JP2012119465A - Electrode for electric double layer capacitor and electric double layer capacitor using thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気二重層キャパシタの電極およびこれを用いた電気二重層キャパシタに関するものである。三次元網目構造を有する厚さの厚い多孔質アルミニウムを集電体に用い、その内部に分極性活物質合剤スラリーを含浸、乾燥、プレス圧密して製造した電極を用いることにより、耐電圧が高く、体積容量密度が大きい電気二重層キャパシタを提供する。とくに、太陽電池発電システム用の補助電源として好適である。 The present invention relates to an electrode of an electric double layer capacitor and an electric double layer capacitor using the same. By using a thick porous aluminum having a three-dimensional network structure as a current collector and impregnating a polarizable active material mixture slurry inside, drying and press-consolidating electrodes, the withstand voltage can be reduced. An electric double layer capacitor having a high volume capacity density is provided. In particular, it is suitable as an auxiliary power source for a solar cell power generation system.
近年、環境問題、とりわけ地球温暖化問題への関心の高まりとともに、再生可能エネルギーの発電システム、例えば太陽電池発電システムの普及が拡大している。しかし、太陽電池のような自然エネルギーを電力に変換する発電システムにおいては、発電量が天候等の自然現象に左右されるため、電力の需要と供給が一致しない場合が多い。そのミスマッチを解消する方法の一つに、蓄電媒体を補助電源として併用し、発電の過剰量を補助電源に充電し、不足量を補助電源から補充することで電力需給をバランスさせるという方法がある。そのようなシステムに組み込まれる補助電源は、充放電の変動が激しい過酷な使われ方になる。そのため、補助電源には通常、負荷変動に対する耐久性に優れた鉛蓄電池やニッケル水素電池が利用されている。しかし、鉛蓄電池は、重量が重い、有害な金属を含むなどの問題があり、ニッケル水素電池は、充電深度が浅いと電極のメモリー効果によって放電電圧が低くなるなどの問題がある。 In recent years, with the growing interest in environmental issues, particularly global warming issues, the spread of renewable energy power generation systems, such as solar cell power generation systems, has expanded. However, in a power generation system that converts natural energy into electric power such as a solar cell, the power generation and output depend on natural phenomena such as the weather, so the demand and supply of power often do not match. One way to eliminate this mismatch is to use a storage medium as an auxiliary power source, charge the auxiliary power source with an excessive amount of power generation, and replenish the shortage amount from the auxiliary power source to balance the power supply and demand. . The auxiliary power source incorporated in such a system is used severely in which fluctuations in charging and discharging are severe. Therefore, lead-acid batteries and nickel-metal hydride batteries that are excellent in durability against load fluctuations are usually used as auxiliary power supplies. However, lead-acid batteries have problems such as being heavy and containing harmful metals, and nickel-metal hydride batteries have problems such as low discharge voltage due to the memory effect of the electrodes when the charging depth is shallow.
一方、電気二重層キャパシタは、鉛蓄電池に比べて軽量であり、有害金属を含まない。しかも、充放電の反応において活物質の化学変化を伴わないので耐久性に優れるなどの特徴を有することから、鉛蓄電池やニッケル水素電池に代替する補助電源として有望である。 On the other hand, an electric double layer capacitor is lighter than a lead storage battery and does not contain harmful metals. Moreover, since it has characteristics such as excellent durability because it does not involve a chemical change of the active material in the charge / discharge reaction, it is promising as an auxiliary power source to replace lead-acid batteries and nickel metal hydride batteries.
電気二重層キャパシタは電解液中で電極表面に形成する電気二重層によって電荷を蓄えるキャパシタであり、活物質表面への電解質イオンの吸脱着によって充放電する。二次電池のような化学反応を伴わないので極めて耐久性に優れ、所定の電圧以下で使用すれば1万回以上充放電サイクルを繰り返してもほとんど劣化しない。活物質には通常、比表面積が大きい活性炭が使用される。電気二重層キャパシタの電極は、従来、活性炭に加えて、導電剤として黒鉛、および結着剤としてポリテトラフルオロエチレン樹脂等を配合した分極性電極活物質合剤を溶剤と混合してスラリー状にし、厚さ0.05〜0.15mmにアルミニウム箔の両面に塗布した後、乾燥、圧密して製造されている。このとき、アルミニウム箔は集電体として作用する。 An electric double layer capacitor is a capacitor that stores electric charge by an electric double layer formed on the surface of an electrode in an electrolytic solution, and is charged and discharged by adsorption and desorption of electrolyte ions on the surface of the active material. Since it does not involve a chemical reaction as in a secondary battery, it is extremely durable, and when used at a predetermined voltage or lower, it hardly deteriorates even if the charge / discharge cycle is repeated 10,000 times or more. As the active material, activated carbon having a large specific surface area is usually used. Conventionally, an electrode of an electric double layer capacitor is made into a slurry by mixing a polarizable electrode active material mixture containing graphite as a conductive agent and polytetrafluoroethylene resin as a binder in addition to activated carbon with a solvent. After being applied to both sides of an aluminum foil to a thickness of 0.05 to 0.15 mm, it is manufactured by drying and compacting. At this time, the aluminum foil acts as a current collector.
電気二重層キャパシタの形態には、円形の2枚の電極に1枚のセパレータを挟んで重ねるコイン型のもの、電極を長尺のリボン状として、2枚の電極を1枚のセパレータを介して倦回して製造する円筒型のもの、複数枚の電極を複数枚のセパレータを介して積層して製造する箱型のもの(特許文献1)などがある。 The form of the electric double layer capacitor is a coin type in which one separator is sandwiched between two circular electrodes, and the electrodes are long ribbons, and the two electrodes are passed through one separator. There are a cylindrical type manufactured by winding and a box type manufactured by stacking a plurality of electrodes via a plurality of separators (Patent Document 1).
コイン型の電気二重層キャパシタについて述べると、単セルで電極面積も小さいので充放電容量が小さく、太陽電池等の補助電源には不向きな形態である。 The coin-type electric double layer capacitor is described as a single cell and has a small electrode area, so that the charge / discharge capacity is small and is not suitable for an auxiliary power source such as a solar battery.
円筒型の電気二重層キャパシについて述べると、2枚の電極とセパレータからなる1組の部材を巻回して製造するので、量産性に優れる。しかし、容量を大きくするためには電極が長くする必要があり、タブから電極の端までの距離が遠くなるので、電極の内部抵抗が大きくなるという問題がある。また、補助電源として十分な充放電容量を確保するためには組電池として複数個の電気二重層キャパシタを接続して使用する方法もあるが、そのときに、円筒型では隣り合うキャパシタ間にデッドスペースができてしまい、体積エネルギー密度が小さくなる、という欠点がある。 When describing the cylindrical electric double layer capacity, it is manufactured by winding a set of members composed of two electrodes and a separator, which is excellent in mass productivity. However, in order to increase the capacitance, it is necessary to lengthen the electrode, and since the distance from the tab to the end of the electrode is increased, there is a problem that the internal resistance of the electrode increases. In addition, in order to secure a sufficient charge / discharge capacity as an auxiliary power source, there is a method in which a plurality of electric double layer capacitors are connected and used as an assembled battery. There is a drawback that space is created and the volumetric energy density is reduced.
箱形の電気二重層キャパシタについて述べると、直方体であるため、複数の電気二重層キャパシタを組電池としたときにデッドスペースが生じない。また、タブから電極の端までの距離が短いので、内部抵抗が小さい。従って、太陽電池等の補助電源に適した形態といえる。しかし、箱型の電気二重層キャパシタは、複数枚の電極のそれぞれにタブを取り付けた後、それらの電極を積層し、複数枚のタブを溶接するため、製造時の工程数が多く、コスト高になる、という欠点がある。 When describing the box-shaped electric double layer capacitor, since it is a rectangular parallelepiped, dead space does not occur when a plurality of electric double layer capacitors are assembled. Further, since the distance from the tab to the end of the electrode is short, the internal resistance is small. Therefore, it can be said to be a form suitable for an auxiliary power source such as a solar battery. However, a box-type electric double layer capacitor has a large number of manufacturing steps and high cost because a tab is attached to each of a plurality of electrodes, and then the electrodes are laminated and the plurality of tabs are welded. There is a drawback of becoming.
一方、集電体にアルミニウム箔ではなく、海綿状の三次元構造(三次元網目構造)を有するシート状の多孔質アルミニウムを使用し、厚さ0.2〜2mmの電極とした電気二重層キャパシタが開示されている(特許文献2)。その電極は、厚さ0.3〜5mmの多孔質アルミニウムを集電体に用い、集電体内部にも分極性活物質合剤のスラリーを注入し、乾燥後、プレスして圧密化して製造される。アルミニウム箔を集電体に使う電極は厚さが0.1〜0.3mmなのに対して、シート状の多孔質アルミニウムを使う電極は厚さを0.2〜2mmと厚くできるので、同じ充放電容量の電気二重層キャパシタを組み立てるのに必要な電極枚数を少なくすることができ、タブ溶接の数も減る。そのため、電気二重層キャパシタの製造工程を短縮することができる。 On the other hand, an electric double layer capacitor using a sheet-like porous aluminum having a spongy three-dimensional structure (three-dimensional network structure) instead of an aluminum foil as an electrode and having an electrode having a thickness of 0.2 to 2 mm Is disclosed (Patent Document 2). The electrode is manufactured by using porous aluminum having a thickness of 0.3 to 5 mm as a current collector, injecting a slurry of a polarizable active material mixture into the current collector, drying, pressing, and compacting. Is done. The electrode that uses aluminum foil as a current collector has a thickness of 0.1 to 0.3 mm, whereas the electrode that uses sheet-like porous aluminum can be as thick as 0.2 to 2 mm, so the same charge and discharge It is possible to reduce the number of electrodes required for assembling a capacitive electric double layer capacitor, and to reduce the number of tab welds. Therefore, the manufacturing process of the electric double layer capacitor can be shortened.
さらに、特許文献2に記載されるように、三次元網目構造を有するシート状の多孔質アルミニウムを集電体に使用すると電気二重層キャパシタの耐電圧性が向上することが知られている。すなわち、キャパシタのエネルギー密度Eは、印過電圧Vの二乗と二重層容量Cに比例する。
E=CV2/2
例えば、単セルあたりの常用の充電電圧を2.4Vから2.8Vに高めることができると、
E2.8V/E2.4V={(2.82/2)・C}/{(2.42/2)・C}=1.361
エネルギー密度を36.1%高くすることができる。
Furthermore, as described in Patent Document 2, it is known that when a sheet-like porous aluminum having a three-dimensional network structure is used as a current collector, the withstand voltage of the electric double layer capacitor is improved. That is, the energy density E of the capacitor is proportional to the square of the printing voltage V and the double layer capacitance C.
E = CV 2/2
For example, if the normal charging voltage per cell can be increased from 2.4V to 2.8V,
E 2.8V / E 2.4V = {( 2.8 2/2) · C} / {(2.4 2/2) · C} = 1.361
The energy density can be increased by 36.1%.
従って、厚さの厚い多孔質アルミニウムを集電体に用いて箱型の電気二重層キャパシタを組み立てることができると、多孔質アルミニウムを集電体とするため常用の充電電圧を高めに設定できるので体積エネルギー密度が高く、箱型なので組電池にしたときのデッドスペースが小さい電気二重層キャパシタを、少ない電極枚数で組み立てることができるので短い工程数で製造することができるようになる。 Therefore, if a box-type electric double layer capacitor can be assembled using a thick porous aluminum as a current collector, the normal charging voltage can be set higher because the porous aluminum is used as a current collector. An electric double layer capacitor having a high volumetric energy density and a box shape, which has a small dead space when formed into an assembled battery, can be assembled with a small number of electrodes, and can be manufactured with a short number of steps.
しかし、多孔質アルミニウムを集電体に用い、それに分極性活物質合剤のスラリーを含浸して電気二重層キャパシタの電極を製造しようするとき、多孔質アルミニウムの厚さが厚くなると、多孔質アルミニウムの内部に均一に分極性活物質合剤を保持させることが困難になるという問題がある。とくに厚さが5mmを超えると、孔径にもよるが、中心付近に分極性活物質合剤が少ない部位が形成したり、分極性活物質合剤が存在しない部位が形成されたりするようになり、所望の体積容量密度が得られなくなる。一方、多孔質アルミニウムの孔径を大きくすれば、分極性活物質合剤のスラリーは含浸しやすくなるが、孔径が大きくなりすぎると、分極性活物質合剤が脱落したり、前述の多孔質アルミニウムによる耐電圧向上の効果が発現しにくくなったりする、という問題がある。 However, when an electrode of an electric double layer capacitor is manufactured by using porous aluminum as a current collector and impregnated with a slurry of a polarizable active material mixture, the porous aluminum becomes thicker. There is a problem that it becomes difficult to uniformly hold the polarizable active material mixture in the inside of the glass. In particular, when the thickness exceeds 5 mm, depending on the pore diameter, a part with little polarizable active material mixture is formed near the center, or a part without the polarizable active material mixture is formed. The desired volume capacity density cannot be obtained. On the other hand, if the pore diameter of the porous aluminum is increased, the slurry of the polarizable active material mixture is easily impregnated. However, if the pore diameter is too large, the polarizable active material mixture may fall off or the aforementioned porous aluminum There is a problem that the effect of improving the withstand voltage due to is difficult to express.
そこで本発明者らは、多孔質アルミニウム集電体の内部に均一に分極性活物質合剤が保持された、厚さが厚く、耐電圧性に優れた電気二重層キャパシタの電極を製造すべく試行錯誤を重ねた結果、
アルミニウム粉末の焼結体からなる三次元網目状構造を有する多孔質アルミニウムは、骨格に凹凸があって分極性活物質合剤との密着性に優れることから、電気二重層キャパシタの集電体に適していることがわかった。アルミニウム粉末の焼結体からなる多孔質アルミニウムは、本発明者らが別途考案した方法、すなわち、アルミニウム粉末にチタン粉末を少量配合し、公知のスラリー発泡法等を用いて発泡体状に成形し、アルゴン雰囲気中で所定の温度に加熱して焼成する方法によって製造することができる。
Accordingly, the inventors of the present invention are to manufacture an electrode of an electric double layer capacitor having a thick thickness and excellent voltage resistance, in which a polarizable active material mixture is uniformly held inside the porous aluminum current collector. As a result of repeated trial and error,
Porous aluminum with a three-dimensional network structure made of a sintered body of aluminum powder has irregularities in the skeleton and excellent adhesion to the polarizable active material mixture. I found it suitable. Porous aluminum made of a sintered body of aluminum powder is a method separately devised by the present inventors, that is, a small amount of titanium powder is blended in aluminum powder and molded into a foam using a known slurry foaming method or the like. It can be manufactured by a method of heating and baking at a predetermined temperature in an argon atmosphere.
また、チタン粉末を配合することにより、多孔質アルミニウムの強さが改善されるとともに、電極の内部抵抗を下げる効果があることがわかった。アルミニウム粉末とチタン粉末の混合粉末を焼成して得られた焼結体は、チタンおよびアルミニウムとチタンの化合物がアルミニウム焼結体中に分散分布したミクロ組織をしているが、チタンが存在しない部位よりもチタンが存在する部位の方が、焼結体表面の酸化皮膜の厚さが薄い。それが内部抵抗の低下に寄与しているものと考えられる。 Further, it was found that blending titanium powder has the effect of improving the strength of porous aluminum and reducing the internal resistance of the electrode. The sintered body obtained by firing the mixed powder of aluminum powder and titanium powder has a microstructure in which titanium and the compound of aluminum and titanium are dispersed and distributed in the aluminum sintered body, but no titanium is present. The thickness of the oxide film on the surface of the sintered body is thinner at the site where titanium is present. This is considered to contribute to the decrease in internal resistance.
次に、孔径の大きな多孔質アルミニウムの表面付近の骨格密度をあらかじめ高くしておき、その多孔質アルミニウムに分極性活物質合剤のスラリーを含浸し、乾燥し、プレス圧密すると、多孔質アルミニウムの内部に均一に分極性活物質合剤を保持させることができることがわかった。多孔質アルミニウムは、所定の圧下率でロール圧延等することによって表面近傍の骨格密度を高くすることができる。 Next, the skeleton density in the vicinity of the surface of the porous aluminum having a large pore diameter is increased in advance, and the porous aluminum is impregnated with the slurry of the polarizable active material mixture, dried, and press-consolidated. It was found that the polarizable active material mixture can be uniformly held inside. The porous aluminum can increase the skeleton density in the vicinity of the surface by roll rolling or the like at a predetermined rolling reduction.
さらに、アルミニウム粉末の焼結体からなる三次元網目状構造を有する多孔質アルミニウムを集電体に使用する場合には、圧密前の孔径が、長さ1cmの線分が横切る平均の孔数が8以上の多孔質アルミニウムを用いると、耐電圧性向上の効果が発現することがわかった。 Further, when porous aluminum having a three-dimensional network structure made of a sintered body of aluminum powder is used for the current collector, the average diameter of the pore diameter before consolidation is the number of holes crossed by a 1 cm long line segment. When 8 or more porous aluminum was used, it turned out that the effect of withstand voltage improvement expresses.
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、厚さの厚い三次元網目構造を有する多孔質アルミニウムを集電体に用いた、耐電圧が高く、体積容量密度が大きい電気二重層キャパシタの電極を製造するための課題を、以下に示す構成によって解決したものである。
(1)三次元網目構造の金属骨格とその金属骨格間に空孔を有する、厚さが5mmを超え、100mm以下のアルミニウム多孔質焼結体の集電体と、前記集電体の空孔内に分極性電極材料および結合剤を含むことを特徴とする、電気二重層キャパシタ用電極。
(2)金属骨格にAl−Ti化合物が分散している、上記(1)記載の電気二重層キャパシタ用電極。
(3)アルミニウム多孔質焼結体が、角柱型または円柱型である、上記(1)または(2)記載の電気二重層キャパシタ用電極。
(4)ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体をロール圧延またはプレスして表面の骨格密度を高くする工程、分極性電極材料を溶剤とともに混練した分極性電極材料含有スラリーを前記アルミニウム多孔質焼結体に含浸する工程、乾燥する工程、および圧密する工程、をこの順で含む電気二重層キャパシタ用電極の製造方法。
(5)上記(1)〜(3)のいずれか記載の電気二重層キャパシタ用集電体を含む、電気二重層キャパシタ。
(6)上記(5)記載の電気二重層キャパシタ用集電体と、太陽電池とを含む、太陽電池発電システム。
The present invention has been made on the basis of such knowledge, and an electric double layer capacitor having a high withstand voltage and a large volumetric capacity density using porous aluminum having a thick three-dimensional network structure as a current collector The problem for manufacturing the electrode is solved by the following configuration.
(1) A metal skeleton having a three-dimensional network structure and pores between the metal skeletons, a current collector of an aluminum porous sintered body having a thickness of more than 5 mm and not more than 100 mm, and pores of the current collector An electrode for an electric double layer capacitor comprising a polarizable electrode material and a binder therein.
(2) The electrode for an electric double layer capacitor according to the above (1), wherein an Al—Ti compound is dispersed in a metal skeleton.
(3) The electrode for an electric double layer capacitor according to (1) or (2) above, wherein the aluminum porous sintered body is a prismatic type or a cylindrical type.
(4) A step of rolling or pressing a block-shaped aluminum porous sintered body to increase the surface skeleton density, and the polarizable electrode material-containing slurry obtained by kneading the polarizable electrode material together with a solvent into the aluminum porous sintered body The manufacturing method of the electrode for electric double layer capacitors which includes the process of impregnating a body, the process of drying, and the process of compaction in this order.
(5) An electric double layer capacitor comprising the current collector for an electric double layer capacitor according to any one of (1) to (3) above.
(6) A solar cell power generation system including the current collector for an electric double layer capacitor according to (5) above and a solar cell.
本発明(1)によれば、高容量、高体積エネルギー密度で、低内部抵抗の電気二重層キャパシタを、簡便な短い工程で製造することができる。また、本発明(5)によれば、特に、太陽電池発電システムの補助電源として好適な電気二重層キャパシタを提供することができる。 According to the present invention (1), an electric double layer capacitor having a high capacity, a high volume energy density and a low internal resistance can be produced in a simple and short process. Moreover, according to this invention (5), the electrical double layer capacitor suitable as an auxiliary power supply of a solar cell power generation system can be provided.
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。なお、%は特に示さない限り、また数値固有の場合を除いて質量基準の%である。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on embodiments. Unless otherwise indicated,% is% based on mass unless otherwise specified.
〔電気二重層キャパシタ用電極〕
本発明の電気二重層キャパシタ用電極(以下、「電極」という)は、三次元網目構造の金属骨格とその金属骨格間に空孔を有する、厚さが5mmを超え、100mm以下(以下、「ブロック状」という)のアルミニウム多孔質焼結体の集電体と、前記集電体の空孔内に分極性電極材料および結合剤を含むことを特徴とする。ここで、高体積エネルギー密度化の観点から、厚さは、5mmより厚く、10mm以上が好ましく、20mm以上が、より好ましい。また、良好な出力特性維持、低い内部抵抗の維持の観点から、厚さは、100mm以下である。ここで、厚さとは、セパレータと接する面と垂直方向の長さとする。
[Electrode for electric double layer capacitor]
The electrode for an electric double layer capacitor of the present invention (hereinafter referred to as “electrode”) has a metal skeleton having a three-dimensional network structure and voids between the metal skeletons, and has a thickness of more than 5 mm and not more than 100 mm (hereinafter, “ And a polarizable electrode material and a binder in the pores of the current collector. Here, from the viewpoint of increasing the volume energy density, the thickness is greater than 5 mm, preferably 10 mm or more, and more preferably 20 mm or more. Further, from the viewpoint of maintaining good output characteristics and maintaining low internal resistance, the thickness is 100 mm or less. Here, the thickness is a length in a direction perpendicular to the surface in contact with the separator.
例えば、箱形電気二重層キャパシタに使用される従来の箱形用電極の厚さは、通常、0.2mm程度である。ここで、本発明の電極の厚さを、例えば20mmにすると、従来の箱形用電極の厚さの100倍となり、分極性電極材料の体積密度が同じであれば、本発明の電極は、従来の箱形用電極100枚分に相当する。また、従来の箱形用電極を100枚積層する場合には、電極間に隙間やずれが生じ、積層方法によっては相応数のセパレータが必要となるため、体積エネルギー密度が小さくなる。さらに、電極100枚を積層するのは、工程数が多く、かつハンドリングが難しい、という問題もある。本発明の電極は、これらの問題を克服することが可能である。なお、電気二重層キャパシタは、電極近傍の電気二重層により充放電を行うため、電極が厚くてもハイレートの充放電が可能である。 For example, the thickness of a conventional box-type electrode used for a box-type electric double layer capacitor is usually about 0.2 mm. Here, if the thickness of the electrode of the present invention is, for example, 20 mm, the thickness of the conventional box electrode is 100 times, and if the volume density of the polarizable electrode material is the same, the electrode of the present invention is This corresponds to 100 conventional box electrodes. Further, when 100 conventional box-shaped electrodes are stacked, gaps or shifts occur between the electrodes, and depending on the stacking method, an appropriate number of separators are required, so that the volume energy density is reduced. Furthermore, laminating 100 electrodes has a problem that the number of processes is large and handling is difficult. The electrodes of the present invention can overcome these problems. The electric double layer capacitor is charged / discharged by the electric double layer in the vicinity of the electrode, so that high-rate charging / discharging is possible even if the electrode is thick.
アルミニウム多孔質焼結体は、三次元網目構造の金属骨格を有し、かつ前記金属骨格間に空孔を有する。より詳しくは、アルミニウム多孔質焼結体は、三次元網目構造の金属骨格により、空孔を形成する。また、金属骨格自体も、高気孔率である。 The aluminum porous sintered body has a metal skeleton having a three-dimensional network structure and has pores between the metal skeletons. More specifically, the porous aluminum sintered body forms pores by a metal skeleton having a three-dimensional network structure. Also, the metal skeleton itself has a high porosity.
アルミニウム多孔質焼結体の金属骨格は、所望のアルミニウム多孔質焼結体強度、空孔径および空孔率を得るために、金属骨格径(金属骨格を形成する各金属骨の最も細い部分の太さ)が5〜100μmであることが好ましい。また、この金属骨格は、孔径:0.1〜3μmの骨格内空孔を有するものが好ましい。ここで、金属骨格径および骨格内空孔の空孔径は、骨格表面および骨格断面の走査電子顕微鏡写真により測定する。 In order to obtain the desired aluminum porous sintered body strength, pore diameter, and porosity, the metal skeleton of the aluminum porous sintered body has a metal skeleton diameter (the thickness of the thinnest part of each metal bone forming the metal skeleton). Is preferably 5 to 100 μm. Further, this metal skeleton preferably has skeleton vacancies having a pore diameter of 0.1 to 3 μm. Here, the metal skeleton diameter and the pore diameter of the skeleton vacancies are measured by scanning electron micrographs of the skeleton surface and the skeleton cross section.
また、金属骨格間の空孔(以下、骨格間空孔という)は、分極性電極材料、結合剤等を含ませやすくする観点、および電解液との良好な導電性確保の観点から、連通していることが好ましい。 In addition, the vacancies between the metal skeletons (hereinafter referred to as interframe vacancies) are communicated from the viewpoint of easily including a polarizable electrode material, a binder, and the like, and ensuring good conductivity with the electrolytic solution. It is preferable.
骨格間空孔の空孔径は、所望量の分極性電極材料を充填させる観点から、20〜500μmであることが好ましい。なお、圧延またはプレス等による圧密後には、骨格間空孔の空孔径は、アルミニウム多孔質焼結体の長手方向が長い楕円形状となり、長手方向の空孔径は、300〜1100μmであると好ましく、厚さ方向の空孔径は、50〜300μmであると好ましい。ここで、空孔径は、試料の表面および断面の走査電子顕微鏡写真により測定する。 From the viewpoint of filling a desired amount of polarizable electrode material, the pore diameter of the inter-framework holes is preferably 20 to 500 μm. After consolidation by rolling or pressing, the pore diameter of the interstitial pores is preferably an elliptical shape with a long longitudinal direction of the aluminum porous sintered body, and the pore diameter in the longitudinal direction is preferably 300 to 1100 μm. The pore diameter in the thickness direction is preferably 50 to 300 μm. Here, the pore diameter is measured by scanning electron micrographs of the surface and cross section of the sample.
アルミニウム多孔質焼結体の全体気孔率は、所望量の分極性電極材料を充填させる観点から、70〜99%であることが好ましく、80〜97%であると、より好ましい。なお、圧密後の空孔率は、55〜92%であると好ましく、70〜90%であると、より好ましい。ここで、気孔率は、アルミニウム多孔質焼結体の寸法、質量、および密度から算出する。 The total porosity of the aluminum porous sintered body is preferably 70 to 99%, more preferably 80 to 97%, from the viewpoint of filling a desired amount of polarizable electrode material. In addition, the porosity after consolidation is preferably 55 to 92%, and more preferably 70 to 90%. Here, the porosity is calculated from the dimensions, mass, and density of the porous aluminum sintered body.
また、アルミニウム多孔質焼結体は、圧密前の孔径が、長さ1cmの線分が横切る平均の孔数が8以上であると、耐電圧性向上の効果が発現し、好ましい。ここで、平均の孔数は、走査型電子顕微鏡(SEM)写真から計測する。 In addition, it is preferable that the aluminum porous sintered body has a pore diameter before consolidation, and an average number of pores crossed by a 1 cm-long line segment is 8 or more, since an effect of improving withstand voltage is exhibited. Here, the average number of holes is measured from a scanning electron microscope (SEM) photograph.
ここで、アルミニウム多孔質焼結体は、金属骨格にAl−Ti化合物が分散していると、好ましい。金属骨格のAl−Ti化合物は、アルミニウム多孔質焼結体を製造するときに使用される焼結助剤に含まれるチタンに由来する。チタンは、アルミニウム多孔質焼結体を非加圧焼結で製造することを可能にするだけではなく、Al−Ti化合物を形成することにより、アルミニウム多孔質焼結体を高強度、特に高引張り強度にする。 Here, the aluminum porous sintered body is preferable when the Al—Ti compound is dispersed in the metal skeleton. The Al—Ti compound having a metal skeleton is derived from titanium contained in a sintering aid used when producing an aluminum porous sintered body. Titanium not only makes it possible to produce an aluminum porous sintered body by pressureless sintering, but also makes the aluminum porous sintered body high strength, especially high tensile, by forming an Al-Ti compound. Make it strong.
アルミニウム多孔質焼結体が、アルミニウムとチタンの合計100質量部に対して、チタンを0.1〜20質量部含むことが好ましい。チタンが、0.1質量部未満では、良好なアルミニウム多孔質焼結体が得られず、20質量部を超えると、焼結時に、アルミニウム混合原料粉末中で、チタンを含む焼結助剤粉末同士が接点を持つようになり、アルミニウムとチタンの反応熱を制御できなくなるとともに所望の多孔質焼結体が得られないようになる。ここで、アルミニウムとチタンの定量分析は、ICP法で行う。 The aluminum porous sintered body preferably contains 0.1 to 20 parts by mass of titanium with respect to 100 parts by mass of aluminum and titanium in total. If titanium is less than 0.1 part by mass, a good aluminum porous sintered body cannot be obtained. If it exceeds 20 parts by mass, sintering aid powder containing titanium in the aluminum mixed raw material powder at the time of sintering. They come to have contacts, making it impossible to control the reaction heat between aluminum and titanium, and making it impossible to obtain a desired porous sintered body. Here, the quantitative analysis of aluminum and titanium is performed by the ICP method.
ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体は、角柱型または円柱型であると、非水電解質二次電池を、容易に製造できる観点から好ましい。ここで、圧密前に、角柱型の場合には、短辺が5〜200mmであると好ましく、15〜100mmであると、より好ましい。長辺は、5〜200mmであると好ましく、15〜100mmであると、より好ましい。なお、短辺と長辺の長さが同じ、すなわち直方体でもよい。円柱型の場合には、直径が5〜200mmであると好ましく、15〜100mmであると、より好ましい。また、エネルギー密度向上、出力特性の観点から、圧延等により、圧下率が5〜35%の範囲で圧密すると好ましく、8〜25%高密度化すると、より好ましい。なお、圧延等前の厚さについては、5〜100mmであると好ましく、7〜70mmであると、より好ましい。圧延等後の厚さについては、上述のとおりである。 The block-shaped aluminum porous sintered body is preferably a prismatic type or a cylindrical type from the viewpoint that a non-aqueous electrolyte secondary battery can be easily manufactured. Here, before compaction, in the case of a prismatic type, the short side is preferably 5 to 200 mm, more preferably 15 to 100 mm. The long side is preferably 5 to 200 mm, and more preferably 15 to 100 mm. The short side and the long side may have the same length, that is, a rectangular parallelepiped. In the case of a cylindrical type, the diameter is preferably 5 to 200 mm, and more preferably 15 to 100 mm. Further, from the viewpoints of energy density improvement and output characteristics, it is preferable to compact the rolling reduction within a range of 5 to 35% by rolling or the like, and it is more preferable to increase the density to 8 to 25%. In addition, about thickness before rolling etc., it is preferable in it being 5-100 mm, and it is more preferable in it being 7-70 mm. The thickness after rolling or the like is as described above.
アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に含有される分極性電極材料としては、電気二重層型キャパシタ用分極性電極材料として使用されるものが挙げられ、電解液中で分極が可能なものであれば、特に限定されるものではない。従来、一般的に用いられているものであればよく、具体的には、ナノサイズの空孔を有する活性炭が好ましい。この分極性電極材料は、平均粒子径が2〜20μmの粉末であると、電気二重層型キャパシタの高容量化の観点から好ましい。ここで、平均粒子径は、レーザー回折法によって測定する。 Examples of the polarizable electrode material contained in the pores of the porous aluminum sintered body include those used as polarizable electrode materials for electric double layer type capacitors, which can be polarized in an electrolyte. If there is, it will not be specifically limited. Conventionally, it is sufficient if it is generally used, and specifically, activated carbon having nano-sized pores is preferable. The polarizable electrode material is preferably a powder having an average particle diameter of 2 to 20 μm from the viewpoint of increasing the capacity of the electric double layer capacitor. Here, the average particle diameter is measured by a laser diffraction method.
アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に分極性電極材料とともに含有される結合剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、SBR、ポリイミド等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of the binder contained together with the polarizable electrode material in the pores of the aluminum porous sintered body include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), SBR, and polyimide. It is not limited.
アルミニウム多孔質焼結体100質量部に対して、分極性電極材料を100〜800質量部含むと、電気二重層型キャパシタのエネルギー密度向上の観点から好ましく、250〜750質量部含むとより好ましい。 When 100 to 800 parts by mass of the polarizable electrode material is contained with respect to 100 parts by mass of the aluminum porous sintered body, it is preferable from the viewpoint of improving the energy density of the electric double layer capacitor, and more preferably 250 to 750 parts by mass.
アルミニウム多孔質焼結体100質量部に対して、結合剤を2〜80質量部含むと、アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に分極性電極材料を適切に保持する観点から好ましく、6〜60質量部含むとより好ましい。 When the binder is contained in an amount of 2 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the aluminum porous sintered body, it is preferable from the viewpoint of appropriately holding the polarizable electrode material in the pores of the aluminum porous sintered body, More preferably, 60 parts by mass is included.
なお、本発明においては、アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に、分極性電極材料および結合剤が含まれているが、集電体であるアルミニウム多孔質焼結体とセパレータ間にも、分極性電極材料および結合剤が含まれ得る。本発明においては、電気二重層型キャパシタ内の分極性電極材料および結合剤の合計100質量部に対して、アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に含まれる分極性電極材料および結合剤が90〜99.5質量部であると、電気二重層型キャパシタの高エネルギー密度の向上、高出力化の観点から好ましい。 In the present invention, the polarizable electrode material and the binder are contained in the pores of the aluminum porous sintered body, but also between the aluminum porous sintered body that is a current collector and the separator, Polarized electrode materials and binders can be included. In the present invention, the polarizable electrode material and the binder contained in the pores of the porous aluminum sintered body are 90 parts per 100 parts by mass of the polarizable electrode material and the binder in the electric double layer capacitor. It is preferable that it is ˜99.5 parts by mass from the viewpoint of improving the high energy density of the electric double layer capacitor and increasing the output.
また、アルミニウム多孔質焼結体の空孔内には、さらに導電助剤を含むと、高出力化の観点から好ましい。導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等を挙げることができるが、これらに限定されない。 Moreover, it is preferable from the viewpoint of high output that the pores of the aluminum porous sintered body further include a conductive additive. Examples of the conductive assistant include, but are not limited to, carbon black, acetylene black, ketjen black, natural graphite, and artificial graphite.
アルミニウム多孔質焼結体100質量部に対して、導電助剤を1〜100質量部含むと、電気二重層型キャパシタの高容量化の観点から好ましく、7〜70質量部含むとより好ましい。 Including 1 to 100 parts by mass of a conductive additive with respect to 100 parts by mass of the aluminum porous sintered body is preferable from the viewpoint of increasing the capacity of the electric double layer capacitor, and more preferably 7 to 70 parts by mass.
本発明の電極を使用するときの電解液としては、水系電解液、非水系電解液が挙げられるが、電解液の電位窓の広さ、およびアルミニウム多孔質焼結体を溶解しない観点から、非水系が好ましい。非水電解液は、好ましい一例を以下に示すが、通常の電気二重層キャパシタで用いられるものであればよく、特に限定されない。 Examples of the electrolytic solution when using the electrode of the present invention include an aqueous electrolytic solution and a non-aqueous electrolytic solution. From the viewpoint of widening the potential window of the electrolytic solution and not dissolving the aluminum porous sintered body, Aqueous systems are preferred. A preferred example of the non-aqueous electrolyte is shown below, but any non-aqueous electrolyte may be used as long as it is used in a normal electric double layer capacitor, and is not particularly limited.
非水系電解液の支持電界質には、例えば、一般式;R4N+、および一般式;R4N+(Rはアルキル基)であらわされる四級オニウムカチオンと、BF4 −などの硼弗化物アニオン、およびPF6 −などの燐弗化物アニオンとの塩を使用できる。 The supporting electrolyte of the nonaqueous electrolytic solution, for example, the general formula; R 4 N +, and the general formula; R 4 N + (R is an alkyl group) and a quaternary onium cation represented by, BF 4 - boric such fluoride anions, and PF 6 - salt of phosphorus fluoride anion, such as can be used.
非水系電解液の溶媒には、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの有機溶媒を使用できる。 Organic solvents such as propylene carbonate, propylene carbonate derivatives, ethylene carbonate, ethylene carbonate derivatives, butylene carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate can be used as the solvent for the nonaqueous electrolytic solution.
なお、ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体には、電解液流通孔を設けることができる。図1に、電解液流通孔200を有する円柱状のアルミニウム多孔質焼結体100を備える集電体の模式図を示す。電解液流通孔200は、電解質の流路を確保し、電気二重層キャパシタの内部抵抗の増加を抑制することにより、良好な出力特性に寄与し得る。このため、図1のように、電解液流通孔200は、一定間隔で形成することが好ましく、また、電解液流通孔200は、厚さ方向に貫通していると好ましい。また、電解液流通孔200の直径は、0.5〜2mmが好ましく、電解液流通孔200は、1〜7mm間隔で形成されることが好ましく、電解液流通孔200は、1cm2当たりに3〜90個形成されることが好ましい。 The block-shaped aluminum porous sintered body can be provided with electrolyte solution flow holes. In FIG. 1, the schematic diagram of a collector provided with the cylindrical aluminum porous sintered compact 100 which has the electrolyte solution through-hole 200 is shown. Electrolyte flow hole 200 can contribute to good output characteristics by securing an electrolyte flow path and suppressing an increase in internal resistance of the electric double layer capacitor. For this reason, as shown in FIG. 1, it is preferable that the electrolyte circulation holes 200 are formed at regular intervals, and the electrolyte circulation holes 200 are preferably penetrated in the thickness direction. The diameter of the electrolyte circulation hole 200 is preferably 0.5 to 2 mm, the electrolyte circulation hole 200 is preferably formed at an interval of 1 to 7 mm, and the electrolyte circulation hole 200 is 3 per cm 2. It is preferable that ~ 90 are formed.
〔電気二重層キャパシタ〕
図2、図3、図4に本発明の電気二重層キャパシタの模式図を示す。図2、図3では、角柱型の電極を、図4では、円柱型の電極を使用したときの例である。図2〜4からわかるように、ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体を利用した電極1、11を用いることにより、電気二重層キャパシタに占めるセパレータ3、13の体積を著しく減少させることができる。特に、図2では、セパレータ3、13の占める体積が著しく小さくなり、図3、図4では、タブ2、12を同じ方向に容易に取り付けることができる。したがって、電気二重層キャパシタへの電気接続の便宜等により、適宜選択することができる。実際に使用するときには、電気二重層キャパシタは、缶やパック等の外装缶に、電気的に接続された状態で密封して収納される。缶やパックには、適切に絶縁処理されたアルミニウムやステンレス等の当業者に公知の材料を用いる。なお、電極1、11からはみ出したセパレータ3、13は、缶やパック等の外装体に収納するときに、いずれかの側に折りたためばよい。
[Electric double layer capacitor]
2, 3 and 4 are schematic views of the electric double layer capacitor of the present invention. FIGS. 2 and 3 are examples using prismatic electrodes, and FIG. 4 is an example using cylindrical electrodes. As can be seen from FIGS. 2 to 4, the volume of the separators 3 and 13 occupying the electric double layer capacitor can be significantly reduced by using the electrodes 1 and 11 using the block-like porous aluminum sintered body. In particular, in FIG. 2, the volume occupied by the separators 3 and 13 is remarkably reduced. In FIGS. 3 and 4, the tabs 2 and 12 can be easily attached in the same direction. Therefore, it can be appropriately selected depending on the convenience of electrical connection to the electric double layer capacitor. When actually used, the electric double layer capacitor is sealed and accommodated in an outer can such as a can or a pack in an electrically connected state. For cans and packs, materials known to those skilled in the art such as appropriately insulated aluminum and stainless steel are used. The separators 3 and 13 that protrude from the electrodes 1 and 11 may be folded to either side when stored in an outer package such as a can or a pack.
タブ2、12と、電極1、11の末端(タブから一番遠い他端)との距離は、従来の箱形電極のときと変わらないので、タブ2、12は1箇所でも内部抵抗が小さい。また、従来のアルミニウム博の場合には、分極性電極材料等を塗布・乾燥した後、タブを取り付けなければならないが、本発明の電極では、予めタブ2、12を形成しておくことができ、例えば、電極を、分極性電極材料を含むスラリーに浸漬させるときには、タブを持って行うことができるので、好適である。タブは、溶接等によって接合することができ、アルミニウム多孔質焼結体の焼結時に同時に接合させることもできる。 Since the distance between the tabs 2 and 12 and the ends of the electrodes 1 and 11 (the other end farthest from the tab) is the same as that of the conventional box electrode, the tabs 2 and 12 have a small internal resistance even at one place. . In the case of the conventional aluminum expo, a tab must be attached after applying and drying a polarizable electrode material or the like. In the electrode of the present invention, the tabs 2 and 12 can be formed in advance. For example, when the electrode is immersed in a slurry containing a polarizable electrode material, it can be carried with a tab, which is preferable. The tab can be joined by welding or the like, and can be joined simultaneously with the sintering of the aluminum porous sintered body.
本発明の電気二重層キャパシタは、太陽電池発電システム用の補助電源として好適である。ここで、複数の電気二重層キャパシタを接続して使用する場合には、角柱型の電極を用いる方が、各電気二重層キャパシタ間のデッドスペースを減らす観点から好ましい。太陽電池発電システムとして用いる場合には、1個または複数の電気二重層キャパシタと太陽電池を積層して使用することもできる。また、太陽電池発電システムの補助電源として使用するときには、所定の制御回路を備えることが好ましく、この制御回路は、当業者に公知のものでよい。 The electric double layer capacitor of the present invention is suitable as an auxiliary power source for a solar cell power generation system. Here, when a plurality of electric double layer capacitors are connected and used, it is preferable to use a prismatic electrode from the viewpoint of reducing a dead space between the electric double layer capacitors. When used as a solar cell power generation system, one or a plurality of electric double layer capacitors and a solar cell can be stacked and used. Further, when used as an auxiliary power source of a solar battery power generation system, it is preferable to include a predetermined control circuit, and this control circuit may be known to those skilled in the art.
〔電気二重層キャパシタ用集電体の製造方法〕
ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体の製造方法を、好ましい材料である、金属骨格にAl−Ti化合物が分散しているアルミニウム多孔質焼結体であるときについて、以下に説明する。
[Method for producing current collector for electric double layer capacitor]
A method for producing a block-shaped aluminum porous sintered body will be described below, which is a preferable material, which is an aluminum porous sintered body in which an Al—Ti compound is dispersed in a metal skeleton.
1)原料Al粉末含有スラリーの調製
Al粉末+1〜10質量%Ti粉末:100質量部
水溶性メチルセルロース誘導体:5〜10質量部
水:100質量部
界面活性剤:0.1〜1質量部
上記を混合し、B型粘度計を用い、回転数100rpmで、50,000〜80,000cPsとなるようにする。
1) Preparation of raw material Al powder-containing slurry Al powder +1 to 10% by mass Ti powder: 100 parts by mass Water-soluble methylcellulose derivative: 5 to 10 parts by mass Water: 100 parts by mass Surfactant: 0.1 to 1 part by mass Mix and use a B-type viscometer to achieve 50,000-80,000 cPs at 100 rpm.
ここで、Al粉末の平均粒子径は、好ましくは2〜200μm、より好ましくは2〜100μm、さらに好ましくは7μm〜40μmの範囲内のものが用いられる。ここで、平均粒子径は、レーザー回折法で測定される。 Here, the average particle diameter of the Al powder is preferably 2 to 200 μm, more preferably 2 to 100 μm, and still more preferably 7 μm to 40 μm. Here, the average particle diameter is measured by a laser diffraction method.
Ti粉末としては、金属Ti、水素化チタンを用いることができ、焼結性の観点から、水素化チタンが好ましい。また、水素化チタンの平均粒子径は、0.1(μm)≦r≦30(μm)が好ましいが、より好ましくは4(μm)≦r≦20(μm)である。水素化チタンの平均粒径が、0.1μmより小さいと、自然発火する恐れがあり、30μmを超えると、焼結体に所望の強さが得られなくなるためである。水素化チタンの配合量は、1(質量%)≦W≦10(質量%)が好ましい。1質量%よりも少ないと焼結が不十分となり、一方、焼結助剤粉末の配合比Wが10質量%を超えると、焼結体が脆くなって、所望の多孔質焼結体が得られないようになるからである。 As the Ti powder, metal Ti or titanium hydride can be used, and titanium hydride is preferable from the viewpoint of sinterability. The average particle diameter of titanium hydride is preferably 0.1 (μm) ≦ r ≦ 30 (μm), more preferably 4 (μm) ≦ r ≦ 20 (μm). This is because if the average particle size of titanium hydride is smaller than 0.1 μm, spontaneous ignition may occur, and if it exceeds 30 μm, desired strength cannot be obtained in the sintered body. The blending amount of titanium hydride is preferably 1 (mass%) ≦ W ≦ 10 (mass%). When the content is less than 1% by mass, sintering becomes insufficient. On the other hand, when the blending ratio W of the sintering aid powder exceeds 10% by mass, the sintered body becomes brittle and a desired porous sintered body is obtained. Because it will not be possible.
2)成型・焼結
上記で作製した粘性塑性物を準備する。
→泡立て器で攪拌し、クリーム状にする。
→クリーム状にした粘性組成物を、型に流し込む。
→型ごと減圧できる容器に入れる。
→減圧容器ごと1〜5℃に冷却する。この工程は、凍結を速やかに行うためプレクーリングである。
→減圧して泡サイズを大きくする。このときの圧力で粘性塑性物中の孔径を制御することができる。
→減圧したまま、減圧容器ごと凍結する。
→凍結乾燥する。
→成形体を取り出す。
→脱バインダーを、大気中、360〜420℃×1〜10分間行う。
→焼結を、Ar中、660〜665℃×1〜30分間行う。
2) Molding / Sintering Prepare the viscous plastic material prepared above.
→ Stir with a whisk to make cream.
→ Pour the creamy viscous composition into the mold.
→ Place the mold in a container that can be decompressed.
→ Cool the whole decompression vessel to 1-5 ° C. This step is precooling in order to quickly freeze.
→ Depressurize to increase bubble size. The pore diameter in the viscous plastic material can be controlled by the pressure at this time.
→ Freeze the whole decompression container with decompression.
→ Freeze-dry.
→ Take out the compact.
→ The binder is removed in the atmosphere at 360 to 420 ° C. for 1 to 10 minutes.
→ Sintering is performed in Ar at 660 to 665 ° C. for 1 to 30 minutes.
上記で用いる型は、焼結時の収縮率を考慮して、作製する。また、減圧は、0.05〜0.5気圧で行うことが好ましい。 The mold used above is produced in consideration of the shrinkage rate during sintering. Moreover, it is preferable to perform pressure reduction at 0.05-0.5 atmosphere.
〔電気二重層キャパシタ用電極の製造方法〕
電気二重層キャパシタ用電極の製造方法は、ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体をロール圧延またはプレスして表面の骨格密度を高くする工程、分極性電極材料を溶剤とともに混練した分極性電極材料含有スラリーを、前記アルミニウム多孔質焼結体に含浸する工程、乾燥する工程、圧密する工程、をこの順で含む。
[Method of manufacturing electrode for electric double layer capacitor]
A method for producing an electrode for an electric double layer capacitor includes a step of rolling or pressing a block-shaped aluminum porous sintered body to increase the surface skeleton density, and a polarizable electrode material containing a polarizable electrode material kneaded with a solvent A step of impregnating the slurry into the aluminum porous sintered body, a step of drying, and a step of compacting are included in this order.
まず、ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体をロール圧延またはプレスして表面近傍の骨格密度を高くし、その部位の気孔率を低くする。このとき、多孔質アルミニウムの内部に均一に分極性電極材料含有スラリーを保持させることができる観点から、厚さ方向で、表面から5%程度まで骨格密度が高いと好ましく、表面近傍の気孔率は、70〜80%であると、好ましい。 First, a block-shaped aluminum porous sintered body is rolled or pressed to increase the skeleton density near the surface, and the porosity of the portion is decreased. At this time, from the viewpoint that the polarizable electrode material-containing slurry can be uniformly held inside the porous aluminum, it is preferable that the skeleton density is high up to about 5% from the surface in the thickness direction, and the porosity in the vicinity of the surface is 70 to 80% is preferable.
分極性電極材料含有スラリーは、以下の含有量で作製する。
活性炭粉末(分極性電極材料):80−90質量部
ケッチェンブラック(導電材):5−10質量部
水溶性セルロース誘導体(増粘剤):0.1−2質量部
ポリテトラフルオロエチレン樹脂分散液(結合剤+溶剤):5−15質量部
上記を混練し、B型粘度計を用い、回転数100rpmで、5,000〜20,000cpsとなるようにする。
The polarizable electrode material-containing slurry is prepared with the following content.
Activated carbon powder (polarizable electrode material): 80-90 parts by mass Ketjen black (conductive material): 5-10 parts by mass Water-soluble cellulose derivative (thickener): 0.1-2 parts by mass of polytetrafluoroethylene resin dispersion Liquid (binder + solvent): 5-15 parts by mass The above mixture is kneaded and a B-type viscometer is used so that the rotational speed is 100 rpm and 5,000 to 20,000 cps.
次に、アルミニウム多孔質焼結体の空孔に、上記分極性電極材料含有スラリーを含浸し、乾燥する。含浸させる方法は、アルミニウム多孔質焼結体を分極性電極材料のスラリーにディッピングする方法、アルミニウム多孔質焼結体の上部からスラリーを注ぐ方法等が挙げられ、さらに、2本のロール間を通したり、へらでこすったりして表面に付着した余剰の分極性電極材料のスラリーを内部に押し込むことによって、より効果的にアルミニウム多孔質焼結体の空孔に分極性電極材料を充填することができる。乾燥は、大気中で放置してもよく、乾燥機等を用いてもよい。乾燥後、アルミニウム多孔質焼結体と、分極性電極材料および結合剤との質量比を測定し、分極性電極材料および結合剤の質量比が低い場合には、再度、浸漬・乾燥を繰り返し、所望量とすることができる。他方、分極性電極材料および結合剤の質量比が高い場合には、スラリーの粘性を低くして、浸漬・乾燥をやり直し、所望量とすることができる。 Next, the pores of the aluminum porous sintered body are impregnated with the polarizable electrode material-containing slurry and dried. Examples of the impregnation method include a method of dipping an aluminum porous sintered body into a slurry of a polarizable electrode material, a method of pouring the slurry from the upper part of the aluminum porous sintered body, and a method of passing between two rolls. Or by rubbing with a spatula and surplus polar electrode material slurry adhering to the surface is pushed into the interior to more effectively fill the pores of the porous aluminum sintered body with the polarizable electrode material. it can. Drying may be left in the air, or a dryer or the like may be used. After drying, measure the mass ratio between the porous aluminum sintered body and the polarizable electrode material and the binder. If the polar ratio of the polarizable electrode material and the binder is low, repeat the dipping and drying again. The desired amount can be obtained. On the other hand, when the mass ratio of the polarizable electrode material and the binder is high, the viscosity of the slurry can be lowered, and dipping and drying can be performed again to obtain a desired amount.
次に、分極性電極材料および結合剤を含むアルミニウム多孔質焼結体を、圧密し、電極を得る。圧密は、ロール圧延またはプレス等により行う。ロール圧延等によりアルミニウム多孔質焼結体を所望の厚さまで、圧延等することができ、電極体の空隙率を減少させ、電極密度を高めることができ、これにより電気二重層キャパシタを高体積エネルギー密度化する。ここで、生産性の観点からは、圧延する方が好ましく、均一に高密度化させる観点からは、金型を用いたメカプレスが好ましい。 Next, the aluminum porous sintered body containing the polarizable electrode material and the binder is consolidated to obtain an electrode. Consolidation is performed by roll rolling or pressing. The aluminum porous sintered body can be rolled to a desired thickness by roll rolling, etc., the porosity of the electrode body can be reduced, and the electrode density can be increased, thereby making the electric double layer capacitor have a high volume energy. Densify. Here, rolling is preferable from the viewpoint of productivity, and a mechanical press using a die is preferable from the viewpoint of uniform densification.
本発明の電気二重層キャパシタ用電極は、高体積エネルギー密度で、低内部抵抗の電気二重層キャパシタを、簡便で短い工程で製造することができる。 The electrode for an electric double layer capacitor of the present invention can produce an electric double layer capacitor having a high volume energy density and a low internal resistance in a simple and short process.
以下、実施例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
〔ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体の作製〕
上述の実施の形態にしたがって、ブロック状のアルミニウム多孔質焼結体を製造した。まず、平均粒子径:24μmのアルミニウム粉末(不純物として、Fe:0.15質量%、Si:0.05質量%およびNi:0.01質量%を含む)と、平均粒子径9.1μmの水素化チタン粉末を、アルミニウム粉末と水素化チタン粉末の質量比が、95:5となるように合計500gで混合し、アルミニウム混合原料粉末を調製した。
[Preparation of block-shaped aluminum porous sintered body]
According to the above-described embodiment, a block-shaped aluminum porous sintered body was manufactured. First, an aluminum powder having an average particle diameter of 24 μm (containing impurities: Fe: 0.15 mass%, Si: 0.05 mass% and Ni: 0.01 mass%), and hydrogen having an average particle diameter of 9.1 μm The titanium halide powder was mixed in a total of 500 g so that the mass ratio of the aluminum powder and the titanium hydride powder was 95: 5 to prepare an aluminum mixed raw material powder.
バインダー溶液は、水溶性メチルセルロース誘導体:25g、水:500g、界面活性剤:1gで調整した。 The binder solution was adjusted with water-soluble methylcellulose derivative: 25 g, water: 500 g, and surfactant: 1 g.
アルミニウム混合原料粉末と、バインダー溶液と、を混合して、原料Al粉末含有スラリーを調製した。 The aluminum mixed raw material powder and the binder solution were mixed to prepare a raw material Al powder-containing slurry.
次に、この原料Al粉末含有スラリーを、泡立て器で攪拌し、クリーム状にし、クリーム状にした原料Al粉末含有スラリーを、長さ:120mm、幅:60、高さ:100mmのポリテトラフルオロエチレン樹脂製の型に高さ:10mmに流し込んだ。その後、圧力ゲージとコック付排気口を具備したステンレス製減圧容器に入れ、前記減圧容器ごと1〜5℃に冷却した。冷却後、約0.1気圧まで減圧して、泡サイズを直径:0.5〜2mm程度まで大きくした。そして、減圧したまま、前記減圧容器ごと−20℃に設定した冷凍機に入れて凍結した後、減圧容器から凍結した成形体を取り出し、真空乾燥機に移して減圧して、凍結乾燥した。次に、凍結乾燥した成形体を取り出し、大気中、390℃に5分間保持の条件で加熱して脱バインダーをした後、Ar中、660℃に10分間保持の条件で加熱して焼成した。得られたアルミニウム多孔質焼結体は、長さ:105mm、幅:53、厚さ:88mmであった。アルミニウム多孔質焼結体を、X線回折で観察した結果、AlとAl3Ti化合物が確認された。 Next, this raw material Al powder-containing slurry was stirred with a whisk to form a cream, and the raw material Al powder-containing slurry made into a cream was made into polytetrafluoroethylene having a length: 120 mm, a width: 60, and a height: 100 mm. The resin mold was poured into a height of 10 mm. Then, it put into the stainless steel pressure reduction container equipped with the pressure gauge and the exhaust port with a cock, and cooled to 1-5 degreeC with the said pressure reduction container. After cooling, the pressure was reduced to about 0.1 atm to increase the bubble size to a diameter of about 0.5 to 2 mm. Then, with the pressure reduced, the whole decompression vessel was put in a freezer set to −20 ° C. and frozen, and then the frozen molded body was taken out from the pressure reduction vessel, transferred to a vacuum dryer, decompressed and freeze-dried. Next, the freeze-dried molded product was taken out, heated in the atmosphere at 390 ° C. for 5 minutes to remove the binder, and then heated in Ar at 660 ° C. for 10 minutes and fired. The obtained porous aluminum sintered body had a length: 105 mm, a width: 53, and a thickness: 88 mm. As a result of observing the porous aluminum sintered body by X-ray diffraction, Al and an Al 3 Ti compound were confirmed.
得られたアルミニウム多孔質焼結体をロール圧延機で圧下率2%の条件で3回圧延し、表面の骨格密度を高くした。 The obtained aluminum porous sintered body was rolled three times with a roll mill at a reduction rate of 2% to increase the surface skeleton density.
〔電気二重層キャパシタ用電極の製造〕
(実施例1)
[Manufacture of electrodes for electric double layer capacitors]
Example 1
分極性電極材料として椰子殻活性炭粉末と、導電材としてケッチェンブラックと、像年材として水溶性メチルセルロース誘導体と、結合剤としてポリテトラフルオロエチレン樹脂分散液とを、質量比80:9:2:9で、合計200g混合して分極性電極材料含有スラリーを調製した。 Coconut shell activated carbon powder as a polarizable electrode material, ketjen black as a conductive material, a water-soluble methylcellulose derivative as an image material, and a polytetrafluoroethylene resin dispersion as a binder at a mass ratio of 80: 9: 2: 9, a total of 200 g was mixed to prepare a polarizable electrode material-containing slurry.
次に、この分極性電極材料含有スラリーに、作製した正極集電体を10分間浸漬し、取り出して乾燥させた後に、メカプレスして厚さ:20mmの電極を作製した。ここで、分極性電極材料スラリーに、アルミニウム多孔質焼結体を浸漬し、乾燥した後、メカプレス前に、アルミニウム多孔質焼結体表面に付着した分極性電極材料含有スラリーを拭き取り、ほぼ全量の分極性電極材料および結合剤が、アルミニウム多孔質焼結体の空孔内に含まれるようにし、電極とした。電極は、2個作製した。 Next, the produced positive electrode current collector was immersed in this polarizable electrode material-containing slurry for 10 minutes, taken out and dried, and then mechanically pressed to produce an electrode having a thickness of 20 mm. Here, after the aluminum porous sintered body is immersed in the polarizable electrode material slurry, dried, and before mechanical press, the polarizable electrode material-containing slurry adhering to the surface of the aluminum porous sintered body is wiped off, and almost the entire amount is obtained. The polarizable electrode material and the binder were included in the pores of the aluminum porous sintered body to form an electrode. Two electrodes were produced.
〔試験セルの作製〕
電気二重層キャパシタの試験セルを作製した。2個の電極の端面の中央部1箇所に、アルミニウム製のタブを溶接した。
[Production of test cell]
An electric double layer capacitor test cell was fabricated. An aluminum tab was welded to one central portion of the end faces of the two electrodes.
また、セパレータとして、多孔質セルロースシート(厚さ:20μm)のセパレータ12を長さ:110mm、幅:62mmに切断した。図2に示すように、これらを、タブ2、電極、セパレータ3、電極1、タブ2の順に載置した。 Further, as a separator, a separator 12 of a porous cellulose sheet (thickness: 20 μm) was cut into a length: 110 mm and a width: 62 mm. As shown in FIG. 2, these were placed in the order of tab 2, electrode, separator 3, electrode 1, and tab 2.
図5に示すように、上記載置体が収容可能な大きさに切断された、1辺の4Aを溶着したアルミニウムラミネートフィルムの外装体4を用意した。 As shown in FIG. 5, an aluminum laminate film exterior body 4 in which 4A on one side was welded and cut to a size that can accommodate the above-described placement body was prepared.
不活性雰囲気中で、外装体14の一方の開口部からに上記積層体を挿入し、タブ2を、一方の溶着部4Bで溶着した後、他方の開口部4Bから、1mol/Lの濃度でエトラエチルアンモニウム4フッ化ホウ素((C2H5)4N+BF4 −)を含むプロピレンカーボネート溶液を注液した後、この外装体4の残りの開口部4Bを溶着して密閉し、実施例1の試験セルを作製した。 In an inert atmosphere, the laminate is inserted from one opening of the outer package 14 and the tab 2 is welded by one welding portion 4B, and then from the other opening 4B at a concentration of 1 mol / L. After injecting a propylene carbonate solution containing etraethylammonium tetrafluoroborate ((C 2 H 5 ) 4 N + BF 4 − ), the remaining opening 4B of the outer package 4 is welded and sealed, and the operation is performed. The test cell of Example 1 was made.
(比較例1)
厚さ:20μmのアルミニウム箔に、実施例1で作製した分極性電極材料含有スラリーを塗布、乾燥し、圧延した後、長さ:105mm、幅:88mmに20枚切断して、比較例1の正極・負極とした。このときの電極の厚さは、0.2mmであった。
(Comparative Example 1)
After applying the slurry containing polarizable electrode material prepared in Example 1 to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, drying and rolling, 20 sheets of length: 105 mm and width: 88 mm were cut. A positive electrode and a negative electrode were obtained. At this time, the thickness of the electrode was 0.2 mm.
正極・負極に、アルミニウム製の正極集電タブ・負極集電タブを溶接した後、図6に示すように、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に10組積層した。セパレータは、実施例1と同じものを長さ:110mm、幅:62mmに切断して用いた。 After welding a positive electrode current collector tab / a negative electrode current collector tab made of aluminum to the positive electrode / negative electrode, as shown in FIG. 6, 10 sets of positive electrode, separator, negative electrode, and separator were laminated in this order. The same separator as used in Example 1 was cut into a length of 110 mm and a width of 62 mm.
次に、図7に示すように、10枚の正極集電タブ51a、10枚の負極集電タブ51bを、正極集電タブの溶接部51b、負極集電タブの溶接部51bで溶接し、一体とした。なお、図6、図7では、便宜上3組のセルで説明する。一体とした10組のセルを、実施例1と同様にして、外装体に挿入後、1mol/Lの濃度でエトラエチルアンモニウム4フッ化ホウ素((C2H5)4N+BF4 −)を含むプロピレンカーボネート溶液を注入、溶着し、比較例1の試験セルを作製した。 Next, as shown in FIG. 7, ten positive electrode current collecting tabs 51a, ten negative electrode current collecting tabs 51b are welded at a positive electrode current collecting tab welding portion 51b and a negative electrode current collecting tab welding portion 51b, Integrated. In FIG. 6 and FIG. 7, three sets of cells are described for convenience. Ten sets of integrated cells were inserted into the outer package in the same manner as in Example 1, and then etraethylammonium tetrafluorofluoride ((C 2 H 5 ) 4 N + BF 4 − ) at a concentration of 1 mol / L. A propylene carbonate solution containing was injected and welded to prepare a test cell of Comparative Example 1.
〔試験セルの性能試験〕
(放電容量試験)
上記試験用セルを、雰囲気温度を60℃にし、充電電流密度:100mA/gで、2.5Vまで充電し、放電電流密度100mA/gで、0Vまで放電し、このときの放電容量を測定した。電流密度は、椰子殻活性炭粉末の質量を基準とした。上記の充放電を1000サイクル繰り返し、放電容量を測定した。なお、充電後、放電後には、1分間のレストを設けた。また、〔「1000サイクル後の放電容量」/「初回の放電容量」〕を容量維持率(単位は「%」)とした。同様の試験を充電電圧:3Vでも行った。表1に、これらの結果を示す。
[Test cell performance test]
(Discharge capacity test)
The test cell was charged to an atmospheric temperature of 60 ° C., charged current density: 100 mA / g to 2.5 V, discharged to 0 V at a discharge current density of 100 mA / g, and the discharge capacity at this time was measured. . The current density was based on the mass of the coconut shell activated carbon powder. The above charge / discharge was repeated 1000 cycles, and the discharge capacity was measured. In addition, the rest for 1 minute was provided after discharge after discharge. Further, [“discharge capacity after 1000 cycles” / “initial discharge capacity”] was defined as a capacity maintenance rate (unit: “%”). A similar test was performed at a charging voltage of 3V. Table 1 shows these results.
表1からわかるように、実施例1は、充電電圧:2.5Vで、初回放電容量が高く、1000サイクル後での容量維持率は、98.9%と顕著に高かった。また、充電電圧:3.0Vでも初回放電容量が高く、1000サイクル後での容量維持率は、97.4%と著しく高かった。これに対して、比較例1は、2.5Vでも1000サイクル後の容量維持率が97.8%と低く、3.0Vでは1000サイクル後の容量維持率が52.6%とかなり低かった。 As can be seen from Table 1, in Example 1, the charge voltage was 2.5 V, the initial discharge capacity was high, and the capacity retention rate after 1000 cycles was remarkably high at 98.9%. The initial discharge capacity was high even at a charge voltage of 3.0 V, and the capacity retention rate after 1000 cycles was remarkably high at 97.4%. On the other hand, in Comparative Example 1, the capacity retention rate after 1000 cycles was as low as 97.8% even at 2.5V, and the capacity retention rate after 1000 cycles was considerably low at 52.6% at 3.0V.
以上のように、本発明の電気二重層キャパシタ用電極によれば、高容量、高体積エネルギー密度で、低内部抵抗の電気二重層キャパシタを、簡便な短い工程で製造することができる。製造された電気二重層キャパシタは、特に、太陽電池発電システム用のエネルギー貯蔵媒体やアシスト電源として好適である。 As described above, according to the electrode for an electric double layer capacitor of the present invention, an electric double layer capacitor having a high capacity, a high volume energy density, and a low internal resistance can be produced in a simple and short process. The manufactured electric double layer capacitor is particularly suitable as an energy storage medium or an assist power source for a solar cell power generation system.
1 角柱状のアルミニウム多孔質焼結体
2 タブ
3 セパレータ
4 外装体
4A 溶着部
4B 開口部兼溶着部
11 円柱状のアルミニウム多孔質焼結体
12 タブ
13 セパレータ
51 正極
51a 正極集電タブ
51a 正極集電タブの溶接部
52 負極
52a 負極集電タブ
52b 負極集電タブの溶接部
53 セパレータ
100 円柱状のアルミニウム多孔質焼結体
200 電解液流通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Square columnar aluminum porous sintered body 2 Tab 3 Separator 4 Exterior body 4A Welding part 4B Opening and welding part 11 Cylindrical aluminum porous sintered body 12 Tab 13 Separator 51 Positive electrode 51a Positive electrode current collection tab 51a Positive electrode collection Welded portion of electric tab 52 Negative electrode 52a Negative electrode current collecting tab 52b Welded portion of negative electrode current collecting tab 53 Separator 100 Columnar aluminum porous sintered body 200 Electrolyte flow hole
Claims (6)
A solar cell power generation system comprising the current collector for an electric double layer capacitor according to claim 5 and a solar cell.
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