JP4973897B2 - Capacitors - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はキャパシタに関し、特に、電気二重層を利用した電気二重層キャパシタに関する。 The present invention relates to a capacitor, and more particularly to an electric double layer capacitor using an electric double layer.
電気二重層キャパシタは、各種キャパシタの中でも容量が大きいため、最近注目されている。例えば、キャパシタは電気機器のメモリーバックアップ用として幅広く使われており、近年この用途にも電気二重層キャパシタの利用が促進されている。更に、ハイブリッド車、燃料自動車等の自動車用にも利用が期待されている。 Electric double layer capacitors have recently attracted attention because of their large capacitance among various capacitors. For example, capacitors are widely used for memory backup of electrical equipment, and in recent years, the use of electric double layer capacitors has been promoted for this purpose as well. Further, it is expected to be used for vehicles such as hybrid vehicles and fuel vehicles.
電気二重層キャパシタには、ボタン型、円筒型、角型等といった種類があり、各種キャパシタが知られている(特許文献1〜5)。ボタン型は、例えば、活性炭電極層を集電体上に設けた分極性電極を一対として、その電極間にセパレーターを配置して電気二重層キャパシタ素子を構成し、電解質とともに金属ケース内に収納し、封口板と両者を絶縁するガスケットで密封することにより製造される。円筒型は、この一対の分極性電極とセパレーターを重ね、捲回して電気二重層キャパシタ素子を構成し、この素子に電解液を含覆させてアルミニウムケース中に収納し、封口材を用いて密封することにより製造される。角型も、基本的構造はボタン型や円筒型と同様である。 There are various types of electric double layer capacitors such as a button type, a cylindrical type, and a square type, and various types of capacitors are known (Patent Documents 1 to 5). The button type is, for example, a pair of polarizable electrodes with an activated carbon electrode layer provided on a current collector, and a separator is arranged between the electrodes to form an electric double layer capacitor element, which is stored in a metal case together with an electrolyte. It is manufactured by sealing with a sealing plate and a gasket that insulates both. For the cylindrical type, this pair of polarizable electrodes and separator are overlapped and wound to form an electric double layer capacitor element. The element is covered with an electrolytic solution and stored in an aluminum case, and sealed with a sealing material. It is manufactured by doing. The basic structure of the square type is the same as that of the button type or cylindrical type.
上記メモリーバックアップ用、自動車用等の用途に用いられる電気二重層キャパシタは、より一層の高容量化等が求められている。つまり、単位体積当たりの容量の高容量化と内部抵抗の低減が求められている。しかしながら、従来のキャパシタは、容量を増やそうとすると内部抵抗が大きくなり容量が増えないという問題がある。 The electric double layer capacitor used for the above-mentioned applications such as memory backup and automobile is required to have a higher capacity. That is, it is required to increase the capacity per unit volume and reduce the internal resistance. However, the conventional capacitor has a problem in that when the capacity is increased, the internal resistance increases and the capacity does not increase.
すなわち、集電体の形状が二次元構造である場合には、容量密度を高めるために厚い電極を作製すると、集電体と活性炭の距離が長くなるため、集電体から離れたところは電気抵抗が高くなり、活性炭の利用率が小さくなって、容量密度も小さくなってしまう。また、内部抵抗低減については、電気抵抗改善を目的として導電助剤を添加すると、活性炭の量が少なくなるためやはり容量密度が小さくなる。 In other words, when the current collector has a two-dimensional structure, if a thick electrode is produced to increase the capacity density, the distance between the current collector and the activated carbon becomes longer. Resistance increases, utilization of activated carbon decreases, and capacity density also decreases. As for internal resistance reduction, when a conductive additive is added for the purpose of improving electrical resistance, the amount of activated carbon is reduced, so that the capacity density is also reduced.
また、正極の容量が小さいため、負極容量を増やしても容量が増えないという問題がある。すなわち、正極集電体にアルミニウム箔を採用した場合、容量を大きくするために活性炭を厚く塗ると、利用率が落ちたり剥離したりして容量を大きくできない。このため、Liを出し入れできる炭素系負極に比べて正極の容量が小さく、セルのエネルギー密度を
高くできない。
Moreover, since the capacity | capacitance of a positive electrode is small, there exists a problem that a capacity | capacitance does not increase even if it increases a negative electrode capacity | capacitance. That is, when an aluminum foil is used for the positive electrode current collector, if the activated carbon is applied thickly in order to increase the capacity, the capacity cannot be increased because the utilization factor drops or peels off. For this reason, the capacity | capacitance of a positive electrode is small compared with the carbon-type negative electrode which can take in and out Li, and the energy density of a cell cannot be made high.
また、活性炭の電位が3V(vs Li/Li+ )であるため、電解液の耐電圧性からセル電圧を2.5V程度までしか上げることができない。このため、電圧が低く、エネルギー密度、出力密度が低いといった問題もある。 In addition, since the potential of the activated carbon is 3 V (vs Li / Li + ), the cell voltage can only be increased to about 2.5 V due to the withstand voltage of the electrolyte. For this reason, there are problems such as low voltage, low energy density, and low output density.
集電体を金属箔に代えて多孔体(三次元構造)にしたりすることも試みられている。しかしながら、多孔体として、スクリーンパンチ、パンチングメタル、ラスなどを用いても、その構造は実質的には二次元構造であり、大幅な静電容量の向上は期待できない。
現在、量産可能な三次元構造集電体としては、発泡状ニッケルがあり、アルカリ電解質二次電池用の集電体として普及している。しかし、高電圧・高容量化を目的として非水電解質を用いる電気二重層キャパシタでは、ニッケルは非水電解質による酸化を受けやすく、電解液中に溶解してしまい、長期の充放電で充分な充電ができなくなる。
Attempts have been made to make the current collector a porous body (three-dimensional structure) instead of a metal foil. However, even if a screen punch, punching metal, lath or the like is used as the porous body, the structure is substantially a two-dimensional structure, and a significant improvement in capacitance cannot be expected.
Currently, foamed nickel is a three-dimensional structure current collector that can be mass-produced, and is widely used as a current collector for an alkaline electrolyte secondary battery. However, in an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte for the purpose of increasing the voltage and capacity, nickel is easily oxidized by the non-aqueous electrolyte and dissolves in the electrolytic solution, so that charging is sufficient with long-term charging and discharging. Can not be.
ニッケル以外の金属としては、耐食性の高いアルミニウムやステンレスがあるが、これらの金属は、多孔度の高い多孔質有機樹脂表面に金属被覆層を形成できないという問題がある。すなわち、アルミニウムのめっき処理には非常に高温の溶融塩状態で処理する必要があるため、有機樹脂を被めっき体として使用することができず、有機樹脂表面にめっき処理することは困難である。 As metals other than nickel, there are aluminum and stainless steel having high corrosion resistance. However, these metals have a problem that a metal coating layer cannot be formed on a porous organic resin surface having high porosity. That is, since it is necessary to treat the aluminum plating in a very high temperature molten salt state, the organic resin cannot be used as an object to be plated, and it is difficult to plate the surface of the organic resin.
ステンレスも正極集電体の材料として広く使用されているが、このステンレスもアルミニウムと同様の理由から、有機樹脂表面にめっき処理することにより、多孔度の大きい集電体とすることは困難である。なお、ステンレスについては、粉末状にして有機樹脂多孔体に塗着して焼結することにより、多孔体を得る方法が提供されているが、ステンレススチール粉末は非常に高価である。また、粉末が付着した後に、基材である有機樹脂多孔体は焼却除去されるため、強度が衰えてしまい使用に耐えないという問題がある。 Stainless steel is also widely used as a material for the positive electrode current collector, but for the same reason as stainless steel, it is difficult to obtain a highly porous current collector by plating the surface of the organic resin. . As for stainless steel, there is provided a method for obtaining a porous material by applying it to a powdered organic resin porous material and sintering it, but stainless steel powder is very expensive. In addition, after the powder adheres, the organic resin porous body, which is the base material, is removed by incineration.
本発明は、静電容量が大きく、耐久性に優れたキャパシタを安価に提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a capacitor having a large capacitance and excellent durability at a low cost.
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、リチウム塩を含む非水電解液を備え、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明に係るキャパシタは以下に記載する通りのものである。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors mainly have a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body, and a carbon material that can occlude and desorb lithium ions in a metal foil. The present invention was completed by finding that a negative electrode coated with the negative electrode active material described above and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt were effective, and it was effective to occlude lithium ions in the negative electrode by chemical or electrochemical techniques. I let you. That is, the capacitor according to the present invention is as described below.
(1)少なくとも、金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、 リチウム塩を含む非水電解液を備え、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたキャパシタであって、前記金属多孔体が、ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得たニッケル目付150〜500g/m2の不織布状ニッケルに、クロマイジング処理を行って作製した、クロムの含有量が25質量%以上で、多孔度が80〜97%の不織布状ニッケルクロム合金であることを特徴とするキャパシタ。
(2)前記リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料が、黒鉛系材料、易黒鉛化炭素材料であることを特徴とする上記(1)に記載のキャパシタ。
(3)前記負極の金属箔が、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスのいずれかであることを特徴とする上記(1)または(2)に記載のキャパシタ。
(4)前記リチウム塩が、LiClO4、LiBF4、LiPF6から選ばれる1種以上であり、前記非水電解液の溶媒が、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、エチルメチルカーボネイトから選ばれる1種以上であることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のキャパシタ。
(5)負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載のキャパシタ。
(1) At least a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body, a negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, and a lithium salt A capacitor in which lithium ions are occluded in a negative electrode by a chemical or electrochemical method, and the metal porous body is obtained by coating a nonwoven fabric made of polyolefin fibers with nickel A non-woven nickel-chromium alloy having a chromium content of 25% by mass or more and a porosity of 80-97%, produced by performing chromizing treatment on non-woven nickel having a nickel basis weight of 150-500 g / m 2. Capacitor characterized by.
(2) The capacitor as described in (1) above, wherein the carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is a graphite-based material or an easily graphitizable carbon material.
(3) The capacitor according to (1) or (2), wherein the metal foil of the negative electrode is any one of aluminum, copper, nickel, and stainless steel.
(4) The lithium salt is at least one selected from LiClO 4 , LiBF 4 and LiPF 6 , and the solvent of the non-aqueous electrolyte is ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl The capacitor as described in any one of (1) to (3) above, which is at least one selected from methyl carbonate.
(5) The negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and the occlusion amount of lithium ions is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity, according to any one of (1) to (4) above Capacitor.
本発明により、静電容量が大きく、耐久性に優れたキャパシタを安価に提供することができる。本発明に係るキャパシタは、正極集電体に金属多孔体を用いて正極活物質の充填量を増やし、負極にリチウムイオンを吸蔵させることにより、キャパシタの容量と電圧を上昇させることができる。 According to the present invention, a capacitor having a large capacitance and excellent durability can be provided at low cost. In the capacitor according to the present invention, the capacity and voltage of the capacitor can be increased by increasing the filling amount of the positive electrode active material by using a metal porous body for the positive electrode current collector and inserting lithium ions in the negative electrode.
本発明に係るキャパシタは、金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、リチウム塩を含む非水電解液により構成される。そして、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させておくことを特徴とする。これにより、負極の電位が下がり、セル電圧を上げることが可能となる。更に、キャパシタのエネルギーは電圧の二乗に比例するため、高いエネルギーを持ったキャパシタとなる。 The capacitor according to the present invention includes a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body, a negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil, It is comprised by the non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. And it is characterized in that lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method. Thereby, the potential of the negative electrode is lowered, and the cell voltage can be increased. Furthermore, since the energy of the capacitor is proportional to the square of the voltage, the capacitor has high energy.
しかしながら、本発明ではリチウム塩を含む非水電解液によりリチウムイオンを電荷として使用するため、リチウムの析出によるデンドライト成長、短絡といった危険が存在する。このため、負極へのリチウムイオンの吸蔵量は、あらかじめ吸蔵した分と、充電される分の和が、負極の吸蔵可能量以下であることが必要である。
したがって、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、該負極容量と正極容量の差の90%まで、リチウムイオンを負極に吸蔵させておくことを特徴とする。放電時におけるリチウムイオンの吸蔵量を、負極容量と正極容量の差の90%以下としておくことにより、充電時の負極面内におけるリチウムイオン吸蔵量のばらつきの程度を吸収することができる。
However, in the present invention, since lithium ions are used as a charge by a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, there is a risk of dendrite growth and short circuit due to lithium deposition. For this reason, the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode requires that the sum of the amount occluded in advance and the amount charged be equal to or less than the storable amount of the negative electrode.
Therefore, the capacitor according to the present invention is characterized in that the negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and lithium ions are occluded in the negative electrode up to 90% of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity. By setting the amount of occlusion of lithium ions during discharging to 90% or less of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity, it is possible to absorb the degree of variation in the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode surface during charging.
本発明に係るキャパシタは以下の方法により製造することができる。
本発明に係るキャパシタは、正極、負極の電極2枚を一対とし、これらの電極間にセパレーターを配置し、電解液を含浸することにより作製することができる。セパレーターとしては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンレテフタラート、ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ガラス繊維等からなる絶縁性膜が好ましい。セパレーターの平均孔径は特に限定されず、通常0.01μm〜5μm程度であり、平均厚さは通常10μm〜100μm程度である。
以下、各構成についてより詳しく説明する。
The capacitor according to the present invention can be manufactured by the following method.
The capacitor according to the present invention can be produced by forming a pair of two positive and negative electrodes, placing a separator between these electrodes, and impregnating the electrolyte. A known or commercially available separator can be used. For example, an insulating film made of polyolefin, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, cellulose, glass fiber or the like is preferable. The average pore diameter of the separator is not particularly limited, and is usually about 0.01 μm to 5 μm, and the average thickness is usually about 10 μm to 100 μm.
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
−正極−
本発明に係るキャパシタに用いる正極は、正極集電体(金属多孔体)に活性炭を主体とした正極活物質を充填することにより作製できる。
集電体に正極活物質を充填する場合の充填量(含有量)は特に制限されず、集電体の厚み、キャパシタの形状等に応じて適宜決定すればよいが、例えば、充填量は、13〜40mg/cm2程度、好ましく16〜32mg/cm2程度とすればよい。
正極活物質を充填する方法としては、例えば、活性炭等をペースト状にし、該活性炭正極ペーストを圧入法などの公知の方法などを使用すればよい。他には、例えば、活性炭正極ペースト中に集電体を浸漬し、必要に応じて減圧する方法、活性炭正極ペーストを集電体の一方面からポンプ等で加圧しながら充填する方法等が挙げられる。
-Positive electrode-
The positive electrode used for the capacitor according to the present invention can be produced by filling a positive electrode current collector (metal porous body) with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon.
The filling amount (content) when the current collector is filled with the positive electrode active material is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the thickness of the current collector, the shape of the capacitor, etc. 13~40mg / cm 2 or so, it may be the preferred 16~32mg / cm 2 approximately.
As a method for filling the positive electrode active material, for example, activated carbon or the like may be made into a paste, and a known method such as a press-fitting method may be used for the activated carbon positive electrode paste. Other methods include, for example, a method of immersing the current collector in an activated carbon positive electrode paste and reducing the pressure as necessary, and a method of filling the activated carbon positive electrode paste while applying pressure from one side of the current collector with a pump or the like. .
正極は、活性炭ペーストを充填した後、必要に応じて乾燥処理を施すことにより、ペースト中の溶媒が除去されてもよい。更に必要に応じて、活性炭ペーストを充填した後、ローラープレス機等により加圧することにより、圧縮成形されていてもよい。圧縮前後の厚さは、圧縮前の厚さは、通常300μm〜1500μm、好ましくは400μm〜1200μmとすればよく、圧縮成形後の厚さは、通常150μm〜700μm程度、好ましくは200μm〜600μm程度とすればよい。
また、電極には、リード端子が具備されていてもよい。リード端子は、溶接を行ったり、接着剤を塗布したりすることにより、取り付ければよい。
After the positive electrode is filled with the activated carbon paste, the solvent in the paste may be removed by performing a drying treatment as necessary. Further, if necessary, after being filled with activated carbon paste, it may be compression-molded by pressurizing with a roller press or the like. The thickness before and after compression is usually 300 μm to 1500 μm, preferably 400 μm to 1200 μm, and the thickness after compression molding is usually about 150 μm to 700 μm, preferably about 200 μm to 600 μm. do it.
The electrode may be provided with a lead terminal. The lead terminal may be attached by welding or applying an adhesive.
[正極活物質]
活性炭正極ペーストは、例えば、活性炭粉末を溶媒に混合機で攪拌することにより得られる。活性炭ペーストは、活性炭及び溶媒を含有していればよく、その配合割合は限定的ではない。溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、水等が挙げられる。特に、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを用いる場合は、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いればよく、バインダとしてポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等を用いる場合は、溶媒として水を用いればよい。また、必要に応じて導電性助剤、バインダ等の添加剤を含んでいてもよい。
[Positive electrode active material]
The activated carbon positive electrode paste is obtained, for example, by stirring activated carbon powder in a solvent with a mixer. The activated carbon paste should just contain activated carbon and a solvent, and the mixture ratio is not limited. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone and water. In particular, when polyvinylidene fluoride is used as a binder, N-methyl-2-pyrrolidone may be used as a solvent. When polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, or the like is used as a binder, water is used as a solvent. Good. Moreover, additives, such as a conductive support agent and a binder, may be included as needed.
(活性炭)
活性炭は電気二重層キャパシタ用に一般的に市販されているものを使用することができる。活性炭の原料としては、例えば、木材、ヤシ殻、パルプ廃液、石炭、石油重質油、又はそれらを熱分解した石炭・石油系ピッチのほか、フェノール樹脂などの樹脂などが挙げられる。炭化後に賦活するのが一般的であり、賦活法は、ガス賦活法及び薬品賦活法が挙げられる。ガス賦活法は、高温下で水蒸気、炭酸ガス、酸素等と接触反応させることにより活性炭を得る方法である。薬品賦活法は、上記原料に公知の賦活薬品を含浸させ、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、賦活薬品の脱水及び酸化反応を生じさせて活性炭を得る方法である。賦活薬品としては、例えば、塩化亜鉛、水酸化ナトリウム等が挙げられる。
活性炭の粒径は限定的でないが、20μm以下であることが好ましい。比表面積も限定的でなく、800〜3000m2/g程度が好ましい。この範囲とすることにより、キャパシタの静電容量を大きくすることができ、また、内部抵抗を小さくすることできる。
(Activated carbon)
The activated carbon can use what is generally marketed for electric double layer capacitors. Examples of the raw material for the activated carbon include wood, coconut shell, pulp waste liquid, coal, heavy petroleum oil, coal / petroleum pitch obtained by pyrolyzing them, and resins such as phenol resins. The activation is generally performed after carbonization, and examples of the activation method include a gas activation method and a chemical activation method. The gas activation method is a method in which activated carbon is obtained by contact reaction with water vapor, carbon dioxide gas, oxygen or the like at a high temperature. The chemical activation method is a method in which activated carbon is obtained by impregnating the above-mentioned raw material with a known activation chemical and heating it in an inert gas atmosphere to cause dehydration and oxidation reaction of the activation chemical. Examples of the activation chemical include zinc chloride and sodium hydroxide.
The particle size of the activated carbon is not limited, but is preferably 20 μm or less. The specific surface area is not limited, and is preferably about 800 to 3000 m 2 / g. By setting this range, the capacitance of the capacitor can be increased, and the internal resistance can be reduced.
(導電助剤)
導電助剤の種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維等が好ましい。これにより、キャパシタの導電性を向上させることができる。導電助剤の含量は限定的でないが、活性炭100質量部に対して0.1〜10質量部程度が好ましい。10質量部を超えると静電容量が低下するおそれがある。
(Conductive aid)
There is no restriction | limiting in particular in the kind of conductive support agent, A well-known or commercially available thing can be used. Examples thereof include acetylene black, ketjen black, carbon fiber, natural graphite (scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like. Among these, acetylene black, ketjen black, carbon fiber and the like are preferable. Thereby, the electrical conductivity of the capacitor can be improved. Although the content of the conductive assistant is not limited, it is preferably about 0.1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the activated carbon. If it exceeds 10 parts by mass, the capacitance may decrease.
(バインダ)
バインダの種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
バインダの含有量についても特に制限はないが、活性炭100質量部に対して好ましくは0.5〜5質量部である。この範囲とすることにより、電気抵抗の増加及び静電容量の低下を抑制しながら、結着強度を向上させることができる。
(Binder)
There is no restriction | limiting in particular in the kind of binder, A well-known or commercially available thing can be used. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, polyolefin, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose and the like.
Although there is no restriction | limiting in particular also about content of a binder, Preferably it is 0.5-5 mass parts with respect to 100 mass parts of activated carbon. By setting this range, the binding strength can be improved while suppressing an increase in electrical resistance and a decrease in capacitance.
[正極集電体]
前記正極集電体は、金属多孔体をクロマイジング処理することにより得られる。
(金属多孔体)
金属多孔体としては、前記活物質の充填性や多孔度の観点から、発泡状ニッケル、不織布状ニッケル等、発泡ウレタンや不織布を基材としたものを好ましく用いることができる。他にも、金属板に多数の小孔をあけたものや、金属板に凹凸を受けて擬似的に3次元構造としたもの、焼結体や連通気孔の構造体などが用いられる。
本発明は金属多孔体として不織布状ニッケルを用いるものであるが、以下では、発泡状ニッケル及び不織布状ニッケルの両方について述べる。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode current collector can be obtained by subjecting a metal porous body to chromizing treatment.
(Metal porous body)
As the metal porous body, from the viewpoint of the filling property and porosity of the active material, a material based on foamed urethane or nonwoven fabric, such as foamed nickel and nonwoven fabric nickel, can be preferably used. In addition, a metal plate having a large number of small holes, a metal plate having a three-dimensional structure by receiving irregularities, a sintered body, a structure of continuous air holes, and the like are used.
In the present invention, non-woven nickel is used as the metal porous body. Hereinafter, both foamed nickel and non-woven nickel will be described.
<発泡状ニッケル>
発泡状ニッケルは、発泡状樹脂の表面にニッケル被覆層を形成したのち、基材である樹脂を除去し、次いで必要に応じて還元性雰囲気中で加熱処理してニッケルを還元することにより得られる。
<Foamed nickel>
Foamed nickel is obtained by forming a nickel coating layer on the surface of the foamed resin, removing the resin as the base material, and then heat-treating in a reducing atmosphere as necessary to reduce nickel. .
発泡状樹脂は、多孔性のものであればよく公知又は市販のものを使用でき、例えば、発泡ウレタン、発泡スチレン等が挙げられる。これらの中でも、特に多孔度が大きい観点から、発泡ウレタンが好ましい。
発泡状樹脂の多孔度は、通常80〜97%程度、好ましくは90〜96%程度である。平均孔径は、通常20μm〜200μm程度、好ましくは30μm〜100μm程度である。発泡状樹脂の厚みは、電気二重層キャパシタの用途等に応じて適宜決定されるが、通常300μm〜1600μm程度、好ましくは400μm〜1200μm程度とすればよい。
As the foamed resin, any known or commercially available one can be used as long as it is porous, and examples thereof include foamed urethane and foamed styrene. Among these, urethane foam is preferable from the viewpoint of particularly high porosity.
The porosity of the foamed resin is usually about 80 to 97%, preferably about 90 to 96%. The average pore diameter is usually about 20 μm to 200 μm, preferably about 30 μm to 100 μm. The thickness of the foamed resin is appropriately determined according to the use of the electric double layer capacitor, but is usually about 300 μm to 1600 μm, preferably about 400 μm to 1200 μm.
発泡状樹脂の表面にニッケル被覆層を形成するには、公知のニッケル被覆方法を採用することができる。例えば、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法等が挙げられる。これらの被覆方法は単独で用いてもよく、複数の被覆方法を組み合わせて用いても良い。生産性、コストの観点からは、まず、無電解めっき法又はスパッタリング法によって発泡状樹脂表面を導電処理し、次いで、これに電解めっき法によって所望の目付量までニッケルめっきする方法を採用することが好ましい。 In order to form the nickel coating layer on the surface of the foamed resin, a known nickel coating method can be employed. For example, an electrolytic plating method, an electroless plating method, a sputtering method, and the like can be given. These coating methods may be used alone, or a plurality of coating methods may be used in combination. From the viewpoint of productivity and cost, it is possible to first apply a conductive treatment to the foamed resin surface by an electroless plating method or a sputtering method, and then apply a nickel plating method to the desired basis weight by an electrolytic plating method. preferable.
導電処理は、発泡状樹脂の表面に導電性を有する層を設けることができる限り限定的でない。導電性を有する層(導電被覆層)を構成する材料としては、例えば、ニッケル、チタン、ステンレススチール等の金属の他、黒鉛等が挙げられる。これらの中でも特にニッケルが好ましい。導電処理の具体例としては、例えば、ニッケルを用いる場合は、無電解めっき処理、スパッタリング処理等が好ましく挙げられる。また、チタン、ステンレススチール等の金属、黒鉛などの材料を用いる場合は、これら材料の微粉末にバインダを加えて得られる混合物を、発泡状樹脂に塗着する処理が好ましく挙げられる。 The conductive treatment is not limited as long as a conductive layer can be provided on the surface of the foamed resin. Examples of the material constituting the conductive layer (conductive coating layer) include graphite, in addition to metals such as nickel, titanium, and stainless steel. Among these, nickel is particularly preferable. As specific examples of the conductive treatment, for example, when nickel is used, electroless plating treatment, sputtering treatment, and the like are preferably exemplified. Moreover, when using materials, such as metals, such as titanium and stainless steel, and graphite, the process which coats the foamed resin with the mixture obtained by adding a binder to the fine powder of these materials is mentioned preferably.
ニッケルを用いた無電解めっき処理としては、例えば、還元剤として次亜リン骸ナトリウムを含有した硫酸ニッケル水溶液等の公知の無電解ニッケルめっき浴に発泡状樹脂を浸漬すればよい。必要に応じて、めっき浴浸漬前に、発泡状樹脂を微量のパラジウムイオンを含む活性化液(カニゼン社製の洗浄液)等に浸漬してもよい。ニッケルを用いたスパッタリング処理としては、例えば、基板ホルダーに発泡状樹脂を取り付けた後、不活性ガスを導入しながら、ホルダーとターゲット(ニッケル)との問に直流電圧を印加することにより、イオン化した不活性ガスをニッケルに衝突させて、吹き飛ばしたニッケル粒子を発泡状樹脂表面に堆積すればよい。 As the electroless plating treatment using nickel, for example, the foamed resin may be immersed in a known electroless nickel plating bath such as a nickel sulfate aqueous solution containing sodium hypophosphite as a reducing agent. If necessary, the foamed resin may be immersed in an activation liquid containing a trace amount of palladium ions (cleaning liquid manufactured by Kanigen Co., Ltd.) or the like before immersion in the plating bath. As a sputtering process using nickel, for example, after attaching a foamed resin to a substrate holder, ionization is performed by applying a DC voltage between the holder and the target (nickel) while introducing an inert gas. The nickel particles blown off may be deposited on the foamed resin surface by colliding the inert gas with nickel.
無電解めっき処理及び/又はスパッタリング処理によってニッケルめっき膜の厚みを増していけば電解めっき処理の必要性はないが、生産性、コストの観点から、上記したような、まず発泡樹脂を導電化処理し、次いで電解めっき法によりニッケルめっき層を形成する方法を採用することが好ましい。 If the thickness of the nickel plating film is increased by electroless plating and / or sputtering, there is no need for electrolytic plating, but from the viewpoint of productivity and cost, the foamed resin is first made conductive. Then, it is preferable to employ a method of forming a nickel plating layer by electrolytic plating.
電解ニッケルめっき処理は、常法に従って行えばよい。前記の無電解メッキやスパッタリングにより表面に導電層を形成された発泡樹脂をメッキ浴に浸し、発泡樹脂を陰極に、ニッケル対極板を陽極に接続して直流或いはパルス断続電流を通電させることにより、導電層上に、さらにニッケルの被覆を形成することができる。電解ニッケルめっき処理に用いるめっき浴としては、公知又は市販のものを使用することができ、例えば、ワット浴、塩化浴、スルファミン酸浴等が挙げられる。 What is necessary is just to perform an electrolytic nickel plating process in accordance with a conventional method. By immersing the foamed resin having a conductive layer formed on the surface by electroless plating or sputtering in a plating bath, connecting the foamed resin to the cathode, and connecting the nickel counter electrode to the anode, and applying a direct current or pulsed intermittent current, A nickel coating can be further formed on the conductive layer. As the plating bath used for the electrolytic nickel plating treatment, a known or commercially available bath can be used, and examples thereof include a watt bath, a chloride bath, a sulfamic acid bath, and the like.
導電被覆層及び電解めっき層の目付量(付着量)は特に制限されない。導電被覆層は発泡状樹脂表面に連続的に形成されていればよく、電解ニッケルめっき層は導電被覆層が露出しない程度に当該導電被覆層上に形成されていればよい。
導電被覆層の目付量は限定的でなく、通常5〜15g/m2程度、好ましくは7〜10g/m2程度とすればよい。電解ニッケルめっき層の目付量は限定的でなく、通常150〜500g/m2程度、好ましくは200〜450g/m2程度とすればよい。
これら導電被覆層、電解ニッケルめっき層の目付量の合計量としては、好ましくは200g/m2以上500g/m2以下である。合計量がこの範囲を下回ると、集電体の強度が衰えるおそれがある。また、合計量がこの範囲を上回ると、分極性材料の充填量が減少し、またコスト的にも不利となる。
The basis weight (attachment amount) of the conductive coating layer and the electrolytic plating layer is not particularly limited. The conductive coating layer only needs to be formed continuously on the foamed resin surface, and the electrolytic nickel plating layer only needs to be formed on the conductive coating layer to the extent that the conductive coating layer is not exposed.
The basis weight of the conductive coating layer is not limited, and is usually about 5 to 15 g / m 2 , preferably about 7 to 10 g / m 2 . The basis weight of the electrolytic nickel plating layer is not limited and is usually about 150 to 500 g / m 2 , preferably about 200 to 450 g / m 2 .
The total amount of the basis weight of the conductive coating layer and the electrolytic nickel plating layer is preferably 200 g / m 2 or more and 500 g / m 2 or less. When the total amount is below this range, the strength of the current collector may be reduced. On the other hand, if the total amount exceeds this range, the filling amount of the polarizable material is reduced, which is disadvantageous in terms of cost.
次いで、上記により得られた導電被覆層/ニッケルめっき層形成発泡状樹脂中の発泡状樹脂成分を除去する。除去方法は限定的でないが、焼却により除去することが好ましい。具体的には、例えば600℃程度以上の大気等の酸化性雰囲気下で加熱すればよい。また、水素等の還元性雰囲気中750℃程度以上で加熱してもよい。これにより、導電被覆層、電解ニッケルめっき層からなる金属多孔体が得られる。得られた多孔体を還元性雰囲気下で加熱処理してニッケルを還元することにより発泡状ニッケルが得られる。 Next, the foamed resin component in the conductive coating layer / nickel plating layer-formed foamed resin obtained as described above is removed. Although the removal method is not limited, it is preferably removed by incineration. Specifically, the heating may be performed in an oxidizing atmosphere such as air of about 600 ° C. or higher. Moreover, you may heat at about 750 degreeC or more in reducing atmosphere, such as hydrogen. Thereby, the metal porous body which consists of a conductive coating layer and an electrolytic nickel plating layer is obtained. Foamed nickel is obtained by heat-treating the obtained porous body in a reducing atmosphere to reduce nickel.
<不織布状ニッケル>
不織布状ニッケルは、樹脂不織布の表面にニッケル被覆層を形成したのち、基材である樹脂を除去し、次いで必要に応じて還元性雰囲気中で加熱処理してニッケルを還元することにより得られる。
本発明で用いる多孔質不織布は、公知又は市販のものを使用することができるが、熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のオレフィン単独重合体からなる繊維、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体等のオレフィン共重合体からなる織碓、これら繊維の混合物が挙げられる。ポリオレフィン系樹脂繊維を構成するポリオレフィン系樹脂の分子量及び密度は特に限定されず、ポリオレフィン系樹脂の種類等に応じて適宜決定すればよい。また、融点の異なる2種の成分からなる芯鞘型繊維を用いても良い。
<Nonwoven fabric nickel>
The non-woven nickel is obtained by forming a nickel coating layer on the surface of the non-woven resin, removing the resin as the base material, and then reducing the nickel by heat treatment in a reducing atmosphere as necessary.
The porous nonwoven fabric used in the present invention may be a known or commercially available one, but is preferably a thermoplastic resin. For example, fibers made of olefin homopolymers such as polyethylene, polypropylene, polybutene, woven fabric made of olefin copolymers such as ethylene-propylene copolymer, ethylene-butene copolymer, propylene-butene copolymer, and these fibers Of the mixture. The molecular weight and density of the polyolefin resin constituting the polyolefin resin fiber are not particularly limited, and may be appropriately determined according to the type of the polyolefin resin. Moreover, you may use the core-sheath-type fiber which consists of two types of components from which melting | fusing point differs.
芯鞘型複合繊維の具体例としては、ポリプロピレンを芯成分に、ポリエチレンを鞘成分とした芯鞘型繊維を挙げることができる。この場合、ポリプロピレン樹脂:ポリエチレン樹脂の配合割合(質量比)は、通常20:80〜80:20程度であり、好ましくは40:60〜70:30程度である。 Specific examples of the core-sheath type composite fiber include a core-sheath type fiber having polypropylene as a core component and polyethylene as a sheath component. In this case, the blending ratio (mass ratio) of polypropylene resin: polyethylene resin is usually about 20:80 to 80:20, preferably about 40:60 to 70:30.
樹脂繊維の平均繊維径は、通常9μm〜70μm程度、好ましくは10μm〜50μm程度とすればよい。平均繊維長も限定的でなく、通常5mm〜100mm程度、好ましくは30mm〜70mm程度とすればよい。不織布の多孔度は、通常80〜97%程度であり、好ましくは86〜96%程度である。この範囲にすることにより、分極性電極としての強度を保ちつつ不織布状集電体中に活性炭を多く充填することができ、キャパシタの高出力化及び高容量化が可能となる。
また、不織布の孔径は、通常10μm〜250μm程度、好ましくは15μm〜200μm程度である。なお、孔径はバブルポイント法により測定されるものである。不織布の平均厚みは、製造する電気二重層キャパシタの用途、目的等に応じて適宜決定すればよいが、通常100μm〜1000μm程度、好ましくは150μm〜800μm程度とすればよい。
The average fiber diameter of the resin fibers is usually about 9 μm to 70 μm, preferably about 10 μm to 50 μm. The average fiber length is not limited and is usually about 5 mm to 100 mm, preferably about 30 mm to 70 mm. The porosity of the nonwoven fabric is usually about 80 to 97%, preferably about 86 to 96%. By setting this range, it is possible to fill the nonwoven fabric current collector with a large amount of activated carbon while maintaining the strength as a polarizable electrode, and it is possible to increase the output and capacity of the capacitor.
Moreover, the hole diameter of a nonwoven fabric is about 10 micrometers-about 250 micrometers normally, Preferably it is about 15 micrometers-200 micrometers. The pore diameter is measured by the bubble point method. The average thickness of the nonwoven fabric may be appropriately determined according to the use, purpose, etc. of the electric double layer capacitor to be produced, but is usually about 100 μm to 1000 μm, preferably about 150 μm to 800 μm.
不織布は、めっき処理に先立って、ニードルパンチ法、水流交絡法等の交絡処理、樹脂繊維の軟化温度付近での熱処理などの前処理を行ってもよい。この前処理によって、繊維同士の結合が強固になり、不織布の強度を向上させることができる。その結果、活性炭を当該不織布に充填する際に必要な三次元構造を十分に保持することができる Prior to the plating treatment, the nonwoven fabric may be subjected to a pretreatment such as a confounding treatment such as a needle punch method or a hydroentanglement method, or a heat treatment near the softening temperature of the resin fiber. By this pretreatment, the bonds between the fibers are strengthened, and the strength of the nonwoven fabric can be improved. As a result, the three-dimensional structure necessary for filling the nonwoven fabric with activated carbon can be sufficiently retained.
不織布は、通常、公知の乾式法及び湿式法のいずれかで製造されるが、本発明ではいずれの方法で製造されたものでもかまわない。乾式法としては、例えば、カート法、エアレイ法、メルトブロー法、スパンボンド法等が挙げられる。湿式法としては、例えば、単繊維を水中に分散し網状ネット上に漉す方法等が挙げられる。本発明では、目付量及び厚みのばらつきが小さく、厚みが均一な集電体を製造できる観点から、湿式法により得られた不織布を使用することが好ましい。 The nonwoven fabric is usually produced by any one of the known dry method and wet method, but may be produced by any method in the present invention. Examples of the dry method include a cart method, an air lay method, a melt blow method, and a spun bond method. Examples of the wet method include a method of dispersing single fibers in water and placing them on a net-like net. In the present invention, it is preferable to use a nonwoven fabric obtained by a wet method from the viewpoint of producing a current collector with a small basis weight and a small variation in thickness and a uniform thickness.
樹脂不織布の表面にニッケル被覆層を形成するためには、前記発泡状樹脂の場合と同様に、公知のニッケル被覆方法を採用することができる。
すなわち、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法等が挙げられ、これら単独でもよく、複数の被覆方法を組み合わせても良い。発泡状樹脂の場合と同様に樹脂不織布表面を導電処理し、次いで、これに電解めっき法によって所望の目付量までニッケルめっきする方法を採用することが好ましい。
In order to form the nickel coating layer on the surface of the resin nonwoven fabric, a known nickel coating method can be employed as in the case of the foamed resin.
That is, an electroplating method, an electroless plating method, a sputtering method, and the like can be mentioned. These may be used alone or a plurality of coating methods may be combined. It is preferable to employ a method in which the surface of the resin nonwoven fabric is subjected to conductive treatment in the same manner as in the case of the foamed resin, and then nickel plating is applied to the desired basis weight by electrolytic plating.
導電処理は、前記発泡状樹脂の場合と同様の方法を採用することができる。なお、導電処理としてスパッタリング処理を行う場合には、樹脂不織布が溶解しない温度下で行うことが好ましい。具体的には、100〜200℃程度、好ましくは120〜180℃程度で行えばよい。
導電性被覆層の目付量は不織布に導電性を付与できる程度あればよい。例えば、5g/m2〜15g/m2程度、好ましくは7g/m2〜10g/m2程度とすればよい。
For the conductive treatment, the same method as in the case of the foamed resin can be adopted. In addition, when performing a sputtering process as an electroconductive process, it is preferable to carry out at the temperature which a resin nonwoven fabric does not melt | dissolve. Specifically, it may be performed at about 100 to 200 ° C, preferably about 120 to 180 ° C.
The basis weight of the conductive coating layer is sufficient if it can impart conductivity to the nonwoven fabric. For example, 5g / m 2 ~15g / m 2 , preferably about may be set to 7g / m 2 ~10g / m 2 approximately.
電解ニッケルめっき処理も、上記発泡状樹脂の場合と同様に、常法に従って行えばよい。電解ニッケルめっき層の目付量は、導電性、多孔度、強度、耐食性、経済性等の観点から、不織布に対して150〜500g/m2程度、好ましくは200〜450g/m2程度とすればよい。合計量がこの範囲を下回ると、集電体の強度が衰えるおそれがある。また、合計量がこの範囲を上回ると、分極性材料の充填量が減少したり、コスト的に不利となったりする。 Similarly to the foamed resin, the electrolytic nickel plating treatment may be performed according to a conventional method. Basis weight of the electroless nickel plating layer, conductivity, porosity, strength, corrosion resistance, from the viewpoint of economic efficiency, 150~500g / m 2 about relative nonwoven, if preferably the 200~450g / m 2 about Good. When the total amount is below this range, the strength of the current collector may be reduced. On the other hand, if the total amount exceeds this range, the filling amount of the polarizable material is reduced or the cost is disadvantageous.
樹脂不織布の除却処理も、発泡状樹脂の場合と同様に行える。すなわち、加熱により焼却すればよい。得られた不織布状多孔体を還元性雰囲気下で加熱処理してニッケルを還元することにより発泡状ニッケルが得られる。 The removal treatment of the resin nonwoven fabric can be performed in the same manner as the foamed resin. That is, it may be incinerated by heating. Foamed nickel is obtained by heat-treating the obtained non-woven porous body under a reducing atmosphere to reduce nickel.
(クロマイジング処理)
クロマイジング処理は、ニッケル膜にクロムを拡散浸透させる処理であり、公知の手法を採用できる。例えば、前記金属多孔体(発泡状ニッケル、不織布状ニッケル等)にクロム粉末、ハロゲン化物、アルミナ粉末を混合した浸透材を充填して還元性雰囲気で加熱する粉末パック法を採用することができる。また、浸透材と金属多孔体を離間して配置し、還元性雰囲気中で加熱し、浸透材のガスを形成して金属多孔体表面のニッケルに浸透材を浸透させることもできる。
ニッケルクロムは製造方法が確立しているため、アルミニウムやステンレスの多孔体に比べて安価に製造することができる。
(Chromizing treatment)
The chromizing process is a process of diffusing and infiltrating chromium into the nickel film, and a known method can be adopted. For example, a powder pack method in which the metal porous body (foamed nickel, non-woven nickel, etc.) is filled with a penetrant mixed with chromium powder, halide, and alumina powder and heated in a reducing atmosphere can be employed. Alternatively, the infiltrating material and the porous metal body can be spaced apart and heated in a reducing atmosphere to form a gas for the infiltrating material to infiltrate the infiltrating material into nickel on the surface of the porous metal body.
Since nickel chrome has an established manufacturing method, it can be manufactured at a lower cost than aluminum or stainless steel porous bodies.
ニッケルクロム中のクロムの含有量はクロマイズ処理の加熱時間によって調整することができる。本発明においてはクロマイジング処理によってクロムの含有率を25質量%以上とすることが必要である。クロムの含有率は25〜50質量%であり、好ましくは30〜40質量%である。25質量%未満であると耐酸化性が不足し、50質量%を超えると電気抵抗が増加して集電性が下がる。 The content of chromium in nickel chromium can be adjusted by the heating time of the chromization treatment. In the present invention, the chromium content must be 25% by mass or more by chromizing treatment. The chromium content is 25-50% by mass, preferably 30-40% by mass. If it is less than 25% by mass, the oxidation resistance is insufficient, and if it exceeds 50% by mass, the electrical resistance increases and the current collecting performance decreases.
不織布状ニッケルクロムを構成する繊維の太さは、12〜90μmであることが好ましい。繊維の太さが12μmより細いと、集電体の目が細かくなり過ぎて活物質の充填性が悪くなって静電容量が小さくなってしまう。一方、90μmより太いと活物質ペーストの保持性が悪くなって充填量が減り、静電容量が小さくなる。更に、目が大きいことで集電性も悪くなる。
発泡状ニッケルクロム、不織布状ニッケルクロムの多孔度は80〜97%であることが好ましい。この範囲とすることにより、分極性電極としての強度を保ちつつ、集電体中に活性炭を多く充填することができ、キャパシタの高出力化及び高容量化が可能となる。
The thickness of the fibers constituting the non-woven nickel chrome is preferably 12 to 90 μm. When the thickness of the fiber is thinner than 12 μm, the current collector becomes too fine and the filling property of the active material is deteriorated, and the electrostatic capacity is reduced. On the other hand, when the thickness is larger than 90 μm, the retention of the active material paste is deteriorated, the filling amount is reduced, and the capacitance is reduced. Furthermore, current collection is also worsened by the large eyes.
The porosity of foamed nickel chrome and non-woven nickel chrome is preferably 80 to 97%. By setting it as this range, it is possible to fill the current collector with a large amount of activated carbon while maintaining the strength as a polarizable electrode, and it becomes possible to increase the output and capacity of the capacitor.
以上の方法により作製される正極集電体は、ニッケルをクロマイジング処理された被覆層からなる構造を有するためニッケルの耐食性が上がり、非水系キャパシタの電圧でもニッケルが酸化されずに集電体として使用することができる。更に、かかる正極集電体は多孔体構造であるため、より多くの活性炭を充填することができ、静電容量を向上させることができる。また、多孔体中の空隙に活性炭が包まれる構造であるため、活性炭と集電体とを結合させるためのバインダ(絶縁体)等の含有量を少なくすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
集電体の平均厚みは、通常100μm〜1000μm程度、好ましくは150〜800μm程度とすればよい。
The positive electrode current collector produced by the above method has a structure composed of a coating layer obtained by chromizing nickel, so that the corrosion resistance of nickel is improved, and the nickel is not oxidized even by the voltage of a non-aqueous capacitor. Can be used. Furthermore, since the positive electrode current collector has a porous structure, it can be filled with more activated carbon, and the capacitance can be improved. Moreover, since the activated carbon is enclosed in the voids in the porous body, the content of the binder (insulator) for binding the activated carbon and the current collector can be reduced, and the internal resistance can be reduced. Can do.
The average thickness of the current collector is usually about 100 μm to 1000 μm, preferably about 150 to 800 μm.
−負極−
負極は、金属箔等による負極集電体に、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布することにより作製することができる。負極活物質を塗布する方法としては、例えば、炭素材料をペースト状にし、該負極活物質ペーストをドクターブレード法等により塗布する方法が挙げられる。また、必要に応じて、乾燥後にローラープレス機等により加圧成形してもよい。
炭素材料にリチウムイオンを吸蔵させるには、例えば、下記工程を経て作製した負極にLi箔を圧着させておき、製造後のセル(キャパシタ)を60℃の恒温層中で24時間保
温する等の方法が挙げられる。他にも、炭素材料とリチウム材料を混合してメカニカルアロイ法で混合する方法や、Li金属をキャパシタセルに組み込んで、負極とLi金属を短絡する方法が挙げられる。
-Negative electrode-
The negative electrode can be produced by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions to a negative electrode current collector made of metal foil or the like. Examples of the method for applying the negative electrode active material include a method in which a carbon material is made into a paste and the negative electrode active material paste is applied by a doctor blade method or the like. Moreover, you may press-mold with a roller press etc. after drying as needed.
In order to occlude lithium ions in the carbon material, for example, a Li foil is pressure-bonded to the negative electrode produced through the following steps, and the manufactured cell (capacitor) is kept in a constant temperature layer at 60 ° C. for 24 hours. A method is mentioned. In addition, there are a method in which a carbon material and a lithium material are mixed and mixed by a mechanical alloy method, and a method in which Li metal is incorporated in a capacitor cell and the negative electrode and the Li metal are short-circuited.
[負極集電体]
負極集電体としては、金属箔を好ましく用いることができる。かかる金属は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスのいずれかであることが好ましい。
[Negative electrode current collector]
A metal foil can be preferably used as the negative electrode current collector. Such metal is preferably, for example, aluminum, copper, nickel, or stainless steel.
[負極活物質]
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を溶媒にまぜ、混合機で攪拌することにより得られる。必要に応じて導電性助剤、バインダを含んでもよい。(炭素材料)
炭素材料としては、リチウムイオンを吸蔵脱離できるものであれば特に限定されないが、例えば、黒鉛系材料、易黒鉛化炭素材料等が挙げられる。また、理論容量が300mAh/g以上あるものが好ましい。
(導電性助剤)
導電性助剤としては、前記正極活物質の場合と同様に、公知又は市販のものが使用できる。すなわち、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。
(バインダ)
バインダも、前記正極活物質の場合と同様に、特に種類に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material can be obtained by mixing a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions in a solvent and stirring with a mixer. A conductive auxiliary agent and a binder may be included as needed. (Carbon material)
The carbon material is not particularly limited as long as it can occlude and desorb lithium ions, and examples thereof include graphite materials and graphitizable carbon materials. Moreover, what has a theoretical capacity of 300 mAh / g or more is preferable.
(Conductive aid)
As the conductive auxiliary agent, a known or commercially available one can be used as in the case of the positive electrode active material. That is, for example, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, natural graphite (scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like can be mentioned.
(Binder)
The binder is not particularly limited as in the case of the positive electrode active material, and a known or commercially available binder can be used. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, polyolefin, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose and the like.
−非水電解液−
本発明に係るキャパシタはリチウムを有するため、電解液としては、非水電解液を用いる必要がある。かかる非水電解液は、例えば、充放電に必要なリチウム塩を有機溶媒に溶かしたものを使用することができる。
(リチウム塩)
リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等を用いることができ
る。これらは、単独で用いてもよく、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。
(溶媒)
上記リチウム塩を溶かす溶媒としては、例えば、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、エチルメチルカーボネイトから選ばれるいずれか1種以上を好ましく用いることができる。
-Non-aqueous electrolyte-
Since the capacitor according to the present invention contains lithium, it is necessary to use a nonaqueous electrolytic solution as the electrolytic solution. As such a nonaqueous electrolytic solution, for example, a solution obtained by dissolving a lithium salt necessary for charging and discharging in an organic solvent can be used.
(Lithium salt)
As the lithium salt, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 or the like can be used. These may be used alone or in combination of any one or more.
(solvent)
As the solvent for dissolving the lithium salt, for example, one or more selected from ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate can be preferably used.
以上の方法により製造される、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることが好ましい。このように正極で容量を規制することにより、リチウムのデンドライト成長による短絡を防止することができる。 The capacitor according to the present invention manufactured by the above method preferably has a negative electrode capacity larger than the positive electrode capacity, and a lithium ion occlusion amount is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. By regulating the capacity with the positive electrode in this way, a short circuit due to lithium dendrite growth can be prevented.
[試験例1]
(正極集電体の作製)
発泡状ニッケルにクロマイジング処理をして、発泡状のニッケルクロム合金基材を作製した。発泡状ニッケルは、ウレタンシート(市販品、平均孔径90μm、厚さ1.4mm、多孔度96%)に導電処理後、所定量のニッケルめっきを行い、ウレタンを大気中800℃で焼却除去後に還元性雰囲気(水素)で1000℃に過熱し、ニッケルを還元して作製した。導電処理はスパッタリングにより10g/m2のニッケルをつけた。ニッケルめっき量は、導電処理の分も合計して400g/m2になるようにした。作製した発泡ニッケルは、平均孔径80μm、厚さ1.2mm、多孔度95%となった。
[Test Example 1]
(Preparation of positive electrode current collector)
The foamed nickel was chromized to produce a foamed nickel-chromium alloy substrate. Foamed nickel is reduced after the urethane sheet (commercially available product, average pore diameter 90 μm, thickness 1.4 mm, porosity 96%) is subjected to conductive treatment, then plated with a predetermined amount of nickel, and urethane is removed by incineration at 800 ° C. in the atmosphere. It was made by heating to 1000 ° C. in a neutral atmosphere (hydrogen) and reducing nickel. For the conductive treatment, 10 g / m 2 of nickel was applied by sputtering. The total amount of nickel plating was 400 g / m 2 for the conductive treatment. The produced foamed nickel had an average pore diameter of 80 μm, a thickness of 1.2 mm, and a porosity of 95%.
クロマイジング処理は、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材を基材に充填して還元雰囲気で過熱する粉末パック法を用いて行った。作製した発泡状ニッケルに浸透材(クロム:90%、NH4Cl:1%、Al2O3:9%)を充填し、水素ガス雰囲気中で800℃に加熱した。
このようにして得られた発泡状のニッケルクロム合金基材クロムの含有量を、クロマイズ処理の加熱時間で調整し、クロム含有量がそれぞれ30wt%の基材を作製し、集電体aとした。作製した集電体の厚さは1.4mmであった。
The chromizing treatment was performed using a powder pack method in which a base material was filled with a penetrating material mixed with chromium powder, a halide, and alumina and heated in a reducing atmosphere. The produced foamed nickel was filled with a penetrating material (chrome: 90%, NH 4 Cl: 1%, Al 2 O 3 : 9%) and heated to 800 ° C. in a hydrogen gas atmosphere.
The content of the foamed nickel-chromium alloy substrate chromium thus obtained was adjusted by the heating time of the chromization treatment, and a substrate having a chromium content of 30 wt% was prepared, and the current collector a was obtained. . The thickness of the produced current collector was 1.4 mm.
(正極の作製)
活性炭粉末(比表面積2500m2/g、平均粒径約5μm)100重量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)2重量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末4重量部、溶媒としてN-メチルピロリドン(NMP)15重量部を添加し、混合機で攪拌することにより、活性炭正極ペーストを調製した。
この活性炭ペーストを上記集電体に、活性炭の含量が30mg/cm2となるように充填した。実際の充填量は31mg/cm2であった。次に、乾燥機で100℃、1時間乾燥させて溶媒を除去した後、直径500ミリのローラープレス機(スリット:500μm)で加圧して試験例1の正極Aを得た。加圧後の厚さは680μmであった。
(Preparation of positive electrode)
100 parts by weight of activated carbon powder (specific surface area 2500 m 2 / g, average particle size of about 5 μm), 2 parts by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, N-methyl as a solvent Activated carbon positive electrode paste was prepared by adding 15 parts by weight of pyrrolidone (NMP) and stirring with a mixer.
This activated carbon paste was filled in the current collector so that the activated carbon content was 30 mg / cm 2 . The actual filling amount was 31 mg / cm 2 . Next, after drying by 100 degreeC with a dryer for 1 hour and removing a solvent, it pressurized with the roller press machine (slit: 500 micrometers) of diameter 500mm, and the positive electrode A of Test Example 1 was obtained. The thickness after pressing was 680 μm.
(負極集電体)
厚さ20μmの銅箔を用いた。
(負極の作製)
リチウムを吸蔵脱離できる天然黒鉛粉末100重量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)2重量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末4重量部、溶媒としてN-メチルピロリドン(NMP)15重量部を添加し、混合機で攪拌することにより、黒鉛系負極ペーストを調製した。
この黒鉛系負極ペーストを上記の銅箔上に、ドクターブレード(ギャップ400μm)を用いて塗布した。実際の塗布量は10mg/cm2であった。次に、乾燥機で100℃、1時間乾燥させて溶媒を除去した後、直径500ミリのローラープレス機(スリット:200μm)で加圧して試験例1の負極A’を得た。加圧後の厚さは220μmであった。
(Negative electrode current collector)
A copper foil having a thickness of 20 μm was used.
(Preparation of negative electrode)
100 parts by weight of natural graphite powder capable of occluding and releasing lithium, 2 parts by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, and 15 parts by weight of N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent Was added and stirred with a mixer to prepare a graphite-based negative electrode paste.
This graphite-based negative electrode paste was applied onto the above copper foil using a doctor blade (gap 400 μm). The actual coating amount was 10 mg / cm 2 . Next, after drying by 100 degreeC with a dryer for 1 hour and removing a solvent, it pressurized by the roller press machine (slit: 200 micrometers) of diameter 500mm, and negative electrode A 'of Test Example 1 was obtained. The thickness after pressing was 220 μm.
(セルの作製)
正極A及び負極A’をさらに200℃で8時間、減圧環境で乾燥した。これらをドライルーム中(露点−65℃)にうつし、得られた正極A及び負極A’を直径14mmに打ち抜き、その後、負極A’に厚さ50μmのリチウム金属箔を圧着した。両電極の間にポリプロピレン製のセパレーターを挟んで対向させて単セル素子とし、ステンレススチール製スペーサを用いてR2032サイズのコインセルケースに収納し、1mol/LのLiPF6を溶かした、エチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)を体積比1:1で混合した電解液を注入して電極及びセパレーターに含浸した。さらに、プロピレン製の絶縁ガスケットを介してケース蓋を締めて封口して、コイン形の試験用電気二重層キャパシタAを作製した。
その後、60℃の恒温槽中で24時間放置した。この操作により、負極に圧着したリチウムがイオン化して負極の黒鉛に吸蔵される。
(Production of cell)
The positive electrode A and the negative electrode A ′ were further dried at 200 ° C. for 8 hours in a reduced pressure environment. These were transferred into a dry room (dew point −65 ° C.), and the obtained positive electrode A and negative electrode A ′ were punched out to a diameter of 14 mm, and then a 50 μm thick lithium metal foil was pressure bonded to the negative electrode A ′. Between the electrodes are opposed across a polypropylene separator and in single cell device, using a stainless steel spacer accommodated in R2032 size coin cell casing was dissolved LiPF 6 of 1 mol / L, ethylene carbonate (EC ) And diethyl carbonate (DEC) mixed at a volume ratio of 1: 1 were injected to impregnate the electrodes and separator. Further, the case lid was tightened and sealed through an insulating gasket made of propylene to produce a coin-shaped test electric double layer capacitor A.
Then, it was left to stand in a 60 degreeC thermostat for 24 hours. By this operation, lithium pressure-bonded to the negative electrode is ionized and occluded in the negative electrode graphite.
[試験例2]
正極集電体として、アルミニウム箔(市販品、厚さ20μm)を用いた。試験例1で作製した正極活物質ペーストをドクターブレード法により両面合計が10mg/cm2となるように塗着して圧延し、試験例2の正極Bを作製した。実際の塗布量は11mg/cm2、電極の厚みは、222μmであった。
これ以降の操作は試験例1と全く同じにしてコイン型の電気二重層キャパシタBを作製した。
[Test Example 2]
An aluminum foil (commercial product, thickness 20 μm) was used as the positive electrode current collector. The positive electrode active material paste produced in Test Example 1 was applied by a doctor blade method so that the total of both surfaces was 10 mg / cm 2 and rolled, and positive electrode B of Test Example 2 was produced. The actual coating amount was 11 mg / cm 2 , and the electrode thickness was 222 μm.
The subsequent operation was exactly the same as in Test Example 1 to produce a coin-type electric double layer capacitor B.
[試験例3]
負極として試験例1で用いた正極と同じものを用いて電気二重層キャパシタCを作製した。電解液はテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを1mol/Lとなるように溶解したプロピレンカーボネート溶液を用い、セパレーターはセルロース繊維製セパレーター(厚さ60μm、密度450mg/cm3、多孔度70%)を用いた。
[Test Example 3]
An electric double layer capacitor C was produced using the same negative electrode as that used in Test Example 1 as the negative electrode. As the electrolytic solution, a propylene carbonate solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved to 1 mol / L was used, and a separator made of cellulose fiber (thickness 60 μm, density 450 mg / cm 3 , porosity 70%) was used.
<静電容量の評価>
試験例1〜3と同様のキャパシタをそれぞれ10個作製し、充電を2mA/cm2で2時間、放電を1mA/cm2で行い、初期静電容量及び充電電圧・作動電圧範囲を調べた。それらの平均値を表1に示す。
<Evaluation of capacitance>
Ten capacitors similar to those of Test Examples 1 to 3 were respectively prepared, charged at 2 mA / cm 2 for 2 hours, and discharged at 1 mA / cm 2 , and the initial capacitance and the charging voltage / operating voltage range were examined. Their average values are shown in Table 1.
表1から明らかなように、本発明のキャパシタは、試験例2のAl箔を使用したキャパシタよりも、静電容量が大きく、作動電圧の範囲も通常の構成の電気二重層キャパシタ(試験例3)より大きいため、エネルギー密度が向上できる。 As is apparent from Table 1, the capacitor of the present invention has an electric capacitance larger than that of the capacitor using the Al foil of Test Example 2 and the electric voltage range of the normal configuration (Test Example 3). ), The energy density can be improved.
<耐久性試験1>
次に、キャパシタ特性として重要な耐久性を調べた。高電圧で保持されたときの耐久性は、バックアップ用などの用途で重要である。65℃で表1に示した各セルの充電電圧を印加しながら2000時間保持した。その後25℃にして静電容量を測定し、初期からの静電容量の変化率を調べた。結果を表2に示す。
<Durability test 1>
Next, durability important as capacitor characteristics was examined. Durability when held at a high voltage is important in applications such as backup. While applying the charging voltage of each cell shown in Table 1 at 65 ° C., it was held for 2000 hours. Thereafter, the capacitance was measured at 25 ° C., and the rate of change in capacitance from the initial stage was examined. The results are shown in Table 2.
表2から明らかなように、試験例1は従来の構成である試験例2、3と同様、2000時間経過後も静電容量及び内部抵抗の変化は小さかった。したがって、本発明の電気二重層キャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、耐久性に優れていることが分かった。 As is clear from Table 2, the changes in the capacitance and the internal resistance of Test Example 1 were small even after 2000 hours, as in Test Examples 2 and 3 having the conventional configuration. Therefore, it was found that the electric double layer capacitor of the present invention has a high capacitance and is excellent in durability.
<耐久性試験2>
別の耐久性評価法として充放電サイクル特性を調べた。サイクル特性はセルの寿命を現す重要な指標である。条件として、雰囲気温度45℃で0.5〜3.0Vの間で1mAの定電流による充放電サイクルを1万回繰り返し、1万サイクル後の放電容量を測定し、初期容量と比較して評価を行った。その結果を表3に示す。
<Durability test 2>
The charge / discharge cycle characteristics were examined as another durability evaluation method. Cycle characteristics are an important indicator of cell life. As conditions, charge and discharge cycles with a constant current of 1 mA at an ambient temperature of 45 ° C. between 0.5 and 3.0 V were repeated 10,000 times, and the discharge capacity after 10,000 cycles was measured and evaluated in comparison with the initial capacity. Went. The results are shown in Table 3.
表3から明らかなように、試験例1は従来の構成である試験例2、3と同様、1万サイクル経過後も静電容量の変化は小さかった。したがって、本発明の電気二重層キャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、寿命に優れていることが分かった。
以上により、本発明の集電体をキャパシタ用の電極に用いた場合、従来のキャパシタに比べて容量・耐久性に優れたキャパシタを提供できることが分かった。
上記の試験例1は発泡状ニッケルクロム合金についてのものであるが、クロマイジング処理によって得られたニッケルクロム合金を用いる金属多孔体である不織布状ニッケルクロム合金を用いたキャパシタについても同様の効果が奏されることは明らかである。
As is clear from Table 3, the change in the capacitance of Test Example 1 was small even after 10,000 cycles had passed, as was the case with Test Examples 2 and 3 of the conventional configuration. Therefore, it was found that the electric double layer capacitor of the present invention has a high capacitance and an excellent lifetime.
From the above, it has been found that when the current collector of the present invention is used as an electrode for a capacitor, a capacitor superior in capacity and durability compared to a conventional capacitor can be provided.
Although Test Example 1 described above is for a foamed nickel-chromium alloy, the same effect is obtained for a capacitor using a non-woven nickel-chromium alloy, which is a porous metal body using a nickel-chromium alloy obtained by chromizing treatment. It is clear that it is played.
Claims (5)
金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、
金属箔にリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料を主体とした負極活物質を塗布した負極と、
リチウム塩を含む非水電解液を備え、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたキャパシタであって、
前記金属多孔体が、ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得たニッケル目付150〜500g/m2の不織布状ニッケルに、クロマイジング処理を行って作製した、クロムの含有量が25質量%以上で、多孔度が80〜97%の不織布状ニッケルクロム合金であることを特徴とするキャパシタ。 at least,
A positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body;
A negative electrode obtained by applying a negative electrode active material mainly composed of a carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions to a metal foil;
A capacitor comprising a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and having lithium ions occluded in a negative electrode by a chemical or electrochemical method
The metal porous body is made of a non-woven fabric nickel having a nickel basis weight of 150 to 500 g / m 2 obtained by coating a non-woven fabric made of polyolefin fibers with nickel, and has a chromium content of 25 mass. % Or more and a non-woven nickel-chromium alloy having a porosity of 80 to 97%.
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