JP4406667B2 - アルミニウムと炭素の複合電極を有する高性能二重層キャパシタ - Google Patents
アルミニウムと炭素の複合電極を有する高性能二重層キャパシタ Download PDFInfo
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Description
上述のように、アルミニウム/炭素の複合電極は、好ましくは溶融されたアルミニウムで含浸された、多孔性の炭素繊維布のプレフォーム或いは炭素繊維紙のプレフォームから作られる。このプレフォームは含浸された溶融アルミニウム及び電解質溶液を受けるために、炭素繊維のフェルトのような適切な、活性炭素繊維材料、或いは充分多孔性を有する他の活性炭素繊維基板から製造され得る。含浸されたアルミニウムは、それが電極内で低抵抗電流路を与えるように、プレフォームにくまなく一様に分布され、連続している。アルミニウム/炭素の複合電極は、電解質溶液、好ましくは非水性の電解質溶液が活性炭素繊維の孔に浸透するように充分多孔性を維持している。
ID No.071994Aが上述の布のプレフォームと異なる炭素布を利用し、他のサンプルより大きな厚みを同様に有していることを留意することは重要である。抵抗及びキャパシタンスの測定は比較のみの目的のために行われた。
表1:アルミニウム/炭素の複合電極の性能特性
アルミニウムが炭素繊維のプレフォームへ含侵された後、アルミニウム箔が電極の裏側へ固定される。このプロセスにおいて、アルミニウムの含侵した炭素のプレフォームがアルミニウム箔に拡散接合し、それにより複合電極と電流コレクター間の低抵抗接合を形成する。アルミニウム箔は電流コレクター或いはキャパシタの導電性電極として機能する。特に、拡散接合はアルミニウム箔上の酸化物層を先ず変更或いは除去し、その後不活性雰囲気の圧力下で電極及び箔構造を加熱することによって達成される。この接合プロセスは高温、及び不活性雰囲気中の適度の圧力の組み合わせを含み、複合電極と電流コレクターの表面を一緒にする。これらのステップは、アルミニウムの原子が電流コレクターを複合電極へ接着するために境界面の空間を満たすように、行われる。バイポーラキャパシタのスタックにおいて、接合された箔はセル間の電解質溶液を分離するために、非孔性でなくてはならない。箔はピンホール或いは他の欠陥がないことを保証するために、充分厚くなければならない。バイポーラ電極に対して、箔は約12.7μmと76.2μmの間の厚さであるのが好ましい。
二重層キャパシタの性能は用いられた電解質の選定に非常に依存する。従来の水性電解質は、非水性電解質溶液より低い抵抗を典型的に示す。一方、非水性電解質溶液は、しばしば高いイオン導電性を有し、従って二重層キャパシタの動作電圧を増大する。特に、これらの非水性電解質溶液は、単一セルの二重層キャパシタの動作電圧が約3ボルトへ増加されることを可能にする。
[NH4NO3]・1.3[NH3];
[NaI]・3.3[NH3]; 及び
[LiClO4]・4[NH3]
を含む。
M[AlCl4]・x SO2
ただし、xは2.5と6.0の間であり、MはLi、Ca、Na、或いはSrから選択される。
表3:非水性電解質
Claims (13)
- 二重層キャパシタであって、
互いに対向する表面を有する1対の、アルミニウムの含浸された炭素複合電極と、
その各々が前記それぞれの複合電極の対向していない面上に配置された、1対の電流コレクターと、
前記複合電極の対向している面間に配置されたイオン透過性のセパレータと、
前記複合電極とセパレータに含ませる電解質溶液と、
を有し、
各複合電極内に含浸されたアルミニウムは、前記複合電極の全体にわたって一様に分布され、前記複合電極内に低抵抗電流路を形成し、
前記電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする二重層キャパシタ。 - 二重層キャパシタであって、
活性炭素繊維のプレフォームであって、該プレフォームの全体にわたって一様に分布された溶融アルミニウムで含浸された活性炭素繊維のプレフォームを含む1対の多孔性の、アルミニウムの含浸した炭素複合電極と、
その各々が前記それぞれの複合電極の対向していない面上に配置された、1対の電流コレクターと、
前記複合電極の対向している面間に配置されたイオン透過性のセパレータと、
前記複合電極とセパレータに含ませる非水性電解質溶液と、
を有し、
前記非水性電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする二重層キャパシタ。 - 二重層キャパシタアッセンブリーであって、
1つの隣接した二重層キャパシタセルのみを有する第1と最後のセルを含む、直列に隣接して配置され、接続された複数の二重層キャパシタセルであって、その各々は、1対のアルミニウムの含浸した炭素複合電極、及び該複合電極間に配置されたイオン透過性のセパレータを有し、更に、前記複合電極とセパレータに含ませる電解質溶液を有する複数の二重層キャパシタセルと、
その各々が、異なるセルの、1対の隣接する複合電極に取付けられており、隣接する二重層キャパシタセル間に配置された1つまたはそれ以上の電流コレクターと、
前記第1と最後の二重層キャパシタセルに取付けられた1対の外部電流コレクター板と、
を備え、
各複合電極内に含浸されたアルミニウムは、前記複合電極の全体にわたって一様に分布され、前記複合電極内に低抵抗電流路を形成し、
前記電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする二重層キャパシタアッセンブリー。 - 高エネルギー密度、低抵抗の二重層キャパシタであって、
その少なくとも1つは、多孔性の炭素繊維のプレフォーム、及び前記プレフォームにおける炭素繊維内および炭素繊維間の隙間空間を満たすように、前記プレフォームに含浸されたアルミニウムを有する複合電極である、互いに対向する表面を有する1対の電極と、
その各々が前記対向する電極の非対向表面上に配置された、1対の電流コレクターと、
前記電極の対向する表面間に配置されたイオン透過性セパレータと、
前記電極と前記セパレータに含ませる非水性電解質溶液と、
を備え、
前記複合電極内に含浸されたアルミニウムは、前記複合電極の全体にわたって一様に分布され、前記複合電極内に低抵抗電流路を形成し、且つ、
前記非水性電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であり、高イオン伝導率を有し、前記二重層キャパシタの動作電圧を増加することを特徴とする二重層キャパシタ。 - 前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極の各々は、一様に分布し、連続したアルミニウムの含浸通路を有し、且つ1.5Ωcm2より小さな内部固有抵抗を有する活性炭素繊維のプレフォームを有することを特徴とする請求項2に記載の二重層キャパシタ。
- 前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極の各々は、炭素布のプレフォーム、炭素繊維のプレフォーム、または炭素紙のプレフォーム内に含浸した、一様に分布し、連続したアルミニウムを有する多孔性電極を有することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の二重層キャパシタ。
- 前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極は、約500〜3000m2/gの範囲の表面積、または2000m2/gより大きな表面積を有する活性炭素繊維を含むことを特徴とする請求項1、請求項2または請求項4のいずれか1つに記載の二重層キャパシタ。
- 前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極は、1.3〜0.5の範囲のアルミニウムと炭素の重量比を有し、または前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極は、1.0より小さいアルミニウムと炭素の重量比を有することを特徴とする請求項1、請求項2または請求項4のいずれか1つに記載の二重層キャパシタ。
- 前記セパレータは、多孔性ポリプロピレンのセパレータであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の二重層キャパシタ。
- 前記電流コレクターの各々は、それぞれの電極の対向していない面に接合された金属箔またはアルミニウム箔の薄い層を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の二重層キャパシタ。
- 二重層キャパシタを製造する方法において、
多孔性の、アルミニウムの含浸した炭素複合電極を形成するために、活性炭素繊維のプレフォームに、該プレフォームの全体にわたって一様に分布し、かつ連続するようにアルミニウムを含浸するステップと、
前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極の表面に電流コレクター板を接合するステップと、
一対のアルミニウムの含浸した炭素複合電極を整列し、それにより前記一対のアルミニウムの含浸した炭素複合電極は、互いに向き合った非接合面を有するステップと、
前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極の向き合った面間にイオン透過性のセパレータを配置するステップと、
前記アルミニウムの含浸した炭素複合電極と前記セパレータに非水性電解質溶液を含ませるステップと、
を有し、
前記非水性電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする方法。 - 二重層キャパシターを製造する方法であって、
多孔性の、アルミニウムの含浸した炭素複合電極を形成するために、活性炭素繊維のプレフォームに、該活性炭素繊維のプレフォームの全体にわたって一様に分布し、かつ連続するようにアルミニウムを含浸するステップと、
前記アルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームの表面上に電流コレクター板を接合するステップと、
それぞれの電流コレクター板に接合された1対のアルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームを整列し、それにより前記1対のアルミニウムの含浸された炭素繊維のプレフォームは、互いに向き合った非接合面を有するステップと、
前記1対のアルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームの向き合った面間にイオン透過性のセパレータを配置するステップと、
前記1対のアルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームと前記イオン透過性のセパレータに電解質溶液を含ませるステップと、
を有し、
前記電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする方法。 - 二重層キャパシターを製造する方法であって、
1対の活性炭素繊維のプレフォームにアルミニウムを前記1対の活性炭素繊維のプレフォームの全体にわたって一様に分布されるように含浸するステップと、
1対の電流コレクター板の各々を前記1対の活性炭素繊維のプレフォームのそれぞれ一つの表面上に押し付けるステップと、
前記1対の活性炭素繊維のプレフォームを整列し、それにより前記1対のアルミニウムの含浸された炭素繊維のプレフォームのそれぞれ一つは、互いに向き合った非接合面を有するステップと、
前記1対のアルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームのそれぞれ一つの非接合表面間にイオン透過性のセパレータを配置するステップと、
前記1対のアルミニウムの含浸した炭素繊維のプレフォームと前記イオン透過性のセパレータに電解質溶液を含ませるステップと、
を有し、
前記電解質溶液は、
[NH 4 NO 3 ]・1.3[NH 3 ];[NaI]・3.3[NH 3 ];及び[LiClO 4 ]・4[NH 3 ]からなるグループから選択されるアンモニア化合物の電解質溶液であることを特徴とする方法。
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