JP7203381B2 - Capacitor electrode, manufacturing method thereof, and capacitor - Google Patents

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Description

本発明は、キャパシタ用電極およびその製造方法ならびにキャパシタに関する。 The present invention relates to a capacitor electrode, a method for manufacturing the same, and a capacitor.

グラフェンは、理論的な比表面積が約2600m/gであり、かつ導電性を有するため、キャパシタ用電極材料として有望である。 Graphene has a theoretical specific surface area of about 2600 m 2 /g and is conductive, so it is promising as an electrode material for capacitors.

特許文献1は、ナノスケールのグラフェンプレートレットと導電性バインダとを複合化した電極をキャパシタに用いることを提案しており、82F/gの容量が得られると報告している。 Patent Literature 1 proposes using an electrode in which nanoscale graphene platelets and a conductive binder are combined in a capacitor, and reports that a capacitance of 82 F/g can be obtained.

特許文献2は、カーボンナノチューブと、グラフェンと、イオン液体と、これらを孔部に保持する三次元網目状金属多孔体とを備え、イオン液体に対するカーボンナノチューブおよびグラフェンの合計量の割合が、10質量%以上90質量%以下であり、カーボンナノチューブとグラフェンとの割合が、質量比で3:7~7:3の範囲内である蓄電デバイス用電極を提案している。 Patent Document 2 includes carbon nanotubes, graphene, an ionic liquid, and a three-dimensional network-like metal porous body that holds these in pores, and the ratio of the total amount of carbon nanotubes and graphene to the ionic liquid is 10 mass. % or more and 90% by mass or less, and the ratio of carbon nanotubes and graphene is in the range of 3:7 to 7:3 in mass ratio.

米国特許第7623340号明細書U.S. Pat. No. 7,623,340 特開2014-225508号公報JP 2014-225508 A

グラフェンの表面積を有効活用するには、グラフェンシート間の距離を適切に制御し、グラフェンシート同士の重なりを低減する必要がある。しかし、平坦形状を有するグラフェンは、電極の作製過程で相互に重なり合いやすく、グラフェンシート間の距離の制御が困難であり、十分な高容量を得ることができていない。 In order to effectively utilize the surface area of graphene, it is necessary to appropriately control the distance between graphene sheets and reduce the overlapping of graphene sheets. However, graphene having a flat shape tends to overlap each other during the manufacturing process of the electrode, making it difficult to control the distance between the graphene sheets, and a sufficiently high capacity cannot be obtained.

また、グラフェンの充放電では、グラフェンシート層間にイオンが出入りするため、膨張と収縮による集電経路の劣化が大きくなりやすい。特許文献2のように、金属多孔体とカーボンナノチューブ(CNT)を用いることで集電経路を補強する試みもあるが、電極の内部構造が不均質になりやすく、安定した製造が困難である。 In addition, when graphene is charged and discharged, ions move in and out between graphene sheet layers, so that the deterioration of current collection paths due to expansion and contraction tends to increase. As in Patent Document 2, attempts have been made to reinforce the current collection path by using a metal porous body and carbon nanotubes (CNT), but the internal structure of the electrode tends to be heterogeneous, making stable production difficult.

本発明の一側面は、金属多孔体と、前記金属多孔体の空隙に充填された第1カーボンと、を含み、前記第1カーボンは、グラフェンを含み、前記グラフェンは、三次元構造を有する、キャパシタ用電極に関する。 One aspect of the present invention includes a metal porous body and first carbon filled in voids of the metal porous body, wherein the first carbon includes graphene, and the graphene has a three-dimensional structure. It relates to electrodes for capacitors.

本発明の別の側面は、上記キャパシタ用電極を備えるキャパシタに関する。 Another aspect of the present invention relates to a capacitor including the capacitor electrode.

本発明の更に別の側面は、第1カーボン原料である酸化グラフェンを含む水分散液を調製する工程と、前記水分散液を前記金属多孔体に含浸させ、前記金属多孔体の空隙内で前記酸化グラフェンを還元する工程と、を含む、キャパシタ用電極の製造方法に関する。 Still another aspect of the present invention includes a step of preparing an aqueous dispersion containing graphene oxide as a first carbon raw material, impregnating the aqueous dispersion into the metal porous body, and in the voids of the metal porous body, the and a step of reducing graphene oxide.

本発明によれば、グラフェンを用いて、高容量のキャパシタ用電極を安定して得ることができる。 According to the present invention, a high-capacity capacitor electrode can be stably obtained using graphene.

本発明に係る電気二重層キャパシタの一部切り欠き斜視図である。1 is a partially cutaway perspective view of an electric double layer capacitor according to the present invention; FIG. 実施例1で得られた金属多孔体とキセロゲルとの複合物の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)(a)と、透過型電子顕微鏡写真(TEM像)(b)である。1 shows a scanning electron micrograph (SEM image) (a) and a transmission electron micrograph (TEM image) (b) of a composite of a metal porous body and xerogel obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた金属多孔体とキセロゲルとの複合物のX線回折プロファイルである。1 is an X-ray diffraction profile of a composite of a metal porous body and xerogel obtained in Example 1. FIG. 比較例3で用いた高結晶性グラフェンの電子顕微鏡写真である。3 is an electron micrograph of highly crystalline graphene used in Comparative Example 3. FIG. 比較例3で用いた高結晶性グラフェンのX線回折プロファイルである。4 is an X-ray diffraction profile of highly crystalline graphene used in Comparative Example 3. FIG.

本実施形態に係るキャパシタ用電極は、金属多孔体と、金属多孔体の空隙に充填された第1カーボンとを含み、第1カーボンはグラフェンを含み、グラフェンは三次元構造を有する。換言すれば、キャパシタ用電極は、集電体として金属多孔体を有し、金属多孔体に三次元構造を有するグラフェンが活物質として担持されている。 A capacitor electrode according to this embodiment includes a metal porous body and first carbon filled in voids of the metal porous body, the first carbon includes graphene, and the graphene has a three-dimensional structure. In other words, the capacitor electrode has a metal porous body as a current collector, and graphene having a three-dimensional structure is supported on the metal porous body as an active material.

金属多孔体の空隙に三次元構造を有する第1カーボンが充填されることで、電極の集電性が劣化しにくくなり、容量劣化が抑制される。グラフェンが有する三次元構造は、金属多孔体が有するよりもミクロな三次元構造(すなわち、微細構造)である。ミクロな三次元構造によって、グラフェンシート同士の重なりが効果的に低減される。更に、三次元構造を有する第1カーボンが金属多孔体の骨格と結びつくことでも、第1カーボンの微細構造が維持されやすくなる。 By filling the voids of the metal porous body with the first carbon having a three-dimensional structure, the current collecting property of the electrode is less likely to deteriorate, and the capacity deterioration is suppressed. The three-dimensional structure of graphene is a three-dimensional structure (that is, a fine structure) that is smaller than that of a metal porous body. The microscopic three-dimensional structure effectively reduces the overlap between graphene sheets. Furthermore, the fine structure of the first carbon is easily maintained by binding the first carbon having a three-dimensional structure to the skeleton of the metal porous body.

ここで、グラフェンとは、炭素原子1個分の厚さを有するグラフェンシートを最小単位とするカーボン材料であり、通常は複数のグラフェンシートが積層された積層体を構成している。また、グラフェンシートとは、炭素原子1個分の厚さを有するsp2結合炭素で構成された集合体もしくは分子であり、シート状に広がるハニカム状の格子構造を有している。一般的なグラフェンは、通常、平坦なシート状の形態を有しているが、ここでは層構造の乱れ(もしくは層間距離の乱れ)を有する様々な形態のグラフェンシート積層体もグラフェンの範疇に含める。グラフェンは、酸化グラフェンのようなグラフェン類縁体を部分的に含み得る。以下、グラフェンをグラフェンシート積層体とも称する。 Here, graphene is a carbon material whose minimum unit is a graphene sheet having a thickness of one carbon atom, and usually constitutes a laminate in which a plurality of graphene sheets are laminated. A graphene sheet is an aggregate or molecule composed of sp2-bonded carbon having a thickness of one carbon atom, and has a honeycomb-like lattice structure that spreads out like a sheet. General graphene usually has a flat sheet-like form, but here, various forms of graphene sheet laminates with disordered layer structures (or disordered interlayer distances) are also included in the graphene category. . Graphene may partially include graphene analogs such as graphene oxide. Hereinafter, graphene is also referred to as a graphene sheet laminate.

(a)金属多孔体
金属多孔体としては、例えば、スポンジメタル、エッチング箔、金属粒子焼結体などを用い得るが、三次元網目構造を有する金属多孔体が望ましい。三次元網目構造とは、例えば、金属で形成された繊維状もしくは棒状の部位が三次元的に連結して網目状の骨格を形成している構造であればよい。骨格は、内部に空洞を有する中空構造であってもよい。三次元網目構造を有する金属多孔体は、例えば、連続空隙を有する樹脂多孔体に金属メッキを施した後、樹脂多孔体を除去することにより製造できる。この場合、三次元網目構造は、連通した空隙(すなわち連通孔)を有する。
(a) Metal porous body As the metal porous body, for example, a sponge metal, an etching foil, a metal particle sintered body, or the like can be used, but a metal porous body having a three-dimensional network structure is preferable. The three-dimensional network structure may be, for example, a structure in which fibrous or rod-shaped parts made of metal are connected three-dimensionally to form a network-like skeleton. The skeleton may be a hollow structure having a cavity inside. A metal porous body having a three-dimensional network structure can be produced, for example, by plating a resin porous body having continuous pores with a metal and then removing the resin porous body. In this case, the three-dimensional network structure has communicating voids (that is, communicating pores).

金属多孔体の単位面積あたりの質量は、例えば500g/m以下でもよく、150g/m以下でもよい。金属多孔体の空隙率は、例えば80体積%~98体積%であればよく、90体積%~98体積%でもよい。金属多孔体の空隙の平均孔径は、例えば50μm以上、1000μm以下であればよく、400μm以上、900μm以下でもよく、450μm以上、850μm以下でもよい。 The mass per unit area of the porous metal body may be, for example, 500 g/m 2 or less, or 150 g/m 2 or less. The porosity of the metal porous body may be, for example, 80% to 98% by volume, and may be 90% to 98% by volume. The average pore diameter of the pores of the metal porous body may be, for example, 50 μm or more and 1000 μm or less, may be 400 μm or more and 900 μm or less, or may be 450 μm or more and 850 μm or less.

金属多孔体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、白金等を用い得る。これらの金属を主成分とする合金を用いてもよい。 Aluminum, copper, nickel, iron, stainless steel, platinum and the like can be used as the material of the metal porous body. Alloys containing these metals as main components may also be used.

(b)第1カーボン
グラフェンはミクロな三次元構造を有する。グラフェンシート積層体が三次元構造を有することでグラフェンシート同士の重なりが顕著に抑制され、かつグラフェンシート積層体と金属多孔体とが結びつくことでグラフェンシート積層体の微細構造が維持され、グラフェンの表面積を有効に活用し得るようになる。ここで、三次元構造を有するグラフェンシート積層体の主面には、複数の隆起部もしくは複数の窪み部が形成されている。このような三次元構造により、グラフェンシート間の距離が適切に制御され、グラフェンシート同士の重なりが効果的に低減される。
(b) The first carbon graphene has a micro three-dimensional structure. Since the graphene sheet laminate has a three-dimensional structure, the overlapping of the graphene sheets is remarkably suppressed, and the graphene sheet laminate and the metal porous body are combined to maintain the microstructure of the graphene sheet laminate, and the graphene. It becomes possible to effectively utilize the surface area. Here, a plurality of raised portions or a plurality of depressed portions are formed on the main surface of the graphene sheet laminate having a three-dimensional structure. With such a three-dimensional structure, the distance between the graphene sheets is appropriately controlled, and the overlapping of the graphene sheets is effectively reduced.

グラフェンにおけるグラフェンシート積層体の平均積層数は、例えば10層以下であり、5層以下であってもよい。グラフェンは、炭素原子1個分の厚さを有する最小単位のグラフェンシート(すなわち単層シート)に近づくほど望ましい。平均積層数は、X線回折プロファイルの002面に帰属される回折ピークから算出される面間距離(d002)から推算される層数とすればよい(例えば、日本物理学会2015年秋季大会 概要集p1014)。或いは、グラフェンの電子顕微鏡(SEM等)写真から得られる推定値であればよい。例えば、グラフェンのSEM写真のスケールと、グラフェンシートの002面(以下、ベーサル面とも称する。)の面間距離からグラフェンシートの積層数を推定できる。例えば、任意の20枚のグラフェンシート積層体を選択し、それぞれの積層数を推定し、最大側から5番目までの数値と、最小側から5番目までの数値とを省き、中間の10個の数値の平均値を平均積層数とすればよい。 The average number of stacked graphene sheet laminates in graphene is, for example, 10 layers or less, and may be 5 layers or less. Graphene is more desirable as it approaches the smallest unit graphene sheet (ie, monolayer sheet) having a thickness of one carbon atom. The average number of layers may be the number of layers estimated from the interplanar distance (d002) calculated from the diffraction peak attributed to the 002 plane of the X-ray diffraction profile (for example, the Physical Society of Japan 2015 Autumn Meeting Summary Collection p1014). Alternatively, an estimated value obtained from an electron microscope (SEM or the like) photograph of graphene may be used. For example, the number of stacked graphene sheets can be estimated from the scale of the SEM photograph of graphene and the interplanar distance between the 002 planes (hereinafter also referred to as basal planes) of the graphene sheets. For example, arbitrarily select 20 graphene sheet laminates, estimate the number of laminates for each, omit the 5th maximum value and the 5th minimum value, and 10 intermediate graphene sheet stacks. The average value of the numerical values may be taken as the average lamination number.

グラフェンにおけるグラフェンシート同士の層間距離(すなわち、ベーサル面間距離)は、ランダムに変化していてもよい。層間距離のランダムな変化は、グラフェンの結晶性が低いことを意味する。グラフェンの積層構造の乱れが大きいほど、層間距離の変化も顕著になる。 The interlayer distance (that is, the distance between basal planes) between graphene sheets in graphene may vary randomly. Random variation of interlayer distance means that graphene has low crystallinity. The greater the disorder in the laminated structure of graphene, the more pronounced the change in the interlayer distance.

グラフェンシート積層体は、三次元構造として、例えば、縮れ構造もしくは折りたたみ構造を有してもよい。このとき、個々のグラフェンシート積層体は、自身が微細な多孔質構造(microporous structure)を有している。よって、グラフェンシート積層体の表面近傍におけるイオンの拡散がより良好になる。縮れ構造や折りたたみ構造の存在は、グラフェンシート積層体の電子顕微鏡(SEM、TEM等)写真により確認することができる。 The graphene sheet laminate may have, for example, a crimped structure or a folded structure as a three-dimensional structure. At this time, each graphene sheet laminate itself has a microporous structure. Therefore, diffusion of ions in the vicinity of the surface of the graphene sheet laminate is improved. The presence of a crimped structure or a folded structure can be confirmed by an electron microscope (SEM, TEM, etc.) photograph of the graphene sheet laminate.

縮れ構造とは、例えば、ランダムに形成された複数の襞(ひだ)状の隆起部と窪み部とを有する構造であればよい。また、折りたたみ構造とは、一枚のグラフェンシート積層体が部分的に複数回折り畳まれた折り畳み部を有する構造であり、縮れ構造の範疇に含まれる。折り畳み部に形成される隆起部の高さもしくは窪み部の深さは、その構造を有するグラフェンシート積層体のカーボン部分の厚みよりも大きくてよく、カーボン部分の厚みの2倍以上であってもよい。 The crimped structure may be, for example, a structure having a plurality of randomly formed fold-like protuberances and depressions. A folded structure is a structure having a folded portion in which one graphene sheet laminate is partially folded multiple times, and is included in the category of a crimped structure. The height of the raised portion or the depth of the recessed portion formed in the folded portion may be greater than the thickness of the carbon portion of the graphene sheet laminate having the structure, and may be at least twice the thickness of the carbon portion. good.

第1カーボンのX線回折プロファイルは、通常、002面に帰属される回折ピークP1を有する。グラフェンシート同士の重なりが大きく、グラフェンの結晶性が高くなるほど、回折ピークP1はシャープになる。 The X-ray diffraction profile of the first carbon usually has a diffraction peak P1 assigned to the 002 plane. The larger the overlap between the graphene sheets and the higher the crystallinity of the graphene, the sharper the diffraction peak P1.

一方、グラフェンが三次元構造を有する場合、回折ピークP1はブロードになり、複数のピークに波形分離できるようになる。また、X線回折プロファイルの回折ピークP1よりも高角側には、アモルファス相に帰属されるハローパターンが観測されてもよい。 On the other hand, when graphene has a three-dimensional structure, the diffraction peak P1 becomes broad and can be separated into a plurality of peaks. Also, a halo pattern attributed to an amorphous phase may be observed on the higher angle side than the diffraction peak P1 of the X-ray diffraction profile.

X線回折プロファイルから算出される第1カーボンの002面の距離(d002)は、例えば0.338nm(3.38Å)以上であればよい。d002は、2θ=26.38°付近の領域に観測される回折ピークを波形分離し、各成分についてd002を算出し、その平均として算出される。第1カーボンの002面の距離(d002)は、好ましくは0.340nm(3.40Å)以上であり、グラフェンの高い表面積を維持する観点からは0.360nm(3.60Å)以上がより好ましく、0.370nm(3.70Å)以上が更に好ましい。 The distance (d002) between the 002 planes of the first carbon calculated from the X-ray diffraction profile may be, for example, 0.338 nm (3.38 Å) or more. d002 is calculated by separating the diffraction peak observed in the region near 2θ=26.38°, calculating d002 for each component, and averaging them. The distance (d002) between the 002 planes of the first carbon is preferably 0.340 nm (3.40 Å) or more, and more preferably 0.360 nm (3.60 Å) or more from the viewpoint of maintaining a high surface area of graphene, 0.370 nm (3.70 Å) or more is more preferable.

(c)第2カーボン
キャパシタ用電極は、更に、金属多孔体の空隙に充填された第2カーボンを含んでもよい。第2カーボンとしては、平均長10μm以下の短炭素繊維および/または平均径0.1μm以下の炭素粒子を用いることが望ましい。
(c) Second carbon The capacitor electrode may further contain a second carbon filled in the voids of the metal porous body. As the second carbon, it is desirable to use short carbon fibers with an average length of 10 μm or less and/or carbon particles with an average diameter of 0.1 μm or less.

第2カーボンは、短炭素繊維および/または炭素粒子であるため、金属多孔体の空隙に充填されやすく、電極の安定した製造が可能である。よって、電極の内部構造も不均質になりにくい。また、一般的なCNTがグラフェンシート積層体間に介在すると、イオン拡散が阻害されやすく、低温での抵抗が上昇しやすいが、短炭素繊維および/または炭素粒子を用いる場合には、そのような抵抗上昇も抑制される。 Since the second carbon is short carbon fibers and/or carbon particles, it easily fills the voids of the metal porous body, enabling stable production of the electrode. Therefore, the internal structure of the electrode is less likely to become heterogeneous. In addition, when common CNTs are interposed between graphene sheet laminates, ion diffusion is likely to be inhibited, and resistance at low temperatures tends to increase. An increase in resistance is also suppressed.

キャパシタ用電極が、第1カーボンに加えて第2カーボンを含むとき、グラフェン同士は、第2カーボンを介して積層されていることが望ましい。これにより、グラフェンシート同士の重なりが更に抑制され、グラフェンの表面積をより有効に活用することができるようになる。 When the capacitor electrode contains the second carbon in addition to the first carbon, the graphenes are desirably laminated via the second carbon. This further suppresses the overlapping of the graphene sheets, making it possible to more effectively utilize the surface area of the graphene.

(i)短炭素繊維
短炭素繊維は、例えば、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等であればよい。短炭素繊維は、内部に中空の空間(中空部)を有していてもよい。
(i) Short carbon fiber The short carbon fiber may be, for example, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, or the like. The short carbon fiber may have a hollow space (hollow portion) inside.

短炭素繊維の平均長は、10μm以下であればよいが、グラフェン間のイオン拡散性をより高くする観点から、2μm以下が望ましく、0.1μm以下がより望ましい。短炭素繊維の平均長は、電子顕微鏡(SEM、TEM等)写真から分析し得る。例えば、任意の20本の短炭素繊維を選択し、それぞれの長さを測定し、最大側から5番目までの数値と、最小側から5番目までの数値とを省き、中間の10個の数値の平均値を平均長とすればよい。なお、短炭素繊維は、10μm以下と短いため、概ね直線状に近似することができる。よって、短炭素繊維の長さは、その両端を直線で結んだときの当該直線の長さを意味する。 The average length of the short carbon fibers may be 10 μm or less, but is preferably 2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less, from the viewpoint of increasing ion diffusivity between graphenes. The average length of short carbon fibers can be analyzed from electron microscope (SEM, TEM, etc.) photographs. For example, select 20 arbitrarily short carbon fibers, measure the length of each, omit the 5th maximum value and the 5th minimum value, and 10 intermediate values should be taken as the average length. In addition, since the short carbon fibers are as short as 10 μm or less, they can be approximated to be substantially linear. Therefore, the length of a short carbon fiber means the length of a straight line connecting both ends of the short carbon fiber.

短炭素繊維の平均直径は、例えば200nm以下であり、5nm以上、200nm以下であってもよく、10nm以上、170nm以下であってもよい。短炭素繊維の直径とは、短炭素繊維の長さ方向に垂直な方向の最大長さであり、平均直径は、電子顕微鏡(SEM、TEM等)写真から分析し得る。例えば、任意の20本の短炭素繊維を選択し、それぞれの直径を測定し、最大側から5番目までの数値と、最小側から5番目までの数値とを省き、中間の10個の数値の平均値を平均直径とすればよい。 The average diameter of the short carbon fibers is, for example, 200 nm or less, may be 5 nm or more and 200 nm or less, or may be 10 nm or more and 170 nm or less. The diameter of the short carbon fibers is the maximum length in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the short carbon fibers, and the average diameter can be analyzed from electron microscope (SEM, TEM, etc.) photographs. For example, select 20 arbitrarily short carbon fibers, measure the diameter of each, omit the 5th maximum value and the 5th minimum value, and 10 intermediate values The average value should be taken as the average diameter.

(ii)炭素粒子
炭素粒子の平均径は、0.1μm以下であればよいが、グラフェン間のイオン拡散性をより高くする観点から、0.05μm以下が望ましく、0.03μm以下がより望ましい。炭素粒子の平均径は、電子顕微鏡(SEM、TEM等)写真から分析し得る。例えば、任意の20個の炭素粒子を選択し、それぞれの最大径を測定し、最大側から5番目までの数値と、最小側から5番目までの数値とを省き、中間の10個の数値の平均値を平均径とすればよい。また、炭素粒子を分離し得る場合、レーザー回折式の粒度分布測定装置により測定可能である。この場合、体積基準の粒度分布における累積体積50%のメディアン径を平均径とすればよい。
(ii) Carbon Particles The average diameter of the carbon particles may be 0.1 μm or less, but is preferably 0.05 μm or less, more preferably 0.03 μm or less, from the viewpoint of increasing the ion diffusibility between graphenes. The average diameter of carbon particles can be analyzed from electron microscope (SEM, TEM, etc.) photographs. For example, arbitrarily select 20 carbon particles, measure the maximum diameter of each, omit the 5th largest value and the 5th smallest value, and 10 values in between. The average value may be taken as the average diameter. In addition, when the carbon particles can be separated, the measurement can be performed with a laser diffraction particle size distribution analyzer. In this case, the median diameter of 50% cumulative volume in the volume-based particle size distribution may be taken as the average diameter.

炭素粒子の具体例として、黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、カーボンブラック等が挙げられる。中でも、カーボンブラックが好ましく、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどを用い得る。なお、複数の炭素粒子(ここでは一次粒子)が連結して鎖状ストラクチャー(二次粒子)を構成してもよい。この場合、平均径は、一次粒子の平均径である。鎖状ストラクチャーの長さは、特に限定されないが、2μm以下が望ましく、0.5μm以下が更に望ましい。 Specific examples of carbon particles include graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and carbon black. Among them, carbon black is preferable, and for example, acetylene black, ketjen black, thermal black, furnace black, channel black and the like can be used. A plurality of carbon particles (here, primary particles) may be connected to form a chain structure (secondary particles). In this case, the mean diameter is the mean diameter of the primary particles. Although the length of the chain structure is not particularly limited, it is preferably 2 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.

(iii)第1カーボン/第2カーボン割合
第1カーボンと第2カーボンとの合計に占める第1カーボンの割合は、40~98質量%であればよく、80~98質量%でもよい。高容量のキャパシタ用電極を得るためには、大きい表面積を有するグラフェンの割合が大きいことが望ましい。一方、第1カーボンの割合が大き過ぎると、グラフェン間に介在する第2カーボンが少なくなり、グラフェンシート同士の重なりを抑制する効果が小さくなる。第1カーボンの割合が上記範囲であれば、グラフェンシート同士の重なりが顕著に抑制されるとともに、キャパシタ用電極の容量を効率的に高めることができる。
(iii) Ratio of first carbon/second carbon The ratio of the first carbon to the total of the first carbon and the second carbon may be 40 to 98% by mass, and may be 80 to 98% by mass. In order to obtain a high-capacity capacitor electrode, it is desirable that the proportion of graphene having a large surface area is large. On the other hand, if the ratio of the first carbon is too large, the amount of the second carbon interposed between the graphenes is reduced, and the effect of suppressing the overlapping of the graphene sheets is reduced. If the ratio of the first carbon is within the above range, the overlapping of the graphene sheets can be significantly suppressed, and the capacitance of the capacitor electrode can be efficiently increased.

(d)第3成分
電極層は、第1カーボンおよび第2カーボン以外に、例えば活性炭のような他の活物質を含んでもよい。また、本発明は、電極層が平均長2μmを超えるCNTを含む場合を排除するものではなく、電極層に少量のCNTが含まれてもよい。
(d) Third Component The electrode layer may contain other active material such as activated carbon in addition to the first carbon and the second carbon. Also, the present invention does not exclude the case where the electrode layer contains CNTs having an average length of more than 2 μm, and the electrode layer may contain a small amount of CNTs.

次に、キャパシタ用電極の製造方法の一例について説明する。
(i)分散液調製工程
まず、第1カーボン原料である酸化グラフェンを含む水分散液を調製する。酸化グラフェンは、第1カーボンの前駆体である。第1カーボンに加え、第2カーボンを含む電極を作製する場合には、酸化グラフェンを含む水分散液に、更に、第2カーボンを混合すればよい。
Next, an example of a method for manufacturing capacitor electrodes will be described.
(i) Dispersion Preparation Step First, an aqueous dispersion containing graphene oxide, which is the first carbon raw material, is prepared. Graphene oxide is a precursor of the first carbon. In the case of manufacturing an electrode containing the second carbon in addition to the first carbon, the second carbon may be further mixed with the aqueous dispersion containing graphene oxide.

水分散液には、第1カーボン原料、第2カーボンおよび水以外に、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の分散剤等を含ませてもよい。 The aqueous dispersion may contain a dispersing agent such as carboxymethyl cellulose (CMC) in addition to the first carbon raw material, the second carbon and water.

酸化グラフェンとは、酸素含有官能基を有するグラフェン類縁体であり、例えば、グラファイトの酸化を経由してグラファイトから単層または多層の状態で剥離生成する材料である。酸素含有官能基は、水酸基、カルボニル基、カルボキシル基等の親水性基であり、水分散性を有する。 Graphene oxide is a graphene analogue having an oxygen-containing functional group, and is, for example, a material exfoliated from graphite in a single layer or multiple layers through oxidation of graphite. The oxygen-containing functional group is a hydrophilic group such as a hydroxyl group, a carbonyl group, a carboxyl group, etc., and has water dispersibility.

グラファイトの酸化は、例えば、水中で酸化剤を用いて行い得る。酸化剤には、硫酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸、重クロム酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、過酸化物、過硫酸塩、有機過酸などを用い得る。水には水溶性溶媒を添加してもよい。水溶性溶媒としては、アルコール類、アセトンなどのケトン類、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類などが例示できる。水中での酸化反応により、酸化グラフェンの水分散液が生成する。酸化グラフェンの水分散液に第2カーボンを添加することで、第1カーボン原料と第2カーボンとを含む水分散液が得られる。 Oxidation of graphite can be performed, for example, in water using an oxidizing agent. Sulfuric acid, potassium permanganate, chromic acid, sodium dichromate, sodium nitrate, peroxides, persulfates, organic peracids and the like can be used as the oxidizing agent. A water-soluble solvent may be added to the water. Examples of water-soluble solvents include alcohols, ketones such as acetone, and ethers such as dioxane and tetrahydrofuran. An oxidation reaction in water produces an aqueous dispersion of graphene oxide. By adding the second carbon to the aqueous dispersion of graphene oxide, an aqueous dispersion containing the first carbon raw material and the second carbon is obtained.

酸化グラフェンの酸化度(酸素含有量)は、例えば10~60質量%であればよく、20~50質量%でもよく、30~50質量%でもよい。酸化グラフェンの酸化度は、例えば、X線光電子分光法(XPS)により測定し得る。酸化グラフェンに含まれる炭素(C)と酸素(O)の質量をXPSで測定し、炭素と酸素との合計質量に占める酸素の質量割合を算出すればよい。 The degree of oxidation (oxygen content) of graphene oxide may be, for example, 10 to 60% by mass, 20 to 50% by mass, or 30 to 50% by mass. The degree of oxidation of graphene oxide can be measured, for example, by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The masses of carbon (C) and oxygen (O) contained in graphene oxide may be measured by XPS, and the mass ratio of oxygen to the total mass of carbon and oxygen may be calculated.

(ii)還元工程
次に、酸化グラフェンを含む水分散液を、金属多孔体に含浸させ、その後、金属多孔体の空隙内で酸化グラフェンを還元すればよい。水分散液を金属多孔体に含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、水分散液に金属多孔体を浸漬する方法、金属多孔体に水分散液を塗布する方法などが挙げられる。
(ii) Reduction Step Next, the metal porous body is impregnated with an aqueous dispersion containing graphene oxide, and then the graphene oxide is reduced in the pores of the metal porous body. The method for impregnating the porous metal body with the aqueous dispersion is not particularly limited, but examples thereof include a method of immersing the porous metal body in the aqueous dispersion and a method of coating the porous metal body with the aqueous dispersion.

また、酸化グラフェンの還元方法は、特に限定されないが、例えば水熱処理が挙げられる。例えば、水分散液を含浸させた金属多孔体をオートクレーブに封入して水熱処理することにより、金属多孔体の空隙内にゲル状生成物を生成させればよい。水熱処理の温度は、例えば150℃以上であればよく、170℃以上、200℃以下でもよい。 In addition, although there is no particular limitation on the method for reducing graphene oxide, for example, hydrothermal treatment can be given. For example, a metal porous body impregnated with an aqueous dispersion may be sealed in an autoclave and hydrothermally treated to form a gel-like product in the pores of the metal porous body. The temperature of the hydrothermal treatment may be, for example, 150° C. or higher, and may be 170° C. or higher and 200° C. or lower.

水熱処理では、金属多孔体と第1カーボンとの架橋構造が生成され得る。例えば、エーテル結合基(-O-)等の官能基を介して金属多孔体と第1カーボンとが架橋される。すなわち、水熱処理によれば、金属多孔体と複合化され、かつ、三次元構造を有するグラフェンを含むゲル状生成物が得られる。 In the hydrothermal treatment, a crosslinked structure between the metal porous body and the first carbon can be generated. For example, the metal porous body and the first carbon are crosslinked via a functional group such as an ether bond group (--O--). That is, hydrothermal treatment yields a gel-like product that is composited with a metal porous body and contains graphene having a three-dimensional structure.

水分散液に、酸化グラフェンとともに第2カーボンを含ませた場合は、第2カーボンの存在下で酸化グラフェンを還元する。この場合、水熱処理によって、第1カーボンと第2カーボンとの架橋構造も生成され得る。例えば、エーテル結合基等の官能基を介して第1カーボンと第2カーボンとが架橋される。すなわち、金属多孔体および第2カーボンと複合化され、かつ、三次元構造を有するグラフェンを含むゲル状生成物が得られる。 When the aqueous dispersion contains the second carbon together with the graphene oxide, the graphene oxide is reduced in the presence of the second carbon. In this case, the hydrothermal treatment can also generate a crosslinked structure between the first carbon and the second carbon. For example, the first carbon and the second carbon are crosslinked via a functional group such as an ether linking group. That is, a gel-like product is obtained which is composited with the metal porous body and the second carbon and contains graphene having a three-dimensional structure.

還元を更に進行させるために、ゲル状生成物を還元剤と接触させてもよい。還元剤としては、例えば、金属ヒドリド類、ボロヒドリド類、ボラン類、ヒドラジンもしくはヒドラジド類、アスコルビン酸類、チオグリコール酸類、システイン類、亜硫酸類、チオ硫酸類、亜ジチオン酸類などが例示できる。例えば、アスコルビン酸ナトリウムのような水溶性の還元剤を含む水溶液に、金属多孔体とともにゲル状生成物を浸漬すればよい。水溶液の温度は、例えば20~110℃であればよく、40~100℃でもよく、50~100℃でもよい。還元剤の使用量は、還元剤の種類、酸化グラフェンの酸化度、ゲル状生成物量などに応じて適宜調整すればよい。還元後のグラフェンの酸化度は、例えば40質量%以下とすればよく、20質量%以下としてもよい。 The gelled product may be contacted with a reducing agent in order to further advance the reduction. Examples of reducing agents include metal hydrides, borohydrides, boranes, hydrazines or hydrazides, ascorbic acids, thioglycolic acids, cysteines, sulfites, thiosulfates, and dithionites. For example, the gelled product may be immersed together with the metal porous body in an aqueous solution containing a water-soluble reducing agent such as sodium ascorbate. The temperature of the aqueous solution may be, for example, 20 to 110°C, may be 40 to 100°C, or may be 50 to 100°C. The amount of the reducing agent to be used may be appropriately adjusted according to the type of reducing agent, the degree of oxidation of graphene oxide, the amount of gelled product, and the like. The degree of oxidation of graphene after reduction may be, for example, 40% by mass or less, or may be 20% by mass or less.

(iii)凍結乾燥工程
その後、ゲル状生成物は、凍結乾燥(フリーズドライ)させることが好ましい。凍結乾燥によれば、グラフェンの三次元構造が高度に維持された状態の乾燥ゲル(キセロゲル)を得ることができる。凍結乾燥は、例えば-50℃~0℃、好ましくは-50℃~-20℃で、100Pa以下、更には1Pa以下の減圧下で行えばよい。また、金属多孔体の空隙内で、ゲル状生成物を凍結乾燥させることで、金属多孔体と、第1カーボン(および第2カーボン)との接続状態が維持されやすい。これにより、充放電によってグラフェンの膨張と収縮が繰り返されても、集電経路の劣化が抑制されるようになる。凍結乾燥により得られた金属多孔体とキセロゲルとの複合物は、そのまま高容量を発現するキャパシタ用電極として使用し得る。
(iii) Freeze-drying step After that, the gel-like product is preferably lyophilized (freeze-dried). By freeze-drying, a dry gel (xerogel) in which the three-dimensional structure of graphene is highly maintained can be obtained. Freeze-drying may be performed, for example, at -50°C to 0°C, preferably -50°C to -20°C, under reduced pressure of 100 Pa or less, preferably 1 Pa or less. Further, by freeze-drying the gel-like product in the pores of the metal porous body, the state of connection between the metal porous body and the first carbon (and the second carbon) is easily maintained. As a result, deterioration of the current collection path is suppressed even if expansion and contraction of graphene are repeated due to charging and discharging. A composite of a metal porous material and a xerogel obtained by freeze-drying can be used as it is as a capacitor electrode exhibiting high capacity.

次に、上記キャパシタ用電極を備えるキャパシタの一例について説明する。上記キャパシタ用電極は、例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等の電極として適用し得る。 Next, an example of a capacitor provided with the capacitor electrode will be described. The capacitor electrode can be applied as an electrode for, for example, an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, or the like.

図1は、電気二重層キャパシタ10の一部切り欠き斜視図である。
図示例の電気二重層キャパシタ10は、捲回型のキャパシタ素子1を具備する。キャパシタ素子1は、それぞれシート状の第1電極2と第2電極3とをセパレータ4を介して捲回して構成されている。第1電極2および第2電極3は、それぞれ、少なくとも第1カーボン(キセロゲル)と金属多孔体とを含む複合体であり、第1カーボンはイオンを吸着および脱着することで容量を発現する。セパレータ4には、例えば、セルロースを主成分とする不織布が用いられる。第1電極2および第2電極3には、それぞれ引出部材としてリード線5a、5bが接続されている。キャパシタ素子1は、電解液(図示なし)とともに円筒型の外装ケース6に収容されている。外装ケース6の材質は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮などの金属であればよい。外装ケース6の開口は、封口部材7によって封止されている。リード線5a、5bは、封口部材7を貫通するように外部に導出されている。封口部材7には、例えば、ブチルゴムなどのゴム材が用いられる。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of an electric double layer capacitor 10. FIG.
The illustrated electric double layer capacitor 10 includes a wound capacitor element 1 . The capacitor element 1 is configured by winding a sheet-like first electrode 2 and a sheet-like second electrode 3 with a separator 4 interposed therebetween. Each of the first electrode 2 and the second electrode 3 is a composite containing at least a first carbon (xerogel) and a metal porous body, and the first carbon develops capacity by adsorbing and desorbing ions. For the separator 4, for example, a nonwoven fabric containing cellulose as a main component is used. Lead wires 5a and 5b are connected to the first electrode 2 and the second electrode 3, respectively, as lead members. Capacitor element 1 is housed in a cylindrical exterior case 6 together with an electrolytic solution (not shown). The material of the exterior case 6 may be any metal such as aluminum, stainless steel, copper, iron, brass, or the like. The opening of the exterior case 6 is sealed with a sealing member 7 . The lead wires 5 a and 5 b are led out to the outside so as to pass through the sealing member 7 . A rubber material such as butyl rubber, for example, is used for the sealing member 7 .

電解液は、溶媒と、溶媒に溶解させたイオン性物質(例えば有機塩)との混合物であればよい。溶媒は、非水溶媒でもよく、イオン性液体でもよい。電解液におけるイオン性物質の濃度は、例えば、0.5~2.0mol/Lであればよい。 The electrolytic solution may be a mixture of a solvent and an ionic substance (eg, organic salt) dissolved in the solvent. The solvent may be a non-aqueous solvent or an ionic liquid. The concentration of the ionic substance in the electrolytic solution may be, for example, 0.5 to 2.0 mol/L.

非水溶媒としては、高沸点溶媒が好ましい。例えば、γ-ブチロラクトンなどのラクトン類、プロピレンカーボネートなどのカーボネート類、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの多価アルコール類、スルホランなどの環状スルホン類、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドンなどのアミド類、酢酸メチルなどのエステル類、1,4-ジオキサンなどのエーテル類、メチルエチルケトンなどのケトン類、ホルムアルデヒドなどを用いることができる。 As the non-aqueous solvent, a high boiling point solvent is preferred. For example, lactones such as γ-butyrolactone, carbonates such as propylene carbonate, polyhydric alcohols such as ethylene glycol and propylene glycol, cyclic sulfones such as sulfolane, N-methylacetamide, N,N-dimethylformamide, N- Amides such as methyl-2-pyrrolidone, esters such as methyl acetate, ethers such as 1,4-dioxane, ketones such as methyl ethyl ketone, and formaldehyde can be used.

有機塩とは、アニオンおよびカチオンの少なくとも一方が有機物を含む塩である。カチオンが有機物を含む有機塩としては、例えば、4級アンモニウム塩が挙げられる。アニオン(もしくは両イオン)が有機物を含む有機塩としては、例えば、マレイン酸トリメチルアミン、ボロジサリチル酸トリエチルアミン、フタル酸エチルジメチルアミン、フタル酸モノ1,2,3,4-テトラメチルイミダゾリニウム、フタル酸モノ1,3-ジメチル-2-エチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。 An organic salt is a salt in which at least one of the anion and cation contains an organic substance. Examples of organic salts whose cations include organic substances include quaternary ammonium salts. Organic salts in which the anion (or both ions) contain an organic substance include, for example, trimethylamine maleate, triethylamine borodisalicylate, ethyldimethylamine phthalate, mono-1,2,3,4-tetramethylimidazolinium phthalate, phthalate acid mono 1,3-dimethyl-2-ethylimidazolinium;

アニオンは、耐電圧特性を向上させる観点から、フッ素原子を含むことが好ましく、例えばBF および/またはPF が用いられる。好ましい有機塩として、具体的には、エチルトリメチルアンモニウムテトラフルオロボレートのようなテトラアルキルアンモニウム塩が挙げられる。 From the viewpoint of improving withstand voltage characteristics, the anion preferably contains a fluorine atom, and for example, BF 4 - and/or PF 6 - are used. Preferred organic salts specifically include tetraalkylammonium salts such as ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate.

上記実施形態では、捲回型キャパシタについて説明したが、本発明の適用範囲は上記に限定されず、他構造のキャパシタ、例えば、積層型あるいはコイン型のキャパシタにも適用し得る。 In the above embodiments, a wound capacitor has been described, but the scope of application of the present invention is not limited to the above, and it can also be applied to capacitors of other structures, such as laminated or coin-shaped capacitors.

以下、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to the examples.

《実施例1》
本実施例では、定格電圧2.8Vの捲回型の電気二重層キャパシタ(Φ18mm×L(長さ)70mm)を作製した。以下に、電気二重層キャパシタの具体的な製造方法について説明する。
<<Example 1>>
In this example, a wound electric double layer capacitor (Φ18 mm×L (length) 70 mm) with a rated voltage of 2.8 V was produced. A specific method for manufacturing the electric double layer capacitor will be described below.

第1カーボン原料である酸化グラフェンを0.35質量%含む水分散液を調製した。一方、三次元網目構造を有する金属多孔体として、空隙の平均孔径が510μm、厚み1mmのアルミニウム(Al)多孔体を準備し、水分散液に金属多孔体を浸漬して空隙に水分散液を充填した。 An aqueous dispersion containing 0.35% by mass of graphene oxide, which is the first carbon raw material, was prepared. On the other hand, as a metal porous body having a three-dimensional network structure, an aluminum (Al) porous body having an average pore diameter of 510 μm and a thickness of 1 mm was prepared, and the metal porous body was immersed in an aqueous dispersion to fill the pores with the aqueous dispersion. filled.

次に、水分散液を含浸させたAl多孔体を180℃で1時間、水熱処理して、Al多孔体とゲル状生成物との複合体を得た。引き続き、複合体を還元剤であるアスコルビン酸ナトリウム水溶液(アスコルビン酸ナトリウム濃度1.0mol/L)に浸漬し、100℃に加熱して2時間保持し、酸化グラフェンを十分に還元し、三次元構造を有するグラフェンを生成させた。その後、ゲル状生成物を-20℃で100Paの減圧下で凍結乾燥(フリーズドライ)させて、Al多孔体とキセロゲルとの複合体であるキャパシタ用電極を得た。 Next, the Al porous body impregnated with the water dispersion was hydrothermally treated at 180° C. for 1 hour to obtain a composite of the Al porous body and the gel-like product. Subsequently, the composite is immersed in an aqueous solution of sodium ascorbate (sodium ascorbate concentration: 1.0 mol/L), which is a reducing agent, heated to 100° C. and held for 2 hours to sufficiently reduce graphene oxide and obtain a three-dimensional structure. was produced. After that, the gel-like product was lyophilized (freeze-dried) at −20° C. under a reduced pressure of 100 Pa to obtain a capacitor electrode, which is a composite of Al porous material and xerogel.

[評価]
(第1カーボンの構造)
得られたAl多孔体とキセロゲルとの複合体の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を図2(a)に示し、透過型電子顕微鏡写真(TEM像)を図2(b)に示す。各像には、ランダムに形成された複数の襞状の隆起部と窪み部とを有する縮れ構造もしくは折りたたみ構造が見られる。折り畳み部に形成されている隆起部の高さもしくは窪み部の深さは、カーボン部分の厚みよりも十分に大きく、少なくともカーボン部分の厚みの2倍以上を有している。
[evaluation]
(Structure of first carbon)
A scanning electron micrograph (SEM image) of the resulting composite of Al porous material and xerogel is shown in FIG. 2(a), and a transmission electron micrograph (TEM image) is shown in FIG. 2(b). Each image shows a crimped or folded structure with a plurality of randomly formed fold-like ridges and depressions. The height of the raised portion or the depth of the recessed portion formed in the folded portion is sufficiently larger than the thickness of the carbon portion, and is at least twice the thickness of the carbon portion.

(静電容量)
一対の同じ電極を準備し、それぞれにリード線を接続し、セルロース製不織布のセパレータを介して捲回してキャパシタ素子を構成し、電解液とともに所定の外装ケースに収容し、封口部材で封口して、電気二重層キャパシタA1を完成させた。電解液には、エチルジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートを非水溶媒であるプロピレンカーボネートに1.0mol/L濃度で溶解させた溶液を用いた。その後、定格電圧を印加しながら、60で16時間エージング処理を行った。得られた電気二重層キャパシタA1について、25℃で静電容量を測定した。
(capacitance)
A pair of identical electrodes are prepared, lead wires are connected to each of them, and a capacitor element is formed by winding them with a cellulose non-woven fabric separator interposed therebetween. , completed the electric double layer capacitor A1. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving ethyldimethylimidazolium tetrafluoroborate in propylene carbonate, which is a non-aqueous solvent, at a concentration of 1.0 mol/L was used. After that, aging treatment was performed at 60 for 16 hours while applying the rated voltage. The capacitance of the obtained electric double layer capacitor A1 was measured at 25°C.

(002面の間隔(d002))
次に、電気二重層キャパシタを分解し、電極に含まれるグラフェンのX線回折測定を行った。得られたX線回折プロファイルを分析して、第1カーボンのd002を求めたところ、3.422Åであった。金属多孔体とキセロゲルとの複合体のX線回折プロファイルを図3に示す。
(002 plane spacing (d002))
Next, the electric double layer capacitor was disassembled, and X-ray diffraction measurement of graphene contained in the electrodes was performed. By analyzing the obtained X-ray diffraction profile, d002 of the first carbon was determined to be 3.422 Å. FIG. 3 shows the X-ray diffraction profile of the composite of the metal porous material and the xerogel.

図3において、002面に帰属される回折ピークP1は比較的ブロードであり、複数のピークに波形分離可能であり、グラフェンシート同士の層間距離がランダムに変化しているものと考えられる。また、回折ピークP1よりも高角側にアモルファス相に帰属されるブロードなハローパターンが見られる。 In FIG. 3, the diffraction peak P1 attributed to the 002 plane is relatively broad, and the waveform can be separated into a plurality of peaks. Also, a broad halo pattern attributed to the amorphous phase is observed on the higher angle side than the diffraction peak P1.

《比較例1》
実施例1と同様に、第1カーボン原料である酸化グラフェンを0.35質量%含む水分散液を調製し、その水分散液を180℃で1時間、水熱処理して、ゲル状生成物を得た。引き続き、ゲル状生成物を還元剤であるアスコルビン酸ナトリウム水溶液で実施例1と同様に還元し、その後、ゲル状生成物を-20℃で100Paの減圧下で凍結乾燥(フリーズドライ)させて、キセロゲルを得た。
<<Comparative example 1>>
In the same manner as in Example 1, an aqueous dispersion containing 0.35% by mass of graphene oxide, which is the first carbon raw material, was prepared, and the aqueous dispersion was hydrothermally treated at 180° C. for 1 hour to obtain a gel-like product. Obtained. Subsequently, the gel-like product was reduced with an aqueous sodium ascorbate solution as a reducing agent in the same manner as in Example 1, and then the gel-like product was lyophilized (freeze-dried) at −20° C. under a reduced pressure of 100 Pa, A xerogel was obtained.

次に、キセロゲルを、結着剤であるCMCとともに水に分散させてスラリーを調製した。CMCの使用量は、キセロゲル100質量部あたり、10質量部とした。得られたスラリーを実施例1と同じ金属多孔体に充填し、真空中で、110℃で加熱して乾燥し、実施例1と実質同量のグラフェンを含むキャパシタ用電極を得た。この電極を用いたこと以外、実施例1と同様に電気二重層キャパシタB1を作製し、同様に評価した。 Next, the xerogel was dispersed in water together with CMC as a binder to prepare a slurry. The amount of CMC used was 10 parts by mass per 100 parts by mass of xerogel. The same porous metal body as in Example 1 was filled with the obtained slurry and dried by heating at 110° C. in a vacuum to obtain a capacitor electrode containing substantially the same amount of graphene as in Example 1. An electric double layer capacitor B1 was produced in the same manner as in Example 1, except that this electrode was used, and evaluated in the same manner.

《比較例2》
キセロゲルの代わりに活性炭(比表面積2200m2/g)を用いたこと以外、比較例1と同様にスラリーを調製し、比較例1と同様に電気二重層キャパシタB2を作製し、同様に評価した。
<<Comparative Example 2>>
A slurry was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that activated carbon (specific surface area: 2200 m 2 /g) was used instead of xerogel, and an electric double layer capacitor B2 was produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1.

《比較例3》
キセロゲルの代わりに、高結晶性グラフェンを用いたこと以外、比較例1と同様にスラリーを調製し、比較例1と同様に電気二重層キャパシタB3を作製し、同様に評価した。
<<Comparative Example 3>>
A slurry was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that highly crystalline graphene was used instead of xerogel, and an electric double layer capacitor B3 was produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1.

高結晶性グラフェンの電子顕微鏡写真を図4に示す。高結晶性グラフェンのX線回折プロファイルを図5に示す。 An electron micrograph of highly crystalline graphene is shown in FIG. The X-ray diffraction profile of highly crystalline graphene is shown in FIG.

図4において、高結晶性グラフェンは平坦なシートであり、隆起、窪みなどの三次元構造は見られない。図5では、002面に帰属されるピークP1は極めてシャープであり、高角側のハローパターンも見られない。高結晶性グラフェンのd002を求めたところ、3.369Åであった。 In FIG. 4, the highly crystalline graphene is a flat sheet with no three-dimensional structures such as bumps or depressions. In FIG. 5, the peak P1 attributed to the 002 plane is extremely sharp, and no halo pattern on the high-angle side is seen. The d002 of highly crystalline graphene was determined to be 3.369 Å.

上記実施例および比較例の評価結果をまとめて表1に示す。 Table 1 summarizes the evaluation results of the above examples and comparative examples.

Figure 0007203381000001
Figure 0007203381000001

以上のように、実施例1のキャパシタA1は、高結晶グラフェンを用いたキャパシタB3に比べて顕著に高い静電容量を発現し、高表面積を有する活性炭を用いたキャパシタB2よりも更に高い容量が得られた。一方、キセロゲルをスラリー化したキャパシタB1では、キャパシタB3よりも容量が低下した。これはキセロゲルのスラリー化の過程でグラフェンの三次元構造が崩壊したためと考えられる。 As described above, the capacitor A1 of Example 1 exhibits a significantly higher capacitance than the capacitor B3 using highly crystalline graphene, and has a higher capacitance than the capacitor B2 using activated carbon having a high surface area. Got. On the other hand, the capacity of the capacitor B1 in which the xerogel was slurried was lower than that of the capacitor B3. This is thought to be due to the collapse of the three-dimensional structure of graphene during the xerogel slurrying process.

本発明によれば、高容量のキャパシタ用電極を安定して得ることができる。 According to the present invention, a high-capacity capacitor electrode can be stably obtained.

1:キャパシタ素子、2:第1電極、3:第2電極、4:セパレータ、5a:第1リード線、5b:第2リード線、6:外装ケース、7:封口部材、10:キャパシタ 1: capacitor element, 2: first electrode, 3: second electrode, 4: separator, 5a: first lead wire, 5b: second lead wire, 6: exterior case, 7: sealing member, 10: capacitor

Claims (25)

金属多孔体と、
前記金属多孔体の空隙に充填された第1カーボンであるグラフェンと、
前記金属多孔体の空隙に充填された第2カーボンである平均長0.1μm未満の短炭素繊維と、を含、キャパシタ用電極。
a metal porous body;
graphene, which is the first carbon filled in the voids of the metal porous body;
and a short carbon fiber having an average length of less than 0.1 μm, which is a second carbon filled in the voids of the metal porous body .
前記短炭素繊維は、気相成長炭素繊維またはカーボンナノファイバである、請求項1に記載のキャパシタ用電極。2. The capacitor electrode according to claim 1, wherein said short carbon fibers are vapor-grown carbon fibers or carbon nanofibers. 金属多孔体と、a metal porous body;
前記金属多孔体の空隙に充填された第1カーボンであるグラフェンと、 graphene, which is the first carbon filled in the voids of the metal porous body;
前記金属多孔体の空隙に充填された第2カーボンである平均径0.1μm以下の炭素粒子と、を含む、キャパシタ用電極。 and carbon particles having an average diameter of 0.1 μm or less, which are the second carbon filled in the voids of the metal porous body.
前記炭素粒子は、黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素およびカーボンブラックからなる群より選択される、請求項3に記載のキャパシタ用電極。4. The capacitor electrode according to claim 3, wherein said carbon particles are selected from the group consisting of graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon and carbon black. 前記炭素粒子は、連結して鎖状ストラクチャーを構成している、請求項3または4に記載のキャパシタ用電極。5. The capacitor electrode according to claim 3, wherein said carbon particles are linked to form a chain structure. 前記金属多孔体と前記第1カーボンとの架橋構造を有する、請求項1~5のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。6. The capacitor electrode according to claim 1, having a crosslinked structure between said porous metal body and said first carbon. 前記第1カーボンと前記第2カーボンとの架橋構造を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。7. The capacitor electrode according to claim 1, having a crosslinked structure between said first carbon and said second carbon. 前記第1カーボンと前記第2カーボンとの合計に占める前記第1カーボンの割合は、40~98質量%である、請求項1~7のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein a ratio of said first carbon to a total of said first carbon and said second carbon is 40 to 98% by mass. 前記グラフェンは、三次元構造を有する、請求項1~8のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。9. The capacitor electrode according to claim 1, wherein said graphene has a three-dimensional structure. 前記グラフェンの酸化度は、40質量%以下である、請求項1~8のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。9. The capacitor electrode according to claim 1, wherein said graphene has a degree of oxidation of 40% by mass or less. 前記金属多孔体は、三次元網目構造を有する、請求項1~10のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 10 , wherein said metal porous body has a three-dimensional network structure. 前記グラフェンにおけるグラフェンシート積層体の平均積層数が、10層以下である、請求項1~11のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 11, wherein the graphene sheet laminate has an average number of laminated layers of 10 or less. 前記グラフェンにおけるグラフェンシート同士の層間距離がランダムに変化している、請求項1~12のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 12 , wherein the interlayer distance between graphene sheets in the graphene varies randomly. 前記グラフェンが、縮れ構造もしくは折りたたみ構造を有する、請求項1~13のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 13 , wherein the graphene has a crimped structure or a folded structure. 前記第1カーボンのX線回折プロファイルは、002面に帰属される回折ピークP1を有し、かつ前記回折ピークP1よりも高角側にアモルファス相に帰属されるハローパターンを有する、請求項1~14のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 Claims 1 to 14 , wherein the X-ray diffraction profile of the first carbon has a diffraction peak P1 attributed to the 002 plane and a halo pattern attributed to an amorphous phase on a higher angle side than the diffraction peak P1. The capacitor electrode according to any one of . 前記X線回折プロファイルから算出される前記第1カーボンの002面の面間距離が、0.338nm以上である、請求項15に記載のキャパシタ用電極。 16. The capacitor electrode according to claim 15 , wherein the interplanar distance between the 002 planes of the first carbon calculated from the X-ray diffraction profile is 0.338 nm or more. 前記グラフェン同士が、前記第2カーボンを介して積層されている、請求項1~16のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。 The capacitor electrode according to any one of claims 1 to 16 , wherein the graphenes are stacked with the second carbon interposed therebetween. 請求項1~17のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極を備えるキャパシタ。 A capacitor comprising the capacitor electrode according to any one of claims 1 to 17 . 第1カーボン原料である酸化グラフェンを含む水分散液を調製する工程と、
前記水分散液を前記金属多孔体に含浸させ、前記金属多孔体の空隙内で前記酸化グラフェンを還元する工程と、を含む、キャパシタ用電極の製造方法。
preparing an aqueous dispersion containing graphene oxide as the first carbon raw material;
and impregnating the aqueous dispersion into the metal porous body to reduce the graphene oxide in the voids of the metal porous body.
前記酸化グラフェンを還元する工程が、前記水分散液を含浸させた前記金属多孔体を水熱処理することにより、前記金属多孔体の前記空隙内にゲル状生成物を生成させることを含む、請求項19に記載のキャパシタ用電極の製造方法。 3. The method of claim 1, wherein the step of reducing the graphene oxide comprises hydrothermally treating the porous metal body impregnated with the aqueous dispersion to generate a gel-like product in the pores of the porous metal body. 20. The method for producing a capacitor electrode according to 19 above. 前記酸化グラフェンを還元する工程が、更に、前記ゲル状生成物を還元剤と接触させることを含む、請求項20に記載のキャパシタ用電極の製造方法。 21. The method of manufacturing a capacitor electrode according to claim 20 , wherein the step of reducing the graphene oxide further comprises contacting the gelled product with a reducing agent. 更に、前記金属多孔体の前記空隙内で、前記ゲル状生成物を凍結乾燥させる工程を含む、請求項20または21に記載のキャパシタ用電極の製造方法。 22. The method of manufacturing a capacitor electrode according to claim 20 , further comprising the step of freeze-drying said gel-like product in said voids of said metal porous body. 前記水分散液が、更に第2カーボンを含み、
前記第2カーボンが、平均長10μm以下の短炭素繊維および/または平均径0.1μm以下の炭素粒子である、請求項1922のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極の製造方法。
The aqueous dispersion further contains a second carbon,
The method for producing a capacitor electrode according to any one of claims 19 to 22 , wherein the second carbon is short carbon fibers with an average length of 10 µm or less and/or carbon particles with an average diameter of 0.1 µm or less.
金属多孔体と、a metal porous body;
前記金属多孔体の空隙に充填された第1カーボンであるグラフェンと、を含み、and graphene, which is the first carbon filled in the voids of the metal porous body,
前記金属多孔体と前記第1カーボンとの架橋構造を有する、キャパシタ用電極。A capacitor electrode having a crosslinked structure between the metal porous body and the first carbon.
金属多孔体と、a metal porous body;
前記金属多孔体の空隙に充填されたカーボンと、を含み、and carbon filled in the voids of the metal porous body,
前記カーボンは、グラフェンのみからなり、wherein the carbon consists only of graphene,
前記グラフェンは、三次元構造を有する、キャパシタ用電極。The electrode for a capacitor, wherein the graphene has a three-dimensional structure.
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