JP2011077377A - Electric double-layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、非水電解液を用いた電気二重層キャパシタに関する。 The present invention relates to an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte.
電気二重層キャパシタは、例えばアルミニウムである金属箔の表面に分極性電極層(例えばカ−ボン層)を設けた分極性電極間にセパレ−タを介在させて巻回し、または積層したキャパシタ素子に電解液を含浸し、このキャパシタ素子を金属ケ−ス内に収納して、開口端部を密封、またはラミネートフィルムで密封した構造を有する。 An electric double layer capacitor is formed by winding or laminating a separator between a polarizable electrode in which a polarizable electrode layer (for example, a carbon layer) is provided on the surface of a metal foil made of aluminum, for example. It has a structure in which an electrolytic solution is impregnated and the capacitor element is housed in a metal case, and the open end is sealed or sealed with a laminate film.
以上の電気二重層キャパシタは、高容量で長期信頼性に優れたものが要求され、従来の電気二重層キャパシタの電解液に、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒を使用することが行われている。これによれば、高容量で、しかも高温負荷特性に優れる電気二重層キャパシタを得ることができる。 The electric double layer capacitor described above is required to have a high capacity and excellent long-term reliability, and a carbonate-based solvent such as propylene carbonate is used as an electrolytic solution of a conventional electric double layer capacitor. According to this, an electric double layer capacitor having a high capacity and excellent high temperature load characteristics can be obtained.
ところが、カーボネート系溶媒を用いた電解液では、高温下では溶媒の分解により一酸化炭素(CO)ガスが発生するため、分極性電極や電解液等を収容している容器の内圧が上昇するという問題が生じる。このため、電気二重層キャパシタの使用温度は、60℃が限界であり、70〜85℃というさらなる高温使用には対応することができないという問題点があった。これに対して、γ−ブチロラクトンを用いて70℃使用を可能にしようという試みがある(特許文献1)。 However, in an electrolytic solution using a carbonate-based solvent, carbon monoxide (CO) gas is generated due to decomposition of the solvent at a high temperature, so that the internal pressure of the container containing the polarizable electrode, the electrolytic solution, etc. increases. Problems arise. For this reason, the use temperature of the electric double layer capacitor is limited to 60 ° C., and there is a problem that it cannot cope with use at a higher temperature of 70 to 85 ° C. On the other hand, there is an attempt to enable use at 70 ° C. using γ-butyrolactone (Patent Document 1).
しかしながら、さらに85℃使用を可能にしようとすると特性の劣化を抑えることができない。また、カーボネート系溶媒を用いた電解液においても、寿命特性の向上が求められていた。そこで、本発明は、この問題を解決し、85℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命化も可能な電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。 However, if further use at 85 ° C. is attempted, deterioration of characteristics cannot be suppressed. In addition, an improvement in life characteristics has been demanded for an electrolytic solution using a carbonate-based solvent. Accordingly, an object of the present invention is to solve this problem and to provide an electric double layer capacitor that can be used at 85 ° C. or higher and can have a longer life.
上記の課題を解決するために、本発明は非水電解液と両極に集電体と分極性電極からなる電極を用いた電気二重層キャパシタにおいて、正極および/または負極集電体が表面に反応型化成皮膜を形成したアルミニウムからなることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte and an electrode composed of a current collector and a polarizable electrode on both electrodes. It consists of aluminum which formed the type | mold chemical conversion film.
そして、反応型化成皮膜がクロメート処理によって形成されたことを特徴とする。 The reactive chemical conversion film is formed by a chromate treatment.
そして、クロメート処理がリン酸クロメート処理であることを特徴とする。 The chromate treatment is a phosphate chromate treatment.
本発明は集電体が表面に反応型化成皮膜を形成したアルミニウムからなっているので、電解液または電極中の水分と集電体との反応を抑制することによって、電解液及び集電体の劣化を抑制し、85℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命特性を実現するという効果を有する。そして、反応型化成皮膜は導電性が高いので、内部抵抗の上昇もない。 In the present invention, since the current collector is made of aluminum having a reactive chemical conversion film formed on the surface, the reaction between the electrolyte or the water in the electrode and the current collector is suppressed, thereby Deterioration is suppressed, use at 85 ° C. or higher is possible, and long-life characteristics are achieved. And since the reactive chemical film has high conductivity, there is no increase in internal resistance.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明において、電気二重層キャパシタはアルミニウムからなる金属集電体箔に分極性電極層を形成した電極をセパレータを介して対向させてキャパシタセルを作製し、このキャパシタセルに電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとしたものである。 In the present invention, an electric double layer capacitor is manufactured by making a capacitor cell by facing a metal current collector foil made of aluminum with a polarizable electrode layer facing through a separator, and impregnating the capacitor cell with an electrolyte. An electric double layer capacitor is obtained.
この電気二重層キャパシタの集電体の表面に反応型化成皮膜を形成する。反応型化成皮膜としてはリン酸クロメート処理、クロム酸クロメート処理等により形成される皮膜、または反応型のリン酸ジルコニウム処理、リン酸チタニウム処理などのいわゆるノンクロメート処理によって形成される皮膜を挙げることができる。なかでもコスト、生産性の点から、リン酸クロメート処理が好ましい。 A reactive chemical conversion film is formed on the surface of the current collector of the electric double layer capacitor. Examples of the reactive chemical conversion film include a film formed by a phosphate chromate treatment, a chromate chromate treatment, or a film formed by a so-called non-chromate treatment such as a reactive zirconium phosphate treatment or a titanium phosphate treatment. it can. Of these, phosphoric acid chromate treatment is preferred from the viewpoint of cost and productivity.
電極に用いる金属集電体箔としては、アルミニウム箔またはアルミニウムエッチング箔を用いる。アルミニウム箔としては純度99.9%以上の高純度のアルミニウムを用いる。その厚さとしては、通常10〜50μm程度の厚さのアルミニウム箔を用いる。 As the metal current collector foil used for the electrode, an aluminum foil or an aluminum etching foil is used. As the aluminum foil, high-purity aluminum having a purity of 99.9% or more is used. As the thickness, an aluminum foil having a thickness of about 10 to 50 μm is usually used.
この金属集電体箔に、例えば活性炭粉末と導電助剤とバインダーと、有機溶剤または水などの溶媒とを混合してなるペーストを塗布する。または、ぺーストをシート状に成形して、このシートを集電体に圧接して分極性電極とする。 For example, a paste obtained by mixing activated carbon powder, a conductive additive, a binder, and a solvent such as an organic solvent or water is applied to the metal current collector foil. Alternatively, the paste is formed into a sheet shape, and this sheet is pressed against a current collector to form a polarizable electrode.
活性炭の原料は、植物系の木材、のこくず、ヤシ殻、パルプ廃液、化石燃料系の石炭、石油重質油、或いはそれらを熱分解した石炭及び石油系ピッチ、石油コークス等である。活性炭は、これらの原料を炭化後、賦活処理して得られる。
導電助剤としては、電導性を有する炭素材料である、カーボンブラック、グラファイトを用いることができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等が挙げられ、これらの中でも、ケッチェンブラックが好ましい。グラファイトとしては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。
バインダとしては、通常用いられるものであればいずれであってもよく、例えばフッ素系ゴム、ジエン系ゴム、スチレン系ゴム等のゴム類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素ポリマー、その他、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、ニトリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。
この電極をセパレータを介して対向させてキャパシタ素子を作製し、このキャパシタ素子に電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとする。
The raw material of the activated carbon is plant-based wood, sawdust, coconut husk, pulp waste liquid, fossil fuel-based coal, petroleum heavy oil, or coal and petroleum-based pitch, petroleum coke obtained by pyrolyzing them. Activated carbon is obtained by carbonizing these raw materials and then activating them.
As the conductive assistant, carbon black or graphite, which is a carbon material having conductivity, can be used. Examples of the carbon black include acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, and thermal black. Among these, ketjen black is preferable. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite.
Any binder may be used as long as it is usually used, for example, rubbers such as fluorine rubber, diene rubber and styrene rubber, fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and the like. , Polyolefin resin, acrylic resin, nitrile resin, polyester resin, phenol resin, polyvinyl acetate resin, polyvinyl alcohol resin, epoxy resin and the like.
A capacitor element is produced by making this electrode face each other with a separator interposed therebetween, and the capacitor element is impregnated with an electrolytic solution to obtain an electric double layer capacitor.
本発明においては電解液として、その主溶媒として、γ−ブチロラクトン、スルホランまたはその誘導体、プロピレンカーボネートを用いる。また、副溶媒として、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類;1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのオキソラン類;アセトニトリルやニトロメタンなどの含窒素類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの有機酸エステル類;リン酸トリエステルや炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジプロピルのような炭酸ジエステルなどの無機酸エステル類;ジグライム類;トリグライム類;3−メチル−2−オキサゾリジノンなどのオキサゾリジノン類;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、ナフタスルトンなどのスルトン類等を用いることができる。 In the present invention, γ-butyrolactone, sulfolane or a derivative thereof, and propylene carbonate are used as the main solvent as the electrolytic solution. In addition, as a co-solvent, carbonates such as ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate; ethers such as trimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, 2-ethoxyethane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran Sulfoxides such as dimethyl sulfoxide; oxolanes such as 1,3-dioxolane and 4-methyl-1,3-dioxolane; nitrogen-containing compounds such as acetonitrile and nitromethane; methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, Organic acid esters such as methyl propionate and ethyl propionate; inorganic acid esters such as phosphoric acid triester and diester carbonate such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and dipropyl carbonate; diglyme ; Triglyme like; oxazolidinones such as 3-methyl-2-oxazolidinone; 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone can be used sultone like such Nafutasuruton.
有機溶媒中に溶解する電解質としては、金属の陽イオン、4級アンモニウムカチオン、ホスホニウム、カルボニウムカチオン等のカチオンと、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、またはRfSO3 -、(RfSO2)2N-、RfCO2 -(Rfは炭素数1〜8のフルオロアルキル基)から選ばれるアニオンの塩を挙げることができる。 Examples of the electrolyte dissolved in the organic solvent include metal cations, quaternary ammonium cations, phosphonium, carbonium cations, and the like, BF 4 − , PF 6 − , ClO 4 − , AsF 6 − , SbF 6 − , A salt of an anion selected from AlCl 4 − , RfSO 3 − , (RfSO 2 ) 2 N − , RfCO 2 − (Rf is a fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms) can be mentioned.
そして、本発明の電気二重層キャパシタは、コイン型、巻回型、積層型等の形状の何れであってもよい。このような電気二重層キャパシタは、例えば、電極シートを所望の大きさ、形状に切断し、セパレータを両極の間に介在させた状態で積層または巻回し、容器に挿入後電解液を注入し、封口板、ガスケットを用いて封口をかしめ、またはラミネートフィルムで封止して製造できる。 The electric double layer capacitor of the present invention may have any shape such as a coin type, a wound type, and a laminated type. Such an electric double layer capacitor is obtained by, for example, cutting an electrode sheet into a desired size and shape, stacking or winding the separator sheet between both electrodes, inserting the electrolyte into the container, It can be manufactured by caulking the seal using a sealing plate or gasket, or sealing with a laminate film.
本発明の実施例に係る発明を具体的にを説明する。
(実施例1)
活性炭粉末、導電助剤であるケッチェンブラック、バインダーであるポリテロラフルオロエチレン(PTFE)から成る混合物を、圧延ローラーを用いてシート状に成形してこれを分極性電極とした。リン酸−クロム酸の混合液に浸漬してリン酸クロメート処理を施したアルミニウム箔を集電体とした。シート状分極性電極をリード線を設けた集電体に導電性接着剤を用いて貼り付けて電極とした。作成した2枚の電極をセルロース系セパレータを介して向かい合わせ電気二重層キャパシタ素子(電極面積12cm2)を作製した。この電気二重層キャパシタ素子を12時間以上150℃で減圧乾燥した後、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で1M テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEABF4)/γ-ブチロラクトン(GBL)電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、85℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量(F)、及び直流抵抗(DCIR)を測定した。
The invention according to the embodiment of the present invention will be specifically described.
Example 1
A mixture of activated carbon powder, ketjen black as a conductive aid, and polyterafluorofluoroethylene (PTFE) as a binder was formed into a sheet using a rolling roller, and this was used as a polarizable electrode. An aluminum foil immersed in a phosphoric acid-chromic acid mixed solution and subjected to phosphoric acid chromate treatment was used as a current collector. The sheet-like polarizable electrode was attached to a current collector provided with a lead wire by using a conductive adhesive to obtain an electrode. The produced two electrodes face each other through a cellulose separator to produce an electric double layer capacitor element (electrode area 12 cm 2 ). This electric double layer capacitor element was dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours or more, and then impregnated with 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4) / γ-butyrolactone (GBL) electrolyte under reduced pressure in a dry box under an argon atmosphere. An electric double layer capacitor cell was produced by enclosing in a film. This electric double layer capacitor cell was subjected to a 2.5 V constant voltage load test in an atmosphere of 85 ° C., and the capacity (F) and direct current resistance (DCIR) were measured at an arbitrary time.
(実施例2)
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製した。この電気二重層キャパシタ素子を12時間以上150℃で減圧乾燥した後、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で1M トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF4)/スルホラン(SLF)電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、105℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量(F)、及び直流抵抗(DCIR)を測定した。
(Example 2)
An electric double layer capacitor element was produced in the same manner as in Example 1. This electric double layer capacitor element was dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours or more, and then impregnated with 1M triethylmethylammonium tetrafluoroborate (TEMABF4) / sulfolane (SLF) electrolyte under reduced pressure in a dry box under an argon atmosphere, and a laminate film The electric double layer capacitor cell was fabricated by enclosing in This electric double layer capacitor cell was subjected to a 2.5 V constant voltage load test in an atmosphere of 105 ° C., and the capacity (F) and direct current resistance (DCIR) were measured at an arbitrary time.
(実施例3)
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製した。この電気二重層キャパシタ素子を12時間以上150℃で減圧乾燥した後、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で1M テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEABF4)/プロピレンカーボネート(PC)電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、60℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量(F)、及び直流抵抗(DCIR)を測定した。
(Example 3)
An electric double layer capacitor element was produced in the same manner as in Example 1. This electric double layer capacitor element was dried under reduced pressure at 150 ° C. for 12 hours or more, and then impregnated with 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4) / propylene carbonate (PC) electrolyte under reduced pressure in a dry box under an argon atmosphere to form a laminate film The electric double layer capacitor cell was fabricated by enclosing in This electric double layer capacitor cell was subjected to a 2.5 V constant voltage load test in an atmosphere of 60 ° C., and the capacity (F) and direct current resistance (DCIR) were measured at an arbitrary time.
(比較例1)
リン酸クロメート処理を施さないアルミニウム箔を集電体として実施例1と同様に電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例1と同様の試験を行った。
(Comparative Example 1)
An electric double layer capacitor cell was produced in the same manner as in Example 1 using an aluminum foil not subjected to the phosphate chromate treatment as a current collector. The same test as in Example 1 was performed on the electric double layer capacitor cell.
(比較例2)
リン酸クロメート処理を施さないアルミニウム箔を集電体として実施例2と同様に電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例2と同様の試験を行った。
(Comparative Example 2)
An electric double layer capacitor cell was produced in the same manner as in Example 2 using an aluminum foil not subjected to the phosphate chromate treatment as a current collector. The same test as in Example 2 was performed on this electric double layer capacitor cell.
(比較例3)リン酸クロメート処理を施さないアルミニウム箔を集電体として実施例3と同様に電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例3と同様の試験を行った。 Comparative Example 3 An electric double layer capacitor cell was produced in the same manner as in Example 3 using an aluminum foil not subjected to phosphoric acid chromate treatment as a current collector. The same test as in Example 3 was performed on this electric double layer capacitor cell.
(結果)
図1〜図6から明らかなように、本願の実施例は従来の集電体である比較例1〜3より、容量変化、内部抵抗変化とも良好である。
(result)
As apparent from FIGS. 1 to 6, the example of the present application is better in both capacitance change and internal resistance change than Comparative Examples 1 to 3 which are conventional current collectors.
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