JP5116946B2 - Electrochemical cell suitable for use in electronic devices - Google Patents

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Description

本発明は、電池またはスーパーキャパシタもしくはその両方であり得る新規の電気化学セルであって、携帯用電子デバイスおよびその他の電子デバイスでの使用に適した電気化学セルに関する。特に、断面が約10−8〜10−9mの実質的に均一な大きさの細孔の周期的な配列を有するメソポーラス材料で形成された正極を少なくとも有する電気化学セルに関する。 The present invention relates to a novel electrochemical cell, which can be a battery and / or a supercapacitor, suitable for use in portable electronic devices and other electronic devices. In particular, the present invention relates to an electrochemical cell having at least a positive electrode formed of a mesoporous material having a periodic array of substantially uniform size pores having a cross section of about 10 −8 to 10 −9 m.

「電池」という用語は、本明細書中では、その活性成分中に含まれる化学エネルギーをレドックス(酸化−還元)反応によって直接電気エネルギーに変換するデバイスの一般的な意味で使用されることに留意すべきである。電池の基本単位は電気化学セルであり、該セルは、少なくとも、正極、負極および電解質を含み、全てがケーシング内に格納される。当該技術分野でよく知られているように、セパレータなどのその他の構成要素が含有されてもよい。電池は、1つまたは複数のこのようなセルからなることができる。   Note that the term “battery” is used herein in the general sense of a device that converts the chemical energy contained in its active ingredients directly into electrical energy by a redox (oxidation-reduction) reaction. Should. The basic unit of the battery is an electrochemical cell, which includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, all of which are stored in a casing. Other components such as separators may be included as is well known in the art. The battery can consist of one or more such cells.

多くの携帯用電子デバイスは、はるかに高いパワードレインのスパイクまたはサージが点在する比較的低レベルの定常流で、パワーが利用可能であることを必要とする。ほとんどの従来の電池はこれらの要件を満たすことができず、従って、デバイスにより必要とされない場合にはパワーを蓄え、必要とされるときにパワーを放出するキャパシタまたはスーパーキャパシタで補完され得る。このタイプのパワー要件を有するデバイスの例としては、ノート型コンピュータ、携帯電話、PDA(携帯情報端末、すなわちマイクロコンピュータ)、除細動器などがある。しかしながら、このような携帯用デバイスでは、携帯性が重視され、携帯性は重量および大きさの両方の関数である。デバイス中のさらに別の装置はどれも必然的にこれらの両方を増大させてデバイスの携帯性を低くし、従ってあまり望ましくない。   Many portable electronic devices require power to be available at a relatively low level steady flow interspersed with much higher power drain spikes or surges. Most conventional batteries cannot meet these requirements and can therefore be supplemented with a capacitor or supercapacitor that stores power when not needed by the device and releases power when needed. Examples of devices having this type of power requirement include notebook computers, cell phones, PDAs (personal digital assistants or microcomputers), defibrillators, and the like. However, in such portable devices, portability is important and portability is a function of both weight and size. Any further apparatus in the device necessarily increases both of these, reducing the portability of the device and is therefore less desirable.

その結果としてこのような携帯用デバイス中で機能すべき任意の電気化学セルの要件は、高パワー密度および高エネルギー密度の両方を有さなければならないことである。これまでは、妥当なコストでは、これらの密度のうち両方ではなく一方または他方を達成することだけが可能であった。   Consequently, the requirement for any electrochemical cell to function in such a portable device is that it must have both high power density and high energy density. Previously, at reasonable cost, it was only possible to achieve one or the other of these densities, but not both.

本発明者等はここで、例えば、欧州特許第993512号または米国特許第6,203,925号に開示されるメソポーラスフィルムテクノロジーを電気化学セルの一方または両方の電極の製造に適用させることができ、その結果得られる電池、キャパシタあるいはその両方として機能し得る電気化学セルが、高パワー密度および高エネルギー密度の両方を有するように設計可能であることを発見した。   We can now apply, for example, the mesoporous film technology disclosed in EP 993512 or US Pat. No. 6,203,925 to the production of one or both electrodes of an electrochemical cell. It has now been discovered that electrochemical cells that can function as the resulting battery, capacitor or both can be designed to have both high power density and high energy density.

したがって、本発明は、正極、負極および電解質を有する電気化学セルを含む携帯用電子デバイスであって、正極の活物質が、10-8〜10-9mの断面の実質的に均一な大きさの細孔の周期的な配列を有し且つ白金、ニッケル、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)またはオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)から選択される材料で形成されるメソポーラス材料からなり、負極の活物質が、パラジウム、鉄または炭素から選択されるメソポーラス材料からなることを特徴とする携帯用電子デバイスを提供する。 Accordingly, the present invention is a portable electronic device including an electrochemical cell having a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, wherein the active material of the positive electrode has a substantially uniform size with a cross section of 10 −8 to 10 −9 m. and platinum has a periodic arrangement of pores, nickel, consists mesoporous material formed of a material selected from nickel hydroxide (Ni (OH) 2) or nickel oxyhydroxide (NiOOH), the negative electrode active material, to provide a portable electronic device characterized by comprising a mesoporous material selected palladium, iron or carbon.

また、本発明は、このような電気化学セルを含む携帯用電子デバイスを提供する。   The present invention also provides a portable electronic device including such an electrochemical cell.

またさらに、本発明は、本発明の複数の電気化学セルを含む自動車用電池を提供する。   Furthermore, this invention provides the battery for motor vehicles containing the some electrochemical cell of this invention.

本発明の電気化学セルは、電池として、スーパーキャパシタとして、あるいは結合型電池/スーパーキャパシタとして機能するように構成することができる。図1の概略図に示されるように、例えば、メソポーラス正極および負極を有するスーパーキャパシタは、例えばNi(OH)のメソポーラス正極と、例えばパラジウムの水素吸収メソポーラス負極との間のプロトンの往復移動メカニズムにより動作する。メカニズムは、Ni−MH電池における動作メカニズムと同様であり、この場合、パラジウムはLaNiなどの別の水素吸収材料に置き換えられる。 The electrochemical cell of the present invention can be configured to function as a battery, as a supercapacitor, or as a combined battery / supercapacitor. As shown in the schematic diagram of FIG. 1, for example, a supercapacitor having a mesoporous positive electrode and a negative electrode has a proton reciprocation mechanism between a mesoporous positive electrode of, for example, Ni (OH) 2 and a hydrogen absorbing mesoporous negative electrode of, for example, palladium. It works by. Mechanism is similar to the operation mechanism in Ni-MH battery, in this case, the palladium is replaced by another of the hydrogen-absorbing material, such as LaNi 5.

本発明の電気化学セルを含有することができる携帯用電子デバイスの例としては、いわゆるノート型コンピュータ、デスクトップ代替コンピュータ、ウルトラポータブルコンピュータなどを含む携帯用コンピュータ(本発明は、ウルトラポータブルコンピュータなどのより小型バージョンで特に価値がある)と、携帯電話と、コードレス(ランドライン)電話と、PDAと、携帯用ハードディスクドライブと、CDプレイヤー、カセットプレイヤー、ミニディスクプレイヤー、ならびにMP3および同様のソフトウェアに基づく音楽プレイヤーを含むその他のデジタル記録音楽プレイヤーを含む様々な種類の音楽プレイヤーと、携帯用テレビと、携帯用DVDプレイヤーと、携帯用ラジオと、PDA/携帯電話、電話/音楽プレイヤー、ハードディスクストレージ/音楽プレイヤーなどのハイブリッドデバイス(すなわち、以前は別々だった2つ以上の機能を果たすデバイス)と、除細動器などのメディカルデバイスとが挙げられる。   Examples of portable electronic devices that can contain the electrochemical cells of the present invention include portable computers including so-called notebook computers, desktop replacement computers, ultraportable computers, etc. Small version is particularly valuable), music based on mobile phones, cordless (landline) phones, PDAs, portable hard disk drives, CD players, cassette players, mini-disc players, and MP3 and similar software Various types of music players, including other digital recording music players including players, portable TVs, portable DVD players, portable radios, PDAs / cell phones, telephone / music players, Hybrid devices such as disk storage / music player (i.e., formerly devices perform more than one function was separately) and, like a medical devices such as defibrillators.

本発明の電気化学セルは、自動車用電池においても使用することができる。   The electrochemical cell of the present invention can also be used in automobile batteries.

上記のデバイスは全て、本質的にランダムな間隔ではるかに高いパワーに対する周期的な要求が点在する比較的低レベルのパワーの定常的な供給を必要とする。従って、これらは、本発明の電気化学セルと共に使用するのに特に適している。これらのデバイスの設計および構成の詳細はよく知られており、本発明に従う電気化学セルを組み込むことのほかは本発明の一部を形成しない。   All of the above devices require a steady supply of relatively low levels of power interspersed with periodic demands for much higher power at essentially random intervals. They are therefore particularly suitable for use with the electrochemical cells of the present invention. The details of the design and construction of these devices are well known and do not form part of the present invention other than incorporating an electrochemical cell according to the present invention.

本発明の電気化学セルの少なくとも正極、陰極は、メソポーラス材料で形成される。材料は、好ましくは、金属、金属酸化物、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、またはこれらのうちの任意の2つ以上の組み合わせである。このような金属の例としては、ニッケルと、遷移金属との合金、ニッケル/コバルト合金および鉄/ニッケル合金を含むニッケル合金と、コバルトと、白金と、パラジウムと、ルテニウムとが挙げられる。このような酸化物、水酸化物およびオキシ水酸化物の例としては、酸化金、酸化パラジウム、酸化ニッケル(NiO)、水酸化ニッケル(Ni(OH))、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)、および酸化ルテニウムが挙げられる。これらのうち、ニッケルならびにその酸化物および水酸化物が最も好まれる。 At least the positive electrode and the cathode of the electrochemical cell of the present invention are formed of a mesoporous material. The material is preferably a metal, metal oxide, metal hydroxide, metal oxyhydroxide, or a combination of any two or more of these. Examples of such metals include nickel and transition metal alloys, nickel alloys including nickel / cobalt alloys and iron / nickel alloys, cobalt, platinum, palladium, and ruthenium. Examples of such oxides, hydroxides and oxyhydroxides include gold oxide, palladium oxide, nickel oxide (NiO), nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ), nickel oxyhydroxide (NiOOH), And ruthenium oxide. Of these, nickel and its oxides and hydroxides are most preferred.

当該技術分野ではよく知られているように、これらの材料のうちのいくつかは、使用する前に「コンディショニング」を必要とする。これは、当該技術分野では従来どおりであるように、セルに数回の充電および放電サイクルを受けさせることによって達成され得る。このようなコンディショニングを必要とする典型的な材料はニッケルであり、コンディショニングの結果、酸化物の表面層を得ることができる。   As is well known in the art, some of these materials require “conditioning” before use. This can be accomplished by subjecting the cell to several charge and discharge cycles, as is conventional in the art. A typical material that requires such conditioning is nickel, and conditioning can result in an oxide surface layer.

本発明の電気化学セルの負極、陽極を製造するために使用される材料の性質に対する制限はなく、製造すべきセルの化学的性質を考慮して任意の材料を使用することができる。適切な材料の例としては、炭素、カドミウム、鉄、パラジウム/ニッケル合金、鉄/チタン合金、パラジウム、または混合金属水素化物、例えばLaNiがある。これらの材料は、好ましくは多孔質であり、より好ましくはメソポーラスである。これらのうちで好ましい材料は、炭素およびパラジウムである。しかしながら、メソポーラスパラジウムは、そのコストが高いために、低コスト用途では好ましい負極材料ではない。 There is no restriction | limiting with respect to the property of the material used in order to manufacture the negative electrode of the electrochemical cell of this invention, and an anode, Arbitrary materials can be used in consideration of the chemical property of the cell which should be manufactured. Examples of suitable materials are carbon, cadmium, iron, palladium / nickel alloy, iron / titanium alloy, palladium, or mixed metal hydrides such as LaNi 5 H x . These materials are preferably porous and more preferably mesoporous. Of these, preferred materials are carbon and palladium. However, mesoporous palladium is not a preferred negative electrode material for low cost applications due to its high cost.

陽極および陰極の好ましい組み合わせは、ニッケル/パラジウム、ニッケル/炭素、ニッケル/鉄およびニッケル/カドミウムであり、このうちニッケル/炭素が最も好ましい。ニッケルに言及する場合、その酸化物および水酸化物も含まれる。   Preferred combinations of anode and cathode are nickel / palladium, nickel / carbon, nickel / iron and nickel / cadmium, of which nickel / carbon is most preferred. When referring to nickel, its oxides and hydroxides are also included.

特に、正極のメソポーラス構造が、ニッケルと、NiO、Ni(OH)およびNiOOHから選択される酸化、水酸化またはオキシ水酸化ニッケルとを含み、酸化または水酸化ニッケルが、上記ニッケル上に表面層を形成すると共に少なくとも細孔表面上に延在し、負極が、ナノ粒子状の炭素を含むことが好ましい。 In particular, the mesoporous structure of the positive electrode includes nickel and oxidation, hydroxide or nickel oxyhydroxide selected from NiO, Ni (OH) 2 and NiOOH, where the oxide or nickel hydroxide is a surface layer on the nickel. And at least extending over the surface of the pores, the negative electrode preferably contains nanoparticulate carbon.

従って、好ましくは、正極および負極はそれぞれ、約10−8〜10−9mの断面の実質的に均一な大きさの細孔の周期的な配列を有するメソポーラス構造を含む。正極および負極(負極もメソポーラスであれば)は定義されたメソポーラス構造(単数または複数)からなるか、または実質的に、定義されたメソポーラス構造(単数または複数)からなる。 Thus, preferably, the positive electrode and the negative electrode each include a mesoporous structure having a periodic array of substantially uniform sized pores with a cross-section of about 10 −8 to 10 −9 m. The positive electrode and negative electrode (if the negative electrode is also mesoporous) consist of defined mesoporous structure (s) or substantially consist of defined mesoporous structure (s).

「メソポーラス構造」、「メソポーラス材料」および「メソポーラスフィルム」とは、本明細書で言及される場合、液晶テンプレートプロセスにより製造され、その結果、モノリシックな性質であり、画定されたトポロジーおよび実質的に均一な細孔径(直径)を有する細孔の長距離にわたる規則的な配列を含有する構造、材料およびフィルムをそれぞれ意味する。従って、メソポーラス構造、材料およびフィルムは、ナノ構造化されているか、またはナノアーキテクチャーを有すると説明することもできる。   “Mesoporous structure”, “mesoporous material” and “mesoporous film”, as referred to herein, are manufactured by a liquid crystal template process, resulting in a monolithic nature, a defined topology and substantially Each means a structure, material and film containing a regular array of pores with a uniform pore size (diameter) over a long distance. Thus, mesoporous structures, materials and films can also be described as being nanostructured or having a nanoarchitecture.

従って、本発明に従って使用されるメソポーラス材料は、結晶化が低い材料、ならびに別個のナノサイズの固体粒子を有する複合材料、例えば、ナノ粒子の凝集体で構成される従来「ナノ材料」と示されるものとは区別される。   Thus, mesoporous materials used in accordance with the present invention are traditionally referred to as “nanomaterials” composed of materials with low crystallization, as well as composite materials with discrete nano-sized solid particles, eg, nanoparticle aggregates. Differentiated from things.

ナノ材料と比較して、メソポーラス材料を使用する利点は、メソポーラス材料内の電子の輸送が粒界抵抗に遭遇せず、優れた電子伝導性を与えると共に、この現象に関連するパワー損失を排除することである。さらに、ここで使用されるメソポーラス材料の規則正しい多孔質は、連続的かつ比較的直線的である均一な直径の非蛇行性流路を提供し、高速かつ妨害されない電解質種の移動を促進する。対照的に、従来のナノ粒子系は乱雑な多孔質を有し、この多孔質は、より狭いボイド間の空間により相互接続された様々な断面のボイドを有する。そのようなものでは、細孔構造内を移動する物質はかなり蛇行性の通路に遭遇し、反応速度が遅くなる。   Compared to nanomaterials, the advantage of using mesoporous materials is that the transport of electrons in the mesoporous material does not encounter grain boundary resistance, provides excellent electron conductivity and eliminates the power loss associated with this phenomenon That is. Furthermore, the regular porosity of the mesoporous material used herein provides a uniform diameter non-meandering flow path that is continuous and relatively straight, facilitating fast and unimpeded migration of electrolyte species. In contrast, conventional nanoparticle systems have a messy porosity, which has voids of various cross-sections interconnected by spaces between the narrower voids. In such cases, substances that move through the pore structure will encounter rather serpentine passages, resulting in slower reaction rates.

メソポーラス材料は、好ましくは、実質的に一定の厚さを有するフィルム形態である。好ましくは、メソポーラスフィルムの厚さは、0.5〜5マイクロメートルの範囲である。   The mesoporous material is preferably in the form of a film having a substantially constant thickness. Preferably, the thickness of the mesoporous film is in the range of 0.5-5 micrometers.

好ましくは、メソポーラス材料は、約1〜10ナノメートルの範囲内、より好ましくは2.0〜8.0nmの範囲内の細孔直径を有する。   Preferably, the mesoporous material has a pore diameter in the range of about 1-10 nanometers, more preferably in the range of 2.0-8.0 nm.

メソポーラス材料は、1×1010〜1×1014 /cm、好ましくは4×1011〜3×1013 /cm、より好ましくは1×1012〜1×1013 /cmの範囲の細孔数密度を示し得る。
The mesoporous material is 1 × 10 10 to 1 × 10 14 pieces / cm 2 , preferably 4 × 10 11 to 3 × 10 13 pieces / cm 2 , more preferably 1 × 10 12 to 1 × 10 13 pieces / cm 2. A pore number density in the range of

メソポーラス材料は、実質的に均一な大きさの細孔を有する。「実質的に均一」とは、少なくとも75%、例えば80%〜95%の細孔が、平均細孔直径の30%以内、好ましくは10%以内、最も好ましくは5%以内の細孔直径を有することを意味する。より好ましくは、少なくとも85%、例えば90%〜95%の細孔が、平均細孔直径の30%以内、好ましくは10%以内、最も好ましくは5%以内の細孔直径を有する。   The mesoporous material has pores of substantially uniform size. “Substantially uniform” means that at least 75%, for example 80% -95% of the pores have a pore diameter within 30%, preferably within 10%, most preferably within 5% of the average pore diameter. It means having. More preferably, at least 85%, for example 90% to 95% of the pores have a pore diameter within 30%, preferably within 10%, most preferably within 5% of the average pore diameter.

細孔は、好ましくは、断面が円筒型であり、メソポーラス材料の全体にわたって存在または延在するのが好ましい。   The pores are preferably cylindrical in cross section and preferably exist or extend throughout the mesoporous material.

メソポーラス構造は、画定された認識可能なトポロジーまたはアーキテクチャー(例えば、立方晶、層状、斜交、面心矩形(centred rectangular)、体心斜方晶、体心正方晶、菱面体晶、六方晶)を有する細孔の周期的な配列を有する。好ましくは、メソポーラス構造は六方晶系の周期的な細孔配列を有し、この場合電極は、均一な直径を有すると共に電極の厚さを貫通して連続的であり且つ六方晶系に配向された多数の細孔によって穿孔される。   Mesoporous structures are defined recognizable topologies or architectures (eg cubic, layered, oblique, centred rectangular, body-centered orthorhombic, body-centered tetragonal, rhombohedral, hexagonal) ) Having a periodic arrangement of pores. Preferably, the mesoporous structure has a hexagonal periodic pore arrangement, wherein the electrode has a uniform diameter and is continuous through the thickness of the electrode and oriented in a hexagonal system. Perforated by a large number of pores.

細孔配列が六方晶系である好ましい場合には、細孔の配列は、好ましくは3〜15nmの範囲、より好ましくは5〜9nmの範囲である、細孔の中心から中心までの間隔に相当する規則的な細孔周期性を有する。   Where the pore arrangement is preferably hexagonal, the pore arrangement is preferably in the range of 3-15 nm, more preferably in the range of 5-9 nm, corresponding to the center-to-center spacing of the pores. It has regular pore periodicity.

さらに、この規則的な周期性および実質的に均一な細孔径を有するメソポーラス構造は、平均細孔径の少なくとも約10倍、好ましくは少なくとも約100倍の電極部分上に延在すべきである。好ましくは、電極は定義された構造(単数または複数)からなるか、または実質的に、定義された構造(単数または複数)からなる。   Furthermore, the mesoporous structure having this regular periodicity and a substantially uniform pore size should extend over the electrode portion at least about 10 times, preferably at least about 100 times the average pore size. Preferably, the electrode consists of the defined structure (s) or substantially consists of the defined structure (s).

これらの細孔トポロジーが理想的な数学的トポロジーに限定されるのではなく、フィルム内の細孔の空間的配列に、認識可能なアーキテクチャーまたはトポロジー秩序が存在するという条件で、これらのトポロジーのひずみまたはその他の変更を含み得ることは認識されるであろう。従って、本明細書で使用される「六方晶」という用語は、実測の制限内で数学的に完全な六方晶の対称性を示す材料だけでなく、ほとんどのチャネルが、実質的に同じ距離で、平均6本の最も近い隣接チャネルで包囲されるという条件で、理想状態からの顕著に観察可能な偏差を有する材料も包含する。同様に、本明細書で使用される「立方晶」という用語は、実測の制限内で立方晶の空間群に属する数学的に完全な対称性を示す材料だけでなく、ほとんどのチャネルが2〜6本の他のチャネルと接続するという条件で、理想状態からの顕著に観察可能な偏差を有する材料も包含する。   These pore topologies are not limited to ideal mathematical topologies, but on the condition that there is a recognizable architecture or topological order in the spatial arrangement of pores in the film. It will be appreciated that strain or other changes may be included. Thus, as used herein, the term “hexagonal” refers not only to materials that exhibit mathematically perfect hexagonal symmetry within the limits of measurement, but also to most channels at substantially the same distance. Also included are materials that have a significantly observable deviation from the ideal state, provided that they are surrounded by an average of six nearest adjacent channels. Similarly, the term “cubic” as used herein includes not only materials that exhibit mathematically complete symmetry belonging to the cubic space group within the limits of measurement, but also most channels 2 Also included are materials that have a significantly observable deviation from the ideal state, provided that they connect to six other channels.

セル中の電解質は、好ましくは、水系電解質、例えば水酸化カリウム水などの水系アルカリ電解質である。   The electrolyte in the cell is preferably an aqueous electrolyte, for example, an aqueous alkaline electrolyte such as potassium hydroxide water.

好ましい実施形態では、正極のメソポーラス構造は、ニッケルと、NiO、Ni(OH)およびNiOOHから選択される酸化、水酸化またはオキシ水酸化ニッケルとを含み、上記酸化、水酸化またはオキシ水酸化ニッケルは、上記ニッケル上に表面層を形成すると共に少なくとも細孔表面上に延在し、負極は、炭素またはパラジウムのメソポーラス構造を有する。電解質が充満されると、正極は、電解質と接触するNi(OH)活物質で被覆された相互接続されたNi集電体ベースで構成される3相複合体を表す。有利に、メソポーラスNi正極の水和構造は、表面およびバルクプロセスの両方が電極の電荷容量に寄与できるように保持される。電極のナノスケール構造のために、3つ全ての相は互いに緊密に接触するか、あるいは約1〜2nm内にあり、「相境界」の総表面積は極めて大きい。従って、高エネルギー密度を達成することができ、小さいプロトン拡散距離は、セルが非常に高いパワー密度を示すことを可能にする。 In a preferred embodiment, the mesoporous structure of the positive electrode comprises nickel and an oxidation, hydroxide or nickel oxyhydroxide selected from NiO, Ni (OH) 2 and NiOOH, wherein said oxidation, hydroxide or nickel oxyhydroxide Forms a surface layer on the nickel and extends at least on the surface of the pores, and the negative electrode has a mesoporous structure of carbon or palladium. When filled with electrolyte, the positive electrode represents a three-phase composite composed of interconnected Ni current collector bases coated with Ni (OH) 2 active material in contact with the electrolyte. Advantageously, the hydration structure of the mesoporous Ni cathode is retained so that both surface and bulk processes can contribute to the charge capacity of the electrode. Due to the nanoscale structure of the electrode, all three phases are in intimate contact with each other, or within about 1-2 nm, and the total surface area of the “phase boundary” is very large. Thus, a high energy density can be achieved and the small proton diffusion distance allows the cell to exhibit a very high power density.

本発明の電気化学セルの正極として、および任意で負極として使用されるメソポーラス材料は、液晶テンプレート法により調製され、好ましくは、リオトロピック液晶相から電気化学析出によって基板上にフィルムとして析出される。またこれらは、リオトロピック液晶相からの化学的還元などの無電解析出によっても調製することができる。   The mesoporous material used as the positive electrode of the electrochemical cell of the present invention and optionally as the negative electrode is prepared by a liquid crystal template method and is preferably deposited as a film on a substrate by electrochemical deposition from a lyotropic liquid crystal phase. They can also be prepared by electroless deposition such as chemical reduction from a lyotropic liquid crystal phase.

適切な基板には、金、銅、銀、アルミニウム、ニッケル、ロジウムまたはコバルト、もしくはこれらの金属のいずれかまたはリンを含有する合金が含まれる。基板は、所望されるなら、好ましくは1〜20マイクロメートルの範囲の大きさの細孔を有する微孔性であってもよい。基板は、好ましくは、2〜50マイクロメートルの範囲の厚さを有する。基板は、好ましくは、蒸着により金層が上に形成された金以外の上記の基板である。   Suitable substrates include gold, copper, silver, aluminum, nickel, rhodium or cobalt, or any of these metals or alloys containing phosphorus. The substrate may be microporous with pores preferably in the size range of 1-20 micrometers, if desired. The substrate preferably has a thickness in the range of 2-50 micrometers. The substrate is preferably the above-mentioned substrate other than gold on which a gold layer is formed by vapor deposition.

電気化学析出および化学的手段によりメソポーラス材料をフィルムとして基板上に析出させるための適切な方法は、当該技術分野において知られている。例えば、適切な電気化学析出法は、欧州特許第993,512号公開公報と、Nelson等著「高パワー用途のためのメソポーラスニッケル/酸化ニッケル電極(Mesoporous Nickel/Nickel Oxide Electrodes for High Power Applications)」 J. New Mat. Electrochem. Systems, 5, 63-65 (2002)と、Nelson等著「メソポーラスニッケル/酸化ニッケル−ナノアーキテクチャー化電極(Mesoporous Nickel/Nickel Oxide/a Nanoarchitectured Electrode)」 Chem. Mater., 2002, 14, 524-529とに開示されている。適切な化学的還元法は、米国特許第6,203,925号公開公報に開示されている。   Suitable methods for depositing mesoporous material as a film on a substrate by electrochemical deposition and chemical means are known in the art. For example, a suitable electrochemical deposition method is disclosed in European Patent No. 993,512 and Nelson et al. “Mesoporous Nickel / Nickel Oxide Electrodes for High Power Applications”. J. New Mat. Electrochem. Systems, 5, 63-65 (2002) and Nelson et al., “Mesoporous Nickel / Nickel Oxide / a Nanoarchitectured Electrode”, Chem. Mater. , 2002, 14, 524-529. A suitable chemical reduction method is disclosed in US Pat. No. 6,203,925.

好ましくは、メソポーラス材料は、リオトロピック液晶相から電気化学析出により形成される。一般的方法に従って、テンプレートは、一定の長鎖界面活性剤および水からの自己集合により、六方晶相などの所望の液晶相に形成される。適切な界面活性剤にはオクタエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル(C16EO)が含まれ、これは、親水性オリゴエーテルのヘッド基に付着した長い疎水性炭化水素テールを有する。その他には、多分散系界面活性剤Brij(登録商標)56(C16EO、ここでnは約10である)、Brij(登録商標)78(C16EO、ここでnは約20である)、およびPluronic123があり、それぞれAldrichから入手可能である。高い(>30%)水溶液濃度では、使用される濃度および温度に依存して、分離した親水性および疎水性ドメインからなる所望のリオトロピック液晶相、例えば六方晶相中で水溶液を安定化することができ、水溶液は親水性ドメインに拘束される。溶解した無機塩、例えば酢酸ニッケルも親水性ドメインに拘束され、溶液中に浸漬された電極で電気還元されて、例えばニッケル金属の固体の中間相を形成することができる。これは、水系ドメイン相構造のダイレクトキャストである。続いて、適切な溶媒中での洗浄による界面活性剤の除去によって、電気還元された固体中に規則的な周期性の多数の細孔が残され、細孔の配列は、選択されるリオトロピック液晶相により決定される。トポロジー、大きさ、周期性およびその他の細孔特性は、当該技術分野において知られるように、界面活性剤、溶媒、金属塩、疎水性添加剤、濃度、温度および析出条件の適切な選択によって変化させることができる。 Preferably, the mesoporous material is formed by electrochemical deposition from the lyotropic liquid crystal phase. According to a general method, the template is formed into a desired liquid crystal phase such as a hexagonal phase by self-assembly from a certain long chain surfactant and water. Suitable surfactants include octaethylene glycol monohexadecyl ether (C 16 EO 8 ), which has a long hydrophobic hydrocarbon tail attached to the head group of the hydrophilic oligoether. Others include polydisperse surfactant Brij® 56 (C 16 EO n , where n is about 10), Brij® 78 (C 16 EO n , where n is about 20 And Pluronic 123, each available from Aldrich. At high (> 30%) aqueous solution concentrations, depending on the concentration and temperature used, the aqueous solution can be stabilized in the desired lyotropic liquid crystal phase consisting of separated hydrophilic and hydrophobic domains, for example the hexagonal phase. And the aqueous solution is bound to the hydrophilic domain. Dissolved inorganic salts, such as nickel acetate, can also be constrained to the hydrophilic domain and electroreduced with an electrode immersed in the solution to form a solid intermediate phase of, for example, nickel metal. This is a direct cast of an aqueous domain phase structure. Subsequent removal of the surfactant by washing in a suitable solvent leaves a large number of regularly periodic pores in the electroreduced solid, and the pore arrangement is selected from the lyotropic liquid crystal Determined by phase. Topology, size, periodicity, and other pore properties vary with appropriate selection of surfactants, solvents, metal salts, hydrophobic additives, concentration, temperature and deposition conditions, as known in the art Can be made.

上記のように、メソポーラス電極を製造するメソポーラス材料は、好ましくは、電着または化学析出によって基板上に形成される。メソポーラス材料は、適切な機械強度が不足しているかもしれないので、好ましくは基板上の電極として使用され、便宜上、これはその作製において使用したものと同じ基板であるのが好ましい。   As described above, the mesoporous material from which the mesoporous electrode is manufactured is preferably formed on the substrate by electrodeposition or chemical deposition. The mesoporous material is preferably used as an electrode on the substrate since it may lack adequate mechanical strength, and for convenience this is preferably the same substrate used in its fabrication.

本発明は、図面を参照して、以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。   The invention is further illustrated by the following non-limiting examples with reference to the drawings.

本発明は、さらに、以下の非限定的な実施例によって説明される。   The invention is further illustrated by the following non-limiting examples.

[実施例1]
[六方晶系の液晶相からの白金の電着]
2.0グラムの水および2.0グラムの水中のヘキサクロロ白金酸水和物に、3グラムのオクタエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル(C16EO)界面活性剤を添加した。均一な混合物が得られるまで、混合物を加熱し、激しく振とうさせた。2ミリクーロンの還元電荷(reduction charge)が通過するまで、標準カロメル電極に対して+0.6ボルトから、標準カロメル電極に対して−0.1ボルトまで電位をステップさせることによって、0.000314平方センチメートルの研磨した金電極上に、25℃〜85℃の温度で、この混合物からの電着を実行した。蒸留水ですすいで界面活性剤を除去した。金属構造を有するフィルムが得られ、これは、透過型電子顕微鏡法による実験で、幅25Å(±2Å)の金属壁で隔てられた25Å(±1.5Å)の内径を有する細孔の六方晶系の配置を有することが分かった。
[Example 1]
[Electroplating of platinum from hexagonal liquid crystal phase]
3 grams of octaethylene glycol monohexadecyl ether (C 16 EO 8 ) surfactant was added to 2.0 grams of water and 2.0 grams of hexachloroplatinic acid hydrate. The mixture was heated and shaken vigorously until a uniform mixture was obtained. By stepping the potential from +0.6 volts for the standard calomel electrode to -0.1 volts for the standard calomel electrode until a 2 millicoulomb reduction charge passes, 0.000314 square centimeters. Electrodeposition from this mixture was performed on a polished gold electrode at a temperature of 25 ° C to 85 ° C. The surfactant was removed by rinsing with distilled water. A film having a metal structure is obtained, which is a hexagonal crystal of pores having an inner diameter of 25 mm (± 1.5 mm) separated by a metal wall of width 25 mm (± 2 mm) in an experiment by transmission electron microscopy. It was found to have a system configuration.

[実施例2]
[六方晶系の液晶相からの白金の電着]
16EOの代わりに、より短い鎖長の界面活性剤C12EOを用いて実施例1のプロセスを実行した。TEMにより決定された細孔の直径は、17.5Å(±2Å)であることが分かった。
[Example 2]
[Electroplating of platinum from hexagonal liquid crystal phase]
Instead of C 16 EO 8 , the process of Example 1 was carried out using a shorter chain length surfactant, C 12 EO 8 . The pore diameter determined by TEM was found to be 17.5 mm (± 2 mm).

[実施例3]
[六方晶系の液晶相からの白金の電着]
モル比2:1のC16EOおよびn−ヘプタンを含有する4成分混合物を用いて、実施例1のプロセスを繰り返した。TEMにより決定されるように、細孔の直径は、35Å(±1.5Å)であることが分かった。
[Example 3]
[Electroplating of platinum from hexagonal liquid crystal phase]
The process of Example 1 was repeated using a quaternary mixture containing a 2: 1 molar ratio of C 16 EO 8 and n-heptane. The pore diameter was found to be 35 mm (± 1.5 mm) as determined by TEM.

[実施例4]
[立方晶系の液晶相からの白金の電着]
27重量%のヘキサクロロ白金酸水溶液(水に対して33重量%)および73重量%のオクタエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル(C16EO)から、通常のトポロジーの立方晶相(Ia3d空間群に指標付け)を有する混合物を調製した。白金網対向電極を用いて35℃〜42℃の温度で、研磨した金電極上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。0.8ミリクーロンの電荷が通過するまで、標準カロメル電極に対して+0.6Vから、標準カロメル電極に対して−0.1Vまでセルの電位差をステップさせた。析出後、フィルムを多量の脱イオン水ですすいで、界面活性剤を除去した。洗浄したナノ構造化析出物は均一であり、外観上は光沢があった。透過型電子顕微鏡法の研究で、内径25Åの円筒形の孔の3次元の周期的なネットワークからなる非常に多孔質の構造が明らかになった。
[Example 4]
[Electroplating of platinum from cubic liquid crystal phase]
From a 27 wt% hexachloroplatinic acid aqueous solution (33 wt% with respect to water) and 73 wt% octaethylene glycol monohexadecyl ether (C 16 EO 8 ), the cubic phase of normal topology (indicating the Ia3d space group) A mixture was prepared. Electrodeposition on a polished gold electrode was performed using a potentiostat at a temperature of 35 ° C. to 42 ° C. using a platinum mesh counter electrode. The cell potential difference was stepped from + 0.6V for the standard calomel electrode to -0.1V for the standard calomel electrode until a 0.8 millicoulomb charge passed. After deposition, the film was rinsed with a large amount of deionized water to remove the surfactant. The washed nanostructured precipitate was uniform and glossy in appearance. Transmission electron microscopy studies have revealed a very porous structure consisting of a three-dimensional periodic network of cylindrical holes with an inner diameter of 25 mm.

[実施例5]
[六方晶系の液晶相からのニッケルの電着]
50重量%の0.2Mの硫酸ニッケル(II)および0.58Mホウ酸の水溶液、ならびに50重量%のオクタエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル(C16EO)から、通常のトポロジーの六方晶相を有する混合物を調製した。白金網対向電極を用いて25℃で、研磨した金電極上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。平方センチメートルあたり1クーロンの電荷が通過するまで、飽和カロメル電極に対して−1.0Vまでセルの電位差をステップさせた。析出後、フィルムを多量の脱イオン水ですすいで、界面活性剤を除去した。洗浄したナノ構造化析出物は均一であり、外観上は光沢があった。電着したスズの小角X線回析の研究により、58Åの格子の周期性が明らかになり、透過型電子顕微鏡法の研究により、厚さ28Åのニッケル壁で隔てられた内径34Åを有する円筒形の孔からなる非常に多孔質の構造が明らかになった。
[Example 5]
[Electrodeposition of nickel from hexagonal liquid crystal phase]
From an aqueous solution of 50% by weight of 0.2M nickel (II) sulfate and 0.58M boric acid and 50% by weight of octaethylene glycol monohexadecyl ether (C 16 EO 8 ), a hexagonal phase of normal topology is obtained. A mixture having was prepared. Electrodeposition on a polished gold electrode was performed using a potentiostat at 25 ° C. using a platinum mesh counter electrode. The cell potential difference was stepped to -1.0 V against a saturated calomel electrode until a charge of 1 coulomb per square centimeter passed. After deposition, the film was rinsed with a large amount of deionized water to remove the surfactant. The washed nanostructured precipitate was uniform and glossy in appearance. A small-angle X-ray diffraction study of electrodeposited tin reveals a periodicity of a 58 mm lattice, and a transmission electron microscopy study shows a cylindrical shape with an inner diameter of 34 mm separated by a 28 mm thick nickel wall. A very porous structure consisting of pores was revealed.

[実施例6]
2.0gのHO、3.0gのC16EO、および2.0gのヘキサクロロ白金酸からなる六方晶系の液晶相から、SCEに対して−0.1V(+0.6Vからステップさせた)の析出電位で、25℃で金板電極上での析出を実行した。走査型電子顕微鏡法を用いて破砕サンプルを検査することによって、厚さデータを得た。結果は以下の表1に示される。
[Example 6]
From a hexagonal liquid crystal phase consisting of 2.0 g H 2 O, 3.0 g C 16 EO 8 , and 2.0 g hexachloroplatinic acid, stepped from −0.1 V (+0.6 V to SCE). The deposition on the metal plate electrode was carried out at 25 ° C. at the deposition potential of (ii). Thickness data was obtained by inspecting the crushed samples using scanning electron microscopy. The results are shown in Table 1 below.

Figure 0005116946
Figure 0005116946

[実施例7]
2.0gのHO、3.0gのC16EO、および2.0gのヘキサクロロ白金酸からなる六方晶系の液晶相から、ナノ構造化白金フィルムを析出させた。SCEに対して−0.1Vの析出電位(+0.6Vからステップさせた)で、直径0.2mmの金ディスク電極上での析出を実行した。通過した電荷は6.37Ccm−2であった。SCEに対して−0.2V〜+1.2Vの電位限界で、2M硫酸中でのサイクリックボルタンメトリーからデータを得た。粗度係数は、電気化学的な実験から決定される表面積を電極の幾何表面積で除したものと定義される。結果は、以下の表2に示される。
[Example 7]
A nanostructured platinum film was deposited from a hexagonal liquid crystal phase consisting of 2.0 g H 2 O, 3.0 g C 16 EO 8 , and 2.0 g hexachloroplatinic acid. Deposition was performed on a gold disk electrode with a diameter of 0.2 mm at a deposition potential of −0.1 V (stepped from +0.6 V) relative to SCE. The charge passed was 6.37 Ccm −2 . Data were obtained from cyclic voltammetry in 2M sulfuric acid at a potential limit of -0.2V to + 1.2V relative to SCE. The roughness coefficient is defined as the surface area determined from electrochemical experiments divided by the geometric surface area of the electrode. The results are shown in Table 2 below.

Figure 0005116946
Figure 0005116946

[実施例8]
2.0gのHO、3.0gのC16EO、および2.0gのヘキサクロロ白金酸からなる六方晶系の液晶相から、ナノ構造化白金フィルムを析出させた。示した析出電位(+0.6Vからステップさせた)で、直径0.2mmの金ディスク電極上での析出を実行した。通過した電荷は6.37Ccm−2であった。SCEに対して−0.2V〜+1.2Vの電位限界で、2M硫酸中でのサイクリックボルタンメトリーからデータを得た。結果は、以下の表3に示される。
[Example 8]
A nanostructured platinum film was deposited from a hexagonal liquid crystal phase consisting of 2.0 g H 2 O, 3.0 g C 16 EO 8 , and 2.0 g hexachloroplatinic acid. Deposition was performed on a gold disk electrode with a diameter of 0.2 mm at the indicated deposition potential (stepped from +0.6 V). The charge passed was 6.37 Ccm −2 . Data were obtained from cyclic voltammetry in 2M sulfuric acid at a potential limit of -0.2V to + 1.2V relative to SCE. The results are shown in Table 3 below.

Figure 0005116946
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[実施例1〜8の考察]
実施例1〜3のデータは、界面活性剤の鎖長を変化させることによって、あるいは疎水性炭化水素添加剤をさらに添加することによって、細孔直径がどのように制御され得るかを示す。特に、実施例1と実施例2の比較は、鎖長のより短い界面活性剤を用いることにより細孔径が減少され得ることを実証するのに対して、実施例1と実施例3の比較は、析出混合物に炭化水素添加剤を添加することによって細孔径が増大され得ることを示す。
[Consideration of Examples 1 to 8]
The data of Examples 1-3 show how the pore diameter can be controlled by changing the chain length of the surfactant or by further adding a hydrophobic hydrocarbon additive. In particular, the comparison between Example 1 and Example 2 demonstrates that the pore size can be reduced by using a surfactant with a shorter chain length, whereas the comparison between Example 1 and Example 3 , Indicating that the pore size can be increased by adding a hydrocarbon additive to the precipitation mixture.

実施例6は、電着の間に通過する電荷を変化させることによって、析出フィルムの厚さがどのように制御され得るかを実証する。   Example 6 demonstrates how the thickness of the deposited film can be controlled by changing the charge passed during electrodeposition.

実施例7および8は、電着の間の温度および印加電位が、フィルムの表面積および二重層キャパシタンスにどのように影響するかを示す。粗度係数値で示されるように、析出温度を上昇させると、フィルムの表面積および二重層キャパシタンスはいずれも増大する。同時に、析出電位も、析出フィルムの表面積およびキャパシタンスを制御するように選択することができる。   Examples 7 and 8 show how the temperature and applied potential during electrodeposition affects the film surface area and double layer capacitance. As indicated by the roughness coefficient value, increasing the deposition temperature increases both the surface area of the film and the double layer capacitance. At the same time, the deposition potential can be selected to control the surface area and capacitance of the deposited film.

[実施例9]
[メソポーラスニッケル電極およびメソポーラスパラジウム電極の作製]
[(i)金基板の調製]
エポキシ絶縁体中に封入された金ディスク(直径200μmまたは1mm)と、クロムコートされた顕微鏡用ガラススライド上に金を蒸着することによって製造した薄膜金電極(約1cm)とを、メソポーラスニッケル電極およびパラジウム電極を次に析出させるために、以下のように調製した。
[Example 9]
[Preparation of mesoporous nickel electrode and mesoporous palladium electrode]
[(I) Preparation of gold substrate]
A mesoporous nickel electrode comprising a gold disk (diameter 200 μm or 1 mm) encapsulated in an epoxy insulator and a thin film gold electrode (approximately 1 cm 2 ) produced by vapor deposition of gold on a chromium-coated microscope glass slide And the palladium electrode was then prepared as follows for deposition.

25μm、1μmおよび0.3μmのアルミナ(Buehlerから入手)が埋め込まれたマイクロクロス上でまず連続的に研磨し、次に2MのHSO溶液中、200mVs−1で5分間、飽和硫酸水銀の基準電極(SMSE)に対して−0.6V〜1.4Vで電極をサイクルさせることによって、金ディスク電極を清浄にした。各サイクルでは、単層の酸化金が形成され、続いてこれを電極表面から除去した。 Polished first on a micro cloth embedded with 25 μm, 1 μm and 0.3 μm alumina (obtained from Buehler), then saturated mercury sulfate in 2 M H 2 SO 4 solution at 200 mVs −1 for 5 minutes The gold disk electrode was cleaned by cycling the electrode at -0.6V to 1.4V relative to a reference electrode (SMSE). In each cycle, a single layer of gold oxide was formed and subsequently removed from the electrode surface.

蒸着させた金電極は、析出の前にイソプロパノールの超音波浴中で60分間清浄にしてから、脱イオン水ですすぎ、周囲条件下で乾燥させた。   The deposited gold electrode was cleaned in an isopropanol ultrasonic bath for 60 minutes prior to deposition, then rinsed with deionized water and dried under ambient conditions.

[(ii)六方晶系の液晶相からのニッケルの電着]
35重量%の0.2Mの酢酸ニッケル(II)、0.5Mの酢酸ナトリウムおよび0.2Mのホウ酸の水溶液、ならびに65重量%のBrij(登録商標)56非イオン性界面活性剤(C16EO、ここでnは約10、Aldrichから入手)から、通常のトポロジーの六方晶(H)相を有する混合物を調製し、Nelson等のChem. Mater., 2002, 14, 524-529に開示される方法に従って、白金網対向電極を用いて25℃で、研磨した金基板上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。析出後、フィルムを多量のイソプロパノール中で24時間洗浄し、界面活性剤を除去した。六方晶の細孔配列を有する約1マイクロメートル厚のメソポーラスニッケルフィルムが得られた。
[(Ii) Electrodeposition of nickel from hexagonal liquid crystal phase]
35 wt% 0.2 M nickel acetate (II), 0.5 M sodium acetate and 0.2 M boric acid in water, and 65 wt% Brij® 56 nonionic surfactant (C 16 EO n, from where n is obtained from about 10, Aldrich), a mixture having a hexagonal regular topology (H I) phase was prepared, Chem such Nelson. Mater., 2002, 14 , to 524-529 In accordance with the disclosed method, electrodeposition on a polished gold substrate was performed using a potentiostat at 25 ° C. using a platinum mesh counter electrode. After deposition, the film was washed in a large amount of isopropanol for 24 hours to remove the surfactant. A mesoporous nickel film about 1 micrometer thick with hexagonal pore arrangement was obtained.

[(iii)六方晶系の液晶相からのパラジウムの電着]
35重量%の0.5Mのテトラクロロパラジウム酸アンモニウム(Premion、Alfa Aesarから入手)水溶液、および65重量%のBrij(登録商標)56非イオン性界面活性剤(C16EO、ここでnは約10、Aldrichから入手)から、通常のトポロジーの六方晶(H)相を有する混合物を調製した。25℃において、パラジウム析出テンプレート溶液中のH液晶相の存在を、偏光顕微鏡法を用いて確認した。Bartlett等のPhys. Chem. Chem. Phys., 2002, 4, 3835-3842に開示される電着方法に従って、上記の変性テンプレート溶液を使用して、白金網対向電極を用いて25℃で、研磨した金基板上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。析出後、フィルムを多量のイソプロパノール中で24時間洗浄して、界面活性剤を除去した。六方晶の細孔配列を有する約1マイクロメートル厚のメソポーラスパラジウムフィルムが得られた。
[(Iii) Electrodeposition of palladium from hexagonal liquid crystal phase]
35 wt% 0.5 M ammonium tetrachloropalladate (obtained from Premion, Alfa Aesar) and 65 wt% Brij® 56 non-ionic surfactant (C 16 EO n , where n is from about 10, Aldrich available), and the mixture having a regular hexagonal topology (H I) phase was prepared. In 25 ° C., the presence of H I crystal phase of palladium precipitation template solution, was confirmed using polarizing microscopy. According to the electrodeposition method disclosed in Phys. Chem. Chem. Phys., 2002, 4, 3835-3842 of Bartlett et al. Electrodeposition on the gold substrate was performed using a potentiostat. After deposition, the film was washed in a large amount of isopropanol for 24 hours to remove the surfactant. A mesoporous palladium film about 1 micrometer thick with hexagonal pore arrays was obtained.

[(iv)電着したメソポーラスNiおよびPd電極の作動]
スーパーキャパシタの組立ての前に、上記の(ii)および(iii)で作製した析出メソポーラス電極を、サイクリックボルタンメトリーにより個々に作動させた。これは、6MのKOH溶液を含有する三電極セルにおいて実行した。セルは、Grant ZDサーモスタット付水浴に接続されたPyrexウォータージャケット付セル、水銀/酸化水銀(6MのKOH)基準電極(Hg/HgO)、および広い面積のPt網対向電極で構成した。全ての実験は25℃で実行した。基準電極を含む実験における電位はHg/HgO基準に対して引用される。
[(Iv) Operation of electrodeposited mesoporous Ni and Pd electrodes]
Prior to assembly of the supercapacitor, the deposited mesoporous electrodes prepared in (ii) and (iii) above were individually actuated by cyclic voltammetry. This was performed in a three-electrode cell containing 6M KOH solution. The cell consisted of a Pyrex water jacketed cell connected to a water bath with a Grant ZD thermostat, a mercury / mercury oxide (6M KOH) reference electrode (Hg / HgO), and a large area Pt net counter electrode. All experiments were performed at 25 ° C. Potentials in experiments involving a reference electrode are quoted against the Hg / HgO standard.

メソポーラスニッケル析出プロセスの効率を、アノードストリッピングボルタンメトリーによって定量化した。これには、1mVs−1において、0.2MのHCl溶液中で、メソポーラスニッケル作用電極の電位を、飽和カロメル基準電極(SCE)に対して−0.45V〜0.9Vで走査することが含まれる。対向電極はPt網であった。陽極のニッケルの溶出ピークに関連する電荷、およびこの電荷と析出電荷との比較により、34%の析出効率が与えられた。 The efficiency of the mesoporous nickel deposition process was quantified by anodic stripping voltammetry. This includes scanning the potential of the mesoporous nickel working electrode from −0.45 V to 0.9 V against a saturated calomel reference electrode (SCE) in 0.2 M HCl solution at 1 mVs −1 . It is. The counter electrode was a Pt net. The charge associated with the anodic nickel elution peak and a comparison of this charge with the deposition charge gave a deposition efficiency of 34%.

National Instrumentsのデータ収集カードおよびLabVIEWソフトウェアとインターフェース接続された特注のポテンシオスタットおよびランプ発生器を用いて、サイクリックボルタンメトリーおよび電位ステップ実験を行った。   Cyclic voltammetry and potential step experiments were performed using a custom potentiostat and ramp generator interfaced with a National Instruments data acquisition card and LabVIEW software.

メソポーラスNiおよびメソポーラスPdの電気化学特性を比較するために、図2において、6MのKOH中のこれらの電極の両方のサイクリックボルタモグラムを重ね合わせた。Hg/HgOに対して0.38VのNiの陽極ピークは、反応(1)によるNi(OH)のNiOOHへの酸化を示し、それに続くNi(OH)への還元(reduction back)は、0.4Vで始まる陰極ピークによって表される。後者のピークは、電極のプロトン貯蔵容量、すなわちプロトン貯蔵のための電極の可逆的な容量を表す。図2において、これは295mCcm−2である。 To compare the electrochemical properties of mesoporous Ni and mesoporous Pd, the cyclic voltammograms of both of these electrodes in 6M KOH were overlaid in FIG. The anodic peak of Ni at 0.38 V versus Hg / HgO indicates the oxidation of Ni (OH) 2 to NiOOH by reaction (1), followed by reduction back to Ni (OH) 2 . Represented by the cathode peak starting at 0.4V. The latter peak represents the proton storage capacity of the electrode, ie the reversible capacity of the electrode for proton storage. In FIG. 2, this is 295 mCcm −2 .

6MのKOH中のHPdの電気化学は、正電位における酸化物形成と、−0.25Vの陰極ピークで続いて起こるこの酸化物のストリッピングとのために、陽極電流ではより多様性である。表面水素化パラジウムの形成による水素吸着原子のPd表面上への吸着は、−0.75V付近の小さい陰極ピークによって示され、これに続いて、−1Vより低い電位において水素発生電流に付加される大電流によって示されるPd格子内へのより大量の水素の吸収が起こる。正方向の電位の反転では、−0.8Vで始まり、−0.36Vでピークに達する大きい陽極ピークで表されるように、水素はPdから脱着し始める。メソポーラスNiおよびメソポーラスPdのボルタンメトリーの比較に基づいて、これらの2つの電極を用いる電荷蓄積デバイスは、約1.2Vの放電電圧を有することが予期され得る。何故ならこれは、ほぼ、PdからのH脱着の開始(Hg/HgOに対して−0.8V)と、NiOOHへのHのインターカレーション(Hg/HgOに対して0.4V)との間の電位差だからである。この放電電圧はPdの電荷の状態と共に可変的であり、完全に充電された電極のHg/HgOに対して−0.8Vと、Hg/HgOに対して−0.3V(Pdは20mVs−1で完全に水素が放出される)との間で変わることができる。 The electrochemistry of H 1 Pd in 6M KOH is more diverse in anodic current due to oxide formation at positive potential and subsequent stripping of this oxide at the cathode peak of -0.25V. is there. Adsorption of hydrogen adatoms onto the Pd surface due to the formation of surface palladium hydride is indicated by a small cathode peak near -0.75V, which is subsequently added to the hydrogen generation current at potentials below -1V. Larger amounts of hydrogen are absorbed into the Pd lattice as indicated by the large current. In the positive potential reversal, hydrogen begins to desorb from Pd, as represented by the large anode peak that begins at -0.8V and peaks at -0.36V. Based on a voltammetric comparison of mesoporous Ni and mesoporous Pd, a charge storage device using these two electrodes can be expected to have a discharge voltage of about 1.2V. Because this is almost the start of H + desorption from Pd (−0.8 V for Hg / HgO) and intercalation of H + to NiOOH (0.4 V for Hg / HgO). This is because of the potential difference between the two. This discharge voltage is variable with the state of charge of Pd, and is −0.8 V for Hg / HgO and −0.3 V for Hg / HgO of a fully charged electrode (Pd is 20 mVs −1). In which hydrogen is completely released).

[(v)スーパーキャパシタの組立ておよび充電/放電特性試験]
スーパーキャパシタ構成におけるメソポーラスニッケルの性能および限界を研究するために、より高い容量およびパワー能力を有する負極が必要とされた。このために、上記の(iii)で作製した液晶テンプレート化メソポーラスパラジウムを使用した。性能限界がニッケル電極における限界によるように、メソポーラスパラジウム電極の大きさをメソポーラスニッケル電極よりもかなり大きくした。
[(V) Supercapacitor assembly and charge / discharge characteristics test]
In order to study the performance and limitations of mesoporous nickel in a supercapacitor configuration, a negative electrode with higher capacity and power capability was required. For this purpose, the liquid crystal templated mesoporous palladium produced in the above (iii) was used. The size of the mesoporous palladium electrode was made much larger than that of the mesoporous nickel electrode, as the performance limit was due to the limitation of the nickel electrode.

従って、6MのKOH溶液中で1cmだけ隔てられた1cmのメソポーラスパラジウム電極と共に約1μmの厚さの直径200μmのメソポーラスニッケル正極を用いて、セパレータのない二電極スーパーキャパシタを組立てた。上記(ii)で作製したように、この場合のメソポーラスニッケルの合成における析出電荷は、−1.13mCであった。34%の析出効率を考慮に入れると、これは0.117μgの質量に相当する。 Thus, a separatorless two-electrode supercapacitor was assembled using a mesoporous nickel cathode with a diameter of about 1 μm and a diameter of 200 μm with a 1 cm 2 mesoporous palladium electrode separated by 1 cm in 6 M KOH solution. As prepared in (ii) above, the deposition charge in the synthesis of mesoporous nickel in this case was −1.13 mC. Taking into account the deposition efficiency of 34%, this corresponds to a mass of 0.117 μg.

図3は、0V〜1.3Vの電位範囲でサイクルされる二電極スーパーキャパシタのサイクリックボルタモグラムを示す。約1.22Vにおいて、デバイスは、Ni(OH)からのプロトンの除去およびNiOOHの形成に対応して充電される。陰極のピークによって示されるように、Pd格子からのプロトンがNiOOH構造内に移動して、Ni(OH)を再形成すると、放電が生じる。この20mVs−1サイクルにおける放電電流は67mAcm−2でピークに達し、通過する総電荷は257mCcm−2である。 FIG. 3 shows a cyclic voltammogram of a two-electrode supercapacitor that is cycled in the potential range of 0V to 1.3V. At about 1.22 V, the device is charged in response to proton removal from Ni (OH) 2 and formation of NiOOH. As indicated by the cathode peak, a discharge occurs when protons from the Pd lattice move into the NiOOH structure to reform Ni (OH) 2 . The discharge current in this 20 mVs −1 cycle peaks at 67 mAcm −2 and the total charge passing through is 257 mCcm −2 .

図3のボルタモグラムの形状は、スーパーキャパシタよりも電池の形状と密接に似ている。ここで、図4により明らかに示されるように、放電における電荷の大部分は、1.18Vよりも上で通過する。   The shape of the voltammogram of FIG. 3 is more similar to the shape of the battery than the supercapacitor. Here, as clearly shown by FIG. 4, most of the charge in the discharge passes above 1.18V.

スーパーキャパシタがどの程度速く充電および放電されるかを決定するために、デバイスの電位を0V(放電状態)〜1.3V(充電状態)でステップさせ、25℃で電流応答を測定した。図5は、単一の充電/放電ステップシーケンスを示す。陽極のスパイクの間、800mCcm−2の電荷が通過する。デバイスの放電は、大きい陰極のスパイクによって表され、プロトンがNiOOH内に移動するときの最大振幅は50Acm−2である。ここで放電ステップの間に276mCcm−2が通過し、そのうちの222mCcm−2(直径200μmにわたって7×10−5C、または166mA.hg−1)は、初めの50ミリ秒で通過する。 To determine how quickly the supercapacitor is charged and discharged, the device potential was stepped from 0 V (discharged state) to 1.3 V (charged state) and the current response was measured at 25 ° C. FIG. 5 shows a single charge / discharge step sequence. During the anode spike, 800 mCcm -2 of charge passes. The discharge of the device is represented by a large cathode spike with a maximum amplitude of 50 Acm −2 when protons move into NiOOH. Here, 276 mCcm −2 passes through during the discharge step, of which 222 mCcm −2 (7 × 10 −5 C over diameter 200 μm, or 166 mA.hg −1 ) passes in the first 50 milliseconds.

[(vi)スーパーキャパシタの組立ておよびサイクル寿命試験]
サイクル寿命を試験するために、1cmの蒸着金基板上に析出させた上記の(ii)および(iii)で作製されるようなメソポーラスニッケル電極およびパラジウム電極からなる構成のスーパーキャパシタを組み立て、メソポーラスNi電極およびメソポーラスPd電極を、6MのKOHが充満された多孔質PTFE膜で隔てた。0V〜1.2Vの電位範囲でデバイスを500mVs−1で連続的にサイクルすることによって、ニッケル−パラジウムスーパーキャパシタのサイクル性(cyclability)を調査した。全ての性能データは、ニッケル電極の質量または幾何面積に関する単位で引用される。
[(Vi) Supercapacitor assembly and cycle life test]
In order to test the cycle life, a supercapacitor composed of a mesoporous nickel electrode and a palladium electrode as prepared in the above (ii) and (iii) deposited on a 1 cm 2 vapor-deposited gold substrate was assembled, and mesoporous The Ni electrode and the mesoporous Pd electrode were separated by a porous PTFE membrane filled with 6M KOH. The cyclability of nickel-palladium supercapacitors was investigated by cycling the device continuously at 500 mVs −1 in the potential range of 0V to 1.2V. All performance data is quoted in units related to the mass or geometric area of the nickel electrode.

図6に示されるように、ボルタモグラムの形状は、図3で与えられる形状とはかなり異なる。ピークはかなり幅広であり、図3ではたった0.07Vであるのに対して、約0.5V隔てられている。これは、セルに課せられるIR限界と、多孔質セパレータの導入およびPdの遅い電気化学応答との組み合わせによるものであり、その容量は、この構成のNi(OH)電極の容量よりも顕著に大きくはなかった。図6は、最初の4.8秒フルサイクルと15000回目とを比較する。ボルタモグラムの同様の形は、サイクリング中に電極が大きく劣化しなかったことを示す。ピーク電位のより低い値へのシフトは酸素の侵入によるものであり、酸素の侵入はパラジウム電極の平均水素含量を低下させ、従って負極の電位を上昇させると確信される。サイクルあたりの電荷の増大は、サイクリング中に酸化物層が厚くなるためであると確信される。 As shown in FIG. 6, the shape of the voltammogram is quite different from the shape given in FIG. The peaks are fairly wide, separated by about 0.5V, compared to only 0.07V in FIG. This is due to the combination of the IR limit imposed on the cell, the introduction of a porous separator and the slow electrochemical response of Pd, and its capacity is significantly higher than the capacity of the Ni (OH) 2 electrode of this configuration. It wasn't big. FIG. 6 compares the first 4.8 second full cycle with the 15000th cycle. A similar form of voltammogram indicates that the electrode did not degrade significantly during cycling. It is believed that the shift of the peak potential to a lower value is due to oxygen intrusion, and oxygen intrusion decreases the average hydrogen content of the palladium electrode and thus increases the negative electrode potential. The increase in charge per cycle is believed to be due to the thickening of the oxide layer during cycling.

この結果は2つのことを暗示している。まず第1は、メソポーラス電極が、挿入プロセスを用いるその他のスーパーキャパシタおよび電池系における容量の減少に関連するサイクリング時のデクレピテーション(decrepitation)に耐性があると思われることである。従って、図7に示されるような均一なモノリシック構造は、不均一な大きさ分布の焼結粒子の凝集体からなる構造よりも、体積膨張および収縮のひずみによく耐えると思われる。   This result implies two things. First, mesoporous electrodes appear to be resistant to cycling decrepitation associated with other supercapacitors using insertion processes and capacity reduction in battery systems. Thus, a uniform monolithic structure such as that shown in FIG. 7 appears to withstand volume expansion and contraction strains better than a structure consisting of aggregates of sintered particles of non-uniform size distribution.

第2の暗示は、メソポーラスNi電極の容量が減少されないだけでなく、実際にはサイクリングと共に増大するという事実を扱う。6MのKOH中、電位サイクリング条件下で、より多くのNi系金属が酸化されるにつれて、Ni電極中のNi(OH)の量が時間と共に増大できることを理解することによって、この効果は合理化される。事実上、これは、電極中の活物質の量を増大させ、従って容量を増大させる。アルカリ溶液中で適切なサイクリング条件を適用させることで、電着したNi電極の容量が30倍まで増大され得ることは、複数のグループによって既に示されている。ここで、最初のサイクリング中に既に45質量%の電極材料が使用されるので、このように容量の大きな増大は、本発明の構成では予期されない。いずれにしても、Ni系金属から電気的に非伝導性のNi(OH)への完全な転換に相当する容量の大きな増大は、望ましくないであろう。何故なら、これは、電気伝導性を提供すると共にナノスケールの集電体の役割を果たすメソポーラス電極中のNi金属の連続的な通路を破壊し得るからである(図7を参照)。 The second suggestion deals with the fact that the capacity of the mesoporous Ni electrode is not only reduced, but actually increases with cycling. By understanding that the amount of Ni (OH) 2 in the Ni electrode can increase over time as more Ni-based metal is oxidized under potential cycling conditions in 6M KOH, this effect is rationalized. The In effect, this increases the amount of active material in the electrode and thus increases the capacity. Several groups have already shown that by applying appropriate cycling conditions in alkaline solution, the capacity of electrodeposited Ni electrodes can be increased up to 30 times. Here, such a large increase in capacity is not expected in the configuration of the present invention, since 45% by weight of electrode material is already used during the first cycling. In any case, a large increase in capacity corresponding to complete conversion from Ni-based metal to electrically non-conductive Ni (OH) 2 would be undesirable. This is because it can break the continuous path of Ni metal in the mesoporous electrode that provides electrical conductivity and serves as a nanoscale current collector (see FIG. 7).

[実施例10]
[ナノ構造化水酸化ニッケル/炭素スーパーキャパシタの作製]
[(i)ニッケル基板の調製]
ニッケル箔(10μm厚)をJohnson Mattheyから入手し、次にメソポーラスニッケルを析出させるために以下のように調製した。
[Example 10]
[Production of nanostructured nickel hydroxide / carbon supercapacitor]
[(I) Preparation of nickel substrate]
Nickel foil (10 μm thick) was obtained from Johnson Matthey and then prepared as follows to deposit mesoporous nickel.

ニッケル箔電極(4cm)を、析出の前にイソプロパノールの超音波浴中で15分間、清浄にしてから、脱イオン水ですすぎ、周囲条件下で乾燥させた。 A nickel foil electrode (4 cm 2 ) was cleaned in an ultrasonic bath of isopropanol for 15 minutes prior to deposition, then rinsed with deionized water and dried under ambient conditions.

[(ii)六方晶系の液晶相からのニッケルの電着]
45重量%の0.2Mの酢酸ニッケル(II)、0.5Mの酢酸ナトリウムおよび0.2Mのホウ酸の水溶液、ならびに55重量%のBrij56(Brijは商標)非イオン性界面活性剤(C16EO、ここでnは約10、Aldrichから入手)から、通常のトポロジーの六方晶(H)相を有する混合物を調製した。Nelson等のChem. Mater., 2002, 14, 524-529に開示される方法に従って、白金網対向電極を用いて25℃で、飽和カロメル電極に対して−0.9Vにおいて、ニッケル箔基板上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。析出後、フィルムを多量のイソプロパノール中で24時間洗浄し、界面活性剤を除去した。厚さ約1マイクロメートルのメソポーラスニッケルフィルムが得られた。
[(Ii) Electrodeposition of nickel from hexagonal liquid crystal phase]
45 wt% 0.2 M nickel acetate (II), 0.5 M sodium acetate and 0.2 M boric acid in water, and 55 wt% Brij56 (Brij is a trademark) nonionic surfactant (C 16 EO n, where n is from about 10, Aldrich available), and the mixture having a regular hexagonal topology (H I) phase was prepared. According to the method disclosed in Chem. Mater., 2002, 14, 524-529 of Nelson et al. On a nickel foil substrate at 25 ° C. using a platinum mesh counter electrode at −0.9 V against a saturated calomel electrode. Electrodeposition was performed using a potentiostat. After deposition, the film was washed in a large amount of isopropanol for 24 hours to remove the surfactant. A mesoporous nickel film about 1 micrometer thick was obtained.

[(iii)高表面積の炭素電極の製造]
90重量%のNorit Ultra炭素(1,200m−1)、5重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、2.5重量%のアセチレンブラック(100%圧縮)、および2.5重量%のSuperiorグラファイトを乳棒および乳鉢を用いて混合することによって、高表面積の炭素電極を製造した。次に、Durston Mini Millローリングミルを用いて、ペーストを手動でシート状に延ばした(フィルム厚50〜65μm)。次に金層(0.5mgcm−2、約100nm厚)を炭素フィルム上に蒸着させ、フィルムの伝導性を改善した。高表面積の炭素電極は、70〜100Fg−1の容量および0.45mgcm−2の質量を有した。
[(Iii) Production of high surface area carbon electrode]
90 wt% Norit Ultra carbon (1,200 m 2 g -1 ), 5 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE), 2.5 wt% acetylene black (100% compression), and 2.5 wt% A high surface area carbon electrode was made by mixing Superior graphite using a pestle and mortar. Next, the paste was manually extended into a sheet using a Durston Mini Mill rolling mill (film thickness 50 to 65 μm). A gold layer (0.5 mg cm −2 , about 100 nm thick) was then deposited on the carbon film to improve film conductivity. The high surface area carbon electrode had a capacity of 70-100 Fg −1 and a mass of 0.45 mg cm −2 .

[(iv)Niおよび炭素電極の作動]
Solartron1287電気化学インターフェースおよびCorrwareソフトウェアを用いて、サイクリックボルタンメトリー実験を実行し、National Instrumentsのデータ収集カードおよびLabVIEWソフトウェアとインターフェース接続された特注のポテンシオスタットおよびランプ発生器を用いて、電位ステップ実験を行った。
[(Iv) Operation of Ni and carbon electrodes]
Perform cyclic voltammetry experiments using Solartron 1287 electrochemical interface and Corrware software, and perform potential step experiments using custom potentiostats and ramp generators interfaced with National Instruments data acquisition cards and LabVIEW software. went.

メソポーラスNiおよび高表面積炭素の電気化学特性を比較するために、両方のタイプの電極の6MのKOH中のサイクリックボルタモグラムは、図8および図9にそれぞれ示される。Hg/HgOに対して0.46Vでは、Niの陽極のピークは、反応(1)によるNi(OH)のNiOOHへの酸化を示し、続いて、0.32Vの陰極ピークで表されるNi(OH)への還元が生じる。Ni(OH)の存在は、作製、貯蔵、およびそれに続くサイクリングまたはコンディショニングの間に、下側にあるニッケルが酸化することによると思われる。後者のピークは、電極のプロトン貯蔵容量、すなわちプロトン貯蔵のための電極の可逆的な容量を表す。図9では、これは、Hg/HgOに対して0.6V〜−0.5Vで、20mVs−1において104mCcm−2である。 To compare the electrochemical properties of mesoporous Ni and high surface area carbon, cyclic voltammograms in 6M KOH for both types of electrodes are shown in FIGS. 8 and 9, respectively. At 0.46 V versus Hg / HgO, the Ni anode peak indicates oxidation of Ni (OH) 2 to NiOOH by reaction (1), followed by the Ni peak represented by a cathode peak of 0.32 V. Reduction to (OH) 2 occurs. The presence of Ni (OH) 2 appears to be due to oxidation of the underlying nickel during fabrication, storage, and subsequent cycling or conditioning. The latter peak represents the proton storage capacity of the electrode, ie the reversible capacity of the electrode for proton storage. In FIG. 9, this is 0.6 V to −0.5 V for Hg / HgO and 104 mCcm −2 at 20 mVs −1 .

6MのKOH中の高表面積炭素電極の電気化学は、通常、純粋な二重層の挙動を有し、いかなるファラデー電気化学も示さない。6MのKOH中の炭素電極の有用な電位窓は、溶媒の分解によってのみ制限され、負の限界では水素が発生し、正の限界では酸素が発生する。メソポーラスNiおよび高表面積炭素のボルタンメトリーの比較に基づいて、これらの2つの電極を用いる電荷貯蔵デバイスは、約1.4Vの放電電圧を有し得ることが予期され得る。何故なら、これは、ほぼ、炭素電極における水素発生の開始(Hg/HgOに対して−1.0V)と、NiOOHへのHのインターカレーション(Hg/HgOに対して0.4V)との間の電位差だからである。 Electrochemistry of high surface area carbon electrodes in 6M KOH usually has a pure bilayer behavior and does not show any Faraday electrochemistry. The useful potential window of the carbon electrode in 6M KOH is limited only by the decomposition of the solvent, producing hydrogen at the negative limit and oxygen at the positive limit. Based on a voltammetric comparison of mesoporous Ni and high surface area carbon, it can be expected that a charge storage device using these two electrodes may have a discharge voltage of about 1.4V. This is because the onset of hydrogen generation at the carbon electrode (−1.0 V for Hg / HgO) and the intercalation of H + into NiOOH (0.4 V for Hg / HgO). This is because of the potential difference between the two.

[(v)スーパーキャパシタの組立ておよび充電/放電特性試験]
スーパーキャパシタ構成におけるメソポーラスニッケルの性能および限界を研究するために、より高い容量およびパワー能力を有する負極が必要とされた。このために、上記(iii)で作製された高表面積炭素フィルムを使用した。性能限界がニッケル電極における限界によるように、高表面積炭素電極の電荷貯蔵能力をメソポーラスニッケル電極よりもかなり大きくした。
[(V) Supercapacitor assembly and charge / discharge characteristics test]
In order to study the performance and limitations of mesoporous nickel in a supercapacitor configuration, a negative electrode with higher capacity and power capability was required. For this purpose, the high surface area carbon film prepared in (iii) above was used. The charge storage capacity of the high surface area carbon electrode was made much larger than the mesoporous nickel electrode, as the performance limit was due to the limit at the nickel electrode.

従って、6MのKOH溶液中で、ニッケル電極のそれぞれの側で、いずれの場合も25μmのCelgardセパレータで隔てられた2つの4cmの高表面積炭素電極(上記(iii)で作製)と共に、厚さ約12μm(厚さ10μmの箔集電体を含む)の両面4cm(活性面積8cm)のメソポーラスニッケル正極(上記(ii)で作製)を用いて、セパレータ(Celgard、ポリプロピレン、25μm、2.75mgcm−2)を有する二電極スーパーキャパシタを組み立てた。上記(ii)で作製されるこの場合のメソポーラスニッケルの合成における析出電荷は、−3.9Ccm−2であった。これは、50%の析出効率を考慮に入れると、箔基板を含むニッケルサンプルでは39.4mgの質量に相当する。2つの炭素電極の総質量は28.5mgであり、セパレータは25.8mgであり、従って乾燥キャパシタの総質量は93.7mgであった。 Thus, in 6M KOH solution, with two 4cm 2 high surface area carbon electrodes (made in (iii) above) on each side of the nickel electrode, in each case separated by a 25 μm Celgard separator using mesoporous nickel positive electrode of about 12 [mu] m (thickness 10μm of the foil current including collector) of the double-sided 4 cm 2 (active area 8 cm 2) (prepared in the above (ii)), a separator (Celgard, polypropylene, 25 [mu] m, 2. A two-electrode supercapacitor with 75 mgcm −2 ) was assembled. The deposition charge in the synthesis of mesoporous nickel in this case produced in (ii) above was −3.9 Ccm −2 . This corresponds to a mass of 39.4 mg for the nickel sample containing the foil substrate, taking into account the deposition efficiency of 50%. The total mass of the two carbon electrodes was 28.5 mg, the separator was 25.8 mg, and thus the total mass of the dry capacitor was 93.7 mg.

キャパシタのボルタンメトリー応答が安定するまで、新しく作製したスーパーキャパシタの電位を、5mVs−1において0V〜1.5Vで、二電極装置内でサイクルさせ、この時点で、炭素およびニッケル電極の電荷貯蔵容量は平衡状態にあると考えられた。正極および負極を別々に充電する必要はなかった。図10は、安定化した後に0V〜1.5Vの電位範囲でサイクルした二電極スーパーキャパシタのサイクリックボルタモグラムを示す。約1.35Vにおいて、デバイスは、Ni(OH)からのプロトンの除去およびNiOOHの形成に対応して充電される。陰極ピークにより示されるように、プロトンがNiOOH構造内に移動してNi(OH)を再形成すると、放電が生じる。この5mVs−1サイクルにおける放電電流は、1.3mAcm−2でピークに達し、通過する総還元電荷は133mCcm−2である。 The potential of the newly fabricated supercapacitor was cycled from 0V to 1.5V at 5 mVs −1 in a two-electrode device until the capacitor's voltammetric response was stable, at which point the charge storage capacity of the carbon and nickel electrodes was It was considered in equilibrium. There was no need to charge the positive and negative electrodes separately. FIG. 10 shows a cyclic voltammogram of a two-electrode supercapacitor that has been stabilized and then cycled in the potential range of 0V to 1.5V. At about 1.35 V, the device is charged in response to proton removal from Ni (OH) 2 and formation of NiOOH. As indicated by the cathodic peak, discharge occurs when protons move into the NiOOH structure to reform Ni (OH) 2 . The discharge current in this 5 mVs −1 cycle peaks at 1.3 mAcm −2 , and the total reduced charge passing through is 133 mCcm −2 .

図10のボルタモグラムの形状は、スーパーキャパシタよりも電池の形状とより密接に似ている。ここで、図11により明らかに示されるように、放電における電荷の大部分は、Hg/HgOに対して0.9Vよりも上で通過する。   The shape of the voltammogram of FIG. 10 is more closely similar to the shape of the battery than the supercapacitor. Here, as clearly shown in FIG. 11, most of the charge in the discharge passes above 0.9 V for Hg / HgO.

スーパーキャパシタがどの程度速く充電および放電されるかを決定するために、デバイスの電位を0V(放電状態)〜1.4V(充電状態)でステップさせ、25℃で電流応答を測定した。図12は、単一の充電/放電ステップシーケンスを示す。陽極のスパイクの間、3秒間で105mCcm−2の電荷が通過する。デバイスの放電は、プロトンがNiOOH内に移動するときに、大きい陰極のスパイクによって表される。ここで、放電ステップの間に95mCcm−2が通過し、そのうち51mCcm−2は、初めの100ミリ秒で通過する。 To determine how quickly the supercapacitor is charged and discharged, the device potential was stepped from 0 V (discharged state) to 1.4 V (charged state) and the current response was measured at 25 ° C. FIG. 12 shows a single charge / discharge step sequence. During the anode spike, a charge of 105 mCcm -2 passes in 3 seconds. Device discharge is represented by large cathode spikes as protons migrate into the NiOOH. Here, 95 mCcm -2 passes during the discharge step, of which 51 mCcm -2 passes in the first 100 milliseconds.

[実施例11]
[ナノ構造化ニッケル/鉄スーパーキャパシタの作製]
[(i)ニッケル基板の調製]
メソポーラスニッケルフィルムのために、ニッケル箔(10μm厚、4cm)をJohnson Mattheyから入手し、次にメソポーラスニッケルを析出させるために、次のように調製した。
[Example 11]
[Preparation of nanostructured nickel / iron supercapacitors]
[(I) Preparation of nickel substrate]
For mesoporous nickel films, nickel foil (10 μm thick, 4 cm 2 ) was obtained from Johnson Matthey and then prepared as follows to deposit mesoporous nickel.

鉄フィルムでは、次にメソポーラス鉄を析出させるために、ニッケル箔(Goodfellow、10μm、2cm)を次のように調製した。 For the iron film, nickel foil (Goodflow, 10 μm, 2 cm 2 ) was prepared as follows in order to deposit mesoporous iron.

ニッケル箔基板は、析出の前にイソプロパノールの超音波浴中で15分間清浄にしてから、脱イオン水ですすぎ、周囲条件下で乾燥させた。   The nickel foil substrate was cleaned in an isopropanol ultrasonic bath for 15 minutes prior to deposition, then rinsed with deionized water and dried under ambient conditions.

[(ii)六方晶系の液晶相からのニッケルの電着]
45重量%の0.2Mの酢酸ニッケル(II)、0.5Mの酢酸ナトリウムおよび0.2Mのホウ酸の水溶液、ならびに55重量%のBrij56(Brijは商標)非イオン性界面活性剤(C16EO、nは約10、Aldrichから入手)から、通常のトポロジーの六方晶(H)相を有する混合物を調製した。Nelson等のChem. Mater. , 2002, 14, 524-529に開示される方法に従って、飽和カロメル電極に対して−0.9Vで、25℃で白金網対向電極を用いて、ニッケル箔基板上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。総析出電荷は2.0Cであった。析出の後、フィルムを多量のイソプロパノール中で24時間洗浄し、界面活性剤を除去した。
[(Ii) Electrodeposition of nickel from hexagonal liquid crystal phase]
45 wt% 0.2 M nickel acetate (II), 0.5 M sodium acetate and 0.2 M boric acid in water, and 55 wt% Brij56 (Brij is a trademark) nonionic surfactant (C 16 EO n, n is from about 10, Aldrich available), and the mixture having a regular hexagonal topology (H I) phase was prepared. According to the method disclosed in Chem. Mater., 2002, 14, 524-529 of Nelson et al. On a nickel foil substrate using a platinum net counter electrode at −0.9 V against a saturated calomel electrode at 25 ° C. Electrodeposition was performed using a potentiostat. The total deposited charge was 2.0C. After deposition, the film was washed in a large amount of isopropanol for 24 hours to remove the surfactant.

[(iii)六方晶系の液晶相からの鉄の電着]
脱酸素化した40重量%の0.2Mの硫酸鉄(II)の水溶液および60重量%のBrij56非イオン性界面活性剤(C16EO、ここでnは約10、Aldrich)から、通常のトポロジーの六方晶(H)相を有する混合物を調製した。飽和カロメル電極に対して−0.9Vで、白金網対向電極を用いて25℃で、ニッケル箔基板(面積2cm)上への電着をポテンシオスタットを用いて実行した。0.2mAhの電荷が通過した後、析出電位からフィルムが絶縁される直前にフィルムを亜鉛箔に取り付けることにより、陰極の保護下でフィルムを析出混合物から取り出した。亜鉛箔と共にフィルムを多量の脱酸素化アセトン中で1時間洗浄し、界面活性剤を除去した。
[(Iii) Electrodeposition of iron from hexagonal liquid crystal phase]
Aqueous solution and 60% by weight of Brij56 nonionic surfactant deoxygenated 40% by weight of 0.2M iron sulfate (II) (C 16 EO n , where n is about 10, Aldrich) from normal the mixture having the topology of hexagonal (H I) phase was prepared. Electrodeposition on a nickel foil substrate (area 2 cm 2 ) was performed using a potentiostat at −0.9 V against a saturated calomel electrode at 25 ° C. using a platinum mesh counter electrode. After the 0.2 mAh charge passed, the film was removed from the deposition mixture under the protection of the cathode by attaching the film to a zinc foil just before the film was insulated from the deposition potential. The film was washed with a zinc foil in a large amount of deoxygenated acetone for 1 hour to remove the surfactant.

[(iv)鉄電極の試験]
洗浄後、鉄電極を6MのKOH水に浸漬し、亜鉛を取り外した。開回路の電位を測定し、充電されたナノ構造化NiOOH電極に対して1.1Vであることが分かった。Solartron1287電気化学インターフェースおよびCorrwareソフトウェアを用いて、サイクリックボルタンメトリー実験を実行した。
[(Iv) Iron electrode test]
After washing, the iron electrode was immersed in 6M KOH water to remove zinc. The open circuit potential was measured and found to be 1.1 V relative to the charged nanostructured NiOOH electrode. Cyclic voltammetry experiments were performed using the Solartron 1287 electrochemical interface and Corrware software.

6MのKOH中の鉄電極のサイクリックボルタモグラムを20mVs−1で実施した。結果は図13に示される。これは、Hg/HgOに対して−1.0Vの陽極ピークと、−1.1Vの陰極ピークとを示す。陽極ピークの−1.0V〜−0.3Vで通過する総電荷は、17mCであった。−0.3Vと、−1.15Vにおける水素発生の妨害との間に通過する陰極電荷は、図14に示されるように、25mCであった。 Cyclic voltammograms of iron electrodes in 6M KOH were performed at 20 mVs- 1 . The result is shown in FIG. This shows an anode peak of -1.0 V and a cathode peak of -1.1 V with respect to Hg / HgO. The total charge passing through the anode peak from -1.0 V to -0.3 V was 17 mC. The cathodic charge passing between -0.3V and the disturbance of hydrogen generation at -1.15V was 25 mC, as shown in FIG.

[(v)スーパーキャパシタの組立ておよび充電/放電特性試験]
上記のように作製した鉄およびニッケル電極を6MのKOH溶液中に浸漬させた。開回路の電位を測定し、1.1Vであることが分かった。2つの電極および溶液は、このようにして、サイクリング試験のために本発明者等のキャパシタを構成した。
[(V) Supercapacitor assembly and charge / discharge characteristics test]
The iron and nickel electrodes produced as described above were immersed in a 6M KOH solution. The open circuit potential was measured and found to be 1.1V. The two electrodes and the solution thus constituted our capacitor for cycling tests.

新しく作製したキャパシタの電位を、5mVs−1において、0V〜1.4Vでサイクルした。図15は、二電極スーパーキャパシタのサイクリックボルタモグラムを示す。負の電流としてプロットされる放電は、ピーク電流が0.15mAの幅広のピークを1.1V付近に示す。図16のボルタモグラムの積分により、貯蔵された総電荷は12mCであることが分かった。 The potential of the newly fabricated capacitor was cycled from 0V to 1.4V at 5 mVs- 1 . FIG. 15 shows a cyclic voltammogram of a two-electrode supercapacitor. The discharge plotted as a negative current shows a wide peak with a peak current of 0.15 mA around 1.1V. The total charge stored was found to be 12 mC by integration of the voltammogram of FIG.

Pd格子への、およびPd格子からNiOOH正極プロトンシンク(proton sink)への充電および放電におけるプロトンの流れを示す概略図を表す。FIG. 4 represents a schematic diagram showing proton flow in the charge and discharge to and from the Pd lattice and from the Pd lattice to the NiOOH cathode proton sink. 6MのKOH中20mVs−1における、直径1mmのHPdディスクのサイクリックボルタンメトリー(−)と、200μmのHNiディスクのサイクリックボルタンメトリー(----)との比較を示す。In KOH in 20MVs -1 of 6M, H I Pd disk cyclic voltammetry with a diameter 1 mm - shows a comparison of the, 200 [mu] m of H I Ni disk cyclic voltammetry (----) (). 6MのKOH中で1cmだけ分離された20mVs−1におけるサイクリックボルタンメトリーによる、200μmのHNiディスクに基づくスーパーキャパシタの充電/放電挙動を示す。FIG. 4 shows the charge / discharge behavior of a supercapacitor based on a 200 μm H 1 Ni disk by cyclic voltammetry at 20 mVs −1 separated by 1 cm in 6 M KOH. 図3に示される20mVs−1の放電中の、電位に対するデバイスからの電荷の流れを示す。FIG. 4 shows the charge flow from the device versus the potential during the 20 mVs −1 discharge shown in FIG. 6MのKOH中の1cmのHPd電極と共に200μmのHNiディスクで構成される、6MのKOH中のHNi/HPdスーパーキャパシタの電位ステップ充電/放電を示す。Consisting of 6M of 1 cm 2 in KOH H I Pd 200μm in H I Ni disc with electrodes, showing the potential step charging / discharging of the H I Ni / H I Pd supercapacitor 6M in KOH. 500mVs−1において、多孔質PTFEセパレータを組み込んだ1cmNi/1cmPdスーパーキャパシタの最初のフルサイクル(−)(細線)と、15,000回目のサイクル(−)(太線)との比較を示す。In 500MVs -1, incorporating a porous PTFE separator 1cm 2 H I Ni / 1cm 2 H I Pd super first full cycle of the capacitor (-) and (thin line), 15,000 th cycle (-) (thick line) Comparison with is shown. ニッケル集電体のマトリックス中に保持された酸化活物質Ni(OH)で取り囲まれた細孔を示し、さらに電極のバルク面積の45%を占める活物質を示すH電極構造の概略図を表す。Shows pores surrounded by oxide active material Ni (OH) 2 which is held in a matrix of nickel current collector, a schematic diagram of the H I electrode structure showing active material further accounts for 45% of the bulk area of the electrode To express. 実施例10で作製されるナノ構造化ニッケル/水酸化ニッケル電極のサイクリックボルタモグラムを示す。FIG. 3 shows a cyclic voltammogram of the nanostructured nickel / nickel hydroxide electrode produced in Example 10. FIG. 実施例10で作製される高表面積炭素電極のサイクリックボルタモグラムを示す。FIG. 6 shows a cyclic voltammogram of the high surface area carbon electrode produced in Example 10. FIG. 実施例10で作製されるニッケル−炭素スーパーキャパシタのサイクリックボルタモグラムを示す。10 shows a cyclic voltammogram of a nickel-carbon supercapacitor produced in Example 10. FIG. 図10のニッケル−炭素スーパーキャパシタのサイクリックボルタモグラムの電位−電荷の関係を示す。FIG. 11 shows the potential-charge relationship of the cyclic voltammogram of the nickel-carbon supercapacitor of FIG. 25℃の6MのKOH中における、0V〜1.4Vでパルス化された図10のニッケル−炭素スーパーキャパシタ(8cm、93.7mg)の電位ステップを示す。FIG. 11 shows the potential steps of the nickel-carbon supercapacitor (8 cm 2 , 93.7 mg) of FIG. 10 pulsed from 0 V to 1.4 V in 6 M KOH at 25 ° C. FIG. 実施例11で作製されるように、20mVs−1および25℃での6MのKOH中で、Hg/HgOに対して−0.3V〜−1.2Vの液晶テンプレート化鉄電極のサイクリックボルタモグラムを示す。Cyclic voltammograms of liquid crystal templated iron electrodes from -0.3 V to -1.2 V versus Hg / HgO in 6 M KOH at 20 mVs −1 and 25 ° C. as prepared in Example 11. Show. 図13に示されるサイクリックボルタモグラムの電位−電荷の関係を示す。The potential-charge relationship of the cyclic voltammogram shown in FIG. 13 is shown. 実施例11で作製されるように、5mVs−1および25℃での6MのKOH中における、0V〜1.4Vの二電極装置における液晶テンプレート化鉄に対するメソポーラスニッケルのサイクリックボルタモグラムを示す。Figure 5 shows a cyclic voltammogram of mesoporous nickel versus liquid crystal templated iron in a 0V to 1.4V two-electrode device in 6M KOH at 5mVs -1 and 25 ° C as made in Example 11. 図15に示されるサイクリックボルタモグラムの電位−電荷の関係を示す。The potential-charge relationship of the cyclic voltammogram shown in FIG. 15 is shown.

Claims (12)

正極、負極および電解質を有する電気化学セルを含む携帯用電子デバイスであって、
前記正極の活物質が、10-8〜10-9mの断面の実質的に均一な大きさの細孔の周期的な配列を有し且つ白金、ニッケル、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)またはオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)から選択される材料で形成されるメソポーラス材料からなり、前記負極の活物質が、パラジウム、鉄または炭素から選択されるメソポーラス材料からなることを特徴とする携帯用電子デバイス。
A portable electronic device comprising an electrochemical cell having a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte,
The active material of the positive electrode has a periodic arrangement of substantially uniform pores having a cross section of 10 −8 to 10 −9 m, and platinum, nickel, nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) or consists mesoporous material formed of a material selected from nickel oxyhydroxide (NiOOH), the active material of the negative electrode, palladium, portable, characterized in that it consists of mesoporous material selected from iron or carbon Electronic devices.
前記メソポーラス材料が、1〜10nmの範囲内の細孔直径を有する請求項1に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device of claim 1, wherein the mesoporous material has a pore diameter in the range of 1 to 10 nm. 前記メソポーラス材料が、4×1011〜3×1013個/cm2の細孔数密度を有する請求項1または2に記載の携帯用電子デバイス。The portable electronic device according to claim 1, wherein the mesoporous material has a pore number density of 4 × 10 11 to 3 × 10 13 pores / cm 2 . 前記メソポーラス材料の細孔の少なくとも85%が、平均細孔直径の30%以内の細孔直径を有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least 85% of the pores of the mesoporous material have a pore diameter within 30% of the average pore diameter. 前記メソポーラス材料が、電極の厚さを貫通して連続的である細孔の六方晶系配列を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to any one of claims 1 to 4, wherein the mesoporous material has a hexagonal arrangement of pores that are continuous through the thickness of the electrode. 前記細孔の六方晶系配列が、5〜9nmの範囲の細孔周期性を有する請求項5に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to claim 5, wherein the hexagonal arrangement of the pores has a pore periodicity in the range of 5 to 9 nm. 前記負極の活物質が、10-8〜10-9mの断面の実質的に均一な大きさの細孔の周期的な配列を有するメソポーラス材料からなる請求項1〜6のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。The negative electrode active material is, in any one of claims 1 to 6 comprising a mesoporous material having a periodic array of 10 -8 to 10 -9 substantially pores of uniform size of the cross section of the m The portable electronic device as described. 前記メソポーラス材料が、0.5〜5マイクロメートルの範囲の厚さを有するフィルムである請求項1〜7のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to any one of claims 1 to 7, wherein the mesoporous material is a film having a thickness in the range of 0.5 to 5 micrometers. 前記負極のメソポーラス材料が、炭素およびパラジウムから選択される請求項1〜8のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to any one of claims 1 to 8, wherein the mesoporous material of the negative electrode is selected from carbon and palladium. 前記正極のメソポーラス材料が、ニッケルと、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)またはオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)とを含み、前記水酸化ニッケルまたは前記オキシ水酸化ニッケルが、前記ニッケル上に表面層を形成すると共に前記細孔表面上に少なくとも延在し、前記負極のメソポーラス材料が、炭素またはパラジウムから選択される請求項1〜9のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。The positive electrode mesoporous material includes nickel and nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) or nickel oxyhydroxide (NiOOH), and the nickel hydroxide or the nickel oxyhydroxide is a surface layer on the nickel. The portable electronic device according to any one of claims 1 to 9, wherein the mesoporous material of the negative electrode is selected from carbon or palladium. 前記正極のメソポーラス材料が、ニッケルと、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)またはオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)とを含み、前記水酸化ニッケルまたは前記オキシ水酸化ニッケルが、前記ニッケル上に表面層を形成すると共に前記細孔表面上に少なくとも延在し、前記負極のメソポーラス材料が、ナノ粒子状の炭素を含む請求項1〜9のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。The positive electrode mesoporous material includes nickel and nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) or nickel oxyhydroxide (NiOOH), and the nickel hydroxide or the nickel oxyhydroxide is a surface layer on the nickel. The portable electronic device according to claim 1, wherein the mesoporous material of the negative electrode includes nanoparticulate carbon. 前記セルが、電池、スーパーキャパシタまたは結合型電池/スーパーキャパシタとして機能するように構成される請求項1〜11のいずれか一項に記載の携帯用電子デバイス。  The portable electronic device according to claim 1, wherein the cell is configured to function as a battery, a supercapacitor, or a combined battery / supercapacitor.
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