JP2013214679A - Electric double-layer capacitor, porous electrode, and electric double-layer capacitor manufacturing method - Google Patents

Electric double-layer capacitor, porous electrode, and electric double-layer capacitor manufacturing method Download PDF

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守信 遠藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel and improved electric double-layer capacitor which retains advantages of an electric double-layer capacitor and can increase capacitance per unit volume, i.e., energy density, over the prior art.SOLUTION: According to an aspect of the present invention, an electric double-layer capacitor comprises: a plurality of porous electrodes which include a porous metal with mesopores formed and an inorganic compound layer covering surfaces of the mesopores; and an electrolyte disposed between the plurality of porous electrodes.

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ、多孔質電極、及び電気二重層キャパシタの製造方法に関する。   The present invention relates to an electric double layer capacitor, a porous electrode, and a method for manufacturing an electric double layer capacitor.

電気エネルギを貯蔵する技術として、特許文献1に記載の電気二重層キャパシタや二次電池が知られている。電気二重層キャパシタは、寿命、安全性、出力密度が二次電池よりも格段に優れている。しかし、電気二重層キャパシタは、二次電池に比べてエネルギ密度が低いという問題がある。ところで、電気二重層キャパシタのエネルギ密度は、以下の式(1)で示される。   As a technique for storing electric energy, an electric double layer capacitor and a secondary battery described in Patent Document 1 are known. The electric double layer capacitor has much longer life, safety, and output density than the secondary battery. However, the electric double layer capacitor has a problem that its energy density is lower than that of the secondary battery. By the way, the energy density of an electric double layer capacitor is shown by the following formula | equation (1).

Figure 2013214679
ここで、Cは静電容量であり、Vは電気二重層キャパシタの印加電圧である。
Figure 2013214679
Here, C is a capacitance, and V is an applied voltage of the electric double layer capacitor.

そこで、電気二重層キャパシタのエネルギ密度を改善するために、電気二重層キャパシタの静電容量や印加電圧を向上させる技術が提案されている。   Therefore, in order to improve the energy density of the electric double layer capacitor, a technique for improving the capacitance and applied voltage of the electric double layer capacitor has been proposed.

電気二重層キャパシタの静電容量を向上させる技術としては、電気二重層キャパシタの電極を構成する活性炭の比表面積を増大させる技術が知られている。現在知られている活性炭は、比表面積が1000〜2000m/gとなっている。 As a technique for improving the capacitance of the electric double layer capacitor, a technique for increasing the specific surface area of activated carbon constituting an electrode of the electric double layer capacitor is known. The activated carbon currently known has a specific surface area of 1000 to 2000 m 2 / g.

一方、電気二重層キャパシタの印加電圧を向上させる技術としては、電気二重層キャパシタの原理を利用したリチウムイオンキャパシタが知られている。リチウムイオンキャパシタは、ハイブリッドキャパシタとも称される。リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタを構成する電極のうち、一方の電極がリチウムイオン電池の負極材料である黒鉛で構成され、黒鉛内にリチウムイオンが挿入されたものである。リチウムイオンキャパシタは、一般的な電気二重層キャパシタ、即ち両極が活性炭で構成されるものよりも印加電圧が大きくなる。   On the other hand, as a technique for improving the applied voltage of the electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor using the principle of the electric double layer capacitor is known. The lithium ion capacitor is also referred to as a hybrid capacitor. In the lithium ion capacitor, one of the electrodes constituting the electric double layer capacitor is made of graphite which is a negative electrode material of a lithium ion battery, and lithium ions are inserted into the graphite. The applied voltage of the lithium ion capacitor is larger than that of a general electric double layer capacitor, that is, both electrodes are made of activated carbon.

特開2011−046584号公報JP 2011-046584 A 特開2009−158532号公報JP 2009-158532 A 特開2004−221523号公報JP 2004-221523 A 特開平9−55342号公報JP-A-9-55342 特開2011−9609号公報JP 2011-9609 A 特開2010−170901号公報JP 2010-170901 A

しかし、活性炭の比表面積を向上させる技術では、活性炭の比表面積が増大するに従って、活性炭のかさ密度が小さくなるという問題があった。活性炭の比重は2程度と小さいので、かさ密度の低下が顕著であった。このため、この技術では、活性炭の比表面積を大きくしても、単位体積あたりの表面積、即ち単位体積あたりの静電容量が満足な値にならないという問題があった。一方、リチウムイオンキャパシタには、エネルギ密度がなお満足できる値にならず、電気二重層キャパシタの長所である寿命や出力密度が犠牲になるという問題があった。   However, the technology for improving the specific surface area of activated carbon has a problem that the bulk density of activated carbon decreases as the specific surface area of activated carbon increases. Since the specific gravity of the activated carbon was as small as about 2, the bulk density was significantly reduced. For this reason, this technique has a problem that even if the specific surface area of the activated carbon is increased, the surface area per unit volume, that is, the capacitance per unit volume does not become a satisfactory value. On the other hand, the lithium ion capacitor has a problem that the energy density is not yet satisfactory and the life and output density, which are the advantages of the electric double layer capacitor, are sacrificed.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、かつ、単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも向上させることが可能な、新規かつ改良された電気二重層キャパシタ等を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to maintain the advantages of an electric double layer capacitor and to provide a capacitance per unit volume, that is, an energy density. It is an object of the present invention to provide a new and improved electric double layer capacitor or the like that can improve the conventional capacitor.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、メソ細孔が形成された多孔質金属と、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含む複数の多孔質電極と、複数の多孔質電極の間に配置される電解質と、を備えることを特徴とする、電気二重層キャパシタが提供される。   In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a plurality of porous electrodes including a porous metal in which mesopores are formed, and an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores, And an electrolyte disposed between the plurality of porous electrodes. An electric double layer capacitor is provided.

電気二重層キャパシタは、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を含むので、従来よりも単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。したがって、電気二重層キャパシタは、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、かつ、単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも向上させることができる。   Since the electric double layer capacitor includes a porous metal having a specific gravity larger than that of activated carbon, the capacitance per unit volume can be increased as compared with the conventional case. Therefore, the electric double layer capacitor can improve the capacitance per unit volume, that is, the energy density, as compared with the conventional one while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor.

さらに、多孔質電極は、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層を含む。この無機化合物層は、多孔質金属と電解質とが直接接触すること、及び多孔質金属が大気中で酸化されることを抑制することができる。したがって、電気二重層キャパシタは、サイクル安定性及び熱安定性も向上させることができる。   Furthermore, the porous electrode includes an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores. This inorganic compound layer can suppress the direct contact between the porous metal and the electrolyte, and the oxidation of the porous metal in the atmosphere. Therefore, the electric double layer capacitor can also improve cycle stability and thermal stability.

ここで、無機化合物層を構成するアニオンは、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオン、及び炭素イオンからなる群から選択される少なくとも1種類のアニオンであってもよい。   Here, the anion constituting the inorganic compound layer is at least one kind of anion selected from the group consisting of oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions. Also good.

この観点によれば、無機化合物層は、多孔質金属と電解質との接触をより確実に防止することができる。   According to this viewpoint, the inorganic compound layer can more reliably prevent contact between the porous metal and the electrolyte.

また、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上であってもよい。 Moreover, the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode may be 450 m 2 / cm 3 or more.

この観点によれば、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。   According to this viewpoint, the energy density per unit volume becomes larger than that of the conventional one.

また、メソ細孔の直径が2nm以上30nm以下であってもよい。   The mesopore diameter may be 2 nm or more and 30 nm or less.

この観点によれば、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。   According to this viewpoint, the energy density per unit volume becomes larger than that of the conventional one.

また、電解質に含まれる電解質イオンの直径が2nm以下であってもよい。   Moreover, the diameter of the electrolyte ions contained in the electrolyte may be 2 nm or less.

この観点によれば、電解質イオンは容易にメソ細孔内部に出入りすることができる。したがって、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。   According to this viewpoint, the electrolyte ions can easily enter and exit the mesopores. Therefore, the energy density per unit volume becomes larger than before.

また、多孔質金属は、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成されてもよい。   The porous metal may be composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron and cobalt.

この観点によれば、多孔質金属はアニオンと良好に反応し、無機化合物層を形成することができる。   According to this viewpoint, the porous metal can react well with the anion to form an inorganic compound layer.

また、本発明の他の観点によれば、メソ細孔が形成された多孔質金属と、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含むことを特徴とする、電気二重層キャパシタ用の多孔質電極が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided an electrical double layer capacitor comprising: a porous metal having mesopores formed therein; and an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores. A porous electrode is provided.

この観点に係る多孔質電極は、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を含むので、従来よりも電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。したがって、多孔質電極は、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも向上させることができる。   Since the porous electrode which concerns on this viewpoint contains the porous metal whose specific gravity is larger than activated carbon, the electrostatic capacitance per unit volume of an electric double layer capacitor can be enlarged conventionally. Therefore, the porous electrode can improve the electrostatic capacity per unit volume of the electric double layer capacitor, that is, the energy density, while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor.

さらに、多孔質電極は、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層を含む。この無機化合物層は、多孔質金属と電解質とが直接接触すること、及び多孔質金属が大気中で酸化されることを抑制することができる。したがって、多孔質電極は、電気二重層キャパシタのサイクル安定性及び熱安定性も向上させることができる。   Furthermore, the porous electrode includes an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores. This inorganic compound layer can suppress the direct contact between the porous metal and the electrolyte, and the oxidation of the porous metal in the atmosphere. Therefore, the porous electrode can also improve the cycle stability and thermal stability of the electric double layer capacitor.

また、本発明の他の観点によれば、メソ細孔が形成された多孔質金属と、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含む多孔質電極を複数製造するステップと、複数の多孔質電極の間に電解質を配置するステップと、を含むことを特徴とする、電気二重層キャパシタの製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of manufacturing a plurality of porous electrodes including a porous metal having mesopores formed thereon and an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores, Disposing an electrolyte between porous electrodes, and providing a method for manufacturing an electric double layer capacitor.

この観点によれば、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を用いて電気二重層キャパシタを製造するので、従来よりも電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。   According to this aspect, since the electric double layer capacitor is manufactured using a porous metal having a specific gravity greater than that of the activated carbon, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor can be increased as compared with the conventional case.

さらに、この観点によれば、メソ細孔の表面を覆う無機化合物層を形成するので、サイクル安定性及び熱安定性が向上した電気二重層キャパシタを製造することができる。   Furthermore, according to this aspect, since the inorganic compound layer covering the surface of the mesopores is formed, an electric double layer capacitor having improved cycle stability and thermal stability can be manufactured.

ここで、メソ細孔が形成された多孔質金属を、多孔質金属と反応可能な反応ガス中に晒すことで、多孔質電極を製造してもよい。   Here, you may manufacture a porous electrode by exposing the porous metal in which the mesopore was formed in the reaction gas which can react with a porous metal.

この観点によれば、無機化合物層をより確実に形成することができる。   According to this viewpoint, the inorganic compound layer can be more reliably formed.

また、反応ガスは、空気、酸素ガス、ハロゲンガス、窒素ガス、水蒸気、炭酸ガス、硫化水素ガス、からなる群から選択される少なくとも1種類のガスを含んでいてもよい。   The reactive gas may contain at least one gas selected from the group consisting of air, oxygen gas, halogen gas, nitrogen gas, water vapor, carbon dioxide gas, and hydrogen sulfide gas.

この観点によれば、多孔質金属と電解質との接触をより確実に抑制可能な無機化合物層を形成することができる。   According to this viewpoint, an inorganic compound layer that can more reliably suppress contact between the porous metal and the electrolyte can be formed.

また、メソ細孔が形成された多孔質金属を、多孔質金属と反応可能なアニオンを含む溶液に含浸し、次いで熱処理することで、多孔質電極を製造してもよい。   Alternatively, a porous electrode may be produced by impregnating a porous metal having mesopores in a solution containing an anion capable of reacting with the porous metal, followed by heat treatment.

この観点によれば、無機化合物層をより確実に形成することができる。   According to this viewpoint, the inorganic compound layer can be more reliably formed.

また、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上であってもよい。 Moreover, the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode may be 450 m 2 / cm 3 or more.

この観点によれば、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタを製造することができる。   According to this aspect, an electric double layer capacitor having an energy density per unit volume larger than that of the conventional one can be manufactured.

また、メソ細孔の直径が2nm以上30nm以下であってもよい。   The mesopore diameter may be 2 nm or more and 30 nm or less.

この観点によれば、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタを製造することができる。   According to this aspect, an electric double layer capacitor having an energy density per unit volume larger than that of the conventional one can be manufactured.

また、電解質に含まれる電解質イオンの直径が2nm以下であってもよい。   Moreover, the diameter of the electrolyte ions contained in the electrolyte may be 2 nm or less.

この観点によれば、電解質イオンは容易にメソ細孔内部に出入りすることができる。したがって、この観点に係る電気二重層キャパシタの製造方法は、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタを製造することができる。   According to this viewpoint, the electrolyte ions can easily enter and exit the mesopores. Therefore, the method for producing an electric double layer capacitor according to this aspect can produce an electric double layer capacitor having an energy density per unit volume larger than that of the conventional one.

また、多孔質金属は、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成されてもよい。   The porous metal may be composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron and cobalt.

この観点によれば、無機化合物層をより確実に形成することができる。   According to this viewpoint, the inorganic compound layer can be more reliably formed.

以上説明したように本発明に係る電気二重層キャパシタは、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を含むので、従来よりも電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。したがって、多孔質電極は、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも向上させることができる。   As described above, since the electric double layer capacitor according to the present invention includes a porous metal having a specific gravity higher than that of activated carbon, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor can be increased as compared with the conventional case. Therefore, the porous electrode can improve the electrostatic capacity per unit volume of the electric double layer capacitor, that is, the energy density, while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor.

本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタを示す側面図である。It is a side view which shows the electric double layer capacitor which concerns on embodiment of this invention. 多孔質金属の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a porous metal. 多孔質銅の孔径分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the pore size distribution of porous copper. 活性炭の孔径分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the pore size distribution of activated carbon. メソ細孔単位体積当りの比表面積と多孔質電極の単位体積当りの静電容量との対応関係を電解質イオンの直径毎に示すグラフである。It is a graph which shows the correspondence of the specific surface area per unit volume of mesopores, and the electrostatic capacitance per unit volume of a porous electrode for every diameter of electrolyte ion. 多孔質電極内のメソ細孔を円筒でモデル化して示した模式図である。It is the schematic diagram which modeled and showed the mesopore in a porous electrode with a cylinder. 多孔質金属の一部(図2中の領域A)を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part (area | region A in FIG. 2) of a porous metal.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

[従来の電気二重層キャパシタが有する問題]
上記のとおり、活性炭の比表面積を向上させる技術では、電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量(以下、単に「電気二重層キャパシタの静電容量」または「静電容量」とも称する)について、満足な値が得られないという問題があった。本発明者は、この問題点を精査することで、本発明を完成させた。そこで、この問題について詳細に説明する。
[Problems of conventional electric double layer capacitors]
As described above, in the technology for improving the specific surface area of activated carbon, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor (hereinafter, also simply referred to as “the capacitance of the electric double layer capacitor” or “capacitance”). There was a problem that satisfactory values could not be obtained. The present inventor completed the present invention by examining this problem. Therefore, this problem will be described in detail.

活性炭は、上述したように、比表面積の増大に伴ってかさ密度が低下する。一方、活性炭は、比表面積がある一定の大きさ以上になると、静電容量が頭打ちになる。これらの理由により、活性炭の比表面積を向上させる技術では、比表面積を大きくしても、静電容量が満足な値にならなかった。   As described above, the bulk density of activated carbon decreases as the specific surface area increases. On the other hand, when the specific surface area of the activated carbon exceeds a certain size, the capacitance reaches its peak. For these reasons, in the technique for improving the specific surface area of activated carbon, even if the specific surface area is increased, the capacitance does not reach a satisfactory value.

静電容量が頭打ちになる理由としては、以下のものが考えられる。即ち、活性炭への細孔の形成は、アルカリ賦活処理によってなされるが、この処理は、比表面積の制御というマクロ的な制御しか行なうことができず、細孔の大きさを制御することができなかった。特にアルカリ賦活処理による比表面積の増大は、ミクロ細孔を増やすことでなされている。   The following can be considered as the reason why the capacitance reaches its peak. That is, the formation of pores in the activated carbon is performed by an alkali activation treatment, but this treatment can only be controlled macroscopically by controlling the specific surface area, and the pore size can be controlled. There wasn't. In particular, the increase of the specific surface area by the alkali activation treatment is achieved by increasing the micropores.

より詳細に述べると、活性炭には、直径が2nm未満のミクロ細孔、直径が2nm以上50nm未満のメソ細孔、及び直径が50nm以上のマクロ細孔が混在している。これらの細孔のうち、ミクロ細孔は、直径が小さいので、電解質イオンによってはミクロ細孔の内部に侵入できない場合がある。また、マクロ細孔に吸着可能な電解質イオンの数は、マクロ細孔の体積に比べて小さい。細孔のうち、電解質イオンが吸着可能な部位はその表面だけであり、中空部分には電解質イオンは吸着されないからである。したがって、静電容量が頭打ちになる理由としては、ミクロ細孔及びマクロ細孔が静電容量の発現に有効に機能しないということが考えられる。また、溶媒和した電解質イオンの大きさ(直径)は1〜2nmで、ミクロ細孔とほぼ同等以下の大きさのため、ミクロ細孔には効率的に電解質イオンが吸着できていないことが予想される。したがって、以上の考察によれば、電解質イオンを吸着させる細孔としては、メソ細孔が最も好ましいと思われる。   More specifically, the activated carbon contains micropores having a diameter of less than 2 nm, mesopores having a diameter of 2 nm to less than 50 nm, and macropores having a diameter of 50 nm or more. Among these pores, the micropores have a small diameter, so that some electrolyte ions may not enter the inside of the micropores. Further, the number of electrolyte ions that can be adsorbed to the macropores is smaller than the volume of the macropores. This is because, among the pores, the portion where the electrolyte ions can be adsorbed is only the surface thereof, and the electrolyte ions are not adsorbed in the hollow portion. Therefore, it is considered that the reason why the electrostatic capacity reaches its peak is that the micropores and the macropores do not function effectively for the expression of the electrostatic capacity. In addition, the size (diameter) of the solvated electrolyte ions is 1 to 2 nm, which is almost equal to or smaller than that of the micropores. Therefore, it is expected that the electrolyte ions cannot be efficiently adsorbed to the micropores. Is done. Therefore, according to the above consideration, mesopores seem to be most preferable as pores for adsorbing electrolyte ions.

この点について、特許文献2、3は、メソ細孔について言及している。しかし、いずれの文献に開示された技術によっても、電気二重層キャパシタの単位体積当りのエネルギ密度(以下、単に「電気二重層キャパシタのエネルギ密度」または「エネルギ密度」とも称する)は得られていない。一方、特許文献4、5、6は、多孔質金属に言及している。しかし、特許文献4、5は、多孔質金属を集電体に用いており、特許文献6では、多孔質金属の細孔がメソ細孔に比べて非常に大きい。したがって、これらの文献に開示された技術は、上記の問題の解決に何ら寄与するものではない。   In this regard, Patent Documents 2 and 3 refer to mesopores. However, the energy density per unit volume of the electric double layer capacitor (hereinafter, also simply referred to as “energy density of the electric double layer capacitor” or “energy density”) is not obtained by the technique disclosed in any of the documents. . On the other hand, Patent Documents 4, 5, and 6 refer to porous metals. However, Patent Documents 4 and 5 use a porous metal as a current collector. In Patent Document 6, the pores of the porous metal are much larger than mesopores. Therefore, the techniques disclosed in these documents do not contribute to the solution of the above problems.

また、活性炭の比表面積を向上させる技術では、アルカリ賦活処理の後にアルカリ分を活性炭から除去する必要があった。しかし、この工程は複雑で高コストとなっていたので、アルカリ賦活処理による活性炭は工業的には使いづらい材料であった。このような問題点から、従来では、水蒸気賦活処理によって活性炭に細孔を形成することも行われていた。この方法はアルカリ賦活処理よりも低コストであるが、この方法により生成された活性炭は、アルカリ賦活処理による活性炭よりも静電容量が低いという問題があった。   Moreover, in the technique which improves the specific surface area of activated carbon, it was necessary to remove an alkali component from activated carbon after alkali activation treatment. However, since this process is complicated and expensive, activated carbon by alkali activation treatment is an industrially difficult material to use. From such problems, conventionally, pores have been formed in activated carbon by a steam activation treatment. This method is less expensive than the alkali activation treatment, but the activated carbon produced by this method has a problem that its electrostatic capacity is lower than that of the activated carbon obtained by the alkali activation treatment.

これに対し、本実施形態に係る電気二重層キャパシタは、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、かつ、エネルギ密度を従来よりも向上させることができる。また、本実施形態に係る電気二重層キャパシタは、従来よりも簡単な工程で製造される。さらに、本実施形態に係る電気二重層キャパシタは、サイクル安定性及び熱安定性も向上させることができる。即ち、多孔質金属は、大気中で細孔の表面が酸化されやすいという特性があるので、多孔質金属をそのまま電気二重層キャパシタの電極として用いた場合、サイクル安定性が十分でない可能性がある。そこで、本実施形態に係る電気二重層キャパシタは、メソ細孔の表面を保護することで、サイクル安定性の向上を図っている。   On the other hand, the electric double layer capacitor according to the present embodiment can improve the energy density as compared with the conventional one while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor. In addition, the electric double layer capacitor according to the present embodiment is manufactured by a simpler process than before. Furthermore, the electric double layer capacitor according to the present embodiment can also improve cycle stability and thermal stability. That is, since the porous metal has a characteristic that the surface of the pore is easily oxidized in the atmosphere, the cycle stability may not be sufficient when the porous metal is used as an electrode of the electric double layer capacitor as it is. . Therefore, the electric double layer capacitor according to the present embodiment aims to improve cycle stability by protecting the surface of the mesopores.

[本実施形態に係る電気二重層キャパシタの構成]
次に、図1に基づいて、本実施形態に係る電気二重層キャパシタ10の構成について説明する。本実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、図1に示すように、多孔質電極20で構成されるカソード電極11と、同じく多孔質電極20で構成されるアノード電極12と、これらの多孔質電極の間に配置される電解質13とを備える。
[Configuration of Electric Double Layer Capacitor According to this Embodiment]
Next, the configuration of the electric double layer capacitor 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the electric double layer capacitor 10 according to the present embodiment includes a cathode electrode 11 composed of a porous electrode 20, an anode electrode 12 composed of the porous electrode 20, and these porous electrodes. And an electrolyte 13 disposed between the electrodes.

多孔質電極20は、図2及び図7に示すように、メソ細孔22を含む細孔が多数形成されている多孔質金属20aと、少なくともメソ細孔22の表面を覆う無機化合物層23とを備える。メソ細孔22の直径は、上述したように、2nm以上50nm未満であるが、2nm以上30nm以下であることが好ましい。なお、本実施形態では、粒子や細孔の直径は、例えば、粒子等を球体とみなしたときの直径であり、公知の手法、例えばガス吸着法により測定される。   As shown in FIGS. 2 and 7, the porous electrode 20 includes a porous metal 20 a in which a large number of pores including mesopores 22 are formed, and an inorganic compound layer 23 that covers at least the surface of the mesopores 22. Is provided. As described above, the diameter of the mesopores 22 is 2 nm or more and less than 50 nm, but preferably 2 nm or more and 30 nm or less. In the present embodiment, the diameter of the particle or pore is, for example, the diameter when the particle is regarded as a sphere, and is measured by a known method, for example, a gas adsorption method.

電解質イオンは、上述したように、溶媒和した状態で多孔質電極20に吸脱着することが多い。そして、溶媒和した電解質イオンの直径は1〜2nmと見積もられる。したがって、メソ細孔22の直径は電解質イオンの直径以上であるので、電解質イオンは多孔質電極20に容易に吸脱着することができる。   As described above, the electrolyte ions are often adsorbed and desorbed on the porous electrode 20 in a solvated state. And the diameter of the solvated electrolyte ion is estimated to be 1-2 nm. Therefore, since the diameter of the mesopores 22 is equal to or larger than the diameter of the electrolyte ions, the electrolyte ions can be easily adsorbed and desorbed from the porous electrode 20.

なお、溶媒和した電解質イオンの直径は、例えば、計算化学、即ちシミュレーションにより算出される。電解質イオンの直径は、例えば以下のように算出される。まず、溶媒和した電解質イオンの分子構造を、「Car−Parrinello Molicular Dynamics(CPMD)」(ver. 3.13.2)というソフトウェアを用いた分子動力学シミュレーションにより算出する。次いで、溶媒和した電解質イオンを球体とみなし、その直径を当該算出された分子構造に基づいて算出する。   The diameter of the solvated electrolyte ion is calculated by, for example, computational chemistry, that is, simulation. The diameter of the electrolyte ions is calculated as follows, for example. First, the molecular structure of the solvated electrolyte ion is calculated by molecular dynamics simulation using software called “Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD)” (ver. 3.13.2). Next, the solvated electrolyte ion is regarded as a sphere, and its diameter is calculated based on the calculated molecular structure.

メソ細孔22の直径が30nmより大きくても、電解質イオンは多孔質電極20に容易に吸脱着することができるので、本実施形態の効果は得られる。しかし、メソ細孔22の直径が大きくなるほど、メソ細孔22の中空部分、即ち電解質イオンが吸着しない部分が大きくなるので、メソ細孔22の直径は30nm以下であることが好ましい。図3に、後述する製造方法により製造された多孔質銅内の孔径分布を示す。横軸は細孔の直径(孔径)を示し、縦軸は、細孔の直径の度数として、多孔質銅単位質量当りの細孔の体積を示す。なお、図3の多孔質銅は、平均直径10μmのCu−Al合金(モル比は50:50)を1N水酸化カリウム水溶液に加えることで、Cu−Al合金からアルミニウムを除去したした後、水洗、真空乾燥して得た。   Even if the diameter of the mesopores 22 is larger than 30 nm, the electrolyte ions can be easily adsorbed / desorbed to / from the porous electrode 20, so that the effect of this embodiment can be obtained. However, the larger the diameter of the mesopores 22 is, the larger the hollow portion of the mesopores 22, that is, the portion where the electrolyte ions are not adsorbed. Therefore, the diameter of the mesopores 22 is preferably 30 nm or less. In FIG. 3, the pore size distribution in the porous copper manufactured by the manufacturing method mentioned later is shown. The abscissa represents the pore diameter (pore diameter), and the ordinate represents the pore volume per unit mass of the porous copper as the frequency of the pore diameter. The porous copper in FIG. 3 was washed with water after removing aluminum from the Cu—Al alloy by adding a Cu—Al alloy (molar ratio 50:50) having an average diameter of 10 μm to the 1N aqueous potassium hydroxide solution. Obtained by vacuum drying.

この例によれば、メソ細孔の直径は、3〜20nmとなる範囲内に分布している。即ち、メソ細孔の孔径分布は、3〜20nmである。また、細孔のピーク値(最も多く分布している細孔の直径)は8nmとなっている。一方、図4に、ある活性炭の孔径分布を示す。この例では、細孔の直径が2.5nm以下、即ち大半の細孔がミクロ細孔となっている。したがって、この活性炭に電解質イオンを吸脱着させることは容易ではない。   According to this example, the diameter of the mesopores is distributed within a range of 3 to 20 nm. That is, the pore size distribution of the mesopores is 3 to 20 nm. The peak value of the pores (the diameter of the most widely distributed pores) is 8 nm. On the other hand, FIG. 4 shows the pore size distribution of a certain activated carbon. In this example, the diameter of the pores is 2.5 nm or less, that is, most of the pores are micropores. Therefore, it is not easy to adsorb and desorb electrolyte ions on this activated carbon.

また、メソ細孔22の直径の分布範囲はなるべく狭い(シャープである)ことが好ましい。メソ細孔22の分布範囲が狭いと、多数のメソ細孔22が同様の直径を有することになるので、多くのメソ細孔22に同程度の数の電解質イオンが吸着する。したがって、あるメソ細孔22への電解質イオンの吸着数が増加するように電解質イオンの直径を設計することで、必然的に、他のメソ細孔22に吸着する電解質イオンの数も増加する。したがって、メソ細孔22の分布範囲を狭くすることで、多孔質電極20に吸着する電解質イオンの数を増加させることができる。一方、メソ細孔22の分布範囲が広いと、メソ細孔22の直径がばらつくことになるので、メソ細孔22に吸着する電解質イオンの数がメソ細孔22毎にばらついてしまう。したがって、あるメソ細孔22への電解質イオンの吸着数が増加するように電解質イオンの直径を設計しても、他のメソ細孔22に吸着する電解質イオンの数はやはりばらついてしまう。この結果、多孔質電極20に吸着する電解質イオンの数を増加させることが難しくなる。この観点によれば、メソ細孔22の直径の分布範囲は、2〜30nmが好ましく、より好ましくは5〜20nmで、より望ましくは5〜10nmであることが好ましい。   In addition, the distribution range of the diameter of the mesopores 22 is preferably as narrow as possible (sharp). When the distribution range of the mesopores 22 is narrow, a large number of mesopores 22 have the same diameter, and therefore, the same number of electrolyte ions are adsorbed by many mesopores 22. Therefore, by designing the diameter of the electrolyte ions so that the number of electrolyte ions adsorbed on a certain mesopore 22 increases, the number of electrolyte ions adsorbed on other mesopores 22 inevitably increases. Therefore, the number of electrolyte ions adsorbed on the porous electrode 20 can be increased by narrowing the distribution range of the mesopores 22. On the other hand, if the distribution range of the mesopores 22 is wide, the diameter of the mesopores 22 varies, and therefore the number of electrolyte ions adsorbed on the mesopores 22 varies for each mesopore 22. Therefore, even if the diameter of the electrolyte ions is designed so that the number of electrolyte ions adsorbed on a certain mesopore 22 increases, the number of electrolyte ions adsorbed on other mesopores 22 also varies. As a result, it is difficult to increase the number of electrolyte ions adsorbed on the porous electrode 20. From this viewpoint, the distribution range of the diameter of the mesopores 22 is preferably 2 to 30 nm, more preferably 5 to 20 nm, and more preferably 5 to 10 nm.

さらに、全細孔の総体積に対するメソ細孔22の総体積、即ちメソ細孔22の存在比は70%以上となっている。なお、メソ細孔22の総体積、及び全細孔の総体積は、例えば、島津製作所製比表面積測定装置ASAP2020により測定される。   Furthermore, the total volume of the mesopores 22 relative to the total volume of all the pores, that is, the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more. The total volume of the mesopores 22 and the total volume of all the pores are measured by, for example, a specific surface area measuring device ASAP2020 manufactured by Shimadzu Corporation.

即ち、本発明者は、メソ細孔22について鋭意検討した結果、メソ細孔22の存在比が電気二重層キャパシタ10の静電容量に影響を与えていることを見出した。そして、本発明者は、メソ細孔22の存在比が70%以上であるときに、電気二重層キャパシタ10の単位体積当りの静電容量、即ち単位体積当りのエネルギ密度が顕著に向上することを見出した。この理由としては、例えば、2nm以下のミクロ孔では上述のように電解質イオンの吸着量が低下するが、本発明の材料は電解質イオン径よりも大きなメソ細孔が70%以上と多くなることで静電容量を大きくできたと考えられる。従来技術の活性炭では、メソ細孔が30%以下と小さいために静電容量が低くなるといったことが考えられる。即ち、静電容量発現の源である電解質イオンの吸着は、電解質イオン径よりも大きなメソ細孔が静電容量増大に重要である事を示唆する。   That is, as a result of intensive studies on the mesopores 22, the present inventor has found that the abundance ratio of the mesopores 22 affects the capacitance of the electric double layer capacitor 10. The present inventor shows that when the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more, the electrostatic capacity per unit volume of the electric double layer capacitor 10, that is, the energy density per unit volume is remarkably improved. I found. The reason for this is that, for example, in micropores of 2 nm or less, the amount of adsorption of electrolyte ions decreases as described above, but the material of the present invention has a large number of mesopores larger than the electrolyte ion diameter of 70% or more. It is thought that the capacitance could be increased. In the activated carbon of the prior art, it is conceivable that the capacitance is low because the mesopores are as small as 30% or less. That is, the adsorption of the electrolyte ions that are the source of the expression of capacitance suggests that mesopores larger than the electrolyte ion diameter are important for increasing the capacitance.

また、メソ細孔22は、電解質イオンとの吸脱着に寄与する細孔であるから、その存在比が大きいほど電気二重層キャパシタ10の単位体積当りの静電容量が向上する。したがって、メソ細孔22の存在比は大きければ大きいほど好ましい。具体的には、メソ細孔22の存在比は、85%以上がより好ましい。この理由としては、電解質イオンをより効率良く吸着できるメソ細孔が重要で、静電容量向上にはできる限りメソ細孔が多い方が良いといったことが考えられる。メソ細孔22の存在比は、100%にできるだけ近いことが更に好ましい。なお、上述した特許文献2,3に開示された技術では、いずれもメソ細孔の存在比が70%未満となっている。このため、これらの技術では、満足なエネルギ密度が得られないと推察される。   Further, since the mesopores 22 are pores that contribute to adsorption / desorption with electrolyte ions, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor 10 is improved as the abundance ratio thereof increases. Therefore, the larger the abundance ratio of the mesopores 22 is, the better. Specifically, the abundance ratio of the mesopores 22 is more preferably 85% or more. The reason may be that mesopores capable of adsorbing electrolyte ions more efficiently are important, and it is better to have as many mesopores as possible to improve the capacitance. More preferably, the abundance ratio of the mesopores 22 is as close to 100% as possible. In the techniques disclosed in Patent Documents 2 and 3 described above, the abundance ratio of mesopores is less than 70%. For this reason, it is assumed that a satisfactory energy density cannot be obtained with these techniques.

また、多孔質電極20のメソ細孔単位体積当りの比表面積は、450m/cm以上であることが好ましく、600m/cm以上であることがより好ましい。ここで、多孔質電極20のメソ細孔単位体積当りの比表面積は、以下の式(2)で求められる。 The specific surface area per unit volume of mesopores of the porous electrode 20 is preferably 450 m 2 / cm 3 or more, and more preferably 600 m 2 / cm 3 or more. Here, the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode 20 is obtained by the following formula (2).

Figure 2013214679
Figure 2013214679

式(2)中、Sは多孔質電極20のメソ細孔単位体積当りの比表面積(m/cm)であり、aは多孔質電極20の比表面積(m/g)である。bは多孔質電極単位質量当りの細孔の体積(cm/g)であり、全細孔の総体積を多孔質電極20の質量で除算することで算出される。cはメソ細孔22の存在比である。 In the formula (2), S is a specific surface area (m 2 / cm 3 ) per mesopore unit volume of the porous electrode 20, and a is a specific surface area (m 2 / g) of the porous electrode 20. b is the pore volume per unit mass of the porous electrode (cm 3 / g), and is calculated by dividing the total volume of all the pores by the mass of the porous electrode 20. c is the abundance ratio of the mesopores 22.

即ち、本実施形態では、単純な比表面積ではなく、メソ細孔単位体積当りの比表面積に基づいて、多孔質電極20が設計されている。この理由は以下の通りある。電気二重層キャパシタの単位体積当りの静電容量を向上させるためには、電解質イオンが吸脱着することができるサイトが広いことが求められる。電気二重層キャパシタの分野では、このようなサイトの広さを示す指標として、多孔質電極の比表面積が用いられてきた。しかし、本発明者は、多孔質電極の比表面積と静電容量とが線形の関係にならないことを見出した。   That is, in the present embodiment, the porous electrode 20 is designed based on the specific surface area per unit volume of the mesopores rather than a simple specific surface area. The reason is as follows. In order to improve the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor, it is required that the site where electrolyte ions can be adsorbed and desorbed is wide. In the field of electric double layer capacitors, the specific surface area of a porous electrode has been used as an index indicating the size of such a site. However, the present inventor has found that the specific surface area of the porous electrode and the capacitance do not have a linear relationship.

例えば、本発明者は、比表面積が21m/gとなる多孔質銅を多孔質電極として用いて電気二重層キャパシタを製造し、その静電容量を測定したところ、21F/gという値を得た。一方、本発明者は、比表面積が1500〜2400m/gとなる活性炭を多孔質電極として用いて電気二重層キャパシタを製造し、その静電容量を測定したところ、65〜140F/gという値を得た。なお、測定方法は後述する実施例と同様とした。また、比表面積は、例えば島津製作所製比表面積測定装置ASAP2020により測定された。これらの測定結果によれば、多孔質電極の比表面積と静電容量とが線形の関係にならないことは明らかである。なお、静電容量を発現する機構は電極材料によって変化することはないと推察される。 For example, the present inventor manufactured an electric double layer capacitor using porous copper having a specific surface area of 21 m 2 / g as a porous electrode, and measured its capacitance, obtaining a value of 21 F / g. It was. On the other hand, when this inventor manufactured the electric double layer capacitor using the activated carbon with a specific surface area of 1500-2400 m < 2 > / g as a porous electrode, and measured the electrostatic capacitance, it was a value of 65-140 F / g. Got. The measurement method was the same as in the examples described later. The specific surface area was measured by, for example, a specific surface area measuring device ASAP2020 manufactured by Shimadzu Corporation. According to these measurement results, it is clear that the specific surface area of the porous electrode and the capacitance do not have a linear relationship. In addition, it is guessed that the mechanism which expresses an electrostatic capacity does not change with electrode materials.

そこで、本発明者が比表面積について鋭意検討した結果、静電容量に影響を与えるパラメータは、単純な比表面積ではなく、メソ細孔22の体積に対する比表面積、即ちメソ細孔単位体積当りの比表面積が静電容量に影響を与えることを見出した。したがって、メソ細孔単位体積当りの比表面積は、電気二重層キャパシタ10を設計する際の指標となりうるものである。このように、本発明者は、電気二重層キャパシタ10を設計する際の指標を発見することに成功した。本発明者がメソ細孔単位体積当りの比表面積についてさらに検討を重ねた結果、メソ細孔単位体積当りの比表面積は、450m/cm以上であることが好ましく、600m/cm以上であることがより好ましいことも判明した。メソ細孔単位体積当りの比表面積がこれらの範囲である時に、静電容量は特に増大する。この理由としては、例えば、単純な比表面積ではなく、電解質イオンを吸着し易いメソ細孔が有する比表面積がどれだけあるかが重要で、それが実質的に静電容量を支配因子であり、従来の活性炭ではメソ細孔比率を高めると比表面積が低下し、実質的にこの450m/cm以上を達成することができないといったことが考えられる。 Therefore, as a result of intensive studies on the specific surface area by the present inventor, the parameter affecting the capacitance is not a simple specific surface area, but a specific surface area with respect to the volume of the mesopores 22, that is, a ratio per unit volume of mesopores. It has been found that the surface area affects the capacitance. Therefore, the specific surface area per unit volume of mesopores can serve as an index when designing the electric double layer capacitor 10. Thus, the present inventor succeeded in finding an index for designing the electric double layer capacitor 10. As a result of further investigations on the specific surface area per mesopore unit volume by the present inventors, the specific surface area per mesopore unit volume is preferably 450 m 2 / cm 3 or more, and 600 m 2 / cm 3 or more. It has also been found to be more preferable. The capacitance increases particularly when the specific surface area per unit volume of mesopores is in these ranges. The reason for this is, for example, not the simple specific surface area, but the importance of how much specific surface area the mesopores that are likely to adsorb electrolyte ions have, which is the factor that substantially controls the capacitance, In the case of conventional activated carbon, when the mesopore ratio is increased, the specific surface area is decreased, and it is considered that this 450 m 2 / cm 3 or more cannot be substantially achieved.

メソ細孔単位体積当りの比表面積の好ましい上限値は、電解質イオンの直径に応じて変化する。以下、この理由について図5及び図6に基づいて説明する。図5は、メソ細孔単位体積当りの比表面積と、電気二重層キャパシタ10の単位体積当りの静電容量との対応関係を電解質イオンの直径毎に示すグラフである。なお、縦軸の静電容量は、いわゆる理論値であり、以下のように算出される。即ち、図6に示すように、メソ細孔22を円筒でモデル化する。このモデルでは、すべての細孔がメソ細孔22となる。また、メソ細孔22は、同じ形状の円筒であり、各円筒の高さは1cmとなる。各円筒の直径は、メソ細孔単位体積当りの比表面積に応じて異なる。また、各円筒は、互いに軸方向が平行となり、かつ、互いに隣接するように配置される(即ち、多孔質電極20内に敷き詰められる)。したがって、メソ細孔単位体積当りの比表面積がS1(m/cm)となる場合、1cmの多孔質電極20の比表面積はS1(m)となる。そして、静電容量の理論値を以下の式(3)により算出する。 A preferable upper limit value of the specific surface area per unit volume of mesopores varies depending on the diameter of the electrolyte ion. Hereinafter, the reason for this will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a graph showing the correspondence between the specific surface area per unit volume of the mesopores and the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor 10 for each diameter of the electrolyte ions. The capacitance on the vertical axis is a so-called theoretical value and is calculated as follows. That is, as shown in FIG. 6, the mesopores 22 are modeled by a cylinder. In this model, all the pores become mesopores 22. The mesopores 22 are cylinders having the same shape, and the height of each cylinder is 1 cm. The diameter of each cylinder varies depending on the specific surface area per unit volume of mesopores. In addition, the cylinders are arranged so that the axial directions thereof are parallel to each other and are adjacent to each other (that is, spread in the porous electrode 20). Therefore, when the specific surface area per unit volume of mesopores is S1 (m 2 / cm 3 ), the specific surface area of the 1 cm 3 porous electrode 20 is S1 (m 2 ). And the theoretical value of an electrostatic capacitance is computed by the following formula | equation (3).

Figure 2013214679
Figure 2013214679

式(3)中、Cは静電容量の理論値であり、Sはメソ細孔単位体積当りの比表面積である。nは多孔質電極20の表面の単位面積(1m)当りに付着する電解質イオンの数であり、以下の式(3−1)で与えられる。Vmaxは上限電圧、即ち多孔質電極20に印加できる最大の電圧であり、図5の例では、2.5Vとなる。Vminは下限電圧、即ち多孔質電極20に印加できる最小の電圧であり、図5の例では、1.0Vとなる。 In formula (3), C 0 is a theoretical value of capacitance, and S is a specific surface area per unit volume of mesopores. n is the number of electrolyte ions deposited per unit area (1 m 2 ) of the surface of the porous electrode 20 and is given by the following equation (3-1). V max is the upper limit voltage, that is, the maximum voltage that can be applied to the porous electrode 20, and is 2.5 V in the example of FIG. V min is the lower limit voltage, that is, the minimum voltage that can be applied to the porous electrode 20, and is 1.0 V in the example of FIG.

Figure 2013214679
Figure 2013214679

式(3−1)中、Lはイオン直径(m)である。 Wherein (3-1), L n is the ion diameter (m).

図5によれば、電解質イオンの直径がいずれの場合であっても、メソ細孔単位体積当りの比表面積の増加に伴って静電容量が増加する。なお、メソ細孔単位体積当りの比表面積の増加に伴って、メソ細孔22の直径は減少する。そして、電解質イオンの直径がメソ細孔22の直径に一致する点を境に、静電容量が急激に減少する。   According to FIG. 5, the capacitance increases with an increase in specific surface area per unit volume of mesopores regardless of the diameter of the electrolyte ions. Note that the diameter of the mesopores 22 decreases as the specific surface area per unit volume of the mesopores increases. Then, at the point where the diameter of the electrolyte ion coincides with the diameter of the mesopores 22, the capacitance is rapidly decreased.

なお、メソ細孔単位体積当りの比表面積とメソ細孔22の直径との関係は、以下の式(4)で表される。   The relationship between the specific surface area per unit volume of the mesopores and the diameter of the mesopores 22 is expressed by the following formula (4).

Figure 2013214679
Figure 2013214679

ここで、xはメソ細孔22の直径(m)であり、nは1cmの多孔質電極20内に配置される円筒の個数であり、以下の式(5)で表される。Sはメソ細孔単位体積当りの比表面積である。 Here, x is the diameter (m) of the mesopores 22, and n is the number of cylinders arranged in the 1 cm 3 porous electrode 20, which is expressed by the following formula (5). S is a specific surface area per unit volume of mesopores.

Figure 2013214679
Figure 2013214679

式(4)、(5)によれば、例えば、メソ細孔22の直径が2nmとなる場合、メソ細孔単位体積当りの比表面積は1500m/cmとなる。従って、静電容量は、メソ細孔単位体積当りの比表面積が1500m/cmとなる点で減少に転じるはずであるが、実際には電解質イオンは球体ではないのでメソ細孔と同じ大きさに近くなると立体障害で細孔に入りにくくなるので、図に示したように1200m/cmとなる点で減少に転じる。したがって、メソ細孔単位体積当りの比表面積の好ましい上限値は、電解質イオンの直径に応じて変化する。例えば、電解質イオンの直径が2nmとなる場合、好ましい上限値は1200m/cmとなる。言い換えれば、出来る限り電解質イオンの直径を小さくすることによって、静電容量を増大させることができる。 According to the equations (4) and (5), for example, when the diameter of the mesopores 22 is 2 nm, the specific surface area per unit volume of the mesopores is 1500 m 2 / cm 3 . Therefore, the capacitance should start to decrease at a specific surface area per unit volume of mesopores of 1500 m 2 / cm 3 , but in fact, the electrolyte ions are not spheres and are therefore as large as mesopores. When it is close to this, it becomes difficult to enter the pores due to steric hindrance, and as shown in the figure, it starts to decrease at a point of 1200 m 2 / cm 3 . Therefore, the preferable upper limit value of the specific surface area per unit volume of mesopores varies depending on the diameter of the electrolyte ions. For example, when the diameter of the electrolyte ion is 2 nm, the preferable upper limit value is 1200 m 2 / cm 3 . In other words, the capacitance can be increased by reducing the diameter of the electrolyte ions as much as possible.

多孔質電極20は、無機材料で構成され、好ましくは金属で構成され、より好ましくは遷移金属(例えば、周期表で第3族元素から第11族元素までの間に存在する元素)で構成される。具体的には、多孔質電極20は、例えば、Ni、Cu、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種類の金属を含む。これらの金属材料のうち、Ni、Cuが特に好ましい。多孔質ニッケル及び多孔質銅は、アニオンとの反応性が良好であり、無機化合物層23が容易に形成されるからである。   The porous electrode 20 is composed of an inorganic material, preferably composed of a metal, and more preferably composed of a transition metal (for example, an element present between a Group 3 element and a Group 11 element in the periodic table). The Specifically, the porous electrode 20 includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Cu, Co, and Fe, for example. Of these metal materials, Ni and Cu are particularly preferable. This is because porous nickel and porous copper have good reactivity with anions, and the inorganic compound layer 23 can be easily formed.

また、図7に示すように、多孔質金属20aの表面(即ち、メソ細孔22の表面を含む多孔質金属20aの全面)には、無機化合物層23が形成されている。即ち、メソ細孔22の表面は、無機化合物層23で覆われている。これにより、電気二重層キャパシタ10のサイクル安定性及び熱安定性が向上する。なお、電気二重層キャパシタ10のサイクル安定性及び熱安定性が向上する理由としては、例えば、多孔質金属20aが電解質(電解液)に直接接触することが防止されることが挙げられる。即ち、多孔質金属20aが電解液に直接接触すると、多孔質電極20に電圧を加えた際に多孔質金属20aが電解液に溶出しやすくなる。そして、高温であるほど多孔質金属20aの反応活性が高くなり、溶出量が多くなる。したがって、多孔質金属20aの表面、特にメソ細孔22の表面を無機化合物層23で覆うことで、多孔質金属20aの溶出が防止され、ひいては、電気二重層キャパシタ10のサイクル安定性及び熱安定性が向上する。   Further, as shown in FIG. 7, an inorganic compound layer 23 is formed on the surface of the porous metal 20a (that is, the entire surface of the porous metal 20a including the surface of the mesopores 22). That is, the surface of the mesopores 22 is covered with the inorganic compound layer 23. Thereby, the cycle stability and thermal stability of the electric double layer capacitor 10 are improved. The reason why the cycle stability and thermal stability of the electric double layer capacitor 10 are improved is, for example, that the porous metal 20a is prevented from coming into direct contact with the electrolyte (electrolytic solution). That is, when the porous metal 20a is in direct contact with the electrolytic solution, the porous metal 20a is easily eluted into the electrolytic solution when a voltage is applied to the porous electrode 20. And the higher the temperature, the higher the reaction activity of the porous metal 20a and the greater the elution amount. Therefore, the elution of the porous metal 20a is prevented by covering the surface of the porous metal 20a, particularly the surface of the mesopores 22 with the inorganic compound layer 23. As a result, the cycle stability and thermal stability of the electric double layer capacitor 10 are prevented. Improves.

無機化合物層23は、多孔質金属20aを構成する金属とアニオンとの化合物、即ち無機化合物で構成される。無機化合物層23を構成するアニオンは、たとえば、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオン、及び炭素イオンからなる群から選択される少なくとも1種類のアニオンを含む。   The inorganic compound layer 23 is composed of a compound of a metal and an anion constituting the porous metal 20a, that is, an inorganic compound. The anion constituting the inorganic compound layer 23 includes, for example, at least one kind of anion selected from the group consisting of oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions.

無機化合物層23は、出来る限り薄い方が好ましい。無機化合物層23が薄いほど、電気二重層キャパシタ10の電気抵抗が低くなり、急速充放電特性の低下が抑制されるからである。具体的な層厚は30nm以下が好ましく、20nm以下がより好ましく、15nm以下がさらに好ましい。層厚が30nmを超えると、電気二重層キャパシタ10の電気抵抗が大きく低下し、かつ、急速充放電特性も大きく低下するからである。また、上記の各範囲は、いずれも自然酸化膜(多孔質金属20aを大気中に晒すことで形成される酸化膜)よりも薄くなる。無機化合物層23の層厚は、例えば、Kratos社製のX線光電子分光分析装置AXIS−ULTRA−DLDにより測定される。   The inorganic compound layer 23 is preferably as thin as possible. This is because the thinner the inorganic compound layer 23, the lower the electric resistance of the electric double layer capacitor 10 and the rapid charge / discharge characteristics are prevented from being deteriorated. The specific layer thickness is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and further preferably 15 nm or less. This is because if the layer thickness exceeds 30 nm, the electric resistance of the electric double layer capacitor 10 is greatly reduced, and the rapid charge / discharge characteristics are also greatly reduced. Each of the above ranges is thinner than a natural oxide film (an oxide film formed by exposing the porous metal 20a to the atmosphere). The layer thickness of the inorganic compound layer 23 is measured by, for example, an X-ray photoelectron spectrometer AXIS-ULTRA-DLD manufactured by Kratos.

[多孔質電極の製造方法]
次に、多孔質電極20の製造方法について説明する。多孔質電極20は、多孔質金属20aを製造した後、多孔質金属20aの表面に無機化合物を形成することで製造される。多孔質金属は、例えば以下に列挙する2つの製造方法のうち、いずれかの製造方法によって製造される。
[Method for producing porous electrode]
Next, a method for manufacturing the porous electrode 20 will be described. The porous electrode 20 is manufactured by forming an inorganic compound on the surface of the porous metal 20a after manufacturing the porous metal 20a. For example, the porous metal is produced by any one of the following two production methods.

[合金を酸またはアルカリ性溶液で処理する方法]
第1の製造方法は、酸またはアルカリ性溶液に可溶な第1の金属と、第1の金属よりも酸またはアルカリ性溶液に対する溶解度が小さい第2の金属とを含む合金を、酸またはアルカリ性溶液で処理するという製造方法である。なお、できる限り第1の金属を除去して多孔質にしたいが、処理後に第1の金属がすべて除去されずに一部残存していても構わない。また、浸漬時間は3時間以上が好ましい。但し、この上限時間に関しては酸またはアルカリ性溶液の濃度や温度に依存する。溶液中の酸またはアルカリの濃度は、溶液の全質量に対して1〜20質量%が好ましい。溶液の温度は室温から90℃の範囲が好ましい。これらのパラメータの値によって細孔径分布やメソ細孔単位体積当りの比表面積が変わるので、目的にあわせてこれらのパラメータを適宜決めればよい。
[Method of treating alloy with acid or alkaline solution]
In the first production method, an alloy containing a first metal that is soluble in an acid or alkaline solution and a second metal that is less soluble in the acid or alkaline solution than the first metal is used in an acid or alkaline solution. It is a manufacturing method of processing. Although it is desired to remove the first metal as much as possible to make it porous, the first metal may not be completely removed after the treatment but may partially remain. The immersion time is preferably 3 hours or longer. However, this upper limit time depends on the concentration and temperature of the acid or alkaline solution. The concentration of the acid or alkali in the solution is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total mass of the solution. The temperature of the solution is preferably in the range of room temperature to 90 ° C. Since the pore size distribution and the specific surface area per unit volume of mesopores vary depending on the values of these parameters, these parameters may be appropriately determined according to the purpose.

第1の金属は、例えば、アルミニウム、鉛、スズ、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属を含む。第2の金属は、多孔質金属20aを構成する金属である。遷移金属は、酸またはアルカリ性溶液にほとんど不溶なので、特に好ましい。この製造方法によれば、酸またはアルカリ性溶液に第1の金属が溶出するので、合金のうち、第1の金属が占有していた部分がメソ細孔22となる。具体的には、第1の金属が除去されることで形成された空孔同士が結合することで、メソ細孔22が形成される。したがって、この製造方法によれば、第1の金属の結晶子の大きさによって、メソ細孔22の大きさ、即ち直径も変わる。即ち、この製造方法によれば、第1の金属の結晶子の大きさと、第1の金属と第2の金属とのモル比とを制御することによって、所望のメソ細孔22を製造することができる。   The first metal includes, for example, at least one metal selected from the group consisting of aluminum, lead, tin, and zinc. The second metal is a metal constituting the porous metal 20a. Transition metals are particularly preferred because they are almost insoluble in acid or alkaline solutions. According to this manufacturing method, since the first metal elutes in the acid or alkaline solution, the portion of the alloy occupied by the first metal becomes the mesopores 22. Specifically, the mesopores 22 are formed by combining the vacancies formed by removing the first metal. Therefore, according to this manufacturing method, the size, that is, the diameter of the mesopores 22 also changes depending on the size of the first metal crystallite. That is, according to this manufacturing method, the desired mesopores 22 are manufactured by controlling the size of the crystallites of the first metal and the molar ratio between the first metal and the second metal. Can do.

上述したように、本実施形態では、メソ細孔22の直径は2nm以上30nm以下、メソ細孔22の存在比は70%以上、メソ細孔単位体積当りの比表面積は450m/cm以上となるので、これらの値を得るために、第1の金属と第2の金属とのモル比は、1:3〜3:1の範囲が好ましく、より好ましくは1:1〜3:1に設定される。 As described above, in this embodiment, the diameter of the mesopores 22 is 2 nm or more and 30 nm or less, the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more, and the specific surface area per mesopore unit volume is 450 m 2 / cm 3 or more. Therefore, in order to obtain these values, the molar ratio of the first metal to the second metal is preferably in the range of 1: 3 to 3: 1, more preferably 1: 1 to 3: 1. Is set.

ここで、第1の金属と第2の金属とからなる合金の平均直径は、100μm以下が好ましく、より好ましくは50μmであり、さらに好ましくは20μmである。ここで、平均直径は、例えば、各金属粒子を球体とみなしたときの直径を算術平均した値である。平均直径の測定は、例えば、日立超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡S−4800(日立ハイテク社製)により行われる。   Here, the average diameter of the alloy composed of the first metal and the second metal is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm, and further preferably 20 μm. Here, the average diameter is, for example, a value obtained by arithmetically averaging the diameters when each metal particle is regarded as a sphere. The average diameter is measured, for example, with a Hitachi ultra-high resolution field emission scanning electron microscope S-4800 (manufactured by Hitachi High-Tech).

[金属化合物を還元する方法]
第2の製造方法は、金属化合物を還元させることで、金属化合物内のアニオンを除去させる製造方法である。金属化合物は、多孔質金属20aを構成する金属と、アニオンとの化合物である。アニオンは、酸素及び窒素等を含む無機アニオンや、カルボン酸イオンやメトロキサイドイオン等の有機アニオンが挙げられる。還元は、例えば、金属化合物を水素または一酸化炭素等の還元ガスで処理する事により行われる。これにより、金属化合物のうち、アニオンが占有していた部分がメソ細孔22となる。したがって、この製造方法によれば、アニオンの大きさによって、メソ細孔22の大きさ、即ち直径も変わる。即ち、この製造方法によれば、アニオンの大きさを制御することによって、所望のメソ細孔22を製造することができる。
[Method of reducing metal compound]
The second production method is a production method in which an anion in the metal compound is removed by reducing the metal compound. The metal compound is a compound of a metal constituting the porous metal 20a and an anion. Examples of the anion include inorganic anions containing oxygen and nitrogen, and organic anions such as carboxylate ions and metroxide ions. The reduction is performed, for example, by treating a metal compound with a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide. Thereby, the part which the anion occupied among the metal compounds becomes the mesopores 22. Therefore, according to this manufacturing method, the size, that is, the diameter of the mesopores 22 also changes depending on the size of the anion. That is, according to this manufacturing method, desired mesopores 22 can be manufactured by controlling the size of the anion.

上述したように、本実施形態では、メソ細孔22の直径は2nm以上30nm以下、メソ細孔22の存在比は70%以上、メソ細孔単位体積当りの比表面積は450m/cm以上となるので、これらの値を得るために、アニオンの大きさ、例えば直径は、20Å以下であることが好ましく、より好ましくは10Å以下に設定される。アニオンの1つ1つは、メソ細孔22よりも小さいが、アニオンが除去されることで形成された空孔同士が結合することで、メソ細孔22が形成される。このようなアニオンとしては、例えば、酸素イオン、オレイン酸イオン、メトロキサイドイオン等が挙げられる。 As described above, in this embodiment, the diameter of the mesopores 22 is 2 nm or more and 30 nm or less, the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more, and the specific surface area per mesopore unit volume is 450 m 2 / cm 3 or more. Therefore, in order to obtain these values, the size of the anion, for example, the diameter is preferably 20 mm or less, more preferably 10 mm or less. Each one of the anions is smaller than the mesopores 22, but the mesopores 22 are formed by bonding vacancies formed by removing the anions. Examples of such anions include oxygen ions, oleate ions, metroxide ions, and the like.

[多孔質金属の表面に無機化合物層を形成する方法]
多孔質金属20aの表面に無機化合物層23を形成する方法としては、特に制限されないが、たとえば、多孔質金属20aをガス雰囲気中に晒す方法、多孔質金属20aを溶液に含浸させる方法等が挙げられる。その他の方法としては、例えば化学蒸着法(CVD法)が挙げられる。多孔質金属20aをガス雰囲気中に晒す方法は、具体的には、多孔質金属20aを、反応ガスと不活性ガス(例えば希ガス)との混合ガスに晒す方法である。
[Method of forming an inorganic compound layer on the surface of a porous metal]
The method of forming the inorganic compound layer 23 on the surface of the porous metal 20a is not particularly limited, and examples thereof include a method of exposing the porous metal 20a to a gas atmosphere, a method of impregnating the porous metal 20a with a solution, and the like. It is done. Examples of other methods include chemical vapor deposition (CVD). Specifically, the method of exposing the porous metal 20a to a gas atmosphere is a method of exposing the porous metal 20a to a mixed gas of a reaction gas and an inert gas (for example, a rare gas).

反応ガスは、多孔質金属20aと反応可能なガスである。反応ガスは、たとえば、空気、酸素ガス、ハロゲンガス、窒素ガス、水蒸気、炭酸ガス、及び硫化水素ガスからなる群から選択される少なくとも1種類のガスを含む。   The reactive gas is a gas that can react with the porous metal 20a. The reaction gas includes, for example, at least one gas selected from the group consisting of air, oxygen gas, halogen gas, nitrogen gas, water vapor, carbon dioxide gas, and hydrogen sulfide gas.

反応ガスの濃度(混合ガス全体に占める反応ガスの濃度)は低いほうが好ましい。反応ガスの濃度が低いほど、無機化合物層23の層厚が薄くなるからである。一方、反応ガスの濃度が低すぎると、メソ細孔22の表面に無機化合物層23が形成されない欠落部分が生じる場合がある。そして、この欠落部分は、大気中に晒されることで酸化する。したがって、欠落部分が多いと、これらの欠落部分に過剰に厚い(30nmを超える)酸化膜(すなわち、自然酸化膜)が形成されてしまう可能性がある。   The concentration of the reaction gas (the concentration of the reaction gas in the entire mixed gas) is preferably low. This is because the layer thickness of the inorganic compound layer 23 becomes thinner as the concentration of the reaction gas is lower. On the other hand, if the concentration of the reaction gas is too low, there may be a missing portion where the inorganic compound layer 23 is not formed on the surface of the mesopores 22. The missing portion is oxidized by being exposed to the atmosphere. Therefore, if there are many missing portions, an excessively thick (more than 30 nm) oxide film (that is, a natural oxide film) may be formed in these missing portions.

具体的な反応ガス濃度の上限値は、例えば6体積%以下が好ましく、4体積%以下がより好ましい。一方、反応ガスの濃度の好ましい下限値は、反応ガスの種類に応じて異なる。例えば、反応ガスが酸素となる場合、反応ガスの濃度の好ましい下限値は1.5体積%となる。このように、反応ガスの好ましい濃度範囲は、反応ガスの種類及び多孔質金属20aの種類に応じて変動する。したがって、上記の範囲はあくまで一例である。また、多孔質金属を混合ガスに晒す時間は、例えば10分以上であればよい。この方法によれば、無機化合物層23として、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオンを含む層を形成することができる。   The specific upper limit value of the reaction gas concentration is, for example, preferably 6% by volume or less, and more preferably 4% by volume or less. On the other hand, the preferable lower limit value of the concentration of the reaction gas varies depending on the type of the reaction gas. For example, when the reaction gas is oxygen, a preferable lower limit of the concentration of the reaction gas is 1.5% by volume. Thus, the preferable concentration range of the reaction gas varies depending on the type of the reaction gas and the type of the porous metal 20a. Therefore, the above range is merely an example. Moreover, the time which exposes a porous metal to mixed gas should just be 10 minutes or more, for example. According to this method, a layer containing oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, and sulfur ions can be formed as the inorganic compound layer 23.

多孔質金属20aを溶液に含浸させる方法は、具体的には、多孔質金属20aを、多孔質金属20aと反応可能なアニオン、例えばハロゲンイオン、硝酸イオン、硫酸イオン、酢酸イオン等を含む溶液に含浸し、次いで熱処理する方法である。このような溶液としては、NiF,NiBr,NiCl,NiI,CuBr,CuCl,CuCl,CoBr,CoCl,CoI,CoF,FeBr,FeBr,FeCl,FeCl,FeSO,Ni(NO,NiSO、Ni(C、Cu(NO、CuSO、Co(C、Co(NO,CoSO、Fe(NOのいずれかの水溶液が挙げられる。溶液中のアニオン濃度は例えば、溶液の全質量に対して1質量%であり、含浸時間は例えば10分以上である。熱処理は、10℃/分以下の昇温スピードで所望の到達温度まで多孔質金属20aを加熱し、昇温後の温度で2時間以上保持することで行われる。ここで、到達温度は、多孔質金属20aの種類に応じて異なる。例えば、多孔質金属20aがNi、Fe、Coの場合には400℃〜500℃、銅の場合には150〜300℃となる。この方法によれば、無機化合物層23として、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオンを含む層を形成することができる。 Specifically, the method of impregnating the porous metal 20a with the solution is as follows. The porous metal 20a is made into a solution containing anions capable of reacting with the porous metal 20a, such as halogen ions, nitrate ions, sulfate ions, acetate ions, and the like. It is a method of impregnating and then heat-treating. Such solutions, NiF 2, NiBr 2, NiCl 2, NiI 2, CuBr 2, CuCl, CuCl 2, CoBr 2, CoCl 2, CoI 2, CoF 2, FeBr 2, FeBr 3, FeCl 2, FeCl 3 , FeSO 4 , Ni (NO 3 ) 2 , NiSO 4 , Ni (C 2 H 3 O 2 ) 2 , Cu (NO 3 ) 2 , CuSO 4 , Co (C 2 H 3 O 2 ) 2 , Co (NO 3) ) 2 , CoSO 4 , or Fe (NO 3 ) 2 . The anion concentration in the solution is, for example, 1% by mass with respect to the total mass of the solution, and the impregnation time is, for example, 10 minutes or more. The heat treatment is performed by heating the porous metal 20a to a desired ultimate temperature at a temperature increase rate of 10 ° C./min or less and holding the temperature at the temperature after the temperature increase for 2 hours or more. Here, the ultimate temperature varies depending on the type of the porous metal 20a. For example, when the porous metal 20a is Ni, Fe, or Co, the temperature is 400 to 500 ° C, and when the porous metal 20a is copper, the temperature is 150 to 300 ° C. According to this method, a layer containing oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, and sulfur ions can be formed as the inorganic compound layer 23.

なお、多孔質金属20aを水に投入し、反応ガスをバブリングさせることによっても、無機化合物層23を形成することができる。   The inorganic compound layer 23 can also be formed by introducing the porous metal 20a into water and bubbling the reaction gas.

CVD法により無機化合物層23を形成する方法によれば、無機化合物層23として、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオン、及び炭素イオンを含む層を形成することができる。なお、CVD法に使用される反応ガスとしては、上述した反応ガスの他、アセチレンガス等の炭化水素ガスが挙げられる。また、CVD法では、反応ガスの濃度は3〜15体積%、保持時間(多孔質金属20aを反応ガスに晒す時間)は1〜5時間、反応ガスの昇温速度は10℃/分以下とすることが好ましい。   According to the method of forming the inorganic compound layer 23 by the CVD method, a layer containing oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions is formed as the inorganic compound layer 23. be able to. In addition, as reaction gas used for CVD method, hydrocarbon gas, such as acetylene gas other than the reaction gas mentioned above, is mentioned. Further, in the CVD method, the concentration of the reaction gas is 3 to 15% by volume, the holding time (time for exposing the porous metal 20a to the reaction gas) is 1 to 5 hours, and the temperature rising rate of the reaction gas is 10 ° C./min or less. It is preferable to do.

次に、本実施形態の実施例を説明する。
[実施例1]
平均直径10μmのNi−Al合金(モル比は50:50)を1N水酸化カリウム水溶液に加えることで、Ni−Al合金からアルミニウムを除去した。なお、浸漬時間は3時間とした。以下の各実施例でも同様である。なお、ニッケルの水酸化カリウム水溶液に対する溶解度は、アルミニウムの水酸化カリウムに対する溶解度よりも小さい。言い換えれば、ニッケルは水酸化カリウム水溶液に不溶であるが、アルミニウムは水酸化カリウム水溶液に可溶である。これにより、多孔質電極として、多孔質ニッケルが生成された。生成された多孔質ニッケルは、水洗、真空乾燥された。
Next, examples of the present embodiment will be described.
[Example 1]
Aluminum was removed from the Ni-Al alloy by adding a Ni-Al alloy having an average diameter of 10 m (molar ratio 50:50) to the 1N aqueous potassium hydroxide solution. The immersion time was 3 hours. The same applies to the following embodiments. In addition, the solubility with respect to the potassium hydroxide aqueous solution of nickel is smaller than the solubility with respect to potassium hydroxide of aluminum. In other words, nickel is insoluble in aqueous potassium hydroxide, while aluminum is soluble in aqueous potassium hydroxide. Thereby, porous nickel was produced as a porous electrode. The produced porous nickel was washed with water and vacuum dried.

次いで、多孔質ニッケルを混合ガス(4体積%の酸素ガス+96体積%のアルゴンガス)気流中に室温下で2時間晒すことで、多孔質ニッケルの表面に無機化合物層として酸化ニッケル層を形成した。これにより、多孔質電極を作成した。多孔質電極の各パラメータを島津製作所製比表面積測定装置ASAP2020で測定したところ、比表面積は80m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.07(cm/g)、メソ細孔の存在比は78%、ミクロ細孔の存在比は22%となった。また、これらの値と式(2)により、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は933m/cmとなった。また、孔径分布は3〜20nmで、細孔のピーク値(最も多くの細孔が有する孔径(直径))は6nmであった。 Next, a nickel oxide layer was formed as an inorganic compound layer on the surface of the porous nickel by exposing the porous nickel to a mixed gas (4% by volume oxygen gas + 96% by volume argon gas) airflow at room temperature for 2 hours. . Thereby, the porous electrode was created. When each parameter of the porous electrode was measured with a specific surface area measuring device ASAP2020 manufactured by Shimadzu Corporation, the specific surface area was 80 m 2 / g, and the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume was 0.07 (cm 3 / g), the abundance ratio of mesopores was 78%, and the abundance ratio of micropores was 22%. Further, from these values and the formula (2), the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode was 933 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3 to 20 nm, and the peak value of pores (the pore size (diameter) of the most pores) was 6 nm.

また、多孔質電極の表面をアルゴンエッチングしながらKratos社製のX線光電子分光分析装置AXIS−ULTRA−DLDで分析することで、多孔質電極の厚み方向の元素分析を行った。これにより、無機化合物層の厚みを測定した。この結果、無機化合物層の厚さは12nmと測定された。   Moreover, elemental analysis in the thickness direction of the porous electrode was performed by analyzing the surface of the porous electrode with an X-ray photoelectron spectrometer AXIS-ULTRA-DLD manufactured by Kratos while performing argon etching. Thereby, the thickness of the inorganic compound layer was measured. As a result, the thickness of the inorganic compound layer was measured to be 12 nm.

また、得られた多孔質電極に導電材としてカーボンブラックを多孔質電極の質量に対して5質量%加え、さらに、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を多孔質電極の質量に対して5質量%加えて乳鉢で混合した。その後、当該混合物を錠剤プレス機で成形してペレットを得た。これをアルミニウムメッシュで挟んだものを作用極と対極として用い、参照極にはAg極、電解液には1M−TEA−BF4/PC(テトラエチルアンモニウム-テトラフルオロボレート/プロピレンカーボネート)を用いてセルを構成した。このセルをAdvanced Electrochemical System社製PARSTAT2273により掃印速度1mv/sで−1.25から1.25Vの範囲で掃印することでサイクル試験を行った。サイクル試験は、室温及び60℃の温度下で行われた。これにより、電気二重層キャパシタの単位体積当たりの静電容量、室温での寿命、60℃での寿命を算出した。本実施例では、静電容量が初期容量(1サイクル目の静電容量)の60%となった時点でのサイクル数を寿命とした。   Further, carbon black as a conductive material is added to the obtained porous electrode by 5% by mass with respect to the mass of the porous electrode, and further PTFE (polytetrafluoroethylene) is added by 5% by mass with respect to the mass of the porous electrode. And mixed in a mortar. Thereafter, the mixture was molded with a tablet press to obtain pellets. A cell sandwiched between aluminum meshes is used as a working electrode and a counter electrode, the reference electrode is an Ag electrode, and the electrolyte is 1M-TEA-BF4 / PC (tetraethylammonium-tetrafluoroborate / propylene carbonate). Configured. This cell was subjected to a cycle test by sweeping this cell with a PARSTAT 2273 manufactured by Advanced Electrochemical System at a sweep speed of 1 mv / s in a range of -1.25 to 1.25V. The cycle test was performed at room temperature and a temperature of 60 ° C. Thus, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor, the lifetime at room temperature, and the lifetime at 60 ° C. were calculated. In this example, the number of cycles when the electrostatic capacity reached 60% of the initial capacity (capacitance at the first cycle) was defined as the life.

[実施例2]
混合ガスを(2体積%の炭酸ガス+98体積%のアルゴンガス)とした他は、実施例1と同様の処理を行った。実施例2では、無機化合物層は炭酸ニッケル層となった。多孔質電極の比表面積は78m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.07(cm/g)、メソ細孔の存在比は77%、ミクロ細孔の存在比は23%、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は903m/cmとなった。また、孔径分布は3〜22nmで、細孔のピーク値は6nmであった。また、無機化合物層の厚さは15nmと測定された。
[Example 2]
The same treatment as in Example 1 was performed except that the mixed gas was changed to (2% by volume of carbon dioxide gas + 98% by volume of argon gas). In Example 2, the inorganic compound layer was a nickel carbonate layer. The specific surface area of the porous electrode is 78 m 2 / g, the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume is 0.07 (cm 3 / g), the abundance ratio of mesopores is 77%, micro The abundance ratio of the pores was 23%, and the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode was 903 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3 to 22 nm, and the pore peak value was 6 nm. The thickness of the inorganic compound layer was measured to be 15 nm.

[実施例3]
混合ガスを(1体積%のフッ素ガス+99体積%のアルゴンガス)とした他は、実施例1と同様の処理を行った。実施例3では、無機化合物層はフッ化ニッケル層となった。多孔質電極の比表面積は74m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.0067(cm/g)、メソ細孔の存在比は75%、ミクロ細孔の存在比は25%、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は870m/cmとなった。また、孔径分布は3〜25nmで、細孔のピーク値は7nmであった。また、無機化合物層の厚さは13nmと測定された。
[Example 3]
The same treatment as in Example 1 was performed except that the mixed gas was changed to (1% by volume fluorine gas + 99% by volume argon gas). In Example 3, the inorganic compound layer was a nickel fluoride layer. The specific surface area of the porous electrode is 74 m 2 / g, the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume is 0.0067 (cm 3 / g), the abundance ratio of the mesopores is 75%, micro The abundance ratio of the pores was 25%, and the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode was 870 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3 to 25 nm, and the pore peak value was 7 nm. The thickness of the inorganic compound layer was measured to be 13 nm.

[実施例4]
合金を平均直径10μmのCu−Al合金(モル比は50:50)とし、混合ガスを(1体積%のフッ素ガス+99体積%のアルゴンガス)とした他は、実施例1と同様の処理を行った。なお、銅の水酸化カリウム水溶液に対する溶解度は、アルミニウムの水酸化カリウムに対する溶解度よりも小さい。実施例4では、無機化合物層はフッ化銅層となった。多孔質電極の比表面積は21.2m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.044(cm/g)、メソ細孔の存在比は94%、ミクロ細孔の存在比は6%、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は453m/cmとなった。また、孔径分布は2〜20nmで、細孔のピーク値は10nmであった。また、無機化合物層の厚さは14nmと測定された。
[Example 4]
The same treatment as in Example 1 was performed except that the alloy was a Cu-Al alloy having an average diameter of 10 μm (molar ratio was 50:50) and the mixed gas was (1% by volume fluorine gas + 99% by volume argon gas). went. In addition, the solubility with respect to the potassium hydroxide aqueous solution of copper is smaller than the solubility with respect to potassium hydroxide of aluminum. In Example 4, the inorganic compound layer was a copper fluoride layer. The specific surface area of the porous electrode is 21.2 m 2 / g, the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume is 0.044 (cm 3 / g), and the mesopore abundance ratio is 94%. The abundance ratio of micropores was 6%, and the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode was 453 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 2 to 20 nm, and the pore peak value was 10 nm. The thickness of the inorganic compound layer was measured to be 14 nm.

[実施例5]
混合ガスを(1.2体積%の酸素ガス+98.8体積%のアルゴンガス)とした他は、実施例1と同様の処理を行った。多孔質電極の比表面積は78m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.07cm/g、メソ細孔の存在比は75%、ミクロ細孔の存在比は25%、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は836m/cmとなった。また、孔径分布は3〜23nmで、細孔のピーク値は7nmであった。また、無機化合物層の厚さは22nmと測定された。実施例1、5を比較すると、実施例5の酸素ガス濃度の方が実施例1よりも低いにもかかわらず、無機化合物層が厚くなった。この理由としては、実施例5では上述した欠落部分が形成され、この欠落部分が大気中で酸化されたことが考えられる。なお、実施例5の層厚も30nm以下なので、後述する比較例よりも良好な特性が得られた。
[Example 5]
The same treatment as in Example 1 was performed except that the mixed gas was changed to (1.2% by volume of oxygen gas + 98.8% by volume of argon gas). The specific surface area of the porous electrode is 78 m 2 / g, the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume is 0.07 cm 3 / g, the abundance ratio of the mesopores is 75%, The abundance ratio was 25%, and the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode was 836 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3 to 23 nm, and the pore peak value was 7 nm. The thickness of the inorganic compound layer was measured to be 22 nm. When Examples 1 and 5 were compared, the inorganic compound layer became thick even though the oxygen gas concentration of Example 5 was lower than that of Example 1. The reason for this is that in Example 5, the above-described missing portion was formed, and this missing portion was oxidized in the atmosphere. In addition, since the layer thickness of Example 5 was also 30 nm or less, the characteristic better than the comparative example mentioned later was acquired.

[実施例6]
平均直径10μmのNi−Al合金(モル比は50:50)を1N水酸化カリウム水溶液に加えることで、Ni−Al合金からアルミニウムを除去した。ついで、多孔質ニッケルを水洗し、テトラヒドロフラン(THF)で溶媒置換した。次いで、THFを濾過した。ついで、フルフリルアルコールが濃度1mol/lで溶解したTHF溶液に多孔質ニッケルを10分含浸した。次いで、多孔質ニッケルをTHF溶液から取り出し、アルゴン雰囲気の電気炉に写した。次いで、多孔質ニッケルを昇温スピード10℃/分で700℃まで加熱し、この温度で2時間保持した。これにより、多孔質電極を作成した。実施例6では、無機化合物層は水酸化ニッケル層となった。次いで、多孔質電極を室温まで冷却した。
[Example 6]
Aluminum was removed from the Ni-Al alloy by adding a Ni-Al alloy having an average diameter of 10 m (molar ratio 50:50) to the 1N aqueous potassium hydroxide solution. Subsequently, the porous nickel was washed with water, and the solvent was replaced with tetrahydrofuran (THF). The THF was then filtered. Subsequently, porous nickel was impregnated with a THF solution in which furfuryl alcohol was dissolved at a concentration of 1 mol / l for 10 minutes. Next, the porous nickel was taken out from the THF solution and transferred to an electric furnace in an argon atmosphere. Next, the porous nickel was heated to 700 ° C. at a temperature rising speed of 10 ° C./min and held at this temperature for 2 hours. Thereby, the porous electrode was created. In Example 6, the inorganic compound layer was a nickel hydroxide layer. The porous electrode was then cooled to room temperature.

実施例6では、多孔質電極の比表面積は71m/g、多孔質電極単位質量当りの細孔の体積、即ち細孔容積は0.063cm/g、メソ細孔の存在比は80%、ミクロ細孔の存在比は20%、多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積は901m/cmとなった。また、孔径分布は3〜27nmで、細孔のピーク値は8nmであった。また、無機化合物層の厚さは12nmと測定された。また、この試料に実施例1と同様の処理を施すことで、初期容量等を測定した。 In Example 6, the specific surface area of the porous electrode was 71 m 2 / g, the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume was 0.063 cm 3 / g, and the abundance ratio of mesopores was 80%. The abundance ratio of micropores was 20%, and the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode was 901 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3 to 27 nm, and the pore peak value was 8 nm. The thickness of the inorganic compound layer was measured to be 12 nm. Further, the initial capacity and the like were measured by subjecting this sample to the same treatment as in Example 1.

[比較例1]
酸素ガスによる処理を行わなかったほかは、実施例1と同様の処理を行った。なお、比較例1では、無機化合物層の厚さは31nmとなった。すなわち、比較例1では、多孔質ニッケルが大気中で参加されることで、無機化合物層が形成された。
[Comparative Example 1]
The same treatment as in Example 1 was performed except that the treatment with oxygen gas was not performed. In Comparative Example 1, the thickness of the inorganic compound layer was 31 nm. That is, in Comparative Example 1, the inorganic compound layer was formed by the porous nickel participating in the atmosphere.

[比較例2]
酸素ガスによる処理を行わなかったほかは、実施例4と同様の処理を行った。なお、比較例2では、無機化合物層の厚さは65nmとなった。すなわち、比較例2では、多孔質銅が大気中で酸化されることで、非常に厚い無機化合物層が形成された。
[Comparative Example 2]
The same treatment as in Example 4 was performed, except that the treatment with oxygen gas was not performed. In Comparative Example 2, the thickness of the inorganic compound layer was 65 nm. That is, in Comparative Example 2, a very thick inorganic compound layer was formed by oxidizing porous copper in the atmosphere.

[評価]
表1に測定結果を示す。なお、表1では、実施例1〜6の測定値は比較例で規格化されている。
[Evaluation]
Table 1 shows the measurement results. In Table 1, the measured values of Examples 1 to 6 are standardized in the comparative example.

Figure 2013214679
Figure 2013214679

表1によれば、実施例1〜6は、単位体積あたりの静電容量がいずれも比較例よりも大きくなっている。さらに、実施例1〜6の室温寿命は、雰囲気ガス未処理の比較例に比べて1.4〜1.8倍長寿命になることがわかる。また、高温寿命も比較例に比べて1.9〜2.5倍長寿命になった。実施例1〜6は、多孔質金属と電解質とが直接接触することを反応ガスによって形成された無機化合物層によって抑制することができるために寿命特性が向上したと思われる。また、この特徴はより高温にした60℃において顕著になった。高温では、多孔質金属と電解質との反応活性が高くなるので、無機化合物層により多孔質金属と電解質との接触を抑制した効果が大きくなったものと思われる。   According to Table 1, each of Examples 1 to 6 has a larger capacitance per unit volume than the comparative example. Further, it can be seen that the room temperature life of Examples 1 to 6 is 1.4 to 1.8 times longer than that of the comparative example in which the atmospheric gas is not treated. Also, the high temperature life was 1.9 to 2.5 times longer than that of the comparative example. In Examples 1 to 6, since the inorganic compound layer formed by the reaction gas can suppress the direct contact between the porous metal and the electrolyte, it seems that the life characteristics are improved. In addition, this feature became prominent at 60 ° C., which was a higher temperature. At high temperatures, the reaction activity between the porous metal and the electrolyte is increased, so it is considered that the effect of suppressing the contact between the porous metal and the electrolyte by the inorganic compound layer is increased.

以上により、本実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を含むので、従来よりも単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。したがって、電気二重層キャパシタ10は、電気二重層キャパシタの長所を維持しつつ、かつ、単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも向上させることができる。   As described above, since the electric double layer capacitor 10 according to the present embodiment includes a porous metal having a specific gravity larger than that of activated carbon, the capacitance per unit volume can be increased as compared with the conventional case. Therefore, the electric double layer capacitor 10 can improve the capacitance per unit volume, that is, the energy density, as compared with the conventional one while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor.

さらに、電気二重層キャパシタ10の多孔質電極20は、メソ細孔22の表面を覆う無機化合物層23を含む。この無機化合物層23は、多孔質金属20aと電解質とが直接接触すること、及び多孔質金属20aが大気中で酸化されることを抑制することができる。したがって、電気二重層キャパシタ10は、サイクル安定性及び熱安定性も向上させることができる。   Furthermore, the porous electrode 20 of the electric double layer capacitor 10 includes an inorganic compound layer 23 that covers the surface of the mesopores 22. The inorganic compound layer 23 can suppress the direct contact between the porous metal 20a and the electrolyte and the oxidation of the porous metal 20a in the atmosphere. Therefore, the electric double layer capacitor 10 can also improve cycle stability and thermal stability.

さらに、無機化合物層23を構成するアニオンは、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオン、及び炭素イオンからなる群から選択される少なくとも1種類のアニオンである。したがって、無機化合物層23は、多孔質金属と電解質との接触をより確実に防止することができる。   Further, the anion constituting the inorganic compound layer 23 is at least one kind of anion selected from the group consisting of oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions. Therefore, the inorganic compound layer 23 can more reliably prevent contact between the porous metal and the electrolyte.

さらに、多孔質電極20のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となっているので、この点でも、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。 Furthermore, since the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode 20 is 450 m 2 / cm 3 or more, the energy density per unit volume is larger than that in the prior art.

さらに、メソ細孔22の直径が2nm以上30nm以下であるので、この点でも、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。   Furthermore, since the diameter of the mesopores 22 is not less than 2 nm and not more than 30 nm, the energy density per unit volume is larger than that in the conventional case.

さらに、電解質イオンの直径が2nm以下であるので、電解質イオンは容易にメソ細孔22内部に出入りすることができる。したがって、この点でも、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きくなる。   Furthermore, since the diameter of the electrolyte ions is 2 nm or less, the electrolyte ions can easily enter and exit the mesopores 22. Therefore, also in this respect, the energy density per unit volume becomes larger than the conventional one.

さらに、多孔質金属20aは、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成される。したがって、多孔質金属20aはアニオンと良好に反応し、無機化合物層23を形成することができる。   Further, the porous metal 20a is composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron and cobalt. Therefore, the porous metal 20a can react well with the anion to form the inorganic compound layer 23.

さらに、本実施形態に係る電気二重層キャパシタ10の製造方法では、活性炭よりも比重が大きい多孔質金属を用いて電気二重層キャパシタ10を製造するので、従来よりも電気二重層キャパシタ10の単位体積あたりの静電容量を大きくすることができる。   Furthermore, in the method for manufacturing the electric double layer capacitor 10 according to the present embodiment, the electric double layer capacitor 10 is manufactured using a porous metal having a specific gravity greater than that of activated carbon. The per-capacitance can be increased.

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法では、メソ細孔22の表面を覆う無機化合物層23を形成するので、サイクル安定性及び熱安定性が向上した電気二重層キャパシタ10を製造することができる。   Furthermore, in the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10, since the inorganic compound layer 23 covering the surface of the mesopores 22 is formed, the electric double layer capacitor 10 with improved cycle stability and thermal stability can be manufactured. .

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、多孔質金属20aを反応ガス中に晒すことで、多孔質電極20を製造する。したがって、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、無機化合物層23をより確実に形成することができる。   Furthermore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 manufactures the porous electrode 20 by exposing the porous metal 20a to the reaction gas. Therefore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 can form the inorganic compound layer 23 more reliably.

さらに、反応ガスは、空気、酸素ガス、ハロゲンガス、窒素ガス、水蒸気、炭酸ガス、硫化水素ガス、からなる群から選択される少なくとも1種類のガスを含む。したがって、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、多孔質金属20aと電解質との接触をより確実に抑制可能な無機化合物層23を形成することができる。   Further, the reaction gas includes at least one gas selected from the group consisting of air, oxygen gas, halogen gas, nitrogen gas, water vapor, carbon dioxide gas, and hydrogen sulfide gas. Therefore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 can form the inorganic compound layer 23 that can more reliably suppress the contact between the porous metal 20a and the electrolyte.

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法では、多孔質金属20aを、多孔質金属20aと反応可能なアニオンを含む溶液に含浸し、次いで熱処理することで、多孔質電極20を製造する。したがって、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、無機化合物層23をより確実に形成することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing the electric double layer capacitor 10, the porous electrode 20 is manufactured by impregnating the porous metal 20a with a solution containing an anion capable of reacting with the porous metal 20a and then performing a heat treatment. Therefore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 can form the inorganic compound layer 23 more reliably.

さらに、多孔質電極20のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となっているので、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を製造することができる。 Furthermore, since the specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode 20 is 450 m 2 / cm 3 or more, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 has a larger energy density per unit volume than before. The electric double layer capacitor 10 can be manufactured.

さらに、メソ細孔22の直径が2nm以上30nm以下であるので、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を製造することができる。   Furthermore, since the diameter of the mesopores 22 is 2 nm or more and 30 nm or less, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 can manufacture the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than that of the conventional one.

さらに、電解質イオンの直径が2nm以下であるので、電解質イオンは容易にメソ細孔22内部に出入りすることができる。したがって、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を製造することができる。   Furthermore, since the diameter of the electrolyte ions is 2 nm or less, the electrolyte ions can easily enter and exit the mesopores 22. Therefore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 can manufacture the electric double layer capacitor 10 whose energy density per unit volume is larger than the conventional one.

さらに、多孔質金属20aは、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成されるので、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、無機化合物層23をより確実に形成することができる。   Furthermore, since the porous metal 20a is composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron, and cobalt, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 makes the inorganic compound layer 23 more reliable. Can be formed.

さらに、本実施形態では、メソ細孔22の存在比が70%以上となるので、寿命、安全性、出力密度が二次電池よりも格段に優れているという長所を維持しつつ、単位体積あたりの静電容量、即ちエネルギ密度を従来よりも大きくすることができる。   Furthermore, in this embodiment, since the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more, while maintaining the advantages that the life, safety, and output density are much better than the secondary battery, The electrostatic capacity, i.e., energy density, can be made larger than the conventional one.

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、メソ細孔22の存在比が70%以上となる多孔質金属20aを製造する。したがって、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 manufactures the porous metal 20a in which the abundance ratio of the mesopores 22 is 70% or more. Therefore, the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than the conventional one can be easily manufactured.

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、酸またはアルカリ性溶液に可溶な第1の金属と、第1の金属よりも酸またはアルカリ性溶液に対する溶解度が小さい第2の金属とを含む合金を、酸またはアルカリ性溶液で処理することで、多孔質金属20aを作成する。したがって、従来のアルカリ賦活処理に必要だった複雑な後処理が不要になるので、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, the method for manufacturing the electric double layer capacitor 10 includes an alloy including a first metal that is soluble in an acid or alkaline solution and a second metal that is less soluble in an acid or alkaline solution than the first metal. The porous metal 20a is produced by processing with an acid or an alkaline solution. Therefore, since the complicated post-treatment required for the conventional alkali activation treatment is not required, the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than that of the conventional one can be easily manufactured.

さらに、第1の金属は、アルミニウム、鉛、スズ、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属を含むので、酸またはアルカリ性溶液に容易に溶解される。したがって、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, since the first metal includes at least one metal selected from the group consisting of aluminum, lead, tin, and zinc, it is easily dissolved in an acid or alkaline solution. Therefore, the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than the conventional one can be easily manufactured.

さらに、第1の金属と第2の金属とのモル比は、1:3〜3:1の範囲が好ましく、より好ましくは1:1〜3:1であるので、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, the molar ratio of the first metal to the second metal is preferably in the range of 1: 3 to 3: 1, more preferably 1: 1 to 3: 1, so that the energy density per unit volume is Electric double layer capacitor 10 larger than the conventional one can be easily manufactured.

さらに、電気二重層キャパシタ10の製造方法は、金属化合物を還元処理するステップを含むので、従来のアルカリ賦活処理に必要だった複雑な後処理が不要になる。したがって、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, since the manufacturing method of the electric double layer capacitor 10 includes the step of reducing the metal compound, the complicated post-processing necessary for the conventional alkali activation treatment is not required. Therefore, the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than the conventional one can be easily manufactured.

さらに、金属化合物を構成するアニオンの直径は、20Å以下であることが好ましく、より好ましくは10Å以下であるので、単位体積当りのエネルギ密度が従来よりも大きい電気二重層キャパシタ10を容易に製造することができる。   Furthermore, since the diameter of the anion constituting the metal compound is preferably 20 mm or less, more preferably 10 mm or less, the electric double layer capacitor 10 having an energy density per unit volume larger than the conventional one can be easily manufactured. be able to.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

10 電気二重層キャパシタ
11 カソード電極
12 アノード電極
20 多孔質電極
20a 多孔質金属
22 メソ細孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric double layer capacitor 11 Cathode electrode 12 Anode electrode 20 Porous electrode 20a Porous metal 22 Mesopore

Claims (15)

メソ細孔が形成された多孔質金属と、前記メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含む複数の多孔質電極と、
前記複数の多孔質電極の間に配置される電解質と、を備えることを特徴とする、電気二重層キャパシタ。
A plurality of porous electrodes comprising a porous metal in which mesopores are formed, and an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores,
And an electrolyte disposed between the plurality of porous electrodes.
前記無機化合物層を構成するアニオンは、酸素イオン、ハロゲンイオン、窒素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオン、硫黄イオン、及び炭素イオンからなる群から選択される少なくとも1種類のアニオンであることを特徴とする、請求項1記載の電気二重層キャパシタ。   The anion constituting the inorganic compound layer is at least one anion selected from the group consisting of oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions. The electric double layer capacitor according to claim 1. 前記多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上であることを特徴とする、請求項1または2記載の電気二重層キャパシタ。 3. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein a specific surface area per unit volume of mesopores of the porous electrode is 450 m 2 / cm 3 or more. 前記メソ細孔の直径が2nm以上30nm以下であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の電気二重層キャパシタ。   The electric double layer capacitor according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter of the mesopore is 2 nm or more and 30 nm or less. 前記電解質に含まれる電解質イオンの直径が2nm以下であることを特徴とする、請求項4記載の電気二重層キャパシタ。   The electric double layer capacitor according to claim 4, wherein a diameter of an electrolyte ion contained in the electrolyte is 2 nm or less. 前記多孔質金属は、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気二重層キャパシタ。   The electric porous body according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous metal is composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron and cobalt. Multilayer capacitor. メソ細孔が形成された多孔質金属と、前記メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含むことを特徴とする、電気二重層キャパシタ用の多孔質電極。   A porous electrode for an electric double layer capacitor, comprising: a porous metal having mesopores formed therein; and an inorganic compound layer covering a surface of the mesopores. メソ細孔が形成された多孔質金属と、前記メソ細孔の表面を覆う無機化合物層と、を含む多孔質電極を複数製造するステップと、
複数の前記多孔質電極の間に電解質を配置するステップと、を含むことを特徴とする、電気二重層キャパシタの製造方法。
Producing a plurality of porous electrodes comprising a porous metal having mesopores formed thereon and an inorganic compound layer covering the surface of the mesopores;
Disposing an electrolyte between the plurality of porous electrodes, and a method for producing an electric double layer capacitor.
メソ細孔が形成された多孔質金属を、前記多孔質金属と反応可能な反応ガス中に晒すことで、前記多孔質電極を製造することを特徴とする、請求項8記載の電気二重層キャパシタの製造方法。   9. The electric double layer capacitor according to claim 8, wherein the porous electrode is manufactured by exposing a porous metal in which mesopores are formed to a reactive gas capable of reacting with the porous metal. Manufacturing method. 前記反応ガスは、空気、酸素ガス、ハロゲンガス、窒素ガス、水蒸気、炭酸ガス、及び硫化水素ガスからなる群から選択される少なくとも1種類のガスを含むことを特徴とする、請求項9記載の電気二重層キャパシタの製造方法。   10. The reaction gas according to claim 9, wherein the reaction gas includes at least one gas selected from the group consisting of air, oxygen gas, halogen gas, nitrogen gas, water vapor, carbon dioxide gas, and hydrogen sulfide gas. Manufacturing method of electric double layer capacitor. メソ細孔が形成された多孔質金属を、前記多孔質金属と反応可能なアニオンを含む溶液に含浸し、次いで熱処理することで、前記多孔質電極を製造することを特徴とする、請求項8記載の電気二重層キャパシタの製造方法。   9. The porous electrode is manufactured by impregnating a porous metal having mesopores formed in a solution containing an anion capable of reacting with the porous metal, and then heat-treating the porous metal. The manufacturing method of the electrical double layer capacitor of description. 前記多孔質電極のメソ細孔単位体積当りの比表面積が450m/cm以上であることを特徴とする、請求項8〜11の何れか1項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 The specific surface area per mesopore unit volume of the porous electrode, characterized in that it is 450 m 2 / cm 3 or more, a manufacturing method of the electric double layer capacitor according to any one of claims 8-11. 前記メソ細孔の直径が2nm以上30nm以下であることを特徴とする、請求項8〜12の何れか1項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。   The method for producing an electric double layer capacitor according to any one of claims 8 to 12, wherein a diameter of the mesopore is 2 nm or more and 30 nm or less. 前記電解質に含まれる電解質イオンの直径が2nm以下であることを特徴とする、請求項13に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。   The method of manufacturing an electric double layer capacitor according to claim 13, wherein the diameter of the electrolyte ions contained in the electrolyte is 2 nm or less. 前記多孔質金属は、ニッケル、銅、鉄及びコバルトからなる群から選択される少なくとも1種類の金属で構成されることを特徴とする、請求項8〜14のいずれか1項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
The electric porous body according to any one of claims 8 to 14, wherein the porous metal is composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron and cobalt. Manufacturing method of multilayer capacitor.
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JP2017517141A (en) * 2014-04-08 2017-06-22 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Production and use of flexible and conductive thin films and inorganic layers in electronic devices

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