JP2014150158A - Oxide structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide structure including an active material which improves conductivity, and increases specific capacity of a capacitor.SOLUTION: An oxide structure 1 includes a porous metal layer 2 and an oxide layer 3 disposed on both surfaces of the porous metal layer 2. An oxide is represented by a chemical formula: MOwhere M is different from a metal constituting the porous metal layer 2 and comprises at least one or more elements selected from Sn or transition metal including Mn, Co or Ni. The oxide may be any of MnO, CoO, NiO and SnO. Porous metal comprises any of Au, Ag and Cu, or a metal alloy including two or more of Au, Ag and Cu.

Description

本発明は、酸化物構造体とその製造方法に関する。   The present invention relates to an oxide structure and a manufacturing method thereof.

高電力密度と長寿命とを兼ね備えた電気化学的なスーパーキャパシタは、主電源と同時に短パルス応用における蓄電池や燃料電池の相補的なエネルギー貯蔵素子としての使用が可能である。   Electrochemical supercapacitors that combine high power density and long life can be used as complementary energy storage elements for storage batteries and fuel cells in short pulse applications as well as main power.

しかしながら、応用の拡大と共に、スーパーキャパシタのエネルギー密度は著しく改善される必要がある(非特許文献1参照)。   However, as the application expands, the energy density of the supercapacitor needs to be significantly improved (see Non-Patent Document 1).

通常のカーボンを用いたスーパーキャパシタの比容量は、有機電極の場合には、通常100F/g〜120F/gである。エネルギー密度は、4Wh/kg〜5Wh/kgであり、この値は鉛蓄電池(26Wh/kg〜34Wh/kg)やリチウムイオン電池(約140Wh/kg)よりも遥かに小さい値である(非特許文献2、3参照)。   The specific capacity of a supercapacitor using ordinary carbon is usually 100 F / g to 120 F / g in the case of an organic electrode. The energy density is 4 Wh / kg to 5 Wh / kg, and this value is much smaller than that of a lead storage battery (26 Wh / kg to 34 Wh / kg) or a lithium ion battery (about 140 Wh / kg) (non-patent document). 2 and 3).

電気化学的なスーパーキャパシタにおいて、高エネルギー密度を得る可能性のある方法は、電荷を蓄える電極として金属酸化物や電導性ポリマーを高容量な擬容量材料として利用することである。含水ルテニウム酸化物は、大きな擬容量と、良好な可逆性とを有している(非特許文献4参照)。しかしながら、ルテニウム前躯体の高コストが、商業的な応用を制限している。   In an electrochemical supercapacitor, a method for obtaining a high energy density is to use a metal oxide or a conductive polymer as a high capacity pseudocapacitance material as an electrode for storing electric charge. The hydrous ruthenium oxide has a large pseudo capacity and good reversibility (see Non-Patent Document 4). However, the high cost of ruthenium precursors limits commercial applications.

酸化マンガン(MnO)は、理論的な高比容量(1370F/g)、低コスト、環境にやさしいという理由により有望な材料の候補である。理論値に近い1000F/g以上の超高容量のスーパーキャパシタが、水溶性の電解質において達成されている(非特許文献5、6参照)。 Manganese oxide (MnO 2 ) is a promising material candidate because of its theoretically high specific capacity (1370 F / g), low cost, and environmental friendliness. A supercapacitor having a super-high capacity of 1000 F / g or more close to the theoretical value has been achieved in a water-soluble electrolyte (see Non-Patent Documents 5 and 6).

しかしながら、MnOを用いたスーパーキャパシタを実現するには、MnOは、薄膜であり、かつ単位面積当たりの重量が非常に小さい(10μg/cm)ナノ粒子からなる必要がある。得られた容量は、商業的な応用にあまりにも小さいものであった(非特許文献7、8参照)。 However, in order to realize a super capacitor using MnO 2, the MnO 2 is a thin film, and the weight per unit area is required to consist of very small (10μg / cm 2) nanoparticles. The obtained capacity was too small for commercial application (see Non-Patent Documents 7 and 8).

しかしながら、厚い膜厚でMnOの単位面積当たりの重量を大きくする(≧100μg/cmで、厚さが約1μm)と、比容量が劇的に減少した。MnOの理論的な高容量の30%よりも小さい100F/g〜300F/gの比容量が得られた。これは、主としてMnOの膜厚の増加による電子伝導性の損失による(非特許文献9〜13参照)。 However, when the weight per unit area of MnO 2 was increased with a thick film thickness (≧ 100 μg / cm 2 , the thickness was about 1 μm), the specific capacity decreased dramatically. Specific capacities of 100 F / g to 300 F / g, which were smaller than 30% of the theoretical high capacity of MnO 2 were obtained. This is mainly due to a loss of electron conductivity due to an increase in the film thickness of MnO 2 (see Non-Patent Documents 9 to 13).

さらに、MnOのようなセラミックと金属との複合体によりコンデンサの特性を改善することが、例えば特許文献1に開示されている。 Further, for example, Patent Document 1 discloses that the characteristics of a capacitor are improved by a composite of ceramic and metal such as MnO 2 .

WO2012/086697WO2012 / 086697

B.E. Conway, Electrochemical supercapacitors, Kluwer Academic, Plenum Publisher, New York, 1999B.E.Conway, Electrochemical supercapacitors, Kluwer Academic, Plenum Publisher, New York, 1999 A. Burke, Electrochim. Acta, 2007, 53, 1083A. Burke, Electrochim. Acta, 2007, 53, 1083 P. Simon, Y. Gogotsi, Nature Mater., 2008, 7, 845.P. Simon, Y. Gogotsi, Nature Mater., 2008, 7, 845. J. P. Zheng, P. J. Cygan, and T. R. Zow, J. Electrochem. Soc., 1995, 142, 2699J. P. Zheng, P. J. Cygan, and T. R. Zow, J. Electrochem. Soc., 1995, 142, 2699 M. Toupin, T. Brousse, D. Belanger, Chem. Mater., 2004, 16, 3184M. Toupin, T. Brousse, D. Belanger, Chem. Mater., 2004, 16, 3184 X. Y. Lang, A. Hirata, T. Fujita, M. W. Chen, Nature Nanotechnology, 2011, 6, 232X. Y. Lang, A. Hirata, T. Fujita, M. W. Chen, Nature Nanotechnology, 2011, 6, 232 J. N Broughton, M.J. Brett, Electrochim. Acta, 2004, 49, 4439J. N Broughton, M.J. Brett, Electrochim. Acta, 2004, 49, 4439 S.C. Pang, M.A. Anderson and T.W. Chapman, J. Electrochem. Soc., 2000, 147, 444S.C.Pang, M.A.Anderson and T.W.Chapman, J. Electrochem.Soc., 2000, 147, 444 C.C. Hu, T.W. Tsou, Electrochem. Commun., 2002, 4, 105C.C.Hu, T.W.Tsou, Electrochem.Commun., 2002, 4, 105 P. Ragupathy, D. H. Park, G. Campet, H. V. Vasan, S.J. Hwang, J. H. Choy, N. Munichandraiah, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 6303P. Ragupathy, D. H. Park, G. Campet, H. V. Vasan, S.J. Hwang, J. H. Choy, N. Munichandraiah, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 6303 M. Xu, W Jia, S.J. Bao, Z. Su, B. Dong, Electrochim. Acta., 2010, 55, 5117M. Xu, W Jia, S.J. Bao, Z. Su, B. Dong, Electrochim. Acta., 2010, 55, 5117 C. Xu, F. Kang, B Li, H. Du, J. Mater. Res., 2010, 25, 1421C. Xu, F. Kang, B Li, H. Du, J. Mater. Res., 2010, 25, 1421 M. Nakayama, T. Kanaya, R. Inoue, Electrochem. Commun., 2007, 9, 1154M. Nakayama, T. Kanaya, R. Inoue, Electrochem. Commun., 2007, 9, 1154 J. L. Kang, A. Hirata, L. J. Kang, X. M. Zhang, Y. Hou, L. Y. Chen, C. Li, T. Fujita, K. Akagi, M. W. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201208993JL Kang, A. Hirata, LJ Kang, XM Zhang, Y. Hou, LY Chen, C. Li, T. Fujita, K. Akagi, MW Chen, Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002 / anie. 201208993 T. Fujita, P. F. Guan, K. McKenna, X. Y. Lang, A. Hirata, L. Zhang, T. Tokunaga, S. Arai, Y. Yamamoto, N. Tanaka, Y. Ishikawa, N Asao, Y. Yamamoto, J. Erlebacher, M. W. Chen, Nature Mater., 2012, 11, 775T. Fujita, PF Guan, K. McKenna, XY Lang, A. Hirata, L. Zhang, T. Tokunaga, S. Arai, Y. Yamamoto, N. Tanaka, Y. Ishikawa, N Asao, Y. Yamamoto, J Erlebacher, MW Chen, Nature Mater., 2012, 11, 775 W. Wei, X. Cui, W. Chen, D. G. Ivey, J. Power Sources, 2009, 186, 543W. Wei, X. Cui, W. Chen, D. G. Ivey, J. Power Sources, 2009, 186, 543 Z. Fan, J. Yan, T. Wei, L. Zhi, G.Ning, T. Li, F. Wei, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 2366Z. Fan, J. Yan, T. Wei, L. Zhi, G. Ning, T. Li, F. Wei, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 2366 Y. Hou, Y. Cheng, T. Hobson, J. Liu, Nano Lett., 2010, 10, 2727Y. Hou, Y. Cheng, T. Hobson, J. Liu, Nano Lett., 2010, 10, 2727 Y. Kang, B. Kim, H. Chung, W. Kim, Synthetic Met., 2010, 160, 2510Y. Kang, B. Kim, H. Chung, W. Kim, Synthetic Met., 2010, 160, 2510 [19] K. R. Prasad, N. Miura, J. Power Sources, 2004, 135, 354[19] K. R. Prasad, N. Miura, J. Power Sources, 2004, 135, 354 T. Xue, C. L. Xu, D.D. Zhao, X.H. Li, H.L. Li, J. Power Sources 2007, 164, 953T. Xue, C. L. Xu, D.D. Zhao, X.H. Li, H.L. Li, J. Power Sources 2007, 164, 953 N. Nagarajan, H. Humadi, I.Zhitomirsky, Electrochem. Acta 2006, 51, 3039N. Nagarajan, H. Humadi, I. Zhitomirsky, Electrochem. Acta 2006, 51, 3039 Y. Wang, H. Liu, X. Sun, I.Zhitomirsky, Scripta Mater., 2009, 61, 1079Y. Wang, H. Liu, X. Sun, I. Zhitomirsky, Scripta Mater., 2009, 61, 1079 Y. Dai, K. Wang, J. Zhao and J. Xie, J. Power Sources, 2006, 161, 737Y. Dai, K. Wang, J. Zhao and J. Xie, J. Power Sources, 2006, 161, 737 K. W. Nam and K. B. Kim, J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A81K. W. Nam and K. B. Kim, J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A81 K. T. Lee, C. B. Tsai, W. H. Ho, N. L. Wu, Electrochem. Commun., 2010, 12, 686K. T. Lee, C. B. Tsai, W. H. Ho, N. L. Wu, Electrochem. Commun., 2010, 12, 686 Z. P. Feng, G. R. Li, J.H. Zhong, Z. L. Wang, Y. N. Ou and Y. X. Tong, Electrochem. Commun., 2009, 11, 706Z. P. Feng, G. R. Li, J.H. Zhong, Z. L. Wang, Y. N. Ou and Y. X. Tong, Electrochem. Commun., 2009, 11, 706 Z. Xu, H. Du, B. Li, F. Kang, Y. Zeng, J. Electrochem. Soc., 2009, 156, A73Z. Xu, H. Du, B. Li, F. Kang, Y. Zeng, J. Electrochem. Soc., 2009, 156, A73

従来のMnO等の電極では、高速な酸化還元反応により、金属酸化物電極の繰り返しの寿命は、サイクルによる酸化層の活性な層の体積的な変化による電極の機械的な劣化によって制限される。従って、高容量と長寿命を有している厚いMnO層等による電極が得られていないという課題がある。 In conventional electrodes such as MnO 2 , due to the high-speed oxidation-reduction reaction, the repetition life of the metal oxide electrode is limited by the mechanical deterioration of the electrode due to the volume change of the active layer of the oxide layer due to the cycle. . Therefore, there is a problem that no electrode is obtained by the thick MnO 2 layer or the like having a high capacity and long life.

本発明は、上記課題に鑑み、導電性が向上できる活物質を有しコンデンサの比容量を高くできる、酸化物構造体を提供することを目的としている。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an oxide structure that has an active material that can improve conductivity and that can increase the specific capacity of a capacitor.

本発明者等は、厚いMnOフィルムの容量特性を改良するために、Au,Ag,Cuのような金属の多孔質金属層の両面に酸化物を形成することにより、MnO層の導電性の増強が図れるという知見を得て本発明に想到した。 The present inventors have, in order to improve the capacity characteristics of the thick MnO 2 film, Au, Ag, by forming an oxide such on both sides of the porous metal layer of the metal as Cu, the conductivity of MnO 2 layer The present invention has been conceived with the knowledge that the enhancement of the above can be achieved.

上記の目的を達成するため、本発明の酸化物構造体は、多孔質金属層と、多孔質金属層の両面に配設される酸化物層と、含み、酸化物は、化学式MOで表され、Mは、多孔質金属層の金属とは異なり、Mn、Co、Niを含む遷移金属又はSnから選ばれる少なくとも1つ以上の元素からなることを特徴とする。 To achieve the above object, an oxide structure of the present invention, a porous metal layer, an oxide layer disposed on both surfaces of the porous metal layer comprises an oxide, the table in the formula MO X Unlike the metal of the porous metal layer, M is characterized by comprising at least one element selected from transition metals containing Sn, Mn, Co, and Ni or Sn.

上記構成において、酸化物は、好ましくは、MnO、Co、NiO及びSnOの何れかである。
導電性金属は、好ましくは、Au、Ag、Cuの何れか又はこれらを二つ以上含む金属合金からなる。
In the above configuration, the oxide is preferably any one of MnO 2 , Co 3 O 4 , NiO, and SnO 2 .
The conductive metal is preferably made of Au, Ag, Cu, or a metal alloy containing two or more of these.

本発明の酸化物構造体の製造方法は、上記の何れかに記載の酸化物構造体を製造するに際し、多孔質金属層を形成する工程と、多孔質金属層上に酸化物層を電解堆積する工程と、を含むことを特徴とする。   The method for producing an oxide structure of the present invention comprises the steps of forming a porous metal layer and electrolytically depositing the oxide layer on the porous metal layer when producing any of the oxide structures described above. And a step of performing.

本発明のスーパーキャパシタは、上記の何れかに記載の酸化物構造体を電極として用いたことを特徴とする。   The supercapacitor of the present invention is characterized by using any of the oxide structures described above as an electrode.

本発明のリチウムイオン電池は、上記の何れかに記載の酸化物構造体を電極として用いたことを特徴とする。   The lithium ion battery of the present invention is characterized by using any of the oxide structures described above as an electrode.

本発明の酸化物構造体によれば、多孔質金属層の両側の面に対称に酸化物層が2層形成されることにより酸化物構造体の機械的な強度が増し、酸化物層の電子及びイオン伝導性が向上し、例えばスーパーキャパシタの電極に用いた場合に、高比容量特性と充放電を繰り返し行っても比容量の保持率を高くすることができる。   According to the oxide structure of the present invention, two oxide layers are formed symmetrically on both sides of the porous metal layer, so that the mechanical strength of the oxide structure is increased, and the electrons of the oxide layer are increased. For example, when used for an electrode of a supercapacitor, the specific capacity retention ratio can be increased even when the high specific capacity characteristics and charge / discharge are repeated.

本発明の酸化物構造体の断面を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross section of the oxide structure of this invention. 本発明の酸化物構造体を模式的に示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing an oxide structure of the present invention typically. (a)及び(b)は、酸化物構造体の製造方法を説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the manufacturing method of an oxide structure. 実施例の多孔質の金(NPG)を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the porous gold | metal | money (NPG) of an Example. NPGにMnO層を堆積する装置を示す図である。Is a diagram showing an apparatus for depositing a MnO 2 layers of NPG. 製作した酸化物構造体の光学像を示す図である。It is a figure which shows the optical image of the manufactured oxide structure. (a)〜(f)は、NPG上に電気化学的に成長したMnOのフィルムのSEM像を示す図である。(A) ~ (f) are views showing an SEM image of electrochemically grow the MnO 2 film on NPG. 電解メッキ時間に対するMnO層の単位面積当たりの重量と厚さとの関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between weight and thickness per unit area of MnO 2 layer to the electroplating time. (a)〜(c)は、NPG上に電解形成したMnO層の明視野におけるTEM像を示す図である。(A) ~ (c) is a diagram showing a TEM image in bright field of MnO 2 layer electrolytically formed on the NPG. 堆積した厚いMnO層のXPS(X線光電子分光法)スペクトルを示す図である。It deposited thick MnO 2 layers of XPS (X-ray photoelectron Spectroscopy) is a diagram showing the spectrum. 酸化物構造体の典型的な電流電圧(CV)を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a typical current voltage (CV) of an oxide structure. 単位質量当たりの容量である比容量と掃引速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the specific capacity which is the capacity | capacitance per unit mass, and sweep speed. 実施例の酸化物構造体の内部抵抗と電流密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the internal resistance of the oxide structure of an Example, and current density. 実施例の酸化物構造体の電流密度と比容量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the current density and specific capacity of the oxide structure of an Example. 酸化物構造体の電流電圧(CV)を示す図である。It is a figure which shows the current voltage (CV) of an oxide structure. 酸化物構造体の比容量と単位面積当たりのMnO層の重量との関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the weight of MnO 2 layers of specific capacity and per unit area of the oxide structure. 実施例のスーパーキャパシタの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the super capacitor of an Example. 作製したスーパーキャパシタの光学像を示す図である。It is a figure which shows the optical image of the produced super capacitor. スーパーキャパシタの電流電圧(CV)を示す図である。It is a figure which shows the current voltage (CV) of a super capacitor. 単位質量当たりの容量である比容量と掃引速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the specific capacity which is the capacity | capacitance per unit mass, and sweep speed. スーパーキャパシタの電気化学的なインピーダンス測定のナイキストプロットを示す図である。It is a figure which shows the Nyquist plot of the electrochemical impedance measurement of a super capacitor. スーパーキャパシタのサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics of a super capacitor.

以下、本発明を実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の酸化物構造体1を模式的に示す図である。図1に示すように、本発明の酸化物構造体1は、多孔質金属層2と、多孔質金属層2の両面に配設される酸化物層3と、を含んで構成されている。本発明の酸化物構造体1は、多孔質金属層2の両面が酸化物3で被覆されているので、サンドイッチ構造の活物質又はサンドイッチ構造の電極とも呼ぶ。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing an oxide structure 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the oxide structure 1 of the present invention includes a porous metal layer 2 and an oxide layer 3 disposed on both surfaces of the porous metal layer 2. The oxide structure 1 of the present invention is also called a sandwich-structure active material or a sandwich-structure electrode because both surfaces of the porous metal layer 2 are covered with the oxide 3.

酸化物層3となる酸化物は、電池やスーパーキャパシタの活性物質となる金属酸化物である。このような、金属としては、遷移金属元素、金属元素などからなり、鉄族元素、白金族元素、銅族元素、亜鉛元素、アルミニウム族元素、マンガン族元素、クロム族元素、土酸金属元素、チタン族元素、希土類元素、アルカリ土類金族元素、アルカリ金属元素、ランタノイド、アクチノイド、錫、鉛、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン等が挙げられる。   The oxide that becomes the oxide layer 3 is a metal oxide that becomes an active substance of a battery or a supercapacitor. Such metals include transition metal elements, metal elements, etc., iron group elements, platinum group elements, copper group elements, zinc elements, aluminum group elements, manganese group elements, chromium group elements, earth metal elements, Examples thereof include titanium group elements, rare earth elements, alkaline earth metal elements, alkali metal elements, lanthanoids, actinoids, tin, lead, germanium, bismuth, and antimony.

純粋な金属酸化物には、さらに、典型非金属元素である炭素族元素、窒素族元素、酸素族元素、ハロゲン、ホウ素などを含んでいてもよい。   The pure metal oxide may further contain carbon group elements, nitrogen group elements, oxygen group elements, halogen, boron, and the like, which are typical nonmetallic elements.

純粋な金属酸化物の具体例としては、MnO、Co、NiO、SnO、TiO、CeO、Al、BaTiO、WO、In、V、Nb、Ta、TaNbO、SiO、ZrO、LaCoO、LaCrO、LaMnO、Bi、SrCoO、PrMnO、SrTiO、BeO、MgSiO、MgSiO、Fe、Fe、ZnO、PbTiO、RuO、CrO等が挙げられる。例えば、MnO、Co、NiO、SnOを、化学式(MO)で表わすと、Oに附す添え字Xは1以上の数である。 Specific examples of the pure metal oxide include MnO 2 , Co 3 O 4 , NiO, SnO 2 , TiO 2 , CeO 2 , Al 2 O 3 , BaTiO 3 , WO 3 , In 2 O 3 , V 2 O 5. , Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, taNbO 5, SiO 2, ZrO 2, LaCoO 3, LaCrO 3, LaMnO 3, Bi 2 O 3, SrCoO 3, PrMnO 3, SrTiO 3, BeO, MgSiO 3, Mg 2 SiO 4 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , ZnO, PbTiO 3 , RuO 2 , CrO 2 and the like can be mentioned. For example, when MnO 2 , Co 3 O 4 , NiO, SnO 2 is represented by the chemical formula (MO X ), the subscript X attached to O is a number of 1 or more.

金属酸化物を用いたスーパーキャパシタに用いられる擬似電気容量性物質(pseudocapacitive material)としては、上記金属酸化物の内、特にMnO、TiO、CeO、SnO等が挙げられる。 Examples of pseudocapacitive materials used in supercapacitors using metal oxides include MnO 2 , TiO 2 , CeO 2 , and SnO 2 among the above metal oxides.

多孔質金属層2となる導電性金属は、Au、Ag、Cuのような抵抗の低い材料が好ましい。導電性金属2は、Au、Ag、Cuを二つ以上含む金属合金としてもよい。多孔質金属層2は、Au、Ag、Cu等を二つ以上含む金属合金を、脱合金化することにより作製できる。脱合金化は、Au、Ag、Cu等を二つ以上含む金属合金を酸等でエッチングすればよい。   The conductive metal to be the porous metal layer 2 is preferably a material with low resistance such as Au, Ag, or Cu. The conductive metal 2 may be a metal alloy containing two or more of Au, Ag, and Cu. The porous metal layer 2 can be produced by dealloying a metal alloy containing two or more of Au, Ag, Cu and the like. Dealloying may be performed by etching a metal alloy containing two or more of Au, Ag, Cu or the like with an acid or the like.

図2は、本発明の酸化物構造体1を模式的に示す拡大図である。図2に示すように、MnO層は、多孔質金属層2の内部に多数の孔を有し、さらに、酸化物層3は、多孔質金属層2の外側の表面及び裏面、つまり、多孔質金属層2の両表面に形成される。多孔質金属層2の各孔の大きさは、10nm〜500nm程度であればよい。多孔質金属層2の厚さは、0.5μmから40μm程度であればよい。 FIG. 2 is an enlarged view schematically showing the oxide structure 1 of the present invention. As shown in FIG. 2, the MnO 2 layer has a large number of pores inside the porous metal layer 2, and the oxide layer 3 has an outer surface and a back surface of the porous metal layer 2, that is, porous It is formed on both surfaces of the porous metal layer 2. The size of each hole in the porous metal layer 2 may be about 10 nm to 500 nm. The thickness of the porous metal layer 2 may be about 0.5 μm to 40 μm.

本発明の酸化物構造体1の厚さは、用途に応じて選定すればよいが、例えば0.1μmから10μmの厚さとすることができる。本発明の酸化物構造体1はスーパーキャパシタ用電極としても使用できる。この場合、本発明の酸化物構造体1における酸化物の厚さは、例えば0.1μmから5μmの厚さとすることができる。 The thickness of the oxide structure 1 of the present invention may be selected according to the application, but may be, for example, 0.1 μm to 10 μm. The oxide structure 1 of the present invention can also be used as a supercapacitor electrode. In this case, the thickness of the oxide in the oxide structure 1 of the present invention can be, for example, 0.1 to 5 μm.

本発明の酸化物構造体1は、後述するように、サンドイッチ構造を有しているので導電性が向上する。これにより、本発明の酸化物構造体1を用いたスーパーキャパシタ等のコンデンサでは、多孔質金属層2を用いていない酸化物と比較して比容量が増大し、充放電を例えば3000回繰り返した後でも、比容量が極く僅かしか変化しないという優れた特徴を有している。   Since the oxide structure 1 of the present invention has a sandwich structure as described later, the conductivity is improved. Thereby, in a capacitor such as a supercapacitor using the oxide structure 1 of the present invention, the specific capacity is increased as compared with an oxide not using the porous metal layer 2, and charging and discharging are repeated 3000 times, for example. Even later, it has an excellent feature that the specific capacity changes very little.

本発明の酸化物構造体1は、誘電体、スーパーキャパシタ用電極(SC用電極とも呼ぶ。)、リチウムイオン電池、エネルギー貯蔵デバイス、携帯電話やパーソナルンコンピュータなどのバックアップ用電源、自動車の電子制御装置のバックアップ電源、自動車用電源装置、蓄電装置等の装置に使用することができる。   The oxide structure 1 of the present invention includes a dielectric, a supercapacitor electrode (also referred to as an SC electrode), a lithium ion battery, an energy storage device, a backup power source such as a mobile phone or a personal computer, and electronic control of an automobile. It can be used for devices such as a backup power source of a device, a power supply device for automobiles, and a power storage device.

(酸化物構造体の製造方法)
酸化物構造体1の製造方法の一例について説明する。
図3(a)及び(b)は、酸化物構造体1の製造方法を説明する図である。
第1工程(図3(a)参照):
先ず、多孔質金属層2を図示しない高分子からなる膜や基板上に形成する。多孔質金属層2は、Auや銀のような抵抗の低い膜を使用することができる。多孔質金属層2は、これを形成した後で、高分子からなる膜や基板に載置してもよい。
(Method for producing oxide structure)
An example of the manufacturing method of the oxide structure 1 will be described.
FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating a method for manufacturing the oxide structure 1.
First step (see FIG. 3A):
First, the porous metal layer 2 is formed on a polymer film or substrate (not shown). As the porous metal layer 2, a low resistance film such as Au or silver can be used. The porous metal layer 2 may be placed on a polymer film or substrate after it is formed.

第2工程(図3(b)参照):
次に、多孔質金属層2上に所定の厚さの純粋な酸化物3を形成する。純粋な酸化物3は、湿式法や蒸着法で形成することができる。湿式法としては、溶液を用いた電気化学的な堆積方法を用いることができる。純粋な酸化物3は、孔、つまり、ポーラスな膜や多孔質の膜でもよい。
上記の工程により本発明の酸化物構造体1を製造することができる。
以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。
Second step (see FIG. 3B):
Next, a pure oxide 3 having a predetermined thickness is formed on the porous metal layer 2. The pure oxide 3 can be formed by a wet method or a vapor deposition method. As the wet method, an electrochemical deposition method using a solution can be used. The pure oxide 3 may be a pore, that is, a porous film or a porous film.
The oxide structure 1 of this invention can be manufactured according to said process.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.

本発明では、ナノメートルオーダーの多孔質の金(NPG)からなる多孔質金属層2の両側にMnOからなる酸化物層3を、電気化学的な堆積法で形成した。以下、多孔質金属層2はNPG、酸化物層3はMnO層として説明する。
具体的には、先ず、18mm×20mm×700nm(0.7μm)のサイズの多孔質金属層2を作製した。Ag65Au35(原子数比)合金に対して、69%濃度の硝酸(HNO)によりエッチングした。室温で12時間Agをエッチング(脱合金化)することによりNPG2を形成した。孔の大きさは約50nmであった。NPG2の残留した硝酸は、水洗により除去した。
In the present invention, the oxide layer 3 made of MnO 2 is formed on both sides of the porous metal layer 2 made of nanometer-order porous gold (NPG) by an electrochemical deposition method. Hereinafter, the porous metal layer 2 will be described as NPG, and the oxide layer 3 will be described as a MnO 2 layer.
Specifically, first, a porous metal layer 2 having a size of 18 mm × 20 mm × 700 nm (0.7 μm) was produced. The Ag 65 Au 35 (atomic ratio) alloy was etched with 69% nitric acid (HNO 3 ). NPG2 was formed by etching (dealloying) Ag for 12 hours at room temperature. The pore size was about 50 nm. The remaining nitric acid in NPG2 was removed by washing with water.

図4は、実施例のNPG2を模式的に示す図である。図4に示すNPG2を作製した後、NPGシートをコットン紙で覆い、PETからなる基板に載置した。後述するNPG2への電解メッキによるMnOの堆積を良好に行うためには、NPG2のコットン紙による被覆と、NPG2の孔の大きさを、例えば40nmよりも大きくすることが、NPG2のナノ多孔質のチャンネルからMnO層3を形成するための重要な要素技術である。 FIG. 4 is a diagram schematically illustrating NPG 2 of the example. After producing NPG2 shown in FIG. 4, the NPG sheet was covered with cotton paper and placed on a substrate made of PET. In order to satisfactorily deposit MnO 2 by electrolytic plating on NPG 2 to be described later, the coating of NPG 2 with cotton paper and the pore size of NPG 2 larger than 40 nm, for example, This is an important elemental technique for forming the MnO 2 layer 3 from these channels.

PET基板に保持したNPG2を、コットン紙で被覆した状態で、0.2M(モル)のMn(CHCOO)・4HOと0.2MのNaSOとからなる水溶液中に浸漬し、電気化学的な方法によりMnO層3を堆積した。 NPG2 held on a PET substrate is immersed in an aqueous solution of 0.2M (mol) Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and 0.2M Na 2 SO 4 in a state of being covered with cotton paper. Then, the MnO 2 layer 3 was deposited by an electrochemical method.

図5は、NPG2にMnO層を堆積する装置の一例を示す図である。図5に示すように、MnO層3の堆積には、3端子を有するオランダIVIU社製のポテンショスタット10を用いた。参照電極11には、Ag/AgClを用い、対極12及び作用電極13には白金を用いた(非特許文献14参照)。これらの電極11、12、13は電解溶液15が満たされたビーカー等の容器16中に挿入されている。NPG2は、作用電極13に接続される。対極12に対して、最初に0.40Vの電圧を10秒印加し、次に0.45Vの電圧を20秒印加する工程を繰り返して行って、MnO層3を堆積した。このようにして電解メッキ法、つまり電気化学的な堆積法で形成したMnO層3の重量は、第1の測定方法として電解中の全電荷量(クーロン:C)の積分により決定し(非特許文献13)、さらに精度を挙げるために第2の測定方法として形成したMnO層3の重さの秤量により求めた。 FIG. 5 is a diagram showing an example of an apparatus for depositing a MnO 2 layer on NPG 2 . As shown in FIG. 5, a potentiostat 10 manufactured by IVIU of the Netherlands having three terminals was used for depositing the MnO 2 layer 3. Ag / AgCl was used for the reference electrode 11, and platinum was used for the counter electrode 12 and the working electrode 13 (see Non-Patent Document 14). These electrodes 11, 12, and 13 are inserted into a container 16 such as a beaker filled with an electrolytic solution 15. NPG 2 is connected to the working electrode 13. A process of applying a voltage of 0.40 V to the counter electrode 12 first for 10 seconds and then applying a voltage of 0.45 V for 20 seconds was repeated to deposit the MnO 2 layer 3. Thus, the weight of the MnO 2 layer 3 formed by the electrolytic plating method, that is, the electrochemical deposition method, is determined by integration of the total charge amount (coulomb: C) during electrolysis as a first measurement method (non- Patent Document 13) was obtained by weighing the weight of the MnO 2 layer 3 formed as a second measurement method in order to further increase the accuracy.

酸化物構造体1のサンドイッチ構造の電極において、NPGフィルムは、MnOの擬容量を実現するために、電流コレクタと、電子伝導及びイオン伝導の良好な伝導径路として動作する。 In the sandwich structure electrode of the oxide structure 1, the NPG film operates as a current collector and a good conduction path for electron conduction and ion conduction in order to realize the pseudocapacitance of MnO 2 .

図6は、製作した酸化物構造体1の光学像を示す図である。図6に示すように、酸化物構造体1のサンドイッチ電極構造において、NPGフィルムは、MnOの擬容量を実現するために、電流を集める電流コレクタとして動作し、さらに、電子伝導及びイオン伝導の良好な伝導径路として動作する。 FIG. 6 is a diagram showing an optical image of the manufactured oxide structure 1. As shown in FIG. 6, in the sandwich electrode structure of the oxide structure 1, the NPG film operates as a current collector that collects current in order to realize the pseudocapacitance of MnO 2 , and further, electronic conduction and ionic conduction. Operates as a good conduction path.

(微細構造の観察)
酸化物構造体1の微細構造は、電界放射型の走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子(JEOL)製、JIB−4600F)と、走査型透過型電子顕微鏡(STEM、日本電子(JEOL)製、JEM−2100F)を用いて測定した。SEMの加速電圧は15kVである。
(Fine structure observation)
The fine structure of the oxide structure 1 includes a field emission scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL (JEOL), JIB-4600F) and a scanning transmission electron microscope (STEM, manufactured by JEOL) JEM-2100F). The acceleration voltage of SEM is 15 kV.

図7(a)〜(f)は、NPG2上に電気化学的に成長したMnOのフィルムのSEM像を示す図である。図7(a)〜(d)のMnOの電気メッキ時間は、それぞれ、(a)は10分、(b)は20分、(c)は30分、(d)は40分である。
NPG2の孔の表面は高密度のステップ及びキンクを有しているので、化学的に活性なため、NPG2の孔の表面おいては電解メッキでNPG2上にMnOを成長させる際の核生成が容易である(非特許文献15参照)。これにより、ナノ構造を有するMnOは、電解メッキの最初の段階でNPG2のナノ孔のチャンネル内で成長が開始する(図7(a)参照)。
ナノ多孔の活性な内部表面がMnOで完全に被覆されると、ナノ構造のMnOがナノ多孔の外に成長し始め、そしてNPGシートの二つの外表面に対称に成長し、NPG2と、NPG2の表面に2層の厚いMnO膜とからなるサンドイッチ構造が形成される(図7(a)〜(d)参照)。
FIGS. 7A to 7F are views showing SEM images of a film of MnO 2 electrochemically grown on NPG 2 . 7A to 7D, the electroplating time of MnO 2 is 10 minutes for (a), 20 minutes for (b), 30 minutes for (c), and 40 minutes for (d), respectively.
Since the surface of the hole of NPG2 has a high density of steps and kinks, it is chemically active. Therefore, nucleation occurs when MnO 2 is grown on NPG2 by electrolytic plating on the surface of the hole of NPG2. It is easy (see Non-Patent Document 15). Thereby, the growth of MnO 2 having a nanostructure starts in the channel of the nanopore of NPG2 in the first stage of electroplating (see FIG. 7A).
When active internal surface of the nanoporous is completely coated with MnO 2, MnO 2 nanostructures begin to grow out of the nanoporous, and grow symmetrically into two outer surfaces of the NPG sheet, and NPG2, A sandwich structure composed of two layers of thick MnO 2 film is formed on the surface of NPG 2 (see FIGS. 7A to 7D).

高倍率(約9万倍)のSEM像から、厚いMnO層3が多孔質であり、NPG2の孔から連続的に成長していることが分かる(図7(e)参照)。
厚いMnO層3の表面のSEM像から、厚いMnO層3は多孔質であることが分かる(図7(f)参照)。
It can be seen from the SEM image at a high magnification (about 90,000 times) that the thick MnO 2 layer 3 is porous and continuously grows from the pores of NPG 2 (see FIG. 7 (e)).
From SEM image of a thick MnO 2 layer 3 on the surface, the thick MnO 2 layer 3 is found to be porous (see FIG. 7 (f)).

図8は、電解メッキ時間(単位:分)に対するMnO層3の単位面積当たりの重量(μg/cm)と厚さ(nm)との関係を示す図である。厚さは、MnO層3の断面のSEM像により測定した。
図8に示すように、MnO層3の単位面積当たりの重量は、電解メッキ時間にほぼ線形に比例して増加し、40分後に約200μg/cmとなる。
MnO層3の厚さの測定から、最初の15分間は、MnO層3は主として、NPG2のナノ多孔のチャンネルに成長し、MnO層3の単位面積当たりの重量は、約72μg/cmである。15分の経過後、膜厚は徐々に増加し、40分後に約2.1μmの厚さとなる。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the weight per unit area (μg / cm 2 ) and the thickness (nm) of the MnO 2 layer 3 with respect to the electroplating time (unit: minutes). The thickness was measured by an SEM image of the cross section of the MnO 2 layer 3.
As shown in FIG. 8, the weight per unit area of the MnO 2 layer 3 increases almost linearly with the electrolytic plating time, and becomes about 200 μg / cm 2 after 40 minutes.
From the measurement of the thickness of the MnO 2 layer 3, during the first 15 minutes, the MnO 2 layer 3 mainly grows into a nanoporous channel of NPG 2 and the weight per unit area of the MnO 2 layer 3 is about 72 μg / cm 3. 2 . After 15 minutes, the film thickness gradually increases, and after 40 minutes, the film thickness is about 2.1 μm.

MnO層3の厚さの測定から、最初の15分間は、MnO層3は主として、NPG2のナノ多孔のチャンネルに成長し、MnO層3の単位面積当たりの重量は、約72μg/cmである。15分の経過後、膜厚は徐々に増加し、40分後に約2.1μmの厚さとなる。 From the measurement of the thickness of the MnO 2 layer 3, during the first 15 minutes, the MnO 2 layer 3 mainly grows into a nanoporous channel of NPG 2 and the weight per unit area of the MnO 2 layer 3 is about 72 μg / cm 3. 2 . After 15 minutes, the film thickness gradually increases, and after 40 minutes, the film thickness is about 2.1 μm.

電解メッキしたMnO層3のさらに詳細な微細構造は、透過型電子顕微鏡(TEM)で調べた。図9(a)〜(c)は、NPG2上に電解メッキで形成したMnO層3の明視野におけるTEM像を示す図である。
図9(a)に示すように、電解形成したMnO層3は、厚さが数nmの薄いシートの複数からなる。
A more detailed microstructure of the electroplated MnO 2 layer 3 was examined with a transmission electron microscope (TEM). 9A to 9C are diagrams showing TEM images in a bright field of the MnO 2 layer 3 formed by electrolytic plating on the NPG 2 .
As shown in FIG. 9A, the electrolytically formed MnO 2 layer 3 is composed of a plurality of thin sheets having a thickness of several nm.

図9(b)に示す走査型透過型電子顕微鏡(STEM)像(約1000万倍)からは、MnO層3を構成する各薄いシートは多結晶であり、各ナノグレインの大きさは約4nmであることが分かった。
図9(a)の挿入図は、電子線回折像であり、ナノ多結晶は、立方晶であり、その格子定数は、報告された欠陥のある岩塩構造のMnO(非特許文献16参照)と良く一致している。
From the scanning transmission electron microscope (STEM) image (about 10 million times) shown in FIG. 9B, each thin sheet constituting the MnO 2 layer 3 is polycrystalline, and the size of each nanograin is about It was found to be 4 nm.
The inset of FIG. 9 (a) is an electron diffraction pattern, the nanopolycrystal is cubic, and its lattice constant is MnO 2 of a reported rock salt structure with defects (see Non-Patent Document 16). And agrees well.

図9(c)に示すように、高分解のTEM像(約750万倍)は、MnOとNPG2との界面を示しており、ナノ多結晶からなるMnO層3は、従来のMnOとNPG2との複合体(非特許文献6参照)と同様に、Auのリガメントと化学的に結合していることが分かる。 As shown in FIG. 9 (c), a high-resolution TEM image (approximately 7.5 million times) shows the interface between MnO 2 and NPG 2 , and the MnO 2 layer 3 made of nano-polycrystal has a conventional MnO 2 structure. Similarly to the complex of NPG2 and NPG2 (see Non-Patent Document 6), it can be seen that it is chemically bonded to the ligament of Au.

MnO層3の化学準位は、XPS(AxIS−ULTRA−DLD)により測定した。XPS測定におけるX線は、150WのAlのKα線であり、真空度は10−7Paである。 The chemical level of the MnO 2 layer 3 was measured by XPS (AxIS-ULTRA-DLD). X-rays in the XPS measurement are 150 W Al Kα rays, and the degree of vacuum is 10 −7 Pa.

図10は、堆積した厚いMnO層3のXPS(X線光電子分光法)スペクトルを示す図である。図の横軸は結合エネルギー(eV)、縦軸は信号強度(CPS)である。
図10から明らかなように、XPSスペクトルでは、結合エネルギーにおいて、642.8eVと654.6eVの二つのピークが観察された。これらの二つのピークは、それぞれMn4+のMnの2p3/2と2p1/2軌道に関係している。Mn2+に関係するピークは測定されなかった。O(酸素)の1s軌道の測定値から、Mnの平均価数は、3.8となり、報告された岩塩構造のMnOと一致した。
FIG. 10 is a diagram showing an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) spectrum of the deposited thick MnO 2 layer 3. In the figure, the horizontal axis represents binding energy (eV), and the vertical axis represents signal intensity (CPS).
As is clear from FIG. 10, in the XPS spectrum, two peaks of 642.8 eV and 654.6 eV were observed in the binding energy. These two peaks are related to the Mn 4+ Mn 2p 3/2 and 2p 1/2 orbitals, respectively. No peak related to Mn 2+ was measured. From the measured value of 1s orbit of O (oxygen), the average valence of Mn was 3.8, which was consistent with the reported MnO 2 of the rock salt structure.

電気化学的測定(CV)は3端子法で行った。作用電極13と対極12との間隔は約2mmとした。測定は、2MのLiSOの水溶液中で行った。0.8Vの電位中で、掃引速度を変化してボルタンメトリー(CV)のサイクル特性を測定した。サイクルの安定性は、ボルタンメトリーのサイクル測定において掃引速度を50mV/sとして測定した。 Electrochemical measurement (CV) was performed by the three-terminal method. The distance between the working electrode 13 and the counter electrode 12 was about 2 mm. The measurement was performed in an aqueous solution of 2M LiSO 4 . The voltammetry (CV) cycle characteristics were measured at a potential of 0.8 V by changing the sweep rate. The stability of the cycle was measured with a sweep rate of 50 mV / s in the voltammetric cycle measurement.

図11は、酸化物構造体1の典型的な電流電圧(CV)を示す図である。図の横軸は電圧(V)であり、縦軸は電流(A/cm)である。掃引速度は、5mV/秒(s)〜100mV/秒(s)である。MnOは20分の電解堆積で形成し、面積当たりの重量は90μg/cmである。
図11に示すように、CV曲線において抵抗的な様子はなく、掃引速度が100mV/sでも矩形対称のCV曲線を示している。
FIG. 11 is a diagram showing a typical current voltage (CV) of the oxide structure 1. In the figure, the horizontal axis represents voltage (V), and the vertical axis represents current (A / cm 2 ). The sweep speed is 5 mV / second (s) to 100 mV / second (s). MnO 2 is formed by electrolytic deposition for 20 minutes, and the weight per area is 90 μg / cm 2 .
As shown in FIG. 11, there is no resistive state in the CV curve, and the CV curve having a rectangular symmetry is shown even when the sweep speed is 100 mV / s.

図12は、単位質量当たりの容量である比容量(F/g)と掃引速度との関係を示す図である。図の横軸は掃引速度(mV/s)であり、縦軸は比容量(F/g)である。
図12に示すように、掃引速度が5mV/sでは、比容量は約841F/gであり、掃引速度が100mV/sでは、比容量は約510F/gであり、この値は、下記に示す従来報告された種々のMnOを用いた酸化物構造体よりも大きな値である。
(1)MnOとグラフェンとからなる酸化物構造体では、掃引速度が2mV/sで、比容量は約310F/gであった(非特許文献17参照)。
(2)MnOとカーボンナノチューブと導電性ポリマーとからなる酸化物構造体では、掃引速度が500mV/sで、比容量は約427F/gであった(非特許文献18参照)。
(3)MnOとカーボンナノチューブと紙とからなる酸化物構造体では、掃引速度が2mV/sで、比容量は約540F/gであった(非特許文献19参照)。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the specific capacity (F / g), which is the capacity per unit mass, and the sweep speed. In the figure, the horizontal axis represents the sweep speed (mV / s), and the vertical axis represents the specific capacity (F / g).
As shown in FIG. 12, when the sweep rate is 5 mV / s, the specific capacity is about 841 F / g, and when the sweep speed is 100 mV / s, the specific capacity is about 510 F / g, and this value is shown below. This is a larger value than the oxide structures using various MnO 2 reported so far.
(1) In the oxide structure composed of MnO 2 and graphene, the sweep rate was 2 mV / s and the specific capacity was about 310 F / g (see Non-Patent Document 17).
(2) The oxide structure composed of MnO 2 , carbon nanotube, and conductive polymer had a sweep rate of 500 mV / s and a specific capacity of about 427 F / g (see Non-Patent Document 18).
(3) The oxide structure composed of MnO 2 , carbon nanotubes, and paper had a sweep rate of 2 mV / s and a specific capacity of about 540 F / g (see Non-Patent Document 19).

(比較例1)
さらに、比較例1の酸化物構造体との比較を行った。比較例1の酸化物構造体は、PET上に形成した厚さが50nmのAuフィルム上にAg65Au35シートを形成し、脱合金をしない、つまり、多孔質にしていないAg65Au35シート上にMnO層3を電解メッキで形成した電極である。単位面積当たりのMnO層3の重量が同じ比較例1の比容量は、本発明の実施例よりも著しく低い比容量であった。
(Comparative Example 1)
Furthermore, the oxide structure of Comparative Example 1 was compared. In the oxide structure of Comparative Example 1, an Ag 65 Au 35 sheet is formed on an Au film having a thickness of 50 nm formed on PET and is not dealloyed, that is, an Ag 65 Au 35 sheet that is not made porous. This is an electrode on which an MnO 2 layer 3 is formed by electrolytic plating. The specific capacity of Comparative Example 1 in which the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area was the same was significantly lower than that of the example of the present invention.

上記結果から、実施例の酸化物構造体1の大きな比容量は、サンドイッチ構造の電極により電子及びイオンの電導性が明らかに増強されることに起因している。サンドイッチ構造の電極では、MnO層3のナノ結晶と高伝導の金リガメント(梁)との間のNPG2の内部と外側表面の大きな接触面積を有している。さらに、電解質の輸送に対してNPG2の開孔したチャンネルは、電荷蓄積のためにNPG2の両側に堆積したMnO層3が有効に利用される。これにより、実施例の酸化物構造体1によれば、高比容量を保持しながら、従来のMnO層3に対して単位面積当たりの重量を3倍以上に増大できることになる。 From the above results, the large specific capacity of the oxide structure 1 of the example is attributed to the fact that the conductivity of electrons and ions is clearly enhanced by the sandwich structure electrode. The sandwich electrode has a large contact area between the inner and outer surfaces of the NPG 2 between the nanocrystals of the MnO 2 layer 3 and the highly conductive gold ligament (beam). Furthermore, the channel in which the NPG 2 is opened for the transport of the electrolyte effectively utilizes the MnO 2 layer 3 deposited on both sides of the NPG 2 for charge accumulation. Thus, according to the oxide structure 1 of Example, while maintaining high specific capacity, becomes possible to increase relative to conventional MnO 2 layer 3 a weight per unit area more than three times.

図13は、実施例の酸化物構造体1の内部抵抗と電流密度の関係を示す図である。図の横軸は電流密度(A/g)であり、縦軸は内部抵抗(Ω)である。図13から明らかなように、電流密度が1A/gのときの内部抵抗は、上記比較例1の約50%に低下した。これにより、実施例の酸化物構造体1の抵抗は、比較例1とは異なりAg65Au35シートではなくNPG2を使用しているので、抵抗が小さくなることが分かる。 FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the internal resistance and the current density of the oxide structure 1 of the example. In the figure, the horizontal axis represents current density (A / g), and the vertical axis represents internal resistance (Ω). As is clear from FIG. 13, the internal resistance when the current density was 1 A / g was reduced to about 50% of that of Comparative Example 1. Thus, it can be seen that the resistance of the oxide structure 1 of the example is small because NPG2 is used instead of the Ag 65 Au 35 sheet unlike the comparative example 1.

高比容量は、充放電特性でも確認された。
図14は、実施例の酸化物構造体1の電流密度と比容量との関係を示す図である。図の横軸は電流密度(A/g)であり、縦軸は比容量(F/g)である。図14から明らかなように、電流密度が0.25A/gから20A/g迄増加すると、比容量は702F/gから355F/g迄低下した後で、一定の比容量となることが分かった。
A high specific capacity was also confirmed in the charge / discharge characteristics.
FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the current density and the specific capacity of the oxide structure 1 of the example. In the figure, the horizontal axis represents current density (A / g), and the vertical axis represents specific capacity (F / g). As is clear from FIG. 14, when the current density is increased from 0.25 A / g to 20 A / g, the specific capacity decreases from 702 F / g to 355 F / g and then becomes a constant specific capacity. .

図15は、本発明の酸化物構造体1の電流電圧(CV)を示す図である。図の横軸は図10と同じである。掃引速度は、50mV/sであり、MnOの堆積時間を、5分から40分迄変えている。
図15から明らかなように、電解堆積時間を40分とし、単位面積当たりのMnO層3の重量が約200μg/cmの場合でも、CV曲線は矩形対称である、つまり厚いMnO層3で高速で利用し易い電子及びイオンの輸送が得られることを示している。
FIG. 15 is a diagram showing a current voltage (CV) of the oxide structure 1 of the present invention. The horizontal axis of the figure is the same as FIG. The sweep rate is 50 mV / s, and the deposition time of MnO 2 is changed from 5 minutes to 40 minutes.
As is apparent from FIG. 15, even when the electrolytic deposition time is 40 minutes and the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area is about 200 μg / cm 2 , the CV curve is rectangular, that is, the thick MnO 2 layer 3 It is shown that the transport of electrons and ions that are easy to use at high speed can be obtained.

図16は、酸化物構造体1の比容量と単位面積当たりのMnO層3の重量との関係を示す図である。図の横軸は単位面積当たりの重量(μg/cm)で、縦軸は比容量(F/g)である。掃引速度は、丸(○)印が5mV/s、四角(□)印が50mV/sである。
図16から明らかなように、単位面積当たりのMnO層3の重量が53μg/cmの場合には、比容量は約916F/gという理論値の約70%の値が実現できた。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the specific capacity of the oxide structure 1 and the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area. In the figure, the horizontal axis represents the weight per unit area (μg / cm 2 ), and the vertical axis represents the specific capacity (F / g). The sweep speed is 5 mV / s for the circle (◯) and 50 mV / s for the square (□).
As is clear from FIG. 16, when the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area is 53 μg / cm 2 , the specific capacity of about 916 F / g, which is about 70% of the theoretical value, can be realized.

図16には、比較のために報告されたMnO層3の比容量の値も示している。表1は、非特許文献8、10、20〜27で報告された比容量及び測定時の掃引速度を示している。図16及び表1から、従来報告されたMnO層3の比容量は何れも本発明の酸化物構造体1よりも比容量が小さいことが分かる。
FIG. 16 also shows the specific capacity value of the MnO 2 layer 3 reported for comparison. Table 1 shows the specific capacities reported in Non-Patent Documents 8, 10, 20 to 27, and the sweep speed during measurement. FIG. 16 and Table 1 show that the specific capacity of the conventionally reported MnO 2 layer 3 is smaller than that of the oxide structure 1 of the present invention.

図16に示すように、さらに単位面積当たりのMnO層3の重量を増加すると、比容量は減少する。しかしながら、実施例の酸化物構造体1では、MnO層3の厚い、つまり単位面積当たりのMnO層3の重量を約128μg/cmにしても、772F/gという高比容量を得た。この比容量は、同じ単位面積当たりのMnO層3の重量を有している平らなAu層上に堆積したMnO層3や従来の上記文献等の比容量に対して2倍〜5倍の値である。 As shown in FIG. 16, when the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area is further increased, the specific capacity decreases. However, in the oxide structure 1 of the example, a high specific capacity of 772 F / g was obtained even when the MnO 2 layer 3 was thick, that is, the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area was about 128 μg / cm 2 . . This specific capacity is 2 to 5 times the specific capacity of the MnO 2 layer 3 deposited on a flat Au layer having the same weight of the MnO 2 layer 3 per unit area or the above-mentioned conventional documents. Is the value of

実施例の酸化物構造体1では、単位面積当たりのMnO層3の重量を約200μg/cm、つまり約2.1μmにしても、掃引速度が5mV/sで約550F/gという高比容量を得た。この値は、高比容量でエネルギーを貯蔵するための十分な容量となる。 In the oxide structure 1 of the example, even when the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area is about 200 μg / cm 2 , that is, about 2.1 μm, a high ratio of about 550 F / g at a sweep rate of 5 mV / s. Gained capacity. This value is sufficient for storing energy at a high specific capacity.

さらに、実施例の酸化物構造体1では、比容量の掃引速度の依存性が大きくない。例えば、MnO層3を30分電解メッキした場合、掃引速度が50mV/sで、比容量は665f/gから557F/gに低下するだけである。これは、NPG2により増強される厚いMnOの電子及びイオン電導性が、掃引速度が速い場合でも、運動論的にファラディー的な還元及び酸化反応を促進するからである。 Furthermore, in the oxide structure 1 of the example, the dependency of the specific capacity on the sweep rate is not large. For example, when the MnO 2 layer 3 is electroplated for 30 minutes, the sweep rate is 50 mV / s and the specific capacity is only reduced from 665 f / g to 557 F / g. This is because the electron and ionic conductivity of thick MnO 2 enhanced by NPG2 promotes kinetically faradic reduction and oxidation reactions even at high sweep rates.

(酸化物構造体を用いたスーパーキャパシタ)
実施例の酸化物構造体1を用いたスーパーキャパシタ20を作製した。
図17は、実施例のスーパーキャパシタ20の構造を示す模式図であり、図18は作製したスーパーキャパシタ20の光学像を示す図である。
図17に示すように、実施例のスーパーキャパシタ20は、2つの酸化物構造体1の間にセパレータ22を挿入し、2つの酸化物構造体1の間には電解液24を満たす構造を有している。
(Super capacitor using oxide structure)
A supercapacitor 20 using the oxide structure 1 of the example was manufactured.
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating the structure of the supercapacitor 20 of the example, and FIG. 18 is a diagram illustrating an optical image of the manufactured supercapacitor 20.
As shown in FIG. 17, the supercapacitor 20 of the embodiment has a structure in which a separator 22 is inserted between two oxide structures 1 and an electrolyte solution 24 is filled between the two oxide structures 1. doing.

図18に示すスーパーキャパシタ20では、酸化物構造体1として単位面積当たりのMnO層3の重量が200μ/gである。酸化物構造体1において、MnO層3は、NPG2の両面に堆積されているが、NPG2の内部の多孔と堆積したMnO層3は、電子及びイオンの伝導が容易に行われる、これにより、酸化還元反応は、電荷蓄積の間において活物質の完全な利用のために、電極の両側で同時に生起する。 In the supercapacitor 20 shown in FIG. 18, the weight of the MnO 2 layer 3 per unit area as the oxide structure 1 is 200 μg. In the oxide structure 1, the MnO 2 layer 3 is deposited on both sides of the NPG 2 , but the porosity inside the NPG 2 and the deposited MnO 2 layer 3 facilitate the conduction of electrons and ions. The redox reaction occurs simultaneously on both sides of the electrode for full utilization of the active material during charge accumulation.

図19は、スーパーキャパシタ20の電流電圧(CV)を示す図である。図の横軸は電圧(V)、縦軸は電流(A)である。掃引速度は、5mV/s〜100mV/sである。MnOは20分の電解堆積で形成し、面積当たりの重量は200μg/cmである。
図19に示すように、CV曲線において抵抗的な様子はなく、矩形対称のCV曲線を示している。
FIG. 19 is a diagram showing the current voltage (CV) of the supercapacitor 20. In the figure, the horizontal axis represents voltage (V) and the vertical axis represents current (A). The sweep speed is 5 mV / s to 100 mV / s. MnO 2 is formed by electrolytic deposition for 20 minutes, and the weight per area is 200 μg / cm 2 .
As shown in FIG. 19, there is no resistive state in the CV curve, and a rectangularly symmetric CV curve is shown.

図20は、単位質量当たりの容量である比容量(F/g)と掃引速度との関係を示す図である。図の横軸は掃引速度(mV/s)であり、縦軸は比容量(F/g)である。
図20に示すように、掃引速度が5mV/sで、比容量は約約580F/gであることが分かる。この値は、酸化物構造体1を3端子法で行った測定結果と一致している。酸化物構造体1を用いたスーパーキャパシタ20の良好な容量特性は、酸化物構造体1の酸化還元反応が二端子素子においても動作し、そして、素子全体で電解質が自由に輸送されるということを示している。
FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the specific capacity (F / g), which is the capacity per unit mass, and the sweep speed. In the figure, the horizontal axis represents the sweep speed (mV / s), and the vertical axis represents the specific capacity (F / g).
As shown in FIG. 20, it can be seen that the sweep rate is 5 mV / s and the specific capacity is about 580 F / g. This value coincides with the measurement result obtained by performing the oxide structure 1 by the three-terminal method. A good capacity characteristic of the supercapacitor 20 using the oxide structure 1 is that the oxidation-reduction reaction of the oxide structure 1 also operates in the two-terminal device, and the electrolyte is freely transported throughout the device. Is shown.

図21は、スーパーキャパシタ20の電気化学的なインピーダンスのナイキストプロットを示す図である。図の横軸は実軸(Ω)、縦軸は虚軸(Ω)である。交流の振幅は50mV、測定周波数は0.1Hzから100kHzである。図には、比較例1の酸化物構造体を用いて作成したスーパーキャパシタのナイキストプロットも示している。
図21に示すように、高周波側の半円(図21の矢印(←)参照)は、電極と電解質との界面における電荷移動抵抗、又は多孔質電極の真性電荷移動抵抗に関係している(非特許文献28参照)。酸化物構造体1の電極は、非常に小さい半径を示している。これは、電解質での電荷移動が高効率であることを示している。
一方、低周波側では、虚軸に沿う理想的な直線となっている。これは、拡散抵抗が小さいことを示している。比較例のスーパーキャパシタの直列抵抗(iR、Rsとも表記する)は、14.75Ωもあり、実施例のスーパーキャパシタの直列抵抗よりも非常に大きい値であることが分かる。これにより、スーパーキャパシタ20のインピーダンス測定においても、酸化物構造体1の活物質であるMnOは、高い電荷蓄積効率を伴う酸化還元反応に対して完全に利用されるということを示している。
FIG. 21 is a diagram showing a Nyquist plot of the electrochemical impedance of the supercapacitor 20. The horizontal axis in the figure is the real axis (Ω), and the vertical axis is the imaginary axis (Ω). The AC amplitude is 50 mV, and the measurement frequency is 0.1 Hz to 100 kHz. The figure also shows a Nyquist plot of a supercapacitor made using the oxide structure of Comparative Example 1.
As shown in FIG. 21, the semicircle on the high frequency side (see arrow (←) in FIG. 21) relates to the charge transfer resistance at the interface between the electrode and the electrolyte or the intrinsic charge transfer resistance of the porous electrode ( Non-patent document 28). The electrode of the oxide structure 1 exhibits a very small radius. This indicates that charge transfer in the electrolyte is highly efficient.
On the other hand, on the low frequency side, it is an ideal straight line along the imaginary axis. This indicates that the diffusion resistance is small. The series resistance (also expressed as iR and Rs) of the supercapacitor of the comparative example is 14.75Ω, which is found to be much larger than the series resistance of the supercapacitor of the example. Thereby, also in the impedance measurement of the supercapacitor 20, it is shown that MnO 2 which is the active material of the oxide structure 1 is completely used for the oxidation-reduction reaction with high charge accumulation efficiency.

(スーパーキャパシタのサイクル特性)
図22は、スーパーキャパシタ20のサイクル特性を示す図である。図の横軸はサイクル数、縦軸は容量保持率(%)である。掃引速度は、50mV/sである。
図22から明らかなように、3000サイクル後の容量保持率は、約97.1%であった。同じ掃引速度で測定した比較例のサイクル特性は、1000サイクル後の容量保持率は、75%であり、実施例の場合よりも著しく小さい値であった。
(Super capacitor cycle characteristics)
FIG. 22 is a diagram showing the cycle characteristics of the supercapacitor 20. In the figure, the horizontal axis represents the number of cycles, and the vertical axis represents the capacity retention rate (%). The sweep speed is 50 mV / s.
As is clear from FIG. 22, the capacity retention after 3000 cycles was about 97.1%. In the cycle characteristics of the comparative example measured at the same sweep rate, the capacity retention after 1000 cycles was 75%, which was a significantly smaller value than in the example.

MnOを用いた電極の容量低下の機構を説明する下記の二つの機構がある(非特許文献16参照)。
(1)サイクルの間にMnO層3が電解質に部分的に溶解する。
(2)サイクルの間にMnO層3が徐々に機械的に故障する。
There are the following two mechanisms for explaining the mechanism for reducing the capacity of an electrode using MnO 2 (see Non-Patent Document 16).
(1) The MnO 2 layer 3 is partially dissolved in the electrolyte during the cycle.
(2) The MnO 2 layer 3 gradually fails mechanically during the cycle.

実施例及び比較例1のスーパーキャパシタ20に用いる電解質と動作パラメータは同じである。つまり、実施例と比較例1の電解質は同じであるので、MnO層3が電解質に部分的に溶解するのは同じようになる筈であるので、同じサイクル特性になる。従って上記(1)の機構では、実施例及び比較例のスーパーキャパシタ20のサイクル特性の違いを上手く説明できない。 The electrolyte used for the supercapacitor 20 of the example and the comparative example 1 and the operating parameters are the same. That is, since the electrolytes of the example and the comparative example 1 are the same, it is likely that the MnO 2 layer 3 is partially dissolved in the electrolyte, so that the same cycle characteristics are obtained. Therefore, in the mechanism (1), the difference in cycle characteristics between the supercapacitor 20 of the embodiment and the comparative example cannot be well explained.

比較例の平坦な多孔質にしていないAg65Au35シートと、酸化物構造体1のNPG2を比較すると、NPG2は多孔質であるので、比較例の平坦なAg65Au35シートよりも遥かに大きい曲がった表面積、つまり多孔の内壁表面と開孔とを有している。NPG2のナノ多孔内から成長するMnOとNPG2の外表面に被覆されるMnOとの間の固有の結合は、サイクル特性の安定性を改良するために厚いMnO層3の機械的な安定性を増強できる。酸化物構造体1の対称な構造と、優れたAuとMnO層3との界面接触とは、MnO層3の体積変化のサイクルにより誘起される微視的なストレスの平衡を保つ。このため、サイクルの安定性が増す。これにより、実施例のサイクルの安定性が比較例よりも高い理由は、MnOを用いた電極の容量低下の機構が上記(2)によると考えられる。 Comparing the flat non-porous Ag 65 Au 35 sheet of the comparative example with NPG 2 of the oxide structure 1, the NPG 2 is porous, so it is far more than the flat Ag 65 Au 35 sheet of the comparative example. It has a large curved surface area, that is, a porous inner wall surface and apertures. Specific binding between the MnO 2 which is coated on the outer surface of the MnO 2 and NPG2 grown from the nano-holes of NPG2, the mechanical stability of the thick MnO 2 layer 3 to improve the stability of the cycle characteristic Can enhance sex. The symmetrical structure of the oxide structure 1 and the excellent interface contact between the Au and the MnO 2 layer 3 maintain a balance of microscopic stress induced by the volume change cycle of the MnO 2 layer 3. This increases cycle stability. Thereby, the reason why the cycle stability of the example is higher than that of the comparative example is considered to be due to the above-mentioned (2), which is a mechanism for reducing the capacity of the electrode using MnO 2 .

このサイクル安定性は、電気化学的なエネルギー蓄積システムにおいて最も安定性の高いカーボンを用いた電気二重層コンデンサに匹敵する。   This cycle stability is comparable to electric double layer capacitors using carbon, which is the most stable in electrochemical energy storage systems.

本発明の酸化物構造体1は、導電性が向上して抵抗が減少するだけではなく、NPG2の両面にMnO層3が形成されており、機械的な強度が増し、厚いMnO層3を使用したスーパーキャパシタ20の比容量のサイクル安定性が改善できる。 In the oxide structure 1 of the present invention, not only the conductivity is improved and the resistance is reduced, but also the MnO 2 layer 3 is formed on both sides of the NPG 2 , the mechanical strength is increased, and the thick MnO 2 layer 3 is formed. The cycle stability of the specific capacity of the supercapacitor 20 using can be improved.

本発明の上記実施例によれば、スーパーキャパシタ20やリチウムイオン電池等のための遷移金属からなる酸化物の容量特性を改善することができる。   According to the above embodiment of the present invention, it is possible to improve the capacity characteristics of an oxide made of a transition metal for the supercapacitor 20 or the lithium ion battery.

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. .

1:酸化物構造体
2:多孔質金属層
3:酸化物層
4:基板
10:ポテンショスタット
11:参照電極
12:対極
13:作用電極
15:電解溶液
16:容器
20:スーパーキャパシタ
22:セパレータ
24:電解液
1: Oxide structure 2: Porous metal layer 3: Oxide layer 4: Substrate 10: Potentiostat 11: Reference electrode 12: Counter electrode 13: Working electrode 15: Electrolytic solution 16: Container 20: Supercapacitor 22: Separator 24 : Electrolyte

Claims (6)

多孔質金属層と、該多孔質金属層の両面に配設される酸化物層と、
を含み、
上記酸化物は、化学式MOで表され、Mは、上記多孔質金属層を構成する金属とは異なり、Mn、Co、Niを含む遷移金属又はSnから選ばれる少なくとも1つ以上の元素からなることを特徴とする、酸化物構造体。
A porous metal layer, and an oxide layer disposed on both sides of the porous metal layer,
Including
The oxide is represented by the chemical formula MO X, M, unlike the metal constituting the porous metal layer, consisting of at least one or more elements Mn, Co, selected from transition metals or Sn containing Ni An oxide structure characterized by that.
前記酸化物は、MnO、Co、NiO及びSnOの何れかであることを特徴とする、請求項1に記載の酸化物構造体。 The oxide structure according to claim 1, wherein the oxide is any one of MnO 2 , Co 3 O 4 , NiO, and SnO 2 . 前記多孔質金属層は、Au、Ag、Cuの何れか又はこれらを二つ以上含む金属合金からなることを特徴とする、請求項1に記載の酸化物構造体。   2. The oxide structure according to claim 1, wherein the porous metal layer is made of one of Au, Ag, and Cu or a metal alloy including two or more thereof. 請求項1〜3の何れかに記載の酸化物構造体の製造方法であって、
前記多孔質金属層を形成する工程と、
前記多孔質金属層上に前記酸化物層を電解堆積する工程と、
を、含むことを特徴とする、酸化物構造体の製造方法。
A method for producing an oxide structure according to any one of claims 1 to 3,
Forming the porous metal layer;
Electrolytically depositing the oxide layer on the porous metal layer;
The manufacturing method of the oxide structure characterized by including.
請求項1〜3の何れかに記載の酸化物構造体を電極として用いたことを特徴とする、スーパーキャパシタ。   A supercapacitor using the oxide structure according to claim 1 as an electrode. 請求項1〜3の何れかに記載の酸化物構造体を電極として用いたことを特徴とする、リチウムイオン電池。   A lithium ion battery using the oxide structure according to claim 1 as an electrode.
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