JP2023098109A - Redox capacitor and redox capacitor system - Google Patents

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Japanese (ja)
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祐太 中安
Yuta Nakayasu
孝幸 武樋
Takayuki Takehi
湧斗 勝山
Yuto Katsuyama
崇 曽我部
Shu Sokabe
格 本間
Itaru Honma
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Tohoku University NUC
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Tohoku University NUC
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Abstract

To provide a redox capacitor and a redox capacitor system that have high safety against impact from the outside and can be put into practical use.SOLUTION: A positive electrode side conductive substrate 12 and a negative electrode side conductive substrate 15 are arranged so as to face each other at an interval. A positive electrode material 11 and a negative electrode material 14 are provided correspondingly to the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15, respectively, contain active materials, and are arranged mutually at an interval between the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 so as to be in contact with the corresponding positive electrode side conductive substrate 12 and negative electrode side conductive substrate 15, respectively. An acid electrolyte 19 is provided so as to be in contact with the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 between the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15. The positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 have corrosion resistance against the electrolyte 19.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レドックスキャパシタおよびレドックスキャパシタシステムに関する。 The present invention relates to redox capacitors and redox capacitor systems.

従来のレドックスキャパシタとして、キノン系化合物を電極に用いる電気化学キャパシタが知られており、実際に製造されたものとして、正極にテトラクロロヒドロキノン(TCHQ)、負極にジクロロアントラキノン(DCAQ)を用い、電解質を酸性の水系電解液である硫酸水溶液(0.5M H2SO4 aq.)としたフルセルレドックススーパーキャパシタがある(例えば、特許文献1または非特許文献1参照)。 As a conventional redox capacitor, an electrochemical capacitor using a quinone-based compound as an electrode is known. is a sulfuric acid aqueous solution (0.5MH 2 SO 4 aq.), which is an acidic aqueous electrolyte (see, for example, Patent Document 1 or Non-Patent Document 1).

このフルセルレドックススーパーキャパシタは、電極質量が 10 mg以下、電極径が 7 mm、電極の厚さが 100μm以下であり、まだ基礎研究段階のものであるが、約14 Wh/kgのエネルギー密度を有しており、優れたレート性能を示すことや、10000サイクル後でも容量が低下しないことが確認されている。 This full-cell redox supercapacitor has an electrode mass of 10 mg or less, an electrode diameter of 7 mm, and an electrode thickness of 100 µm or less. It has been confirmed that it exhibits excellent rate performance and that the capacity does not decrease even after 10,000 cycles.

国際公開WO2014/156511号International publication WO2014/156511

T. Tomai, S. Mitani, D. Komatsu, Y. Kawaguchi, I. Honma, “Metal-free aqueous redox capacitor via proton rocking-chair system in an organic-based couple”, Sci Rep 2014, 4, 3591.T. Tomai, S. Mitani, D. Komatsu, Y. Kawaguchi, I. Honma, “Metal-free aqueous redox capacitor via proton rocking-chair system in an organic-based couple”, Sci Rep 2014, 4, 3591.

特許文献1および非特許文献1に記載のフルセルレドックススーパーキャパシタは、セルの容器として耐酸性のガラス製のビーカーを用いており、外部からの衝撃で簡単に割れてしまうため、非常に危険であり、このままでは実用化は困難であるという課題があった。 The full-cell redox supercapacitor described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 uses an acid-resistant glass beaker as a cell container, which is very dangerous because it is easily broken by an external impact. However, there is a problem that it is difficult to put it into practical use as it is.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、外部からの衝撃に対する安全性が高く、実用化可能なレドックスキャパシタおよびレドックスキャパシタシステムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a redox capacitor and a redox capacitor system that are highly safe against external shocks and that can be put into practical use.

上記目的を達成するために、本発明に係るレドックスキャパシタは、間隔をあけて対向するよう配置された1対の導電性基板と、各導電性基板に対応して設けられ、活物質を含み、それぞれ対応する導電性基板に接触するよう、互いに間隔をあけて各導電性基板の間に配置された1対の内側電極材料と、各導電性基板の間で、各内側電極材料に接するよう設けられた酸性の電解質とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a redox capacitor according to the present invention includes a pair of conductive substrates arranged to face each other with a space therebetween; a pair of inner electrode materials spaced from each other and disposed between each conductive substrate so as to contact each corresponding conductive substrate; and an acidic electrolyte.

本発明に係るレドックスキャパシタは、1対の導電性基板の間に、各内側電極材料および電解質が配置されているため、外部からの衝撃に対する安全性を高めることができ、実用化が可能である。本発明に係るレドックスキャパシタは、各内側電極材料の間に、イオン交換膜から成る隔膜を有することが好ましい。また、本発明に係るレドックスキャパシタは、一方の内側電極材料が正極材料から成り、その内側電極材料と対応する導電性基板とが正極側の電極体であり、他方の内側電極材料が負極材料から成り、その内側電極材料と対応する導電性基板とが負極側の電極体であることが好ましい。 In the redox capacitor according to the present invention, since each inner electrode material and electrolyte are arranged between a pair of conductive substrates, safety against external impact can be improved, and practical use is possible. . The redox capacitor according to the present invention preferably has a diaphragm made of an ion exchange membrane between each inner electrode material. Further, in the redox capacitor according to the present invention, one inner electrode material is made of a positive electrode material, the inner electrode material and the corresponding conductive substrate are the positive electrode body, and the other inner electrode material is made of a negative electrode material. Preferably, the inner electrode material and the corresponding conductive substrate are the negative electrode body.

本発明に係るレドックスキャパシタで、各導電性基板は、導電性を有していれば、金属やその他の物質から成っていてもよく、例えば、電解質が硫酸を含む場合には、オーステナイト系ステンレス鋼から成っていてもよく、グラファイトなどの天然由来導電材料シート、導電性ポリマーなどから成っていてもよい。 In the redox capacitor according to the present invention, each conductive substrate may be made of a metal or other material as long as it has conductivity. For example, when the electrolyte contains sulfuric acid, austenitic stainless steel It may be made of a sheet of a conductive material derived from nature such as graphite, a conductive polymer, or the like.

本発明に係るレドックスキャパシタは、各導電性基板および各内側電極材料に対応して設けられ、対応する導電性基板との間に対応する内側電極材料を挟むよう、互いに間隔をあけて各導電性基板の間に配置された1対のメッシュ状の集電体を有することが好ましい。この場合、集電体により、各内側電極材料を各導電性基板に接触した状態に保持することができる。また、各内側電極材料を各導電性基板と各集電体との間に挟むことにより、比較的高い容量を得ることができる。なお、集電体は、特許文献1および非特許文献1では金のメッシュ板から成っていたが、金に限らず、いかなるものから成っていてもよい。各集電体は、導電性を有していてもよいが、導電性でなくてもよい。例えば、電解質が硫酸を含む場合には、各集電体は、オーステナイト系ステンレス鋼から成っていてもよく、グラファイトなどの天然由来導電材料シート、導電性ポリマーなどから成っていてもよい。この場合、金のものと比べて、各集電体が安価であり、材料費を低減することができる。 The redox capacitor according to the present invention is provided corresponding to each conductive substrate and each inner electrode material, and each conductive capacitor is spaced apart from each other so as to sandwich the corresponding inner electrode material between the corresponding conductive substrate and the corresponding inner electrode material. It is preferred to have a pair of mesh current collectors positioned between the substrates. In this case, the current collector can hold each inner electrode material in contact with each conductive substrate. Also, by sandwiching each inner electrode material between each conductive substrate and each current collector, a relatively high capacity can be obtained. In addition, although the current collector is made of a gold mesh plate in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, it is not limited to gold and may be made of any material. Each current collector may be conductive, but may not be conductive. For example, when the electrolyte contains sulfuric acid, each current collector may be made of austenitic stainless steel, a sheet of a naturally occurring conductive material such as graphite, a conductive polymer, or the like. In this case, each current collector is cheaper than that of gold, and the material cost can be reduced.

本発明に係るレドックスキャパシタは、各導電性基板に対応して設けられ、活物質を含み、それぞれ対応する導電性基板に接触するよう、各導電性基板の外側に配置された1対の外側電極材料と、少なくとも各外側電極材料の外側を覆うよう設けられたカバー部材とを、有していてもよい。この場合、各外側電極材料の外側を覆うカバー部材により、外部からの衝撃に対する安全性を高めることができる。なお、各外側電極材は、カバー部材により、各導電性基板に接触した状態に保持されていてもよい。あるいは、各外側電極材料を各導電性基板に接触した状態に保持するために、対応する導電性基板との間に対応する外側電極材料を挟むよう、対応する導電性基板とカバー部材との間に配置された1対のメッシュ状の外側集電体を有していてもよい。 A redox capacitor according to the present invention includes a pair of outer electrodes provided corresponding to each conductive substrate, containing an active material, and disposed outside each conductive substrate so as to be in contact with the corresponding conductive substrate. and a cover member provided to cover at least the outside of each outer electrode material. In this case, the cover member covering the outside of each outer electrode material can enhance the safety against impact from the outside. Each outer electrode member may be held in contact with each conductive substrate by a cover member. Alternatively, between a corresponding conductive substrate and a cover member to sandwich the corresponding outer electrode material between the corresponding conductive substrate to hold each outer electrode material in contact with each conductive substrate. It may have a pair of mesh-like outer current collectors positioned at the same height.

本発明に係るレドックスキャパシタで、前記活物質は、キノンまたはヒドロキノンを含むことが好ましく、例えば、正極の場合、クロラニルやテトラクロロヒドロキノン(TCHQ)を含み、負極の場合、アントラキノン(AQ)やジクロロアントラキノン(DCAQ)を含んでいてもよい。また、各内側電極材料および各外側電極材料は、前記活物質を担持した活性炭を含むことが好ましい。活性炭は、ガス賦活やアルカリ賦活などにより製造された市販のものなど、いかなるものであってもよく、例えば、木質の活性炭であってもよい。各内側電極材料および各外側電極材料は、活性炭の他に、例えば、CMC(カルボキシメチルセルロース)ナトリウム等の増粘剤や、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のバインダーなどを含んでいてもよい。 In the redox capacitor according to the present invention, the active material preferably contains quinone or hydroquinone. For example, the positive electrode contains chloranil or tetrachlorohydroquinone (TCHQ), and the negative electrode contains anthraquinone (AQ) or dichloroanthraquinone. (DCAQ). Moreover, it is preferable that each inner electrode material and each outer electrode material contain activated carbon supporting the active material. Activated carbon may be of any kind, such as commercially available ones produced by gas activation or alkali activation, and may be, for example, woody activated carbon. Each inner electrode material and each outer electrode material may contain, in addition to activated carbon, a thickener such as sodium CMC (carboxymethylcellulose), a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like.

本発明に係るレドックスキャパシタは、各内側電極材料の厚みが、0.5mm以上であることが好ましい。この場合、比較的高い比放電容量を得ることができる。また、各内側電極材料を厚くすることができ、実用的である。なお、各外側電極材料の厚みも、0.5mm以上であることが好ましい。 In the redox capacitor according to the present invention, each inner electrode material preferably has a thickness of 0.5 mm or more. In this case, a relatively high specific discharge capacity can be obtained. In addition, each inner electrode material can be thickened, which is practical. The thickness of each outer electrode material is also preferably 0.5 mm or more.

本発明に係るレドックスキャパシタシステムは、本発明に係るレドックスキャパシタを複数有し、各レドックスキャパシタが直列に接続されていることを特徴とする。
本発明に係るレドックスキャパシタシステムは、本発明に係るレドックスキャパシタを複数有しており、外部からの衝撃に対する安全性が高く、実用性が高い。また、レドックスキャパシタの数により、用途に応じて電圧を高くすることができる。
A redox capacitor system according to the present invention has a plurality of redox capacitors according to the present invention, and each redox capacitor is connected in series.
The redox capacitor system according to the present invention has a plurality of redox capacitors according to the present invention, is highly safe against external shocks, and is highly practical. Also, depending on the number of redox capacitors, the voltage can be increased according to the application.

本発明によれば、外部からの衝撃に対する安全性が高く、実用化可能なレドックスキャパシタおよびレドックスキャパシタシステムを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a redox capacitor and a redox capacitor system that are highly safe against external impact and can be put into practical use.

本発明の実施の形態のレドックスキャパシタを示す(a)断面図、(b)構成要素を分解した斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is (a) sectional drawing which shows the redox capacitor of embodiment of this invention, (b) The perspective view which decomposed|disassembled the component. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの変形例を示す、カバー部材を除いた構成要素を分解した斜視図である。FIG. 10 is an exploded perspective view of constituent elements excluding a cover member, showing a modification of the redox capacitor of the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタシステムを示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a perspective view which shows the redox capacitor system of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの、TCHQを担持した電極材料を有する電極体を用いたハーフセルバッテリーの、1Cレートでの放電試験結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of a discharge test at a 1 C rate of a half-cell battery using an electrode body having an electrode material supporting TCHQ of the redox capacitor of the embodiment of the invention. FIG. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの、(a)DCAQを担持した電極材料を含む電極体および、その電極体の集電体を金(gold)の網にした電極体を用いたハーフセルバッテリーの、1Cレートでの充放電試験結果を示すグラフ、(b)DCAQを担持した電極材料を含む電極体を用いたハーフセルバッテリーの、1CレートおよびC/2レートでの充放電試験結果を示すグラフである。In the redox capacitor of the embodiment of the present invention, (a) a half-cell battery using an electrode body containing an electrode material supporting DCAQ and an electrode body whose current collector is a gold mesh , a graph showing charge-discharge test results at 1C rate, (b) a graph showing charge-discharge test results at 1C rate and C / 2 rate of a half-cell battery using an electrode body containing an electrode material supporting DCAQ. be. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの、(a)TCHQを担持した電極材料、(b)DCAQを担持した電極材料を、pH=0、3、4の電解液(0.5M H2SO4水溶液)に浸漬したときの、サイクリックボルタンメトリーの測定結果を示すサイクリックボルタグラムである。(a) TCHQ-supported electrode material and (b) DCAQ-supported electrode material of the redox capacitor of the embodiment of the present invention were mixed with electrolytic solutions (0.5MH 2 SO 4 aqueous solution) of pH = 0, 3, 4. It is a cyclic voltagram showing the measurement results of cyclic voltammetry when immersed in. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの、各電極材料の厚みが(a)0.5 mm、(b)1.0 mm、(c)1.5 mmのときの、フルセルバッテリーによる充放電試験結果を示すグラフ、(d)各電極材料の厚みでのレート性能を示すグラフ、(e)各電極材料の厚みが 1.0 mm、1Cレートのときの、2サイクル目および100サイクル目の充放電プロファイル、(f)各電極材料の厚みが 1.0 mm、1Cレートのときの、1~100サイクルまでの容量保持率(Capacity retention rate)を示すグラフである。A graph showing the results of a charge-discharge test using a full-cell battery of the redox capacitor of the embodiment of the present invention when the thickness of each electrode material is (a) 0.5 mm, (b) 1.0 mm, and (c) 1.5 mm. (d) Graph showing the rate performance at the thickness of each electrode material, (e) charge and discharge profile at the 2nd cycle and 100th cycle when the thickness of each electrode material is 1.0 mm and 1C rate, (f) each 4 is a graph showing the capacity retention rate from 1 to 100 cycles when the thickness of the electrode material is 1.0 mm and the rate is 1C. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタの、各電極材料の厚みが0.5 mm、1.0 mm、1.5 mmのときの、1Cレートでの容量を基準とした、Cレートに対する容量保持率の変化を示すグラフである。Graph showing changes in capacity retention with respect to the C rate, with reference to the capacity at the 1 C rate, when the thickness of each electrode material is 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm in the redox capacitor of the embodiment of the present invention. is. 本発明の実施の形態のレドックスキャパシタシステムの、(a)充放電試験を示すグラフ、および、(挿入図)1Cレートでの容量を基準とした、Cレートに対する容量保持率の変化を示すグラフ(b)1Cレートのときの、2サイクル目および100サイクル目の充放電プロファイル、(c)各電極材料の厚みが 1.0 mm、1Cレートのときの、1~100サイクルまでの容量保持率を示すグラフ、(d)フル充電後の7日間の開放電圧の推移を示すグラフである。For the redox capacitor system of the embodiment of the present invention, (a) a graph showing a charge/discharge test, and (inset) a graph showing changes in capacity retention with respect to the C rate, based on the capacity at the 1 C rate ( b) Charge/discharge profile at 2nd and 100th cycles at 1C rate, (c) Graph showing capacity retention from 1st to 100th cycles at 1C rate with a thickness of 1.0 mm for each electrode material , (d) is a graph showing changes in open-circuit voltage for 7 days after full charge.

以下、図面および実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図9は、本発明の実施の形態のレドックスキャパシタおよびレドックスキャパシタシステムを示している。
図1に示すように、レドックスキャパシタ10は、正極材料11と正極側導電性基板12と正極側集電体13と負極材料14と負極側導電性基板15と負極側集電体16と隔膜17とガスケット18と電解質19とを有している。なお、正極材料11、正極側導電性基板12、および正極側集電体13が、正極側の電極体21を成し、負極材料14、負極側導電性基板15、および負極側集電体16が、負極側の電極体22を成している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on drawings, examples, and the like.
1 to 9 show redox capacitors and redox capacitor systems according to embodiments of the present invention.
As shown in FIG. 1, the redox capacitor 10 includes a positive electrode material 11, a positive conductive substrate 12, a positive current collector 13, a negative electrode material 14, a negative conductive substrate 15, a negative current collector 16, and a diaphragm 17. , gasket 18 and electrolyte 19 . The positive electrode material 11 , the positive conductive substrate 12 , and the positive current collector 13 constitute the positive electrode body 21 , and the negative electrode material 14 , the negative conductive substrate 15 , and the negative current collector 16 . constitutes the electrode body 22 on the negative electrode side.

正極材料11は、電極材料であり、薄い板状に形成され、キノンまたはヒドロキノンを含浸した正極活物質を担持した活性炭を含んでいる。正極材料11に含まれる正極活物質は、例えば、クロラニルやテトラクロロヒドロキノン(TCHQ)から成っている。正極側導電性基板12は、導電性で板状を成し、一方の表面が正極材料11の一方の表面に接するよう配置されている。正極側集電体13は、メッシュ板状を成し、正極側導電性基板12との間に正極材料11を挟むよう、一方の表面が正極材料11の他方の表面に接するよう配置されている。正極側集電体13は、正極材料11の側面も覆って、正極材料11の周囲で正極側導電性基板12に接するよう設けられている。 The positive electrode material 11 is an electrode material, formed into a thin plate, and contains activated carbon carrying a positive electrode active material impregnated with quinone or hydroquinone. The positive electrode active material contained in the positive electrode material 11 consists of chloranil and tetrachlorohydroquinone (TCHQ), for example. The positive electrode-side conductive substrate 12 is conductive and has a plate shape, and is arranged so that one surface thereof is in contact with one surface of the positive electrode material 11 . The positive electrode-side current collector 13 has a mesh plate shape, and is arranged such that one surface is in contact with the other surface of the positive electrode material 11 so as to sandwich the positive electrode material 11 between itself and the positive electrode-side conductive substrate 12 . . The positive electrode-side current collector 13 is provided so as to cover the side surface of the positive electrode material 11 and contact the positive electrode-side conductive substrate 12 around the positive electrode material 11 .

負極材料14は、電極材料であり、薄い板状に形成され、キノンまたはヒドロキノンを含浸した負極活物質を担持した活性炭を含んでいる。負極材料14に含まれる負極活物質は、例えば、ジクロロアントラキノン(DCAQ)から成っている。負極側導電性基板15は、導電性で板状を成し、一方の表面が負極材料14の一方の表面に接するよう配置されている。負極側集電体16は、メッシュ板状を成し、負極側導電性基板15との間に負極材料14を挟むよう、一方の表面が負極材料14の他方の表面に接するよう配置されている。負極側集電体16は、負極材料14の側面も覆って、負極材料14の周囲で負極側導電性基板15に接するよう設けられている。なお、正極材料11および負極材料14が、内側電極材料を成している。 The negative electrode material 14 is an electrode material, formed into a thin plate, and contains activated carbon carrying a negative electrode active material impregnated with quinone or hydroquinone. The negative electrode active material contained in the negative electrode material 14 consists of dichloroanthraquinone (DCAQ), for example. The negative electrode side conductive substrate 15 is conductive and has a plate shape, and is arranged so that one surface thereof is in contact with one surface of the negative electrode material 14 . The negative electrode-side current collector 16 has a mesh plate shape, and is arranged so that one surface thereof is in contact with the other surface of the negative electrode material 14 so as to sandwich the negative electrode material 14 between itself and the negative electrode-side conductive substrate 15 . . The negative electrode-side current collector 16 also covers the side surface of the negative electrode material 14 and is provided so as to be in contact with the negative electrode-side conductive substrate 15 around the negative electrode material 14 . In addition, the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 constitute inner electrode materials.

図1(a)に示すように、レドックスキャパシタ10は、正極側導電性基板12と負極側導電性基板15とを外側にして、正極側集電体13と負極側集電体16とを向かい合わせた状態で、正極側集電体13と負極側集電体16との間に間隔をあけて設けられている。 As shown in FIG. 1A, the redox capacitor 10 faces the positive electrode side current collector 13 and the negative electrode side current collector 16 with the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 facing outward. A space is provided between the positive electrode side current collector 13 and the negative electrode side current collector 16 in a combined state.

図1に示すように、隔膜17は、イオン交換膜から成り、正極側集電体13と負極側集電体16との間に配置されている。隔膜17は、例えば、エチレン樹脂やポリプロピレン、和紙から成っている。ガスケット18は、正極材料11、負極材料14、正極側集電体13、負極側集電体16、および隔膜17の側方を囲って、正極側導電性基板12と負極側導電性基板15との隙間を塞ぐよう設けられている。ガスケット18は、例えば、シリコンゴムから成っている。 As shown in FIG. 1 , the diaphragm 17 is made of an ion-exchange membrane and arranged between the positive electrode current collector 13 and the negative electrode current collector 16 . The diaphragm 17 is made of, for example, ethylene resin, polypropylene, or Japanese paper. The gasket 18 surrounds the sides of the positive electrode material 11 , the negative electrode material 14 , the positive electrode current collector 13 , the negative electrode current collector 16 , and the diaphragm 17 so that the positive electrode conductive substrate 12 and the negative electrode conductive substrate 15 are separated. It is provided to block the gap between The gasket 18 is made of silicone rubber, for example.

図1(a)に示すように、レドックスキャパシタ10は、正極側導電性基板12、負極側導電性基板15、およびガスケット18の内側に、密封された収納室20を有し、その収納室20に正極材料11、負極材料14、正極側集電体13、負極側集電体16、および隔膜17が収納されている。電解質19は、硫酸を含む酸性の液体であり、収納室20に充填されている。これにより、電解質19は、正極材料11と負極材料14との間に設けられている。 As shown in FIG. 1(a), the redox capacitor 10 has a sealed storage chamber 20 inside the positive electrode side conductive substrate 12, the negative electrode side conductive substrate 15, and the gasket 18, and the storage chamber 20 is sealed. The positive electrode material 11, the negative electrode material 14, the positive electrode side current collector 13, the negative electrode side current collector 16, and the diaphragm 17 are accommodated in the chamber. The electrolyte 19 is an acidic liquid containing sulfuric acid, and is filled in the storage chamber 20 . Thereby, the electrolyte 19 is provided between the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 .

正極側導電性基板12、正極側集電体13、負極側導電性基板15、および負極側集電体16は、電解質19に対する耐腐食性を有している。正極側導電性基板12および負極側導電性基板15は、導電性を有し、さらに電解質19に対する耐腐食性を有していれば、いかなる材料から成っていてもよい。また、正極側集電体13および負極側集電体16は、電解質19に対する耐腐食性を有していれば、いかなる材料から成っていてもよい。正極側導電性基板12、正極側集電体13、負極側導電性基板15、および負極側集電体16は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼や、グラファイトなどの天然由来導電材料シート、導電性ポリマーなどから成っている。 The positive electrode-side conductive substrate 12 , the positive electrode-side current collector 13 , the negative electrode-side conductive substrate 15 , and the negative electrode-side current collector 16 have corrosion resistance to the electrolyte 19 . The positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 may be made of any material as long as it has conductivity and corrosion resistance to the electrolyte 19 . Moreover, the positive electrode current collector 13 and the negative electrode current collector 16 may be made of any material as long as it has corrosion resistance to the electrolyte 19 . The positive electrode-side conductive substrate 12, the positive electrode-side current collector 13, the negative electrode-side conductive substrate 15, and the negative electrode-side current collector 16 are made of, for example, austenitic stainless steel, naturally-derived conductive material sheets such as graphite, or conductive polymers. etc.

次に、作用について説明する。
レドックスキャパシタ10は、各電極体21,22が、正極側集電体13と負極側集電体16とを互いに向かい合わせた状態で設けられており、正極材料11、負極材料14、正極側集電体13、負極側集電体16、隔膜17、および電解質19を間に挟んで覆うよう、正極側導電性基板12および負極側導電性基板15が外側に配置されている。このため、外部からの衝撃に対する安全性が高く、実用的である。また、レドックスキャパシタ10は、正極材料11および負極材料14がそれぞれ正極側導電性基板12と正極側集電体13との間、および、負極側導電性基板15と負極側集電体16との間に挟まれているため、比較的高い容量を得ることができる。
Next, the action will be described.
In the redox capacitor 10, each of the electrode bodies 21 and 22 is provided with a positive electrode current collector 13 and a negative electrode current collector 16 facing each other. A positive electrode-side conductive substrate 12 and a negative electrode-side conductive substrate 15 are arranged outside so as to sandwich and cover the current collector 13 , the negative electrode-side current collector 16 , the diaphragm 17 , and the electrolyte 19 . Therefore, it is highly safe against impact from the outside and is practical. In addition, in the redox capacitor 10, the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 are separated between the positive electrode side conductive substrate 12 and the positive electrode side current collector 13 and between the negative electrode side conductive substrate 15 and the negative electrode side current collector 16, respectively. Since it is sandwiched between them, a relatively high capacity can be obtained.

なお、図2に示すように、レドックスキャパシタ10は、正極側導電性基板12の外側の面、すなわち正極材料11とは反対側の面に、正極側導電性基板12に接触するよう配置された外側正極材料11aと、負極側導電性基板15の外側の面、すなわち負極材料14とは反対側の面に、負極側導電性基板15に接触するよう配置された外側負極材料14aと、少なくとも外側正極材料11aおよび外側負極材料14aの外側を覆うよう設けられたカバー部材(図示せず)とを有していてもよい。この場合にも、カバー部材により、外部からの衝撃に対する安全性が高く、実用的である。なお、外側正極材料11aは正極材料11と同じ電極材料からなることが好ましく、外側負極材料14aは負極材料14と同じ電極材料からなることが好ましい。また、外側正極材料11aおよび外側負極材料14aが、外側電極材料を成している。 In addition, as shown in FIG. 2, the redox capacitor 10 is arranged on the outer surface of the positive electrode side conductive substrate 12, that is, the surface opposite to the positive electrode material 11 so as to be in contact with the positive electrode side conductive substrate 12. an outer positive electrode material 11a, an outer negative electrode material 14a disposed on the outer surface of the negative conductive substrate 15, i.e., the surface opposite to the negative electrode material 14, in contact with the negative conductive substrate 15; A cover member (not shown) provided to cover the outside of the positive electrode material 11a and the outer negative electrode material 14a may be provided. In this case as well, the cover member provides high safety against impact from the outside and is practical. The outer positive electrode material 11 a is preferably made of the same electrode material as the positive electrode material 11 , and the outer negative electrode material 14 a is preferably made of the same electrode material as the negative electrode material 14 . Further, the outer positive electrode material 11a and the outer negative electrode material 14a constitute the outer electrode material.

[レドックスキャパシタ10の作製]
図1に示すレドックスキャパシタ10を作製した。材料として、正極活物質をテトラクロロヒドロキノン(TCHQ)、負極活物質をジクロロアントラキノン(DCAQ:東京化成工業株式会社製)とし、活性炭をMaxsorb(登録商標:関西熱化学株式会社製)とした。なお、クロラニルの方が、TCHQよりも空気中での安定性が高く、安価であるため、正極活物質の材料としてクロラニル(東京化成工業株式会社製)を使用し、フルセルバッテリーを作製する前に、クロラニルをTCHQに変換した。
[Production of redox capacitor 10]
A redox capacitor 10 shown in FIG. 1 was produced. Tetrachlorohydroquinone (TCHQ) was used as the positive electrode active material, dichloroanthraquinone (DCAQ: manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) as the negative electrode active material, and Maxsorb (registered trademark: manufactured by Kansai Coke and Chemicals Co., Ltd.) as the activated carbon. Since chloranil is more stable in air and cheaper than TCHQ, chloranil (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) was used as the positive electrode active material before making the full-cell battery. , converted chloranil to TCHQ.

まず、クロラニル3 gをアセトン 3 Lに溶解させ、1時間の超音波処理を行った。超音波処理後のその溶液に活性炭 7 gを加え、さらに1時間の超音波処理を行って、活性炭を溶液中に分散させた。その後、その溶液を80℃に保持して撹拌することにより、アセトンを蒸発させて、活性炭のナノ細孔に、クロラニルを含浸させた。こうして得られた粉末と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダーとを、9:1の重量比で混合し、ペレット状に成型した。なお、このとき、導電性添加剤は使用していない。こうして、クロラニルを担持したペレット状の正極材料11を作製した。また、同様にして、クロラニル 3gの代わりにDCAQ 3 gを用いて、DCAQを担持したペレット状の負極材料14を作製した。 First, 3 g of chloranil was dissolved in 3 L of acetone and sonicated for 1 hour. 7 g of activated charcoal was added to the solution after sonication, and sonication was further performed for 1 hour to disperse the activated charcoal in the solution. After that, the solution was kept at 80° C. and stirred to evaporate the acetone and impregnate the nanopores of the activated carbon with chloranil. The powder thus obtained and a polytetrafluoroethylene (PTFE) binder were mixed at a weight ratio of 9:1 and molded into pellets. At this time, no conductive additive was used. Thus, a pellet-shaped positive electrode material 11 supporting chloranil was produced. Similarly, 3 g of DCAQ was used instead of 3 g of chloranil to prepare pellet-like negative electrode material 14 supporting DCAQ.

次に、ペレット状の正極材料11および負極材料14を、SUS316製の網(7 cm×7 cm、100メッシュ、Φ0.05 mm)から成る正極側集電体13および負極側集電体16に、それぞれ圧着させた。このとき、正極材料11および負極材料14は、それぞれ表面積が 15~20 cm2、厚みが 0.5~1.5 mm、重さが 1 gである。その後、正極側集電体13と正極側導電性基板12との間にクロラニルを担持した正極材料11を、負極側集電体16と負極側導電性基板15との間にDCAQを担持した負極材料14を挟むよう、SUS316製の板(10 cm×10 cm、厚さ0.1 mm)から成る正極側導電性基板12および負極側導電性基板15に、それぞれ正極側集電体13および負極側集電体16をスポット溶接し、正極側の電極体21および負極側の電極体22を作製した。各電極体21,22を、それぞれ電解液(0.5M H2SO4水溶液)に浸して1時間の真空引きを行い、正極材料11および負極材料14の細孔に溜まったガスを除去した。 Next, pellet-shaped positive electrode material 11 and negative electrode material 14 are applied to positive electrode side current collector 13 and negative electrode side current collector 16 made of SUS316 mesh (7 cm × 7 cm, 100 mesh, Φ0.05 mm). , respectively, were crimped. At this time, the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 each have a surface area of 15-20 cm 2 , a thickness of 0.5-1.5 mm, and a weight of 1 g. After that, the positive electrode material 11 carrying chloranil was placed between the positive electrode current collector 13 and the positive electrode conductive substrate 12, and the negative electrode carrying DCAQ was placed between the negative electrode current collector 16 and the negative electrode conductive substrate 15. A positive electrode-side current collector 13 and a negative electrode-side current collector 13 are attached to a positive electrode-side conductive substrate 12 and a negative electrode-side conductive substrate 15 each made of a SUS316 plate (10 cm × 10 cm, thickness 0.1 mm) so as to sandwich the material 14 . The electric body 16 was spot-welded to produce an electrode body 21 on the positive electrode side and an electrode body 22 on the negative electrode side. Each of the electrode bodies 21 and 22 was immersed in an electrolytic solution (0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution) and vacuumed for 1 hour to remove gas accumulated in the pores of the positive electrode material 11 and the negative electrode material 14 .

次に、クロラニルを担持した正極材料11を有する電極体21を、ハーフセルバッテリーにて、1.3Cレートで充放電を行うことにより、クロラニルをTCHQに変換した。このとき、参照電極にはAg/AgCl(3M NaCl aq.)を、対極には過剰な量の活性炭電極(活性炭:ケッチェンブラック:PTFE=7:2:1)を使用し、充放電には、ポテンショスタット(Solartron Analytical社製)および電源装置(菊水電子工業株式会社製「PWR801L」)を用いた。こうして、TCHQを担持した正極材料11を有する正極側の電極体21と、DCAQを担持した負極材料14を含む負極側の電極体22を作製した。なお、正極側の電極体21と負極側の電極体22の重さは同じである。 Next, the electrode body 21 having the positive electrode material 11 supporting chloranil was charged and discharged at a rate of 1.3 C in a half-cell battery to convert chloranil to TCHQ. At this time, Ag/AgCl (3M NaCl aq.) was used as the reference electrode, and an excessive amount of activated carbon electrode (activated carbon: Ketjenblack: PTFE = 7:2:1) was used as the counter electrode. , a potentiostat (manufactured by Solartron Analytical) and a power supply (“PWR801L” manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) were used. Thus, a positive electrode body 21 having the positive electrode material 11 supporting TCHQ and a negative electrode body 22 including the negative electrode material 14 supporting DCAQ were produced. The positive electrode body 21 and the negative electrode body 22 have the same weight.

隔膜17には、厚さ 0.2 mm のポリプロピレン製のセパレータを用いた。ガスケット18には、厚さ 5 mm のシリコンゴムを用い、カッターで外側が10 cm×10 cm、内側が8 cm×8 cmの枠状に成形した。このガスケット18を、液体のRTVシリコンで、SUS316製の正極側導電性基板12および負極側導電性基板15に接着した。電解質19には、0.5MのH2SO4の水系電解液(以下では、特に断らない限り、pH=0)を用い、収納室20に充填した。こうして、図1に示す単セルのレドックスキャパシタ10を作製した。単セルの大きさは、縦 10 cm、横10 cm、厚み 0.52 cmである。 A polypropylene separator having a thickness of 0.2 mm was used as the diaphragm 17 . The gasket 18 was made of silicon rubber having a thickness of 5 mm and was formed into a frame shape of 10 cm×10 cm on the outside and 8 cm×8 cm on the inside with a cutter. This gasket 18 was adhered to the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 made of SUS316 with liquid RTV silicon. A 0.5M H 2 SO 4 aqueous electrolytic solution (hereinafter, unless otherwise specified, pH=0) was used as the electrolyte 19 , and the storage chamber 20 was filled with the electrolyte 19 . Thus, the single-cell redox capacitor 10 shown in FIG. 1 was produced. The size of the single cell is 10 cm long, 10 cm wide, and 0.52 cm thick.

[レドックスキャパシタシステム30の作製]
次に、作製した単セルのレドックスキャパシタ10を12個準備し、隣り合う単セルの正極側導電性基板12と負極側導電性基板15とが対向するよう、各単セルの厚み方向に沿って一列に並べた。隣り合う単セルの正極側導電性基板12と負極側導電性基板15とを被覆銅線で電気的に接続することにより、図3に示す複数セルから成るレドックスキャパシタシステム30を作製した。なお、作製したレドックスキャパシタシステム30は、厚さが 1.0 mmの正極材料11および負極材料14を使用している。
[Production of redox capacitor system 30]
Next, 12 single-cell redox capacitors 10 were prepared, and the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 of adjacent single cells were arranged along the thickness direction of each single cell so that they faced each other. lined up in a row. By electrically connecting the positive electrode side conductive substrate 12 and the negative electrode side conductive substrate 15 of adjacent single cells with a coated copper wire, a redox capacitor system 30 composed of a plurality of cells shown in FIG. 3 was produced. The fabricated redox capacitor system 30 uses positive electrode material 11 and negative electrode material 14 with a thickness of 1.0 mm.

[ハーフセルバッテリーによる電気化学測定]
まず、厚さ0.5 mmのTCHQを有する正極側の電極体21を用いて、ハーフセルバッテリーにより定電流放電試験を行った。試験には、ポテンショスタット(Solartron Analytical社製)を用いた。1Cレートでの放電試験結果を、図4に示す。
[Electrochemical measurement using a half-cell battery]
First, using the positive electrode body 21 having a TCHQ with a thickness of 0.5 mm, a constant current discharge test was performed with a half-cell battery. A potentiostat (manufactured by Solartron Analytical) was used for the test. FIG. 4 shows the discharge test results at a 1C rate.

図4に示すように、総容量(Specific Capacity)が 181.3 mAh g-1、電気二重層(EDL)容量が 20.4 mAh g-1であり、総容量から電気二重層(EDL)容量を差し引いた酸化還元容量は、160.9 mAh g-1であることが確認された。また、クロラニルの理論酸化還元容量が 217.9mAh g-1であるため、試験に用いた正極側の電極体21の利用率は、73.8%となる。試験に用いた正極側の電極体21は、質量負荷が非特許文献1に示す基礎研究段階の電極に比べて5倍以上大きいにもかかわらず、その非特許文献1に示す基礎研究段階での電極の利用率 75~86%と同程度の利用率であった。 As shown in FIG. 4, the total capacity (Specific Capacity) is 181.3 mAh g -1 and the electric double layer (EDL) capacity is 20.4 mAh g -1 . The reduction capacity was confirmed to be 160.9 mAh g −1 . Further, since the theoretical oxidation-reduction capacity of chloranil is 217.9 mAh g −1 , the utilization rate of the electrode body 21 on the positive electrode side used in the test is 73.8%. Although the positive electrode body 21 used in the test has a mass load that is at least five times as large as that of the electrode at the basic research stage shown in Non-Patent Document 1, The utilization rate of the electrode was about the same as 75-86%.

次に、厚さ0.5 mmのDCAQを有する負極側の電極体22を用いて、ハーフセルバッテリーにより充放電試験を行った。また、比較のため、負極側の電極体22の集電体を金の網にしたものについても、同様に充放電試験を行った。試験には、ポテンショスタット(Solartron Analytical社製)を用いた。集電体がSUS316製および金(gold)のときの、1Cレートでの充放電試験結果を、図5(a)に示す。また、1CレートおよびC/2レートでの充放電試験結果(集電体はSUS316製)を、図5(b)に示す。 Next, a charging/discharging test was performed with a half-cell battery using the negative electrode body 22 having DCAQ with a thickness of 0.5 mm. In addition, for comparison, a charging/discharging test was performed in the same manner on a case where the current collector of the electrode body 22 on the negative electrode side was made of a gold mesh. A potentiostat (manufactured by Solartron Analytical) was used for the test. Fig. 5(a) shows the charge/discharge test results at a 1C rate when the current collector is made of SUS316 and gold. FIG. 5(b) shows the charging/discharging test results (current collector made of SUS316) at 1C rate and C/2 rate.

図5(a)に示すように、全体的には、集電体がSUS316製のものは、金のものに比べて容量低下がなく、ほぼ同様の充放電曲線になっていることが確認された。また、細かい部分では、SUS316製の放電曲線は、金のものに比べて、プラトー部の過電圧が約20 mV大きく、スロープ部ではやや緩やかな曲線となっていることが確認された。これは、金とSUS316の導電率の違いに起因するものと考えられる。このように、SUS316と金とでは、僅かな違いしか認められないことから、高価な金の集電体を使用するよりも、より安価なSUS316製の集電体を使用する方が、コスト面で有利であると考えられる。 As shown in FIG. 5(a), it was confirmed that the current collector made of SUS316 had almost the same charge/discharge curve as compared to the gold current collector, with no decrease in capacity. rice field. Also, in the detailed part, it was confirmed that the discharge curve made of SUS316 has a larger overvoltage in the plateau part by about 20 mV compared to the gold one, and the curve is slightly gentler in the slope part. This is probably due to the difference in electrical conductivity between gold and SUS316. In this way, since there is only a slight difference between SUS316 and gold, it is more cost effective to use a current collector made of SUS316 than to use an expensive gold current collector. It is considered to be advantageous in

[サイクリックボルタンメトリー]
厚さ0.5 mmのTCHQを担持した正極材料11、および、厚さ0.5 mmのDCAQを担持した負極材料14を、pH=0、3、4の電解液(0.5M H2SO4水溶液)にそれぞれ浸漬して、サイクリックボルタンメトリーを行った。なお、サイクリックボルタンメトリーでのスキャンレートは、10mV/sとした。TCHQを担持した正極材料11のサイクリックボルタグラムを、図6(a)に、DCAQを担持した負極材料12のサイクリックボルタグラムを、図6(b)に示す。
[Cyclic voltammetry]
The positive electrode material 11 supporting TCHQ with a thickness of 0.5 mm and the negative electrode material 14 supporting DCAQ with a thickness of 0.5 mm were immersed in electrolyte solutions (0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution) of pH = 0, 3, and 4, respectively. and cyclic voltammetry was performed. The scan rate in cyclic voltammetry was set to 10 mV/s. The cyclic voltagram of the positive electrode material 11 supporting TCHQ is shown in FIG. 6(a), and the cyclic voltagram of the negative electrode material 12 supporting DCAQ is shown in FIG. 6(b).

図6(a)および(b)に示すように、正極材料11および負極材料14も共に、pH=0のときに鋭いピークを示し、pH=3および4のときには、ピークは認められなかった。この結果から、レドックスキャパシタ10は、強酸の状態のときにのみ作動するといえる。 As shown in FIGS. 6( a ) and 6 ( b ), both positive electrode material 11 and negative electrode material 14 showed sharp peaks at pH=0, and no peaks were observed at pH=3 and 4. FIG. From this result, it can be said that the redox capacitor 10 operates only in a strong acid state.

[単セルのレドックスキャパシタ10による電気化学測定]
図1に示す単セルのレドックスキャパシタ10を用いて、フルセルバッテリーにより充放電試験を行った。試験には、ポテンショスタット(Solartron Analytical社製)を用い、電圧範囲を-0.2V~1.2Vとし、充放電レートを1Cレート、2Cレート、4Cレート、8Cレートとした。TCHQを担持した正極材料11、および、DCAQを担持した負極材料14の厚みを、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mmとしたときの充放電試験結果を、それぞれ図7(a)~(c)に示す。また、各電極材料(正極材料11および負極材料14)の厚みでのレート性能を図7(d)に、各電極材料の厚みが 1.0 mm、1Cレートのときの、2サイクル目および100サイクル目の充放電プロファイルを図7(e)に、各電極材料の厚みが 1.0 mm、1Cレートのときの、1~100サイクルまでの容量保持率(Capacity retention rate)を図7(f)に示す。なお、Cレートは、TCHQを担持した正極材料11の理論容量に基づいて計算している。
[Electrochemical measurement by single-cell redox capacitor 10]
Using the single-cell redox capacitor 10 shown in FIG. 1, a charge-discharge test was performed with a full-cell battery. In the test, a potentiostat (manufactured by Solartron Analytical) was used, the voltage range was -0.2 V to 1.2 V, and the charge/discharge rate was 1C rate, 2C rate, 4C rate, and 8C rate. 7(a) to 7(c) show the charge/discharge test results when the thicknesses of the positive electrode material 11 supporting TCHQ and the negative electrode material 14 supporting DCAQ were set to 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm, respectively. show. In addition, the rate performance at the thickness of each electrode material (positive electrode material 11 and negative electrode material 14) is shown in FIG. 7(d). FIG. 7(e) shows the charge/discharge profile of the electrode material, and FIG. 7(f) shows the capacity retention rate from 1 to 100 cycles when the thickness of each electrode material is 1.0 mm and the rate is 1C. Note that the C rate is calculated based on the theoretical capacity of the positive electrode material 11 supporting TCHQ.

図7(a)~(c)に示すように、比放電容量は、0.5 mm厚の各電極材料のとき、1Cレートで 216 mAh g-1であるが、1.0 mmおよび1.5 mm厚の各電極材料のときには、それぞれ166 mAh g-1および140 mAh g-1であり、質量負荷の増加に伴い、低下する傾向が確認された。また、平均放電電圧は、0.387 Vであることが確認された。図7(a)~(c)の結果から、1Cレートでの容量を基準として、2Cレート、4Cレート、8Cレートでの電極の容量保持率を求め、図8に示す。 As shown in FIGS. 7(a)-(c), the specific discharge capacity is 216 mAh g −1 at a 1 C rate for each electrode material with a thickness of 0.5 mm, whereas the 1.0 mm and 1.5 mm thickness electrodes For the material, they were 166 mAh g -1 and 140 mAh g -1 , respectively, and a decreasing trend was confirmed as the mass load increased. Also, the average discharge voltage was confirmed to be 0.387V. From the results of FIGS. 7A to 7C, the capacity retention ratios of the electrodes at 2C rate, 4C rate, and 8C rate were determined based on the capacity at 1C rate, and are shown in FIG.

図8に示すように、2Cレートでは、0.5 mm厚と1.0 mm厚の各電極材料のとき、約75%の容量が維持されているのに対し、1.5 mm厚の各電極材料では、44%しか維持されていないことが確認された。さらに、充放電レートが4Cのとき、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mmの各電極材料で、それぞれ44%、36%、14%の容量が維持されており、8Cのとき、16%、8.5%、4.3%の容量が維持されているいることが確認された。この結果から、各電極材料を厚くすることにより、レート性能が低下していくといえる。これは、厚い各電極材料では、プロトンの拡散が遅くなり、キノンでの酸化還元反応が進まないためであると考えられる。 As shown in FIG. 8, at the 2C rate, approximately 75% of the capacitance is retained for the 0.5 mm and 1.0 mm thick electrode materials, whereas 44% for the 1.5 mm thick electrode material. It was confirmed that only the Furthermore, when the charge/discharge rate is 4C, the capacities of 44%, 36%, and 14% are maintained for each electrode material of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm, respectively, and at 8C, 16% and 8.5%. , it was confirmed that the capacity of 4.3% was maintained. From this result, it can be said that the rate performance is lowered by increasing the thickness of each electrode material. This is probably because proton diffusion slows down in the thick electrode materials, and oxidation-reduction reaction with quinone does not proceed.

この充放電試験結から、0.5 mm厚の各電極材料での単セルのエネルギー密度を求めると、1Cレートのとき、全電極で10.9 Wh kg-1であり、非特許文献1に示す基礎研究段階でのエネルギー密度 12.5 Wh kg-1の87.2%であった。このように、基礎研究段階のものと比べても遜色なく、十分にエネルギー密度が高いため、図1に示す厚い電極を用いた実用的なレドックスキャパシタ10は、1Cレートでも十分に使用可能であるといえる。なお、エネルギー密度がわずかに低下しているのは、主に有機活物質の利用率が低下したことに起因していると考えられる。また、正極側のTCHQは、負極側のDCAQよりも理論容量が大きいため、電極の重さが同じであるときには、その容量をすべて使い切ることができないことも、エネルギー密度低下の原因の一つであると考えられる。なお、エネルギー密度は、両電極の総質量をもとに算出している。 From this charge/discharge test result, when the energy density of a single cell with each electrode material having a thickness of 0.5 mm is obtained, it is 10.9 Wh kg −1 for all electrodes at a 1 C rate. The energy density at 12.5 Wh kg −1 was 87.2%. In this way, the energy density is sufficiently high, comparable to that of the basic research stage, so the practical redox capacitor 10 using thick electrodes shown in FIG. 1 can be sufficiently used even at a 1C rate. It can be said. The slight drop in energy density is considered to be mainly due to a drop in the utilization rate of the organic active material. In addition, TCHQ on the positive electrode side has a larger theoretical capacity than DCAQ on the negative electrode side, so if the weight of the electrodes is the same, the entire capacity cannot be used, which is also one of the causes of the decrease in energy density. It is believed that there is. The energy density is calculated based on the total mass of both electrodes.

また、図7(e)に示すように、1Cレートでの2サイクル目の充放電プロファイルと、100サイクル目の充放電プロファイルとの間にはほとんど差がないことが確認された。このことから、100サイクルを超えても容量は低下しないものと考えられる。また、図7(f)に示すように、1Cレートで100サイクル後でも、101.1%の容量が保持されていることが確認された。非特許文献1に示す基礎研究段階のものでも、容量の低下が見られないことを考慮すると、実用的な大きさにスケールアップしたレドックスキャパシタ10でも、優れたサイクル性能が維持されているといえる。 Moreover, as shown in FIG. 7(e), it was confirmed that there was almost no difference between the charge/discharge profile at the 1C rate at the 2nd cycle and the charge/discharge profile at the 100th cycle. From this, it is considered that the capacity does not decrease even after 100 cycles. Moreover, as shown in FIG. 7(f), it was confirmed that 101.1% of the capacity was retained even after 100 cycles at the 1C rate. Considering that even the basic research stage shown in Non-Patent Document 1 does not show a decrease in capacity, it can be said that even the redox capacitor 10 scaled up to a practical size maintains excellent cycle performance. .

[複数セルのレドックスキャパシタシステム30による電気化学測定]
図3に示す複数セルのレドックスキャパシタシステム30(各電極材料の厚み 1.0 mm)を用いて、充放電試験を行った。試験には、ポテンショスタット(Solartron Analytical社製)を用い、電圧範囲を-0.2V~12.0Vとし、充放電レートを1Cレート、2Cレート、4Cレート、8Cレートとした。充放電試験結果を図9(a)に、1Cレートのときの、2サイクル目および100サイクル目の充放電プロファイルを図9(b)に、1Cレートのときの、1~100サイクルまでの容量保持率を図9(c)に、フル充電後の7日間の開放電圧の推移を図9(d)に示す。
[Electrochemical measurement by multi-cell redox capacitor system 30]
A charge/discharge test was performed using a multi-cell redox capacitor system 30 (thickness of each electrode material: 1.0 mm) shown in FIG. In the test, a potentiostat (manufactured by Solartron Analytical) was used, the voltage range was -0.2 V to 12.0 V, and the charge/discharge rate was 1C rate, 2C rate, 4C rate, and 8C rate. The charge/discharge test results are shown in FIG. 9(a), the charge/discharge profiles at the 2nd cycle and the 100th cycle at the 1C rate are shown in FIG. 9(b), and the capacity from 1 to 100 cycles at the 1C rate Fig. 9(c) shows the retention rate, and Fig. 9(d) shows the transition of the open-circuit voltage for 7 days after full charge.

図9(a)に示すように、比放電容量は、1Cレートで 142 mAh g-1であり、図7(b)に示す単セルでの容量の86%であることが確認された。また、平均放電電圧は、4.39 Vであり、これは単セルの平均放電電圧(0.387 V)の12倍であることが確認された。この結果から、1Cレートでの容量を基準として、2Cレート、4Cレート、8Cレートでの電極の容量保持率を求め、図9(a)の挿入図に示す。なお、この挿入図には、図8に示す単セル(1.0 mm厚の電極材料)での容積保持率も示している。挿入図に示すように、容量保持率は、2Cレートで62.6%、4Cレートで20.3%、8Cレートで8.5%であり、単セルよりもやや低いことが確認された。 As shown in FIG. 9(a), the specific discharge capacity was 142 mAh g −1 at 1C rate, which was confirmed to be 86% of the single cell capacity shown in FIG. 7(b). Also, the average discharge voltage was 4.39 V, which was confirmed to be 12 times the average discharge voltage (0.387 V) of the single cell. From this result, the capacity retention rate of the electrode at 2C rate, 4C rate, and 8C rate was determined based on the capacity at 1C rate, and is shown in the insert of FIG. 9(a). This inset also shows the volume retention ratio of the single cell (1.0 mm thick electrode material) shown in FIG. As shown in the inset, the capacity retention rate was 62.6% for the 2C rate, 20.3% for the 4C rate, and 8.5% for the 8C rate, which were confirmed to be slightly lower than those of the single cell.

また、充放電試験結果から、1Cレートでのエネルギー密度を求めると、7.1 Wh kg-1であり、単セルのエネルギー密度よりも低いことが確認された。単セルを直列に接続した場合、全体の容量は、接続されたすべての単セルの中で最も容量の小さい単セルによって決定される。さらに、それぞれの単セルの電圧が異なると、すべての単セルを完全に充電・放電することができなくなるため、すべての単セルを効率よく利用するためには、すべての単セルの電圧が同じでなければならない。これらのことから、単セルに比べて、高電圧セルの容量がやや低く、レート性能が劣るのは、直列に接続された12個の各単セルの容量および電圧が若干異なることに起因するものと考えられる。 Also, from the charge/discharge test results, the energy density at a 1C rate was found to be 7.1 Wh kg −1 , which was confirmed to be lower than the energy density of a single cell. When single cells are connected in series, the overall capacity is determined by the single cell with the lowest capacity among all the connected single cells. Furthermore, if the voltage of each single cell is different, it will not be possible to charge and discharge all the single cells completely. Must. From these facts, the slightly lower capacity and inferior rate performance of the high-voltage cells compared to the single cells is due to the slightly different capacities and voltages of the 12 single cells connected in series. it is conceivable that.

図9(b)に示すように、1Cレートでの2サイクル目の充放電プロファイルと比べて、100サイクル目の充放電プロファイルは、プラトー容量が低下していることが確認された。また、図9(c)に示すように、100サイクル後の容量保持率は、85%であることが確認された。これらの結果は、図7(e)および(f)に示す、サイクル特性に優れた単セルでの結果とは異なっている。この原因は、以下のように考えられる。すなわち、12個の単セルを直列に接続したレドックスキャパシタシステム30では、各単セルのわずかな電圧差が、一部の単セルを過充電や過放電にしてしまい、電解質19が電気化学的に分解されて、各電極体21,22にガスが発生する。この発生したガスに接している各電極材料の部分が、電気化学的に不活性となり、キノン類の酸化還元反応ができなくなる。このため、サイクル特性が悪化するものと考えられる。 As shown in FIG. 9(b), it was confirmed that the plateau capacity was lower in the charge/discharge profile at the 100th cycle than in the charge/discharge profile at the 1C rate at the 2nd cycle. Moreover, as shown in FIG. 9(c), it was confirmed that the capacity retention rate after 100 cycles was 85%. These results are different from the results of single cells with excellent cycle characteristics shown in FIGS. 7(e) and (f). The reason for this is considered as follows. That is, in the redox capacitor system 30 in which 12 single cells are connected in series, a slight voltage difference between the single cells causes overcharge or overdischarge of some of the single cells, causing the electrolyte 19 to become electrochemically Gas is generated in each of the electrode bodies 21 and 22 by decomposition. The portion of each electrode material that is in contact with the generated gas becomes electrochemically inactive, and the oxidation-reduction reaction of quinones cannot occur. Therefore, it is considered that the cycle characteristics are deteriorated.

図9(d)に示すように、7日間経過後の開放電圧は6.6 Vであり、放電プラトー電圧よりも高い値を示していることが確認された。これは、電圧低下は電気二重層(EDL)の破壊によってのみ引き起こされ、ほとんどのキノン類は充電状態で安定しており、7日後でも劣化しないためであると考えられる。 As shown in FIG. 9(d), the open circuit voltage after 7 days was 6.6 V, which was confirmed to be higher than the discharge plateau voltage. This is probably because the voltage drop is caused only by the breakdown of the electric double layer (EDL), and most quinones are stable in the charged state and do not deteriorate even after 7 days.

なお、レドックスキャパシタシステム30を用いて、電流レギュレータを介してスマートフォンを充電する試験を行った。試験では、スマートフォンとの間に、赤、緑、青の3色の電球を直列に接続したところ、スマートフォンが充電されて、各電球が点灯するのが確認された。 A test was conducted in which the redox capacitor system 30 was used to charge a smartphone via a current regulator. In the test, when three light bulbs of red, green, and blue were connected in series with the smartphone, it was confirmed that the smartphone was charged and each light bulb lit up.

10 レドックスキャパシタ
11 正極材料
12 正極側導電性基板
13 正極側集電体
14 負極材料
15 負極側導電性基板
16 負極側集電体
17 隔膜
18 ガスケット
19 電解質
20 収納室
21 (正極側の)電極体
22 (負極側の)電極体

11a 外側正極材料
14a 外側負極材料

30 レドックスキャパシタシステム


REFERENCE SIGNS LIST 10 redox capacitor 11 positive electrode material 12 positive electrode side conductive substrate 13 positive electrode side current collector 14 negative electrode material 15 negative electrode side conductive substrate 16 negative electrode side current collector 17 diaphragm 18 gasket 19 electrolyte 20 storage chamber 21 (positive electrode side) electrode body 22 Electrode body (on the negative electrode side)

11a Outer positive electrode material 14a Outer negative electrode material

30 redox capacitor system


Claims (8)

間隔をあけて対向するよう配置された1対の導電性基板と、
各導電性基板に対応して設けられ、活物質を含み、それぞれ対応する導電性基板に接触するよう、互いに間隔をあけて各導電性基板の間に配置された1対の内側電極材料と、
各導電性基板の間で、各内側電極材料に接するよう設けられた酸性の電解質とを有することを
特徴とするレドックスキャパシタ。
a pair of conductive substrates arranged to face each other with a space therebetween;
a pair of inner electrode materials corresponding to each conductive substrate and containing an active material and spaced between each conductive substrate so as to contact each corresponding conductive substrate;
and an acidic electrolyte provided between each conductive substrate and in contact with each inner electrode material.
各導電性基板および各内側電極材料に対応して設けられ、対応する導電性基板との間に対応する内側電極材料を挟むよう、互いに間隔をあけて各導電性基板の間に配置された1対のメッシュ状の集電体を有することを特徴とする請求項1記載のレドックスキャパシタ。 1 provided corresponding to each conductive substrate and each inner electrode material, and disposed between each conductive substrate with a space therebetween so as to sandwich the corresponding inner electrode material between the corresponding conductive substrate and the conductive substrate; 2. The redox capacitor according to claim 1, comprising a pair of mesh-like current collectors. 各導電性基板に対応して設けられ、活物質を含み、それぞれ対応する導電性基板に接触するよう、各導電性基板の外側に配置された1対の外側電極材料と、
少なくとも各外側電極材料の外側を覆うよう設けられたカバー部材とを、
有することを特徴とする請求項1または2記載のレドックスキャパシタ。
a pair of outer electrode materials corresponding to each conductive substrate and containing an active material and disposed outside each conductive substrate so as to be in contact with the respective conductive substrate;
a cover member provided to cover at least the outside of each outer electrode material,
3. The redox capacitor according to claim 1, comprising:
各内側電極材料の間に、イオン交換膜から成る隔膜を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレドックスキャパシタ。 4. The redox capacitor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a diaphragm made of an ion exchange membrane between each inner electrode material. 前記電解質は硫酸を含み、
前記導電性基板は、オーステナイト系ステンレス鋼から成ることを
特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレドックスキャパシタ。
the electrolyte comprises sulfuric acid;
The redox capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductive substrate is made of austenitic stainless steel.
前記活物質は、キノンまたはヒドロキノンを含み、
各内側電極材料は、前記活物質を担持した活性炭を含むことを
特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のレドックスキャパシタ。
the active material comprises quinone or hydroquinone;
The redox capacitor according to any one of claims 1 to 5, wherein each inner electrode material contains activated carbon supporting the active material.
各内側電極材料の厚みが、0.5mm以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のレドックスキャパシタ。 7. The redox capacitor according to any one of claims 1 to 6, wherein each inner electrode material has a thickness of 0.5 mm or more. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のレドックスキャパシタを複数有し、各レドックスキャパシタが直列に接続されていることを特徴とするレドックスキャパシタシステム。
A redox capacitor system comprising a plurality of redox capacitors according to any one of claims 1 to 7, wherein each redox capacitor is connected in series.
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