JP5607931B2 - 電気二重層キャパシタ用分極性電極及びそれを用いた電気二重層キャパシタ - Google Patents

電気二重層キャパシタ用分極性電極及びそれを用いた電気二重層キャパシタ Download PDF

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Description

本発明は、分極性電極と集電体とセパレータとを積層して形成した電気二重層キャパシタに係り、高温での放置特性に優れた電気二重層キャパシタ用分極性電極に関する。
従来の電気二重層キャパシタは、集電体上に活性炭などを主体とする電極層である正・負極の分極性電極を形成し、対向する分極性電極の間にセパレータを挟んでキャパシタ素子とすることで、この素子を電解液と共に容器の金属ケース中に収容し、この金属ケースと封口板との間をガスケットで絶縁した状態で構成されている。または、一対の正極シートと負極シートとからなるシート状分極性電極の間にセパレータを重ねた状態で巻回したものをキャパシタ素子とし、この素子に電解液を合浸させて容器の金属ケース中に収容し、金属ケースの開口部を電解液が蒸発しないように封口部材で密封することにより構成されている。
このような電気二重層キャパシタでは、アルミニウム等のような弁作用を有する金属を焼結体あるいはエッチング箔等の形状にして、分極性電極に使用することにより大容量を取得することができる。つまり、アルミニウム等の弁作用金属からなる正極箔と負極箔をセパレータを介在させて巻回し、キャパシタ素子が構成されることも一般的である。
なお、上記のような電気二重層キャパシタでは、電解液にプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に、四フッ化ホウ素や六フッ化リンの四級オニウム塩を溶質として溶解させたものを使用している。
ところで、このような電気二重層キャパシタ中の電解液等に含まれる水分は、エージング中に負極において電気分解してアルカリ成分を発生する。そして、このアルカリ成分によって、例えば集電体となるアルミニウム箔表面に存在する酸化皮膜が溶解し、放電時に負極がAlの溶解電位より貴電位になることから、集電体内部において下記のような反応が進行する。
[化1]
Al→Al3++3e-
この反応は、特に、電解質に用いるアニオンBF4-の加水分解生成物のF-等が存在すると加速され、同時に、アニオン性化合物が形成されるので、この化合物が正極において電気分解を受け堆積するといった問題が生じた。これにより、上記のような電気二重層キャパシタを高温で放置すると、静電容量が低下し、さらには内部抵抗が上昇するという電気特性の劣化が生じていた。
なお、キャパシタの静電容量は、電極表面に形成される絶縁膜の種類や電気二重層の厚さ、そして電極の表面積に左右され、電気二重層の厚さと静電容量の大きさは反比例する。また、キャパシタの内部抵抗が高い場合には、電流密度が高くなるにつれて放電初期に電圧の急激な低下である、いわゆるIRドロップが生じる可能性もある。
このような問題を解消するために、電解液を改善することにより高温無負荷貯蔵する場合であっても内部抵抗の上昇を防止することが可能な電気二重層キャパシタが提案されている(特許文献1参照)。具体的には、4級塩アンモニウムのテトラフロロボレート塩を溶質、γーブチロラクトンとプロピレンカーボネイトとを混合したものを溶媒として使用した電解液を用いている。
特開2003−109861号公報
しかしながら、上述した特許文献1に記載の電解液を改善した電気二重層キャパシタであっても、高温状態に放置した場合における静電容量の低下や内部抵抗の上昇への対応に関して、十分でないといった問題があった。
本発明は、上記のような課題を解消するために提案されたものであって、その目的は、高温における放置特性が良好、かつ静電容量の低下及び内部抵抗の上昇を防止可能な電気二重層キャパシタ用分極性電極及びそれを用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、表面にリンを15〜115mg/m2保持した集電体を有することを特徴とする。ここで、集電体に保持されたリンの保持量は、集電体に保持されたリンを酸溶解した溶液を、吸光光度法によって定量分析する。
好ましい態様として、前記集電体は、アルミニウムエッチング箔であることを特徴とする。
また、本発明は、上記電気二重層キャパシタ用分極性電極を用いた電気二重層キャパシタとして捉えることも可能である。
以上のような、表面に所定量のリンを保持するアルミニウムエッチング箔を集電体とした分極性電極、及びそれを用いた電気二重層キャパシタでは、集電体表面に生じる酸化皮膜の安定性が高まり、上記[化1]の反応の進行、及びそれに伴うアニオン性化合物の堆積を抑制することができる。これにより、高温放置試験後の電気特性が良好になる。
また、好ましい態様としては、前記集電体の単位面積当たりの静電容量は、50〜350μF/cm2であることを特徴とする。
以上のような、所定量のリンを保持する分極性電極及びそれを用いた電気二重層キャパシタで高温放置試験後の良好な電気特性を実現するためには、集電体の単位面積当たりの静電容量が、最適値で50μF/cm2、許容値で350μF/cm2である必要がある。
静電容量が50μF/cm2未満である場合には、集電体の表面積が小さくなるため、リンの付着量が少なくなり、本発明において実現される良好な電気特性が大幅に低減する。一方で、静電容量が350μF/cm2を超える場合には、アルミニウムエッチング箔の表面積が大きくなるため、上記[化1]の反応が促進することによりアニオン化合物の堆積量が増加する。これにより、電気特性が劣化する可能性がある。そのため、集電体の単位面積当たりの静電容量を上記50〜350μF/cm2にする必要がある。
以上のような本発明によれば、高温状態に放置した場合であっても、静電容量の低下及び内部抵抗の上昇を防止することが可能な電気特性の良い分極性電極、及び当該分極性電極を用いた電気二重層キャパシタを提供することができる。
本発明の実施形態における実施例1と従来例1の容量減少率の比較図 本発明の実施形態における実施例1と従来例1の内部抵抗増加率の比較図 本発明の実施形態における実施例2と従来例2の容量減少率の比較図 本発明の実施形態における実施例2と従来例2の内部抵抗増加率の比較図 本発明の実施形態における実施例2と従来例2の容量減少率の比較図(85℃ 無負荷放置試験) 本発明の実施形態における実施例2と従来例2の内部抵抗増加率の比較図(85℃ 無負荷放置試験)
次に、本発明を実施するための最良の実施形態(以下「本実施形態」と呼ぶ)について以下に説明する。
(1)電気二重層キャパシタ
(1−1)分極性電極
まず、本実施形態に用いる電気二重層キャパシタ用の分極性電極の材料について以下に説明する。なお、分極性電極は、分極性電極材、導電性助剤及び結合材から構成されている。
正極・負極として用いる分極性電極材料としては、活性炭やポリアセン等が挙げられる。活性炭としては、例えば、フェノール樹脂等の樹脂系炭素、椰子殻などの植物系炭素、石炭/石油系ピッチコークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)等を賦活して用いている。
また、上記活性炭の賦活方法としては、水蒸気賦活・アルカリ賦活・塩化亜鉛賦活・電界賦活等を用いることができ、これらの賦活方法を適宜組み合わせても良い。
導電性助剤としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、天然/人造黒鉛等が用いられ、結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシアルキルセルロース、アルキルセルロース、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリイミド、天然ラテックス、スチレンブタジエンゴム( S B R )、アクリルゴム、ニトリルブタジエンゴム( N B R ) 、ブチルゴム( I I R )ラテックス等が使用されている。また、分極性電極材料と導電性助剤を攪拌するためにイソプロピルアルコール(IPA)等の低級アルコールが使用されている。
集電体については、アルミニウム箔やステンレス箔等が用いられるが、本実施形態では、アルミニウムエッチング箔を使用する。アルミニウム箔にエッチング処理を施しているのは、キャパシタの静電容量は電極の表面積に比例するので、エッチング処理を施すことで凹凸を形成することにより、実質的に表面積を拡大させるためである。
なお、本実施形態の特徴として、負極用分極性電極材料に接着させる上記アルミニウムエッチング箔である集電体には、リンを15〜115mg/m2保持させている。具体的には、このアルミニウムエッチング箔を、リン酸水溶液、またはリン酸アンモニウム等のリン酸塩水溶液に浸漬させ、当該アルミニウムエッチング箔表面にリンを15〜115mg/m2保持させることで、このアルミニウム箔表面に形成される酸化皮膜の溶解を抑制させる。
また、このアルミニウムエッチング箔には、静電容量が50〜350μF/cm2のものを用いている。
静電容量を小さくすることは、アルミニウムエッチング箔の比表面積を小さくすることと同義であるため、小さいほど上記[化1]の反応を抑制することが可能となり、電気特性の劣化を防止することができるが、50μF/cm2以上でなければ、当該アルミニウムエッチング箔表面へのリンの付着量が少なくなる。そのため、リンの付着量が少なくなると、本実施形態に係る所定の電気特性が得られなくなり、静電容量の減少率及び内部抵抗の増加率の低下分が大幅に削減されてしまう。
一方で、静電容量が350μF/cm2を上回る場合には、アルミニウムエッチング箔の比表面積が大きくなり過ぎるため、Alの上記[化1]の反応が促進することでアニオン化合物の堆積量が増加し、電気特性が劣化してしまうので、350μF/cm2以下の静電容量のアルミニウムエッチング箔を採用している。
(1−2)電解液
電解液に用いる電解質としては、カチオンとして、例えばテトラエチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウムなどの4級アンモニウム塩、N−エチル−N−メチルピロリジニウム、N,N−テトラメチレンピロリジニウムなどの脂肪族環状アンモニウム塩、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムなどの第四級イミダゾリウムが用いられる。アニオンとしては、例えば、BF4 -,B(C554 -,B(C242 -,B(C654 -等の他、PF6 -,SbF6 -,AsF6 -,CF3SO3 -,C(CF3SO23 -,C49SO3 -,C817SO3 -,N(CF3SO22 -等が用いられる。ここで、[化1]の反応にF-が関与すると考えられるので、本発明においては、Fを含むアニオンを用いた際に、効果が顕著である。
また、溶媒としては、以下に挙げるものが用いられる。なお、これらの溶媒はそれぞれ単独で使用してもよく、2種以上混合して使用してもよい。例えば、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジオキソラン、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、1,3−プロパンスルトン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン誘導体、シドノン化合物、アセトニトリル、ニトロメタン、アルコキシエタン、トルエン等を用いることができる。
(1−3)セパレータ
セパレータとしては、ポリエチレン多孔膜、ポリプロピレン製不織布、ガラス繊維性不織布、セルロース性特殊紙等を挙げることができる。
(実施例1)
実施例1に使用する分極性電極は、一例として、ケッチェンブラックと活性炭とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水溶液とを混合することで形成される。具体的には、ケッチェンブラックと活性炭とイソプロピルアルコール(IPA)とを攪拌し、その溶液にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水溶液を混合することでスラリーを作成する。
このようにして得られたスラリーを、圧延用ローラーを用いて約150μmまで圧延し、シートを作成する。そして、ケッチェンブラックと活性炭とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水溶液とから形成された2枚のシート状の分極電極の片面に、接続端子が設けられた集電体であるアルミニウムエッチング箔がカーボン系接着剤を用いて接着され、分極性電極の正極・負極が形成される。
ここで、正極・負極のシート状の2枚の分極電極は、アルミニウムエッチング箔の接着された面とは逆の面が対向するように配置され、その間にセルロース系セパレータを介在して巻回し、電気二重層キャパシタ素子が作製される。
電解液としては、この電気二重層キャパシタ素子に1M四フッ化ホウ素テトラエチルアンモニウムプロピレンカーボネート溶液(1MTEABF4/PC)を含浸させる。
そして、この素子を開口端部を有する円筒状のアルミニウムケースに挿入し、封口部材で封止し、分極性電極のアルミニウムエッチング箔に設けられた接続端子を封口部材の外部端子に接合する。電圧印加してエージングした後放電させ、電気二重層キャパシタセルを作製する。なお、セルのサイズはφ35×50Lである。
ここで、実施例1では、分極性電極に接着した集電体であるアルミニウムエッチング箔を、リン酸水溶液又はリン酸アンモニウム等のリン酸塩水溶液に浸漬することで、当該アルミニウムエッチング箔の表面に、リンを60mg/m2保持させている。なお、このアルミニウムエッチング箔表面の単位面積当たりの静電容量は、170μF/cm2である。
(実施例2)
実施例2に使用する分極性電極は、ケッチェンブラック、活性炭、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル系エラストマー樹脂を混合することで作製される。具体的には、カルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液中でケッチェンブラックと活性炭を攪拌し、その溶液にアクリル系エラストマー樹脂を混合することでスラリーを作製する。
このようにして得られたスラリーを、塗工機を用いてアルミニウムエッチング箔の両面に乾燥後の塗膜片面の厚みがそれぞれ160μmになるように塗布し、シートを作製した。さらに、このシートに対して塗膜片面の厚みが150μmになるようにロールプレスを施し、接続端子を設けて、分極性電極の正極・負極が形成される。
ここで、正極・負極のシート状の2枚の分極電極を対抗するように配置され、その間にセルロース系セパレータを介在して巻回し、電気二重層キャパシタ素子が作成される。
電解液としては、この電気二重層キャパシタ素子に1.8M四フッ化ホウ素トリエチルメチルアンモニウム/ガンマブチロラクトン溶液(1.8MTEMABF4/GBL)を含浸させる。
そして、この素子を開口端部を有する円筒状のアルミニウムケースに挿入し、封口部材で封止し、分極性電極のアルミニウムエッチング箔に設けられた接続端子を封口部材の外部端子に接合する。電圧印加してエージングした後放電させ、電気二重層キャパシタセルを作製する。なお、セルのサイズはφ35×50Lである。
ここで、本実施例2では、分極性電極に接着した集電体であるアルミニウムエッチング箔を、リン酸水溶液又はリン酸アンモニウム等のリン酸塩水溶液に浸漬することで、当該アルミニウムエッチング箔の表面に、リンを55mg/m2保持させている。なお、このアルミニウムエッチング箔表面の単位面積当たりの静電容量は、186μF/cm2である。
(従来例1)
集電体であるアルミニウムエッチング箔にはリンを保持させず、それ以外は実施例1と同じものを用いて電気二重層キャパシタを作製した。つまり、このアルミニウムエッチング箔の単位面積当たりの静電容量も170μF/cm2である。
(従来例2)
集電体であるアルミニウムエッチング箔にはリンを保持させず、それ以外は実施例2と同じものを用いて電気二重層キャパシタを作製した。つまり、このアルミニウムエッチング箔の単位面積当たりの静電容量も186μF/cm2である。
[測定方法]
ここで用いたアルミニウムエッチング箔の単位面積当たりの静電容量の測定方法としては、リン酸、クロム酸混合液に当該アルミニウムエッチング箔を浸漬することによりこのエッチング箔表面の酸化皮膜を除去し、クロメート皮膜を形成させ、ほぼ同じ皮膜付着状態での静電容量を測定している。従って、この測定された静電容量は、アルミニウムエッチング箔の比表面積の指標として用いることができる。
なお、集電体であるアルミニウムエッチング箔に保持されたリンの保持量は、このアルミニウムエッチング箔を酸溶解した溶液を、吸光光度法によって定量分析されている。
[比較結果]
[実施例1と従来例1]
上記の方法により得られた実施例1及び従来例1の電気二重層キャパシタについて、60℃の無負荷放置試験を行った際の、静電容量の減少率、内部抵抗の増加率を示す電気特性結果を図1及び2に示す。なお、図1は、実施例1と従来例1との比較を示す静電容量の減少率結果を示すグラフ、図2は、実施例1と従来例1との比較を示す内部抵抗の増加率結果を示すグラフである。
この図1及び2から明らかなように、集電体であるアルミニウムエッチング箔にリンを60mg/m2保持させた電気二重層キャパシタは、リンを保持しないアルミニウムエッチング箔を有する電気二重層キャパシタと比較して、静電容量減少率及び内部抵抗増加率が低い。
例えば、放置時間が1000時間経過すると、従来例1の静電容量の減少率が1.9%であるのに対し、実施例1のそれは1.2%である。また、内部抵抗の増加率は、従来例1が9.6%であるのに対し、実施例1では5.8%となる。放置時間が2000時間経過した場合には、従来例1の静電容量の減少率が2.9%であるのに対し、実施例1のそれは1.6%である。また、内部抵抗の増加率は、従来例1が14.5%であるのに対し、実施例1では5.9%となる。
また、上記のような静電容量の減少率及び内部抵抗の増加率が従来例1より所定分低い良好な電気特性を得るためには、集電体に付着させるリンの保持量は、15〜115mg/m2という測定結果が得られた。
つまり、リンが115mg/m2を超える場合には、アルミニウムエッチング箔に形成されるリンの層が絶縁性膜となり内部抵抗が増大することにより、本実施形態に係る良好な電気特性を奏することができないからである。また、リンが15mg/m2未満である場合には、リンを集電体に保持させることで得る本実施形態に係る特有の電気特性が大幅に低減し、静電容量減少率及び内部抵抗増加率の所定分の低下を実現することができない。そのため、集電体に付着させるリンの保持量は、15〜115mg/m2の特定範囲に限定している。
ここで、リンが15〜115mg/m2保持されたアルミニウムエッチング箔には、上述した通り、静電容量が50〜350μF/cm2のものを用いている。
これは、静電容量が50μF/cm2未満であると、このアルミニウムエッチング箔表面へのリンの付着量が少なり、本実施形態に係る静電容量の減少率及び内部抵抗の増加率の低下分が大幅に削減するからである。また、静電容量が350μF/cm2を上回る場合には、アルミニウムエッチング箔の比表面積が大きくなり過ぎるため、Alの上記[化1]の反応が促進することでアニオン化合物の堆積量が増加し、電気性が劣化してしまうからである。
このように、集電体であるアルミニウムエッチング箔にリンを15〜115mg/m2保持させた電気二重層キャパシタが、リンを保持しない従来例の電気二重層キャパシタより静電容量減少率及び内部抵抗増加率が低いという結果が得られたのは、以下の理由によるものと考えられる。
電気二重層キャパシタ中では、上述した通り、電解液等に含まれる水分が内在しており、エージング中に負極において当該水分が電気分解し、アルカリ成分が発生している。そして、このアルカリ成分により、集電体であるアルミニウムエッチング箔の表面に存在する酸化皮膜が溶解し、放電時では集電体内部で上記[化1]のような反応が進行する。
そのため、電解質のアニオンBF4 -によりアニオン性化合物が形成され、静電容量、内部抵抗の測定中に、この化合物が正極で電気分解を受け堆積して電気特性が劣化する。しかしながら、本発明では、集電体であるアルミニウムエッチング箔に所定量のリンを保持しているので、集電体表面に生じる酸化皮膜の安定性が高まり、上記[化1]の反応の進行、及びそれに伴うアニオン性化合物の堆積を抑制することができる。これにより、高温放置試験後の電気特性が良好になる。
[実施例2と従来例2]
上記の方法により得られた実施例2及び従来例2の電気二重層キャパシタについて、85℃の2.3V負荷試験と、85℃の無負荷放置試験を行った際の静電容量の減少率、内部抵抗の増加率を示す電気特性結果を図3乃至6に示す。なお、図3は、85℃の2.3V負荷試験における実施例2と従来例2との比較を示す静電容量の減少率結果を示すグラフであり、図4は、同じく85℃の2.3V負荷試験における実施例2と従来例2との比較を示す内部抵抗の増加率結果を示すグラフである。また、図5は、85℃無負荷放置試験における実施例2と従来例2との比較を示す静電容量の減少率結果を示すグラフであり、図6は、同じく85℃無負荷放置試験における実施例2と従来例2との比較を示す内部抵抗の増加率結果を示すグラフである。
この図4及び6から明らかなように、85℃の2.3V負荷試験、無負荷放置試験であっても、集電体であるアルミニウムエッチング箔にリンを55mg/m2保持させた電気二重層キャパシタは、リンを保持しないアルミニウムエッチング箔を有する電気二重層キャパシタと比較して、内部抵抗増加率が明らかに低い。
例えば、負荷状態あるいは放置状態が100時間経過すると、従来例2の内部抵抗増加率が27.68%であるのに対し、実施例2のそれは9.87%である。さらに、1000時間を経過すると、従来例2では47.84%。実施例2では17.88%となり、2000時間を経過すると、従来例2では69.91%、実施例2では33.33%となるため、両者の内部抵抗増加率の差は顕著なものとなる。
一方で、図3及び5に示される通り、静電容量減少率に関しては、85℃の2.3V負荷試験、無負荷放置試験において、集電体であるアルミニウムエッチング箔にリンを55mg/m2保持させた電気二重層キャパシタとリンを保持しないアルミニウムエッチング箔を有する電気二重層キャパシタとには、静電容量減少率に差がほぼ生じない。以上のように、プロピレンカーボーネートを用いた場合には、分解によるガス発生で開弁して使用することのできない85℃仕様で、良好な特性が得られている。
ここで、実施例2の方が従来例2によりも内部抵抗増加率が低かった理由としては、上記[実施例1と従来例1]と同様に、実施例2では、アルミニウムエッチング箔にリン酸処理を施しているので、当該アルミニウムエッチング箔表面の結晶水の付着を抑制することができ、それに伴い、その水とアニオンBF4 -の加水分解生成物であるF-の発生を抑制し、アルミニウムエッチング箔の腐食を抑制できた点が挙がる。電解質に用いるアニオンBF4-の加水分解生成物のF-が存在してしまうと上記[化1]の反応が加速し、アニオン性化合物が形成され、この化合物が内部抵抗の増加に寄与してしまうからである。
また、このような内部抵抗の増加率が従来例2よりも低い良好な電気特性を得るためのリンの保持量は、上記[実施例1と従来例2]で述べた理由と同じで、15〜115mg/m2である。さらに、実施例2においても、リンが15〜115mg/m2保持されたアルミニウムエッチング箔には、静電容量が50〜350μF/cm2のものを用いている。理由は実施例1と同様である。なお、実施例1において、実施例2と同様のコーティング電極を用いた場合にも、実施例1と同等の結果が得られた。また、実施例2において、実施例1と同様のシート電極を用いた場合にも、実施例2と同等の結果が得られた。

Claims (2)

  1. 表面にリンを15〜115mg/m2保持したアルミニウムエッチング箔からなる集電体を有し、
    前記集電体の単位面積当たりの静電容量は、50〜350μF/cm2であることを特徴とする電気二重層キャパシタ用分極性電極。
  2. 請求項1に記載の電気二重層キャパシタ用分極性電極を用いた電気二重層キャパシタ。
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