JP2011171400A - Electrode member using carbon nanotube, electric double layer capacitor using electrode member, and method of manufacturing electrode member - Google Patents

Electrode member using carbon nanotube, electric double layer capacitor using electrode member, and method of manufacturing electrode member Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode member using a carbon nanotube of large capacitance and long life. <P>SOLUTION: Relating to an electrode member 4, at least a double-wall carbon nanotube and a multi-wall carbon nanotube are arranged in multiple numbers on the surface of a manufacturing electrode 11 comprising a silicon substrate. On the surface of the manufacturing electrode 11, a catalyst layer 13 and a film-forming layer 12 comprising aluminum oxide are sequentially formed. Then, on the surface of the catalyst layer 13, a number of double-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes (14) are vertically arranged. A rate of the double-wall carbon nanotube to the entire carbon nanotubes comes into the range of 1/3 to 2/3. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた電極部材およびこの電極部材を用いた電気二重層キャパシタ並びに電極部材の製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode member using carbon nanotubes, an electric double layer capacitor using the electrode member, and a method for manufacturing the electrode member.

従来、電気二重層キャパシタでは、集電体上に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の分極性電極の間にポリプロピレンよりなる不織布などのセパレ一夕を挟んで素子とし、そしてその電極層に電解液を含浸させてなる素子を金属容器に収容し、封口板とガスケットにより金属容器を密封した構造にされていた。   Conventionally, in an electric double layer capacitor, a separator such as a nonwoven fabric made of polypropylene is sandwiched between a pair of polarizable electrodes in which a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon is formed on a current collector, and the element An element obtained by impregnating an electrode layer with an electrolytic solution was housed in a metal container, and the metal container was sealed with a sealing plate and a gasket.

しかし、活性炭は大比表面積を有するもので、一般的に、電気伝導度が小さく、活性炭のみでは分極性電極の内部抵抗が大きくなって大電流が取り出せないため、内部抵抗を下げる目的で分極性電極中にカーボンナノチューブ群を含有させて電気伝導度を上げることにより大容量化を図る試みがされている。   However, activated carbon has a large specific surface area, and generally has low electrical conductivity, and the activated carbon alone increases the internal resistance of the polarizable electrode, so that a large current cannot be taken out. Attempts have been made to increase the capacity by increasing the electrical conductivity by containing carbon nanotube groups in the electrode.

例えば、カーボンナノヂューブについては、単層(シングルウォールカーボンナノチューブ:SWNT)、複層(ダブルウォールカーボンナノチューブ:DWNT)および多層(マルチウォールカーボンナノチューブ:MWNT)のものが知られており、これらのカーボンナノチューブを用いることにより、大容量化を図ったキャパシタが知られている(例えば、特許文献1参照)。   For example, for carbon nanotubes, single-walled (single-walled carbon nanotubes: SWNT), multi-walled (double-walled carbon nanotubes: DWNT) and multi-walled (multi-walled carbon nanotubes: MWNT) are known. A capacitor having a large capacity by using carbon nanotubes is known (for example, see Patent Document 1).

WO2006/088004号公報WO2006 / 088004

しかし、上記キャパシタの構成によると、シングルカーボンナノチューブについては、長いものを生成し得るため、大容量化を実現できる利点がある反面、耐久性に劣り、寿命が短いという問題があった。   However, according to the configuration of the capacitor, since a long single carbon nanotube can be generated, there is an advantage that a large capacity can be realized, but there is a problem that durability is inferior and life is short.

また、ダブルカーボンナノチューブについては、単位面積当たりの本数密度を高くすることができるので、大容量化が実現できるとともに結晶性が高く寿命が長いという利点がある反面、後述するように、マルチカーボンナノチューブと比較して表面積が小さくなるという問題があった。   As for the double carbon nanotubes, the number density per unit area can be increased, so that there is an advantage that a large capacity can be realized and the crystallinity is high and the life is long. There is a problem that the surface area is small compared to the above.

さらに、マルチカーボンナノチューブについては、1本当たりの表面積は高いものの、単位面積当たりの本数密度が低く、ダブルカーボンナノチューブに比べると容量が劣るという問題があった。   Furthermore, the multi-carbon nanotube has a problem that although the surface area per one is high, the number density per unit area is low and the capacity is inferior to that of the double carbon nanotube.

そこで、本発明は、大容量化とともに長寿命化が可能なカーボンナノチューブを用いた電極部材およびこの電極部材を用いた電気二重層キャパシタ並びに電極部材の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode member using carbon nanotubes capable of increasing the capacity and extending the life, an electric double layer capacitor using the electrode member, and a method for manufacturing the electrode member.

上記課題を解決するため、本発明の請求項1に係るカーボンナノチューブを用いた電極部材は、電極用基板の表面に、垂直に、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材であって、
全カーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるようにしたものである。
In order to solve the above-mentioned problems, an electrode member using carbon nanotubes according to claim 1 of the present invention has a large number of at least double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes arranged vertically on the surface of the electrode substrate. An electrode member,
The ratio of the double wall carbon nanotubes to the total carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3.

また、請求項2に係るカーボンナノチューブを用いた電極部材は、電極用基板の表面に、垂直に、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材であって、
上記電極用基板の表面に、少なくとも酸化アルミニウム層および触媒層を順次配置し、
さらに上記触媒層の表面に、垂直に、上記ダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブを多数且つ全カーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるように配置したものである。
An electrode member using carbon nanotubes according to claim 2 is an electrode member in which a large number of at least double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the electrode substrate,
At least an aluminum oxide layer and a catalyst layer are sequentially disposed on the surface of the electrode substrate,
Further, a large number of the double-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the catalyst layer so that the ratio of the double-walled carbon nanotubes to the total carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3. It is a thing.

また、請求項3に係るカーボンナノチューブを用いた電極部材は、請求項1または2に記載の電極部材におけるマルチウォールカーボンナノチューブの形成密度を、1010〜1013本/cmとなるようにしたものである。 Further, in the electrode member using the carbon nanotube according to claim 3, the formation density of the multi-wall carbon nanotube in the electrode member according to claim 1 or 2 is set to 10 10 to 10 13 pieces / cm 2 . Is.

また、本発明の請求項4に係る電気二重層キャパシタは、請求項1乃至3のいずれかに記載のカーボンナノチューブを用いた電極部材を、容器内に、そのカーボンナノチューブが互いに対向するように配置し、且つこれら両電極部材の間に、セパレータを配置するとともに電解質を充填させたものである。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electric double layer capacitor in which an electrode member using the carbon nanotube according to any one of the first to third aspects is disposed in a container so that the carbon nanotubes face each other. In addition, a separator is disposed between the two electrode members and an electrolyte is filled therein.

また、本発明の請求項5に係る電極部材の製造方法は、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材の製造方法であって、
製造用基板の表面に、少なくとも酸化アルミニウム層および触媒層を順次形成した後、上記触媒層の表面に、垂直に、上記ダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブを多数且つこれらカーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるように形成し、
次に上記製造用基板の表面に形成されたカーボンナノチューブを電極用基板に転写して電極部材を得る方法である。
Further, the method for producing an electrode member according to claim 5 of the present invention is a method for producing an electrode member in which a large number of double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes are arranged,
After at least an aluminum oxide layer and a catalyst layer are sequentially formed on the surface of the production substrate, a large number of the double wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes are vertically formed on the surface of the catalyst layer, and the double wall for the carbon nanotubes. Formed so that the proportion of carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3,
Next, there is a method for obtaining an electrode member by transferring carbon nanotubes formed on the surface of the production substrate to an electrode substrate.

さらに、請求項6に係るカーボンナノチューブを用いた電極部材の製造方法は、請求項5に記載の電極部材の製造方法において、マルチウォールカーボンナノチューブの形成密度を、1010〜1013本/cmとする方法である。 Furthermore, the manufacturing method of the electrode member using the carbon nanotube which concerns on Claim 6 is a manufacturing method of the electrode member of Claim 5, The formation density of a multi-wall carbon nanotube is 10 <10> -10 < 13 > piece / cm < 2 >. It is a method.

上記の各構成によると、基板表面に、垂直に、しかも、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブを形成するとともに、ダブルウォールカーボンナノチューブの形成割合を、1/3〜2/3の範囲としたので、例えば電極部材をキャパシタに用いた場合、その大容量化および長寿命化を図ることができる。   According to each of the above configurations, the double-walled carbon nanotubes and the multi-walled carbon nanotubes are formed vertically on the substrate surface, and the formation ratio of the double-walled carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3. Therefore, for example, when an electrode member is used for a capacitor, its capacity and life can be increased.

本発明の実施の形態に係る電極部材および電気二重層キャパシタの基本構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic composition of the electrode member and electric double layer capacitor which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the electrical double layer capacitor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの製造方法を説明する要部断面図である。It is principal part sectional drawing explaining the manufacturing method of the electrical double layer capacitor which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブを用いた電極部材およびこの電極部材を用いた電気二重層キャパシタ並びに電極部材の製造方法について説明する。
まず、カーボンナノチューブを有する電極部材を用いた電気二重層キャパシタについて簡単に説明しておく。
Hereinafter, an electrode member using carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention, an electric double layer capacitor using the electrode member, and a method for manufacturing the electrode member will be described.
First, an electric double layer capacitor using an electrode member having carbon nanotubes will be briefly described.

この電気二重層キャパシタは、容器内に配置されて集電体と分極性電極よりなる一対の電極部材(蓄電素子とも言える)と、これら一対の電極部材同士間に配置されるセパレータおよび容器内に充填される電解質としての電解液(固体電解質でもよい)とから構成されている。   This electric double layer capacitor has a pair of electrode members (also referred to as power storage elements) made of a current collector and a polarizable electrode disposed in a container, a separator disposed between the pair of electrode members, and the container. It is comprised from the electrolyte solution (a solid electrolyte may be sufficient) as electrolyte filled.

具体的に説明すると、図1に示すように、金属製の容器1内にて、集電体である電極用基板2の表面(片面)に分極性電極である多数のカーボンナノチューブ3が熱CVD法により垂直に形成されてなる(所謂、垂直配向された)一対の電極部材4が、セパレータ5を介して且つそれぞれカーボンナノチューブ3が対向するように配置されるとともに、当該容器1内に電解液が充填されたものであり、さらにカーボンナノチューブとしては、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが配置(形成)されるとともに、このダブルウォールカーボンナノチューブの割合(形成割合)がカーボンナノチューブ全体(勿論、シングルウォールカーボンナノチューブを含んでいる場合でもよい)の1/3〜2/3の範囲となるようにされている。   More specifically, as shown in FIG. 1, a large number of carbon nanotubes 3 that are polarizable electrodes are formed by thermal CVD on the surface (one side) of an electrode substrate 2 that is a current collector in a metal container 1. A pair of electrode members 4 formed vertically by the method (so-called vertically aligned) are disposed with the carbon nanotubes 3 facing each other with a separator 5 interposed therebetween, and an electrolyte solution in the container 1. In addition, at least double-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes are arranged (formed) as carbon nanotubes, and the ratio (formation ratio) of the double-wall carbon nanotubes is the entire carbon nanotube (of course) Or may contain single wall carbon nanotubes) It is to be in the range of 3 to 2/3.

なお、図1に電気二重層キャパシタの基本的構成を示したが、通常は、図2に示すように、基本的構成が多層に配置されたものが用いられる。
この場合、上下の端部電極部材4(4A,4A)同士の間に、上下面にカーボンナノチューブ3が多数配置されてなる内部電極部材4(4B)が、セパレータ5を介して層状に配置されるとともに、容器1内に電解液が充填されたものとなる。
In addition, although the basic structure of the electric double layer capacitor is shown in FIG. 1, normally, as shown in FIG. 2, a structure in which the basic structure is arranged in multiple layers is used.
In this case, an internal electrode member 4 (4B) in which a large number of carbon nanotubes 3 are arranged on the upper and lower surfaces is arranged in layers between the upper and lower end electrode members 4 (4A, 4A) via the separator 5. In addition, the container 1 is filled with the electrolytic solution.

次に、カーボンナノチューブ3を用いた電極部材4の製造方法について説明する。
図3に示すように、まず、製造用基板11の表面に成膜層12を形成し、次にこの成膜層12の表面に触媒層13を形成し、次にこの触媒層13の表面に垂直にカーボンナノチューブ(カーボンナノチューブ群)14を形成する方法である。上述したように、このカーボンナノチューブ14は、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブにより構成されるとともに、このダブルウォールカーボンナノチューブの形成割合が全カーボンナノチューブ(カーボンナノチューブ全体であり、シングルウォールカーボンナノチューブを含んでいる場合でもよい)の1/3〜2/3の範囲となるようにされている。
Next, the manufacturing method of the electrode member 4 using the carbon nanotube 3 is demonstrated.
As shown in FIG. 3, first, the film formation layer 12 is formed on the surface of the production substrate 11, then the catalyst layer 13 is formed on the surface of the film formation layer 12, and then the surface of the catalyst layer 13 is formed. In this method, carbon nanotubes (carbon nanotube group) 14 are formed vertically. As described above, the carbon nanotube 14 is composed of at least a double-wall carbon nanotube and a multi-wall carbon nanotube, and the formation ratio of the double-wall carbon nanotube is an all-carbon nanotube (the entire carbon nanotube is a single-wall carbon nanotube. May be included in the range of 1/3 to 2/3.

上記製造用基板11としては、シリコン基板(Si基板)が用いられ、成膜層12としては酸化アルミニウム(Al)が用いられ、さらに触媒層13として金属が用いられ、具体的には、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびモリブデン(Mo)のいずれか、またはこれらを任意に組み合わせたものが用いられる。なお、製造用基板11としては、シリコン基板でなくてもよく、例えばシリコン箔でもよい。簡単に言えば、CVD時の600〜1000℃の温度に耐え得るものであれば、その材質は問わない。 A silicon substrate (Si substrate) is used as the production substrate 11, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used as the film formation layer 12, and a metal is used as the catalyst layer 13. , Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), or any combination thereof. The manufacturing substrate 11 may not be a silicon substrate, and may be a silicon foil, for example. In short, any material can be used as long as it can withstand a temperature of 600 to 1000 ° C. during CVD.

さらに、成膜層12の厚さは5〜50nmの範囲とされ、触媒層13の厚さは1〜5nmの範囲とされている。
また、ダブルウォールカーボンナノチューブの密度は、0.01〜0.2g/ccの範囲となるようにされる。
Furthermore, the thickness of the film formation layer 12 is in the range of 5 to 50 nm, and the thickness of the catalyst layer 13 is in the range of 1 to 5 nm.
The density of the double wall carbon nanotube is set to be in the range of 0.01 to 0.2 g / cc.

ここで、シリコン基板である製造用基板11の表面に、酸化アルミニウム(Al)の成膜層12を形成する理由について説明する。
一般的に、酸化アルミニウム(Al)は、高温時にαアルミナ構造を取り、低温(600〜1000℃程度)の加熱時にγアルミナ構造を取るが、このγアルミナはスピネル型構造(正方格子)を取り、構造中に欠損が生じている。したがって、加熱したときの触媒粒子は、欠損があると選択的にその位置に固定されやすく、触媒粒子の凝集が防止されるため、適正な太さのカーボンナノチューブを生成することができる。
Here, the reason why the film formation layer 12 of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is formed on the surface of the manufacturing substrate 11 which is a silicon substrate will be described.
In general, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) has an α-alumina structure at a high temperature and a γ-alumina structure when heated at a low temperature (about 600 to 1000 ° C.). This γ-alumina has a spinel structure (square lattice). ), And there are defects in the structure. Therefore, when the catalyst particles are heated, if there is a defect, the catalyst particles are easily selectively fixed at the position, and aggregation of the catalyst particles is prevented, so that carbon nanotubes having an appropriate thickness can be generated.

具体的に言えば、酸化アルミニウム(Al)にはナノサイズのボア(空洞)が存在し、加熱時に粒子化した触媒である鉄などは、そのボアにはまり込み粒子の凝集が生じないので、触媒粒子の粗大化が防止される。つまり、適正な大きさの触媒粒子を形成することができる。したがって、酸化アルミニウム層を設けるのは、適正な太さのカーボンナノチューブを形成するためである。 Specifically, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) has nano-sized bores (cavities), and iron, which is a catalyst that has been granulated during heating, does not get stuck in the bore and cause aggregation of particles. Therefore, coarsening of the catalyst particles is prevented. That is, it is possible to form catalyst particles having an appropriate size. Therefore, the aluminum oxide layer is provided in order to form carbon nanotubes having an appropriate thickness.

また、酸化アルミニウム層の厚さについて説明すると、5nmより薄い場合は、ボアの深さが浅いため、ボアから粒子があふれて、隣の粒子とくっ付き凝集してしまう。逆に、酸化アルミニウムの膜厚が50nmより厚い場合は、ボアが深すぎて、鉄の粒子が奥まで沈みこみ、エチレンやアセチレンなどの原料ガスが届かなくなってしまう。したがって、酸化アルミニウムよりなる成膜層12の厚さは、触媒粒子が埋没しない程度の厚さ(例えば、鉄であれば2nm程度以上)に、すなわち5〜50nmの範囲に、好ましくは、数十〜50nmの範囲とされる。   Further, the thickness of the aluminum oxide layer will be described. When the thickness is smaller than 5 nm, since the depth of the bore is shallow, the particles overflow from the bore and adhere to and aggregate with adjacent particles. On the contrary, when the film thickness of aluminum oxide is thicker than 50 nm, the bore is too deep and the iron particles sink into the back, and the source gas such as ethylene and acetylene cannot reach. Therefore, the thickness of the film-forming layer 12 made of aluminum oxide is set to a thickness that does not bury the catalyst particles (for example, about 2 nm or more for iron), that is, in the range of 5 to 50 nm, preferably several tens. The range is ˜50 nm.

ここで、カーボンナノチューブを形成する場合の配置について考察する。
触媒粒子を整列させた場合、最も密度が高くなるような配置(例えば、触媒粒子が三角格子点状に位置する状態)が好ましい。
Here, the arrangement in the case of forming the carbon nanotube will be considered.
When the catalyst particles are aligned, an arrangement in which the density is highest (for example, a state in which the catalyst particles are positioned in a triangular lattice point) is preferable.

ところで、カーボンナノチューブ群の中で、全てがダブルウォールカーボンナノチューブである場合よりも、部分的にマルチウォールカーボンナノチューブを含む方が全表面積が大きくなる。しかし、全てがマルチウォールカーボンナノチューブであると、このマルチウォールカーボンナノチューブの寿命が短いので、部分的に寿命が長いダブルウォールカーボンナノチューブを含み且つ表面積も大きくするには、ダブルウォールカーボンナノチューブとマルチウォールカーボンナノチューブとを含むのがよい。この場合には、三角格子点の1/3〜2/3が、ダブルウォールカーボンナノチューブで、残りがマルチウォールカーボンナノチューブになるのが好ましい配置となる。   By the way, in the group of carbon nanotubes, the total surface area becomes larger when partially including multi-wall carbon nanotubes than when all of them are double-wall carbon nanotubes. However, if all are multi-wall carbon nanotubes, the multi-wall carbon nanotubes have a short lifetime, so in order to include a double-wall carbon nanotube with a long lifetime and a large surface area, double-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes It is preferable to include carbon nanotubes. In this case, it is preferable that 1/3 to 2/3 of the triangular lattice points are double wall carbon nanotubes and the rest are multiwall carbon nanotubes.

ここで、電極部材の具体的な製造方法について説明する。
まず、製造用基板であるシリコン基板(Si)の表面に酸化アルミニウム層(Al)を真空蒸着により20nmの厚さでもって形成した後、鉄(Fe)の触媒層を真空蒸着により2nmの厚さでもって形成する。
Here, a specific method for manufacturing the electrode member will be described.
First, an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) having a thickness of 20 nm is formed on the surface of a silicon substrate (Si) as a manufacturing substrate by vacuum deposition, and then an iron (Fe) catalyst layer is formed by vacuum deposition to 2 nm. It is formed with the thickness of

次に、熱CVD法により、エチレン、アセチレンなどのカーボンガス(原料ガスである)を使用してカーボンナノチューブを、触媒層の表面に垂直に形成する。なお、水素ガスは触媒の活性を高めるために使用する。   Next, carbon nanotubes are formed perpendicularly to the surface of the catalyst layer by using a carbon gas (raw material gas) such as ethylene or acetylene by a thermal CVD method. Hydrogen gas is used to increase the activity of the catalyst.

そして、カーボンガス中には水が加えられている。
水を加えるのは、触媒層(正確には、触媒粒子である金属粒子)から成長したカーボン表面に結晶性の低い部分があると、その部分が水と反応し、その結果、結晶性の高いもの(つまり、チューブ表面のグラフェンシート中の欠損部位が少ない)が残り易くなるからである。チューブの結晶性が高いと、電解液と副反応(分解反応など)を起こしにくくなり、そのため、寿命が長くなる。
Water is added to the carbon gas.
When water is added, if there is a part with low crystallinity on the carbon surface grown from the catalyst layer (precisely, metal particles which are catalyst particles), the part reacts with water, and as a result, the crystallinity is high. This is because things (that is, fewer defects in the graphene sheet on the tube surface) are likely to remain. When the crystallinity of the tube is high, a side reaction (decomposition reaction or the like) with the electrolytic solution is unlikely to occur, and therefore the life is extended.

また、CVD時の温度は600〜1000℃程度であり、カーボンガスの濃度は、20%以下にされる。
次に、電極用基板の表面にカーボンナノチューブの配向面が対向するように製造用基板を載置し、所定圧力および所定時間にて加圧(プレス)した後、製造用基板をカーボンナノチューブから剥ぎ取ることにより、カーボンナノチューブの電極用基板への転写が行われる。
Moreover, the temperature at the time of CVD is about 600-1000 degreeC, and the density | concentration of carbon gas shall be 20% or less.
Next, the production substrate is placed so that the orientation surface of the carbon nanotube faces the surface of the electrode substrate, and is pressed (pressed) at a predetermined pressure and for a predetermined time, and then the production substrate is peeled off from the carbon nanotube. As a result, the carbon nanotubes are transferred to the electrode substrate.

なお、上記電極部材の構成を概略的に説明しておく。
すなわち、この電極部材は、電極用基板の表面に、垂直に、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材であって、
全カーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるようにしたものであり、
また上記マルチウォールカーボンナノチューブの形成密度が、1010〜1013本/cmとなるようにしたものである。
In addition, the structure of the said electrode member is demonstrated roughly.
That is, this electrode member is an electrode member in which a large number of at least double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the electrode substrate,
The ratio of the double wall carbon nanotubes to the total carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3,
Moreover, the formation density of the said multi-wall carbon nanotube shall be 10 <10> -10 < 13 > pieces / cm < 2 >.

ところで、電極部材が電気二重層キャパシタに適用される場合には、電極用基板として厚さが50μm程度のアルミニウム箔が用いられ、またカーボンナノチューブをアルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属箔に転写したものが集電体とされる。   By the way, when the electrode member is applied to an electric double layer capacitor, an aluminum foil having a thickness of about 50 μm is used as the electrode substrate, and the carbon nanotube is a metal foil made of aluminum, copper, nickel, stainless steel, or the like. The one transcribed into is the current collector.

すなわち、厚さ50μm程度のアルミニウム箔の表面に接着性および導電性を有する樹脂ペーストなどを塗布した後、その表面にカーボンナノチューブの配向面が対向するように製造用基板を載置して100〜200℃程度の温度で加熱しながら加圧する(所謂、熱プレスである)。そして、その後、製造用基板11をアルミニウム箔から剥ぎ取ることで、カーボンナノチューブの転写が行われる。   That is, after a resin paste having adhesiveness and conductivity is applied to the surface of an aluminum foil having a thickness of about 50 μm, the production substrate is placed so that the orientation surfaces of the carbon nanotubes face each other. Pressurization is performed while heating at a temperature of about 200 ° C. (so-called hot press). Then, the carbon nanotubes are transferred by peeling off the production substrate 11 from the aluminum foil.

なお、上記電気二重層キャパシタの構成を概略的に説明すると、上述したカーボンナノチューブを用いた電極部材を、容器内に、そのカーボンナノチューブが互いに対向するように配置し、且つこれら両電極部材の間に、セパレータを配置するとともに電解液(電解質)を充填させたものである。   The configuration of the electric double layer capacitor will be schematically described. The electrode members using the carbon nanotubes described above are arranged in a container so that the carbon nanotubes face each other, and between the two electrode members. In addition, a separator is disposed and an electrolytic solution (electrolyte) is filled.

また、カーボンナノチューブを転写する電極用基板は、上述した金属箔に限定されるものでもなく、例えば導電性を有する樹脂フィルム、樹脂シートなどのシート状部材を用いることもできる。   Moreover, the electrode substrate for transferring the carbon nanotubes is not limited to the metal foil described above, and for example, a sheet-like member such as a conductive resin film or resin sheet can be used.

例えば、樹脂フィルムへの転写は、樹脂フィルムの温度を軟化温度以上で且つ溶融温度以下の範囲に加熱した状態で、カーボンナノチューブの配向面が対向するように製造用基板を載置し、そして所定圧力および所定時間で加圧(プレス)する。その後、樹脂フィルムの温度を軟化温度以下に冷却し、製造用基板を樹脂フィルムから剥ぎ取ることで転写が行われる。なお、樹脂フィルムは、一般に市販されているもの、例えばPET/ITO(Indium Tin Oxide)/Pdなどを用いることができる。   For example, in the transfer to the resin film, the substrate for production is placed so that the orientation surfaces of the carbon nanotubes face each other in a state where the temperature of the resin film is heated to a range not lower than the softening temperature and not higher than the melting temperature, and predetermined Pressurize (press) the pressure and for a predetermined time. Thereafter, the temperature of the resin film is cooled to the softening temperature or lower, and the transfer is performed by peeling the production substrate from the resin film. In addition, the resin film can use what is generally marketed, for example, PET / ITO (Indium Tin Oxide) / Pd.

ところで、ダブルウォールカーボンナノチューブの割合をカーボンナノチューブ全体の1/3〜2/3の範囲としたが、例えば25〜75%でも可能でもよい。
ここで、ダブルウォールカーボンナノチューブを電極部材に用いる利点について説明する。
By the way, although the ratio of the double-walled carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3 of the entire carbon nanotubes, for example, it may be 25 to 75%.
Here, the advantage of using the double wall carbon nanotube for the electrode member will be described.

すなわち、ダブルウォールカーボンナノチューブを用いたキャパシタは、マルチウォールカーボンナノチューブを用いたキャパシタに比べて、その静電容量が大きいとともに、その寿命についても長く、さらに多くの電解液に対しても、耐電圧性能が高い。これは、上述したように、チューブの結晶性が高くなると、電解液と副反応(分解反応など)を起こしにくくなり、したがって寿命が長くなるとともに耐電圧性能が高くなる。耐電圧性能が高くなると、動作し得る上限電圧も高くなる。   That is, a capacitor using double-walled carbon nanotubes has a larger capacitance and a longer life compared to a capacitor using multi-walled carbon nanotubes. High performance. As described above, when the crystallinity of the tube is increased, side reaction (decomposition reaction or the like) with the electrolytic solution is less likely to occur, and thus the life is increased and the withstand voltage performance is increased. As the withstand voltage performance increases, the upper limit voltage at which operation is possible also increases.

言い換えれば、ダブルウォールカーボンナノチューブの割合をカーボンナノチューブ全体の1/3〜2/3の範囲とすることにより、シングルカーボンナノチューブが有する耐久性の低さおよび寿命が短いという欠点を克服し得るとともに、マルチカーボンナノチューブが単位面積当たりの本数密度が低く容量が劣るという欠点を克服し得ることになる。簡単に言うと、ダブルウォールカーボンナノチューブを1/3〜2/3の割合でもって形成することにより、単位面積当たりの本数密度を高くして(形成割合を2/3にすると、本数密度が2倍となるため、面積当たりのカーボンナノチューブの表面積が大きくなる)、電極部材の高能力化、すなわちキャパシタの大容量化を図ることができるとともに、結晶性が高くなるため、寿命が長くなる。   In other words, by making the ratio of the double-walled carbon nanotubes in the range of 1/3 to 2/3 of the entire carbon nanotubes, the single carbon nanotubes can overcome the disadvantage of low durability and short lifetime, The disadvantage that multi-carbon nanotubes have a low number density per unit area and inferior capacity can be overcome. Briefly, the double wall carbon nanotubes are formed at a ratio of 1/3 to 2/3, thereby increasing the number density per unit area (when the formation ratio is 2/3, the number density is 2 And the surface area of the carbon nanotube per area increases), the electrode member can have a higher capacity, that is, the capacity of the capacitor can be increased, and the crystallinity becomes higher, resulting in a longer life.

また、上記実施例においては、製造用基板として、非導電性で且つ耐熱性を有するシリコン基板を用いたが、例えば導電性の金属箔(または、金属板)を用いる場合には、金属箔の表面に直接カーボンナノチューブを生成することができないため、製造用基板と成膜層との間に絶縁部材よりなる中間層またはバッファ層が形成される。例えば、中間層としては、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどの耐熱性非イオン伝導物質が用いられる。   In the above embodiment, a non-conductive and heat-resistant silicon substrate is used as the production substrate. For example, when a conductive metal foil (or metal plate) is used, the metal foil Since carbon nanotubes cannot be directly generated on the surface, an intermediate layer or a buffer layer made of an insulating member is formed between the production substrate and the film formation layer. For example, as the intermediate layer, a heat-resistant nonionic conductive material such as silicon dioxide, zirconium oxide, or titanium oxide is used.

1 容器
2 電極用基板
3 カーボンナノチューブ
4 電極部材
5 セパレータ
11 製造用基板
12 成膜層
13 触媒層
14 カーボンナノチューブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Electrode substrate 3 Carbon nanotube 4 Electrode member 5 Separator 11 Manufacturing substrate 12 Film-forming layer 13 Catalyst layer 14 Carbon nanotube

Claims (6)

電極用基板の表面に、垂直に、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材であって、
全カーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるようにしたことを特徴とするカーボンナノチューブを用いた電極部材。
An electrode member in which a plurality of at least double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the electrode substrate,
An electrode member using carbon nanotubes, wherein the ratio of the double wall carbon nanotubes to the total carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3.
電極用基板の表面に、垂直に、少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材であって、
上記電極用基板の表面に、少なくとも酸化アルミニウム層および触媒層を順次配置し、
さらに上記触媒層の表面に、垂直に、上記ダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブを多数且つ全カーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるように配置したことを特徴とするカーボンナノチューブを用いた電極部材。
An electrode member in which a plurality of at least double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the electrode substrate,
At least an aluminum oxide layer and a catalyst layer are sequentially disposed on the surface of the electrode substrate,
Further, a large number of the double-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes are arranged vertically on the surface of the catalyst layer so that the ratio of the double-walled carbon nanotubes to the total carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3. The electrode member using the carbon nanotube characterized by having performed.
マルチウォールカーボンナノチューブの形成密度が、1010〜1013本/cmとなるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノチューブを用いた電極部材。 The electrode member using carbon nanotubes according to claim 1 or 2, wherein the formation density of multi-wall carbon nanotubes is 10 10 to 10 13 pieces / cm 2 . 請求項1乃至3のいずれかに記載のカーボンナノチューブを用いた電極部材を、容器内に、そのカーボンナノチューブが互いに対向するように配置し、且つこれら両電極部材の間に、セパレータを配置するとともに電解質を充填させたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。   An electrode member using the carbon nanotube according to any one of claims 1 to 3 is disposed in a container so that the carbon nanotubes face each other, and a separator is disposed between the two electrode members. An electric double layer capacitor filled with an electrolyte. 少なくともダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブが多数配置されてなる電極部材の製造方法であって、
製造用基板の表面に、少なくとも酸化アルミニウム層および触媒層を順次形成した後、上記触媒層の表面に、垂直に、上記ダブルウォールカーボンナノチューブおよびマルチウォールカーボンナノチューブを多数且つこれらカーボンナノチューブに対する上記ダブルウォールカーボンナノチューブの割合が1/3〜2/3の範囲となるように形成し、
次に上記製造用基板の表面に形成されたカーボンナノチューブを電極用基板に転写して電極部材を得ることを特徴とするカーボンナノチューブを用いた電極部材の製造方法。
A method for producing an electrode member in which a plurality of at least double-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes are arranged,
After at least an aluminum oxide layer and a catalyst layer are sequentially formed on the surface of the production substrate, a large number of the double wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes are vertically formed on the surface of the catalyst layer, and the double wall for the carbon nanotubes. Formed so that the proportion of carbon nanotubes is in the range of 1/3 to 2/3,
Next, a carbon nanotube formed on the surface of the production substrate is transferred to an electrode substrate to obtain an electrode member.
マルチウォールカーボンナノチューブの形成密度が、1010〜1013本/cmとなるようにしたことを特徴とする請求項5に記載のカーボンナノチューブを用いた電極部材の製造方法。
The method for producing an electrode member using carbon nanotubes according to claim 5, wherein the formation density of the multi-wall carbon nanotubes is 10 10 to 10 13 pieces / cm 2 .
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US9196774B2 (en) 2012-02-16 2015-11-24 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solar module and method for manufacturing the same

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