor is constructed using a carbon nanotube electrode with excellent shape retaining property that can retain its shape properly even when immersed in a highly dispersible electrolyte solution, so it has better performance (E.g., long life and little deterioration over time in characteristics). Such an electric double layer capacitor is suitable as an electric double layer capacitor mounted on a vehicle such as an automobile. Therefore, according to the present invention, there is provided a vehicle including the electric double layer capacitor disclosed herein.

本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブの製造フローを示す図。The figure which shows the manufacturing flow of the carbon nanotube which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る吸引濾過装置を模式的に示す図。The figure which shows typically the suction filtration apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る電気二重層キャパシタを模式的に示す断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. 走査型電子顕微鏡(SEM)による観察図。The observation figure by a scanning electron microscope (SEM). 透過型電子顕微鏡(TEM)による観察図。The observation figure by a transmission electron microscope (TEM).

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、集電体の構成および製法、セパレータや電解質の構成および製法、電気二重層キャパシタその他の電気二重層キャパシタの構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. Note that the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not reflect the actual dimensional relationship. In addition, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of the current collector, the configuration and manufacturing method of the separator and the electrolyte, the electric double layer capacitor, etc. The general technology related to the construction of the electric double layer capacitor can be understood as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field.

特に限定することを意図したものではないが、以下では主として、電気二重層キャパシタに搭載される分極性電極を例として、本実施形態に係るカーボンナノチューブを用いた蓄電デバイス用電極の製造方法について説明する。   Although not intended to be particularly limited, the following mainly describes a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device using carbon nanotubes according to the present embodiment, taking a polarizable electrode mounted on an electric double layer capacitor as an example. To do.

カーボンナノチューブは、炭素6員環が連なるグラファイトの1層(グラフェン)を筒状に巻いた形状を有し、1層のグラフェンのみからなる単層カーボンナノチューブと、2層以上のグラフェンが同心円状に重なった多層カーボンナノチューブとが存在する。本実施形態で用いられるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブである。単層カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブに比べて分子間力による凝集が生じやすいため、本発明の目的に適した電極を製造することができる。   A carbon nanotube has a shape in which a single layer of graphene (graphene) with a continuous carbon 6-membered ring is wound in a cylindrical shape, and a single-walled carbon nanotube consisting of only one layer of graphene and two or more layers of graphene are concentric. There are multi-walled carbon nanotubes that overlap. The carbon nanotube used in the present embodiment is a single-walled carbon nanotube. Since single-walled carbon nanotubes are more likely to aggregate due to intermolecular forces than multi-walled carbon nanotubes, an electrode suitable for the purpose of the present invention can be produced.

ここで、単層カーボンナノチューブのサイズは特に制限されないが、カーボンナノチューブの直径(線径)は、例えば0.5nm〜5nmの範囲であればよく、より好ましくは1nm〜3nmの範囲である。また、カーボンナノチューブの長さは、例えば5μmを超えるものであればよく、より好ましくは10μmを超えるものである。   Here, the size of the single-walled carbon nanotube is not particularly limited, but the diameter (wire diameter) of the carbon nanotube may be, for example, in the range of 0.5 nm to 5 nm, and more preferably in the range of 1 nm to 3 nm. Further, the length of the carbon nanotube may be, for example, more than 5 μm, and more preferably more than 10 μm.

また、本実施形態では、アスペクト比(直径/長さ比)が10000以上(より好ましくは12000以上)の単層カーボンナノチューブを使用する。単層カーボンナノチューブのアスペクト比が小さすぎると、絡み合った単層カーボンナノチューブが解きほぐれ易くなるため、電極形状を適切に保持できなくなる場合がある。したがって、単層カーボンナノチューブのアスペクト比は、10000以上、好ましくは12000以上であることが望ましい。   In the present embodiment, single-walled carbon nanotubes having an aspect ratio (diameter / length ratio) of 10,000 or more (more preferably 12000 or more) are used. If the aspect ratio of the single-walled carbon nanotubes is too small, the entangled single-walled carbon nanotubes are likely to be unraveled, and thus the electrode shape may not be appropriately maintained. Accordingly, the aspect ratio of the single-walled carbon nanotube is desirably 10,000 or more, preferably 12,000 or more.

単層カーボンナノチューブの合成方法としては特に制限されず、例えば、アーク放電法、レーザー蒸発法、気相成長法、CVD法等の従来公知の方法を適宜採用することができる。特にアーク放電法を用いれば、欠陥が少なく品質の良い単層カーボンナノチューブを得ることができる。本実施形態では、アーク放電法により合成された単層カーボンナノチューブ(直径1nm〜3nm、アスペクト比12000程度)を用意(合成、購入等)する。   The method for synthesizing single-walled carbon nanotubes is not particularly limited, and conventionally known methods such as an arc discharge method, a laser evaporation method, a vapor phase growth method, and a CVD method can be appropriately employed. In particular, when the arc discharge method is used, single-walled carbon nanotubes with few defects and good quality can be obtained. In the present embodiment, single-walled carbon nanotubes (diameter 1 nm to 3 nm, aspect ratio of about 12000) synthesized by an arc discharge method are prepared (synthesized, purchased, etc.).

続いて、図1を参照しつつ、カーボンナノチューブを用いた電極製造方法について説明する。この製造方法は、図1の工程フローに示すように、分散工程(S10)と、減圧濾過工程(S20)と、酸洗浄工程(S30)と、熱処理工程(S40)とを有する。以下、各プロセスについて説明する。   Next, an electrode manufacturing method using carbon nanotubes will be described with reference to FIG. As shown in the process flow of FIG. 1, this manufacturing method includes a dispersion step (S10), a vacuum filtration step (S20), an acid cleaning step (S30), and a heat treatment step (S40). Hereinafter, each process will be described.

まず、S10の分散工程では、カーボンナノチューブを溶媒中(典型的には水中)に分散して分散溶液を調製する。カーボンナノチューブを分散させる溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒が好ましく用いられる。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒成分としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒が挙げられる。   First, in the dispersion step of S10, carbon nanotubes are dispersed in a solvent (typically in water) to prepare a dispersion solution. As the solvent for dispersing the carbon nanotubes, water or a mixed solvent mainly containing water is preferably used. As a solvent component other than water constituting such a mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. A particularly preferred example is an aqueous solvent substantially consisting of water.

カーボンナノチューブを溶媒中に分散させる方法は特に制限されないが、例えば、分散溶液をミキサ等で高速攪拌する方法が挙げられる。単層カーボンナノチューブは凝集性が高く、通常、凝集塊として存在するが、上記方法を採用することにより、凝集塊を適切にほぐして分散させることができる。なお、分散処理方法は、上記の高速攪拌に限らず、例えば、超音波等を用いた物理的分散処理であってもよい。また、必要に応じて、カーボンナノチューブの親溶媒性(この例では親水性)を高める界面活性剤等を添加してもよい。これにより、上記分散処理を短時間で行うことができる。   The method for dispersing the carbon nanotubes in the solvent is not particularly limited, and examples thereof include a method of stirring the dispersion solution at high speed with a mixer or the like. Single-walled carbon nanotubes have high agglomeration properties and usually exist as aggregates. By adopting the above method, aggregates can be appropriately loosened and dispersed. Note that the dispersion processing method is not limited to the high-speed stirring described above, and may be physical dispersion processing using ultrasonic waves or the like, for example. Moreover, you may add surfactant etc. which improve the hydrophilic property (in this example, hydrophilicity) of a carbon nanotube as needed. Thereby, the said dispersion | distribution process can be performed in a short time.

このようにして分散溶液を調製したら、次に、減圧濾過工程(S20)を実行する。上記減圧濾過工程では、上記カーボンナノチューブの分散溶液をフィルタを介して減圧濾過することにより、該フィルタ上にカーボンナノチューブ堆積体を形成する。上記分散溶液の減圧濾過は、例えば、図2に示すような吸引濾過装置50を用いて行うとよい。図2に示した吸引濾過装置50では、カーボンナノチューブの分散溶液10をフィルタ(例えば濾紙)20の表面に供給し、吸引ビン30内を負圧にしてフィルタ20の裏面から溶媒(例えば水)を排出することにより、フィルタ20上にカーボンナノチューブ堆積体40を形成するようになっている。吸引濾過の吸引力は、例えば、吸引ビン30内の負圧を適宜調整することにより行うとよい。   Once the dispersion solution is prepared in this way, a vacuum filtration step (S20) is then performed. In the vacuum filtration step, the carbon nanotube dispersion is formed on the filter by filtering the dispersion solution of the carbon nanotube through a filter under reduced pressure. The vacuum filtration of the dispersion solution may be performed using, for example, a suction filtration device 50 as shown in FIG. In the suction filtration device 50 shown in FIG. 2, the carbon nanotube dispersion solution 10 is supplied to the surface of the filter (for example, filter paper) 20, and the suction bottle 30 is negatively pressured to remove the solvent (for example, water) from the back surface of the filter 20. By discharging, a carbon nanotube deposit 40 is formed on the filter 20. The suction force of the suction filtration may be performed, for example, by appropriately adjusting the negative pressure in the suction bottle 30.

上記吸引濾過の吸引力の作用によって、フィルタ20上に堆積したカーボンナノチューブ同士が相互に絡み合う。その際、本実施形態では、分子間力による凝集が生じやすい単層カーボンナノチューブを用いているので、単層カーボンナノチューブは、複数本の単層カーボンナノチューブが互いの分子間力により集まったバンドル(束)を形成する。また、本実施形態では、アスペクト比が10000以上の単層カーボンナノチューブを用いているので、上記単層カーボンナノチューブのバンドル(束)は、太くて長い繊維状になる。このような太くて長い繊維状の単層カーボンナノチューブのバンドル(束)を、上記吸引濾過の過程で密接に絡み合わせることにより、カーボンナノチューブ間に強い相互結合が生じる。この強い相互結合によってカーボンナノチューブ同士が接着され、カーボンナノチューブ堆積体40はマット状に保持される。   The carbon nanotubes deposited on the filter 20 are entangled with each other by the action of the suction force of the suction filtration. At this time, in the present embodiment, since single-walled carbon nanotubes that are likely to aggregate due to intermolecular force are used, single-walled carbon nanotubes are bundles in which a plurality of single-walled carbon nanotubes are gathered due to mutual intermolecular forces ( A bundle). In the present embodiment, since single-walled carbon nanotubes having an aspect ratio of 10,000 or more are used, the single-walled carbon nanotube bundles are thick and long fibers. Such a thick and long fibrous single-walled carbon nanotube bundle is closely intertwined in the suction filtration process, whereby strong mutual coupling occurs between the carbon nanotubes. The carbon nanotubes are bonded to each other by this strong mutual bond, and the carbon nanotube deposit 40 is held in a mat shape.

このようにしてカーボンナノチューブ堆積体40を形成したら、次に、形成したカーボンナノチューブ堆積体40をフィルタ20から取り外し、適当な乾燥手段を用いてカーボンナノチューブ堆積体40を乾燥する。この乾燥により、カーボンナノチューブ堆積体40から溶媒を揮発させる。乾燥の温度は、使用した溶媒の種類によっても異なるが、例えば溶媒として水を使用した場合、概ね200℃程度で加熱するとよい。   After the carbon nanotube deposit 40 is formed in this way, the formed carbon nanotube deposit 40 is then removed from the filter 20, and the carbon nanotube deposit 40 is dried using an appropriate drying means. By this drying, the solvent is volatilized from the carbon nanotube deposit 40. Although the drying temperature varies depending on the type of solvent used, for example, when water is used as the solvent, it is preferable to heat at about 200 ° C.

カーボンナノチューブ堆積体40を乾燥したら、次に、酸洗浄工程(S30)を実行する。上記酸洗浄工程では、カーボンナノチューブ堆積体を酸洗浄する。酸洗浄工程を含むことにより、不純物として含まれる残留触媒(典型的には原料の単層カーボンナノチューブを合成するときに混入し得る。)を取り除くことができ、不純物が少ない品質のよい電極を得ることができる。酸洗浄に用いる酸は、除去したい残留触媒の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、残留触媒として鉄成分を含む場合には、塩酸で処理することができる。   After the carbon nanotube deposit 40 is dried, an acid cleaning step (S30) is then performed. In the acid cleaning step, the carbon nanotube deposit is acid cleaned. By including an acid cleaning step, it is possible to remove residual catalyst (typically mixed when synthesizing raw single-walled carbon nanotubes) contained as impurities, and to obtain a high-quality electrode with few impurities. be able to. What is necessary is just to select the acid used for an acid washing suitably according to the kind of residual catalyst to remove. For example, when an iron component is included as a residual catalyst, it can be treated with hydrochloric acid.

カーボンナノチューブ堆積体40を酸洗浄したら、次に、熱処理工程(S40)を実行する。上記熱処理工程では、カーボンナノチューブ堆積体を熱処理する。上記熱処理工程では、カーボンナノチューブ堆積体を400℃を下回らない温度で加熱することが好ましい。400℃以上の高温で加熱することにより、不純物として含まれる非晶系炭素(典型的には原料の単層カーボンナノチューブを合成するときに混入し得る。)を焼き飛ばすことができ、結果、不純物が少ない品質のよいカーボンナノチューブ電極を得ることができる。また、熱処理工程では、熱処理に加えて、圧縮(プレス)処理を行ってもよい。カーボンナノチューブ堆積体を厚み方向に圧縮することにより、電極を所望の厚みに成形するとともに、カーボンナノチューブ相互の絡み合いがさらに高まり、結果、形状保持性を向上させることができる。   After the carbon nanotube deposit 40 is acid cleaned, a heat treatment step (S40) is performed next. In the heat treatment step, the carbon nanotube deposit is heat treated. In the heat treatment step, the carbon nanotube deposit is preferably heated at a temperature not lower than 400 ° C. By heating at a high temperature of 400 ° C. or higher, amorphous carbon contained as an impurity (typically, it can be mixed when synthesizing a single-walled carbon nanotube as a raw material) can be burned off. It is possible to obtain a carbon nanotube electrode with low quality and good quality. Further, in the heat treatment step, a compression (press) treatment may be performed in addition to the heat treatment. By compressing the carbon nanotube deposit in the thickness direction, the electrode can be formed to a desired thickness, and the entanglement between the carbon nanotubes can be further increased, and as a result, shape retention can be improved.

このように、分散工程(S10)と減圧濾過工程(S20)と酸洗浄工程(S30)と熱処理工程(S40)の各プロセスを経ることで、本実施形態に係るカーボンナノチューブ電極を得ることができる。   Thus, the carbon nanotube electrode according to the present embodiment can be obtained through each process of the dispersion step (S10), the vacuum filtration step (S20), the acid washing step (S30), and the heat treatment step (S40). .

本実施形態の製造方法によれば、減圧濾過の過程で、繊維長が長くアスペクト比が大きい単層カーボンナノチューブが密接に絡み合うため、カーボンナノチューブ間に強い相互結合が生じる。この強い相互結合によりカーボンナノチューブ同士を接着することができる。このようにして得られたカーボンナノチューブ電極は、カーボンナノチューブ相互に働く分子間力と、カーボンナノチューブ相互の絡み合いによる機械的な力との両方の作用によって、電極形状がしっかりと保持される。そのため、電解液に浸してもカーボンナノチューブ電極の形状が崩れることがなく、特にイオン液体等の分散性が高い電解液への適用が期待できる。また、本実施形態の製造方法によれば、結着剤(典型的には樹脂成分)を用いずにカーボンナノチューブ同士を接着することができる。そのため、廃電極からのカーボンナノチューブの回収が容易となり、カーボンナノチューブを好ましく再生(再利用)することができる。カーボンナノチューブは高価な材料であるため、この点においても技術的価値が高い。   According to the manufacturing method of the present embodiment, single-walled carbon nanotubes having a long fiber length and a large aspect ratio are intertwined in the process of vacuum filtration, so that strong mutual coupling occurs between the carbon nanotubes. The carbon nanotubes can be bonded to each other by this strong mutual bond. The carbon nanotube electrode thus obtained is firmly held in the electrode shape by the action of both the intermolecular force acting between the carbon nanotubes and the mechanical force due to the entanglement between the carbon nanotubes. For this reason, the shape of the carbon nanotube electrode does not collapse even when immersed in the electrolytic solution, and application to an electrolytic solution having high dispersibility, such as an ionic liquid, can be expected. Moreover, according to the manufacturing method of this embodiment, carbon nanotubes can be adhere | attached, without using a binder (typically resin component). Therefore, it becomes easy to collect the carbon nanotubes from the waste electrode, and the carbon nanotubes can be preferably regenerated (reused). Since carbon nanotubes are expensive materials, they are also highly technical in this respect.

また、本実施形態の製造方法によれば、減圧濾過工程(S20)の後、形成したカーボンナノチューブ堆積体に対して酸洗浄(S30)と熱処理(S40)を実行しているので、カーボンナノチューブ堆積体中に含まれる非晶系炭素や残留触媒(例えば鉄)などの不純物を適切に取り除くことができる。これにより、不純物が少なく高品質なカーボンナノチューブ電極を製造することができる。   Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, after the vacuum filtration step (S20), the formed carbon nanotube deposit is subjected to the acid cleaning (S30) and the heat treatment (S40). Impurities such as amorphous carbon and residual catalyst (for example, iron) contained in the body can be appropriately removed. Thereby, a high quality carbon nanotube electrode with few impurities can be manufactured.

なお、減圧濾過工程(S20)の前に、分散溶液中に分散しているカーボンナノチューブの少なくとも一部を凝集させる処理を行ってもよい。その場合、分散工程(S10)においてカーボンナノチューブを溶媒中に分散させて分散溶液を調製した後、分散溶液の攪拌を停止してそのまま静置するとよい。分散溶液を数分間静置すると、単層カーボンナノチューブの凝集が始まり、そして、単層カーボンナノチューブが互いの分子間力により集まってカーボンナノチューブ凝集体を形成する。このとき、単層カーボンナノチューブは、全体として1つに凝集するのではなく、複数のカーボンナノチューブ凝集体(例えば3個〜5個のカーボンナノチューブ凝集体)に分かれて凝集する。その状態で減圧濾過を行うと、複数のカーボンナノチューブ凝集体が互いの隙間に入り込み絡み合うため、より凝集・高密度化した塊状(マット状)に形成することができる。このようにして得られたカーボンナノチューブ電極は、カーボンナノチューブ相互の結合(絡み合い)が高まるので、電極の形状保持性をさらに向上させることができる。   In addition, you may perform the process which aggregates at least one part of the carbon nanotube currently disperse | distributed in a dispersion solution before a vacuum filtration process (S20). In that case, after the carbon nanotubes are dispersed in a solvent in the dispersion step (S10) to prepare a dispersion solution, stirring of the dispersion solution may be stopped and left as it is. When the dispersion solution is allowed to stand for several minutes, the aggregation of the single-walled carbon nanotubes starts, and the single-walled carbon nanotubes gather due to mutual intermolecular forces to form a carbon nanotube aggregate. At this time, the single-walled carbon nanotubes are not aggregated into one as a whole, but are aggregated into a plurality of carbon nanotube aggregates (for example, 3 to 5 carbon nanotube aggregates). When filtration under reduced pressure is performed in this state, a plurality of aggregates of carbon nanotubes enter and intertwine with each other, and can be formed into a more aggregated and densified mass (mat shape). Since the carbon nanotube electrode obtained in this way increases the bonding (entanglement) between the carbon nanotubes, the shape retention of the electrode can be further improved.

以上のように、本実施形態の製造方法により得られたカーボンナノチューブ電極は、上記のように電極の形状保持性に優れることから、種々の形態の蓄電用デバイスの構成電極として好ましく利用され得る。例えば、本発明を適用して製造されたカーボンナノチューブ電極を備える電気二重層キャパシタの構成要素(典型的には分極性電極)として好ましく使用され得る。   As described above, the carbon nanotube electrode obtained by the manufacturing method of the present embodiment is excellent in electrode shape retention as described above, and therefore can be preferably used as a constituent electrode of various types of power storage devices. For example, it can be preferably used as a component (typically a polarizable electrode) of an electric double layer capacitor including a carbon nanotube electrode manufactured by applying the present invention.

図3に、本実施形態の方法を用いて製造されたカーボンナノチューブ電極110を備える電気二重層キャパシタ100の構造を示す。図3に示した電気二重層キャパシタ100では、一対のカーボンナノチューブ電極110a、110bの間にセパレータ130を挟んで発電素子が構築されている。この発電素子を、外部(外部につながる配線)に電流を取り出すための集電体120a、120bを備えたテフロン(登録商標)製ケース140の内側にバネ機構150、160の弾性力によって固定し、ケース140内に電解液(図示せず)を注入して発電素子に含浸させた後、樹脂製ガスケット170を用いてケース内を封口することにより、本実施形態に係る電気二重層キャパシタ100が構築される。   FIG. 3 shows a structure of the electric double layer capacitor 100 including the carbon nanotube electrode 110 manufactured by using the method of the present embodiment. In the electric double layer capacitor 100 shown in FIG. 3, a power generating element is constructed by sandwiching a separator 130 between a pair of carbon nanotube electrodes 110a and 110b. This power generation element is fixed to the outside of the Teflon (registered trademark) case 140 provided with current collectors 120a and 120b for taking out current to the outside (wiring connected to the outside) by the elastic force of the spring mechanisms 150 and 160, The electrolytic double layer capacitor 100 according to the present embodiment is constructed by injecting an electrolyte solution (not shown) into the case 140 and impregnating the power generation element, and then sealing the case with a resin gasket 170. Is done.

カーボンナノチューブ電極110a、110b間に挟まれるセパレータ130は、典型的な電気二重層キャパシタに用いられるものと同じであればよく特に制限されない。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)若しくは紙製の多孔質セパレータが好適に使用される。また、集電体120a、120bには、電気二重層キャパシタの集電体に適する金属、例えば、アルミニウムや銅などが好適に使用される。また、電解液としては、従来公知のものであればよく特に制限されないが、特にイオン液体(例えばイミダゾリウム系)などの分散性が高い電解液が好適に使用される。本実施形態のカーボンナノチューブ電極110a、110bは形状保持性に優れるため、そのような分散性が高いイオン液体を用いても電極形状が崩れない。   The separator 130 sandwiched between the carbon nanotube electrodes 110a and 110b is not particularly limited as long as it is the same as that used in a typical electric double layer capacitor. For example, a porous separator made of synthetic resin (for example, made of polyolefin such as polyethylene) or paper is preferably used. For the current collectors 120a and 120b, a metal suitable for the current collector of the electric double layer capacitor, such as aluminum or copper, is preferably used. The electrolyte solution is not particularly limited as long as it is a conventionally known one, but an electrolyte solution with high dispersibility such as an ionic liquid (for example, imidazolium series) is particularly preferably used. Since the carbon nanotube electrodes 110a and 110b of this embodiment are excellent in shape retention, the electrode shape does not collapse even when such an ionic liquid having high dispersibility is used.

このようにして構築された電気二重層キャパシタは、上述したように分散性の高い電解液に浸しても形状を適切に保持することが可能な形状保持性に優れたカーボンナノチューブ電極を用いて構築されていることから、より良好な性能(例えば、長寿命で、特性の経年劣化が少ない)を示すものであり得る。   The electric double layer capacitor constructed in this way is constructed using carbon nanotube electrodes with excellent shape retentivity that can hold the shape appropriately even when immersed in a highly dispersible electrolyte as described above. Therefore, it may show better performance (for example, longer life and less deterioration of characteristics over time).

本発明の製造方法を用いれば、形状保持性に優れたカーボンナノチューブ電極が得られることを確認するため、実施例として以下の実験を行った。   In order to confirm that a carbon nanotube electrode excellent in shape retention can be obtained by using the production method of the present invention, the following experiment was conducted as an example.

まず、アーク放電法により単層カーボンナノチューブ(直径1nm〜3nm、アスペクト比12000)を合成し、得られたカーボンナノチューブを適量の水中に分散して分散溶液を調製した。次に、分散溶液を数分間静置して該溶液中に分散しているカーボンナノチューブの凝集を開始した後、一般的な吸引濾過装置を用いて減圧吸引濾過を行うことにより、濾紙上に凝集物が堆積したカーボンナノチューブ堆積体を得た。次いで、カーボンナノチューブ堆積体をホットプレートで200℃に加熱して水分を揮発させた後、塩酸洗浄してカーボンナノチューブ堆積体中の残留触媒の鉄成分を除去した。その後、カーボンナノチューブ堆積体を、大気中、400℃で数時間焼成することにより、カーボンナノチューブ堆積体中の非晶系炭素(不純物)を取り除き、カーボンナノチューブ電極を作製した。上記の焼成処理は、金属板を用いて所望の厚みにプレス成形しながら行った。このようにして得られたカーボンナノチューブ電極を実施例とした。   First, single-walled carbon nanotubes (diameter 1 nm to 3 nm, aspect ratio 12000) were synthesized by an arc discharge method, and the obtained carbon nanotubes were dispersed in an appropriate amount of water to prepare a dispersion solution. Next, the dispersion solution is allowed to stand for several minutes to start agglomeration of the carbon nanotubes dispersed in the solution, and is then agglomerated on the filter paper by performing vacuum suction filtration using a general suction filtration device. A carbon nanotube deposit with deposits was obtained. Next, the carbon nanotube deposit was heated to 200 ° C. on a hot plate to volatilize water, and then washed with hydrochloric acid to remove the iron component of the residual catalyst in the carbon nanotube deposit. Thereafter, the carbon nanotube deposit was fired in the atmosphere at 400 ° C. for several hours to remove amorphous carbon (impurities) in the carbon nanotube deposit, thereby producing a carbon nanotube electrode. The firing process was performed while press-molding to a desired thickness using a metal plate. The carbon nanotube electrode thus obtained was used as an example.

以上のように作製した実施例のカーボンナノチューブ電極を、電子顕微鏡(SEM及びTEM)により観察した。その結果を図4(SEM)および図5(TEM)にそれぞれ示す。図4に示すように、得られたカーボンナノチューブ電極は、アスペクト比が大きい長繊維状の単層カーボンナノチューブが緻密に絡み合ったマット形状となった。また、図5に示すように、カーボンナノチューブ電極を構成する単層カーボンナノチューブは、複数本の単層カーボンナノチューブが互いの分子間力によって集まったバンドル(束)構造をなしており、このバンドルの隙間(メソ空間)にイオンが貯蔵され得る。   The carbon nanotube electrode of the example produced as described above was observed with an electron microscope (SEM and TEM). The results are shown in FIG. 4 (SEM) and FIG. 5 (TEM), respectively. As shown in FIG. 4, the obtained carbon nanotube electrode has a mat shape in which long-fiber single-walled carbon nanotubes having a large aspect ratio are intertwined closely. Further, as shown in FIG. 5, the single-walled carbon nanotube constituting the carbon nanotube electrode has a bundle structure in which a plurality of single-walled carbon nanotubes are gathered by mutual intermolecular forces. Ions can be stored in the gap (mesospace).

なお、比較例1、2としてアスペクト比が異なる単層カーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブ電極を作製した。具体的には、比較例1、2の順にアスペクト比を4000、8000に減らしてカーボンナノチューブ電極を作製した。使用するカーボンナノチューブのアスペクト比を変えたこと以外は実施例と同様の条件にて作製した。   In Comparative Examples 1 and 2, carbon nanotube electrodes were prepared using single-walled carbon nanotubes having different aspect ratios. Specifically, the carbon nanotube electrode was produced by reducing the aspect ratio to 4000 and 8000 in the order of Comparative Examples 1 and 2. It was produced under the same conditions as in the examples except that the aspect ratio of the carbon nanotube used was changed.

以上のように作製した実施例および比較例1、2のカーボンナノチューブ電極にイミダゾリウム系イオン液体(EMIBF4)を含浸させ、1時間放置後の電極状態をそれぞれ観測した。   The carbon nanotube electrodes of Examples and Comparative Examples 1 and 2 prepared as described above were impregnated with imidazolium-based ionic liquid (EMIBF4), and the electrode states after being left for 1 hour were observed.

その結果、アスペクト比が4000、8000のカーボンナノチューブを用いた電極(比較例1、2)は、イオン液体を含浸後の放置状態においてカーボンナノチューブがイオン液体中に分散し、電極形状がバラバラになった。これに対し、アスペクト比が12000のカーボンナノチューブを用いた電極(実施例)は、イオン液体を含浸後の放置状態においても電極形状が崩れることがなく、電極形状を適切に保持できた。このことから、アスペクト比が12000以上の単層カーボンナノチューブを用いることにより、電極の形状保持性に優れたカーボンナノチューブ電極を製造できることが確認された。   As a result, in the electrodes using the carbon nanotubes having the aspect ratios of 4000 and 8000 (Comparative Examples 1 and 2), the carbon nanotubes are dispersed in the ionic liquid when left standing after being impregnated with the ionic liquid, and the electrode shapes are separated. It was. On the other hand, the electrode using the carbon nanotubes having an aspect ratio of 12000 (Example) did not collapse even when left standing after impregnation with the ionic liquid, and was able to maintain the electrode shape appropriately. From this, it was confirmed that by using single-walled carbon nanotubes having an aspect ratio of 12000 or more, it is possible to produce a carbon nanotube electrode excellent in electrode shape retention.

なお、本発明の方法により得られたカーボンナノチューブ電極を用いた電気二重層キャパシタは、上述したように特性に優れているため、例えば自動車等の車両に搭載される電気二重層キャパシタとして好適である。したがって本発明によると、ここに開示される電気二重層キャパシタを備える車両が提供される。   In addition, since the electric double layer capacitor using the carbon nanotube electrode obtained by the method of the present invention has excellent characteristics as described above, it is suitable as an electric double layer capacitor mounted on a vehicle such as an automobile. . Therefore, according to the present invention, there is provided a vehicle including the electric double layer capacitor disclosed herein.

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.

例えば、本発明の方法により得られたカーボンナノチューブ電極は、上述した電気二重層キャパシタに限られず、種々の蓄電用デバイスの構成電極として使用することができる。例えば、カーボンナノチューブ電極を正極および負極の少なくとも一方とするリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)の構成電極として使用してもよい。   For example, the carbon nanotube electrode obtained by the method of the present invention is not limited to the electric double layer capacitor described above, and can be used as a constituent electrode of various power storage devices. For example, you may use as a constituent electrode of the lithium secondary battery (typically lithium ion battery) which uses a carbon nanotube electrode as at least one of a positive electrode and a negative electrode.

10 分散溶液
20 フィルタ
30 吸引ビン
40 カーボンナノチューブ堆積体
50 吸引濾過装置
100 電気二重層キャパシタ
110a、110b カーボンナノチューブ電極
120a、120b 集電体
130 セパレータ
140 テフロン(登録商標)製ケース
150、160 バネ機構
170 ガスケット




DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Dispersion solution 20 Filter 30 Suction bottle 40 Carbon nanotube deposit body 50 Suction filtration apparatus 100 Electric double layer capacitor 110a, 110b Carbon nanotube electrode 120a, 120b Current collector 130 Separator 140 Teflon (registered trademark) case 150, 160 Spring mechanism 170 gasket




Claims (6)

カーボンナノチューブを用いた蓄電デバイス用電極の製造方法であって、
アスペクト比が10000以上の単層カーボンナノチューブを用意する工程と、
前記カーボンナノチューブを溶媒中に分散して分散溶液を調製する分散工程と、
前記分散溶液をフィルタを介して減圧濾過することにより、該フィルタ上にカーボンナノチューブ堆積体を形成する減圧濾過工程と、
前記形成したカーボンナノチューブ堆積体を熱処理する熱処理工程と
を含む、蓄電デバイス用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for an electricity storage device using carbon nanotubes,
Preparing a single-walled carbon nanotube having an aspect ratio of 10,000 or more;
A dispersion step of dispersing the carbon nanotubes in a solvent to prepare a dispersion solution;
A vacuum filtration step of forming a carbon nanotube deposit on the filter by filtering the dispersion solution through a filter under reduced pressure;
And a heat treatment step of heat-treating the carbon nanotube deposit formed as described above.
前記熱処理工程では、前記カーボンナノチューブ堆積体を400℃を下回らない温度で加熱する、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein, in the heat treatment step, the carbon nanotube deposit is heated at a temperature not lower than 400 ° C. 前記減圧濾過工程の前に、前記分散溶液を静置して該溶液中に分散しているカーボンナノチューブの少なくとも一部を凝集させる、請求項1または2に記載の製造方法。   The production method according to claim 1 or 2, wherein, before the vacuum filtration step, the dispersion solution is allowed to stand to aggregate at least a part of the carbon nanotubes dispersed in the solution. 前記減圧濾過工程の後に、前記カーボンナノチューブ堆積体を酸洗浄する工程を含む、請求項1から3の何れか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of acid cleaning the carbon nanotube deposit after the vacuum filtration step. 請求項1から4の何れか一つに記載の方法により得られた蓄電デバイス用電極を備える電気二重層キャパシタ。   An electric double layer capacitor provided with the electrode for electrical storage devices obtained by the method as described in any one of Claim 1 to 4. 請求項5に記載の電気二重層キャパシタを備える車両。






A vehicle comprising the electric double layer capacitor according to claim 5.






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