JP2019102711A - キャパシタ - Google Patents
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Abstract
Description
有機電解液は使用できる電圧範囲が広いため、印加電圧を高めることができ、エネルギー密度を向上することができる。
負極の容量を高めるためには、負極還元電位をより低くすることが有効であるが、還元電位を低くし過ぎると、電解液の分解によってガスが発生したり、活性炭表面が電解液分解物で覆われ、活性炭の細孔を閉塞することによる比表面積低下で静電容量が低下したり、活性炭自身の分解による劣化が起こる等の課題がある。
[1] 少なくとも正極、負極、及び電解質から構成されるキャパシタであって、
前記正極は正極活物質を含み、かつ、前記負極は負極活物質を含み、
前記負極活物質は、グラフェンからなる多孔質炭素材料(以下、グラフェン多孔質炭素材料という)を含み、
負極側の集電体はアルミニウム材であり、
前記アルミニウム材は非晶質炭素被膜で被覆され、
前記非晶質炭素被膜の厚みが60nm以上、300nm以下である、
ことを特徴とするキャパシタ。
[2] 前記グラフェン多孔質炭素材料の細孔は、メソ孔である[1]に記載のキャパシタ。
[3] 前記グラフェン多孔質炭素材料のエッジサイト量が昇温脱離法による分析で0.1mmol/g以下である[1]又は[2]のいずれか1項に記載のキャパシタ。
[4] 前記負極側の集電体は、前記非晶質炭素被膜と前記負極活物質との間に導電性炭素層が形成されている[1]〜[3]のいずれか1項に記載のキャパシタ。
[5] 前記正極活物質は、黒鉛、あるいは前記グラフェン多孔質炭素材料を含み、
正極側の集電体は、アルミニウム材に非晶質炭素被膜が被覆されている、または、アルミニウム材に非晶質炭素被膜が被覆され、かつ、非晶質炭素被膜と正極活物質との間に導電性炭素層が形成されている[1]〜[4]のいずれか1項に記載のキャパシタ。
本発明の一実施形態に係るキャパシタは、正極と負極とセパレータと電解質とを有する。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる負極は、集電体(負極側の集電体)とその上に形成されている負極活物質層を含む。負極活物質層は、負極活物質とバインダーと導電材とを含む。
負極活物質層は主に、負極活物質、バインダー、および、必要に応じた量の導電材を含むペースト状の負極材料を、負極側の集電体上に塗布し、乾燥して、形成することができる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる負極活物質は、耐電圧が高いキャパシタを得るため、電解質イオンであるカチオンを吸脱着できる炭素質材料である、本発明に係るグラフェン多孔質炭素材料を含むものである。
本発明に係るグラフェンは、炭素原子が基本的な反復単位としてハニカム状骨格で共有結合されている単原子層の構造を有する。グラフェンを単層グラフェンと呼ぶことがある。また、2層以上のグラフェンを積層してからなる「積層グラフェン」を単にグラフェンと呼ぶこともある。
グラフェンメソスポンジは、その細孔壁が単層グラフェン主体の炭素材料であり、大きな比表面積を有した材料である。図1にその模式図を示した。空洞の空いた球状で、その表面はグラフェンにより構成されている。
グラフェンメソスポンジの比表面積は活性炭と同等の約2000m2/gであり、かつその表面には活性炭で見られるような官能基がほとんど存在しない。そのため、キャパシタ電極へ応用した場合、耐電圧を高めても電解液と反応しにくいことから、高電圧化が可能である。
例えば、昇温脱離法(1800℃)を用いてエッジサイト量を算出すると、代表的なアルカリ賦活炭として知られる関西熱化学株式会社製活性炭MSP−20の場合は6.3mmol/g、また代表的な水蒸気賦活炭として知られる株式会社クラレ製活性炭YP−50Fの場合は3.3mmol/gであるが、GMSの場合は0.1mmol/gであり、GMSのエッジサイト量は一桁以上少ない。また、官能基が少ないことで知られる高配向性熱分解グラファイト(HOPG;Highly oriented pyrolytic graphite)の場合は0.07mmol/gであり、GMSはHOPGと同程度のエッジサイト量である。以上のことから、GMSは官能基量が非常に少ない炭素材料であると考えられる。
以上の事から、GMSは細孔壁が単層のグラフェンからなる多孔質炭層材料(グラフェン多孔質炭素材料)であると定義する。
本発明の一実施形態のグラフェン多孔質炭素材料を合成する方法は、金属酸化物からなるナノ粒子の表面にグラフェン層を形成する工程と、金属酸化物からなるナノ粒子を除去する工程と、細孔を覆うグラフェン層を加熱する工程とを有する。例えば、平均粒径2〜20nm、好ましくは3〜10nmのアルミナ粒子を覆うように、単層〜3層グラフェン、好ましくは単層〜2層グラフェン、さらに好ましくは単層グラフェンを形成する。
具体的には、例えば、(1)メタンガスを流しながら700〜1200℃で1〜5時間、好ましくは800〜1000℃で1〜3時間保持した後、室温まで冷却する。(2)次に、グラフェンで覆うアルミナ粒子をフッ酸中に浸漬することでアルミナを除去する。(3)その後、1800℃まで昇温した後、2時間保持し、室温まで冷却した後に取り出すことで、本発明の一実施形態のグラフェン多孔質炭素材料であるグラフェンメソスポンジ(GMS)が得られる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる正極は、集電体(正極側の集電体)とその上に形成されている正極活物質層を含む。正極活物質層は、正極活物質とバインダーと導電材とを含む。
正極活物質層は主に、正極活物質、バインダー、および、必要に応じた量の導電材を含むペースト状の正極材料を、正極側の集電体上に塗布し、乾燥して、形成することができる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる正極活物質は、耐電圧が高いキャパシタを得るため、電解質イオンであるアニオンを吸脱着できる炭素質材料である、本発明に係るグラフェン多孔質炭素材料を含むものである。
正極活物質は、黒鉛もしくは本発明に係るグラフェン多孔質炭素材料を用いることが好ましい。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる正極側又は負極側の集電体は、耐食性を向上させたアルミニウム材、例えば非晶質炭素被膜で被覆されたアルミニウム材を用いることができる。耐食性を向上させたアルミニウム材であれば、非晶質炭素被膜で被覆されたアルミニウム材に限らない。例えば非晶質炭素被膜と正極活物質との間、もしくは非晶質炭素被膜と負極活物質との間に導電性炭素層が形成されていてもよい。
アルミニウム材の形状としては、箔、シート、フィルム、メッシュなどの形態をとることができる。集電体としては、アルミニウム箔を好適に用いることができる。
また、アルミニウム材としてプレーンなものの他、後述するエッチドアルミニウムを用いてもよい。
エッチドアルミニウムは、エッチングによって粗面化処理されたものである。エッチングは一般的に塩酸等の酸溶液に浸漬(化学エッチング)したり、塩酸等の酸溶液中でアルミニウムを陽極として電解(電気化学エッチング)する方法等が用いられる。電気化学エッチングでは、電解の際の電流波形、溶液の組成、温度等によりエッチング形状が異なるので、キャパシタ性能の観点で選択できる。
アルミニウム材上の自然酸化膜は不動態膜であり、それ自体、電解液に浸食されにくいという利点がある一方、集電体の抵抗の増大につながるため、集電体の抵抗の低減の観点では、自然酸化膜がない方がよい。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる電極は、さらにバインダーを含むことが好ましい。
バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、アクリル系、オレフィン系、カルボキシメチルセルロース(CMC)系、ゼラチンやキトサン、アルギン酸等の天然高分子の単独、もしくは2種類以上の混合系を用いることができる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる導電材も、負極活物質層又は正極活物質層の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電材を用いることができる。例えば、カーボンブラック、炭素繊維(カーボンナノチューブ(CNT)、VGCF(登録商標)等を含み、カーボンナノチューブに限らない)等を用いることができる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いる電解質としては、例えば有機溶媒を用いた有機電解液を用いることができる。電解質イオンを含んで入れば、有機電解液に限らない。また、例えばゲルでもよい。電解液は、電極に吸脱着可能な電解質イオンを含む。電解質イオンは、そのイオン径ができるだけ小さいものの方が好ましい。具体的には、アンモニウム塩やホスホニウム塩、あるいはイオン液体、リチウム塩等を用いることができる。
本発明の一実施形態のキャパシタで用いるセパレータとしては、正極と負極の短絡防止や電解液保液性の確保等の理由から、セルロース系の紙状セパレータや、ガラス繊維セパレータ、ポリエチレンやポリプロピレンの微多孔膜等が好適である。
また、本発明の一実施形態に係るキャパシタは、グラフェンからなる多孔質炭素材料(グラフェン多孔質炭素材料)を負極活物質に用い、さらに非晶質炭素被膜で被覆され、かつ、非晶質炭素被膜と負極活物質との間に導電性炭素層が形成されているアルミニウム材負極側の集電体として用いることにより、高容量化および高電圧化を図り、以って高エネルギー密度化され、かつ耐電圧性および高温耐久性の向上を図るものである。
また、本発明の他の実施形態に係るキャパシタ(ハイブリッドキャパシタ)は、グラフェンからなる多孔質炭素材料(グラフェン多孔質炭素材料)を負極活物質に用いることにより、黒鉛を正極活物質に用いた(ハイブリッド)キャパシタの高容量化および高電圧化を図り、以って高エネルギー密度化され、かつ耐電圧性および高温耐久性の向上を図るものである。
(グラフェン多孔質炭素材料の合成)
平均粒径7nmの大明化学工業株式会社製アルミナ粒子(商品名:TM300)を石英製のレトルト(高圧釜)に入れた後、ロータリーキルン装置にセットした。
(1)アルゴンガスを500ml/分の流速で流しながら10℃/分の昇温スピードで900℃まで加熱した。
(2)その後、メタンガスを500ml/分の流速で流しながら900℃で2時間保持した。
(3)その後、アルゴンガスを500ml/分の流速で流しながら、室温まで冷却した。
(4)セットしていたアルミナ粒子を取り出し、フッ酸中に浸漬することでアルミナを除去した。
(5)その後、アルゴンガスを500ml/分の流速で流しながら10℃/分の昇温スピードで1800℃まで加熱した後、2時間保持し、室温まで冷却した後、取り出し、本実施例のグラフェン多孔質炭素材料を得た。
得られたグラフェン多孔質炭素材料をグラフェンメソスポンジ(GMS)とも呼ぶ。
(1) DLCコーティングしたアルミニウム箔からなる集電体の作製
DLCコーティングしたアルミニウム箔(「DLCコートアルミニウム箔」ということがある)は正極側の集電体および負極側の集電体であり、非晶質炭素被膜で被覆されたアルミニウム材に相当する。DLCコートアルミニウム箔の製造法としては、純度99.99%のアルミニウム箔(厚さ20μm)に対して、アルゴンスパッタリングでアルミニウム箔表面の自然酸化膜を除去した後、そのアルミニウム表面近傍にメタン、アセチレンおよび窒素の混合ガス中で放電プラズマを発生させ、アルミニウム材に負のバイアス電圧を印加することによりDLC膜を生成させた。ここで、DLCをコーティング(被覆)したアルミニウム箔上のDLC膜の厚みを、ブルカー(BRUKER)社製触針式表面形状測定器DektakXTを用いて計測したところ、150nmであった。
正極活物質および負極活物質として本実施例のグラフェン多孔質炭素材料と、アセチレンブラック(導電材)と、カルボキシメチルセルロース(水溶液系バインダー1)と、ポリアクリル酸(水溶液系バインダー2)と、が85wt%:5wt%:5wt%:5wt%の比率になるように秤量した後、純水で溶解混合し、本実施例のキャパシタ電極用ペーストを調整した。
調製したキャパシタ電極用ペーストを、上記(1)で作製したDLCコーティングしたアルミニウム箔(厚さ20μm)上に卓上コーターを用いて塗布した後、100℃で1時間乾燥し、本実施例の正極と負極を作製した。
次に、上記正極と負極をそれぞれ直径16mm、直径14mmの円板状に打ち抜いたものを150℃で24時間真空乾燥した後、アルゴングローブボックスへ移動した。これらを、ニッポン高度紙工業株式会社製紙セパレータ(商品名:TF40−30)を介して積層し、電解質に1MのTEA−BF4(四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム)、溶媒にSL+DMS(スルホラン(Sulfolane)+硫化ジメチル)を用いた電解液0.1mLを加えて、アルゴングローブボックス中で本実施例のキャパシタである2032型コインセルを作製した。
<グラフェン層数の評価>
得られたグラフェン多孔質炭素材料について、以下の方法を用いてグラフェンの層数を算出した。
熱重量分析(TG;Thermogravimetric analysis)法を用いて炭素の重量を算出し、次に、アルミナ粒子の表面積を算出し、これらを用いて面積当たりの炭素層の重量を算出した。その結果、8.60×10−4g/m2であった。なお、単層のグラフェンの場合は7.61×10−4g/m2であることがわかっている。
これらの結果を用いて、以下の計算式でグラフェンの層数を算出した。
(グラフェン多孔質炭素材料の面積当たりの炭素層の重量)÷(単層のグラフェンの面積当たりの炭素層の重量)
その結果1.1となり、得られたグラフェン多孔質炭素材料は、ほぼ単層のグラフェンから構成されることがわかった。
正極側の集電体および負極側の集電体として、実施例1の正極側の集電体および負極側の集電体であるDLCコートアルミニウム箔上に導電性炭素層を形成した、すなわち導電性炭素層を被覆したDLCコートアルミニウム箔を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で2032型コインセルを作製した。具体的には、実施例1と同様の方法で作製したDLCコートアルミニウム箔上に、スクリーン印刷機を用いて、日本黒鉛工業株式会社製の黒鉛製導電性ペースト(商品名:バニーハイトT−602U、セルロース系樹脂バインダー、水溶液)を塗布することで導電性炭素層を形成した後、100℃で20分間熱風乾燥機中で乾燥させたものを集電体とした。導電性炭素層を被覆したDLCコートアルミニウム箔は、非晶質炭素被膜で被覆され、かつ、非晶質炭素被膜と負極活物質もしくは正極活物質との間に導電性炭素層が形成されているアルミニウム材に相当する。
正極側の集電体および負極側の集電体として日本蓄電器工業株式会社製エッチドアルミ箔(厚さ20μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で2032型コインセルを作製した。
正極活物質および負極活物質として株式会社クラレ製活性炭YP−50Fを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で2032型コインセルを作製した。
正極活物質および負極活物質としてメソポーラスカーボンを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で2032型コインセルを作製した。
メソポーラスカーボンは下記の方法で作製した。細孔径が4nmのメソポーラスシリカにフルフリルアルコールを含浸した後、500ml/分の流速で窒素を流しながら900℃で2時間処理することで、メソポーラスシリカと炭素の複合体を作製した。これを室温の和光純薬工業株式会社製フッ化水素酸(46〜48%)中に入れ、5時間攪拌してシリカを除去した。これを水洗した後、100℃の真空乾燥機中で24時間処理することで水分を除去し、メソポーラスカーボンを得た。
<エッジサイト量の測定方法>
得られた実施例1のグラフェン多孔質炭素材料、比較例2で用いた活性炭、および比較例4で用いたメソポーラスカーボンについて、昇温脱離法(TPD;Temperature−Programmed Desorption)(1800℃)を用いてエッジサイト量を測定した。その結果を表1に示す。
得られた実施例1のグラフェン多孔質炭素材料、比較例2で用いた活性炭、および比較例4で用いたメソポーラスカーボンについて、マイクロトラック・ベル株式会社製ガス吸着量測定装置BELSORP−maxを用いて、77K(−196℃)における窒素吸脱着測定を行った。得られた窒素吸着量からBET(Brunauer−Emmett−Teller)法を用いて比表面積を算出した。その結果を表1に示す。
得られた実施例1のグラフェン多孔質炭素材料、比較例2で用いた活性炭、および比較例4で用いたメソポーラスカーボンについて、マイクロトラック・ベル株式会社製ガス吸着量測定装置BELSORP−maxを用いて、77K(−196℃)における窒素吸脱着測定を行った。得られた窒素吸着等温線からBJH(Barrett−Joyner−Halenda)法を用いて平均細孔径を算出した。その結果を表1に示す。
得られたセルについて、株式会社ナガノ製充放電試験装置BTS2004を用いて、25℃の恒温槽中で、0.4mA/cm2あるいは50mA/cm2の電流密度、3.5Vの電圧で定電流定電圧充電を行ない、その後、電流密度0.4mA/cm2の放電電流値で0Vまで放電を行なう充放電試験を行なった。その結果として得られた0.4mA/cm2の電流密度で充放電試験を行なった場合の放電容量を表2に示す。また、0.4mA/cm2での放電容量に対する50mA/cm2での放電容量の比率を算出し、放電率を得た。その結果を表2に示す。表2においては、実施例1および実施例3の放電容量および放電率を適宜比較例1、比較例2、および比較例4で規格化した値を示した。この際、比較例1、比較例2、および比較例4の結果を100として規格化した。
得られたセルについて、株式会社ナガノ製充放電試験装置BTS2004を用いて、25℃の恒温槽中で、0.4mA/cm2の電流密度、3.5Vの電圧で定電流定電圧充電を行ない、その後、電流密度0.4mA/cm2の放電電流値で0Vまで放電を行なう充放電試験を行い、定電流定電圧連続充電試験前の放電容量を計測した。
次に充放電試験装置BTS2004を用いて、60℃の恒温槽中で、電流密度0.4mA/cm2、電圧3.5Vで連続充電試験(定電流定電圧連続充電試験)を行った。具体的には、充電の途中、所定の時間で充電を止め、セルを25℃の恒温槽に移した後、上記と同様に0.4mA/cm2の電流密度、3.5Vの電圧で定電流定電圧充電を行ない、その後、電流密度0.4mA/cm2の放電電流値で0Vまで放電を行なう充放電試験を5回行うことで放電容量を得た。その後、60℃の恒温槽に戻して連続充電試験を再開し、連続充電試験時間の総計が2000時間になるまで試験を実施した。
その結果として得られた実施例1、比較例1、および比較例2の放電容量維持率を図2および図3のグラフに示す。グラフは、試験開始前の放電容量を100とし、試験開始後、各充電時間経過後の放電容量を、その100の放電容量に対する割合で示したものであり、グラフの横軸は60℃定電流定電圧連続充電時間(h)を示し、グラフの縦軸は放電容量維持率(%)を示している。
実施例1の正極活物質および負極活物質であるグラフェンメソスポンジは、平均細孔径が5nmであり、電解質イオン径(1.6nm〜2.0nm)以上の、メソ孔主体の細孔を有している。一方、比較例2の正極活物質および負極活物質である活性炭YP−50Fの細孔は、電解質イオン径より小さいミクロ孔が88%を占めており、多くの細孔に電解質イオンが入らない。
これらのことから、実施例1のグラフェンメソスポンジの電解質イオンの吸着効率が比較例2の活性炭YP−50Fに比べて高いことにより、放電容量が増加したと考えられる。また放電率の向上に関しては、実施例1のグラフェンメソスポンジの細孔径が大きいため、電解質イオンの移動が速くなったことによる効果と考えられる。
これらのことから、高温(60℃)高電圧(3.5V)での連続充電試験(定電流定電圧連続充電試験)では、耐食性の高い集電体との組み合わせが重要であることがわかった。
実施例1および比較例2の正極側の集電体および負極側の集電体には、いずれも耐食性の高いDLCコートアルミニウム箔を用いた。
一般に、活性炭を正極及び負極に用いた電気二重層キャパシタ(EDLC)において、3.0V以上の電圧では、高温下で定電流定電圧連続充電試験を行った場合、劣化が大きく、3.0V以上で作動できるEDLCは実用化されていない。図3では、EDLCとしては実用化電圧よりも高い3.5Vという高電圧で試験を行った結果を示した。その結果、活性炭YP−50Fを正極活物質および負極活物質に用いた比較例2では200時間で放電容量維持率は10%以下になり、DLCコートアルミニウム箔を用いて耐食性を高めただけでは、定電流定電圧連続充電試験に対して耐久性を高めることができないことがわかった。
実施例1のセルについて、株式会社ナガノ製充放電試験装置BTS2004を用いて、25℃の恒温槽中で、0.4mA/cm2の電流密度で定電流定電圧充電を行なった。その際、定電圧の電圧設定値をそれぞれ3.5V〜4.0Vに変更した条件で定電流定電圧充電を行なった。定電流定電圧充電後、0.4mA/cm2の電流密度の放電電流値で、0Vの電圧まで放電を行ない、初回放電容量を計測した。その後、同じ条件で充放電を繰り返し、初回放電容量に対し、放電容量が80%未満まで低下した時点での充放電回数を寿命回数とした。
比較例2のセルを用いたこと以外は、実施例2と同様のサイクル寿命試験を行った。
正極活物質としてイメリス・ジーシー・ジャパン株式会社製黒鉛KS−6を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で2032型コインセルを作製し、評価した。
Claims (5)
- 少なくとも正極、負極、及び電解質から構成されるキャパシタであって、
前記正極は正極活物質を含み、かつ、前記負極は負極活物質を含み、
前記負極活物質は、グラフェンからなる多孔質炭素材料(以下、グラフェン多孔質炭素材料という)を含み、
負極側の集電体はアルミニウム材であり、
前記アルミニウム材は非晶質炭素被膜で被覆され、
前記非晶質炭素被膜の厚みが60nm以上、300nm以下である、
ことを特徴とするキャパシタ。 - 前記グラフェン多孔質炭素材料の細孔は、メソ孔である請求項1に記載のキャパシタ。
- 前記グラフェン多孔質炭素材料のエッジサイト量が昇温脱離法による分析で0.1mmol/g以下である
請求項1又は2のいずれか1項に記載のキャパシタ。 - 前記負極側の集電体は、前記非晶質炭素被膜と前記負極活物質との間に導電性炭素層が形成されている
請求項1〜3のいずれか1項に記載のキャパシタ。 - 前記正極活物質は、黒鉛、あるいは前記グラフェン多孔質炭素材料を含み、
正極側の集電体は、アルミニウム材に非晶質炭素被膜が被覆されている、または、アルミニウム材に非晶質炭素被膜が被覆され、かつ、非晶質炭素被膜と正極活物質との間に導電性炭素層が形成されている
請求項1〜4のいずれか1項に記載のキャパシタ。
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