JP2014007220A - Electric double layer capacitor and porous electrode - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel and improved electric double layer capacitor capable of improving electrostatic capacity per unit volume, more specifically energy density, than conventional ones, while maintaining the advantages of an electric double layer capacitor.SOLUTION: According to one aspect of the present invention, there is provided an electric double layer capacitor which includes: a porous electrode including porous metal having a mesopore formed therein, the mesopore having a specific surface area per unit volume of 450 m/cmor more; and an electrolyte containing electrolyte ions capable of being absorbed and desorbed to the porous electrode.

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ、及び多孔質電極に関する。   The present invention relates to an electric double layer capacitor and a porous electrode.

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(体積エネルギ密度)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 the energy density (volume 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 2014007220
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 2014007220
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7−320884号公報JP 7-320884 A 特開2009−153454号公報JP 2009-153454 A 特開2009−13292号公報JP 2009-13292 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、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された多孔質金属を含む多孔質電極と、多孔質電極に吸脱着可能な電解質イオンを含む電解質と、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 porous electrode including a porous metal having mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more, And an electrolyte containing electrolyte ions that can be adsorbed and desorbed on the electrode.

この観点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。さらに、多孔質金属は、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成されている。したがって、電気二重層キャパシタは、電解質イオンの粒径(直径)によらず、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。 Since the electric double layer capacitor according to this aspect 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. Further, mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed in the porous metal. Therefore, the electric double layer capacitor can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional one regardless of the particle diameter (diameter) of the electrolyte ions.

ここで、多孔質金属を含む多孔質正極と、黒鉛、チタン酸リチウム、及びハードカーボンからなる群から選択される少なくとも1種類のリチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を含む負極と、を備えていてもよい。   Here, a porous positive electrode including a porous metal and a negative electrode including a material capable of occluding and releasing at least one lithium ion selected from the group consisting of graphite, lithium titanate, and hard carbon are provided. Also good.

この観点によれば、従来のリチウムイオンキャパシタのカソード電極を本観点に係る多孔質金属に置き換えることで、電気二重層キャパシタを製造することができる。すなわち、高出力、高エネルギ密度の電気二重層キャパシタを容易に製造することができる。   According to this aspect, the electric double layer capacitor can be manufactured by replacing the cathode electrode of the conventional lithium ion capacitor with the porous metal according to this aspect. That is, an electric double layer capacitor having a high output and a high energy density can be easily manufactured.

また、活性炭を含む多孔質正極と、多孔質金属を含む多孔質負極と、を備えていてもよい。   Moreover, you may provide the porous positive electrode containing activated carbon, and the porous negative electrode containing a porous metal.

この観点によれば、従来のリチウムイオンキャパシタのアノード電極を本観点に係る多孔質金属に置き換えることで、電気二重層キャパシタを製造することができる。すなわち、高出力、高エネルギ密度の電気二重層キャパシタを容易に製造することができる。   According to this aspect, the electric double layer capacitor can be manufactured by replacing the anode electrode of the conventional lithium ion capacitor with the porous metal according to this aspect. That is, an electric double layer capacitor having a high output and a high energy density can be easily manufactured.

また、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された第1の多孔質金属を含む多孔質正極と、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成され、かつ、第1の多孔質金属と異なる金属で構成された第2の多孔質金属を含む多孔質負極と、を備えていてもよい。 A porous positive electrode including a first porous metal having mesopores with a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more, and a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more. And a porous negative electrode including a second porous metal made of a metal different from the first porous metal.

この観点によれば、多孔質正極及び多孔質負極がいずれも多孔質金属で構成されている。ここで、多孔質正極を構成する第1の多孔質金属は、多孔質負極を構成する第2の多孔質金属と金属の種類が異なる。したがって、本観点に係る電気二重層キャパシタは、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。   According to this viewpoint, both the porous positive electrode and the porous negative electrode are made of a porous metal. Here, the 1st porous metal which comprises a porous positive electrode differs in the 2nd porous metal which comprises a porous negative electrode, and the kind of metal. Therefore, the electric double layer capacitor according to this aspect can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional case.

また、メソ細孔の直径は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、電解質イオンはメソ細孔内部に効果的に吸脱着するので、電気二重層キャパシタのエネルギ密度及び出力特性が従来よりも向上する。   According to this viewpoint, the electrolyte ions are effectively adsorbed and desorbed inside the mesopores, so that the energy density and output characteristics of the electric double layer capacitor are improved as compared with the conventional case.

また、電解質は、直径が2nm以下の電解質イオンを含んでいてもよい。   The electrolyte may contain electrolyte ions having a diameter of 2 nm or less.

この観点によれば、電解質イオンはメソ細孔内部に効果的に吸脱着するので、電気二重層キャパシタのエネルギ密度及び出力特性が従来よりも向上する。   According to this viewpoint, the electrolyte ions are effectively adsorbed and desorbed inside the mesopores, so that the energy density and output characteristics of the electric double layer capacitor are improved as compared with the conventional case.

また、多孔質金属がニッケル、銅、鉄、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いてもよい。   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、電気二重層キャパシタは、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。   According to this viewpoint, the electric double layer capacitor can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional case.

また、本発明の他の観点によれば、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された多孔質金属を含む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 a porous electrode for an electric double layer capacitor including a porous metal in which mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed. Is done.

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。したがって、この多孔質電極を電気二重層キャパシタに適用することで、電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量を従来よりも大きくすることができる。すなわち、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。さらに、多孔質金属は、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成されている。したがって、電気二重層キャパシタは、電解質イオンの粒径(直径)によらず、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。 The porous electrode according to this aspect includes a porous metal having a specific gravity larger than that of activated carbon. Therefore, by applying this porous electrode to an electric double layer capacitor, the capacitance per unit volume of the electric double layer capacitor can be made larger than before. That is, while maintaining the advantages of the electric double layer capacitor, the capacitance per unit volume, that is, the energy density can be improved as compared with the conventional case. Further, mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed in the porous metal. Therefore, the electric double layer capacitor can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional one regardless of the particle diameter (diameter) of the electrolyte ions.

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。さらに、多孔質金属は、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成されている。したがって、電気二重層キャパシタは、電解質イオンの粒径(直径)によらず、エネルギ密度及び出力特性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 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. Further, mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed in the porous metal. Therefore, the electric double layer capacitor can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional one regardless of the particle diameter (diameter) of the electrolyte ions.

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.

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)について満足な値は得られていない。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, with any of the techniques disclosed in any document, a satisfactory value for the energy density per unit volume of an electric double layer capacitor (hereinafter, also simply referred to as “energy density of an electric double layer capacitor” or “energy density”) is Not obtained. 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、いわゆる非対称電気二重層キャパシタであり、正極と負極とが異なる。本発明者は、非対称電気二重層キャパシタとして、以下の第1の実施形態〜第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタに想到するに至った。以下、各実施形態について説明する。   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 is a so-called asymmetric electric double layer capacitor, and the positive electrode and the negative electrode are different. The inventor has come up with the electric double layer capacitors according to the following first to third embodiments as asymmetric electric double layer capacitors. Each embodiment will be described below.

<第1の実施形態>
(第1の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、第1の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、多孔質材料20で構成されるカソード電極(多孔質正極)11と、負極材料21で構成されるアノード電極12と、これらの電極の間に配置される電解質13とを備える。
<First Embodiment>
(Configuration of Electric Double Layer Capacitor According to First Embodiment)
Next, the configuration of the electric double layer capacitor 10 according to the first 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 (porous positive electrode) 11 composed of a porous material 20, an anode electrode 12 composed of a negative electrode material 21, and these And an electrolyte 13 disposed between the electrodes.

多孔質材料20は、図2に示すように、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔22が形成された多孔質金属で構成されている。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。単位体積当りの比表面積については後述する。 As shown in FIG. 2, the porous material 20 is composed of a porous metal in which mesopores 22 having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed. 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. The specific surface area per unit volume will be described later.

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材料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材料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 material 20 in a solvated state. And the diameter of the solvated electrolyte ion is estimated to be 1-2 nm. Accordingly, 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 material 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材料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水酸化ナト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 material 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. In addition, the porous copper of 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 sodium hydroxide aqueous 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、多孔質材料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、多孔質材料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 material 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 material 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. 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、多孔質材料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、多孔質材料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。 Moreover, the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous material 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 material 20 is obtained by the following formula (2).

Figure 2014007220
Figure 2014007220

式(2)中、Sは多孔質材料20のメソ細孔単位体積当りの比表面積(m/cm)であり、aは多孔質材料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材料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 material 20, and a is a specific surface area (m 2 / g) of the porous material 20. b is the volume of the pores 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 material 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、多孔質材料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 material 20 is designed based on the specific surface area per unit volume of 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、正極及び負極には同じものを用いた。例えば、正極及び負極を多孔質銅とすることで、多孔質銅の静電容量を測定した。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 Examples described later, and the same positive electrode and negative electrode were used. For example, the capacitance of the porous copper was measured by setting the positive electrode and the negative electrode to porous copper. 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.

一方、メソ細孔単位体積当りの比表面積の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、多孔質材料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の多孔質材料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。 On the other hand, the upper limit value of the specific surface area per unit volume of mesopores varies depending on the diameter of the electrolyte ions. 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 material 20). Accordingly, when the specific surface area per mesopore unit volume is S1 (m 2 / cm 3 ), the specific surface area of the porous material 20 of 1 cm 3 is S1 (m 2 ). And the theoretical value of an electrostatic capacitance is computed by the following formula | equation (3).

Figure 2014007220
Figure 2014007220

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は多孔質材料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、即ち多孔質材料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、即ち多孔質材料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 attached per unit area (1 m 2 ) of the surface of the porous material 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 material 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 material 20, and is 1.0 V in the example of FIG.

Figure 2014007220
Figure 2014007220

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 2014007220
Figure 2014007220

ここで、xはメソ細孔22の直径(m)であり、nは1cmの多孔質材料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 disposed in the 1 cm 3 porous material 20, which is expressed by the following formula (5). S is a specific surface area per unit volume of mesopores.

Figure 2014007220
Figure 2014007220

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.

上記の理由により、多孔質材料20のメソ細孔単位体積当りの比表面積は、450m/cm以上となる。また、メソ細孔単位体積当りの比表面積の上限値は電解質イオンの直径に応じて変化する。また、多孔質材料20は、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、多孔質材料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。なお、上記の理論は、多孔質材料20が電気二重層を構成する場合に成り立つ。 For the above reason, the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous material 20 is 450 m 2 / cm 3 or more. Further, the upper limit value of the specific surface area per unit volume of mesopores varies depending on the diameter of the electrolyte ions. Moreover, the porous material 20 is preferably composed of a transition metal (for example, an element existing between a Group 3 element and a Group 11 element in the periodic table). Specifically, the porous material 20 includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Cu, Co, and Fe, for example. The above theory holds when the porous material 20 forms an electric double layer.

また、多孔質材料20の表面(即ち、メソ細孔22の表面を含む多孔質材料20の全面)には、無機化合物層が形成されていてもよい。即ち、メソ細孔22の表面は、無機化合物層で覆われていてもよい。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、多孔質材料20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、多孔質材料20が電解液に直接接触すると、多孔質材料20に電圧を加えた際に多孔質材料20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材料20の反応活性が高くなり、溶出量が多くなる。したがって、多孔質材料20の表面、特にメソ細孔22の表面を無機化合物層で覆うことで、多孔質材料20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。   An inorganic compound layer may be formed on the surface of the porous material 20 (that is, the entire surface of the porous material 20 including the surface of the mesopores 22). That is, the surface of the mesopores 22 may be covered with an inorganic compound layer. 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 material 20 is prevented from coming into direct contact with the electrolyte (electrolytic solution). That is, when the porous material 20 is in direct contact with the electrolytic solution, the porous material 20 is easily eluted into the electrolytic solution when a voltage is applied to the porous material 20. And the higher the temperature, the higher the reaction activity of the porous material 20 and the greater the amount of elution. Therefore, the elution of the porous material 20 is prevented by covering the surface of the porous material 20, particularly the surface of the mesopores 22, with the inorganic compound layer, and consequently the cycle stability and thermal stability of the electric double layer capacitor 10. Will improve.

無機化合物層は、多孔質材料20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 is composed of a compound of a metal and an anion constituting the porous material 20, that is, an inorganic compound. The anion constituting the inorganic compound layer includes, for example, 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.

無機化合物層は、出来る限り薄い方が好ましい。無機化合物層が薄いほど、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、10nm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(多孔質材料20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 is preferably as thin as possible. This is because the thinner the inorganic compound layer is, the lower the electric resistance of the electric double layer capacitor 10 is, so that the rapid charge / discharge characteristics are prevented from deteriorating. The specific layer thickness is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 10 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 material 20 to the atmosphere). The layer thickness of the inorganic compound layer is measured by, for example, an X-ray photoelectron spectrometer AXIS-ULTRA-DLD manufactured by Kratos.

負極材料21は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料であり、黒鉛、チタン酸リチウム、及びハードカーボンからなる群から選択される少なくとも1種類の材料で構成される。黒鉛としてはリチウムイオンの挿入脱離量ができる限り大きな材料が好ましく、リチウムイオン電池あるいはリチウムイオンキャパシタに使われるものが好ましい。黒鉛は、具体的には、例えば人造黒鉛や天然黒鉛等を熱処理したものとなる。チタン酸リチウムとしてはLiTi12が好ましい。すなわち、負極材料21は、リチウムイオン二次電池のアノード電極に使用される材料であればどのようなものであってもよい。 The negative electrode material 21 is a material capable of occluding and releasing lithium ions, and is composed of at least one material selected from the group consisting of graphite, lithium titanate, and hard carbon. Graphite is preferably a material that can insert and desorb lithium ions as much as possible, and is preferably used for lithium ion batteries or lithium ion capacitors. Specifically, the graphite is obtained by heat-treating, for example, artificial graphite or natural graphite. Li 5 Ti 4 O 12 is preferred as the lithium titanate. That is, the negative electrode material 21 may be any material as long as it is a material used for the anode electrode of the lithium ion secondary battery.

アノード電極12は、リチウムイオン二次電池の原理に従って(言い換えれば、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極材料21の層間にリチウムイオンが吸脱着することで)充放電する。従って、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極材料21及びリチウムイオンは、多孔質金属及び多孔質金属と電気二重層を形成する電解質に要求される要件を満たす必要はない。このように、第1の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、リチウムイオンキャパシタを構成するものであり、カソード電極11において多孔質金属と電解質イオンとが電気二重層を形成する。したがって、エネルギ密度及び出力が高くなる。   The anode electrode 12 is charged and discharged according to the principle of a lithium ion secondary battery (in other words, lithium ions are absorbed and desorbed between layers of the negative electrode material 21 capable of occluding and releasing lithium ions). Therefore, the negative electrode material 21 and the lithium ions capable of occluding and releasing lithium ions do not need to satisfy the requirements required for the porous metal and the electrolyte that forms the electric double layer with the porous metal. Thus, the electric double layer capacitor 10 according to the first embodiment constitutes a lithium ion capacitor, and the porous metal and the electrolyte ions form an electric double layer in the cathode electrode 11. Accordingly, the energy density and output are increased.

(多孔質材料(多孔質金属)の製造方法)
次に、多孔質材料20の製造方法について説明する。多孔質材料20は、多孔質材料20を製造した後、多孔質材料20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 material (porous metal))
Next, a method for manufacturing the porous material 20 will be described. The porous material 20 is manufactured by forming an inorganic compound on the surface of the porous material 20 after manufacturing the porous material 20. 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、多孔質材料20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 material 20. 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、第1の実施形態では、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 the first 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 unit volume of the mesopores is 450 m 2 / cm. 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: Set to 1.

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、多孔質材料20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 material 20 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)
多孔質材料20の表面に無機化合物層を形成する方法としては、特に制限されないが、たとえば、多孔質材料20をガス雰囲気中に晒す方法、多孔質材料20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。多孔質材料20をガス雰囲気中に晒す方法は、具体的には、多孔質材料20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 on the surface of the porous material 20 is not particularly limited, and examples thereof include a method of exposing the porous material 20 to a gas atmosphere, a method of impregnating the porous material 20 with a solution, and the like. . Examples of other methods include chemical vapor deposition (CVD). Specifically, the method of exposing the porous material 20 to the gas atmosphere is a method of exposing the porous material 20 to a mixed gas of a reaction gas and an inert gas (for example, a rare gas).

反応ガスは、多孔質材料20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 reaction gas is a gas that can react with the porous material 20. 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 lower the concentration of the reaction gas, the thinner the inorganic compound layer. On the other hand, if the concentration of the reaction gas is too low, a missing portion where an inorganic compound layer is not formed on the surface of the mesopores 22 may occur. 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材料20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 reactive gas varies depending on the type of the reactive gas and the type of the porous material 20. 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.

多孔質材料20を溶液に含浸させる方法は、具体的には、多孔質材料20を、多孔質材料20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。 Specifically, the method of impregnating the porous material 20 with the solution is as follows. The porous material 20 is made into a solution containing an anion capable of reacting with the porous material 20, such as a halogen ion, a nitrate ion, a sulfate ion, and an acetate ion. 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 2, FeCl 2, FeCl 2 , FeSO 2 , 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 .

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材料20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、多孔質材料20の種類に応じて異なる。例えば、多孔質材料20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 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 material 20 to a desired reached temperature at a temperature rising speed of 10 ° C./min or less and holding at the temperature after the temperature rising for 2 hours or more. Here, the ultimate temperature varies depending on the type of the porous material 20. For example, when the porous material 20 is Ni, Fe, or Co, the temperature is 400 to 500 ° C., and when the porous material 20 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.

なお、多孔質材料20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、無機化合物層を形成することができる。   The inorganic compound layer can also be formed by introducing the porous material 20 into water and bubbling the reaction gas.

CVD法により無機化合物層を形成する方法によれば、無機化合物層として、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(多孔質材料20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 an inorganic compound layer by a CVD method, a layer containing oxygen ions, halogen ions, nitrogen ions, hydroxide ions, carbonate ions, sulfur ions, and carbon ions can be formed as the inorganic compound layer. it can. 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 (the time for exposing the porous material 20 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.

<第2の実施形態>
第2の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、多孔質材料20、負極材料21の構成が第1の実施形態と異なる。第2の実施形態では、多孔質材料20は、活性炭で構成され、負極材料21は、上述した多孔質金属で構成される。ここで、活性炭は、特に制限されないが、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタに使われるものが好ましい。第2の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、カソード電極11、アノード電極12の両方において電気二重層が形成される。また、アノード電極12では、多孔質金属と電解質イオンとが電気二重層を構成する。したがって、エネルギ密度及び出力が高くなる。
<Second Embodiment>
The electric double layer capacitor 10 according to the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the porous material 20 and the negative electrode material 21. In the second embodiment, the porous material 20 is made of activated carbon, and the negative electrode material 21 is made of the porous metal described above. Here, the activated carbon is not particularly limited, but is preferably used for an electric double layer capacitor or a lithium ion capacitor. In the electric double layer capacitor 10 according to the second embodiment, an electric double layer is formed in both the cathode electrode 11 and the anode electrode 12. In the anode electrode 12, the porous metal and the electrolyte ions constitute an electric double layer. Accordingly, the energy density and output are increased.

<第3の実施形態>
第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、多孔質材料20、負極材料21の構成が第1の実施形態と異なる。第2の実施形態では、多孔質材料20、負極材料21は、いずれも上述した多孔質金属で構成される。ただし、多孔質材料20を構成する多孔質金属、すなわち第1の多孔質金属と、負極材料21を構成する多孔質金属、すなわち第2の多孔質金属とは金属の種類が互いに異なる。例えば、多孔質材料20が多孔質ニッケルとなる場合、負極材料21は多孔質銅となる。第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、カソード電極11、アノード電極12の両方において電気二重層が形成される。すなわち、カソード電極11、アノード電極12の両方で、多孔質金属と電解質イオンとが電気二重層を構成する。したがって、エネルギ密度及び出力が高くなる。
<Third Embodiment>
The electric double layer capacitor 10 according to the third embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the porous material 20 and the negative electrode material 21. In the second embodiment, both the porous material 20 and the negative electrode material 21 are made of the porous metal described above. However, the porous metal constituting the porous material 20, that is, the first porous metal, and the porous metal constituting the negative electrode material 21, that is, the second porous metal, are different in metal type. For example, when the porous material 20 is porous nickel, the negative electrode material 21 is porous copper. In the electric double layer capacitor 10 according to the third embodiment, an electric double layer is formed in both the cathode electrode 11 and the anode electrode 12. That is, in both the cathode electrode 11 and the anode electrode 12, the porous metal and the electrolyte ions form an electric double layer. Accordingly, the energy density and output are increased.

各実施形態の構成をまとめると、以下の表1のようになる。   The configuration of each embodiment is summarized as shown in Table 1 below.

Figure 2014007220
Figure 2014007220

このように、第1の実施形態は、公知のリチウムイオンキャパシタの正極を多孔質金属に置き換えたものであり、第2の実施形態は、公知のリチウムイオンキャパシタの負極を多孔質金属に置き換えたものである。したがって、第1〜第2の実施形態の電気二重層キャパシタ10は、公知のリチウムイオンキャパシタのいずれかの電極を多孔質金属に置き換えることで製造可能である。すなわち、これらの実施形態によれば、高エネルギ密度及び高出力の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。   As described above, in the first embodiment, the positive electrode of a known lithium ion capacitor is replaced with a porous metal, and in the second embodiment, the negative electrode of a known lithium ion capacitor is replaced with a porous metal. Is. Therefore, the electric double layer capacitor 10 of the first to second embodiments can be manufactured by replacing any electrode of a known lithium ion capacitor with a porous metal. That is, according to these embodiments, the electric double layer capacitor 10 having a high energy density and a high output can be easily manufactured.

次に、第1〜第3の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水酸化ナト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、ニッケルの水酸化ナトリウム水溶液に対する溶解度は、アルミニウムの水酸化ナトリウムに対する溶解度よりも小さい。言い換えれば、ニッケルは水酸化ナトリウム水溶液に不溶であるが、アルミニウムは水酸化ナトリウム水溶液に可溶である。これにより、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 first to third embodiments 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 sodium hydroxide solution. The immersion time was 3 hours. The same applies to the following embodiments. In addition, the solubility with respect to the sodium hydroxide aqueous solution of nickel is smaller than the solubility with respect to the sodium hydroxide of aluminum. In other words, nickel is insoluble in aqueous sodium hydroxide solution, while aluminum is soluble in aqueous sodium hydroxide solution. Thereby, porous nickel was produced. 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正極として用いた。負極には人造黒鉛を用いた。また、参照極にはAg極、電解液には1M−LiBF/EC/DEC(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート)(1:1)を用いてセルを構成した。また、負極中にリチウムイオンをプレドープするためにリチウム箔を予め挿入しておき、これを負極と短絡させることでプレドープを行った。すなわち、実施例1は第1の実施形態に対応する。なお、正極と電気二重層を構成する電解質イオン、すなわちBFの直径(溶媒和したイオンの直径)は、シミュレーションにより1.02nmとなる。 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 material sandwiched between aluminum meshes was used as the positive electrode. Artificial graphite was used for the negative electrode. A cell was constructed using an Ag electrode as the reference electrode and 1M-LiBF 4 / EC / DEC (ethylene carbonate / dimethyl carbonate) (1: 1) as the electrolyte. Moreover, in order to pre-dope lithium ions in the negative electrode, a lithium foil was inserted in advance, and pre-doping was performed by short-circuiting this with the negative electrode. That is, Example 1 corresponds to the first embodiment. The diameter of the electrolyte ions constituting the positive electrode and the electric double layer, that is, BF 4 (diameter of solvated ions) is 1.02 nm by simulation.

そして、BioLogic社製VSP装置を用いて、このセルを1mAから60mAの範囲で充放電することで、レート特性を評価した。この際の充放電範囲は2.2から3.8Vとなった。またエネルギ密度を1mAで0Vから2.5Vまで充放電した場合の容量に基づいて算出した。   The rate characteristics were evaluated by charging and discharging the cell in the range of 1 mA to 60 mA using a BioLogic VSP apparatus. The charge / discharge range at this time was 2.2 to 3.8V. The energy density was calculated based on the capacity when charging / discharging from 0 V to 2.5 V at 1 mA.

(実施例2)
実施例1の多孔質Niを負極に用い、正極には関西熱化学製活性炭MSP20、電解質には1M−TEA−BF/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)を用いた。これらの電極構成は実施例1と同様である。また、実施例2のレート特性を、充放電範囲を1Vから2.5Vの範囲にしたこと以外は実施例1と同様にして評価した。エネルギ密度は実施例1と同様にして評価した。実施例2は、第2の実施形態に対応する。なお、負極と電気二重層を構成する電解質イオン、すなわちTEAの直径(溶媒和したイオンの直径)は、シミュレーションにより1.26nmとなる。
(Example 2)
The porous Ni of Example 1 was used as the negative electrode, activated carbon MSP20 manufactured by Kansai Thermal Chemical was used as the positive electrode, and 1M-TEA-BF 4 / PC (tetraethylammonium-tetrafluoroborate / propylene carbonate) was used as the electrolyte. These electrode configurations are the same as those in the first embodiment. Further, the rate characteristics of Example 2 were evaluated in the same manner as Example 1 except that the charge / discharge range was changed from 1V to 2.5V. The energy density was evaluated in the same manner as in Example 1. Example 2 corresponds to the second embodiment. In addition, the electrolyte ion which comprises a negative electrode and an electrical double layer, ie, the diameter of TEA (diameter of the solvated ion), will be 1.26 nm by simulation.

(実施例3)
実施例1の人造黒鉛をLiTi12に変え、リチウムプレドープを行わないこと以外は実施例1と同様の処理を行った。すなわち、実施例3は第1の実施形態に対応する。
(Example 3)
The same treatment as in Example 1 was performed except that the artificial graphite of Example 1 was changed to Li 4 Ti 5 O 12 and lithium pre-doping was not performed. That is, Example 3 corresponds to the first embodiment.

(実施例4)
平均直径15μmのCu−Al合金(モル比は50:50)を1N水酸化ナト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。なお、銅の水酸化ナトリウム水溶液に対する溶解度は、アルミニウムの水酸化ナトリウムに対する溶解度よりも小さい。言い換えれば、銅は水酸化ナトリウム水溶液に不溶であるが、アルミニウムは水酸化ナトリウム水溶液に可溶である。これにより、多孔質銅が生成された。生成された多孔質銅は、水洗、真空乾燥された。
Example 4
Aluminum was removed from the Cu-Al alloy by adding a Cu-Al alloy having an average diameter of 15 m (molar ratio: 50:50) to the 1N aqueous sodium hydroxide solution. In addition, the solubility with respect to the sodium hydroxide aqueous solution of copper is smaller than the solubility with respect to the sodium hydroxide of aluminum. In other words, copper is insoluble in aqueous sodium hydroxide, while aluminum is soluble in aqueous sodium hydroxide. Thereby, porous copper was produced | generated. The produced porous copper was washed with water and vacuum-dried.

次いで、多孔質銅を混合ガス(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、多孔質銅の表面に無機化合物層として酸化銅層を形成した。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%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453m/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9nmであった。 Next, a copper oxide layer was formed as an inorganic compound layer on the surface of the porous copper by exposing the porous copper 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. 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 21.2 m 2 / g, and the pore volume per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume was 0.044. (Cm 3 / g), the abundance ratio of mesopores was 94%, and the abundance ratio of micropores was 6%. Further, from these values and the formula (2), the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode was 453 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 9 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11nm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 11 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負極として用いた。正極には実施例1の正極(多孔質ニッケル)を用いた。また、参照極にはAg極、電解液には1M−TEA−BF/PCを用いてセルを構成した。すなわち、実施例4は第3の実施形態に対応する。なお、正極と電気二重層を構成する電解質イオン、すなわちBFイオンの直径(溶媒和したイオンの直径)は、シミュレーションにより1.02nmとなる。また、負極と電気二重層を構成する電解質イオン、すなわちTEAの直径(溶媒和したイオンの直径)は、上述したように1.26nmとなる。 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 material sandwiched between aluminum meshes was used as a negative electrode. The positive electrode (porous nickel) of Example 1 was used as the positive electrode. A cell was constructed using an Ag electrode as the reference electrode and 1M-TEA-BF 4 / PC as the electrolyte. That is, Example 4 corresponds to the third embodiment. The diameter of the electrolyte ions constituting the positive electrode and the electric double layer, that is, the BF 4 ions (the diameter of the solvated ions) is 1.02 nm by simulation. In addition, the electrolyte ions constituting the negative electrode and the electric double layer, that is, the diameter of TEA (the diameter of solvated ions) is 1.26 nm as described above.

また、実施例4のレート特性を、充放電範囲を1Vから2.5Vの範囲にしたこと以外は実施例1と同様にして評価した。エネルギ密度は実施例1と同様にして評価した。なお、リチウムプレドープは行わなかった。   The rate characteristics of Example 4 were evaluated in the same manner as Example 1 except that the charge / discharge range was changed from 1 V to 2.5 V. The energy density was evaluated in the same manner as in Example 1. In addition, lithium pre dope was not performed.

(実施例5)
平均直径10μmのCo−Al合金(モル比は50:50)を1N水酸化ナトリウム水溶液に加えることで、Co−Al合金からアルミニウムを除去した。なお、Coの水酸化ナトリウム水溶液に対する溶解度は、アルミニウムの水酸化ナトリウムに対する溶解度よりも小さい。言い換えれば、Coは水酸化ナトリウム水溶液に不溶であるが、アルミニウムは水酸化ナトリウム水溶液に可溶である。これにより、多孔質コバルトが生成された。生成された多孔質コバルトは、水洗、真空乾燥された。
(Example 5)
Aluminum was removed from the Co—Al alloy by adding a Co—Al alloy having an average diameter of 10 μm (molar ratio 50:50) to the 1N aqueous sodium hydroxide solution. Note that the solubility of Co in aqueous sodium hydroxide is smaller than the solubility of aluminum in sodium hydroxide. In other words, Co is insoluble in aqueous sodium hydroxide solution, but aluminum is soluble in aqueous sodium hydroxide solution. Thereby, porous cobalt was produced. The produced porous cobalt was washed with water and vacuum-dried.

次いで、多孔質コバルトを混合ガス(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、多孔質コバルトの表面に無機化合物層として酸化コバルト層を形成した。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25m/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0.05(cm/g)、メソ細孔の存在比は94%、ミクロ細孔の存在比は6%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470m/cmとなった。また、孔径分布は3.5〜24nmで、細孔のピーク値(最も多くの細孔が有する孔径(直径))は14nmであった。 Next, the cobalt oxide layer was formed as an inorganic compound layer on the surface of the porous cobalt by exposing the porous cobalt to a mixed gas (4 volume% oxygen gas + 96 volume% argon gas) stream 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 25 m 2 / g, and the volume of the pore per unit mass of the porous electrode, that is, the pore volume was 0.05 (cm 3 / g), the abundance ratio of mesopores was 94%, and the abundance ratio of micropores was 6%. Further, from these values and the formula (2), the specific surface area per unit volume of the mesopores of the porous electrode was 470 m 2 / cm 3 . The pore size distribution was 3.5 to 24 nm, and the peak value of pores (the pore size (diameter) of the most pores) was 14 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17nm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 17 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負極として用いた。正極には実施例2の活性炭を用いた。また、参照極にはAg極、電解液には1M−TEA−BF/PCを用いてセルを構成した。すなわち、実施例5は第2の実施形態に対応する。なお、負極と電気二重層を構成する電解質イオン、すなわちTEAイオンの直径(溶媒和したイオンの直径)は、上述したように1.26nmとなる。 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 material sandwiched between aluminum meshes was used as a negative electrode. The activated carbon of Example 2 was used for the positive electrode. A cell was constructed using an Ag electrode as the reference electrode and 1M-TEA-BF 4 / PC as the electrolyte. That is, Example 5 corresponds to the second embodiment. In addition, as described above, the diameter of the electrolyte ions constituting the negative electrode and the electric double layer, that is, the TEA ions (diameter of solvated ions) is 1.26 nm.

また、実施例5のレート特性を、充放電範囲を1Vから2.5Vの範囲にしたこと以外は実施例1と同様にして評価した。エネルギ密度は実施例1と同様にして評価した。なお、リチウムプレドープは行わなかった。   The rate characteristics of Example 5 were evaluated in the same manner as in Example 1 except that the charge / discharge range was changed from 1 V to 2.5 V. The energy density was evaluated in the same manner as in Example 1. In addition, lithium pre dope was not performed.

(比較例1)
実施例1で多孔質ニッケルの代わりに関西熱化学製活性炭MSP20を用いた事以外は、実施例1と同様の処理を行った。
(Comparative Example 1)
The same treatment as in Example 1 was performed except that in Example 1, activated carbon MSP20 manufactured by Kansai Thermal Chemical was used instead of porous nickel.

(比較例2)
実施例2で負極に関西熱化学製活性炭MSP20を用いた事以外は、実施例1と同様の処理を行った。
(Comparative Example 2)
The same treatment as in Example 1 was performed except that activated carbon MSP20 manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd. was used in the negative electrode in Example 2.

(比較例3)
実施例3で正極に関西熱化学製活性炭MSP20を用いた事以外は、実施例1と同様の処理を行った。
(Comparative Example 3)
The same treatment as in Example 1 was performed except that activated carbon MSP20 manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd. was used in Example 3.

(評価)
表2に各実施例の電極と測定結果とを示す。なお、表2では、実施例1〜5の測定値は比較例で規格化されている。
(Evaluation)
Table 2 shows the electrodes and measurement results of each example. In Table 2, the measured values of Examples 1 to 5 are standardized in the comparative example.

Figure 2014007220
Figure 2014007220

表2によれば、実施例1〜5のエネルギ密度(体積エネルギ密度)は比較例に対して10から65%向上し、また出力特性も70から140%向上した。特に、従来技術の活性炭を多孔質ニッケルに変更した事によって、非対称型電気二重層キャパシタの単位体積あたりの静電容量が向上し、ひいては、非対称型電気二重層キャパシタのエネルギ密度が向上した。特に効果が大きいのが出力特性で、活性炭を用いた場合よりも金属の導電性の高さの効果から出力特性が大幅に向上した。また、多孔質銅は高電位では電気化学的に溶解し易くなるために負極で用いるのが好ましく、多孔質ニッケルと組み合わせた実施例4で示したように出力特性が大幅に向上した。   According to Table 2, the energy density (volume energy density) of Examples 1 to 5 was improved by 10 to 65% relative to the comparative example, and the output characteristics were also improved by 70 to 140%. In particular, by changing the activated carbon of the prior art to porous nickel, the capacitance per unit volume of the asymmetric electric double layer capacitor was improved, and consequently the energy density of the asymmetric electric double layer capacitor was improved. The output characteristics are particularly effective, and the output characteristics are greatly improved due to the effect of the metal conductivity higher than when activated carbon is used. Further, since porous copper is easily dissolved electrochemically at a high potential, it is preferably used in the negative electrode, and the output characteristics are greatly improved as shown in Example 4 in combination with porous nickel.

以上により、第1〜第3の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 first to third embodiments includes the porous metal having a specific gravity larger than that of the 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.

より詳細には、第1〜第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された多孔質金属を含む多孔質電極を備える。ここで、多孔質電極は、第1の実施形態ではカソード電極11となり、第2の実施形態ではアノード電極12となり、第3の実施形態ではカソード電極11及びアノード電極12となる。したがって、電気二重層キャパシタ10は、電解質イオンの粒径(直径)によらず、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。 More specifically, the electric double layer capacitor 10 according to the first to third embodiments includes a porous metal including a porous metal in which mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed. Quality electrode. Here, the porous electrode is the cathode electrode 11 in the first embodiment, the anode electrode 12 in the second embodiment, and the cathode electrode 11 and the anode electrode 12 in the third embodiment. Therefore, the electric double layer capacitor 10 can improve the energy density and the output characteristics as compared with the conventional case regardless of the particle diameter (diameter) of the electrolyte ions.

また、第1の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、多孔質金属を含むカソード電極11と、黒鉛、チタン酸リチウム、及びハードカーボンからなる群から選択される少なくとも1種類の負極材料21を含むアノード電極12と、を備える。ここで、負極材料21は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料となっている。したがって、第2の実施形態によれば、従来のリチウムイオンキャパシタのカソード電極を第1の実施形態に係る多孔質金属に置き換えることで、電気二重層キャパシタ10を製造することができる。すなわち、高出力、高エネルギ密度の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。   In addition, the electric double layer capacitor 10 according to the first embodiment includes a cathode electrode 11 including a porous metal, and at least one negative electrode material 21 selected from the group consisting of graphite, lithium titanate, and hard carbon. Including an anode electrode 12. Here, the negative electrode material 21 is a material capable of occluding and releasing lithium ions. Therefore, according to the second embodiment, the electric double layer capacitor 10 can be manufactured by replacing the cathode electrode of the conventional lithium ion capacitor with the porous metal according to the first embodiment. That is, the electric double layer capacitor 10 with high output and high energy density can be easily manufactured.

また、第2の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、活性炭を含むカソード電極11と、多孔質金属を含むアノード電極12と、を備える。したがって、第3の実施形態によれば、従来のリチウムイオンキャパシタのアノード電極を第2の実施形態に係る多孔質金属に置き換えることで、電気二重層キャパシタ10を製造することができる。すなわち、高出力、高エネルギ密度の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。   The electric double layer capacitor 10 according to the second embodiment includes a cathode electrode 11 including activated carbon and an anode electrode 12 including a porous metal. Therefore, according to the third embodiment, the electric double layer capacitor 10 can be manufactured by replacing the anode electrode of the conventional lithium ion capacitor with the porous metal according to the second embodiment. That is, the electric double layer capacitor 10 with high output and high energy density can be easily manufactured.

また、第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、カソード電極11及びアノード電極12がいずれも多孔質金属で構成されている。ここで、カソード電極11を構成する多孔質金属は、アノード電極12を構成する多孔質金属と金属の種類が異なる。したがって、第3の実施形態に係る電気二重層キャパシタ10は、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。   In the electric double layer capacitor 10 according to the third embodiment, the cathode electrode 11 and the anode electrode 12 are both made of a porous metal. Here, the porous metal constituting the cathode electrode 11 differs from the porous metal constituting the anode electrode 12 in the type of metal. Therefore, the electric double layer capacitor 10 according to the third embodiment can improve the energy density and the output characteristics as compared with the related art.

さらに、第1〜第3の実施形態では、メソ細孔の直径は2nm以上30nm以下となる。したがって、電解質イオンはメソ細孔内部に効果的に吸脱着するので、電気二重層キャパシタ10のエネルギ密度及び出力特性が従来よりも向上する。   Furthermore, in the first to third embodiments, the diameter of the mesopores is 2 nm or more and 30 nm or less. Therefore, electrolyte ions are effectively adsorbed and desorbed inside the mesopores, so that the energy density and output characteristics of the electric double layer capacitor 10 are improved as compared with the conventional case.

また、電解質イオンは、直径が2nm以下となる。したがって、電解質イオンはメソ細孔内部に効果的に吸脱着するので、電気二重層キャパシタ10のエネルギ密度及び出力特性が従来よりも向上する。   The electrolyte ion has a diameter of 2 nm or less. Therefore, electrolyte ions are effectively adsorbed and desorbed inside the mesopores, so that the energy density and output characteristics of the electric double layer capacitor 10 are improved as compared with the conventional case.

また、多孔質金属は、ニッケル、銅、鉄、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。電気二重層キャパシタ10は、エネルギ密度及び出力特性を従来よりも向上させることができる。   The porous metal is composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron, and cobalt. The electric double layer capacitor 10 can improve energy density and output characteristics as compared with the conventional one.

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 多孔質材料
21 負極材料
22 メソ細孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric double layer capacitor 11 Cathode electrode 12 Anode electrode 20 Porous material 21 Negative electrode material 22 Mesopore

Claims (8)

単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された多孔質金属を含む多孔質電極と、
前記多孔質電極に吸脱着可能な電解質イオンを含む電解質と、を備えることを特徴とする、電気二重層キャパシタ。
A porous electrode including a porous metal in which mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed;
And an electrolyte containing electrolyte ions that can be adsorbed and desorbed on the porous electrode.
前記多孔質金属を含む多孔質正極と、
黒鉛、チタン酸リチウム、及びハードカーボンからなる群から選択される少なくとも1種類のリチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を含む負極と、を備え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。
A porous positive electrode comprising the porous metal;
2. An electric double layer capacitor according to claim 1, comprising: a negative electrode including a material capable of occluding and releasing at least one lithium ion selected from the group consisting of graphite, lithium titanate, and hard carbon. .
活性炭を含む多孔質正極と、
前記多孔質金属を含む多孔質負極と、を備え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。
A porous positive electrode containing activated carbon;
The electric double layer capacitor according to claim 1, further comprising a porous negative electrode containing the porous metal.
単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された第1の多孔質金属を含む多孔質正極と、
単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成され、かつ、前記第1の多孔質金属と異なる金属で構成された第2の多孔質金属を含む多孔質負極と、を備え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。
A porous positive electrode comprising a first porous metal in which mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed;
A porous negative electrode including a second porous metal having mesopores with a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more and made of a metal different from the first porous metal; The electric double layer capacitor according to claim 1, further comprising:
前記メソ細孔の直径は2nm以上30nm以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気二重層キャパシタ。   5. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein a diameter of the mesopore is 2 nm or more and 30 nm or less. 前記電解質は、直径が2nm以下の電解質イオンを含むことを特徴とする、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 double layer capacitor according to claim 1, wherein the electrolyte contains electrolyte ions having a diameter of 2 nm or less. 前記多孔質金属がニッケル、銅、鉄、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1〜6のいずれか1項に記載の電気二重層キャパシタ。   The electric double layer according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous metal is made of at least one metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron, and cobalt. Capacitor. 単位体積当りの比表面積が450m/cm以上となるメソ細孔が形成された多孔質金属で構成された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 composed of a porous metal in which mesopores having a specific surface area per unit volume of 450 m 2 / cm 3 or more are formed.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018517285A (en) * 2015-04-09 2018-06-28 コーチョアン リン Electrode material and energy storage device

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