JP2667837B2 - 電気二重層キヤパシタ - Google Patents
電気二重層キヤパシタInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は固体化された電気二重層キヤパシタに関す
る。 （従来の技術） 近年、小型かつ軽量の電池の開発が要望されている。
そのひとつとして電解質を溶解した溶液に分極性電極と
して比表面積の大きな活性炭素成形品、特に活性炭素繊
維を用いる電気二重層キヤパシタが知られている（特開
55−99714号、同58−222520、同59−138327号等）。 活性炭素成形品、特に比表面積が700−3000m2/gのよ
うに大きな比表面積を有する活性炭素繊維は溶媒との界
面において電気二重層を形成し、この効果により多くの
電気エネルギーを蓄積することが可能である。電気二重
層の形成による電気エネルギーの蓄積は、一般の二次電
池（鉛電池、Ni−Cd電池、リチウム電池等）のように化
学反応を伴わないため、充放電に対する可逆性が極めて
良い。電気二重層キヤパシタは10000回以上の充放電が
行なえる。更に電気二重層キヤパシタの充放電は化学反
応を伴なわないため、使用可能な温度域が広いことも特
徴の一つである。一般の二次電池の使用温度範囲が−５
℃〜60℃であるのに対し電気二重層キヤパシタは−20℃
〜85℃という極めて広い温度範囲での使用が可能であ
る。 （発明が解決しようとする問題点） しかしこのように有用な電気二重層キヤパシタも素子
の基本的構造の一部分に液体を使用しているという欠点
があつた。電気二重層キヤパシタに使用されている液体
（電解液）としては水系のものでは硫酸水溶液等が用い
られている。非水系のものではプロピレンカーボネー
ト、γ−ブチロラクトン、DMF等の非水系の極性溶媒に
過塩素酸リチウム、ホウフツ化リチウム等の塩を溶解さ
せたものが用いられている。 電解液を用いたことにより電気二重層キヤパシタは以
下に記載する欠点を有していた。 電解液の漏洩を防止するために金属ケースおよび堅牢
なパツキングを用いる必要がある、このため素子の構造
は堅固なものではなくてはならない。従つて素子の小型
化および構造の簡素化には限界があり、極めて小型の電
気二重層キヤパシタを作製することは極めて困難であつ
た。更に素子の価格の一般のコンデンサー等と比較して
電気部品としては高価なものとなつていた。 （問題点を解決するための手段） 本発明者らは上述の従来技術に鑑みて鋭意検討した結
果、電解液として高分子イオン伝導体を用いることによ
り得られる電気二重層キヤパシタは電極、電解液ともに
実質的に固体よりになる全固体型であつて、かつキヤパ
シタ容量も実用上充分なものであることを認め本発明に
至つた。 すなわち本発明は電解液として高分子イオン伝導体を
用いたことを特徴とする全固体型電気二重層キヤパシタ
である。ここで、高分子イオン伝導体として、後述の通
り、シアノエチル化ポリビニルアルコールに電解質を溶
解させたものを用いる。 本発明において用いられる活性炭の原料は特には限定
されない。その原料は、天然有機高分子、合成有機高分
子またはピツチ等があげられる。天然有機高分子にはや
しがら、しろがし等が挙げられ、合成有機高分子にはポ
リビニルアルコール、フエノール樹脂、ポリアクリロニ
トリル等のような純合成高分子の他繊維誘導体のような
半合成高分子を包含する。本発明者らの研究によればポ
リビニルアルコール系繊維あるいはフェノール樹脂系繊
維を出発原料とする活性炭素繊維はイオンの吸脱着可能
のレベルが極めて高く、かつ電気伝導性も高いために本
発明の全固体型電気二重層キヤパシタに用いるのに好適
であつた。さらにフェノール系活性炭素繊維とポリビニ
ルアルコール系活性炭素繊維は比表面積が1500m2/g以上
という極めて高めた状態においても繊維強度が高くまた
柔軟性を失わないという特徴を有する。このため高分子
イオン伝導体を含浸させる場合とかシート形成工程、パ
ツキング工程等の各種成形工程において圧縮するなどの
機械的圧力を加えた場合に繊維の切断が発生せず電極性
能は低下しない。一方PAN（ポリアクリロニトリル）系
活性炭素繊維あるいはレーヨン系活性炭素繊維等のその
他の活性炭素繊維は比表面積を1500m2/g以上まで上げに
くい、と同時に繊維強度が低くまた柔軟性にも乏しいた
めに高分子イオン伝導体を含浸させたり圧縮する場合に
おいて極めて多くの繊維の切断が発生し、このため電極
性能が大幅に低下した。全固体型電気二重層キヤパシタ
に用いる活性炭素繊維は実際上フエノール系活性炭素繊
維かあるいはポリビニルアルコール系活性炭素繊維を用
いるのがよい。 本発明において用いられる活性炭は繊維状、粉体状等
その形状は任意であるが、繊維状であることが好まし
い。繊維状の活性炭は比表面積を大きくすることがで
き、またシートの電気伝導度を高くすることができる。
粉末状活性炭を用いる場合には各種のバインダー、例え
ばフツ素樹脂の水性分散液により結合させ、シート状、
フイルム状等の任意の形状であつてもよい、これらは公
知の任意の処理、例えば、アルミニウム、チタンなどの
ネツトや蒸着膜あるいは溶射電極を付けて用いても良
い。 本発明で用いられる高分子イオン伝導体とは高分子の
マトリツクス中でイオンが伝導して電導性を示す物質を
意味し、例えば誘電率の高い高分子と塩、酸又はアルカ
リ等の電解質源との複合体（ハイブリツド）やカチオン
性又はアニオン性等のイオン性高分子（高分子電解質）
が例示される。ここで電解質源とは高分子物質と相互作
用を起こし電界下でイオン解離する物質をいう。前者の
複合体型の高分子イオン伝導体はイオン伝導性が高いた
め、活性炭を両極とした本発明の電気二重層キヤパシタ
において極めて好適に用いられる。該複合体型のイオン
電導体は例えば〔Mol.Cryst.Liq.Cryst.,第106巻、361
頁（1984）〕に開示されている。 使用する高分子イオン伝導体は電気伝導度において10
-6（S/cm）以上好ましくは10-5（S/cm）以上特に好まし
くは10-4（S/cm）以上のものを用いるのが良い。電気伝
導度が低過ぎる場合には素子の内部抵抗が上がりすぎる
ため実用上使用できない。高分子イオン伝導体の電気伝
導度の高い程良好な性能のキヤパシタが得られる。 複合体型の高分子イオン伝導体に用いられる高分子と
しては誘電率が高く、また、ガラス転移点（Tg）が低い
ものを使用するのが良い。誘電率としては比誘電率（ε
ｒ）において８以上のものを用いるのがイオンの解離度
が上がるので良い。ガラス転移点（Tg）としては60℃以
下、より好ましくは20℃以下、特に好ましくは10℃以下
もののを用いるのがイオンの移動度が上がるので良い。 本発明では、誘電率が高くTgが低いことを考慮して、
シアノエチル化ポリビニルアルコール（PVA）を用い
る。シアノエチル化PVAを単独で用いても良く、PVA、ポ
リフオスフアゼン、ポリビニリデンフルオライド（PVD
F）、ポリエチレンオキサイド（PEO）、シアノエチル化
セルロース、シアノエチル化シユクロース等と混合して
用いても良い。これらの高分子材料のイオンの伝導性を
上げるために少量の有機溶媒を混合しても良い。ここで
用いられる有機溶媒は有機非水溶媒であり、非プロトン
性でかつ高誘電率のものが好ましい。具体例としてはプ
ロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチル
スルフオキシド、ジメチルフオルムアミド、アセドニト
リル、エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン等を
挙げることができる。これらの有機溶媒は一種または二
種以上の混合溶媒として用いても良い。高分子材料に添
加する有機溶媒の量はもとの高分子材料に対し60重量％
以下にするのが良い、溶媒の量が多過ぎる場合には溶媒
を高分子材料で保持できなくなることがある。 電界質源としては金属の陽イオン、４級アンモニウム
イオン、カルボニウムカチオン、およびピリジニウムカ
チオン等の陽イオンとClO4 -、BF4 -、SbCl6 -、AsF6 -、I3
-、HF2 -、CF3SO3 -等の陰イオンよりなる塩、酸又はアル
カリを挙げることができる。特に好ましい陰イオンとし
てはClO4 -あるいはBF4 -である。具体的な電解質源とし
てはLiClO4、Bu4N・ClO4、Ｋ・AsF6、Na・BF4、LiBF4等
の塩、リン酸等を挙げることができるがこれらに限定さ
れるものではない。 高分子材料と塩との複合体（ハイブリツド）において
混合される塩の量は高分子材料のモノマーユニツトあた
り１モル％以上70モル％以下の量を混合するのが良い。
好ましくは５モル％以上60モル％以下、特に好ましくは
10モル％以上50モル％以下の量を混合するのが良い。塩
の量が多すぎると塩の析出が発生し、少なすぎると電気
伝導度が低下する。 高分子材料あるいは電解質中に存在する酸素や水分が
キヤパシタの性能を低下させる場合があるため、高分子
材料あるいは電解質源等は常法に従いあらかじめ十分精
製しておくことが望ましい。 本発明において必要ならばポリエチレン、ポリプロピ
レン、テフロン等の合成樹脂製の多孔質膜や天然繊維を
両極の間の隔膜として使用しても良い。 本発明の電気二重層キヤバシタは素子の外側に高分子
材料等による保護層を付け外界からの酸素や水分の混入
を防止するのが良い。 本発明の電気二重層キヤパシタの作製法は、高分子イ
オン伝導体を含浸させた活性炭シートあるいは活性炭素
繊維シートをセパレータをはさんで両側から圧着させ
る、さらに両極の集電極により導線を出し素子の表面に
保護層を付けることにより素子を得ることができる。両
極がショートしないように高分子イオン伝導体の量を加
減すればセパレータは必ずしも用いる必要はない。 本発明の電気二重層キヤパシタは小型、軽量、薄膜化
が達成されているため小型の電気エネルギー貯蔵素子と
して太陽電池バツクアツプ、Ｃ−MOSバツクアツプ等に
極めて好適に用いられる。さらに従来の電気二重層キヤ
パシタと比較し構造が簡素化されているため安価に大量
生産が可能であり実用上極めて有用である。 〔実施例〕 以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。
なお、実施例において用いられた各材料（高分子材料、
電解質、溶媒）は断りのない限り常法により十分に精製
して用いた。 実施例１ （フエノール系活性炭素繊維を用いた全固体型電気二重
層キヤパシタ） フエノール系活性炭素繊維シート〔（株）クラレケミ
カル製；比表面積2200m2/g（BET法）〕にアルミ溶射電
極を取り付けたシートを用いて全固体型電気二重層キヤ
パシタを作製した。高分子材料にはシアノエチル化PVA
を用いた。シアノエチル化PVAはPVA〔（株）クラレ製；
重合度1800,ケン化;90％〕をシアノエチル化（シアノエ
チル化度;99％）することによつて得た。得られたシア
ノエチル化PVAのDSC（昇温速度10℃／分）より求めたTg
は６℃であつた。得られたシアノエチル化PVAは透明で
あつて室温（20℃）での比誘導率（εｒ）は22（1KHz）
であつた。 このシアノエチル化PVA50gに対してホウフツ化リチウ
ム（LiBF4）19.3g（シアノエチル化PVAのモノマーユニ
ツトあたり40モル％の電解質に相当）を添加し、さらに
エチレンカーボネート20gを添加した後すべてをアセト
ン溶媒に溶解させた。このアセトン溶液にアルミ溶射電
極を取り付けた活性炭素繊維シート（以下ACFシートと
略す）を浸した後真空脱泡を行い、ACFシートに完全に
溶液を含ませた。その後アセトンを揮発させることによ
りACFシートに高分子イオン電応体が含浸されたシート
（以下複合体シートという）を得た。得られた複合体シ
ートは40℃において24時間真空乾燥を行つた。この高分
子イオン伝導体単独の電気伝導度は９×10-5（S/cm）で
あつた。 このようにして得たACFシートと高分子イオン伝導体
の複合体シート２枚をポリプロピレンよりなる多孔性セ
パレータをはさんで上下方向より圧着した。このシート
を1cm×1cmの大きさに切り出した後に両極に導線を取り
付け素子を作製した。その後エポキシ樹脂を表面に塗布
することにより素子に厚さ1mmの保護層を付与した。こ
のようにして第１図に断面図を示した電気二重層キヤパ
シタを得た。 この電気二重キヤパシタの容量を3Vから2Vの範囲にお
いて測定した。3Vの電圧において１時間定電圧充電を行
つた後に2Vの電圧まで電流密度が２×10-3A/g（ACF1gに
対して）の条件で定電流放電を行つた。このキヤパシタ
の容量は0.08FであつてACF1gあたりに換算した容量は8F
/gであつた。 電解質としてLiBF4に換えてLiClO4を用いて同様にし
てキヤパシタを作製したところ、LiBF4とほとんど同じ
性能のキヤパシタを得ることができた。 実施例２ （PVA系ACFを用いた全固体型電気二重層キヤパシタ） 比表面積2200m2/g（BET法）のPVA系ACFシートの片面
にアルミ溶射電極を取り付けた。これを用いた以外は実
施例１とまつたく同様にして電気二重層キヤパシタを作
製した。 このキヤパシタの容量を実施例１とまつたく同様にし
て測定したところ0.1Fであつた。ACF1gあたりに換算し
た容量は10F/gであつて、フエノール系ACFを用いた場合
と比較し容量が増加していた。 比較例 〔高分子イオン伝導体としてポリエチレンオキサイド
（PEO）−LiBF4複合を用いたことを特徴とする全固体型
電気二重層キヤパシタ〕 分子量3000のポリエチレンオキサイド（PEO）にモノ
マーユニツトあたり10モル％のLiBF4を加え、さらに５
重量％のエチレンカーボネートを添加することにより電
気伝導度が２×10-6（S/cm）の高分子イオン伝導体（PE
O−LiBF4）を得た。 得られた高分子イオン伝導体2gをアセトンに溶解した
後、実施例１で用いたと同じフエノール系活性炭素繊維
シートにアルミ溶射電極を取り付けたシート（ACFシー
ト）に上記溶液を含浸させた。以下実施例１と全く同様
にして全固体型電気二重層キヤパシタを作製した。 このキヤパシタの容量を実施例１と同様な条件で測定
したところキヤパシタの容量は３×10-3FであつてACF1g
あたりに換算した容量は0.3F/gであつた。 高分子イオン伝導体として実施例１のシアノエチル化
PVA−LiBF4複合体を用いた場合と比較し容量が低かつ
た。 本比較例のキヤパシタの容量が実施例１のキヤパシタ
に比べて低い理由は用いたPEO−LiBF4複合体の電気伝導
度が低い〔10-6（S/cm）レベル〕ことに起因すると思わ
れる。 実施例３ （活性炭素繊維としてポリアクリロニトリル系活性炭素
繊維を用いたことを特徴とする全固体型電気二重層キヤ
パシタ） ポリアクリロニトリル系（PAN系）活性炭素繊維（BET
法による比表面積1000m2/g）シートを用いた以外は実施
例１とまつたく同様にして全固体型電気二重層キヤパシ
タを得た。 このキヤパシタの容量を実施例１と同様な条件で測定
したところ0.02FであつてACF1gあたりに換算した容量は
2F/gであつた。 PAN系ACFを用いた場合に性能が大幅に低下する原因は
PAN系ACFは強度が低くかつ柔軟性に乏しいため、高分子
イオン伝導体の含浸あるいはセパレータへの圧着の工程
において繊維が切断されて電極の内部抵抗が大幅に増大
するためである。 実施例４ （粉末状活性炭を用いることを特徴とする全固体型電気
二重層キヤパシタ） 比表面積1500m2/g（BET法）のしろがし活性炭粉末を1
0重量％のテフロン結着剤を添加し加熱、圧縮を行うこ
とにより厚さ約1mmの活性炭シートを得、次いで集電材
として電導性カーボンペーパーを該活性炭シートに圧着
した。 この活性炭シートを用いた以外は実施例１とまつたく
同様にして全固体型電気二重層キヤパシタを得た。 このキヤパシタの容量を実例１と同様にして測定した
ところ0.03Fであつて活性炭1gあたりに換算した容量は2
F/gであつた。 活性炭繊維を用いて作製したキヤパシタと比較し活性
炭粉末を用いて作製した本実施例のキヤパシタの容量は
低かつた。この原因は活性炭粉末そのものの比表面積が
少ないことに基づく容量不足の他に活性炭粉末を用いた
シートは電気伝導度が低いために素子の内部抵抗が増加
するという欠点があり、このために定電流放電を行つた
場合の容量は大幅に低下した。 〔発明の効果〕 汎用のアルミ電解コンデンサは重量が70g程度のもの
でその容量は１×10-4Fである。これに対し、本発明の
キヤシタは活性炭1g当たりの容量が0.1F/g以上もあり、
実用上十分な容量である。更に、本発明のキヤパシタは
電解質が高分子イオン電導体よりなり実質的に固体であ
る。従つて液もれの心配が全くなく、構造の大幅な簡素
化、小型化、薄膜化が可能となる。 本発明のキヤパシタにおいて活性炭としてフェノール
系又はポリビニルアルコール系の活性炭繊維を用いたも
のは、そのシート状物高分子イオン伝導体を含浸させる
ことが容易であり、しかも、その含浸工程はもとより、
その含浸された複合体シートを電池として成形する各種
工程において、繊維の切断が生起しにくいという特長を
有する。従つて該活性炭繊維と高分子イオン伝導体より
なるキヤパシタは電極性能が極めて高く保持できるとい
う効果を奏する。
る。 （従来の技術） 近年、小型かつ軽量の電池の開発が要望されている。
そのひとつとして電解質を溶解した溶液に分極性電極と
して比表面積の大きな活性炭素成形品、特に活性炭素繊
維を用いる電気二重層キヤパシタが知られている（特開
55−99714号、同58−222520、同59−138327号等）。 活性炭素成形品、特に比表面積が700−3000m2/gのよ
うに大きな比表面積を有する活性炭素繊維は溶媒との界
面において電気二重層を形成し、この効果により多くの
電気エネルギーを蓄積することが可能である。電気二重
層の形成による電気エネルギーの蓄積は、一般の二次電
池（鉛電池、Ni−Cd電池、リチウム電池等）のように化
学反応を伴わないため、充放電に対する可逆性が極めて
良い。電気二重層キヤパシタは10000回以上の充放電が
行なえる。更に電気二重層キヤパシタの充放電は化学反
応を伴なわないため、使用可能な温度域が広いことも特
徴の一つである。一般の二次電池の使用温度範囲が−５
℃〜60℃であるのに対し電気二重層キヤパシタは−20℃
〜85℃という極めて広い温度範囲での使用が可能であ
る。 （発明が解決しようとする問題点） しかしこのように有用な電気二重層キヤパシタも素子
の基本的構造の一部分に液体を使用しているという欠点
があつた。電気二重層キヤパシタに使用されている液体
（電解液）としては水系のものでは硫酸水溶液等が用い
られている。非水系のものではプロピレンカーボネー
ト、γ−ブチロラクトン、DMF等の非水系の極性溶媒に
過塩素酸リチウム、ホウフツ化リチウム等の塩を溶解さ
せたものが用いられている。 電解液を用いたことにより電気二重層キヤパシタは以
下に記載する欠点を有していた。 電解液の漏洩を防止するために金属ケースおよび堅牢
なパツキングを用いる必要がある、このため素子の構造
は堅固なものではなくてはならない。従つて素子の小型
化および構造の簡素化には限界があり、極めて小型の電
気二重層キヤパシタを作製することは極めて困難であつ
た。更に素子の価格の一般のコンデンサー等と比較して
電気部品としては高価なものとなつていた。 （問題点を解決するための手段） 本発明者らは上述の従来技術に鑑みて鋭意検討した結
果、電解液として高分子イオン伝導体を用いることによ
り得られる電気二重層キヤパシタは電極、電解液ともに
実質的に固体よりになる全固体型であつて、かつキヤパ
シタ容量も実用上充分なものであることを認め本発明に
至つた。 すなわち本発明は電解液として高分子イオン伝導体を
用いたことを特徴とする全固体型電気二重層キヤパシタ
である。ここで、高分子イオン伝導体として、後述の通
り、シアノエチル化ポリビニルアルコールに電解質を溶
解させたものを用いる。 本発明において用いられる活性炭の原料は特には限定
されない。その原料は、天然有機高分子、合成有機高分
子またはピツチ等があげられる。天然有機高分子にはや
しがら、しろがし等が挙げられ、合成有機高分子にはポ
リビニルアルコール、フエノール樹脂、ポリアクリロニ
トリル等のような純合成高分子の他繊維誘導体のような
半合成高分子を包含する。本発明者らの研究によればポ
リビニルアルコール系繊維あるいはフェノール樹脂系繊
維を出発原料とする活性炭素繊維はイオンの吸脱着可能
のレベルが極めて高く、かつ電気伝導性も高いために本
発明の全固体型電気二重層キヤパシタに用いるのに好適
であつた。さらにフェノール系活性炭素繊維とポリビニ
ルアルコール系活性炭素繊維は比表面積が1500m2/g以上
という極めて高めた状態においても繊維強度が高くまた
柔軟性を失わないという特徴を有する。このため高分子
イオン伝導体を含浸させる場合とかシート形成工程、パ
ツキング工程等の各種成形工程において圧縮するなどの
機械的圧力を加えた場合に繊維の切断が発生せず電極性
能は低下しない。一方PAN（ポリアクリロニトリル）系
活性炭素繊維あるいはレーヨン系活性炭素繊維等のその
他の活性炭素繊維は比表面積を1500m2/g以上まで上げに
くい、と同時に繊維強度が低くまた柔軟性にも乏しいた
めに高分子イオン伝導体を含浸させたり圧縮する場合に
おいて極めて多くの繊維の切断が発生し、このため電極
性能が大幅に低下した。全固体型電気二重層キヤパシタ
に用いる活性炭素繊維は実際上フエノール系活性炭素繊
維かあるいはポリビニルアルコール系活性炭素繊維を用
いるのがよい。 本発明において用いられる活性炭は繊維状、粉体状等
その形状は任意であるが、繊維状であることが好まし
い。繊維状の活性炭は比表面積を大きくすることがで
き、またシートの電気伝導度を高くすることができる。
粉末状活性炭を用いる場合には各種のバインダー、例え
ばフツ素樹脂の水性分散液により結合させ、シート状、
フイルム状等の任意の形状であつてもよい、これらは公
知の任意の処理、例えば、アルミニウム、チタンなどの
ネツトや蒸着膜あるいは溶射電極を付けて用いても良
い。 本発明で用いられる高分子イオン伝導体とは高分子の
マトリツクス中でイオンが伝導して電導性を示す物質を
意味し、例えば誘電率の高い高分子と塩、酸又はアルカ
リ等の電解質源との複合体（ハイブリツド）やカチオン
性又はアニオン性等のイオン性高分子（高分子電解質）
が例示される。ここで電解質源とは高分子物質と相互作
用を起こし電界下でイオン解離する物質をいう。前者の
複合体型の高分子イオン伝導体はイオン伝導性が高いた
め、活性炭を両極とした本発明の電気二重層キヤパシタ
において極めて好適に用いられる。該複合体型のイオン
電導体は例えば〔Mol.Cryst.Liq.Cryst.,第106巻、361
頁（1984）〕に開示されている。 使用する高分子イオン伝導体は電気伝導度において10
-6（S/cm）以上好ましくは10-5（S/cm）以上特に好まし
くは10-4（S/cm）以上のものを用いるのが良い。電気伝
導度が低過ぎる場合には素子の内部抵抗が上がりすぎる
ため実用上使用できない。高分子イオン伝導体の電気伝
導度の高い程良好な性能のキヤパシタが得られる。 複合体型の高分子イオン伝導体に用いられる高分子と
しては誘電率が高く、また、ガラス転移点（Tg）が低い
ものを使用するのが良い。誘電率としては比誘電率（ε
ｒ）において８以上のものを用いるのがイオンの解離度
が上がるので良い。ガラス転移点（Tg）としては60℃以
下、より好ましくは20℃以下、特に好ましくは10℃以下
もののを用いるのがイオンの移動度が上がるので良い。 本発明では、誘電率が高くTgが低いことを考慮して、
シアノエチル化ポリビニルアルコール（PVA）を用い
る。シアノエチル化PVAを単独で用いても良く、PVA、ポ
リフオスフアゼン、ポリビニリデンフルオライド（PVD
F）、ポリエチレンオキサイド（PEO）、シアノエチル化
セルロース、シアノエチル化シユクロース等と混合して
用いても良い。これらの高分子材料のイオンの伝導性を
上げるために少量の有機溶媒を混合しても良い。ここで
用いられる有機溶媒は有機非水溶媒であり、非プロトン
性でかつ高誘電率のものが好ましい。具体例としてはプ
ロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチル
スルフオキシド、ジメチルフオルムアミド、アセドニト
リル、エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン等を
挙げることができる。これらの有機溶媒は一種または二
種以上の混合溶媒として用いても良い。高分子材料に添
加する有機溶媒の量はもとの高分子材料に対し60重量％
以下にするのが良い、溶媒の量が多過ぎる場合には溶媒
を高分子材料で保持できなくなることがある。 電界質源としては金属の陽イオン、４級アンモニウム
イオン、カルボニウムカチオン、およびピリジニウムカ
チオン等の陽イオンとClO4 -、BF4 -、SbCl6 -、AsF6 -、I3
-、HF2 -、CF3SO3 -等の陰イオンよりなる塩、酸又はアル
カリを挙げることができる。特に好ましい陰イオンとし
てはClO4 -あるいはBF4 -である。具体的な電解質源とし
てはLiClO4、Bu4N・ClO4、Ｋ・AsF6、Na・BF4、LiBF4等
の塩、リン酸等を挙げることができるがこれらに限定さ
れるものではない。 高分子材料と塩との複合体（ハイブリツド）において
混合される塩の量は高分子材料のモノマーユニツトあた
り１モル％以上70モル％以下の量を混合するのが良い。
好ましくは５モル％以上60モル％以下、特に好ましくは
10モル％以上50モル％以下の量を混合するのが良い。塩
の量が多すぎると塩の析出が発生し、少なすぎると電気
伝導度が低下する。 高分子材料あるいは電解質中に存在する酸素や水分が
キヤパシタの性能を低下させる場合があるため、高分子
材料あるいは電解質源等は常法に従いあらかじめ十分精
製しておくことが望ましい。 本発明において必要ならばポリエチレン、ポリプロピ
レン、テフロン等の合成樹脂製の多孔質膜や天然繊維を
両極の間の隔膜として使用しても良い。 本発明の電気二重層キヤバシタは素子の外側に高分子
材料等による保護層を付け外界からの酸素や水分の混入
を防止するのが良い。 本発明の電気二重層キヤパシタの作製法は、高分子イ
オン伝導体を含浸させた活性炭シートあるいは活性炭素
繊維シートをセパレータをはさんで両側から圧着させ
る、さらに両極の集電極により導線を出し素子の表面に
保護層を付けることにより素子を得ることができる。両
極がショートしないように高分子イオン伝導体の量を加
減すればセパレータは必ずしも用いる必要はない。 本発明の電気二重層キヤパシタは小型、軽量、薄膜化
が達成されているため小型の電気エネルギー貯蔵素子と
して太陽電池バツクアツプ、Ｃ−MOSバツクアツプ等に
極めて好適に用いられる。さらに従来の電気二重層キヤ
パシタと比較し構造が簡素化されているため安価に大量
生産が可能であり実用上極めて有用である。 〔実施例〕 以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。
なお、実施例において用いられた各材料（高分子材料、
電解質、溶媒）は断りのない限り常法により十分に精製
して用いた。 実施例１ （フエノール系活性炭素繊維を用いた全固体型電気二重
層キヤパシタ） フエノール系活性炭素繊維シート〔（株）クラレケミ
カル製；比表面積2200m2/g（BET法）〕にアルミ溶射電
極を取り付けたシートを用いて全固体型電気二重層キヤ
パシタを作製した。高分子材料にはシアノエチル化PVA
を用いた。シアノエチル化PVAはPVA〔（株）クラレ製；
重合度1800,ケン化;90％〕をシアノエチル化（シアノエ
チル化度;99％）することによつて得た。得られたシア
ノエチル化PVAのDSC（昇温速度10℃／分）より求めたTg
は６℃であつた。得られたシアノエチル化PVAは透明で
あつて室温（20℃）での比誘導率（εｒ）は22（1KHz）
であつた。 このシアノエチル化PVA50gに対してホウフツ化リチウ
ム（LiBF4）19.3g（シアノエチル化PVAのモノマーユニ
ツトあたり40モル％の電解質に相当）を添加し、さらに
エチレンカーボネート20gを添加した後すべてをアセト
ン溶媒に溶解させた。このアセトン溶液にアルミ溶射電
極を取り付けた活性炭素繊維シート（以下ACFシートと
略す）を浸した後真空脱泡を行い、ACFシートに完全に
溶液を含ませた。その後アセトンを揮発させることによ
りACFシートに高分子イオン電応体が含浸されたシート
（以下複合体シートという）を得た。得られた複合体シ
ートは40℃において24時間真空乾燥を行つた。この高分
子イオン伝導体単独の電気伝導度は９×10-5（S/cm）で
あつた。 このようにして得たACFシートと高分子イオン伝導体
の複合体シート２枚をポリプロピレンよりなる多孔性セ
パレータをはさんで上下方向より圧着した。このシート
を1cm×1cmの大きさに切り出した後に両極に導線を取り
付け素子を作製した。その後エポキシ樹脂を表面に塗布
することにより素子に厚さ1mmの保護層を付与した。こ
のようにして第１図に断面図を示した電気二重層キヤパ
シタを得た。 この電気二重キヤパシタの容量を3Vから2Vの範囲にお
いて測定した。3Vの電圧において１時間定電圧充電を行
つた後に2Vの電圧まで電流密度が２×10-3A/g（ACF1gに
対して）の条件で定電流放電を行つた。このキヤパシタ
の容量は0.08FであつてACF1gあたりに換算した容量は8F
/gであつた。 電解質としてLiBF4に換えてLiClO4を用いて同様にし
てキヤパシタを作製したところ、LiBF4とほとんど同じ
性能のキヤパシタを得ることができた。 実施例２ （PVA系ACFを用いた全固体型電気二重層キヤパシタ） 比表面積2200m2/g（BET法）のPVA系ACFシートの片面
にアルミ溶射電極を取り付けた。これを用いた以外は実
施例１とまつたく同様にして電気二重層キヤパシタを作
製した。 このキヤパシタの容量を実施例１とまつたく同様にし
て測定したところ0.1Fであつた。ACF1gあたりに換算し
た容量は10F/gであつて、フエノール系ACFを用いた場合
と比較し容量が増加していた。 比較例 〔高分子イオン伝導体としてポリエチレンオキサイド
（PEO）−LiBF4複合を用いたことを特徴とする全固体型
電気二重層キヤパシタ〕 分子量3000のポリエチレンオキサイド（PEO）にモノ
マーユニツトあたり10モル％のLiBF4を加え、さらに５
重量％のエチレンカーボネートを添加することにより電
気伝導度が２×10-6（S/cm）の高分子イオン伝導体（PE
O−LiBF4）を得た。 得られた高分子イオン伝導体2gをアセトンに溶解した
後、実施例１で用いたと同じフエノール系活性炭素繊維
シートにアルミ溶射電極を取り付けたシート（ACFシー
ト）に上記溶液を含浸させた。以下実施例１と全く同様
にして全固体型電気二重層キヤパシタを作製した。 このキヤパシタの容量を実施例１と同様な条件で測定
したところキヤパシタの容量は３×10-3FであつてACF1g
あたりに換算した容量は0.3F/gであつた。 高分子イオン伝導体として実施例１のシアノエチル化
PVA−LiBF4複合体を用いた場合と比較し容量が低かつ
た。 本比較例のキヤパシタの容量が実施例１のキヤパシタ
に比べて低い理由は用いたPEO−LiBF4複合体の電気伝導
度が低い〔10-6（S/cm）レベル〕ことに起因すると思わ
れる。 実施例３ （活性炭素繊維としてポリアクリロニトリル系活性炭素
繊維を用いたことを特徴とする全固体型電気二重層キヤ
パシタ） ポリアクリロニトリル系（PAN系）活性炭素繊維（BET
法による比表面積1000m2/g）シートを用いた以外は実施
例１とまつたく同様にして全固体型電気二重層キヤパシ
タを得た。 このキヤパシタの容量を実施例１と同様な条件で測定
したところ0.02FであつてACF1gあたりに換算した容量は
2F/gであつた。 PAN系ACFを用いた場合に性能が大幅に低下する原因は
PAN系ACFは強度が低くかつ柔軟性に乏しいため、高分子
イオン伝導体の含浸あるいはセパレータへの圧着の工程
において繊維が切断されて電極の内部抵抗が大幅に増大
するためである。 実施例４ （粉末状活性炭を用いることを特徴とする全固体型電気
二重層キヤパシタ） 比表面積1500m2/g（BET法）のしろがし活性炭粉末を1
0重量％のテフロン結着剤を添加し加熱、圧縮を行うこ
とにより厚さ約1mmの活性炭シートを得、次いで集電材
として電導性カーボンペーパーを該活性炭シートに圧着
した。 この活性炭シートを用いた以外は実施例１とまつたく
同様にして全固体型電気二重層キヤパシタを得た。 このキヤパシタの容量を実例１と同様にして測定した
ところ0.03Fであつて活性炭1gあたりに換算した容量は2
F/gであつた。 活性炭繊維を用いて作製したキヤパシタと比較し活性
炭粉末を用いて作製した本実施例のキヤパシタの容量は
低かつた。この原因は活性炭粉末そのものの比表面積が
少ないことに基づく容量不足の他に活性炭粉末を用いた
シートは電気伝導度が低いために素子の内部抵抗が増加
するという欠点があり、このために定電流放電を行つた
場合の容量は大幅に低下した。 〔発明の効果〕 汎用のアルミ電解コンデンサは重量が70g程度のもの
でその容量は１×10-4Fである。これに対し、本発明の
キヤシタは活性炭1g当たりの容量が0.1F/g以上もあり、
実用上十分な容量である。更に、本発明のキヤパシタは
電解質が高分子イオン電導体よりなり実質的に固体であ
る。従つて液もれの心配が全くなく、構造の大幅な簡素
化、小型化、薄膜化が可能となる。 本発明のキヤパシタにおいて活性炭としてフェノール
系又はポリビニルアルコール系の活性炭繊維を用いたも
のは、そのシート状物高分子イオン伝導体を含浸させる
ことが容易であり、しかも、その含浸工程はもとより、
その含浸された複合体シートを電池として成形する各種
工程において、繊維の切断が生起しにくいという特長を
有する。従つて該活性炭繊維と高分子イオン伝導体より
なるキヤパシタは電極性能が極めて高く保持できるとい
う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例に従がう電気二重層キヤパシタ
の断面図である。 1;活性炭素繊維シートに高分子イオン伝導体が含浸され
た複合体シート 2;アルミ溶射電極 3;ポリプロピレンセパレータ 4;高分子イオン伝導体 5;導線 6;保護層
の断面図である。 1;活性炭素繊維シートに高分子イオン伝導体が含浸され
た複合体シート 2;アルミ溶射電極 3;ポリプロピレンセパレータ 4;高分子イオン伝導体 5;導線 6;保護層
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．両極に活性炭を用いる電気二重層キャパシタにおい
てシアノエチル化ポリビニルアルコールに電解質を溶解
させた高分子イオン伝導体を用いることを特徴とする電
気二重層キャパシタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62272161A JP2667837B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | 電気二重層キヤパシタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62272161A JP2667837B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | 電気二重層キヤパシタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01112719A JPH01112719A (ja) | 1989-05-01 |
| JP2667837B2 true JP2667837B2 (ja) | 1997-10-27 |
Family
ID=17509936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62272161A Expired - Fee Related JP2667837B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | 電気二重層キヤパシタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2667837B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6177662B2 (ja) * | 2013-10-29 | 2017-08-09 | 京セラ株式会社 | 携帯端末 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62222618A (ja) * | 1979-01-25 | 1987-09-30 | 松下電器産業株式会社 | 電気二重層キヤパシタ− |
| JPS552196U (ja) * | 1979-07-04 | 1980-01-09 | ||
| JPS6097561A (ja) * | 1983-10-31 | 1985-05-31 | Hitachi Ltd | 固体電解質二次電池 |
| JP2516756B2 (ja) * | 1987-02-03 | 1996-07-24 | 太陽誘電株式会社 | 電気二重層コンデンサ |
-
1987
- 1987-10-27 JP JP62272161A patent/JP2667837B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH01112719A (ja) | 1989-05-01 |
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