JP5714724B2 - スーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極及びこれの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の詳細な説明などにおいて使用される主な用語の定義は、下記の通りである。
図1に示したように、本発明に係るスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法は、まず、電解メッキ時作用電極(working electrode)の役割を果たす導電性金属基体5を準備し、前記導電性金属基体5は、白金、銀、銅、金チタン、ニッケル、ルテニウム等が用いられ、クラファイト(graphite)、炭素ナノチューブ、及びフラーレン(fullerene)等のような炭素物質も用いられる。また、導電性金属8が含まれた基板であれば、制限なしに使用可能である。前記導電性金属8は、白金、銀、銅、及び金等から選択される。
シリコン基質上にチタニウムをスパッタリングして、10nmのチタニウム層を形成させた後、前記チタニウム層上に白金をスパッタリングして、200nm白金層が形成された導電性白金基板を導電性金属基体として用いた。
実施例1で製造された導電性白金基板上に多孔性ニッケル含有構造体を形成させるために、前記導電性白金基板を作動電極、白金板を対電極として用い、負極と正極との間の距離は、2cmに維持し、参照電極としては、Ag/AgClを用いた。また、電解液としては、NiCl2・6H2O、SnCl2・2H2O及びH2SO4を用いた。この時、電解液の濃度は、NiCl2・6H2O 0.2M、SnCl2・2H2O 0.01M及びH2SO4 1Mであった。前記の通り製造された電解液20mlに前記導電性白金基板を担持し、-3Vの電圧を印加して、2分間電解メッキを行って、前記導電性白金基板にニッケル/錫構造体を析出させて、多孔性ニッケル/錫電極を製造した(図3)。
実施例2と同じ方法で行うが、電解液として、CoSO4・2H2O、SnCl2・2H2O及びH2SO4を用い、この時、電解液の濃度は、CoSO4・2H2O 0.2M、SnCl2・2H2O 0.2M、及びH2SO4 1Mにして、多孔性コバルト/錫構造体が形成された多孔性電極を製造し、前記製造された多孔性電極を300℃でアニーリング(酸化)工程を行った。
その結果、図4(a)に示したように、多孔性コバルト/錫構造体が形成されることが確認でき、図4(b)に示したように、多孔性構造体が、数多くの突起型デンドライト構造で形成されていることが確認できた。
実施例2と同じ方法で行うが、電解液として、SnCl2・2H2OまたはSnCl2・5H2O及びH2SO4を用い、この時、電解液の濃度は、SnCl2・2H2O 0.1MまたはSnCl2・5H2O 0.1M及びH2SO4 1Mにして、多孔性錫構造体が形成された多孔性電極を製造した。
その結果、図5(a)に示したように、多孔性コバルト/錫構造体が形成されることが確認でき、図5(b)に示したように、多孔性構造体が数多くの突起型デンドライト構造で形成されていることが確認できた。
実施例2と同じ方法で行うが、電解液として、Pb(ClO4)2 0.01M、HClO4 1.2M及びSidium Citrate 0.01Mを用いて、多孔性鉛構造体が形成された多孔性電極を製造した。
その結果、図6(a)及び(b)に示したように、針型デンドライト構造を持つ多孔性鉛構造体が形成されることが確認でき、図6(c)に示したように、アニーリング工程後には表面に酸化層が形成されていることが確認できた。
実施例2と同じ方法で行うが、電解液として、RuCl3・2H2O 0.02M、CuSO4・5H2O 0.01M、H2SO4 1Mを用いて、多孔性ルテニウム/銅構造体が形成された多孔性電極を製造した後、前記キャパシタ用電極物質として適していない銅を除去するために、H2SO4 0.1Mで電気化学的に分離して銅を除去した。
その結果、図7(a)及び(b)に示したように、他の実施例と全く異なる形態の多孔性ルテニウム/銅構造体が形成されるが確認でき、図7(c)に示したように、銅除去後には銅が除去された部分に表面的がさらに増加した多孔性ルテニウム構造体が現れることが確認できた。
実施例1の方法で製造するが、RuCl3・2H2O 0.01M、NH4Cl 1Mで構成された電解液で−3Vの電圧で、3分間メッキして薄膜形態の電極を製造した。
実施例6で製造されたルテニウム酸化物ナノ多孔性電極を利用して、サイクリックボルタンメトリーを測定(Eelectrochemical Impedance Analyzer、ZAHNER(商標))した。測定方法は、多孔性金属構造体を作用電極、白金板を対電極、Ag/AgCl基準電極を利用して、0.1M H2SO4電解液で互いに異なる走査速度(Scan rate)により測定した
その結果、図8に示したように、酸化ピークは0.4Vで現れ、還元ピークは約0.3Vのポテンシャル領域で現れたことから、測定に用いられた電極がルテニウムであることが分かった。
実施例6で製造されたルテニウム酸化物ナノ多孔性電極を利用して、充/放電性能を測定(Eelectrochemical Impedance Analyzer、ZAHNER(商標))した。測定方法は、多孔性金属構造体を作用電極、白金板を対電極、Ag/AgCl基準電極を利用して、0.1M H2SO4電解液で互いに異なる電流値により(1A/g〜10A/g)測定した。
その結果、図9に示したように、時間経過による充放電時間が一定であることによって、安全性を持っていることが分かった。
実施例6で製造されたルテニウム酸化物ナノ多孔性電極の比容量性能はサイクリックボルタンメトリーで測定されたグラフから比容量の放電時間及び印加された電流の値によって計算して測定した。
その結果、図10に示したように、ルテニウム−銅多孔性金属構造体の場合、1100F/gの比容量を示し、3000サイクルの間充放電を行った結果、約750〜800F/gの比容量を維持していることが分かった。
実施例6で製造されたルテニウム酸化物ナノ多孔性電極と比較例1の電極の端的に比較できる方法として、サイクリックボルタンメトリー測定を行った。測定方法は、前記実験例1と同じ方法で実施した。
その結果、図11に示したように、同じ値の重さから測定されたCV値の差(ナノ多孔性電極がフィルム形態の電極より約40〜50倍)が見られる。
Claims (9)
- (a)導電性金属基体を準備する段階;及び
(b)−0.3V〜−4.0Vの電圧を印加することによって、前記導電性金属基体上に金属含有電解液を電解メッキして前記導電性金属基体上に多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体を形成させる段階を含むスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法であって、前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体は、電解メッキ工程で発生する水素によって形成され、そして前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体は、平均径が10nm〜10μmの気孔を含み、平均大きさが5nm〜1μmのデンドライト構造を含み、そして厚さが10〜100μmである、前記スーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。 - 前記導電性金属基体は、白金、銀、銅、金、チタニウム、ニッケル、ルテニウム、炭素物質及びこれらの混合物からなる群から選択される金属を含むことを特徴とする請求項1に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 前記金属含有電解液は、マンガン含有電解液、ニッケル含有電解液、コバルト含有電解液、錫含有電解液、鉛含有電解液、ルテニウム含有電解液及びこれらの合金含有電解液からなる群から選択されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体の気孔の大きさは、金属含有電解液の金属濃度、金属含有電解液の、メッキ時電解液の温度、印加される電圧の大きさ、添加物の濃度からなる群から選択される条件を調節して制御させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体を形成させる段階(b)は、キャパシタ用として用いるのに不適切な物質の除去と比表面積増大のために多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体を形成させた後、エッチング段階及び/または電気化学分離法段階を追加的に含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体を形成させる段階(b)は、前記多孔性金属構造体に金属酸化物層を形成させるために、多孔性金属構造体を形成させた後、アニーリング段階及び/またはプラズマイオン注入段階を追加的に含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 前記段階(b)の多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体は、突起型、針型、及びこれらの混合形態からなる群から選択される形態であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極の製造方法。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の製造方法で製造され、前記導電性金属基体にマンガン、ニッケル、コバルト、錫、鉛、ルテニウム、及びこれらの合金からなる群から選択される金属が含まれた多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体が形成されていることを特徴とするスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極であって、前記多孔性金属構造体または多孔性金属酸化物構造体は、平均径が10nm〜10μmの気孔を含み、平均大きさが5nm〜1μmのデンドライト構造を含み、そして厚さが10〜100μmであるスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極。
- 請求項8に記載のスーパーキャパシタ用ナノ多孔性電極を含むことを特徴とする擬似キャパシタ。
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