JP2014130980A - Method of manufacturing cobalt nanostructure and capacitor using the same - Google Patents

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勝義 星野
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陽右 浅野
Katsuyuki Muraki
勝之 村城
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a capacitor which allow for high energy and high output.SOLUTION: In a method of manufacturing a capacitor, a pair of electrodes are immersed in an electrolyte containing a cobalt complex, a cobalt nano structure is precipitated on one of the pair of electrodes by electrolysis of the electrolyte in a magnetic field, and then the electrode on which the cobalt nano structure is precipitated is arranged to face a counter electrode via the electrolyte layer for capacitor. The structure is further miniaturized by MHD effect and micro MHD effect, by applying a magnetic field when precipitating the cobalt nano structure, and the actual surface area can be increased and high speed ion transport can be realized.

Description

本発明は、コバルトナノ構造物の製造方法及びそれを用いたキャパシタに関する。より詳細には、磁場中で電解によるコバルトナノ構造物の製造方法及びそれを用いた電気化学キャパシタに関する。   The present invention relates to a method for producing a cobalt nanostructure and a capacitor using the same. More specifically, the present invention relates to a method for producing a cobalt nanostructure by electrolysis in a magnetic field and an electrochemical capacitor using the same.

近年、環境問題に対する取り組みが重要となってきており、より環境への負担が軽く効率の良い電源が求められてきている。この要望に寄与すると期待される一つの技術として、電気化学キャパシタがある。電気化学キャパシタとは、電気化学的な作用を用いて電荷を蓄積、出力するためのデバイスであり、代表的なものとして電気化学二重層キャパシタやレドックスキャパシタがある。   In recent years, efforts for environmental problems have become important, and there has been a demand for an efficient power source with a lighter burden on the environment. One technology that is expected to contribute to this demand is an electrochemical capacitor. The electrochemical capacitor is a device for accumulating and outputting electric charges by using an electrochemical action, and representative examples include an electrochemical double layer capacitor and a redox capacitor.

電気化学二重層キャパシタは、一対の電極と、この一対の電極の間に配置される電解質とを有し、電解質と電極の界面において生じるイオンの吸着(非ファラデー反応)により形成される電気二重層を利用して電荷を蓄積することのできるキャパシタであり、非常に大きな比表面積を有する炭素材料等を電極として用いることで大容量化が可能であり、バスやトラック等の車両の補助電源や、スマートフォン等のモバイルデバイスの電源として用いられてきている。   The electrochemical double layer capacitor has a pair of electrodes and an electrolyte disposed between the pair of electrodes, and is formed by adsorption (non-Faraday reaction) of ions generated at the interface between the electrolyte and the electrodes. It is a capacitor that can store electric charge by using a carbon material that has a very large specific surface area as an electrode, and can be increased in capacity, such as an auxiliary power source for vehicles such as buses and trucks, It has been used as a power source for mobile devices such as smartphones.

一方、レドックスキャパシタは、活物質の複数の連続的なレドックス(酸化還元)反応により発現する疑似容量を利用して電荷を蓄積することのできるキャパシタであり、上記の電気二重層キャパシタよりも大容量で、かつ、電池よりも瞬時充放電特性に優れているといった利点があり、より期待されている。   On the other hand, a redox capacitor is a capacitor capable of accumulating charges by using a pseudo-capacitance expressed by a plurality of continuous redox (oxidation-reduction) reactions of an active material, and has a larger capacity than the above electric double layer capacitor. In addition, there is an advantage that the instantaneous charge / discharge characteristics are superior to those of the battery, which is expected more.

電気化学キャパシタに関する公知の技術として、例えば下記特許文献1には、少なくとも一方にコバルトナノ構造物が形成された一対の電極と、この一対の電極の間に充填される電解液とを有する電気化学キャパシタが開示されている。   As a known technique related to an electrochemical capacitor, for example, in Patent Document 1 below, an electrochemical having a pair of electrodes having a cobalt nanostructure formed at least on one side and an electrolyte filled between the pair of electrodes. A capacitor is disclosed.

特開2009−200449号公報JP 2009-200449 A

確かに、上記特許文献1に記載の技術は高エネルギーかつ高出力の電気化学キャパシタを実現するために有用な技術であると考えられる。   Certainly, the technique described in Patent Document 1 is considered to be a useful technique for realizing a high energy and high output electrochemical capacitor.

しかしながら、キャパシタの高エネルギー化、高出力化に上限はなく、さらなる高エネルギー化、高出力化を図ることは非常に重要である。   However, there is no upper limit for increasing the energy and output of the capacitor, and it is very important to further increase the energy and output.

そこで、本発明は上記に鑑み、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるコバルトナノ構造物の製造方法及びこのコバルトナノ構造物を用いたキャパシタを提供することを目的とする。   Then, in view of the above, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a cobalt nanostructure capable of achieving higher energy and higher output, and a capacitor using the cobalt nanostructure.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行っていたところ、コバルトナノ構造物を析出させる際に磁場を印加するとMHD効果及びマイクロMHD効果により構造が微細化し、実表面積が大きく、しかも高速イオン輸送が可能となるようなナノ構造を有するコバルトナノ構造物が創製され、電気的特性を大幅に改善できることを発見し、本件発明を完成させるに至った。ここで、「MHD効果」とは、構造物の電解析出の際に電極面に対して平行に磁場を引加すると電極面に渦状の対流が引き起こされ、析出する構造物の形態が変わる効果をいい、「マイクロMHD効果」とは、電極面に対して垂直方向の磁場を引加することで、電極表面の微小な領域でいくつもの小さな渦状の対流が引き起こされ、やはり電析物の構造を変える効果をいう。   The inventors of the present invention have been diligently studying the above problems. When a magnetic field is applied when depositing a cobalt nanostructure, the structure is refined by the MHD effect and the micro MHD effect, the actual surface area is large, and fast ions are formed. Cobalt nanostructures having nanostructures that can be transported have been created, and it has been found that electrical characteristics can be greatly improved, and the present invention has been completed. Here, the “MHD effect” is an effect in which when a magnetic field is applied parallel to the electrode surface during the electrolytic deposition of the structure, a vortex-like convection is caused on the electrode surface and the form of the deposited structure is changed. “Micro MHD effect” means that by applying a magnetic field perpendicular to the electrode surface, several small vortex-like convections are generated in a minute region of the electrode surface, and the structure of the deposit The effect that changes.

すなわち、本発明の第一の観点に係るコバルトナノ構造物の製造方法は、コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させることを特徴とする。   That is, in the method for producing a cobalt nanostructure according to the first aspect of the present invention, a pair of electrodes is immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, and the electrolytic solution is electrolyzed in a magnetic field to one of the pair of electrodes. Cobalt nanostructures are deposited.

また、本発明の他の一観点に係るキャパシタは、コバルト錯体を含む材料電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させ、コバルトナノ構造物が析出した電極を、キャパシタ用電解質層を介して対向電極と対向させて配置することにより製造されたものである。   In addition, a capacitor according to another aspect of the present invention is obtained by immersing a pair of electrodes in a material electrolyte containing a cobalt complex, electrolyzing the electrolyte in a magnetic field, and placing a cobalt nanostructure on one of the pair of electrodes. It is manufactured by depositing and disposing the electrode on which the cobalt nanostructure is deposited facing the counter electrode via the capacitor electrolyte layer.

また、本発明の他の一観点に係るキャパシタは、配向したコバルトナノ構造物が配置された電極を、キャパシタ用電解質層を介して対向電極と対向して配置したものである。   A capacitor according to another aspect of the present invention is such that an electrode on which oriented cobalt nanostructures are arranged is arranged to face a counter electrode through an electrolyte layer for a capacitor.

以上、本発明によって、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるコバルトナノ構造物の製造方法及び、このコバルトナノ構造物を用いたキャパシタを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a cobalt nanostructure capable of achieving higher energy and higher output, and a capacitor using the cobalt nanostructure.

実施形態に係るキャパシタの製造方法の工程の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the process of the manufacturing method of the capacitor which concerns on embodiment. 実施形態に係るキャパシタの断面の概略を示す図である。It is a figure showing the outline of the section of the capacitor concerning an embodiment. 実施例に係る電気分解において用いた装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the apparatus used in the electrolysis which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例のサイクリックボルタンメトリーの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cyclic voltammetry of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例のサイクリックボルタンメトリーの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cyclic voltammetry of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の充放電特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charging / discharging characteristic of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の充放電特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charging / discharging characteristic of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の充放電特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charging / discharging characteristic of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の充放電特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charging / discharging characteristic of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の比容量Cmの通電電気量に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the electricity supply of the specific capacity Cm of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の比容量Cmの通電電気量に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the electricity supply of the specific capacity Cm of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例の比容量Cmの通電電気量に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the electricity supply of the specific capacity Cm of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例のラフネスファクターを示す図である。It is a figure which shows the roughness factor of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極を用いた例のラフネスファクターを示す図である。It is a figure which shows the roughness factor of the example using the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極のSEM画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the SEM image of the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極のSEM画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the SEM image of the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極のSEM画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the SEM image of the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極のSEM画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the SEM image of the electrode which concerns on an Example. 実施例に係る電極のSEM画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the SEM image of the electrode which concerns on an Example.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms, and is not limited to the following embodiments and examples.

図1は、本実施形態に係るキャパシタ(以下「本キャパシタ」という。)の製造方法(以下「本方法」という。)の工程の概略を示す図である。本図で示すように、本方法は、(1)コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるステップ(S1)と、(2)コバルトナノ構造物が析出した電極を、キャパシタ用電解質層を介して対向電極と対向させて配置するステップ(S2)と、を有することを特徴とする。   FIG. 1 is a diagram showing an outline of the steps of a method for manufacturing a capacitor (hereinafter referred to as “the present capacitor”) according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the present method”). As shown in the figure, this method is (1) immersing a pair of electrodes in an electrolytic solution containing a cobalt complex, electrolyzing the electrolytic solution in a magnetic field, and depositing cobalt nanostructures on one of the pair of electrodes. And (2) a step (S2) in which the electrode on which the cobalt nanostructure is deposited is disposed to face the counter electrode via the capacitor electrolyte layer.

本方法における(1)コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるステップは、コバルトナノ構造物を製造する方法であり、本実施形態ではキャパシタ用の電極として用いられる。   The step of (1) immersing a pair of electrodes in an electrolytic solution containing a cobalt complex and electrolyzing in a magnetic field to deposit a cobalt nanostructure on one of the pair of electrodes in the present method produces the cobalt nanostructure. This method is used as an electrode for a capacitor in this embodiment.

本ステップにおける一対の電極は、導電性を有し、電解液から析出するコバルトナノ構造物を保持することのできるものであり、この限りにおいて限定されるわけではないが、導電性の板や、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものを例示することができる。   The pair of electrodes in this step has conductivity and can hold cobalt nanostructures deposited from the electrolyte, and is not limited to this, but a conductive plate, An example is one in which a conductive film is disposed on an insulating plate.

電極として導電性の板を含むものの例としては、例えば、金属板、カーボン板を例示することができる。絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものとしては、例えば、ガラス、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム等の絶縁性の板の上に、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アルミニウムドープ酸化スズ)、GTO(ガリウムドープ酸化スズ)等の酸化金属膜や、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン等の高分子膜等、導電性の膜を配置したものを例示することができる。なお、生産性、機械的強度、価格、軽量性の観点からは、金属板又はガラス基板上にITOを形成したものであることが好ましい。なお本電極における板は曲げることができる程度の可撓性を有していてもよく、導電性膜及び板に可撓性を持たせて曲げることで体積を少なくすることが可能となる。   As an example of an electrode including a conductive plate, a metal plate and a carbon plate can be exemplified. Examples of the conductive film disposed on the insulating plate include ITO (indium tin oxide) and IZO (indium zinc oxide) on the insulating plate such as glass, polyester film, and polycarbonate film. Conductive films such as metal oxide films such as FTO (fluorine-doped tin oxide), ATO (aluminum-doped tin oxide) and GTO (gallium-doped tin oxide), and polymer films such as polyacetylene, polypyrrole, polythiophene and polyaniline What has been arranged can be exemplified. In addition, from the viewpoint of productivity, mechanical strength, price, and lightness, it is preferable that ITO is formed on a metal plate or a glass substrate. Note that the plate of the electrode may be flexible enough to be bent, and the volume can be reduced by bending the conductive film and the plate with flexibility.

本ステップにおいて電解液は、イオン電導による電流が流れる物質であって、限定されるわけではないが、少なくとも溶媒、コバルト錯体、及び、支持電解質を含む。   In this step, the electrolytic solution is a substance through which an electric current flows through ionic conduction, and includes, but is not limited to, at least a solvent, a cobalt complex, and a supporting electrolyte.

本ステップの電解液における溶媒としては、コバルト錯体及び支持電解質を保持するとともに、これらをイオンに解離することができるものであり、この限りにおいて限定されるわけではないが、例えば水、有機溶媒を例示することができる。有機溶媒の場合、電気分解できる限りにおいて限定されるわけではないが、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン・炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、及びそれらの溶媒の中で水に溶解する溶媒と水との混合溶媒等を例示することができる。   As a solvent in the electrolytic solution of this step, while holding a cobalt complex and a supporting electrolyte, these can be dissociated into ions. It can be illustrated. In the case of an organic solvent, it is not limited as long as it can be electrolyzed, but acetonitrile, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, benzonitrile, methylene chloride, tetrahydrofuran / propylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol Ethanol, and a mixed solvent of water and a solvent that dissolves in water among these solvents can be exemplified.

また本ステップのコバルト錯体としては、電気分解によって還元され、電極上にコバルトナノ構造物として析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、ヘキサアンミンコバルト(III)塩化物([Co(NH]Cl)、ペンタアンミンコバルト(III)塩化物([Co(NHCl]Cl2)、塩化コバルト(CoCl)、硫酸コバルト(CoSO)、及び硝酸コバルト(Co(NO)を挙げることができる。 The cobalt complex in this step is not limited as long as it can be reduced by electrolysis and deposited as a cobalt nanostructure on the electrode. For example, hexaamminecobalt (III) chloride ([ Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 ), pentaamminecobalt (III) chloride ([Co (NH 3 ) 5 Cl] Cl 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ), and cobalt nitrate ( Co (NO 3 ) 3 ).

本ステップにおける電解液に含まれるコバルト錯体の量としては、電極上にコバルトナノ構造物を析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒100重量部に対して、0.001重量部以上50重量部以下であることが好ましく、0.02重量部以上10重量部以下であることがより好ましい。0.001重量部以上とすることでナノ構造体形成による電極実表面積拡大が可能となり、50重量部以下とすることでナノ構造体の密集による実表面積低下を抑制することが可能となる。   The amount of the cobalt complex contained in the electrolytic solution in this step is not limited as long as the cobalt nanostructure can be deposited on the electrode, but is 0.001 weight per 100 weight parts of the solvent. Part to 50 parts by weight and more preferably 0.02 part to 10 parts by weight. When the amount is 0.001 part by weight or more, the actual electrode surface area can be increased by forming the nanostructure, and when the amount is 50 parts by weight or less, it is possible to suppress a decrease in the actual surface area due to the denseness of the nanostructure.

また本ステップの支持電解質としては、コバルト金属の電解析出を妨げない限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒が水である場合、例えばLiCl、LiBr、LiSO、LiOH、LiClO、NaCl、NaBr、NaSO、NaOH、NaClO、KCl、KBr、KSO、KOH、KClO、及び(CNOH、(CNCl、(CNBr、(CHNOH、(CHNCl、(CHNBr、及びそれらの水和物を挙げることができ、大きな実表面積を有するコバルトナノ構造物を形成する観点からは硫酸リチウム一水和物であることがより好ましい。また、溶媒が有機溶媒である場合は、例えば(CNClO、(CNF、(CNPF、(CNClO、(CNF、(CNPF、LiClO、NaClO、KClO、及び(CNOHを挙げることができる。なおコバルト金属への吸着の可能性がないという観点からはLiClO、NaClO、KClOであることがより好ましい。 Further, the supporting electrolyte in this step is not limited as long as it does not prevent the electrolytic deposition of cobalt metal, but when the solvent is water, for example, LiCl, LiBr, Li 2 SO 4 , LiOH, LiClO 4 , NaCl, NaBr, Na 2 SO 4 , NaOH, NaClO 4 , KCl, KBr, K 2 SO 4 , KOH, KClO 4 , and (C 2 H 5 ) 4 NOH, (C 2 H 5 ) 4 NCl, (C 2 H 5 ) 4 NBr, (CH 3 ) 4 NOH, (CH 3 ) 4 NCl, (CH 3 ) 4 NBr, and their hydrates can be mentioned to form cobalt nanostructures with a large real surface area From this viewpoint, lithium sulfate monohydrate is more preferable. When the solvent is an organic solvent, for example, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NPF 6 , (C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (C 4 H 9 ) 4 NF 4 , (C 4 H 9 ) 4 NPF 6 , LiClO 4 , NaClO 4 , KClO 4 , and (C 4 H 9 ) 4 NOH. From the viewpoint that there is no possibility of adsorption to cobalt metal, LiClO 4 , NaClO 4 , and KClO 4 are more preferable.

また本ステップにおける電解質に含まれる支持電解質の量としては、電極上にコバルトナノ構造物を析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒の重量を100重量部とした場合に、0.01重量部以上300重量部以下であることが好ましく、0.1重量部以上40重量部以下であることがより好ましい。0.01重量部以上とすることで十分な電解液の電気伝導を確保することができ、300重量部以下とすることで解液の過度な粘度上昇を抑えることができ、コバルト金属の電解析出速度を著しく低下させない効果が発揮される。   The amount of the supporting electrolyte contained in the electrolyte in this step is not limited as long as the cobalt nanostructure can be deposited on the electrode, but when the weight of the solvent is 100 parts by weight, The amount is preferably 0.01 parts by weight or more and 300 parts by weight or less, and more preferably 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less. When the amount is 0.01 parts by weight or more, sufficient electric conduction of the electrolytic solution can be secured, and when the amount is 300 parts by weight or less, an excessive increase in the viscosity of the solution can be suppressed. The effect of not significantly lowering the ejection speed is exhibited.

本ステップにおいて電気分解は、コバルト錯体に対し電解還元を行い、電極上にコバルトナノ構造物を形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、一定電位の電位を印加する定電位電解還元であることは好ましい。また、電解還元は、2枚の電極のみを利用する2電極式セルを用いた電解によっても、参照電極を用いた3電極式セルを用いた電解還元によっても実施できるが、電極の電位を正確に規定するためには3電極式セルを用いた場合の方が好ましく、大量生産による製品化という観点からは2電極式セルであることが好ましい。なお、3電極式セルを用いた場合において参照電極としては、汎用される参照電極であれば用いることができ、例えば、飽和カロメル電極(SCE)、銀/塩化銀電極、標準水素電極(SHE)などが好適に使用される。またこの際における電位としては、例えば参照電極にSCEを用いた場合には、電極に−0.5V〜−2V
vs.SCEの電位を印加することが好ましく、より好ましくは−0.8V〜−1.5V
vs.SCEの電位範囲である。なお電解還元を行う時間としても、限定されるわけではないが、上記の望ましい電解の範囲下で0.1秒以上10時間以下行うことが好ましく、より好ましくは1秒以上1時間以下である。またこの温度としても、限定されるわけではないが、−10℃以上100℃以下の範囲であることが好ましく、0℃以上40℃以下であることがより好ましい。
In this step, the electrolysis is not limited as long as the cobalt complex can be electrolytically reduced to form a cobalt nanostructure on the electrode. It is preferable. Electrolytic reduction can be carried out either by electrolysis using a two-electrode cell using only two electrodes, or by electrolytic reduction using a three-electrode cell using a reference electrode. Therefore, it is preferable to use a three-electrode cell, and a two-electrode cell is preferable from the viewpoint of commercialization by mass production. In addition, when a three-electrode cell is used, the reference electrode can be any general-purpose reference electrode. For example, a saturated calomel electrode (SCE), a silver / silver chloride electrode, a standard hydrogen electrode (SHE) Etc. are preferably used. Further, as the potential at this time, for example, when SCE is used for the reference electrode, −0.5V to −2V is applied to the electrode.
vs. It is preferable to apply a potential of SCE, more preferably -0.8V to -1.5V.
vs. This is the potential range of SCE. The time for performing the electrolytic reduction is not limited, but it is preferably 0.1 seconds or longer and 10 hours or shorter, more preferably 1 second or longer and 1 hour or shorter, within the above desired electrolysis range. The temperature is not limited, but is preferably in the range of −10 ° C. to 100 ° C., more preferably 0 ° C. to 40 ° C.

また、本ステップにおいて、電気分解における通電量は、0.01C/cm以上10.0C/cm以下の範囲にあることが好ましく、より好ましくは3.0C/cm未満の範囲である。0.01C/cm以上とすることで実用的な充放電容量を有することができるようになるといった効果があり、また10.0C/cm以下とすることで容量の低下を引き起こすような構造変化を避けることができるといった効果がある。また3.0C/cm未満とすることで、大きな充放電容量を有するような構造を維持することができるといった効果がある。 Further, in this step, the energization amount of the electrolysis is preferably in the 0.01 C / cm 2 or more 10.0c / cm 2 or less, more preferably in the range of from in the range of less than 3.0C / cm 2. 0.01 C / cm is effective such it is possible to have a practical charge and discharge capacity at 2 or more to be, also that cause a decrease in the capacity by the 10.0c / cm 2 or less structure The effect is that changes can be avoided. Moreover, there exists an effect that a structure which has big charging / discharging capacity | capacitance can be maintained by setting it as less than 3.0 C / cm < 2 >.

また本ステップでは、一対の電極を浸漬し、磁場中において電気分解する。このようにすることで、析出するコバルトナノ構造物を大きな実表面積を備え、かつ高速イオン輸送ができる形態とすることができる。より具体的には、磁場を印加しないで形成された構造と比較して、より微細かつ複雑なコバルトナノ構造物を析出させることができる。   In this step, a pair of electrodes is immersed and electrolyzed in a magnetic field. By doing in this way, the cobalt nanostructure to precipitate can be made into the form which has a big real surface area and can perform high-speed ion transport. More specifically, compared to a structure formed without applying a magnetic field, a finer and more complicated cobalt nanostructure can be deposited.

また本ステップにおいて印加する磁場は、静磁場であっても交流磁場であってもよいが、静磁場であることがよりコバルトナノ構造物の微細構造化を促進する観点から好ましい。静磁場を印加する場合、例えば永久磁石を用い、この永久磁石のN極及びS極の間に上記一対の電極を配置することで容易に実現できる。また、交流磁場の場合、電磁石、具体的には導線からなるコイルを用い、このコイル内部に一対の電極を配置し、コイルに交流電流を流すことで交流磁場を発生させることもできる。   The magnetic field applied in this step may be a static magnetic field or an alternating magnetic field, but is preferably a static magnetic field from the viewpoint of promoting the fine structure of the cobalt nanostructure. When a static magnetic field is applied, for example, a permanent magnet is used, and the pair of electrodes can be easily arranged between the N pole and the S pole of the permanent magnet. In the case of an AC magnetic field, an AC magnet can be generated by using an electromagnet, specifically a coil made of a conductive wire, arranging a pair of electrodes inside the coil, and passing an AC current through the coil.

また印加する磁場の方向は、一対の電極の対向する面に対し略平行又は略垂直であることが好ましい。なおここで「略平行」とは、完全に平行であることを含むことはもちろんであるが、対向する一対の電極の面の向きが完全に平行でない場合を含め、電極の面と静磁場の方向との間において数度程度の誤差範囲を含むものであり、例えば±5度の誤差は含まれるものである。またここで「略垂直」も、完全に垂直であることを含むことはもちろんであるが、対向する一対の電極の面の向きが完全に平行でない場合を含め、電極の面と静磁場の方向との間において数度程度の誤差範囲を含むものであり、例えば±5度の誤差は含まれるものである。   The direction of the applied magnetic field is preferably substantially parallel or substantially perpendicular to the opposing surfaces of the pair of electrodes. The term “substantially parallel” as used herein includes, of course, being completely parallel, but includes the case where the orientation of the surfaces of the pair of electrodes facing each other is not completely parallel, An error range of about several degrees is included with respect to the direction, for example, an error of ± 5 degrees is included. Here, “substantially perpendicular” includes not only completely perpendicular, but also includes the direction of the surface of the electrode and the static magnetic field, including the case where the orientation of the surfaces of the pair of electrodes facing each other is not completely parallel. An error range of about several degrees is included, and an error of ± 5 degrees is included, for example.

また本ステップにおいて、磁場の強さとしては、1mT以上100mT以下の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは5mT以上1T以下の範囲である。1mT以上とすることでコバルトナノ構造物のナノ構造化を発現させることができるといった効果があり、10T以下とすることで、磁場強度が大きすぎることによる電極基板や配線の設置等への影響を抑えた電解操作が可能となるといった効果がある。   In this step, the magnetic field strength is preferably in the range of 1 mT to 100 mT, more preferably in the range of 5 mT to 1 T. By setting it to 1 mT or more, there is an effect that the nanostructure of the cobalt nanostructure can be expressed. By setting it to 10 T or less, the influence on the installation of the electrode substrate and the wiring due to the magnetic field strength being too large is achieved. There is an effect that the suppressed electrolysis operation becomes possible.

本ステップは、上記の処理により、一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させることができる。   In this step, cobalt nanostructures can be deposited on one of the pair of electrodes by the above treatment.

本実施形態において、電極上に形成されるコバルトナノ構造物とは、実電極面積を拡大することができるよう形成されるものであり、コバルトナノ構造物としては、電極面積を拡大できる限りにおいて限定されるわけではないが、コバルトナノワイヤー、コバルトナノデンドライト、ポーラスコバルト、コバルトナノ・マイクロビーズなどを例示することができ、より大きな実表面積を形成できる観点からはコバルトナノワイヤーであることが好ましい。   In this embodiment, the cobalt nanostructure formed on the electrode is formed so that the actual electrode area can be expanded, and the cobalt nanostructure is limited as long as the electrode area can be expanded. Although not necessarily mentioned, cobalt nanowires, cobalt nanodendrites, porous cobalt, cobalt nano-microbeads and the like can be exemplified, and cobalt nanowires are preferable from the viewpoint of forming a larger actual surface area.

なお本ステップにより、電極の上に析出させるコバルトナノ構造物の形成される量としては、限定されるわけではないが、2μg/cm以上2000μg/cm以下の範囲にあることが好ましい。2μg/cm以上とすることで実用的な充放電容量を有することができるようになるといった効果があり、2000μg/cm以下とすることで容量の低下を引き起こすような構造変化を避けることができるといった効果がある。 The amount of cobalt nanostructures deposited on the electrode in this step is not limited, but is preferably in the range of 2 μg / cm 2 to 2000 μg / cm 2 . By making it 2 μg / cm 2 or more, there is an effect that it becomes possible to have a practical charge / discharge capacity, and by making it 2000 μg / cm 2 or less, avoiding structural changes that cause a decrease in capacity. There is an effect that can be done.

また本方法では、(2)対向電極を準備し、コバルトナノ構造物が形成された電極と対向して配置させると共にキャパシタ用電解質層をこの間に充填させるステップを有する。本ステップでは、上記(1)のステップで作製した電極を用い、具体的にキャパシタを作製するステップである。   In addition, the method includes the step of (2) preparing a counter electrode, disposing it facing the electrode on which the cobalt nanostructure is formed, and filling the capacitor electrolyte layer therebetween. In this step, a capacitor is specifically manufactured using the electrode manufactured in the step (1).

まず、対向電極を準備する。対向電極は、上記(1)のステップで作製した電極と対になるものであり、この一対の電極の間に電圧を印加し、電荷を蓄積させることができるようになる。   First, a counter electrode is prepared. The counter electrode is paired with the electrode manufactured in the step (1), and a voltage can be applied between the pair of electrodes to accumulate charges.

対向電極は、導電性を有するものである限りにおいて限定されるものではないが、導電性の板や、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものを例示することができる。導電性の板を含むものの例としては、例えば、金属板、カーボン板を例示することができ、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものとしては、例えば、ガラス、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム等の絶縁性の板の上に、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アルミニウムドープ酸化スズ)、GTO(ガリウムドープ酸化スズ)等の導電性の膜を配置したものを例示することができる。なお、生産性、機械的強度、価格、軽量性の観点からは、金属板又はガラス基板上にITOを形成したものであることが好ましい。   The counter electrode is not limited as long as it has conductivity, but examples thereof include a conductive plate and a conductive film disposed on an insulating plate. As an example of what includes a conductive plate, for example, a metal plate and a carbon plate can be exemplified, and as a conductive film disposed on an insulating plate, for example, glass, polyester film, On an insulating plate such as a polycarbonate film, ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), ATO (aluminum-doped tin oxide), GTO (gallium-doped tin oxide), etc. The thing which has arrange | positioned the electroconductive film | membrane can be illustrated. In addition, from the viewpoint of productivity, mechanical strength, price, and lightness, it is preferable that ITO is formed on a metal plate or a glass substrate.

なお対向電極は、上記で示す例のものをそのまま使用することができるが、上記(1)のステップで作製した電極ももちろん採用することができ、一対の電極の両方を上記(1)のステップで作製した電極とすることが電荷蓄積量増加の観点からより好ましい。   In addition, although the thing of the example shown above can be used as it is for the counter electrode, the electrode produced in the step (1) can of course be adopted, and both of the pair of electrodes can be used in the step (1). From the viewpoint of increasing the amount of accumulated charge, it is more preferable to use the electrode fabricated in (1).

また本ステップにおいて、対向電極と上記(1)で作製した電極の距離は、限定されるわけではないが、10μm以上5cm以下であることが好ましく、100μm以上1cm以下とすることがより好ましい。10μm以下とすることで充放電の電気化学反応を生じさせるための電気二重層の十分な成長を行わせることができ、100μm以上とすることでこの効果が顕著となる。一方、5cm以下とすることで軽量、コンパクト化が可能となり、1cm以下とすることでこの効果が顕著となる。   In this step, the distance between the counter electrode and the electrode prepared in the above (1) is not limited, but is preferably 10 μm or more and 5 cm or less, and more preferably 100 μm or more and 1 cm or less. By setting the thickness to 10 μm or less, it is possible to cause sufficient growth of the electric double layer for causing the electrochemical reaction of charge / discharge, and by setting the thickness to 100 μm or more, this effect becomes remarkable. On the other hand, if it is 5 cm or less, it is possible to reduce the weight and size, and if it is 1 cm or less, this effect becomes remarkable.

また本ステップにおいては、この一対の電極の間に、キャパシタ用電解質層をこの間に充填させる。このようにすることで、イオン導電による電流を流すことが可能となり、蓄電量を増加させることが可能となる。なお、本ステップにおいては、一対の電極を配置した後に表面張力を用いてこの間にキャパシタ用電解質を充填させてもよいし、キャパシタ用電解質内に一対の電極を挿入して一対の電極を対向させて配置することとしてもよく、また、電解質を含んだ多孔質の絶縁性スペーサーを間に配置することとしても良い。   In this step, a capacitor electrolyte layer is filled between the pair of electrodes. By doing in this way, it becomes possible to flow the electric current by ionic conduction, and it becomes possible to increase the amount of electrical storage. In this step, the capacitor electrolyte may be filled with the surface tension after the pair of electrodes are arranged, or the pair of electrodes are made to face each other by inserting the pair of electrodes into the capacitor electrolyte. Alternatively, a porous insulating spacer containing an electrolyte may be arranged between them.

また本ステップにおいて、キャパシタ用電解質層は、電解質を含む層であって、支持電解質を含む溶媒を有する電解液であってもよいし、ゲル状電解質であってもよいし、固体電解質であってもよい。   In this step, the capacitor electrolyte layer is a layer containing an electrolyte, and may be an electrolytic solution having a solvent containing a supporting electrolyte, a gel electrolyte, or a solid electrolyte. Also good.

本実施形態において、キャパシタ用電解質層が電解液の場合、溶媒としては、電解質を保持することができる限りにおいて限定されるものではないが、水や有機溶媒を採用することができ、作動電圧の拡大、エネルギー密度の向上の観点からは有機溶媒を用いても良い。なお有機溶媒の場合、限定されるわけではないが、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン・炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、及びこれらの溶媒のうち水に溶解するものの水との混合溶媒等を例示することができる。   In the present embodiment, when the capacitor electrolyte layer is an electrolytic solution, the solvent is not limited as long as the electrolyte can be retained, but water or an organic solvent can be employed, and the operating voltage can be reduced. From the viewpoint of expansion and improvement of energy density, an organic solvent may be used. In the case of an organic solvent, although not limited, acetonitrile, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, benzonitrile, methylene chloride, tetrahydrofuran / propylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol, ethanol, and Examples of these solvents include those that dissolve in water but are mixed with water.

本実施形態において、キャパシタ用電解質層が電解液の場合、支持電解質としては、限定されるわけではないが、溶媒が水である場合、例えばLiCl、LiBr、LiSO、LiOH、LiClO、NaCl、NaBr、NaSO、NaOH、NaClO、KCl、KBr、KSO、KOH、KClO、及び(CNOH、並びにそれらの水和物を挙げることができ、大きな実表面積を有するコバルトナノ構造物を形成する観点からは硫酸リチウム一水和物であることがより好ましい。また、溶媒が有機溶媒である場合は、例えば(CNClO、(CNF、(CNPF、(CNClO、(CNF、(CNPF、LiClO、NaClO、KClO、及び(CNOHを挙げることができる。また、コバルトナノワイヤー又は酸化コバルトナノワイヤーと水け意の溶媒を組み合わせたキャパシタを形成する場合、コバルト及び酸化コバルトの科学的安定性の観点からはLiOH、NaOH、KOH、(CNOH及び(C)NOHであることが好ましい。 In the present embodiment, when the capacitor electrolyte layer is an electrolytic solution, the supporting electrolyte is not limited, but when the solvent is water, for example, LiCl, LiBr, Li 2 SO 4 , LiOH, LiClO 4 , Mention may be made of NaCl, NaBr, Na 2 SO 4 , NaOH, NaClO 4 , KCl, KBr, K 2 SO 4 , KOH, KClO 4 , and (C 2 H 5 ) 4 NOH, and their hydrates, From the viewpoint of forming a cobalt nanostructure having a large actual surface area, lithium sulfate monohydrate is more preferable. When the solvent is an organic solvent, for example, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NPF 6 , (C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (C 4 H 9 ) 4 NF 4 , (C 4 H 9 ) 4 NPF 6 , LiClO 4 , NaClO 4 , KClO 4 , and (C 4 H 9 ) 4 NOH. Moreover, when forming the capacitor which combined the cobalt nanowire or the cobalt oxide nanowire, and the water free solvent, from the viewpoint of the scientific stability of cobalt and cobalt oxide, LiOH, NaOH, KOH, (C 2 H 5 ) 4 NOH and (C 4 H 9 ) NOH are preferred.

また本ステップにおける電解質に含まれる支持電解質の量としては、限定されるわけではないが、溶媒の重量を100重量部とした場合に、0.01重量部以上300重量部以下であることが好ましく、0.1重量部以上40重量部以下であることがより好ましい。0.01重量部以上とすることで十分な電解液の電気伝導を確保することが可能となり、300重量部以下とすることで電解液の過度な粘度上昇を抑えることができ、充放電に関わるイオンの輸送を阻害しないといった効果がある。   The amount of the supporting electrolyte contained in the electrolyte in this step is not limited, but is preferably 0.01 parts by weight or more and 300 parts by weight or less when the weight of the solvent is 100 parts by weight. More preferably, it is 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less. When the amount is 0.01 parts by weight or more, sufficient electric conduction of the electrolytic solution can be ensured, and when the amount is 300 parts by weight or less, an excessive increase in the viscosity of the electrolytic solution can be suppressed, and charging and discharging are involved. It has the effect of not inhibiting ion transport.

なお、電解液を一対の電極間に充填する方法としては、一対の電極の間に表面張力を用いて電解液を注入する方法を採用することもできるし、電解質を含んだ多孔質の絶縁性のスペーサーを間に配置することも可能である。   In addition, as a method of filling the electrolyte solution between the pair of electrodes, a method of injecting the electrolyte solution using surface tension between the pair of electrodes can be adopted, or a porous insulating property containing the electrolyte can be adopted. It is also possible to arrange the spacers in between.

また本ステップにおいて、電解質にゲル状電解質を用いた場合の例としては、限定されるわけではないが、例えばゲル状ポリマー電解質であることが好ましい。ゲル状ポリマー電解質の例としては、限定されるわけではないが、例えばポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビリニデン、およびポリメチルメタクリレートを例示することができる。   In this step, an example of using a gel electrolyte as the electrolyte is not limited, but for example, a gel polymer electrolyte is preferable. Examples of the gel polymer electrolyte include, but are not limited to, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, poly (vinylidene fluoride), and polymethyl methacrylate.

また本ステップにおいて、電解質に固体電解質を用いた場合の例としては、限定されるわけではないが、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、有機高分子、及び導電性ポリマー等を例示することができる。   In this step, examples of using a solid electrolyte as the electrolyte include, but are not limited to, zirconia, zinc oxide, magnesium oxide, organic polymers, and conductive polymers.

なお、本ステップにおいては、対向電極を準備し、コバルトナノ構造物が形成された電極と対向して配置させると共にキャパシタ用電解質層をこの間に充填させるが、対向して配置させる手順とキャパシタ用電界層を充填させる手順は同時であってもよい。図2に、本方法よって製造されるキャパシタの構造の概略を示す。   In this step, a counter electrode is prepared and arranged to face the electrode on which the cobalt nanostructure is formed and the capacitor electrolyte layer is filled between them. The procedure for filling the layers may be simultaneous. FIG. 2 shows an outline of the structure of a capacitor manufactured by this method.

本図で示すように、本キャパシタ1は、対向する一対の電極2a、2bと、一対の電極の少なくとも一方に形成されるコバルトナノ構造物3a、3b(本図の例では一対の電極の双方に形成される)と、一対の電極の間に配置されるキャパシタ用電解質層4と、を有する。   As shown in the figure, the capacitor 1 includes a pair of opposing electrodes 2a and 2b and cobalt nanostructures 3a and 3b formed on at least one of the pair of electrodes (both the pair of electrodes in the example of the figure). And a capacitor electrolyte layer 4 disposed between the pair of electrodes.

また本キャパシタは、外部の駆動装置と接続され、一対の電圧を印加されて電荷を蓄積するとともに、短絡することでこの蓄積した電荷を放出することができる。印加する電圧としては、充電が可能であり、材料の分解電圧を超えない限りにおいて限定されるわけではないが、電極間の電界にして0.05V/cm以上10000V/cm以下であることが好ましく、より好ましくは10V/cm以上1000V/cm以下であることがより好ましい。   In addition, the capacitor is connected to an external driving device, and accumulates charges by applying a pair of voltages, and can discharge the accumulated charges by short-circuiting. The voltage to be applied is not limited as long as it can be charged and does not exceed the decomposition voltage of the material, but it is preferably 0.05 V / cm or more and 10,000 V / cm or less in terms of the electric field between the electrodes. More preferably, it is more preferably 10 V / cm or more and 1000 V / cm or less.

本キャパシタは、電極上にコバルトナノ構造物を配置することで、電極の実表面積が拡大し、かつコバルトナノ構造物表面は可逆的な電気化学的酸化反応(充電)及び還元反応(放電)を受けるために、より安定的な充放電特性を発現する、より高エネルギーかつ高出力の電気化学キャパシタとなる。本キャパシタは、コバルトナノ構造物表面で生じる可逆的な電気化学反応を利用するためレドックスキャパシタに分類される。   In this capacitor, the cobalt nanostructure is arranged on the electrode, so that the actual surface area of the electrode is expanded, and the surface of the cobalt nanostructure undergoes reversible electrochemical oxidation (charge) and reduction (discharge). Therefore, the electrochemical capacitor has higher energy and higher output and exhibits more stable charge / discharge characteristics. This capacitor is classified as a redox capacitor because it uses a reversible electrochemical reaction that occurs on the surface of the cobalt nanostructure.

また特に本実施形態に係るコバルトナノ構造物は、電解液に電極を浸漬し、磁場中において電解液を電気分解して前記一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させたものであり、コバルトナノ構造物は、微細かつ複雑なナノ構造物となっている。コバルトナノ構造物はMHD効果およびマイクロMHD効果によって形成されるナノ空間を形成し、より広い実表面積を実現し、高速イオン輸送効果を発現させ、より高いキャパシタ特性を発揮することができる。   In particular, the cobalt nanostructure according to this embodiment is obtained by immersing an electrode in an electrolytic solution, electrolyzing the electrolytic solution in a magnetic field, and depositing the cobalt nanostructure on one of the pair of electrodes. Cobalt nanostructures are fine and complex nanostructures. The cobalt nanostructure forms a nano space formed by the MHD effect and the micro MHD effect, realizes a wider real surface area, exhibits a high-speed ion transport effect, and exhibits higher capacitor characteristics.

本実施形態において、コバルトナノ構造物は、磁場中において電解液を電気分解して形成されたものであって、完全にランダムな状態ではなく高速イオン輸送を可能とするような複雑かつ微細な構造をもつものである。この結果、電極の実表面積を拡大することが可能となり、上記機能を更に向上させることができている。この微細構造の程度は特に限定されるわけではないが、マイクロレベルの微細構造の中にナノレベルの構造が形成されたものと記述することができる。   In this embodiment, the cobalt nanostructure is formed by electrolyzing an electrolytic solution in a magnetic field, and has a complicated and fine structure that enables high-speed ion transport rather than a completely random state. It has something. As a result, the actual surface area of the electrode can be increased, and the above functions can be further improved. Although the degree of this fine structure is not particularly limited, it can be described that a nano-level structure is formed in a micro-level fine structure.

以上、本実施形態によって、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるキャパシタ及びその製造方法、及び、これに用いることのできるコバルトナノ構造物の製造方法を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a capacitor capable of achieving higher energy and higher output, a method for manufacturing the capacitor, and a method for manufacturing a cobalt nanostructure that can be used for the capacitor.

ここで、上記実施形態に係るコバルトナノ構造物の製造方法について、実際に実験を行い、その効果を確認した。以下具体的に説明する。   Here, an experiment was actually performed on the method for producing a cobalt nanostructure according to the above embodiment, and the effect was confirmed. This will be specifically described below.

まず蒸留、イオン交換を行なった水にヘキサアンミンコバルト[Co(NH]Clを19mM、支持電解質として硫酸リチウムLiSOを0.1M含む電解液を準備し、ガラスセルの主室にこの電解質を入れ、ITOガラス基板を動作電極、対向電極を白金板を挿入し、18℃において上記動作電極に−1.03V vs.SCE(飽和カロメル電極)の電位を印加した。なお、このとき、一対の対向する電極の面に対して略垂直な方向、又は略平行な方向にこの一対の対抗する電極を挟むように磁石を配置し、この方向に静磁場が0mT(磁場無印加)、30mT、60mT、90mTとなるよう配置した。図3に、電気分解において用いた装置の概略を示す。また、通電電気量については0.5〜3.0C/cmとし、0.5C/cm間隔でそれぞれ6個の試料を作製した。なお、本実施例において、磁石はネオジム磁石とし、これらを対向させるとともに磁場強度をテスラメーター(カネテック製テスラメーターTM−701)で確認しつつ制御した。 First, an electrolyte containing 19 mM hexaamminecobalt [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 and 0.1 M lithium sulfate Li 2 SO 4 as a supporting electrolyte was prepared in distilled and ion-exchanged water. This electrolyte was put in a chamber, an ITO glass substrate was inserted as a working electrode, and a platinum plate was inserted as a counter electrode, and at −18 ° C., −1.03 V vs. A potential of SCE (saturated calomel electrode) was applied. At this time, a magnet is arranged so as to sandwich the pair of opposing electrodes in a direction substantially perpendicular to or parallel to the surfaces of the pair of opposing electrodes, and the static magnetic field is 0 mT (magnetic field) in this direction. No application), 30 mT, 60 mT, and 90 mT. FIG. 3 shows an outline of the apparatus used in the electrolysis. Further, the energization amount of electricity was set 0.5~3.0C / cm 2, were prepared six samples respectively 0.5 C / cm 2 intervals. In this example, the magnets were neodymium magnets, which were opposed to each other and controlled while checking the magnetic field strength with a Tesla meter (Kanetec Tesla meter TM-701).

この結果、磁場の向き2通り、磁場の強さ3種類、電気量の種類6種類の合計36種類のキャパシタ用の一対の電極を作製した。   As a result, a pair of electrodes for a total of 36 types of capacitors including two types of magnetic field directions, three types of magnetic field strengths, and six types of electric quantities were produced.

そしてまず、これら電極に対し、サイクリックボルタンメトリーを行った。この結果を図4及び図5に示しておく。図4は静磁場30mTで電解還元を行った場合の電極の結果を、図5は静磁場60mTで電解還元を行った場合の電極の結果をそれぞれ示している。また上記図はいずれも通電電気量は1.0C/cmの例である。なお本サイクリックボルタンメトリーは、これら電極を0.1MのLiOH水溶液に浸し、5mV/sの条件下で行った結果である。 First, cyclic voltammetry was performed on these electrodes. The results are shown in FIG. 4 and FIG. FIG. 4 shows the result of the electrode when electrolytic reduction is performed with a static magnetic field of 30 mT, and FIG. 5 shows the result of the electrode when electrolytic reduction is performed with a static magnetic field of 60 mT. The above figures are examples in which the amount of electricity supplied is 1.0 C / cm 2 . The cyclic voltammetry is a result of immersing these electrodes in a 0.1 M LiOH aqueous solution under the condition of 5 mV / s.

この結果、平行(水平)、垂直のいずれの場合においても、磁場印加がない例に比べ、電流密度のピーク値が向上していることを確認し、機能向上を図ることができていることを確認した。   As a result, in both parallel (horizontal) and vertical cases, it was confirmed that the peak value of the current density was improved compared to the case where no magnetic field was applied, and that the function could be improved. confirmed.

また、上記作製した電極に対し、充放電試験を行った。この結果をまず図6に示す。本図は、通電電気量1.0C/cm、磁場印加3.0mTを基板に対し垂直または平行に印加した場合、無印加の場合の例、それぞれを示している。この結果、磁場を印加した場合の充放電特性は、磁場を無印加の場合よりも充放電の時間が長くなっており、充放電の比容量が増加していることを確認した。 Moreover, the charge / discharge test was done with respect to the produced electrode. First, the result is shown in FIG. This figure shows an example in the case of applying an applied electricity amount of 1.0 C / cm 2 and applying a magnetic field of 3.0 mT perpendicularly or in parallel to the substrate, or no application. As a result, the charge / discharge characteristics when a magnetic field was applied confirmed that the charge / discharge time was longer than when no magnetic field was applied, and the specific capacity of charge / discharge was increased.

今度は、上記と同様の充放電試験に関し、通電電気量を異ならせて特性評価を行った。この結果を図7乃至図9に示す。図7は、基板に垂直な方向に磁場3.0mT印加して作成した基板を用い、通電電気量を0.5〜3.0C/cmに0.5C/cmずつ異ならせた各場合における充放電試験に関する結果を、図8は、基板に平行な方向に磁場3.0mT印加して作成した基板を用いた場合における充放電試験に関する結果を、図9は、基板に磁場を印加しないで作成した基板を用いた場合における充放電試験に関する結果を、それぞれ示す。この結果、同じポテンシャル値に至るまでの時間は、基板に垂直または平行に印加した場合、通電量が2.0C/cmに近づくにつれて増加するもののこれからまた増加するに従い減少していくことが確認できた。これに対し、磁場無印加の場合は、通電電気量が増加するに従い、同じ値のポテンシャルにいたるまでの時間が増加していることを確認した。 This time, with respect to the same charge / discharge test as described above, the characteristics were evaluated by varying the amount of electricity supplied. The results are shown in FIGS. 7, using a substrate prepared by a magnetic field 3.0mT applied in a direction perpendicular to the substrate, if each having different current electrical quantity 0.5~3.0C / cm 2 by 0.5 C / cm 2 FIG. 8 shows the results related to the charge / discharge test in FIG. 8, FIG. 8 shows the results related to the charge / discharge test in the case of using the substrate created by applying a magnetic field of 3.0 mT in the direction parallel to the substrate, and FIG. 9 does not apply the magnetic field to the substrate. The result regarding the charging / discharging test in the case of using the board | substrate created by is shown, respectively. As a result, it is confirmed that the time to reach the same potential value increases as the energization amount approaches 2.0 C / cm 2 when applied perpendicularly or parallel to the substrate, but decreases as it increases. did it. On the other hand, when no magnetic field was applied, it was confirmed that the time required to reach the same potential increased as the amount of electricity supplied increased.

次に、比容量Cmの通電電気量に対する依存性について確認を行った。この結果を図10に示す。なお磁場強度は30mT一定とした。この結果、いずれの通電電気量であっても、比容量Cmが増加していることが確認できた。なお、特に、同じ磁場強度においては、2.0C/cmまでであれば基板に対して略垂直な方向に磁場を印加した場合の方が略平行な方向に磁場を印加した場合よりも比容量が大きくなっており、2.0C/cm以上であれば、Cmの値は磁場を印加していない場合に近づくとともに磁場印加の効果が低下した。 Next, the dependency of the specific capacity Cm on the amount of electricity supplied was confirmed. The result is shown in FIG. The magnetic field strength was constant at 30 mT. As a result, it was confirmed that the specific capacity Cm increased at any energized electricity. In particular, at the same magnetic field strength, when the magnetic field is up to 2.0 C / cm 2 , the ratio when the magnetic field is applied in a direction substantially perpendicular to the substrate is higher than that when the magnetic field is applied in a direction substantially parallel to the substrate. When the capacity is increased and is 2.0 C / cm 2 or more, the value of Cm approaches that when no magnetic field is applied, and the effect of applying the magnetic field decreases.

また、比容量Cmの通電電気量に対する依存性について、磁場の強度を変化させて同様の確認を行った。この結果を図11、図12に示す。なお図11は、基板に垂直な方向に磁場を0mT(磁場無印加)、30mT、60mT又は90mT印加して作成した基板を用い、通電電気量を0.5〜3.0C/cmに0.5C/cmずつ異ならせた場合の結果を示している。 Further, the dependency of the specific capacity Cm on the amount of electricity supplied was confirmed by changing the strength of the magnetic field. The results are shown in FIGS. Note that FIG. 11 uses a substrate created by applying a magnetic field of 0 mT (no magnetic field applied), 30 mT, 60 mT, or 90 mT in a direction perpendicular to the substrate, and the amount of electricity supplied is 0 to 0.5 to 3.0 C / cm 2 . The results are shown in the case of different values by 5 C / cm 2 .

本結果によると、いずれの場合においても同じ通電電気量では磁場無印加の場合よりも比容量が大幅に向上していることが確認できた。なお特に通電電気量が2.0C/cm近傍がピークとなっており、この近辺が特に比容量向上の効果が高いことが確認できた。 According to this result, it was confirmed that the specific capacity was greatly improved in any case with the same energization amount as compared with the case where no magnetic field was applied. In particular, the amount of energized electricity has a peak in the vicinity of 2.0 C / cm 2, and it has been confirmed that the effect of improving the specific capacity is particularly high in this vicinity.

またここで、作製された電極のラフネスファクターrの通電電気量に対する依存性を確認した。この結果を図13、14に示す。図13は、基板に対して垂直な磁場を印加した場合の例を、図14は、基板に対して平行な磁場を印加した場合の例を示している。これらの図で示すように、全体的に、磁場を印加すると同じ通電電気量であればラフネスファクターrは増加し、通電電気量を増加させてもラフネスファクターrの値が増加していることが確認できる。ただし、磁場を印加した場合の例において、通電電気量が3.0C/cmを超えた場合、同じ通電電気量であっても磁場を印加しない場合の例に比べラフネスファクターが減少してしまっている場合が確認された(図13の30mT及び60mT、図14の30mT)。ここで、ラフネスファクターとは、平滑面の面積(見かけの面積)に対する実表面積の比と定義される。 Here, the dependency of the roughness factor r of the fabricated electrode on the amount of electricity applied was confirmed. The results are shown in FIGS. FIG. 13 shows an example when a magnetic field perpendicular to the substrate is applied, and FIG. 14 shows an example when a magnetic field parallel to the substrate is applied. As shown in these figures, as a whole, when the magnetic field is applied, the roughness factor r increases with the same amount of electricity supplied, and the roughness factor r increases even when the amount of electricity supplied is increased. I can confirm. However, in the case where a magnetic field is applied, when the amount of energized electricity exceeds 3.0 C / cm 2 , the roughness factor decreases compared to the case where the magnetic field is not applied even if the amount of energized electricity is the same. (30 mT and 60 mT in FIG. 13 and 30 mT in FIG. 14). Here, the roughness factor is defined as the ratio of the actual surface area to the area (apparent area) of the smooth surface.

なお、図15に、通電電気量1.0C/cm、基板に対して垂直な方向に30mTの磁場を印加した条件で作製した電極、通電電気量1.0C/cm、基板に対して平行な方向に30mTの磁場を印加した条件で作製した電極、通電電気量1.0C/cm、基板に磁場を印加しない条件で作製した電極、のSEM画像をそれぞれ示す。これらの図によると、磁場を印加せずに作成した場合、細く長いナノワイヤーが形成され、先端(白いコントラストの部分)でお互いに融合していることがわかる。そして、径が3〜6μmの分画領域が形成された。一方、磁場を印加した場合には、太く短いナノワイヤーが形成され、サブミクロンから2μmのサイズの、より小さな分画空間が形成された。そのようなより小さな分画空間では、イオンが拡散する距離が小さくなり、高速イオン輸送が可能となる。電解液と接触する界面の面積の増大とともに、この高速イオン輸送効果によって、磁場を印加した場合には、磁場を印加しない場合と比べて充放電容量Cmが増加したものと考えることができる。なお本図から後述の図19において、各スケールバーは20μmである。 Incidentally, in FIG. 15, energization amount of electricity 1.0 C / cm 2, the electrode was produced under the conditions of applying a magnetic field of 30mT in a direction perpendicular to the substrate, the energization amount of electricity 1.0 C / cm 2, with respect to the substrate SEM images of an electrode produced under a condition in which a magnetic field of 30 mT was applied in a parallel direction, an amount of electricity of 1.0 C / cm 2 , and an electrode produced under a condition in which no magnetic field was applied to the substrate are shown. According to these figures, it can be seen that when created without applying a magnetic field, thin and long nanowires are formed and fused together at the tip (white contrast portion). And the fraction area | region with a diameter of 3-6 micrometers was formed. On the other hand, when a magnetic field was applied, thick and short nanowires were formed, and a smaller fractional space with a size of submicron to 2 μm was formed. In such a smaller fractional space, the distance over which ions diffuse is reduced and high-speed ion transport is possible. With the increase in the area of the interface in contact with the electrolytic solution, it can be considered that due to this high-speed ion transport effect, the charge / discharge capacity Cm increased when a magnetic field was applied compared to when no magnetic field was applied. In FIG. 19 to be described later, each scale bar is 20 μm.

また、図16に、通電電気量を1.0C/cmとした状態で、基板に対し垂直な方向に磁場を印加した場合のSEM画像の比較を示しておく。この結果、高い磁場を印加することで網目状のコバルトナノ構造物がより明確に確認することができ、磁場の印加によって表面が荒くなっていくことが確認できた。一方、図17に、通電電気量を1.0C/cmとした状態で、基板に対し平行な方向に磁場を印加した場合のSEM画像の比較を示しておく。この結果においても、高い磁場を印加することで網目状のコバルトナノ構造物がより明確に確認することができ、磁場の印加によって表面が荒くなっていくことが確認できた。 FIG. 16 shows a comparison of SEM images when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate in a state where the amount of electricity supplied is 1.0 C / cm 2 . As a result, it was confirmed that the network-like cobalt nanostructures were more clearly confirmed by applying a high magnetic field, and that the surface was roughened by applying the magnetic field. On the other hand, FIG. 17 shows a comparison of SEM images when a magnetic field is applied in a direction parallel to the substrate in a state where the amount of electricity supplied is 1.0 C / cm 2 . Also in this result, it was confirmed that the network-like cobalt nanostructure was more clearly confirmed by applying a high magnetic field, and the surface was roughened by applying the magnetic field.

なお、図18に、基板に対し垂直な方向に90mTの磁場を印加した条件で通電電気量を変化させた場合のSEM画像の比較を示しておく。この結果、0.5C/cmの場合は細かな網目状のコバルトナノ構造物が確認できる一方、通電電気量を増加させていくに従いその網目の線が太くなるとともにコバルトナノ構造物の量が増加し、分画空間の中にさらにナノワイヤーの構造が形成されて、より複雑な構造となることが確認できる。この構造複雑化は、解液と接触する界面の面積の増大とともに、高速イオン輸送効果がより発揮されることを示唆するものである。なお、3.0C/cmの場合は、網目状の構造が崩れてしまい、分画空間のサイズが増大した。このサイズ増大は高速イオン輸送を育成し、その結果、Cmの低下につながるものと解釈される。 FIG. 18 shows a comparison of SEM images when the amount of energized electricity is changed under the condition that a magnetic field of 90 mT is applied in a direction perpendicular to the substrate. As a result, in the case of 0.5 C / cm 2, a fine mesh-like cobalt nanostructure can be confirmed, while the mesh line becomes thicker and the amount of cobalt nanostructure becomes larger as the amount of energized electricity is increased. It can be confirmed that the nanowire structure is further formed in the fractionation space, resulting in a more complicated structure. This complication of the structure suggests that the effect of fast ion transport is more exhibited as the area of the interface in contact with the liquid solution increases. In the case of 3.0 C / cm 2 , the network structure collapsed and the size of the fractionation space increased. This increase in size is construed as fostering fast ion transport and consequently leading to a decrease in Cm.

また、図19に、基板に対し平行な方向に90mTの磁場を印加した条件で通電電気量を変化させた場合のSEM画像の比較を示しておく。この結果、0.5C/cmの場合は細かな網目状のコバルトナノ構造物が確認できる一方、通電電気量を増加させていくに従いその網目の線が太くなるとともにコバルトナノ構造物の量が増加する傾向が確認できる。なお、3.0C/cmの場合は、網目状の構造に変化が起こり線状のコバルトナノ構造物が重なり合うように配置されたようになっていることが確認できた。すなわち、3.0C/cm以上となると垂直磁場印加の場合と同様に、分画空間のサイズが増大し、そのサイズ増大が高速イオン輸送を育成し、その結果、Cmの低下につながるものと解釈される。 FIG. 19 shows a comparison of SEM images when the amount of energized electricity is changed under the condition that a magnetic field of 90 mT is applied in a direction parallel to the substrate. As a result, in the case of 0.5 C / cm 2, a fine mesh-like cobalt nanostructure can be confirmed, while the mesh line becomes thicker and the amount of cobalt nanostructure becomes larger as the amount of energized electricity is increased. A tendency to increase can be confirmed. In the case of 3.0 C / cm 2 , it was confirmed that the network structure was changed and the linear cobalt nanostructures were arranged so as to overlap each other. That is, when it becomes 3.0 C / cm 2 or more, as in the case of applying a vertical magnetic field, the size of the fractionation space increases, and the increase in size fosters fast ion transport, resulting in a decrease in Cm. Interpreted.

以上、本実施例により、本発明の効果を確認することができた。   As described above, the effect of the present invention could be confirmed by this example.

本発明は、キャパシタ及びその製造方法として産業上利用可能性がある。   The present invention has industrial applicability as a capacitor and a manufacturing method thereof.

Claims (7)

コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において前記電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるコバルトナノ構造物の製造方法。   A method for producing a cobalt nanostructure, wherein a pair of electrodes is immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, and the electrolytic solution is electrolyzed in a magnetic field to deposit a cobalt nanostructure on one of the pair of electrodes. 前記磁場は静磁場であって、1mT以上10T以下の範囲内にある請求項1記載のコバルトナノ構造物の製造方法。   The method for producing a cobalt nanostructure according to claim 1, wherein the magnetic field is a static magnetic field and is in a range of 1 mT to 10 T. 前記静磁場は、前記一対の電極の対向する面に対し略平行又は略垂直である請求項2記載のコバルトナノ構造物の製造方法。   The method for producing a cobalt nanostructure according to claim 2, wherein the static magnetic field is substantially parallel or substantially perpendicular to the opposing surfaces of the pair of electrodes. 請求項2記載の電解液の電気分解における前記一対の電極間の通電量は、0.01C/cm以上10.0C/cm以下の範囲にある請求項2記載のコバルトナノ構造物の製造方法。 The production of the cobalt nanostructure according to claim 2 , wherein an amount of current flowing between the pair of electrodes in electrolysis of the electrolytic solution according to claim 2 is in a range of 0.01 C / cm 2 or more and 10.0 C / cm 2 or less. Method. 請求項3記載のコバルトナノ構造物が析出した電極を、キャパシタ用電解質層介して対向電極と対向させて配置させるキャパシタ。   A capacitor in which the electrode on which the cobalt nanostructure according to claim 3 is deposited is disposed to face the counter electrode through the capacitor electrolyte layer. 請求項4記載のコバルトナノ構造物が析出した電極を、キャパシタ用電解質層介して対向電極と対向させて配置させるキャパシタ。   A capacitor in which the electrode on which the cobalt nanostructure according to claim 4 is deposited is disposed to face the counter electrode via the capacitor electrolyte layer. 前記電極上に析出する前記コバルトナノ構造物の量は、2μg/cm以上2000μg/cm以下の範囲にある請求項4記載のキャパシタ。
The capacitor according to claim 4, wherein an amount of the cobalt nanostructure deposited on the electrode is in a range of 2 μg / cm 2 to 2000 μg / cm 2 .
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