JP2011009609A - Nickel aluminum porous collector and electrode using the same, and capacitor - Google Patents

Nickel aluminum porous collector and electrode using the same, and capacitor Download PDF

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Kazuki Okuno
一樹 奥野
Masahiro Kato
真博 加藤
Tomoyuki Awazu
知之 粟津
Tetsuo Sakai
哲男 境
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitor having high capacity and improved durability.SOLUTION: The capacitor includes a positive electrode where a positive active substance with active carbon as a body is filled into a metal porous body, a negative electrode where a metal foil is coated with a negative electrode active substance with a carbon material capable of occluding and detaching lithium ions as a body, and a nonaqueous electrolyte including a lithium salt. The metal porous body is a nickel aluminum alloy porous body manufactured by coating a porous body with nickel as a main constituent with aluminum and then performing heat treatment under an inert atmosphere or reducing atmosphere, and the lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method.

Description

本発明はキャパシタに関し、より詳しくは電気二重層キャパシタに関する。   The present invention relates to a capacitor, and more particularly to an electric double layer capacitor.

電気二重層キャパシタは、各種キャパシタの中でも容量が大きいため、最近注目されている。例えば、キャパシタは電気機器のメモリーバックアップ用として幅広く使われており、近年この用途にも電気二重層キャパシタの利用が促進されている。更に、ハイブリッド車、燃料自動車等の自動車用にも利用が期待されている。   Electric double layer capacitors have recently attracted attention because of their large capacitance among various capacitors. For example, capacitors are widely used for memory backup of electrical equipment, and in recent years, the use of electric double layer capacitors has been promoted for this purpose as well. Further, it is expected to be used for vehicles such as hybrid vehicles and fuel vehicles.

電気二重層キャパシタには、ボタン型、円筒型、角型といった種類があり、各種キャパシタが知られている(特許文献1〜5)。ボタン型は、例えば、活性炭電極層を集電体上に設けた分極性電極を一対として、その電極間にセパレーターを配置して電気二重層キャパシタ素子を構成し、電解質とともに金属ケース内に収納し、封口板と両者を絶縁するガスケットで密封することにより製造される。円筒型は、この一対の分極性電極とセパレーターを重ね、捲回して電気二重層キャパシタ素子を構成し、この素子に電解液を含覆させてアルミニウムケース中に収納し、封口材を用いて密封することにより製造される。角型も、基本的構造はボタン型や円筒型と同様である。   There are various types of electric double layer capacitors such as a button type, a cylindrical type, and a square type, and various types of capacitors are known (Patent Documents 1 to 5). The button type is, for example, a pair of polarizable electrodes with an activated carbon electrode layer provided on a current collector, and a separator is arranged between the electrodes to form an electric double layer capacitor element, which is stored in a metal case together with an electrolyte. It is manufactured by sealing with a sealing plate and a gasket that insulates both. For the cylindrical type, this pair of polarizable electrodes and separator are overlapped and wound to form an electric double layer capacitor element. The element is covered with an electrolytic solution and stored in an aluminum case, and sealed with a sealing material. It is manufactured by doing. The basic structure of the square type is the same as that of the button type or cylindrical type.

上記メモリーバックアップ用、自動車用等の用途に用いられる電気二重層キャパシタは、より一層の高容量化等が求められている。つまり、単位体積当たりの容量の高容量化と内部抵抗の低減が求められている。このため、電極を構成する集電体には種々のものが提案されている。例えば、金属集電体として、アルミニウム、ステンレス等を用いたもの、ステンレス繊維のマットをステンレス箔に電気溶接したもの、タンタル、アルミニウム及びチタニウムの少なくとも1種の金属からなる多孔体を使用したもの等が知られている。   The electric double layer capacitor used for the above-mentioned applications such as memory backup and automobile is required to have a higher capacity. That is, it is required to increase the capacity per unit volume and reduce the internal resistance. For this reason, various types of current collectors constituting the electrodes have been proposed. For example, a metal current collector using aluminum, stainless steel or the like, a stainless steel fiber mat electrically welded to a stainless steel foil, or a porous material made of at least one metal selected from tantalum, aluminum and titanium It has been known.

しかしながら、従来のキャパシタは、容量を増やそうとすると内部抵抗が大きくなり容量が増えないという問題がある。すなわち、集電体の形状が二次元構造である場合には、容量密度を高めるために厚い電極を作製すると、集電体と活性炭の距離が長くなるため、集電体から離れたところは電気抵抗が高くなり、活性炭の利用率が小さくなって、容量密度も小さくなってしまう。また、内部抵抗低減については、電気抵抗改善を目的として導電助剤を添加すると、活性炭の量が少なくなるためやはり容量密度が小さくなる。   However, the conventional capacitor has a problem in that when the capacity is increased, the internal resistance increases and the capacity does not increase. In other words, when the current collector has a two-dimensional structure, if a thick electrode is produced to increase the capacity density, the distance between the current collector and the activated carbon becomes longer. Resistance increases, utilization of activated carbon decreases, and capacity density also decreases. As for internal resistance reduction, when a conductive additive is added for the purpose of improving electrical resistance, the amount of activated carbon is reduced, so that the capacity density is also reduced.

また、正極の容量が小さいため、負極容量を増やしても容量が増えないという問題がある。すなわち、正極集電体にアルミニウム箔を採用した場合、容量を大きくするために活性炭を厚く塗ると、利用率が落ちたり剥離したりして容量を大きくできない。このため、Liを出し入れできる炭素系負極に比べて正極の容量が小さく、セルのエネルギー密度を高くできない。   Moreover, since the capacity | capacitance of a positive electrode is small, there exists a problem that a capacity | capacitance does not increase even if it increases a negative electrode capacity | capacitance. That is, when an aluminum foil is used for the positive electrode current collector, if the activated carbon is applied thickly in order to increase the capacity, the capacity cannot be increased because the utilization factor drops or peels off. For this reason, the capacity | capacitance of a positive electrode is small compared with the carbon-type negative electrode which can take in and out Li, and the energy density of a cell cannot be made high.

また、活性炭の電位が3V( vs Li/Li+ )であるため、電解液の耐電圧性からセル電圧を2.5V程度までしか上げることができない。このため、電圧が低く、エネルギー密度、出力密度が低いといった問題もある。 Further, since the potential of the activated carbon is 3 V (vs Li / Li + ), the cell voltage can only be increased to about 2.5 V due to the withstand voltage of the electrolyte. For this reason, there are problems such as low voltage, low energy density, and low output density.

集電体を金属箔に代えて多孔体(三次元構造)にしたりすることも試みられている。しかしながら、多孔体として、スクリーンパンチ、パンチングメタル、ラスなどを用いても、その構造は実質的には二次元構造であり、大幅な静電容量の向上は期待できない。   Attempts have been made to make the current collector a porous body (three-dimensional structure) instead of a metal foil. However, even if a screen punch, punching metal, lath or the like is used as the porous body, the structure is substantially a two-dimensional structure, and a significant improvement in capacitance cannot be expected.

現在、量産可能な三次元構造集電体としては、発泡状ニッケルがあり、アルカリ電解質二次電池用の集電体として普及している。しかし、高電圧・高容量化を目的として非水電解質を用いる電気二重層キャパシタでは、ニッケルは非水電解質による酸化を受けやすく、電解液中に溶解してしまい、長期の充放電で充分な充電ができなくなる。このように、多孔性樹脂にニッケルをめっきして作製した集電体は、耐食性に劣るため非水系のキャパシタの高い充放電電圧に耐えられない。   Currently, foamed nickel is a three-dimensional structure current collector that can be mass-produced, and is widely used as a current collector for an alkaline electrolyte secondary battery. However, in an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte for the purpose of increasing the voltage and capacity, nickel is easily oxidized by the non-aqueous electrolyte and dissolves in the electrolytic solution, so that charging is sufficient with long-term charging and discharging. Can not be. Thus, the current collector produced by plating nickel on the porous resin is inferior in corrosion resistance and cannot withstand the high charge / discharge voltage of a non-aqueous capacitor.

多孔性樹脂に被覆する金属の候補としてニッケル以外には、耐食性の高いアルミニウムやステンレスが挙げられる。しかし、これらの金属は多孔度の高い多孔質有機樹脂表面に金属被覆層を形成できない。すなわち、アルミニウムのめっき処理には非常に高温の溶融塩状態で処理する必要があるため、有機樹脂を被めっき体として使用することができず、有機樹脂表面にめっき処理することは困難である。   Examples of the metal candidate for coating the porous resin include aluminum and stainless steel having high corrosion resistance other than nickel. However, these metals cannot form a metal coating layer on the porous organic resin surface having high porosity. That is, since it is necessary to treat the aluminum plating in a very high temperature molten salt state, the organic resin cannot be used as an object to be plated, and it is difficult to plate the surface of the organic resin.

ステンレスも正極集電体の材料として広く使用されているが、このステンレスもアルミニウムと同様の理由から、有機樹脂表面にめっき処理することにより、多孔度の大きい集電体とすることは困難である。なお、ステンレスについては、粉末状にして有機樹脂多孔体に塗着して焼結することにより、多孔体を得る方法が提供されているが、ステンレススチール粉末は非常に高価である。また、粉末が付着した後に、基材である有機樹脂多孔体は焼却除去されるため、強度が衰えてしまい使用に耐えないという問題がある。   Stainless steel is also widely used as a material for the positive electrode current collector, but for the same reason as stainless steel, it is difficult to obtain a highly porous current collector by plating the surface of the organic resin. . As for stainless steel, there is provided a method for obtaining a porous material by applying it to a powdered organic resin porous material and sintering it, but stainless steel powder is very expensive. In addition, after the powder adheres, the organic resin porous body, which is the base material, is removed by incineration.

特開平11−274012号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-274012 特開平09−232190号公報JP 09-232190 A 特開平11−150042号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-150042 特許第3252868号公報Japanese Patent No. 3252868 特許第3689948号公報Japanese Patent No. 3689948

本発明は、上記問題点に鑑みて、高容量で耐久性に優れたキャパシタを提供することを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a capacitor having a high capacity and excellent durability.

本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを備え、前記金属多孔体が、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行って作製された、ニッケルアルミニウム合金多孔体であり、前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明に係るキャパシタは以下の構成を有する。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors mainly have a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body, and a carbon material that can occlude and desorb lithium ions in a metal foil. A negative electrode coated with a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. After the metal porous body is coated with aluminum on a porous body mainly composed of nickel, an inert atmosphere or reducing property It was a nickel aluminum alloy porous body produced by heat treatment in an atmosphere, and it was found that it was effective to occlude lithium ions in the negative electrode by a chemical or electrochemical technique, and the present invention was completed. That is, the capacitor according to the present invention has the following configuration.

(1)金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、リチウム塩を含む非水電解液と、を備え、前記金属多孔体が、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行って作製された、ニッケルアルミニウム合金多孔体であり、前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたことを特徴とするキャパシタ。
(2)前記ニッケルアルミニウム合金多孔体のアルミニウム含有量が、5wt%以上20wt%未満であることを特徴とする上記(1)に記載のキャパシタ。
(3)前記ニッケルアルミニウム合金多孔体が、少なくともニッケルとNi3Alとの複合体であり、ニッケルの周囲をNi3Alが被覆している構造であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のキャパシタ。
(4)前記リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料が、黒鉛系材料、又は易黒鉛化炭素材料であることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のキャパシタ。
(5)前記金属箔が、アルミニウム、銅、ニッケル、又はステンレスであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載のキャパシタ。
(6)前記リチウム塩が、LiClO4、LiBF4、及びLiPF6からなる群より選ばれる1種以上であり、前記非水電解液の溶媒が、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネイト、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、及びエチルメチルカーボネイトからなる群より選ばれる1種以上であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載のキャパシタ。
(7)負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載のキャパシタ。
(1) A positive electrode in which a metal porous body is filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon, a negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, and a lithium salt. A non-aqueous electrolyte, and the porous metal body is made of nickel-aluminum alloy porous material prepared by coating a porous body mainly composed of nickel with aluminum and then performing a heat treatment in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. A capacitor in which lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical technique.
(2) The capacitor according to (1), wherein the aluminum content of the nickel aluminum alloy porous body is 5 wt% or more and less than 20 wt%.
(3) The nickel aluminum alloy porous body is a composite of at least nickel and Ni 3 Al, and has a structure in which the periphery of nickel is covered with Ni 3 Al. The capacitor as described in 2).
(4) The capacitor according to any one of (1) to (3) above, wherein the carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions is a graphite-based material or a graphitizable carbon material.
(5) The capacitor according to any one of (1) to (4), wherein the metal foil is aluminum, copper, nickel, or stainless steel.
(6) The lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiClO 4 , LiBF 4 , and LiPF 6 , and the solvent of the non-aqueous electrolyte is ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, The capacitor as described in any one of (1) to (5) above, which is at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate.
(7) The negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and the occlusion amount of lithium ions is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. Capacitor.

また、本発明に係る集電体の製造方法及びキャパシタ用電極の製造方法は以下の構成を有する。
(8)ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行うことによりアルミニウムと合金化したニッケルアルミニウム合金多孔体に、活性炭を主体とした正極活物質を充填して得た正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布し、リチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させて得た負極とを、セパレーターを介して対向させ、リチウム塩を含む非水電解液を含浸させてキャパシタを得ることを特徴とするキャパシタ用の集電体の製造方法。
Moreover, the manufacturing method of the electrical power collector which concerns on this invention, and the manufacturing method of the electrode for capacitors have the following structures.
(8) After covering a porous body mainly composed of nickel with aluminum, heat treatment is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere to form a nickel-aluminum alloy porous body alloyed with aluminum into a positive electrode active mainly composed of activated carbon. A positive electrode obtained by filling a material, and a negative electrode obtained by applying a negative active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil and occluding lithium ions by a chemical or electrochemical method And a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt to impregnate a capacitor to obtain a capacitor.

本発明により、高容量で耐久性に優れたキャパシタが提供される。
本発明に係るキャパシタは、正極に金属多孔体を使い、負極にリチウムイオンを吸蔵させることで、セルの容量と電圧を上昇させることができる。また、アルミニウムとの合金化によりニッケルの耐食性が上がり、非水系キャパシタの電圧でもニッケルが酸化されずに集電体として使用できる。さらに、ニッケルは多孔体構造にできるため、多孔体の集電体が作製でき、容量密度が増加する。
According to the present invention, a capacitor having a high capacity and excellent durability is provided.
In the capacitor according to the present invention, the capacity and voltage of the cell can be increased by using a metal porous body for the positive electrode and occluding lithium ions in the negative electrode. Further, the corrosion resistance of nickel is increased by alloying with aluminum, and nickel can be used as a current collector without being oxidized even at a voltage of a non-aqueous capacitor. Further, since nickel can have a porous structure, a porous current collector can be produced, and the capacity density increases.

本発明に係るキャパシタは、金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、リチウム塩を含む非水電解液とにより構成される。そして、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させておくことを特徴とする。
金属多孔体を正極集電体として使用することにより、充填可能な活物質の量を増やすことができる。また、リチウムイオンを負極に吸蔵させておくことにより負極の電位が下がり、セル電圧を上げることが可能となる。更に、キャパシタのエネルギーは電圧の二乗に比例するため、高いエネルギーを持ったキャパシタとなる。
The capacitor according to the present invention includes a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body, a negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, And a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. And it is characterized in that lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method.
By using a metal porous body as a positive electrode current collector, the amount of active material that can be filled can be increased. Further, by storing lithium ions in the negative electrode, the potential of the negative electrode is lowered and the cell voltage can be increased. Furthermore, since the energy of the capacitor is proportional to the square of the voltage, the capacitor has high energy.

しかしながら、本発明ではリチウム塩を含む非水電解液によりリチウムイオンを電荷として使用するため、リチウムの析出によるデンドライト成長、短絡といった危険が存在する。このため、負極へのリチウムイオンの吸蔵量は、あらかじめ吸蔵した分と、充電される分の和が、負極の吸蔵可能量以下であることが必要である。   However, in the present invention, since lithium ions are used as a charge by a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, there is a risk of dendrite growth and short circuit due to lithium deposition. For this reason, the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode requires that the sum of the amount occluded in advance and the amount charged be equal to or less than the storable amount of the negative electrode.

したがって、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、該負極容量と正極容量の差の90%まで、リチウムイオンを負極に吸蔵させておくことを特徴とする。放電時におけるリチウムイオンの吸蔵量を、負極容量と正極容量の差の90%以下としておくことにより、充電時の負極面内におけるリチウムイオン吸蔵量のばらつきの程度を吸収することができる。   Therefore, the capacitor according to the present invention is characterized in that the negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and lithium ions are occluded in the negative electrode up to 90% of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity. By setting the amount of occlusion of lithium ions during discharging to 90% or less of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity, it is possible to absorb the degree of variation in the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode surface during charging.

更に、前記金属多孔体は、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行って作製された、ニッケルアルミニウム合金多孔体であることが好ましい。アルミニウムと合金化することによりニッケルの耐食性を上げることが可能となる。このため、かかる集電体に電極材料を充填し、キャパシタ用電極として用いた場合にも、非水電解液中で酸化されることなく良好に使用することが可能となる。   Furthermore, the metal porous body is preferably a nickel-aluminum alloy porous body prepared by coating a porous body mainly composed of nickel with aluminum and then performing a heat treatment in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. It is possible to increase the corrosion resistance of nickel by alloying with aluminum. Therefore, even when such a current collector is filled with an electrode material and used as a capacitor electrode, the current collector can be used satisfactorily without being oxidized in the non-aqueous electrolyte.

本発明に係るキャパシタは、正極と負極とをセパレーターを介して対向させ、リチウム塩を含む非水電解液を含浸させることにより作製される。
かかる正極は、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行うことによりニッケルとアルミニウムを合金化したニッケルアルミニウム金属多孔体に、活性炭を主体とした正極活物質を充填することにより得られる。また、負極は、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布し、リチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させることにより得られる。
The capacitor according to the present invention is manufactured by making a positive electrode and a negative electrode face each other via a separator and impregnating a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
Such a positive electrode is composed mainly of activated carbon in a nickel aluminum metal porous body in which nickel and aluminum are alloyed by performing heat treatment in an inert atmosphere or a reducing atmosphere after coating a porous body mainly composed of nickel with aluminum. It is obtained by filling the positive electrode active material. The negative electrode is obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, and occluding lithium ions by a chemical or electrochemical method.

以下に、本発明に係るキャパシタの各構成と、その製造方法についてより詳しく説明する。
本発明に係るキャパシタを製造する際には、まず、正極と負極の電極2枚を一対とし、これらの電極間にセパレーターを挟んで対向させる。そして、必要なスペーサを用いてセルケースに収納し、電解液を含浸させる。最後に絶縁ガスケットを介してケースに蓋をして封口することにより電気二重層キャパシタを作製することができる。非水系の材料を使用する場合は、キャパシタ内の水分を限りなく少なくするため、キャパシタの作製は水分の少ない環境下で行い、封止は不活性ガス中あるいは減圧環境下で行う。キャパシタ作製場所の露点は−55℃以下であることが好ましい。
Below, each structure of the capacitor based on this invention and its manufacturing method are demonstrated in detail.
When manufacturing the capacitor according to the present invention, first, two pairs of positive and negative electrodes are made to face each other with a separator interposed therebetween. And it accommodates in a cell case using a required spacer, and impregnates electrolyte solution. Finally, the electric double layer capacitor can be manufactured by sealing the case with an insulating gasket. When a non-aqueous material is used, in order to reduce the moisture in the capacitor as much as possible, the capacitor is manufactured in an environment with little moisture, and the sealing is performed in an inert gas or a reduced pressure environment. The dew point of the capacitor production place is preferably −55 ° C. or lower.

−セパレーター−
上記セパレーターとしては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタラート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ガラス繊維等からなる絶縁性膜が好ましい。セパレーターの平均孔径は、通常0.01μm〜5μm程度であり、平均厚さは通常10μm〜100μm程度である。平均孔径が小さすぎるとイオンの移動経路が長くなって内部抵抗が高くなり、大きすぎると短絡の危険性が増すため、0.05μm〜3μmの範囲が好ましい。また、セパレーターの厚さが小さすぎると短絡の危険性が増し、大きすぎるとイオンの移動経路が長くなって内部抵抗が高くなるため、15μm〜70μmの範囲が好ましい。
-Separator-
A known or commercially available separator can be used. For example, an insulating film made of polyolefin, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyimide, cellulose, glass fiber or the like is preferable. The average pore diameter of the separator is usually about 0.01 μm to 5 μm, and the average thickness is usually about 10 μm to 100 μm. If the average pore diameter is too small, the ion movement path becomes long and the internal resistance becomes high, and if it is too large, the risk of short-circuiting increases. Therefore, the range of 0.05 μm to 3 μm is preferable. Moreover, since the danger of a short circuit will increase when the thickness of a separator is too small, and the movement path | route of an ion will become long and internal resistance will become high when too large, the range of 15 micrometers-70 micrometers is preferable.

−正極−
上記正極は、正極集電体(金属多孔体)に活性炭を主体とした正極活物質を充填することにより作製できる。
[正極集電体]
前記正極集電体は、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行い、ニッケルとアルミニウムを合金化することにより作製できる。
-Positive electrode-
The positive electrode can be produced by filling a positive electrode current collector (metal porous body) with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon.
[Positive electrode current collector]
The positive electrode current collector can be produced by coating aluminum with a porous body mainly composed of nickel and then heat-treating it in an inert atmosphere or a reducing atmosphere to alloy nickel and aluminum.

(金属多孔体)
ニッケル多孔体としては、例えば、発泡状ニッケルや、ニッケル繊維不織布など、連通気孔を有する構造体を好ましく用いることができる。多孔体の空間に活物質を充填して使用するため、多孔度は高いほうがよく、少なくとも50%以上、好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上である。
(Metal porous body)
As the nickel porous body, for example, a structure having continuous air holes such as foamed nickel and a nickel fiber nonwoven fabric can be preferably used. Since the active material is filled in the space of the porous body, the porosity should be high, at least 50% or more, preferably 70% or more, more preferably 90% or more.

発泡状ニッケルは、公知のウレタンシートにニッケルめっきを施した後に、ウレタンを焼却除去し、還元性雰囲気で加熱することによりニッケルを還元して得られる。ウレタンシートにニッケルめっきを施す際には、ウレタンシートを導電処理した後に電解ニッケルめっきをすればよい。導電処理はスパッタリングによりニッケルを被覆しても良いし、無電解ニッケルめっきやカーボン塗布により行ってもよい。   Foamed nickel is obtained by reducing nickel by subjecting a known urethane sheet to nickel plating, then incinerating and removing urethane, and heating in a reducing atmosphere. When nickel plating is applied to a urethane sheet, electrolytic nickel plating may be performed after the urethane sheet is subjected to conductive treatment. The conductive treatment may be performed by coating nickel by sputtering, or by electroless nickel plating or carbon coating.

発泡状ニッケルのセル数が少なすぎると基材の孔径が大きくなり活物質の保持性能が下がるうえ、集電性能も悪くなるため、40セル/inch以上が好ましい。また、多すぎると活物質の充填が難しかったり骨格が細くなりすぎて基材の強度が下がったりするため、100セル/inch以下がよい。さらに好ましくは、50セル/inch以上80セル/inchである。   If the number of cells of the foamed nickel is too small, the pore diameter of the substrate becomes large, the active material holding performance is lowered, and the current collecting performance is also deteriorated. Therefore, 40 cells / inch or more is preferable. On the other hand, if the amount is too large, it is difficult to fill the active material or the skeleton becomes too thin and the strength of the base material is lowered. More preferably, it is 50 cells / inch or more and 80 cells / inch.

また、キャパシタ用の電極とするにはローラープレスにより調厚する必要があり、元の厚さが厚いとローラープレスによる変形で集電性が悪化するため、発泡状ニッケルの厚さは1.6mm以下が好ましい。ただし、活物質を十分に充填するためには出来上がりの電極よりも厚い状態で充填することが必要なため、0.2mm以上が好ましい。より好ましくは、0.3mm〜1.4mmの範囲である。   Further, in order to obtain an electrode for a capacitor, it is necessary to adjust the thickness by a roller press. If the original thickness is thick, the current collecting property deteriorates due to the deformation by the roller press, so the thickness of the foamed nickel is 1.6 mm. The following is preferred. However, in order to sufficiently fill the active material, it is necessary to fill in a thicker state than the finished electrode, so 0.2 mm or more is preferable. More preferably, it is the range of 0.3 mm-1.4 mm.

さらに、ニッケルの目付は電気抵抗と基材の強度に大きく関係する。少なすぎると集電性能・基材強度ともに著しく低下し実用に耐えないため、100g/m2以上は必要である。しかし、ニッケルを多くしすぎると基材の多孔度が下がってキャパシタの容量が低下するため、500g/m2以下が好ましい。より好ましくは、200〜420g/m2の範囲である。 Furthermore, the basis weight of nickel is greatly related to the electrical resistance and the strength of the substrate. If the amount is too small, both the current collecting performance and the strength of the base material are remarkably lowered and cannot be practically used. Therefore, 100 g / m 2 or more is necessary. However, if the amount of nickel is excessively increased, the porosity of the base material is lowered and the capacity of the capacitor is reduced. Therefore, 500 g / m 2 or less is preferable. More preferably, it is the range of 200-420 g / m < 2 >.

(アルミニウムとの合金化)
上述の発泡状ニッケルのような、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆し不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行うことによりニッケルアルミニウム多孔体が得られる。
アルミニウムの被覆方法は、スパッタが好ましいが、蒸着やCVD、粉末パックによるカロライズ処理でも行うことができる。
アルミニウムの含有量は20wt%未満とすることが必要である。アルミニウム含有量が少ないと耐食性が劣るためキャパシタの集電体として使用できず、多すぎると基材の強度が著しく低下して実用に耐えない。このため5wt%以上20wt%未満の範囲内にあることが好ましい。さらに好ましくは、7〜16wt%である。
(Alloying with aluminum)
A nickel-aluminum porous body can be obtained by coating a porous body mainly composed of nickel, such as the above-described foamed nickel, with aluminum and performing a heat treatment in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
The aluminum coating method is preferably sputtering, but can also be performed by vapor deposition, CVD, or calorizing treatment by powder pack.
The aluminum content needs to be less than 20 wt%. If the aluminum content is small, the corrosion resistance is inferior, so that it cannot be used as a current collector for a capacitor. For this reason, it is preferable that it exists in the range of 5 wt% or more and less than 20 wt%. More preferably, it is 7-16 wt%.

熱処理は不活性雰囲気中あるいは還元性雰囲気中であればよく、水素雰囲気やアルゴン雰囲気でもよい。また、熱処理温度はアルミニウムが溶融せずに熱拡散できる温度であればよく、640℃以下が好ましい。余りに温度が低いと熱拡散が遅く工業的でないため、150℃以上の温度が好ましい。熱処理の時間は熱処理温度によって適当に変化させればよい。   The heat treatment may be in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, and may be a hydrogen atmosphere or an argon atmosphere. Moreover, the heat processing temperature should just be the temperature which can be thermally diffused, without melting aluminum, and 640 degrees C or less is preferable. If the temperature is too low, thermal diffusion is slow and not industrial, so a temperature of 150 ° C. or higher is preferable. The heat treatment time may be appropriately changed depending on the heat treatment temperature.

ニッケルアルミニウム合金の組成は、少なくともニッケルとNi3Alが含まれており、かつ基材表面にニッケルが露出していない必要がある。ニッケルが露出していると、その部分から腐食してキャパシタ用電極に使用できない。また、Ni3Alは常温での強度に劣るため、この割合が大きくなりすぎると基材強度が低下する。ニッケルの周囲をNi3Alが隙間なく被覆している状態が理想である。 The composition of the nickel-aluminum alloy must include at least nickel and Ni 3 Al, and nickel should not be exposed on the surface of the substrate. If nickel is exposed, it will corrode from that part and cannot be used for capacitor electrodes. Moreover, since Ni 3 Al is inferior in strength at normal temperature, if this ratio becomes too large, the strength of the substrate decreases. Ideally, Ni 3 Al covers nickel without any gaps.

[正極活物質]
集電体に充填する電極材料は、活性炭の他に、導電助剤やバインダー等を混合し、溶媒と混合してペースト状にすることが好ましい。必要に応じて界面活性剤を加えることもできる。
キャパシタの容量を大きくするために、主成分である活性炭の量は多いほうがよく、乾燥後(溶媒除去後)の組成比で活性炭が90wt%以上あることが好ましい。また、導電助剤やバインダーは必要であるが容量低下の要因であり、バインダーはさらに内部抵抗を増大させる要因にもなるため、できる限り少ないほうが良い。導電助剤は10wt%以下、バインダーは10wt%以下が好ましい。
[Positive electrode active material]
The electrode material to be filled in the current collector is preferably mixed with a conductive additive, a binder or the like in addition to activated carbon and mixed with a solvent to form a paste. A surfactant may be added as necessary.
In order to increase the capacity of the capacitor, it is better that the amount of activated carbon as a main component is large, and it is preferable that the activated carbon is 90 wt% or more in the composition ratio after drying (after solvent removal). Moreover, although a conductive support agent and a binder are required, it is a factor of a capacity | capacitance fall, and since a binder also becomes a factor which increases internal resistance, it is better to have as few as possible. The conductive assistant is preferably 10 wt% or less, and the binder is preferably 10 wt% or less.

活性炭は表面積が大きい方がキャパシタの容量が大きくなるため、比表面積が2000m2/g以上あることが好ましい。また、導電助剤としてはケッチェンブラックやアセチレンブラック、炭素繊維やこれらの複合材料が使用できる。また、バインダーとしてはポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、キサンタンガムなどが使用できる。溶媒はバインダーの種類によって水や有機溶媒を適当に選択すればよい。有機溶媒ではNメチルピロリドンが使用される場合が多い。また、溶媒に水を使う場合、充填性を高めるために界面活性剤を使用しても良い。 Activated carbon has a specific surface area of 2000 m 2 / g or more because the larger the surface area, the larger the capacity of the capacitor. In addition, ketjen black, acetylene black, carbon fiber, or a composite material thereof can be used as the conductive auxiliary. As the binder, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, xanthan gum and the like can be used. As the solvent, water or an organic solvent may be appropriately selected depending on the kind of the binder. In organic solvents, N-methylpyrrolidone is often used. Moreover, when using water for a solvent, you may use surfactant in order to improve a filling property.

上記活性炭を主成分とする電極材料を混合して攪拌することにより活性炭ペーストが得られる。かかる活性炭ペーストを上記集電体に充填して乾燥させ、必要に応じてローラープレス等により調圧することによりキャパシタ用電極が得られる。キャパシタ用電極とするためには、最終的に電極の厚さが300〜1500μmであることが好ましい。このため、上記集電体の厚さを150μm〜700μmとしておくことが好ましい。   An activated carbon paste is obtained by mixing and stirring the electrode material mainly composed of the activated carbon. The activated carbon paste is filled in the current collector and dried, and the pressure is adjusted by a roller press or the like as necessary, whereby a capacitor electrode is obtained. In order to obtain a capacitor electrode, it is preferable that the thickness of the electrode is finally 300 to 1500 μm. For this reason, it is preferable that the thickness of the said current collector shall be 150 micrometers-700 micrometers.

−負極−
負極は、金属箔等による負極集電体に、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布することにより作製することができる。負極活物質を塗布する方法としては、例えば、炭素材料をペースト状にし、該負極活物質ペーストをドクターブレード法等により塗布する方法が挙げられる。また、必要に応じて、乾燥後にローラープレス機等により加圧成形してもよい。
炭素材料にリチウムイオンを吸蔵させるには、例えば、下記工程を経て作製した負極にLi箔を圧着させておき、製造後のセル(キャパシタ)を60℃の恒温層中で24時間保温する等の方法が挙げられる。他にも、炭素材料とリチウム材料を混合してメカニカルアロイ法で混合する方法や、Li金属をキャパシタセルに組み込んで、負極とLi金属を短絡する方法が挙げられる。
-Negative electrode-
The negative electrode can be produced by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions to a negative electrode current collector made of metal foil or the like. Examples of the method for applying the negative electrode active material include a method in which a carbon material is made into a paste and the negative electrode active material paste is applied by a doctor blade method or the like. Moreover, you may press-mold with a roller press etc. after drying as needed.
In order to occlude lithium ions in the carbon material, for example, a Li foil is pressure-bonded to the negative electrode produced through the following steps, and the manufactured cell (capacitor) is kept in a constant temperature layer at 60 ° C. for 24 hours. A method is mentioned. In addition, there are a method in which a carbon material and a lithium material are mixed and mixed by a mechanical alloy method, and a method in which a Li metal is incorporated in a capacitor cell and a negative electrode and the Li metal are short-circuited.

[負極集電体]
負極集電体としては、金属箔を好ましく用いることができる。かかる金属は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、又はステンレスであることが好ましい。
[Negative electrode current collector]
A metal foil can be preferably used as the negative electrode current collector. Such a metal is preferably, for example, aluminum, copper, nickel, or stainless steel.

[負極活物質]
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を溶媒にまぜ、混合機で攪拌することにより得られる。必要に応じて導電性助剤、バインダーを含んでもよい。
(炭素材料)
炭素材料としては、リチウムイオンを吸蔵脱離できるものであれば特に限定されないが、例えば、黒鉛系材料、易黒鉛化炭素材料等が挙げられる。また、理論容量が300mAh/g以上あるものが好ましい。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material can be obtained by mixing a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions in a solvent and stirring with a mixer. If necessary, a conductive aid and a binder may be included.
(Carbon material)
The carbon material is not particularly limited as long as it can occlude and desorb lithium ions, and examples thereof include graphite materials and graphitizable carbon materials. Moreover, what has a theoretical capacity of 300 mAh / g or more is preferable.

(導電性助剤)
導電性助剤としては、前記正極活物質の場合と同様に、公知又は市販のものが使用できる。すなわち、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。
(バインダー)
バインダーも、前記正極活物質の場合と同様に、特に種類に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
(Conductive aid)
As the conductive auxiliary agent, a known or commercially available one can be used as in the case of the positive electrode active material. That is, for example, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, natural graphite (scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like can be mentioned.
(binder)
The binder is not particularly limited as in the case of the positive electrode active material, and a known or commercially available binder can be used. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, polyolefin, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose and the like.

−非水電解液−
本発明に係るキャパシタはリチウムを利用するため、電解液としては、非水電解液を用いる必要がある。かかる非水電解液は、例えば、充放電に必要なリチウム塩を有機溶媒に溶かしたものを使用することができる。
(リチウム塩)
リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等を用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。
(溶媒)
上記リチウム塩を溶かす溶媒としては、例えば、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネイト、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、エチルメチルカーボネイト等を用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。
-Non-aqueous electrolyte-
Since the capacitor according to the present invention uses lithium, it is necessary to use a non-aqueous electrolyte as the electrolyte. As such a non-aqueous electrolyte, for example, a solution obtained by dissolving a lithium salt necessary for charging and discharging in an organic solvent can be used.
(Lithium salt)
As the lithium salt, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 or the like can be used. These may be used alone or in combination of any one or more.
(solvent)
Examples of the solvent that dissolves the lithium salt include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. These may be used alone or in combination of any one or more.

以上の方法により製造される、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることが好ましい。このように正極で容量を規制することにより、リチウムのデンドライト成長による短絡を防止することができる。   The capacitor according to the present invention manufactured by the above method preferably has a negative electrode capacity larger than the positive electrode capacity, and a lithium ion occlusion amount is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. By regulating the capacity with the positive electrode in this way, a short circuit due to lithium dendrite growth can be prevented.

以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1及び2]
(正極集電体の作製)
発泡状ニッケルにスパッタによりアルミニウムを被覆後に熱処理し、発泡状のニッケルアルミニウム合金基材による集電体を作製した。
発泡状ニッケルは、ウレタンシート(市販品、セル数 55セル/inch、厚さ1.4mm、多孔度96%)に導電処理後、所定量のニッケルめっきを行い、ウレタンを大気中800℃で焼却除去後に還元性雰囲気(水素)で1000℃に加熱し、ニッケルを還元して作製した。導電処理はスパッタリングにより10g/m2のニッケルを被覆した。ニッケルめっき量は、導電処理の分も合計して400g/m2になるようにした。作製した発泡状ニッケルは、セル数55セル/inch、厚さ1.4mm、多孔度95%となった。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited to these.
[Examples 1 and 2]
(Preparation of positive electrode current collector)
The foamed nickel was coated with aluminum by sputtering and then heat-treated to produce a current collector using a foamed nickel aluminum alloy substrate.
For foamed nickel, a urethane sheet (commercially available, 55 cells / inch, thickness 1.4 mm, porosity 96%) is subjected to conductive treatment, followed by a predetermined amount of nickel plating, and the urethane is incinerated at 800 ° C. in the atmosphere. After removal, it was heated to 1000 ° C. in a reducing atmosphere (hydrogen) to reduce nickel. For the conductive treatment, nickel of 10 g / m 2 was coated by sputtering. The total amount of nickel plating was 400 g / m 2 for the conductive treatment. The produced foamed nickel had a cell number of 55 cells / inch, a thickness of 1.4 mm, and a porosity of 95%.

発泡状ニッケルにスパッタによりアルミニウムを被覆した。その後窒素雰囲気の炉で550℃、3時間の熱処理を行った。アルミニウムの含有量は、スパッタの時間で調整し、アルミニウム含有量がそれぞれ5wt%,15wt%のニッケルアルミニウム合金基材を作製し、それぞれ正極集電体a,bとした。作製した正極集電体の厚さは1.4mmであった。   Foamed nickel was coated with aluminum by sputtering. Thereafter, heat treatment was performed at 550 ° C. for 3 hours in a furnace in a nitrogen atmosphere. The aluminum content was adjusted by the sputtering time, and nickel aluminum alloy base materials having aluminum contents of 5 wt% and 15 wt%, respectively, were prepared and used as positive electrode current collectors a and b, respectively. The thickness of the produced positive electrode current collector was 1.4 mm.

(正極の作製)
ローラープレスのスリットを700μmに調節し、上記で得られた正極集電体を通し、厚さ0.72mmの正極集電体を得た。
活性炭粉末(比表面積2500m2/g、平均粒径約5μm)21wt%に、導電助剤としてケッチェンブラック1wt%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン粉末2wt%、溶媒としてN−メチルピロリドン75wt%を添加し、混合機で攪拌することにより、活性炭ペーストを調製した。乾燥してNMPを除去した後の組成比は、活性炭粉末92wt%、ケッチェンブラック3wt%、ポリフッ化ビニリデン粉末5wt%となった。
この活性炭ペーストを上記正極集電体a,bに、活性炭の含有量が30mg/cm2となるように充填した。実際の充填量はそれぞれ31mg/cm2,30mg/cm2であった。次に、乾燥機で200℃、1時間乾燥させて溶媒を除去した後、直径500ミリのローラープレス機(スリット:300μm)で加圧して実施例1の正極A,及び実施例2の正極Bを得た。加圧後の厚さはそれぞれ470μm,473μmであった。
(Preparation of positive electrode)
The slit of the roller press was adjusted to 700 μm, and the positive electrode current collector obtained above was passed through to obtain a positive electrode current collector having a thickness of 0.72 mm.
To 21 wt% of activated carbon powder (specific surface area 2500 m 2 / g, average particle size of about 5 μm), 1 wt% of ketjen black as a conductive additive, 2 wt% of polyvinylidene fluoride powder as a binder, and 75 wt% of N-methylpyrrolidone as a solvent are added. The activated carbon paste was prepared by stirring with a mixer. The composition ratio after drying and removing NMP was 92 wt% activated carbon powder, 3 wt% ketjen black, and 5 wt% polyvinylidene fluoride powder.
The activated carbon paste was filled in the positive electrode current collectors a and b so that the activated carbon content was 30 mg / cm 2 . Actual filling amount was respectively 31mg / cm 2, 30mg / cm 2. Next, after drying with a dryer at 200 ° C. for 1 hour to remove the solvent, the positive electrode A of Example 1 and the positive electrode B of Example 2 were pressed with a roller press having a diameter of 500 mm (slit: 300 μm). Got. The thickness after pressing was 470 μm and 473 μm, respectively.

(負極集電体の作製)
厚さ20μmの銅箔を用いた。
(負極の作製)
リチウムを吸蔵脱離できる天然黒鉛粉末100重量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)2重量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン粉末4重量部、溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP)15重量部を添加し、混合機で攪拌することにより、黒鉛系負極ペーストを調製した。
この黒鉛系負極ペーストを上記の銅箔(負極集電体)上に、ドクターブレード(ギャップ400μm)を用いて塗布した。実際の塗布量は10mg/cmであった。次に、乾燥機で100℃、1時間乾燥させて溶媒を除去した後、直径500ミリのローラープレス機(スリット:200μm)で加圧して実施例1及び2の負極A’を得た。加圧後の厚さは220μmであった。
(Preparation of negative electrode current collector)
A copper foil having a thickness of 20 μm was used.
(Preparation of negative electrode)
100 parts by weight of natural graphite powder capable of occluding and releasing lithium, 2 parts by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, and 15 parts by weight of N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent Was added and stirred with a mixer to prepare a graphite-based negative electrode paste.
This graphite-based negative electrode paste was applied onto the copper foil (negative electrode current collector) using a doctor blade (gap 400 μm). The actual coating amount was 10 mg / cm 2 . Next, after drying with a dryer at 100 ° C. for 1 hour to remove the solvent, pressure was applied with a roller press having a diameter of 500 mm (slit: 200 μm) to obtain negative electrodes A ′ of Examples 1 and 2. The thickness after pressing was 220 μm.

(セルの作製)
正極A及び負極A’をドライルーム中(露点−65℃)にうつし、さらに180℃で12時間、減圧環境で乾燥した。得られた正極A及び負極A’を直径14mmに打ち抜き、その後、負極A’に厚さ15μmのリチウム金属箔を圧着した。
正極と負極のリチウムを圧着した面の間にポリプロピレン製のセパレーターを挟んで対向させて単セル素子とし、ステンレススチール製スペーサを用いてR2032サイズのコインセルケースに収納し、1mol/LのLiPF6を溶かした、エチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)を体積比1:1で混合した電解液を注入して電極及びセパレーターに含浸した。
さらに、プロピレン製の絶縁ガスケットを介してケース蓋を締めて封口して、コイン形の試験用キャパシタ1を作製した。その後、60℃の恒温槽中で24時間放置した。この操作により、負極に圧着したリチウムがイオン化して負極の黒鉛に吸蔵される。
正極Bと負極A’についても同様の操作を行い、実施例2のキャパシタ2を作製した。
(Manufacture of cells)
The positive electrode A and the negative electrode A ′ were transferred into a dry room (dew point −65 ° C.), and further dried at 180 ° C. for 12 hours in a reduced pressure environment. The obtained positive electrode A and negative electrode A ′ were punched out to a diameter of 14 mm, and then a lithium metal foil having a thickness of 15 μm was pressure bonded to the negative electrode A ′.
A single cell element is formed by sandwiching a polypropylene separator between the positive and negative lithium-bonded surfaces, and stored in an R2032-sized coin cell case using a stainless steel spacer, and 1 mol / L of LiPF 6 is contained. A melted electrolytic solution in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 1: 1 was injected to impregnate the electrode and the separator.
Further, the case lid was tightened and sealed through an insulating gasket made of propylene to produce a coin-shaped test capacitor 1. Then, it was left to stand in a 60 degreeC thermostat for 24 hours. By this operation, lithium pressure-bonded to the negative electrode is ionized and occluded in the negative electrode graphite.
The same operation was performed for the positive electrode B and the negative electrode A ′ to produce the capacitor 2 of Example 2.

[比較例1]
アルミニウム含有量が20wt%になるようにスパッタ時間を調整した以外は、実施例1と全く同じ方法で正極Cを作製し、キャパシタCを得ようとしたが、集電体が非常に脆くなっており、ローラープレスによる調厚の段階で集電体が割れてしまい、正極を得ることができずキャパシタ3を作製できなかった。
[Comparative Example 1]
Except that the sputtering time was adjusted so that the aluminum content was 20 wt%, the positive electrode C was manufactured in exactly the same manner as in Example 1, and an attempt was made to obtain the capacitor C. However, the current collector became very brittle. Thus, the current collector was cracked at the stage of thickness adjustment by the roller press, and the positive electrode could not be obtained and the capacitor 3 could not be produced.

[比較例2]
正極集電体として、アルミニウム箔(市販品、厚さ20μm)を用いた。実施例1で作製した正極活物質ペーストをドクターブレード法により両面合計が8mg/cm2となるように塗着したが、接着強度が不十分であるため、正極活質が十分にアルミニウム箔に接着できなかった。
そこで、ポリフッ化ビニリデンを乾燥後で20wt%になるように調整した以外は実施例1で作製したのと同様の正極活物質ペーストを作製した。このペーストをドクターブレード法により、アルミニウム箔の両面に塗着し、乾燥及び加圧することにより、正極Dを作製した。活性炭の塗着量は8mg/cm2、電極の厚みは、171μmであった。正極Dと負極A’を用いて実施例と同様の操作を行い、比較例2のキャパシタ4を作製した。
[Comparative Example 2]
An aluminum foil (commercial product, thickness 20 μm) was used as the positive electrode current collector. The positive electrode active material paste prepared in Example 1 was applied by the doctor blade method so that the total on both sides was 8 mg / cm 2 , but the adhesive strength was insufficient, so the positive electrode active material was sufficiently bonded to the aluminum foil. could not.
Therefore, a positive electrode active material paste similar to that prepared in Example 1 was prepared except that polyvinylidene fluoride was adjusted to 20 wt% after drying. The paste was applied to both surfaces of an aluminum foil by a doctor blade method, dried and pressed to produce a positive electrode D. The amount of activated carbon applied was 8 mg / cm 2 , and the electrode thickness was 171 μm. The same operation as in the example was performed using the positive electrode D and the negative electrode A ′, and the capacitor 4 of Comparative Example 2 was produced.

[比較例3]
正極集電体として、発泡状ニッケル(市販品、ニッケル目付400g/m2、多孔度96vol%、セル数55セル/inch、厚さ720μm)を用いた。これに実施例1で作製した正極活物質を実施例1と同様にして充填した後、さらに加圧及び乾燥することにより、正極Eを作製した。活性炭の充填量は31mg/cm2、加圧後の厚さは468μmとなった。正極Eと負極A’を用いて実施例と同様の操作を行い、比較例3のキャパシタ5を作製した。
[Comparative Example 3]
As the positive electrode current collector, foamed nickel (commercially available product, nickel basis weight 400 g / m 2 , porosity 96 vol%, number of cells 55 cells / inch, thickness 720 μm) was used. This was filled with the positive electrode active material produced in Example 1 in the same manner as in Example 1, and then further pressurized and dried to produce positive electrode E. The filling amount of activated carbon was 31 mg / cm 2 , and the thickness after pressing was 468 μm. The same operation as in the example was performed using the positive electrode E and the negative electrode A ′, and the capacitor 5 of Comparative Example 3 was produced.

[比較例4]
負極として、実施例1で用いた正極Aと同じものを用いて実施例と同様の操作を行い、比較例4のキャパシタ6を作製した。ただし、電解液はテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを1mol/Lとなるように溶解したプロピレンカーボネイト溶液を用い、セパレーターはセルロース繊維製セパレーター(厚さ60μm、密度450mg/cm3、多孔度70%)を用いた。
[Comparative Example 4]
Using the same negative electrode as the positive electrode A used in Example 1 as the negative electrode, the same operation as in the example was performed to produce the capacitor 6 of Comparative Example 4. However, the electrolyte used was a propylene carbonate solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved to 1 mol / L, and the separator used was a cellulose fiber separator (thickness 60 μm, density 450 mg / cm 3 , porosity 70%). It was.

<静電容量の評価>
実施例1、2、比較例1〜比較例4と同様のキャパシタをそれぞれ10個作製し、充電を2mA/cm2で2時間、放電を1mA/cm2で行い、初期静電容量及び充電電圧・作動電圧範囲を調べた。それらの平均値を表1に示す。
<Evaluation of capacitance>
Ten capacitors similar to those of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were respectively prepared, charged at 2 mA / cm 2 for 2 hours, and discharged at 1 mA / cm 2 , initial capacitance and charging voltage.・ The operating voltage range was examined. Their average values are shown in Table 1.

Figure 2011009609
Figure 2011009609

比較例1については電極Cが作製できなかったため測定不能である。アルミニウムの含有量が多すぎると電極がもろくなることが分かった。また、比較例3においては初回の充電の途中から電圧が上がらなくなり、充電ができなかった。正極の電位にニッケルが耐えられず溶解し、副反応などに電流が使われていると考えられる。   About the comparative example 1, since the electrode C was not able to be produced, it cannot measure. It has been found that the electrode becomes brittle when the aluminum content is too high. Further, in Comparative Example 3, the voltage could not be increased from the middle of the first charge, and charging could not be performed. It is thought that nickel cannot withstand the potential of the positive electrode and melts, and current is used for side reactions.

表1から明らかなように、本発明のキャパシタは、比較例2の正極集電体にAl箔を使用したキャパシタよりも、容量が大きく、作動電圧の範囲も通常の構成の電気二重層キャパシタ(比較例4)より大きい。エネルギーは、静電容量をC(F)、満充電電圧をEmax、放電時の電圧をEminとしたとき、1/2C(Emax2−Emin2)で計算でき、静電容量に比例、電圧の2乗に比例するため、エネルギー密度が向上できる。 As can be seen from Table 1, the capacitor of the present invention has a larger capacity than the capacitor using the Al foil for the positive electrode current collector of Comparative Example 2, and the operating voltage range is an electric double layer capacitor having a normal configuration ( Greater than Comparative Example 4). The energy can be calculated by 1 / 2C (Emax 2 -Emin 2 ), where C (F) is the capacitance, Emax is the full charge voltage, and Emin is the voltage during discharge. Since it is proportional to the square, the energy density can be improved.

<耐久性試験1>
次に、キャパシタ特性として重要な耐久性を調べた。高電圧で保持されたときの耐久性は、バックアップ用などの用途で重要である。65℃で表1に示した各セルの充電電圧を印加しながら2000時間保持した。その後25℃にして静電容量を測定し、初期からの静電容量の変化率を調べた。結果を表2に示す。
<Durability test 1>
Next, durability important as capacitor characteristics was examined. Durability when held at a high voltage is important in applications such as backup. While applying the charging voltage of each cell shown in Table 1 at 65 ° C., it was held for 2000 hours. Thereafter, the capacitance was measured at 25 ° C., and the rate of change in capacitance from the initial stage was examined. The results are shown in Table 2.

Figure 2011009609
Figure 2011009609

表2から明らかなように、実施例は従来の構成である比較例と同様、2000時間経過後も静電容量及び内部抵抗の変化は小さかった。したがって、本発明のキャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、耐久性に優れていることが分かった。   As is clear from Table 2, the changes in capacitance and internal resistance were small after 2000 hours in the example, as in the comparative example having the conventional configuration. Therefore, it was found that the capacitor of the present invention has a high capacitance and is excellent in durability.

<耐久性試験2>
別の耐久性評価法として充放電サイクル特性を調べた。サイクル特性はセルの寿命を現す重要な指標である。条件として、雰囲気温度45℃で実施例1、2および比較例2は2.5〜4.2Vの間で、比較例4は0〜2.5Vの間で1mAの定電流による充放電サイクルを1万回繰り返し、1万サイクル後の放電容量を測定し、初期容量と比較して評価を行った。その結果を表3に示す。
<Durability test 2>
The charge / discharge cycle characteristics were examined as another durability evaluation method. Cycle characteristics are an important indicator of cell life. As conditions, a charge / discharge cycle with a constant current of 1 mA was performed at an atmospheric temperature of 45 ° C. in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 between 2.5 and 4.2 V, and Comparative Example 4 between 0 and 2.5 V. Repeated 10,000 times, the discharge capacity after 10,000 cycles was measured and evaluated in comparison with the initial capacity. The results are shown in Table 3.

Figure 2011009609
Figure 2011009609

表3から明らかなように、実施例は従来の構成である比較例と同様、1万サイクル経過後も静電容量の変化は5%未満と小さかった。したがって、本発明のキャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、寿命に優れていることが分かった。   As is clear from Table 3, the change in capacitance was as small as less than 5% even after 10,000 cycles, as in the comparative example having the conventional configuration. Therefore, it was found that the capacitor of the present invention has a high capacitance and an excellent lifetime.

以上により、本発明の集電体をキャパシタ用の電極に用いた場合、従来の電気二重層キャパシタに比べて容量・耐久性に優れたキャパシタを提供できることが分かった。   From the above, it has been found that when the current collector of the present invention is used as an electrode for a capacitor, a capacitor superior in capacity and durability compared to a conventional electric double layer capacitor can be provided.

Claims (8)

金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、
金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、
リチウム塩を含む非水電解液と、
を備え、
前記金属多孔体が、ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行って作製された、ニッケルアルミニウム合金多孔体であり、
前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたことを特徴とするキャパシタ。
A positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body;
A negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil;
A non-aqueous electrolyte containing a lithium salt;
With
The metal porous body is a nickel aluminum alloy porous body prepared by coating aluminum with a porous body mainly composed of nickel and then performing a heat treatment in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
A capacitor in which lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method.
前記ニッケルアルミニウム合金多孔体のアルミニウム含有量が、5wt%以上20wt%未満であることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタ。   The capacitor according to claim 1, wherein the aluminum content of the nickel aluminum alloy porous body is 5 wt% or more and less than 20 wt%. 前記ニッケルアルミニウム合金多孔体が、少なくともニッケルとNi3Alとの複合体であり、ニッケルの周囲をNi3Alが被覆している構造であることを特徴とする請求項1又は2に記載のキャパシタ。 3. The capacitor according to claim 1, wherein the nickel aluminum alloy porous body is a composite of at least nickel and Ni 3 Al, and the nickel is covered with Ni 3 Al. 4. . 前記リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料が、黒鉛系材料、又は易黒鉛化炭素材料であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のキャパシタ。   The capacitor according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is a graphite-based material or a graphitizable carbon material. 前記金属箔が、アルミニウム、銅、ニッケル、又はステンレスであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のキャパシタ。 The capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal foil is aluminum, copper, nickel, or stainless steel. 前記リチウム塩が、LiClO4、LiBF4、及びLiPF6からなる群より選ばれる1種以上であり、
前記非水電解液の溶媒が、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネイト、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、及びエチルメチルカーボネイトからなる群より選ばれる1種以上であること
を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のキャパシタ。
The lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiClO 4 , LiBF 4 , and LiPF 6 ;
The solvent of the non-aqueous electrolyte is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. The capacitor according to any one of the above.
負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のキャパシタ。   The capacitor according to claim 1, wherein the negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and the occlusion amount of lithium ions is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. ニッケルを主成分とする多孔体にアルミニウムを被覆した後、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行うことによりアルミニウムと合金化したニッケルアルミニウム合金多孔体に、活性炭を主体とした正極活物質を充填して得た正極と、
金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布し、リチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させて得た負極とを、
セパレーターを介して対向させ、リチウム塩を含む非水電解液を含浸させてキャパシタを得ることを特徴とするキャパシタ用の集電体の製造方法。
After coating aluminum with a nickel-based porous body, heat treatment is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, and a nickel-aluminum porous body alloyed with aluminum is filled with a cathode active material mainly composed of activated carbon. A positive electrode obtained by
A negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, and occluding lithium ions by a chemical or electrochemical method,
A method for producing a current collector for a capacitor, wherein the capacitor is obtained by facing through a separator and impregnating a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
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