JP5365052B2 - 電極材料とその製造方法、電気化学素子用電極及び電気化学素子 - Google Patents
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Description
本発明の電極材料に用いられるポリフルオレンまたはその誘導体は、フルオレンまたはその誘導体のモノマーを、化学重合または電解重合によって重合させて得ることができる。
本発明の電極材料に用いられるポリ3−メチルチオフェンまたはその誘導体は、3−メチルチオフェンまたはその誘導体のモノマーを、化学重合または電解重合によって重合させて得ることができる。
以上の電極と電解液を用いて電気化学素子を形成することができる。用いる電解液としては非水系、水系がある。非水系の場合、溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、アセトニトリル及びジメトキシエタンからなる群から選ばれる1種以上を含むことが好ましい。溶質としてリチウムイオンを有するリチウム塩、第4級アンモニウムカチオンまたは第4級ホスホニウムカチオンを有する第4級アンモニウム塩または第4級ホスホニウム塩を挙げることができる。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)2、LiAsF6及びLiSbF6等が挙げられる。また、第4級アンモニウム塩または第4級ホスホニウム塩としては、R1、R2、R3、R4N+またはR1、R2、R3、R4P+で表されるカチオン(ただし、R1、R2、R3、R4は炭素数1〜6のアルキル基)と、PF6 -、BF4 -、ClO4 -、N(CF3SO2)2 -、CF3SO3 -、C(SO2CF3)3 -、AsF6 -またはSbF6 -からなるアニオンとからなる塩であることが好ましい。特にPF6 -、BF4 -、ClO4 -、N(CF3SO2)2 -をアニオンとすることが好ましい。
(二次電池)
二次電池は以下のようにして作製することができる。リチウム二次電池の場合は、電解液としてリチウム塩を溶質とした非水系電解液を用いる。そして、正極として前記の本発明の正極、または自己ドープ型の正極を用い、負極としてリチウム金属、またはリチウムを吸蔵、放出する炭素などリチウムを吸蔵、放出する電極材料を用いる。ここで自己ドープ型の正極を用いた場合、充放電反応に関与するのは同量のリチウムカチオンであるので、電解液のイオン濃度が一定に保たれ、電解液の伝導度を一定に保つことができる。以上のリチウム二次電池は正極の電位が高いので、高電圧特性を有する。また、負極に本発明の負極を用いた場合は、出力特性、サイクル特性が向上する。
電気二重層キャパシタは次のようにして作製することができる。電解液としては、前記の非水系、水系のすべてを用いることができる。そして、正極として本発明の正極、または自己ドープ型の正極を用い、負極として活性炭などの電気二重層容量を有する電極を用いる。この電気二重層キャパシタは正極の電位が高いので、高電圧特性を有する。また、正極として電気二重層容量を有する電極を用い、負極として本発明の負極、または自己ドープ型の負極を用いることもできる。この場合は負極の電位が活性炭より低いので、高電圧特性を有する。
電気化学キャパシタは次のようにして作製することができる。電解液としては、第4級アンモニウム塩または第4級ホスホニウム塩を溶質とした非水系電解液を用いる。そして、正極として本発明の正極、または自己ドープ型の正極を用い、負極として酸化還元反応特性を有するポリチオフェン等の導電性高分子を用いる。この電気化学キャパシタは正極の電位が高いので、高電圧特性を有する。また、正極として前記の導電性高分子、または酸化ルテニウム等の金属酸化物を用い、負極として本発明の負極、または自己ドープ型の負極を用いることもできる。この場合は負極の電位が低いので、高電圧特性を有する。さらに、両極に本発明の電極を用いると、負極の電位が低く、正極の電位が高いので従来にない高電圧特性を有する。また、自己ドープ型の電極を用いると、同種、同量のイオンが反応に関与するので、電解液中のイオン濃度が一定に保たれて電解液の伝導度が一定に保たれる。
10mMのフルオレンモノマーを溶解したアセトニトリルに、10mMのFeCl3を加え、72時間撹拌し、ろ過し、乾燥(60℃真空乾燥24時間)することでポリフルオレン粉末を得た。得られた粉末と、この粉末に対して10−50wt%のカーボンナノチューブ(200m2/g)を0.01−0.1wt%の濃度でイソプロピルアルコールに混ぜ、超高圧処理を行った。この超高圧処理は200MPaで20サイクル行った。これにより得られた分散液をろ過し、シート状のポリフルオレン・カーボンナノチューブ複合材料を得た。
このポリフルオレン・カーボンナノチューブ複合シート(PF/CNTシート)について、その表面形態を、透過型電子顕微鏡(TEM)及び走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。図1は透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真、図2は走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した写真である。
さらに、上記の超高圧処理により作製したPF/CNTシートをアルミニウム集電体に貼り付けキャパシタ電極とし、サイクリックボルタモグラムを測定したところ、図3(a)に示すような結果が得られた。なお、一般的な混合方法であるホモジナイザー撹拌により得られたPF/CNTシートを用いて形成した電極を比較例とした。図3(a)から明らかなように、超高圧処理により作製したPF/CNTシートを用いた電極の方が良好な結果が得られた。
図3(b)に示すように、一般的な混合方法であるホモジナイザー撹拌により得られたPF/CNT電極は、90.4Fg-1の微分容量を発現したのに対し、本発明に係るメカノケミカル反応により作製したPF/CNT電極は200Fg-1という高い微分容量を発現した。
10mMの3−メチルチオフェンモノマーを溶解したアセトニトリルに、10mMのFeCl3を加え、72時間撹拌し、ろ過、乾燥(60℃真空乾燥24時間)することでポリ3−メチルチオフェン(P3MeT)粉末を得た。得られたP3MeT粉末と、この粉末に対して10−50wt%のCNT(200m2/g)を0.01−0.1wt%の濃度でイソプロピルアルコールに混ぜ、超高圧処理を行った。この超高圧処理は200MPaで20サイクル行った。得られた分散液をろ過し、シート状態のP3MeT/CNTコンポジットを得た。
さらに、上記の超高圧処理により作製したP3MeT/CNTコンポジットシートをアルミニウム集電体に貼り付けキャパシタ電極とし、サイクリックボルタモグラムを測定したところ、図6(a)に示すような結果が得られた。なお、一般的な混合方法であるホモジナイザー撹拌により得られたP3MeT/CNTコンポジットシートを用いて形成した電極を比較例とした。図6(a)から明らかなように、超高圧処理により作製したP3MeT/CNTコンポジットシートを用いた電極の方が良好な結果が得られた。
次に、正極にP3MeT/CNT電極を用い、負極にCNT電極を用いたレドックスキャパシタセルを構築した。このレドックスキャパシタセルについて、電解液として1Mテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを溶解したプロピレンカーボネートを用い、定電流充放電測定により、エネルギー密度を算出したところ、表1に示すような結果が得られた。
Claims (10)
- カーボンナノチューブの表面に、メカノケミカル反応により担持された、ポリフルオレンまたはその誘導体からなる有機活物質のナノ粒子およびナノ薄膜層を有することを特徴とする電極材料。
- 前記カーボンナノチューブの添加量が、前記ポリフルオレンまたはその誘導体に対して10−50wt%であることを特徴とする請求項1に記載の電極材料。
- 前記ポリフルオレンの誘導体として、フルオレンの9位の置換基が、アルキル基、カルボキシル基、ニトロ基、シアノ基、アルキルシアノ基、フェニル基(−Ph)、ハロゲン原子(−X)、−CX3、ハロゲン化フェニル基、アルキルフェニル基、アルキルハロゲン化フェニル基であるものを用いたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電極材料。
- 集電体表面に、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電極材料の膜を形成したことを特徴とする電気化学素子用電極。
- 請求項4に記載の電気化学素子用電極を備えていることを特徴とする電気化学素子。
- 前記電気化学素子が二次電池であることを特徴とする請求項5に記載の電気化学素子。
- 前記電気化学素子が電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項5に記載の電気化学素子。
- 前記電気化学素子が電気化学キャパシタであることを特徴とする請求項5に記載の電気化学素子。
- フルオレンまたはその誘導体のモノマーを化学重合または電解重合によって重合させて得るポリフルオレンまたはその誘導体とカーボンナノチューブを混合し、カーボンナノチューブの表面にポリフルオレンからなるナノ粒子およびナノ薄膜層をメカノケミカル反応により担持させ、得られた分散液をろ過し、シート状のポリフルオレン・カーボンナノチューブ複合材料を得ることを特徴とする電極材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを、前記ポリフルオレンまたはその誘導体に対して10−50wt%添加することを特徴とする請求項9に記載の電極材料の製造方法。
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