JP2013153162A - スーパーキャパシタ・セル電極用炭素質組成物、電極、同電極の製造工程および同電極を組み込んだセル - Google Patents
スーパーキャパシタ・セル電極用炭素質組成物、電極、同電極の製造工程および同電極を組み込んだセル Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】組成物は、水性イオン電解質と接触するのに利用でき、炭素質粉末を基にしていて、親水性バインダ形成システムを含む。このシステムは、−組成物内で3%〜10%の重量分率に従う重合体であって、1000g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有し、かつアルコール基を含む、少なくとも1つの第1架橋重合体と、−組成物内で0.3%〜3%の重量分率に従う、0〜6のpKaを有し、かつ500g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有し、少なくとも1つの酸を有する少なくとも1つの第2重合体とを含み、当該少なくとも1つの第1重合体は、当該少なくとも1つの第2重合体の存在下で熱架橋される。
【選択図】なし
Description
C=ε.S/e、ここでεは媒体の誘電率、Sは二重層によって占有された表面積、およびeは二重層の厚さを示す。
E=1/2CV2、ここでVはスーパ静電容量の電位である。
−組成物内で80%〜86%の重量分率に従い、100m2/g以上の、好ましくは200m2/g〜2000m2/gの比表面積を有する少なくとも1つの粉砕されたカーボンと、
−組成物内で10%〜11%の重量分率に従う、100m2/g以下の比表面積を有する、例えば「Super−PLi」名のものから成るまたは別の形の活性炭から成る少なくとも1つのカーボンブラックとを、炭素質粉末の電気伝導率を改善するために含むことができる。
a)前記炭素質粉末、ならびに前記少なくとも1つの第1非架橋重合体および前記少なくとも1つの第2重合体を含む前記バインダ形成システムを、水中で分散させるステップと、
b)得られた前記分散液を、前記集電体を形成する金属シート上へ塗布するステップと、
c)この分散液内に含有される水を、好ましくは35℃〜45℃の温度で蒸発させるステップと、
d)前記少なくとも1つの第2重合体によって触媒される前記少なくとも1つの第1重合体の熱架橋を、好ましくは130℃〜150℃の温度で行うステップとを実質的に含む。
「C1」カーボン粉末と呼ばれるカーボン粉末は、本出願人の名で文献、国際公開第2009/125094A1号パンフレットに記載した方法に従って作製された1片から始めて、500rpmで3分間ボールミルで粉砕することによって得られた。
次の2つの組成物は、実施例1〜4と類似の条件下で作製された。
次の3つの組成物が、実施例1〜4と類似の条件下で作製された。
次の組成物は、実施例1〜4と類似の条件下ではあるが、バインダとして、有機溶媒内のポリ(2フッ化ビニル)(PVDF)、N−メチル−ピロリジノン(NMP:N−methylpyrrolidinone)を用いる条件下で作製された。
電極の静電容量は、電気化学的に特徴付けられた。電極の機械的(クラック)強度は、これらの電極がいったん水性電解質で満たされると評価され、次いで電気化学的サイクルを行った後に評価された。試験されたデバイスおよび用いられた電気化学試験は、次のようであった。
・ 平均比静電容量の測定:
デバイスは、動作電極の0.2A/gの一定な電流Iで充電−放電サイクルを受けた。
・ 充電−放電サイクル:
セルは、動作電極の1A/gの一定な電流で、1000回の充電−放電サイクルを受ける。
Claims (17)
- 水性イオン電解質と接触するスーパーキャパシタ電極を構成するのに利用できる炭素質組成物であって、前記組成物は電気エネルギを蓄放電することができる炭素質粉末を基にしていてかつ親水性バインダ形成システムを含み、前記システムは、
−前記組成物内で3%〜10%の重量分率に従う、1000g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有し、かつアルコール基を含む、少なくとも1つの第1架橋重合体と、
−前記組成物内で0.3%〜3%の重量分率に従う、0〜6のpKaを有し、かつ500g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有し、少なくとも1つの酸を有する少なくとも1つの第2重合体とを含み、
前記少なくとも1つの第1重合体は、前記少なくとも1つの第2重合体の存在下で熱架橋されることを特徴とする、組成物。 - 前記少なくとも1つの第1重合体は、10000g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有し、かつポリ(酢酸ビニル)型の少なくとも部分的に加水分解されたエステルの重合体であることを特徴とする、請求項1に記載の組成物。
- 前記第1重合体は、ポリビニル・アルコール(PVA)、ポリ(アクリル酸ヒドロキシエチル)、ポリ(メタクリル酸ヒドロキシエチル)およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の組成物。
- 前記第1重合体は、前記組成物内で4%〜8%の重量分率に従って存在していることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記酸は、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸およびこれらの混合物から成る群から選択され、前記少なくとも1つの第2重合体は、2〜5のpKaを有し、かつ2000g/molよりも大きい数平均分子量を有することを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記第2重合体は、ポリ(アクリル酸)、ポリ(メタクリル酸)、ポリ(スチレンスルホン酸)、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸)、エチレン/マレイン酸共重合体、スチレン/マレイン酸共重合体、スチレンスルホン酸/マレイン酸共重合体、ポリ(ヒドロキシ酪酸)、ポリ(ビニルスルホン酸)、ポリ(ビニルホスホン酸)およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項5に記載の組成物。
- 前記第2重合体は、前記組成物内で0.4%〜2%の重量分率に従って存在していることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記バインダ形成システムは、第1重合体としてポリビニル・アルコールおよび第2重合体としてポリ(アクリル酸)を組み合わせて含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記バインダ形成システムは、10000g/molよりも大きい数平均分子量を有し、かつ/または前記組成物内で0.1%〜1%の、好ましくは0.2%〜0.5%の重量分率に従って存在しているアルギン酸塩を有するセルロース誘導体をさらに含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記バインダ形成システムは、セルロース誘導体としてカルボキシメチル・セルロースおよび/またはアルギン酸塩としてアルギン酸ナトリウムを含むことを特徴とする、請求項9に記載の組成物。
- 前記炭素質粉末は、
−前記組成物内で80%〜86%の重量分率に従い、100m2/g以上の、好ましくは200m2/g〜2000m2/gの比表面積を有する少なくとも1つの粉砕されたカーボンと、
−前記組成物内で10%〜11%の重量分率に従う、100m2/g以下の比表面積を有する、例えば「Super−PLi」名のものから成るまたは別の形の活性炭から成る少なくとも1つのカーボンブラックとを、前記炭素質粉末の電気伝導率を改善するために含むことを特徴とする、請求項1から10のうちの1つに記載の組成物。 - 水性イオン電解質内に浸漬することによって、スーパーキャパシタ・セルに装備するのに利用できる多孔質電極において、前記電極は、請求項1から11のいずれか1項に記載の組成物から成り、該電極に装備する金属製集電体を覆い、好ましくは200μm〜400μmの厚さを有することを特徴とする、電極。
- a)前記炭素質粉末、ならびに前記少なくとも1つの第1非架橋重合体および前記少なくとも1つの第2重合体を含む前記バインダ形成システムを、水中で分散させるステップと、
b)得られた前記分散液を、前記集電体を形成する金属シート上へ塗布するステップと、
c)この分散液内に含有される水を、好ましくは35℃〜45℃の温度で蒸発させるステップと、
d)前記少なくとも1つの第2重合体によって触媒される前記少なくとも1つの第1重合体の熱架橋を、好ましくは130℃〜150℃の温度で行うステップ
とを実質的に含むことを特徴とする、請求項12に記載の電極を製造する方法。 - ステップa)の前記分散液内で固体材料の重量含有率は、35%と45%の間にあり、この分散液に、第1重合体としてポリビニル・アルコールおよび第2重合体としてポリ(アクリル酸)が用いられることを特徴とする、請求項13に記載の工程。
- 10000g/molよりも大きい数平均分子量Mnを有するセルロース誘導体、好ましくはカルボキシメチル・セルロース、および/またはアルギン酸塩、好ましくはアルギン酸ナトリウムをステップa)で水中にさらに分散し、このセルロース誘導体および/またはこの塩もまた、ステップd)で前記少なくとも1つの第2重合体の存在下で熱架橋されることを特徴とする、請求項13または14に記載の方法。
- スーパーキャパシタ・セルであって、少なくとも2つの上端および下端の多孔質電極と、これらの電極を互いに分離する電気絶縁膜と、これらの電極を浸漬するイオン電解質とを含み、これらの上端および下端の電極で覆われた、それぞれ少なくとも2つの上端および下端の集電体を含むセルにおいて、これらの電極のうちの少なくとも1つは、請求項12に記載の電極であることを特徴とする、セル。
- 前記電解質は、水性媒体、例えば硫酸内にある少なくとも1つの酸または塩を基にしていることを特徴とする、請求項16に記載のセル。
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