JP4017299B2 - Electric double layer capacitor and electrode material therefor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層キャパシタに関するものであり、より詳しくは、バックアップ電源、車両用電源、補助電源等の各種電源に用いられる高出力キャパシタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタの電極単位面積当たりの静電容量は、その構成及び作動原理からして、固体としての分極性電極と、液体としての電解液の両方の物性、形状に大きく影響を受ける。電解液に関しては、様々な溶媒、電解質等が検討されており、ほぼ最適化されているといってよい。一方、固体側が静電容量に影響を与える物性、形状として、比表面積、電極に電荷を与えたり取り出したりする際の抵抗、即ち電荷の材料内部での移動に対する抵抗、電解質イオンの拡散、吸脱着等の移動に対する抵抗等が考えられる。比表面積を大きくすべく、キャパシタの分極性電極として、主に活性炭等の炭素質材料を主体とした多孔質電極が用いられているが、比表面積に関しては現在3000m2 /g程度が最大であり、これを用いた電気二重層キャパシタの単位体積あたりの容量もほぼ限界に達しているのが現状である。
【0003】
特に、微小電流下のみならず大電流下でも高容量とするためには、キャパシタの分極性電極の主たる材料として使用する炭素質材料の表面でのイオンの移動度が高いことが重要となる。すなわち、キャパシタの充電・ 放電過程においては、炭素質材料の細孔内における電解質イオンの通過移動速度によりその充電特性・放電特性が支配される。比表面積が大きくなると炭素質材料中のより微細な細孔の占める部分が増加し、この微細な細孔内においては、イオンのスムーズな移動が行われ難く、導電パスが少なくなるため、現象としてイオンの移動に対する抵抗が大きくなるという問題がある。
炭素質材料の比表面積や、内部接続抵抗等の物理特性を測定してキャパシタに最適な炭素質材料を選択することは有効ではあるが、大電流下でも高容量のキャパシタを得るためには電解質イオンが十分に早く移動できることが必要であり、イオンが十分に早く移動できれば電荷の蓄積(充電)、放出(放電)が十分早くできる。このような炭素質材料を選択するには、電極の主たる材料である炭素質材料の電解液中での挙動を把握することが必要であるが、そのような試みはされていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、活性炭等の炭素質材料の電解液中での電気化学的特性を総合的に判断する簡易な方法があれば、キャパシタに使用される分極性電極の主成分に最適な炭素質材料を選択することができ、高出力のキャパシタが得られることを知見し本発明に至った。
【0005】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の電気二重層キャパシタは、
正極、負極、及び電解液を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記正極及び/又は前記負極は、下記特性Aを有する炭素質材料を主成分とする分極性電極からなることを特徴とするものである。
特性Aとは、前記電解液中でクロノアンペロメトリー法により浸漬電位から浸漬電位に対して+50mVステップさせる測定において、ステップ開始時から100ms後に測定される電流値がステップ開始直後の最大電流値の10%以下であることをいう。
ここで、前記電解液が有機系溶媒に電解質を溶解した非水系電解液であるのが好ましい。
【0006】
本発明はまた、上記電気二重層キャパシタのための上記特性Aを有する炭素質材料からなる電極材料を提供する。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明者は、電解質イオンの炭素質材料細孔内での移動しやすさを検討するには、電解液中での炭素質材料単独の電気化学的挙動を測定することが重要であり、このような測定により、キャパシタにおいてもイオンの移動度の高い炭素質材料を選択でき、この材料を用いて分極性電極を作製すれば高出力のキャパシタが得られることを知見し本発明に至った。
【0008】
特開平11−011921号公報には、活性炭粉末とフェノール、ポリビニルブチラール等の炭化性樹脂とを混合して造粒体を調製し成形後炭化熱処理して固形状活性炭を得てこれをシート状にして静電容量を測定する試みが開示されている。しかし、この方法では、固形状、または、シート状にする工程で、各工程条件のばらつきや、雰囲気条件等を一定にすることが困難なので、外乱を受けやすく、十分に活性炭の特徴が測定できず、シート化する際の不具合を内包した形でしか評価ができなかった。さらに、実際の電気二重層キャパシタを組立てて試験をするためには、特に非水系電解液を使用する場合はキャパシタセル中の水分を徹底的に除去することが必要で、1個のセルを作製するのに何日もかかる。
【0009】
これに対し、本発明の方法は、非常に簡易な測定で、高い精度で炭素質材料の電気化学的挙動を測定でき、しかもその炭素質材料を用いてキャパシタを組上げた際の電気特性との相関関係が高い。本発明の測定条件を用いれば、任意に選択した炭素質材料一粒をマイクロエレクトロード(微小電極)としてその特性を測定することができ、しかも実際のキャパシタに用いる同一電解液に対して測定することができるためであると考えられる。また、分極性電極に用いられる他の材料の影響を受けない炭素質材料単独の電気化学的特性を評価できる利点もある。
【0010】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の電気二重層キャパシタは、正極、負極、及び非水系電解液を有する構成であるが、この正極及び負極の少なくとも一方が、高レスポンス性である炭素質材料を主成分とする分極性電極であることを特徴としている。
【0011】
本発明の電気二重層キャパシタを構成する正極及び負極の少なくとも一方の電極の主成分をなす炭素質材料としては、比表面積が大きい材料を挙げることができ、活性炭、ポリアセン、カーボンブラック等からなりかつ比表面積が200m2 /g〜3500m2 /gである粉末を好ましく挙げることができる。また、カーボンファイバ、カーボンウィスカ、グラファイト等の繊維又は粉末も比表面積が200m2 /g〜3500m2 /gであれば好ましく使用することができる。
【0012】
活性炭は、石油等の鉱物系、やしがら系、フェノール系、レーヨン系、アクリル系、ピッチ系等のそれぞれ単独及び、同一系、あるいは異なる系の複合材料を炭化、賦活することで得ることができる。賦活方法としては、水蒸気賦活による方法、例えばアルカリ賦活のような薬品賦活による方法、酸化性雰囲気中で活性炭源を部分的に酸化させる酸化性雰囲気賦活による方法、及びそれらの単独、あるいは複数の手法の複数回賦活により得ることができる。
活性炭の粒径は、電極の薄膜化が容易になり、キャパシタの容量密度も高くなりやすいため、0.1μm〜100μmであることが好ましく、更に好ましくは1μm〜20μmである。
【0013】
本発明で使用される炭素質材料は、高レスポンス性であり、その炭素質材料単独で、特性Aを有する。
本発明で使用される炭素質材料は、クロノアンペロメトリー法により浸漬電位から浸漬電位に対して+50mVステップさせる測定において、ステップ開始時から100ms後に測定される電流値がステップ開始直後の最大電流値の10%以下であり(特性A)、5%以下であることが好ましい。10%以下であると、大電流による急速充放電においても高容量の電気二重層キャパシタが得られる。
【0014】
本発明において、炭素質材料の特性を確認するためのクロノアンペロメトリー(ポテンシャルステップ)法の測定条件及び測定方法は以下の通りである。
使用機器:北斗電工社製、HA−150
作用電極:炭素質材料
対極:Pt板
参照電極:Ag/Ag+ 電極
電解液組成:実際のキャパシタに用いるものと同じもの
印加電圧:浸漬電位から、浸漬電位に対して+50mVステップさせて、電流値を連続して測定し、その間の最大電流と、ステップ開始時から100ms後に流れている電流値を測定する。
【0015】
ここで、浸漬電位とは電流を流すことなく電解液に炭素質材料を浸漬させたときの電位であり、 本発明においてはこの電位を基準に電気化学的測定を行なっている。
通常炭素質材料を電解液中でクロノアンペロメトリー法で測定すると、測定される電流値は、静電容量と抵抗成分からなる時定数により決められる減少曲線を示す。ここで抵抗成分は、電気的な電子の抵抗分のみならず、イオンの拡散、吸脱着抵抗も含めた全抵抗で測定されるため、本発明において測定される電流値による曲線は単純減少曲線に限定されない。
【0016】
なお、本発明においては電位の変化を浸漬電位から、浸漬電位に対して+50mVにステップ状に変化させた場合で検討を行なっている。ステップ電位が高過ぎると、電解液、電解質、炭素質材料の内部や外部の反応性物質による不本意な反応電流が測定に関与する可能性が高くなり、反対にステップ電位が低過ぎると、電気化学的測定ノイズの影響が増加するためステップ電位として50mVを選択している。異なるステップ電位で測定すれば、100ms後に流れる電流値の、最大電流に対する割合が変化する事は容易に予想される。
同様に、本発明では、電位を変化させてから100ms後に流れている電流値の、最大電流に対する割合を検討しているが、この測定時間を変える事によって、その値自体が変化する事は容易に予測される。
【0017】
本発明において、炭素質材料に対する、電解質のプラスイオン、及びマイナスイオンの拡散速度、吸脱着速度の影響により、電気二重層キャパシタを構成する正極及び負極のうち少なくともどちらか一方が、上述した特性Aを満たす炭素質材料を主成分とする分極性電極からなればよく、残りのもう一方の電極は特性Aを満たさない材料からなる分極性電極であってもよく、また分極性電極でなくてもよい。例えば負極はリチウムイオン二次電池の負極に使用されるリチウムイオンを吸蔵、脱離できる炭素質材料であってもよい。
【0018】
本発明において、キャパシタの正極及び負極のうち少なくとも一方は、分極性電極であり、上述した特性Aを有する炭素質材料を主成分とし、特に限定されないが、結合材、さらに好ましくは導電材を加えて構成される。この分極性電極は、例えば、炭素質材料の粉末とポリテトラフルオロエチレン等の結合材と好ましくは導電材とをアルコール等の溶媒の存在下で混練してシート状に成形し、乾燥した後、導電性接着剤等を介して集電体と接合して得られる。また、炭素質材料の粉末と結合材及び好ましくは導電材とを溶媒と混合してスラリーとし、集電体金属箔の上にコートし、乾燥して集電体と一体化された電極を得ることもできる。
【0019】
結合材としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン/ビニルエーテル共重合体架橋ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール(PVB)等のポリビニルアルコール、又はポリアクリル酸、フェノール、コールタール等が使用できる。電極中の結合材の含有量は炭素質材料と結合材の合量中0.5重量%〜20重量%程度とするのが好ましい。結合材の量が0.5重量%未満であると電極の強度が不足し、20重量%を超えると電気抵抗の増大や容量の低下が起き好ましくない。電極の強度と容量バランスから、結合材の配合量は0.5重量%〜10重量%とするのがより好ましい。なお、架橋ポリマーの架橋剤としては、アミン類、ポリアミン類、ポリイソシアネート類、ビスフェノール類又はパーオキサイド類が好ましい。
【0020】
導電材としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、酸化チタン、酸化ルテニウム等の粉末が用いられる。これらのうち、少量でも導電性を向上させる効果が大きいことから、カーボンブラックの1種であるケッチェンブラック又はアセチレンブラックを使用するのが好ましい。また、カーボンブラックの粒径は、0.001μm〜1μmであることが好ましく、更に好ましくは、0.01μm〜0.5μmである。また、その比表面積は、200m2 /g〜1500m2 /gであることが好ましく、更に好ましくは500m2 /g〜1300m2 /gである。電極中のカーボンブラック等の導電材の配合量は、導電性を向上させられるように、炭素質材料との合量中5重量%以上、特には10重量%以上配合するのが好ましい。導電材の配合量が多すぎると、炭素質材料の配合割合が減って電極の静電容量が減るため電極中の導電材の配合量は40重量%以下、特には30重量%以下とするのが好ましい。
【0021】
スラリーを形成する溶媒としては、上記結合材を溶解できるものが好ましく、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、トルエン、キシレン、イソホロン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸メチル、エチルアセテート、ジメチルフタレート、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、水等が適宜選択される。
【0022】
電極の集電体としては、電気化学的、化学的に耐食性のある導電体であればよい。炭素質材料を主成分とする電極の集電体としては、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、タンタル、ニッケル等が用いられる。なかでも、ステンレス鋼とアルミニウムが性能と価格の両面で好ましい集電体である。
集電体の形状は箔でもよいし、三次元構造を有するニッケルやアルミニウムの発泡金属やステンレス鋼のネットやウールでもよい。
【0023】
本発明の電気二重層キャパシタの電解液としては、水系電解液、または非水系電解液を使用することができ、耐電圧が高いという観点から、有機系溶媒に電解質を溶解した非水系電解液を使用することが好ましい。
【0024】
有機系溶媒としては、電気化学的に安定なエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、スルホラン誘導体、3−メチルスルホラン、1,2−ジメトキシエタン、アセトニトリル、グルタロニトリル、バレロニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、メチルフォルメイト、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選ばれる1種以上からなる溶媒が好ましい。これらは混合して使用することも可能である。
【0025】
非水系電解液の電解質としては、R1 2 3 4 + 若しくはR1 2 3 4 + (R1 、R2 、R3 、R4 はそれぞれ独立に炭素数1〜6のアルキル基を示す。)で表される第4級オニウムカチオンと、BF4 - 、PF4 - 、ClO4 - 、CF3 SO3 - 又は(SO2 5 )(SO2 6 )N- (R5 、R6 はそれぞれ独立に炭素数1〜4のアルキル基又はアルキレン基を示し、R5 とR6 が環を形成していてもよい。)から選ばれるアニオンとからなる塩が好ましい。
具体的には、例えば、(C2 5 4 NBF4 、(C2 5 3 (CH3 )NBF4 、(C2 5 4 PBF4 及び(C2 5 3 (CH3 )PBF4 等が好ましいものとして挙げられる。電解液中のこれらの塩の濃度は0.1mol/l〜2.5mol/l、さらには0.5mol/l〜2mol/l程度とするのが好ましい。(C2 5 4 NBF4 、(C2 5 3 (CH3 )NBF4 のプロピレンカーボネート溶液を電解質とすると、電気二重層キャパシタの静電容量を大きくでき、充放電サイクル耐久性に優れているため特に好ましい。
【0026】
本発明の電気二重層キャパシタは、ケース内に、少なくとも一方の電極が上述した分極性電極であるシート状電極一対と、この一対の電極間に介在するセパレータと、電極に接続するリードと、シート状電極及びセパレータに含浸される電解液とを少なくとも収容するものであればどのような構成をとってもよい。例えば、電極一対の間にセパレータを挟んだ素子を、電解液と共に金属ケースと金属蓋と両者を絶縁するガスケットによって金属ケース中に密封したコイン型、一対の正極と負極をセパレータを介して巻回してなる巻回型、セパレータを介して多数のシート状電極を積み重ねた積層型等いずれの構成もとることができる。
【0027】
本発明において正極と負極との間に挿入されるセパレータとしては、例えばポリプロピレン繊維不織布、ガラス繊維不織布、合成セルロース紙等が好適に使用できる。
【0028】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
炭素質材料としては活性炭を使用し、石油等の鉱物系、やしがら等の天然物系、及び、フェノール樹脂等の合成物系を、既存の賦活方法、例えば、水蒸気賦活、アルカリ賦活及びそれらの複数回賦活することにより得られる各種活性炭より選んで用いた。
活性炭単独の電気化学的物性測定は、活性炭一粒に対して1mol/l濃度の(C2 5 4 NBF4 を含有するプロピレンカーボネート溶液を電解液とし、測定機器として、北斗電工社製のHA−150を用い、Pt板を対極、Ag/Ag+ 電極を参照電極として用いて、クロノアンペロメトリー法により、浸漬電位から浸漬電位に対して+50mVステップさせた場合の電流波形を測定し、ステップ開始時から100ms後に流れている電流の値がステップ開始直後における最大電流値の何%であるかを算出して、その結果を電流値比として表1に示した。
【0029】
次に各活性炭を用い、下記の方法で実際の電気二重層キャパシタを作製した。電気二重層キャパシタは、上記で選定した特性を有する活性炭の粉末を80重量%、カーボンブラックの一種であるケッチェンブラックECを10重量%、及びポリテトラフルオロエチレンを10重量%含有する混合物を、エタノールを添加しつつ混練し、ロール圧延した後、200℃で2時間乾燥して、幅10cm、長さ10cm、厚さ0.65mmの電極シートを得た。このシートから直径12mmの2枚の円盤状電極を打ち抜き、黒鉛系の導電性接着剤でそれぞれステンレス316製ケース及び上蓋に接着した。この上蓋とケースを300℃で4時間真空乾燥した後、乾燥アルゴン雰囲気中で1mol/lの濃度の(C2 5 4 NBF4 を含有するプロピレンカーボネート溶液を電極に含浸させた。次いで、ポリプロピレン製不織布セパレータを介して両極を対向させ、ポリプロピレン製絶縁ガスケットを用いてかしめ封口した。なお、このコイン型電気二重層キャパシタは直径18.3mm、厚さ2.0mmであった。
【0030】
静電容量は、上記コイン型電気二重層キャパシタを0.1A及び0.5Aの定電流でそれぞれ放電した場合の電位の傾きよりそれぞれ算出し、その結果を表2に示した。更に、0.5Aで放電した場合の静電容量を、0.1Aで放電した場合の静電容量で割った静電容量比を求めて、併せて表2に示した。
【0031】
【表1】

Figure 0004017299
【0032】
【表2】
Figure 0004017299
【0033】
表2より、本発明によれば比較例に比べ、小電流時の静電容量に対する大電流時の静電容量低下が小さく、高出力電気二重層キャパシタが得られる。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、電気二重層キャパシタを組み立てずに電極材料用の炭素質材料を電気化学的に評価できる。そして、大電流の条件下において容量が大きいため、高出力電気二重層キャパシタを提供できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric double layer capacitor, and more particularly to a high output capacitor used for various power sources such as a backup power source, a vehicle power source, and an auxiliary power source.
[0002]
[Prior art]
The capacitance per unit electrode area of the electric double layer capacitor is greatly influenced by the physical properties and shape of both the polarizable electrode as a solid and the electrolyte as a liquid, from the configuration and operating principle. With regard to the electrolytic solution, various solvents, electrolytes, and the like have been studied and it can be said that the electrolyte is almost optimized. On the other hand, physical properties and shapes that affect the capacitance on the solid side, specific surface area, resistance when applying and removing charges to the electrode, that is, resistance to movement of charge inside the material, diffusion of electrolyte ions, adsorption and desorption For example, resistance to movement of the In order to increase the specific surface area, a porous electrode mainly composed of a carbonaceous material such as activated carbon is mainly used as the polarizable electrode of the capacitor, but the specific surface area is currently about 3000 m 2 / g. The current situation is that the capacity per unit volume of the electric double layer capacitor using this has almost reached its limit.
[0003]
In particular, in order to obtain a high capacity not only under a minute current but also under a large current, it is important that the ion mobility on the surface of the carbonaceous material used as the main material of the polarizable electrode of the capacitor is high. That is, in the charging / discharging process of the capacitor, the charging characteristics / discharging characteristics are governed by the passing speed of the electrolyte ions in the pores of the carbonaceous material. As the specific surface area increases, the portion occupied by finer pores in the carbonaceous material increases, and in this fine pore, it is difficult for ions to move smoothly and the conductive path is reduced. There is a problem in that resistance to ion movement increases.
It is effective to select the most suitable carbonaceous material for the capacitor by measuring the specific surface area of the carbonaceous material and the physical characteristics such as internal connection resistance, but in order to obtain a capacitor with a high capacity even under a large current, the electrolyte It is necessary that ions can move sufficiently quickly. If ions can move sufficiently quickly, charge accumulation (charging) and discharging (discharging) can be performed sufficiently quickly. In order to select such a carbonaceous material, it is necessary to grasp the behavior of the carbonaceous material, which is the main material of the electrode, in the electrolytic solution, but no such attempt has been made.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
If there is a simple method for comprehensively judging the electrochemical characteristics of a carbonaceous material such as activated carbon in an electrolytic solution, the present inventors have found that the most suitable carbon for the main component of the polarizable electrode used in the capacitor. The inventors have found that a high-quality capacitor can be obtained by selecting a quality material, and have reached the present invention.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
That is, the electric double layer capacitor of the present invention is
In the electric double layer capacitor having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, the positive electrode and / or the negative electrode is composed of a polarizable electrode whose main component is a carbonaceous material having the following characteristic A. .
Characteristic A means that the current value measured 100 ms after the start of the step is the maximum current value immediately after the start of the step in the measurement in which the immersion potential is stepped by +50 mV from the immersion potential in the electrolyte solution by the chronoamperometry method. It means 10% or less.
Here, the electrolytic solution is preferably a non-aqueous electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent.
[0006]
The present invention also provides an electrode material made of a carbonaceous material having the characteristic A for the electric double layer capacitor.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to examine the ease of movement of electrolyte ions in the pores of the carbonaceous material, it is important for the inventor to measure the electrochemical behavior of the carbonaceous material alone in the electrolyte. Through such measurement, it was found that a carbonaceous material having high ion mobility can be selected for the capacitor, and that a polarizable electrode can be produced using this material, and a high output capacitor can be obtained.
[0008]
In JP-A-11-011921, the activated carbon powder and a carbonized resin such as phenol and polyvinyl butyral are mixed to prepare a granulated body, and after molding, carbonized heat treatment is performed to obtain solid activated carbon, which is formed into a sheet. Attempts to measure capacitance have been disclosed. However, in this method, it is difficult to make the process condition variation and the atmospheric condition constant in the solid or sheet process, so it is easy to be disturbed and the characteristics of activated carbon can be measured sufficiently. In addition, the evaluation was possible only in the form of incorporating the troubles in making the sheet. Furthermore, in order to assemble and test an actual electric double layer capacitor, it is necessary to thoroughly remove the moisture in the capacitor cell, particularly when a non-aqueous electrolyte solution is used. It takes days to do.
[0009]
On the other hand, the method of the present invention can measure the electrochemical behavior of a carbonaceous material with high accuracy by a very simple measurement, and the electrical characteristics when a capacitor is assembled using the carbonaceous material. Correlation is high. Using the measurement conditions of the present invention, it is possible to measure the characteristics of an arbitrarily selected carbonaceous material as microelectrodes (microelectrodes), and to measure the same electrolyte used in an actual capacitor. It is thought that it is because it is possible. In addition, there is an advantage that the electrochemical characteristics of the carbonaceous material alone that is not affected by other materials used for the polarizable electrode can be evaluated.
[0010]
The present invention is described in detail below.
The electric double layer capacitor of the present invention has a configuration including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution. At least one of the positive electrode and the negative electrode is a polarizable electrode mainly composed of a carbonaceous material having high response. It is characterized by being.
[0011]
Examples of the carbonaceous material constituting the main component of at least one of the positive electrode and the negative electrode constituting the electric double layer capacitor of the present invention include materials having a large specific surface area, and are composed of activated carbon, polyacene, carbon black, and the like. the specific surface area can be preferably exemplified a powder which is 200m 2 / g~3500m 2 / g. Further, it is possible to carbon fibers, carbon whiskers, fibers or powders also a specific surface area such as graphite is preferably used as long as 200m 2 / g~3500m 2 / g.
[0012]
Activated carbon can be obtained by carbonizing and activating mineral materials such as petroleum, palms, phenols, rayons, acrylics, pitches, etc., and the same or different composite materials. it can. As the activation method, a method by steam activation, for example, a method by chemical activation such as alkali activation, a method by oxidizing atmosphere activation in which an activated carbon source is partially oxidized in an oxidizing atmosphere, and a single method or a plurality of methods thereof Can be obtained by multiple activation.
The particle diameter of the activated carbon is preferably 0.1 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 20 μm, because the electrode can be easily thinned and the capacitance density of the capacitor is likely to be high.
[0013]
The carbonaceous material used in the present invention is highly responsive and has the characteristic A by itself.
In the carbonaceous material used in the present invention, the current value measured after 100 ms from the start of the step is the maximum current value immediately after the start of the step in the measurement of the immersion potential from the immersion potential to +50 mV step by chronoamperometry. (Characteristic A) and preferably 5% or less. When it is 10% or less, a high-capacity electric double layer capacitor can be obtained even in rapid charge / discharge with a large current.
[0014]
In the present invention, the measurement conditions and measurement method of the chronoamperometry (potential step) method for confirming the characteristics of the carbonaceous material are as follows.
Equipment used: HA-150, manufactured by Hokuto Denko
Working electrode: Carbonaceous material Counter electrode: Pt plate Reference electrode: Ag / Ag + electrode Electrolyte composition: Same as that used for the actual capacitor Applied voltage: Current value by stepping +50 mV from immersion potential to immersion potential Are measured continuously, and the maximum current during that time and the current value flowing 100 ms after the start of the step are measured.
[0015]
Here, the immersion potential is a potential when the carbonaceous material is immersed in the electrolyte without passing an electric current. In the present invention, electrochemical measurement is performed based on this potential.
Normally, when a carbonaceous material is measured in an electrolytic solution by a chronoamperometry method, the measured current value shows a decreasing curve determined by a time constant composed of a capacitance and a resistance component. Here, the resistance component is measured not only by the electrical electron resistance but also by the total resistance including ion diffusion and absorption / desorption resistance, so the curve according to the current value measured in the present invention is a simple decrease curve. It is not limited.
[0016]
In the present invention, the case where the change in potential is changed from the immersion potential to +50 mV stepwise with respect to the immersion potential is considered. If the step potential is too high, unintentional reaction currents due to reactive substances inside or outside the electrolyte, electrolyte, or carbonaceous material are likely to be involved in the measurement, and conversely if the step potential is too low, Since the influence of chemical measurement noise increases, 50 mV is selected as the step potential. If measured at different step potentials, it is easily expected that the ratio of the current value flowing after 100 ms to the maximum current will change.
Similarly, in the present invention, the ratio of the current value flowing 100 ms after changing the potential to the maximum current is examined, but it is easy to change the value itself by changing this measurement time. To be predicted.
[0017]
In the present invention, due to the influence of the diffusion rate and adsorption / desorption rate of the positive ions and negative ions of the electrolyte with respect to the carbonaceous material, at least one of the positive electrode and the negative electrode constituting the electric double layer capacitor has the characteristic A described above. The other electrode may be a polarizable electrode made of a material not satisfying the characteristic A, or may not be a polarizable electrode. Good. For example, the negative electrode may be a carbonaceous material capable of inserting and extracting lithium ions used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery.
[0018]
In the present invention, at least one of the positive electrode and the negative electrode of the capacitor is a polarizable electrode, and is mainly composed of the carbonaceous material having the characteristic A described above, and is not particularly limited, but a binder, more preferably a conductive material is added. Configured. This polarizable electrode is, for example, kneaded in the presence of a solvent such as alcohol, a carbonaceous material powder and a binder such as polytetrafluoroethylene, and preferably a conductive material, in the form of a sheet, dried, It is obtained by bonding to a current collector through a conductive adhesive or the like. Also, a carbonaceous material powder and a binder and preferably a conductive material are mixed with a solvent to form a slurry, which is coated on a current collector metal foil and dried to obtain an electrode integrated with the current collector. You can also
[0019]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, fluoroolefin / vinyl ether copolymer crosslinked polymer, polyvinyl alcohol such as carboxymethyl cellulose, polyvinyl pyrrolidone, and polyvinyl butyral (PVB), or polyacrylic acid, phenol, and coal tar. Etc. can be used. The content of the binder in the electrode is preferably about 0.5 wt% to 20 wt% in the total amount of the carbonaceous material and the binder. If the amount of the binder is less than 0.5% by weight, the strength of the electrode is insufficient, and if it exceeds 20% by weight, the electrical resistance increases and the capacity decreases, which is not preferable. From the strength and capacity balance of the electrode, the blending amount of the binder is more preferably 0.5 wt% to 10 wt%. In addition, as a crosslinking agent of a crosslinked polymer, amines, polyamines, polyisocyanates, bisphenols or peroxides are preferable.
[0020]
As the conductive material, powder of carbon black, natural graphite, artificial graphite, titanium oxide, ruthenium oxide or the like is used. Of these, ketjen black or acetylene black, which is a kind of carbon black, is preferably used since the effect of improving conductivity is large even in a small amount. Moreover, it is preferable that the particle size of carbon black is 0.001 micrometer-1 micrometer, More preferably, it is 0.01 micrometer-0.5 micrometer. The specific surface area thereof is preferably from 200m 2 / g~1500m 2 / g, it is more preferably 500m 2 / g~1300m 2 / g. The blending amount of the conductive material such as carbon black in the electrode is preferably 5% by weight or more, particularly 10% by weight or more in the total amount with the carbonaceous material so as to improve the conductivity. If the blending amount of the conductive material is too large, the blending ratio of the carbonaceous material decreases and the capacitance of the electrode decreases. Therefore, the blending amount of the conductive material in the electrode is 40% by weight or less, particularly 30% by weight or less. Is preferred.
[0021]
As the solvent for forming the slurry, those capable of dissolving the above binder are preferable, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, toluene, xylene, isophorone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, methyl acetate, ethyl acetate, dimethyl phthalate, methanol, ethanol, Isopropanol, butanol, water and the like are appropriately selected.
[0022]
The current collector of the electrode may be an electrochemically and chemically corrosion-resistant conductor. Stainless steel, aluminum, titanium, tantalum, nickel, etc. are used as the current collector of the electrode mainly composed of a carbonaceous material. Of these, stainless steel and aluminum are preferred current collectors in terms of both performance and cost.
The shape of the current collector may be a foil, a nickel or aluminum foam metal having a three-dimensional structure, a stainless steel net, or wool.
[0023]
As an electrolytic solution of the electric double layer capacitor of the present invention, an aqueous electrolytic solution or a non-aqueous electrolytic solution can be used. From the viewpoint of having a high withstand voltage, a non-aqueous electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent is used. It is preferable to use it.
[0024]
Examples of organic solvents include electrochemically stable ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, sulfolane derivatives, 3-methylsulfolane, 1,2-dimethoxyethane, acetonitrile, glutaronitrile, valeronitrile. , Dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, methyl formate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate are preferred. These can also be used as a mixture.
[0025]
As the electrolyte of the non-aqueous electrolyte solution, R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (R 1 , R 2 , R 3 , R 4 each independently has 1 to And a quaternary onium cation represented by BF 4 , PF 4 , ClO 4 , CF 3 SO 3 or (SO 2 R 5 ) (SO 2 R 6 ) N - (R 5, R 6 represents an alkyl group or an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms each independently, R 5 and R 6 may form a ring.) the salts consisting of an anion selected from preferable.
Specifically, for example, (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 , (C 2 H 5 ) 3 (CH 3 ) NBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 PBF 4 and (C 2 H 5 ) 3 (CH 3 ) PBF 4 and the like are preferable. The concentration of these salts in the electrolytic solution is preferably about 0.1 mol / l to 2.5 mol / l, more preferably about 0.5 mol / l to 2 mol / l. When the propylene carbonate solution of (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 and (C 2 H 5 ) 3 (CH 3 ) NBF 4 is used as an electrolyte, the capacitance of the electric double layer capacitor can be increased and the charge / discharge cycle durability can be improved. It is particularly preferable because it is excellent.
[0026]
The electric double layer capacitor of the present invention includes a pair of sheet-like electrodes in which at least one electrode is the polarizable electrode described above in a case, a separator interposed between the pair of electrodes, a lead connected to the electrode, and a sheet Any configuration may be used as long as it contains at least the electrode electrode and the electrolyte impregnated in the separator. For example, an element in which a separator is sandwiched between a pair of electrodes is wound with a coin type sealed in a metal case with a gasket that insulates the metal case and the metal lid together with the electrolyte, and a pair of positive and negative electrodes are wound through the separator. Any configuration such as a winding type or a laminated type in which a large number of sheet-like electrodes are stacked via a separator can be employed.
[0027]
As the separator inserted between the positive electrode and the negative electrode in the present invention, for example, a polypropylene fiber nonwoven fabric, a glass fiber nonwoven fabric, a synthetic cellulose paper and the like can be suitably used.
[0028]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited to these.
Activated carbon is used as the carbonaceous material, and minerals such as petroleum, natural products such as palms, and synthetics such as phenolic resins can be used for existing activation methods such as steam activation, alkali activation and the like. These were selected from various activated carbons obtained by multiple activations.
The measurement of the electrochemical properties of the activated carbon alone is made by using a propylene carbonate solution containing (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 having a concentration of 1 mol / l with respect to one activated carbon as an electrolyte, and as a measuring instrument, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. Using HA-150, using a Pt plate as a counter electrode and an Ag / Ag + electrode as a reference electrode, the current waveform in the case of +50 mV step from immersion potential to immersion potential is measured by chronoamperometry, The value of the current flowing 100 ms after the start of the step is calculated as a percentage of the maximum current value immediately after the start of the step, and the result is shown in Table 1 as a current value ratio.
[0029]
Next, using each activated carbon, an actual electric double layer capacitor was produced by the following method. The electric double layer capacitor is a mixture containing 80% by weight of activated carbon powder having the characteristics selected above, 10% by weight of Ketjen Black EC, which is a kind of carbon black, and 10% by weight of polytetrafluoroethylene. The mixture was kneaded while adding ethanol, rolled and then dried at 200 ° C. for 2 hours to obtain an electrode sheet having a width of 10 cm, a length of 10 cm, and a thickness of 0.65 mm. Two disc-shaped electrodes having a diameter of 12 mm were punched from this sheet, and adhered to a stainless steel 316 case and an upper lid, respectively, with a graphite-based conductive adhesive. The upper lid and the case were vacuum-dried at 300 ° C. for 4 hours, and then the electrode was impregnated with a propylene carbonate solution containing (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 having a concentration of 1 mol / l in a dry argon atmosphere. Next, both electrodes were opposed to each other through a polypropylene nonwoven fabric separator, and caulked and sealed using a polypropylene insulating gasket. The coin-type electric double layer capacitor had a diameter of 18.3 mm and a thickness of 2.0 mm.
[0030]
The capacitance was calculated from the potential gradient when the coin-type electric double layer capacitor was discharged at a constant current of 0.1 A and 0.5 A, respectively, and the results are shown in Table 2. Furthermore, the capacitance ratio obtained by dividing the capacitance when discharged at 0.5 A by the capacitance when discharged at 0.1 A was obtained and is shown in Table 2 together.
[0031]
[Table 1]
Figure 0004017299
[0032]
[Table 2]
Figure 0004017299
[0033]
From Table 2, according to the present invention, compared with the comparative example, the capacitance drop at the time of the large current with respect to the capacitance at the time of the small current is small, and the high output electric double layer capacitor is obtained.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, a carbonaceous material for electrode material can be electrochemically evaluated without assembling an electric double layer capacitor. And since a capacity | capacitance is large under the conditions of a large current, a high output electric double layer capacitor can be provided.

Claims (3)

正極、負極、及び電解液を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記正極及び/又は前記負極は、下記特性Aを有する炭素質材料を主成分とする分極性電極からなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
特性A:前記電解液中でクロノアンペロメトリー法により浸漬電位から浸漬電位に対して+50mVステップさせる測定において、ステップ開始時から100ms後に測定される電流値がステップ開始直後の最大電流値の10%以下である。
An electric double layer capacitor having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, wherein the positive electrode and / or the negative electrode is composed of a polarizable electrode whose main component is a carbonaceous material having the following characteristic A Capacitor.
Characteristic A: In the measurement in which the immersion potential is stepped by +50 mV from the immersion potential to the immersion potential by the chronoamperometry method in the electrolyte, the current value measured 100 ms after the start of the step is 10% of the maximum current value immediately after the start of the step. It is as follows.
前記電解液が有機系溶媒に電解質を溶解した非水系電解液であることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層キャパシタ。The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent. 正極、負極、及び電解液を有する電気二重層キャパシタの少なくとも一方の電極の主成分として使用される電気二重層キャパシタ用電極材料において、請求項1における特性Aを有する炭素質材料からなることを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料。An electrode material for an electric double layer capacitor used as a main component of at least one electrode of an electric double layer capacitor having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, comprising a carbonaceous material having the characteristic A in claim 1. An electrode material for an electric double layer capacitor.
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