JP4488572B2 - 活性炭電極形成用電極合剤および該合剤から得られる活性炭電極 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、取り扱い性の優れた活性炭電極を形成するための電極合剤、該合剤を用いて得られる活性炭電極ならびに該電極を有する信頼性の改善された電気二重層キャパシタに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子あるいは電気機器の発展に伴い、大型配線を伴う商用電源に加えて、多様な電源の発展への要請が強い。特に、電気二重層キャパシタは、大容量かつ長寿命で、急速充填が可能、充放電が容易、二次電池に比べてサイクル特性に優れている、二次電池の中で最も信頼性の高いNi−Cd電池に比べて安価であるといった特徴を有するため、新たなエネルギーデバイスとして、多くの分野で機能的な応用が期待されるようになっている。さらに、電気二重層キャパシタは、電子機器のバックアップ電源などの小電力用から、電気自動車やハイブリッドカーの補助電源などの大電力分野への応用も検討されている。それに伴って、分極性電極に対しても大容量化などの高性能化が求められている。
【0003】
電気二重層キャパシタは、分極性電極と電解質界面に生じる電気二重層に蓄積される容量を利用するキャパシタである。電気二重層キャパシタは、用いられる電解液によって、有機溶媒系と水溶液系に大別されるが、有機溶媒系は耐電圧が高く容量を大きくできるので、高容量キャパシタとして有利である。分極性電極は比表面積や嵩密度が大きく、電気化学的に不活性であって、電気抵抗が低いことが要求される。電気二重層キャパシタ用の分極性電極構造体は、粉末活性炭材料、電気伝導性を付与する導電材、結合材としてのバインダーおよび金属集電体で構成される。電極構造体の作製方法としては、粉末活性炭材料、導電材、バインダーからなる混合物に溶剤を添加して混合スラリーとしたものを集電体に塗布または浸漬し乾燥して作製する方法(例えば、特開平10−64765号公報)や、粉末活性炭材料、導電材、溶剤に不溶のバインダーからなる混合物に溶剤を添加して混練り成形し、乾燥して得たシートを集電体表面に導電性接着剤等を介して接合した後にプレスおよび熱処理乾燥して作製する方法(例えば、特開平9−275041号公報)などがあり、作製工程のコストを考えると、特に前者の作製方法が好ましい。
【0004】
バインダーとして電気化学的安定性などの点からポリフッ化ビニリデンが注目され、特開平8−55761号公報には、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素ポリマーとN−メチル2−ピロリドン、トルエン、エチルアセテート、ジメチルフタレート等の有機溶剤と、活性炭粉末と、必要に応じて導電性付与剤からなるスラリーを集電体上にコートし、その後乾燥して有機溶剤を除去して分極性電極を形成する工程を有する電気二重層キャパシタの製法が開示されている。同様の手法が、特開平8−213289号公報にも開示されている。
【0005】
しかしながら、上記の方法により得られた活性炭電極には、塗工により得られた活性炭電極層が集電体から剥離し易く、また柔軟性に乏しいため、活性炭電極全体の取り扱い性が悪く、信頼性に欠けるという欠点があった。上記欠点を改良することを意図して、特開平10−64517号公報にフッ化ビニリデン系ゴムを使用することが開示されている。しかしながら、フッ化ビニリデン系ゴムは有機溶媒系の電解液によって膨潤しやすくキャパシタ使用中の電極層の脱離などにより得られる電気二重層キャパシタの信頼性が低いという欠点を有していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑み、本発明は、集電体に良好に密着し且つ柔軟性の改良された活性炭電極層を有する取り扱い性の優れた活性炭電極を与える電極用合剤、ならびにこれから得られる活性炭電極(分極性電極)およびその活性炭電極を使用することにより信頼性が高い電気二重層キャパシタを提供することを主要な目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの研究によれば、上記目的を達成するためには、集電体上に塗工することにより活性炭電極層を形成するために用いる電極合剤中に、通常のフッ化ビニリデン系重合体の良溶媒に加えて、脂肪族系ポリエステルからなるフッ化ビニリデン系重合体の可塑剤を含ませておくことが極めて有効であることが見出された。
【0008】
すなわち、本発明によれば、活性炭、導電材、インヘレント粘度が0.5〜20.0dl/gのフッ化ビニリデン系重合体および溶剤からなる電極合剤であって、フッ化ビニリデン系重合体1重量部に対して、活性炭と導電材を合計量で9〜50重量部含み、該溶剤がフッ化ビニリデン系重合体の良溶媒と重量平均分子量が500以上である少なくとも一種の脂肪族ポリエステルからなる可塑剤との混合物からなることを特徴とする電気二重層キャパシタの分極性電極形成用電極合剤、ならびに該電極合剤を集電体上に塗布して、電極合剤層を形成し、該電極合剤から溶剤を選択的に除いて得られた活性炭電極層を有する分極性電極が提供される。好ましくは該活性炭電極層は、必要に応じて電極合剤層から溶剤の少なくとも一部を揮散除去後に、該電極合剤層にフッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒を接触させて可塑剤を抽出し、更に貧溶媒を揮散させることにより、形成される。このようにして貧溶媒により可塑剤を抽出除去することにより、活性炭電極層中のバインダーであるフッ化ビニリデン系重合体が多孔化し、これが上記した活性炭電極層の著しい柔軟化および集電体への密着性の向上に寄与しているものと解される。
【0009】
更に、本発明によれば、少なくとも一方が上記分極性電極である一対の分極性電極間に電解液を保持してなる電気二重層キャパシタが提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の電極合剤を構成し、得られる活性炭電極層中でバインダーとして機能するフッ化ビニリデン系重合体としては、フッ化ビニリデンの単独重合体または、フッ化ビニリデン50重量パーセント以上とこれと共重合可能な単量体50重量パーセント以下との共重合体が適宜選択使用される。
【0011】
フッ化ビニリデン単量体と共重合可能な単量体としては、例えばエチレン、プロピレン、等の炭化水素系単量体、フッ化ビニル、3フッ化エチレン、3フッ化塩化エチレン、4フッ化エチレン、6フッ化プロピレン、フルオロアルキルビニルエーテル、等の含フッ素単量体、マレイン酸モノメチル、シトラコン酸モノメチル、等のカルボキシル基含有単量体、またはアリルグリシジルエーテル、クロトン酸グリシジルエステル、等のエポキシ基含有ビニル単量体、が挙げられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。なかでも6フッ化プロピレンや3フッ化塩化エチレンを含むフッ化ビニリデン共重合体が好ましく用いられる。
【0012】
バインダーとしてのフッ化ビニリデン系重合体のインヘレント粘度が、0.5〜20.0dl/g、特に0.5dl/g〜5.0dl/gであることが、電極の密着性、機械強度などの点から好ましい。ここでいうインヘレント粘度とはポリマーの分子量の目安として用いられるもので、樹脂4gを1リットルのN,N−ジメチルホルムアミドに溶解させた溶液の30℃における対数粘度をいう。
【0013】
上述したように、フッ化ビニリデン系重合体とともに、本発明の電極合剤を構成する溶剤は、フッ化ビニリデン系重合体の良溶媒と可塑剤の混合物である。これらは、電極合剤の形成に先立って混合されることは必要でなく、電極の形成のための塗布工程の前に電極合剤中に混在すればよい。
【0014】
ここで、フッ化ビニリデン系重合体の良溶媒とは、室温(25℃)において、当該フッ化ビニリデン系重合体の1重量%以上、好ましくは5重量%以上の濃度のバインダー溶液を形成し得る溶解能を有する有機溶媒を云い、その好適な例としては、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルアミド、アセトン、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、酢酸メチル、テトラメチルウレア、トリエチルホスフェートなどが挙げられる。これら良溶媒は、単独でまたは二種以上混合して用いることができる。
【0015】
可塑剤は、それ単独のフッ化ビニリデン系重合体を溶解する能力は乏しいが、これを可塑化する作用を有するものであり、重量平均分子量(本書において「分子量」とは、GPC(ゲルパーミエイションクロマトグラフィー)によるポリスチレン相当分子量をいう)が500以上のものが用いられる。重量平均分子量は、500以上10000以下が好ましく、より好ましくは800以上3000以下である。重量平均分子量が500以下では、バインダーであるフッ化ビニリデン系重合体からのブリード量が多くなるため、電極合剤塗工後の乾燥時に剥離し易くなる。また、重量平均分子量が10000以上では、電極合剤の粘度が高くなるため作業性が著しく低下し好ましくない。具体例としては、例えば、アジピン酸−プロピレングリコール系、アジピン酸−1,3−ブチレングリコール系等のアジピン酸系ポリエステル、セバシン酸−プロピレングリコール系、セバシン酸−3−ブチレングリコール系等のセバシン酸系ポリエステル、アゼライン酸−プロピレングリコール系、アゼライン酸ー1,3−ブチレングリコール系等のアゼライン酸系ポリエステル等の脂肪族の二塩基酸とグリコールからなる脂肪族ポリエステル可塑剤などを例示する事が出来る。フッ化ビニリデン系重合体との相溶性が適度であることから、上記の中でもアジピン酸系ポリエステルが特に好ましい。可塑剤の配合量は、適宜、選択することが出来る。通常、溶剤全体としてフッ化ビニリデン系重合体の溶解性を落とさない範囲で使用される。好ましくは、溶剤中3〜50重量%、さらに好ましくは10〜40重量%である。3重量%以下では可塑剤の添加効果が小さく電極の剥離が生じる可能性がある。50重量%以上では、溶剤全体としてのフッ化ビニリデン系重合体の溶解能が低下し、塗工用電極合剤のゲル化が起こり好ましくない。
【0016】
これら可塑剤と良溶媒との組合せからなる溶剤は、全体として、フッ化ビニリデン系重合体、活性炭及び必要に応じて添加されるその他からなる固形分との組合せにより、固形分濃度が一般に0.5〜50重量%、より好ましくは15〜35重量%程度の溶液ないしスラリーを形成し得る量で使用することが好ましい。
【0017】
上記フッ化ビニリデン系重合体および溶剤とともに本発明の電極合剤を構成する活性炭は比表面積が500〜3000m2/g、特に800〜2500m2/gのものを好適に用いる事が出来、具体例としては、やしがら系活性炭、フェノール系活性炭、石油・石炭コークス系活性炭、石油・石炭ピッチ系活性炭、ポリ塩化ビニリデン系活性炭、ポリアセン系活性炭、フェノール樹脂系活性炭、ポリアクリロニトリル系活性炭等が挙げられる。
【0018】
本発明の電極合剤は、少なくとも上記したフッ化ビニリデン系重合体と、電気伝導性を付与するための導電材と、溶剤と、活性炭とから構成される。導電材の具体例としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、酸化チタンや酸化ルテニウム等の金属酸化物や金属ファイバーが使用できる。中でもカーボンブラックの一種であるケッチェンブラック、アセチレンブラックあるいはファーネスブラックが好ましく用いられる。導電材の添加量は、必要とされる導電性の程度、に応じて選択されるが、本発明においては、フッ化ビニリデン系重合体1重量部に対し、活性炭と導電材との合計量が9〜50重量部となるような割合で用いる。
【0019】
本発明の電極合剤は、上記したような電極合剤構成成分を任意の順序で混合し、必要に応じて加熱することにより、スラリー状として得ることが出来る。調製された合剤スラリーは集電体への良好な塗布性を有する。
【0020】
上記で構成される本発明の電極合剤を集電体上に塗布し、溶剤を、選択的に除去することにより、本発明の分極性電極を得ることが出来る。使用する集電体の具体例としては、アルミニウム、ステンレス、チタン、タンタルなどの金属箔を挙げることが出来る。
【0021】
塗布の方法は公知の方法でよく、中でもドクターブレード法が好ましく用いられる。合剤が塗布された集電体は50〜200℃での乾燥後、必要に応じてプレス工程を経て、電気二重層キャパシタ用の分極性電極構造体として提供される。
【0022】
本発明の分極性電極は、得られる電気二重層キャパシタの性能をより好ましいものとするために、必要に応じて溶剤の一部を揮散除去した電極合剤層について、フッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒による可塑剤の抽出除去処理が施されていることが好ましい。可塑剤の種類によっては電気二重層キャパシタの性能を低下させる恐れがあるからである。この抽出処理は、分極性電極の活性炭電極層中に残存する良溶媒(および貧溶媒)を含む溶剤量全体を低減する効果もある。抽出に用いる有機溶媒は、フッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒(溶解度が好ましくは0.5重量%以下、より好ましくは0.1重量%以下)であり、可塑剤と相溶性があるものが好ましく用いられる。揮散による除去を容易とするために100℃以下の沸点を有するものが更に好ましい。例えば、アルコール類ではメチルアルコール、イソプロピルアルコールなど、塩素化炭化水素では、塩化メチレン、1,1,1−トリクロロエタンなどの溶媒を例示できるが、なかでも不燃性であり乾燥が容易な塩化メチレンが特に好ましい。抽出溶媒としてフッ化ビニリデン系重合体の良溶媒を用いた場合、抽出中にバインダーであるフッ化ビニリデン系重合体が活性炭電極層より流れ出し、バインダーとしての機能を失うため好ましくない。
【0023】
可塑剤の抽出はフッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒である有機溶剤を抽出溶媒として用い、5〜100℃、好ましくは10〜50℃の抽出容器中の該溶媒に乾燥後の電極構造体を浸漬放置するだけでも抽出効果はあるが、必要に応じ連続的に抽出溶媒中を移動させたり、超音波等による振動を加え抽出効果を高めることが出来る。抽出後の電極構造体は、乾燥のため40〜170℃で熱処理され活性炭電極として供される。
【0024】
本発明の電気二重層キャパシタとしては、図1に示す構造のものを例示することができる。すなわち、図1は、単セルの電気二重層キャパシタの一例の断面図である。この電気二重層キャパシタは、それぞれ活性炭電極層1aおよび集電体1bを有する2つの分極性電極1、1によりセパレーター2を挟み、これらをさらにステンレススチール製キャップ3と、電解液5を入れたステンレス製缶4との間に、パッキング6を介して封入したものである。その結果、電解液5はセパレーター2に含浸され一対の分極1、1間に配置されることとなる。セパレーター2は、多孔質あるいは繊維質材料から適宜構成され、その例としては、グラスファイバー製不織布、紙、合成樹脂製多孔膜などが挙げられる。電解液の溶媒としてはプロピレンカーボネートが一般的であり、電解質としては第4級ホスホニウム塩、第4級アンモニウム塩が一般的であり、例えば、(C2H5)4NBF4のプロピレンカーボネート溶液などの有機電解液を使用することができる。電解液中の電解質の濃度は5〜95重量%、あるいは0.1〜4.0mol/l、好ましくは0.5〜2.0mol/l、の範囲で適宜選択することができる。
【0025】
【実施例】
以下、本発明を、実施例、比較例に基づいて更に具体的に説明する。
【0026】
(実施例1)
石油ピッチ系活性炭粉末(比表面積1200m2/g)90重量部およびカーボンブラック(電気化学工業株式会社製「デンカブラック」)2重量部に、ポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業株式会社製「KF#1700」、インヘレント粘度1.7dl/g)をN−メチル−2−ピロリドンに10%溶解した溶液を80重量部、さらにN−メチル−2−ピロリドン114重量部とアジピン酸系ポリエステル可塑剤(旭電化工業株式会社製「アデカサイザーPN150」、重量平均分子量2320)47重量部を添加し、30℃にて混合し、電極合剤スラリーを得た。
【0027】
この電極合剤を、厚さ約20μmのアルミ箔の片面上にドクターブレード法で塗布し、加熱乾燥(130℃、30分)して、厚さ250μmの塗工電極層を有するシート状電極材料を得た。このシートには、顕著なカールは認められなかった。このシート状電極を25℃の塩化メチレン中に30分間浸漬して抽出処理し、さらに130℃で10分間加熱乾燥した。抽出および乾燥後のシート状電極は、一部を可撓性試験用とし、その他に直径17mmの円形に10枚打ち抜き、プレス(102MPa、1分)した後、直径15mmの円形に打ち抜き、10枚の分極性電極を得た。打ち抜き作業およびプレス作業中に、電極の剥離は一切認められなかった。図1に示すように、この電極2枚を分極性電極1とし、ガラス繊維製不織布のセパレーター2を塗工電極1a側で挟み、さらにAl箔集電板1b側で接するように、ステンレス製キャップ3及びステンレス製缶4からなる容器中に収納した。次に、ステンレス容器中に所定の電解液5((C2H5)4NBF4のプロピレンカーボネート溶液:1mol/l)を入れ塗工電極層1a及びセパレーター2に十分に含浸させたのち、ポリプロピレン製パッキング6を介してキャップ3及び缶4の端部をかしめ一体化した。
【0028】
このようにして作製した電気二重層キャパシタを、電流密度1.6mA/cm2で2.5Vまで充電し、3時間充電状態を保持した後に、同電流密度で0Vまで放電しそのエネルギー量を求め、この値を初期エネルギー容量として評価した。容量は、電極中の活性炭単位重量当たりエネルギー容量(mWh/g)として算出した。上記試験後の電極を取り出し目視観察したが、形状変化は観察されなかった。
【0029】
また、シート状電極のカール試験として、塗工後乾燥した抽出前のシート状電極を200mmの長さに切り出し(幅:アルミ箔200mm、塗工部110mm)、平坦なアルミ板上に塗工面を下にして静置し、アルミ板からもっとも浮き上がった部分の塗工部表面までの距離を測定した。測定の結果は2mmであり、カールはほとんど認められなかった。
【0030】
さらに可撓性試験として抽出および乾燥後のシート状電極を、300mmの長さに切り出し(幅:アルミ箔200mm、塗工部110mm)、30mmφの金属ロール上でアルミ箔がロール側になるようにシート状電極を抱かせ、20cmの塗工部を往復4回滑らせ剥離度合いを評価した。その結果、塗工部の可撓性が良好で電極層の剥離は一切認められなかった。
【0031】
結果を、以下の実施例、比較例のそれとともに、後記表1にまとめて記す。
【0032】
(実施例2)
石油ピッチ系活性炭粉末(比表面積1200m2/g)90重量部およびカーボンブラック(電気化学工業株式会社製「デンカブラック」)2重量部に、ポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業株式会社製、インヘレント粘度8.8dl/g)をN−メチル−2−ピロリドンに5%溶解した溶液を160重量部、さらにN−メチル−2−ピロリドン34重量部とアジピン酸系ポリエステル可塑剤(旭電化工業株式会社製「アデカサイザーPN150」、重量平均分子量2320)47重量部を添加し、30℃にて混合し、電極合剤スラリーを得た。
【0033】
この電極合剤を、実施例1で用いたものと同じアルミ箔の片面上にドクターブレード法で塗布し、加熱乾燥(130℃、30分)して、厚さ250μmの塗工電極層を有するシート状電極材料を得た。このシートは顕著なカールは見うけられなかった。このシート状電極を25℃の塩化メチレン中に30分間浸漬して抽出処理し、さらに130℃で10分間加熱乾燥した。抽出および乾燥後のシート状電極は、一部を可撓性試験用とし、その他に直径17mmの円形に10枚打ち抜き、プレス(102MPa、1分)した後、直径15mmの円形に打ち抜き、10枚の分極性電極を得た。打ち抜き作業およびプレス作業中に、電極の剥離は一切認められなかった。得られた分極性電極を用い、実施例1と同様にして作製した電気二重層キャパシタを、実施例1と同様に評価した。上記試験後の電極を取り出し目視観察したが、形状変化は観察されなかった。
【0034】
また、実施例1と同様のカール試験を行ったところ、下側塗工面のアルミ板からの浮き上がり高さは最大で1mmでありほとんどカールは認められなかった。また、実施例1同様の可撓性試験用を行ったところ、塗工部の可撓性が良好で電極層の剥離は一切なかった。
【0035】
(比較例1)
石油ピッチ系活性炭粉末(比表面積1200m2/g)90重量部およびカーボンブラック(電気化学工業株式会社製「デンカブラック」)2重量部に、ポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業株式会社製「KF#1700」)をN−メチル−2−ピロリドンに10%溶解した溶液を80重量部、さらにN−メチル−2−ピロリドン161重量部添加し、30℃にて混合し、電極合剤スラリーを得た。
【0036】
この電極合剤を、実施例1に用いたものと同じアルミ箔の片面上にドクターブレード法で塗布し、加熱乾燥(130℃、30分)して、厚さ250μmの塗工電極を有するシート状電極材料を得た。このシートは塗工面側に大きくカールしていた。このシート状電極を25℃の塩化メチレン中に30分間浸漬して抽出処理し、さらに130℃で10分間加熱乾燥した。抽出処理後のシート状電極は塗工電極層端部が一部剥離していた。抽出および乾燥後のシート状電極は、一部を可撓性試験用とし、その他に直径17mmの円形に10枚打ち抜き、プレス(102MPa、1分)した後、直径15mmの円形に打ち抜き10枚の分極性電極を得た。打ち抜き作業およびプレス作業中に、10枚中8枚の電極の塗工電極層の端部剥離が発生した。剥離の生じなかった電極2枚を分極性電極1とする以外は実施例1と同様にして作製した電気二重層キャパシタを、実施例1と同様に評価した。上記試験後の電極を取り出し目視観察したが、塗工電極層端部に一部剥離が観察された。
【0037】
また、実施例1と同様のカール試験を行ったところ、下側塗工面のアルミ板からの浮き上がり高さは最大で25mmであり、カールが著しいと認められた。また、実施例1と同様の可撓性試験を行ったところ、塗工部の可撓性が悪いため、塗工電極層の約50%の面積で割れ及び剥離が生じた。
【0038】
【表1】
【0039】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、活性炭と、フッ化ビニリデン系重合体と、フッ化ビニリデン系重合体の良溶媒に加え可塑剤を含む溶剤と、を混合した活性炭電極形成用の電極合剤が提供される。この電極合剤を集電体上に塗布後、好ましくはフッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒による可塑剤の抽出処理および溶媒の揮散を含む溶剤の選択的除去処理を行うことにより、集電体との密着性および可撓性が良好な活性炭電極層を有し、取扱い性の良好な分極性電極が得られ、これを用いることにより信頼性の改善された電気二重層キャパシタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気二重層キャパシタの一例の構造の断面図。
【符号の説明】
1 分極性電極(1a:活性炭電極層、1b:集電体)
2 セパレータ
3 キャップ
4 缶
5 電解液
6 パッキング
Claims (4)
- 活性炭、導電材、インヘレント粘度が0.5〜20.0dl/gのフッ化ビニリデン系重合体および溶剤からなる電極合剤であって、フッ化ビニリデン系重合体1重量部に対して、活性炭と導電材を合計量で9〜50重量部含み、該溶剤がフッ化ビニリデン系重合体の良溶媒と重量平均分子量が500以上である少なくとも一種の脂肪族ポリエステルからなる可塑剤との混合物からなることを特徴とする電気二重層キャパシタの分極性電極形成用電極合剤。
- 可塑剤がアジピン酸系ポリエステルからなることを特徴とする請求項1の電極合剤。
- 集電体上に、請求項1または2の電極合剤を塗布して電極合剤層を形成し、必要に応じて電極合剤層から溶剤の一部を揮散除去後に、該電極合剤層にフッ化ビニリデン系重合体の貧溶媒を接触させて可塑剤を抽出し、更に貧溶媒を揮散させることにより、電極合剤層から溶剤を選択的に除いて得られた活性炭電極層を有することを特徴とする活性炭電極構造体。
- 少なくとも一方が請求項3に記載の活性炭電極構造体である一対の分極性電極間に電解液を保持してなる電気二重層キャパシタ。
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