JP6487699B2 - 電気二重層キャパシタの製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、単層カーボンナノチューブを活性炭粉末及びカーボンブラックと混合して分極性電極材料とし、これを用いて分極性電極を形成することで、静電容量が向上した電気二重層キャパシタが得られることが開示されている。
先ず、本発明の電気二重層キャパシタの分極性電極に用いる導電性複合体について説明する。
この導電性複合体は、不織布とカーボンナノチューブ粉末とからなり、カーボンナノチューブ粉末が、不織布の構成繊維間の空間に再凝集することなく分散した状態で充填され付着していることを特徴としている。
この製造方法では、次の2段階のカーボンナノチューブ付着(含浸)工程を用いる。
ューブ粉末を水に前記濃度より高い濃度(例えば、水100重量部に対して0.6から1.5重量部)で分散させた第2のカーボンナノチューブ水分散液中に一定時間浸して含浸させた後、乾燥させる操作を複数回繰り返すことにより、前記カーボンナノチューブ粉末をさらに前記不織布の繊維表面に付着させる。
第1のCNT水分散液の場合、水100重量部に対して、カルボキシメチルセルロースやアンモニア塩型カルボキシメチルセルロースでは0.1から0.3重量部程度、ヒドロキシエチルセルロースでは0.01から0.03重量部程度、両イオン性界面活性剤2−アルキル−N−カルボキシメチル−N−ヒドロキシエチルイミダゾリニウムベタインなどでは0.1から3重量部程度添加する。
炭素繊維よりなる厚さ0.6mmの不織布(クレハ社製:商品名(クレカベールマット))を8cm×13cmに裁断した。図2に不織布の100倍顕微鏡写真を示す。炭素繊維が絡み合って、強固な土台を作っていることがわかる。図3に1000倍に拡大した不織布の繊維の顕微鏡写真を示す。繊維の太さは10ミクロン程度である。
図11は、本発明の方法で製造される電気二重層キャパシタの構成例を示す図で、(a)はケースの上側を切り取ったとした場合の平面図、(b)は断面図である。
この電気二重層キャパシタ100は、セパレータ(分離膜)101を挟んで、正極側の分極性電極(正電極)102aと負極側の分極性電極(負電極)102bが配され、さらにその両側に正極側の集電極103aと負極側の集電極103bが配され、これらがケース104内に収容され、ケース104内に電解液(図示せず)が注入され正極側及び負極側の分極性電極102a、102bに電解液を含浸させて構成される。
分極性電極は、その電極の形状の不織布を用い、その不織布の繊維の表面にカーボンナノチューブの粒子を2段階に分けて付着させる。予め不織布の片面に、例えば市販のキャパシタ用エッチングアルミ箔を集電極として導電性接着剤で貼り付け、積層体としておく。
さらに、カーボンナノチューブ同士の電気的接続が良くなり、内部抵抗が小さくできる。この減少は数百回を超える実験で確認した。再現性が高く、できあがった電極のばらつきも±5%で、量産においても実用可能な歩留まりである。
炭素繊維よりなる厚さ0.6mmの不織布(クレハ社製:商品名(クレカベールマット))を8cm×13cmに裁断した。この不織布の片面にキャパシタ用エッチングアルミ箔(MPT社製:商品名(多孔集電体))を、カーボンナノチューブ接着剤(カーボンナノチューブ100重量部とグラフェン30重量部及び黒鉛粉末20重量部、バインダ2重量部を混合して作成)を導電性接着剤としてスポット的に塗布し貼り合わせ、積層体とした。この積層体を2つ用意した。
電解液を入れる前のキャパシタの電極の内部抵抗を図13に示すように、1kHz、4端子法で測定したところ、実施例の電極の内部抵抗は22ミリオームであった。なお、その前に含浸(付着)を上述のように行っているので、このように画期的に内部抵抗の低減が可能となった。
図14は、本発明の製造方法により作製された電気二重層キャパシタの連続充放電の状況を示す図である。
静電容量は、北斗電子のキャパシタ試験器HJ1001SD8により定電流充放電法により測定した。静電容量の計算に用いた公式は下記の式(1)である。容量値は試験器が自動的に解析している。
静電容量F=(放電電流×放電時間)/(放電終了時間−放電開始電圧)
温度:26℃±1℃
充電電流:5mAと50mAの2種類
電圧:2.5V
記録速度:5mm/分
充放電試験器:北斗電子社製 HJ−201B
その結果、定電流で充放電サイクルを12000回繰り返しても放電時間の変化はゼロであった。このことから静電容量の変化がゼロとなる。
80F級のCNTキャパシタを作るため、炭素繊維よりなる厚さを1mmと厚くした。
寸法は実施例1と同じ8cm×13cmに裁断した。
実施例1と同様にしてCNT水分散液を作成した。分散液の成分は同じにした。
電解液を入れる前のキャパシタの電極の内部抵抗を1kHz、4端子法で測定したところ、実施例2の電極の内部抵抗は30ミリオームであった。
以下、比較例を説明する。
上記実施例において、カーボンナノチューブ付着工程を1段階のみとし、CNT水分散液の濃度を水100重量部に対して0.3重量部とし、不織布のCNT水分散液への浸漬、乾燥の操作を10回繰り返したこと以外は同様にして、分極性電極を形成し、2枚の分極性電極を正極側及び負極側の電極として、電気二重層キャパシタを作製した。
そして実施例と同様の方法で電気二重層キャパシタとして容量を測定したところ10Fとなり、内部抵抗は101ミリオームとなった。第2段階の含浸を行わないと容量が大きくならないまた、内部抵抗も小さく出来ないことが確認された。以上から、比較例に対する本発明の実施例の電気二重層キャパシタの性能の優位性が実証された。
(1)自動車市場
ハイブリットカー、電気自動車、燃料電池自動車の二次電池とカーボンナノチューブキャパシタを組み合わせると、長寿命化や高性能化が可能となり、理想的な蓄電システムとなる。
(2)蓄電装置市場
回生電力利用や劣化の少ない蓄電装置として需要が多い。
(3)携帯機器市場
パソコンなどの蓄電素子として有効。このほか、宇宙航空用の長寿命電池、医療用の安全で長寿命な電池などに利用が拡大される。
101 セパレータ
102a 正極側の分極性電極(正電極)
102b 負極側の分極性電極(負電極)
103a 正極側の集電極
103b 負極側の集電極
104 ケース
Claims (7)
- セパレータと、前記セパレータの両面に配された正極側及び負極側の一対の分極性電極と、さらに前記一対の分極性電極を挟み込むように配された一対の正極側及び負極側の集電極とを備え、前記分極性電極に電解液を含浸させてなる電気二重層キャパシタを製造する方法において、
前記正極側及び負極側の分極性電極が、前記分極性電極の形状に裁断した不織布を、カーボンナノチューブ粉末を水にカーボンナノチューブの濃度が水100重量部に対して0.3から0.5重量部になるように分散させ且つ分散剤を混合させた第1のカーボンナノチューブ水分散液中に一定時間浸して含浸させた後、乾燥させる操作を複数回繰り返すことにより、前記カーボンナノチューブ粉末を前記不織布の繊維表面に付着させる第1段階のカーボンナノチューブ付着工程と、次いで、前記不織布を、カーボンナノチューブ粉末を水にカーボンナノチューブの濃度が水100重量部に対して0.6から1.5重量部となるように分散させ且つ分散剤を混合させた第2のカーボンナノチューブ水分散液中に一定時間浸して含浸させた後、乾燥させる操作を複数回繰り返すことにより、前記カーボンナノチューブ粉末をさらに前記不織布の繊維表面に付着させる第2段階のカーボンナノチューブ付着工程を施すことにより形成されることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。 - 前記分散剤が、カルボキシメチルセルロース、アンモニア塩型カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ドデシルベンゼンスルホン酸(DBS)、3−(N,N−ジメチルステアリルアンモニオ)プロパンスルホネート、3−(N,N−ジメチルミリスチルアンモニオ)プロパンスルホネート、3−[(3−コールアミドプロピル)ジメチルアンモニオ]−2−ヒドロキシプロパンスルホネート、n−ヘキサデシル−N,N’−ジメチル−3−アンモニオ−1−プロパンスルホネート、2−メタクロイルオキシホスホリルコリン(MPC)、n−ブチメタクリレート(BMA)、2−アルキル−N−カルボキシメチル−N−ヒドロキシエチルイミダゾリニウムベタインからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- 第1のカーボンナノチューブ付着工程の前に、裁断した不織布の片面に集電極として金属箔を導電性接着剤で貼り合わせて積層体にすることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- 前記セパレータの両面に、電解液を含浸させた前記一対の分極性電極をそれぞれ接合し、ケースにこれらを収納し前記ケースを真空封止することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- 前記不織布として、炭素繊維又は導電性ポリマー繊維よりなる不織布を用いることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- 前記カーボンナノチューブとして多層カーボンナノチューブ及び単層カーボンナノチューブの少なくともいずれかを用いることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
- カーボンナノチューブ粉末に加えグラフェン薄片及びグラファイト粒子の少なくともいずれかを混合させることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
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