JP2014007373A

JP2014007373A - キャパシタ用セパレータ

Info

Publication number: JP2014007373A
Application number: JP2012251895A
Authority: JP
Inventors: Dong Hou; 棟侯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-01-16
Also published as: KR101429819B1; EP2680340A1; CN102737850A; US20130342961A1; TW201401315A

Abstract

【課題】熱安定性及び難燃性を改善して、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に優れた誘電性をもたらすキャパシタ用セパレータとする。
【解決手段】本発明のキャパシタ用セパレータは、基材１１及び粘結固定物１２を備える。基材１１は、複数の穿隙孔を有し、繊維紡織薄膜、混紡薄膜または無紡織薄膜からなる群より選択される。粘結固定物１２は、高分子ポリマー１２１及び複数の無機材料１２２を有する。このうち、前記無機材料１２２は、高分子ポリマー１２１を介して前記穿隙孔に粘結させて複数の微細孔構造を形成させる。
【選択図】図１

Description

本発明はセパレータに関し、特に超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に用いられるキャパシタ用セパレータに関する。

超コンデンサ（スーパーキャパシタ）（supercapacitor）は、電気二重層コンデンサに属し、比出力が高い、循環寿命が長い、動作温度範囲が広い等の特徴を有する。このため、モバイル通信、ＩＴ関連技術、電動自動車、航空宇宙技術及び国防関連ハイテク技術等の分野において極めて重要であり、広い応用性が期待できる。

一般に、超コンデンサは、二個の電極、セパレータ及び電解液を備える。二個の電極及びセパレータはいずれも電解液中に設置される。超コンデンサは、電解液の形式によって水系と非水系（有機体系）に分かれる。このうち、セパレータは、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）、アルミ電解コンデンサ等の電気二重層物理電源における非常に重要な素子であり、セパレータの機能は、直接電気二重層コンデンサ各機能の容量、内抵抗、漏洩電流、サイクル寿命、充放電電圧、充放電電流等の各指標を決定する。つまり、セパレータの製作や材料は、製品全体の構造の基礎であり、電気二重層物理電源機能を決定する鍵となるといえる。

現在最も広く使用されているセパレータは、セルロース繊維のパルプ材質のものである。コンデンサ（キャパシタ）メーカーの中には、繊維薄膜またはポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）からなる微孔膜をセパレータの材料としているメーカーもある。例えば、特許文献１は、スルホン化改性によりセパレータ表面の親水性を高めたポリオレフィンセパレータに関するものである。また、特許文献２は、静電紡織方法を利用したフッ化ポリビニリデン多孔繊維セパレータの製作並びに無水マレイン酸を重合させることでその親水性を変更する性質変更等のセパレータ製作方法に関するものである。しかしながら、現在の時点で、コンデンサ（キャパシタ）において、無機材料によって生成あるいは使用されたセパレータはまだない。

中国特許出願公開第１０１２６７０２８号明細書中国特許出願公開第１０１６９４８１２号明細書

そこで、本発明は、無機材料を応用し、且つ、無機材料を基材中に嵌入して、緻密で複数の隙穿孔を有するキャパシタ用セパレータを形成させることで、熱安定性及び難燃性を改善して、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に優れた誘電性を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るキャパシタ用セパレータは、無機材料を基材中に嵌入して、良好な空隙率を有するセパレータを形成させることで、電解液中の正負イオンをほとんど無抵抗で通過させる通り道を提供し、且つ、熱安定性及び難燃性を改善して、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電気二重層コンデンサの誘電性を高めることを特徴とする。すなわち、本発明のキャパシタ用セパレータは、複数の穿隙孔を有し、且つ、繊維紡績薄膜、混紡薄膜または無紡織薄膜からなる群より選択される基材と、高分子ポリマー及び複数の無機材料を有する粘結固定物とを備え、前記無機材料は、前記高分子ポリマーを介して前記穿隙孔に粘結されて複数の微細孔構造が形成されていることを特徴とする。

本発明のキャパシタ用セパレータは、基材及び粘結固定物を備える。基材は、複数の隙穿孔を有し、繊維紡織薄膜、混紡薄膜または無紡織薄膜からなる群より選択される。粘結固定物は、高分子ポリマー及び複数の無機材料を有する。このうち、前記無機材料は、高分子ポリマーを介して前記隙穿孔に粘結させて複数の微細孔構造を形成させる。ここで、本明細書では、穿隙孔とは、前記基材に設けられた細孔であるか、または、前記基材を構成する繊維や糸状の網の目を意味する。ここで、本明細書では、粘結固定物とは、前記基材に粘着、接着、貼着または付着して固定される物質を意味する。また、粘結とは、前記基材に粘着、接着、貼着または付着して固定することである。

本発明において、前記無機材料は、酸化アルミウム微粉、酸化シリコン微粉、酸化ジルコニウム微粉、酸化マグネシウム微粉、酸化カルシウム微粉、酸化リチウム微粉またはその組合せからなる群より選択されることを特徴とする。

本発明において、前記高分子ポリマーは、可溶性ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンまたはその組合せからなる群より選択されることを特徴とする。

本発明において、前記基材の材質は、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレンまたはナイロンポリマーまたはその組合せからなる群より選択されることを特徴とする。

本発明において、前記無機材料の直径は、０．１ナノメートルから５マイクロメートルの範囲内であることを特徴とする。

本発明において、前記高分子ポリマーは、溶剤と共に膠質液を合成する。前記膠質液に占める高分子ポリマーの割合は０．５％から４０％であることを特徴とする。すなわち、前記高分子ポリマーは、溶剤と共に膠質液となっていることを特徴とする。そして、前記膠質液に占める前記高分子ポリマーの割合が、０．５重量％から４０重量％の範囲内であることを特徴とする。

本発明において、前記粘結固定物に占める前記無機材料の割合は０．１％から６０％であることを特徴とする。すなわち、前記粘結固定物に占める前記無機材料の割合が０．１重量％から６０重量％の範囲内であることを特徴とする。

本発明において、粘結固定物は、浸漬法、塗布法、プリント法、プレス法または注入法等によって前記基材に嵌入されることを特徴とする。すなわち、前記粘結固定物は、浸漬法、塗布法、プリント法、プレス法または注入法によって前記基材に嵌入されたものであることを特徴とする。

本発明において、前記キャパシタ用セパレータは、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）、アルミ電解コンデンサ、電気二重層コンデンサまたは電気二重層混合超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に応用されることを特徴とする。すなわち、前記キャパシタ用セパレータは、超コンデンサ、スーパーキャパシタ、アルミ電解コンデンサ、電気二重層コンデンサまたは電気二重層混合超コンデンサに用いられることを特徴とする。

上述のように、本発明のキャパシタ用セパレータは、無機材料を混合した粘結固定物を、浸漬または塗布等の方式によって、基材の複数の穿隙孔中に嵌入することで、基材上に緻密且つ大量の微細孔構造を形成させる。本発明のセパレータは、良好な孔隙率を有し、キャパシタ用セパレータが超コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電気二重層コンデンサに応用された時、電解液中の正負イオンをほとんど無抵抗で通過させる通り道を提供すると同時に、セパレータの熱安定性及び難燃性を改善し、且つ、無機材料によって充填されたセパレータは、非常に高い安全性を有して、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電気二重層コンデンサに優れた誘電性を提供するという特徴を有する。

本発明の好適な実施例におけるキャパシタ用セパレータを示す構造図である。本発明のキャパシタ用セパレータを用いた１．３Ｆ小型超コンデンサ（スーパーキャパシタ）のサイクル試験結果を示す特性図である。本発明のキャパシタ用セパレータを用いた１．３Ｆ小型超コンデンサ（スーパーキャパシタ）の交流インピーダンスを示す特性図である。本発明の複数の実施例のキャパシタ用セパレータの電解液中における空白交流インピーダンスを示す特性図である。

以下、図を参照しながら、本発明の好適な実施例におけるキャパシタ用セパレータについて説明する。同一の符号は、同じ機能の構成部材を指す。

図1は、本発明の好適な実施例におけるキャパシタ用セパレータを示す構造図である。本発明のキャパシタ用セパレータは、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）、アルミ電解コンデンサ、電気二重層コンデンサまたは電気二重層混合超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に用いられる。
ここで、キャパシタ用セパレータは、正負極の間にある隔離物質として、正極と負極を物理的に分離すると同時に、電解液中の正負イオンが自由に往来する通り道を提供する役割を有する。本発明のキャパシタ用セパレータ１は、基材１１及び粘結固定物１２を備える。本実施例において、キャパシタ用セパレータ１の厚みは約３２μｍである。実際の応用の際には、キャパシタ用セパレータ１の厚みは約１２〜５０μｍの範囲内が望ましい。

基材１１は、複数の穿隙孔を有する。基材１１は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）またはナイロンポリマーの繊維紡織薄膜、混紡薄膜または無紡織薄膜からなる群より選択される。

粘結固定物１２は、高分子ポリマー１２１及び複数の無機材料１２２を有する。高分子ポリマー１２１は、可溶性ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンまたはその他の樹脂顆粒剤微粉またはその組合せである。無機材料１２２は、酸化アルミ微粉、酸化シリコン微粉、酸化ジルコニウム微粉、酸化マグネシウム微粉、酸化カルシウム微粉、酸化リチウム微粉、石英、ジルコニウム石粉、鋼玉微粉、橄欖石粉、またはその他の金属酸化物または非金属酸化物微粉、またはその組合せである。このうち、無機材料１２２の直径は、０．１ナノメートルから５マイクロメートルの範囲内である。

高分子ポリマー１２１は、溶剤と共に膠質液を合成する。このうち、高分子ポリマー１２１の膠質液に占める割合は重量比で０．５％から４０％である。また、メーカーや製品等の用途によって、膠質液内にその他の添加剤を添加して、膠質液の機能を高めることがある。次に、前記無機材料１２２は、膠質液内に混入されて、粘着剤を均一にする粘結固定物１２を形成する。このうち、無機材料１２２は粘結固定物１２中に占める割合は重量比で０．１％から６０％である。無機材料１２２が混入された粘結固定物１２は、浸漬法、塗布法、プリント法、プレス法または注入法等によって基材１１の前記穿隙孔に嵌入されることにより、基材１１上に複数の微細孔構造を形成させる。これにより、本発明のキャパシタ用セパレータが良好な空隙率を有して、電解液中の正負イオンをほとんど抵抗なく通過させる通り道を提供する。

以上、本発明に開示されるキャパシタ用セパレータの構造について説明した。続いて、図１を参照しつつ、本発明のキャパシタ用セパレータの製作方法について説明する。

まず、少なくとも一つの高分子ポリマーによって膠質を生成する。本実施例では、ポリフッ化ビニリデンＰＶＤＦ２８０１及びＰＶＤＦ９００の混合樹脂によって膠質を生成する。このうち、ＰＶＤＦ２８０１とＰＶＤＦ９００の混合比率は重量比で1：3である。膠質と溶剤を合成して膠質液を生成する。本実施例の溶剤は、例えば、N-メチル-2-ピロリドン(N-methylpyrrolidone、NMP)である。このうち、高分子ポリマーが膠質液に占める割合は重量比で0.5%から40%であり、本実施例では、膠質が膠質液に占める割合は重量比で10%の場合を例とする。

次に、無機材料１２２を膠質液中に添加して、粘結固定物１２を形成する。本実施例の無機材料１２２は、酸化アルミニウム微粉の場合を例とするが、本発明はこれに限るものではない。このうち、酸化アルミニウム微粉は、重量比で、粘結固定物中の40%を占める。その他の実施例において、無機材料１２２は、重量比で、粘結固定物中の0.1%から60%を占めるようにすることができる。

最後に、無機材料１２２を有する粘結固定物１２を、浸漬法、塗布法、プリント法、プレス法または注入法によって基材１１中に嵌入する。本実施例の基材１１は、PET無紡薄膜の場合を例とするが、これに限られるものではない。これにより、粘結固定物１２を基材１１及びその穿隙孔に充填することで、基材１１上に複数の微細孔構造を形成させる。

本実施例において、元の基材の穿隙孔の直径は1〜100μmであるが、上述の製作過程を経た後、基材１１上に形成された微細孔構造の直径は約0.1〜2μmである。そして、基材１１の密度は、約30〜60g/m²から約70〜120g/m²にまで高められる。

図2から図4までを参照しながら説明する。図2から図4までは、上述の方法及び構造によって生成されたキャパシタ用セパレータ１を、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）に応用した場合の特性曲線図である。図2は、1.3F小型超コンデンサ（スーパーキャパシタ）のサイクルを示した図である。図3は、1.3F小型超コンデンサ（スーパーキャパシタ）の交流インピーダンスを示した図である。図4は、異なるキャパシタ用セパレータの、異なる電解液中における空白交流インピーダンスを示した図である。図３と図４のX軸は実数のインピーダンス(Z')、Y軸は虚数のインピーダンス(Z'')である。

図2に示す符号のうち、aは循環効率、bは循環容量である。1.3F小型活性炭超コンデンサ（スーパーキャパシタ）において一万回循環させた。循環効率は99%より大きく、容量は35F/gより大きい。図3には、1.3F小型活性炭超コンデンサ（スーパーキャパシタ）の交流インピーダンス特性が示されている。図３に示すように、交流等価直列抵抗は0.1オームより小さい。図4は、電極の光滑なアルミ板に対して得た空白交流インピーダンスの対比曲線を示した図である。このうち、測定に用いるキャパシタ用セパレータの直径は18
nmである。図４に示す符号のうち、Ａは、本発明のキャパシタ用セパレータのアセトニトリル（acetonitrile）にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラートを加えた電解液中における交流インピーダンス曲線である。
Ｂは、無機材料と高分子ポリマーの組合せにより充填し、有機物を添加して孔を製作することで得た無紡織薄膜基材中に嵌入したキャパシタ用セパレータであり、アセトニトリル（acetonitrile）にテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラートを加えた電解液中におけるインピーダンス曲線である。Ｃは、本発明のキャパシタ用セパレータの、ポリカーボネート（PC）にヘキサフルオロリン酸リチウム（LIPF6）を加えた電解液中における交流インピーダンス曲線である。Ｄは、無機材料と高分子ポリマーの組合せにより充填し、有機物を添加して孔を製作することで得た無紡織薄膜基材中に嵌入したキャパシタ用セパレータであり、PCにヘキサフルオロリン酸リチウム（LIPF6）を加えた電解液中における交流インピーダンス曲線である。

上述のように、本発明のキャパシタ用セパレータは、無機材料を混ぜた粘結固定物を、浸漬または塗布等の方式によって、基材の複数の穿隙孔中に嵌入することで、基材上に緻密且つ大量の微細孔構造を形成させる。従来の技術と比較すると、本発明のキャパシタ用セパレータは、製造コストが抑えられ、良好な孔隙率を有し、キャパシタ用セパレータが超コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電気二重層コンデンサに応用された場合、電解液中の正負イオンをほとんど無抵抗で通過させる通り道を提供すると同時に、キャパシタ用セパレータの熱安定性及び難燃性を改善する。そのうえさらに、本発明に係る、無機材料によって充填されたキャパシタ用セパレータは、非常に高い安全性を有して、超コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電気二重層コンデンサに優れた誘電性を提供するという特徴を有する。

以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本発明に含まれる。

本発明は以上の如く構成したので、本発明によるときは無機材料を基材中に嵌入することで、良好な空隙率を有するキャパシタ用セパレータを提供し得るものである。

１キャパシタ用セパレータ、
１１基材、
１２粘結固定物、
１２１高分子ポリマー、
１２２無機材料

Claims

複数の穿隙孔を有し、且つ、繊維紡績薄膜、混紡薄膜または無紡織薄膜からなる群より選択される基材と、高分子ポリマー及び複数の無機材料を有する粘結固定物とを備え、
前記無機材料は、前記高分子ポリマーを介して前記穿隙孔に粘結されて複数の微細孔構造が形成されていることを特徴とするキャパシタ用セパレータ。
前記無機材料は、酸化アルミウム微粉、酸化シリコン微粉、酸化ジルコニウム微粉、酸化マグネシウム微粉、酸化カルシウム微粉、酸化リチウム微粉またはその組合せからなる群より選択されることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。
前記高分子ポリマーは、可溶性ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンまたはその組合せからなる群より選択されることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。
前記基材の材質は、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレンまたはナイロンポリマーであることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。
前記無機材料の直径は、０．１ナノメートルから５マイクロメートルの範囲内であることを特徴とする請求項１または２記載のキャパシタ用セパレータ。
前記高分子ポリマーは、溶剤と共に膠質液となっていることを特徴とする請求項１または３記載のキャパシタ用セパレータ。
前記膠質液に占める前記高分子ポリマーの割合が、０．５重量％から４０重量％の範囲内であることを特徴とする請求項６記載のキャパシタ用セパレータ。
前記粘結固定物に占める前記無機材料の割合が０．１重量％から６０重量％の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。
前記粘結固定物は、浸漬法、塗布法、プリント法、プレス法または注入法によって前記基材に嵌入されたものであることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。
超コンデンサ、スーパーキャパシタ、アルミ電解コンデンサ、電気二重層コンデンサまたは電気二重層混合超コンデンサに用いられる請求項１記載のキャパシタ用セパレータ。