JP7348439B2 - 自己支持炭素電極 - Google Patents
自己支持炭素電極 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7348439B2 JP7348439B2 JP2019552890A JP2019552890A JP7348439B2 JP 7348439 B2 JP7348439 B2 JP 7348439B2 JP 2019552890 A JP2019552890 A JP 2019552890A JP 2019552890 A JP2019552890 A JP 2019552890A JP 7348439 B2 JP7348439 B2 JP 7348439B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- supercapacitor
- electrode
- conductive
- carbon
- activated carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 59
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims description 20
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 2
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 2
- DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N (R)-(-)-Propylene glycol Chemical compound C[C@@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/38—Carbon pastes or blends; Binders or additives therein
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/48—Conductive polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/52—Separators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/58—Liquid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/74—Terminals, e.g. extensions of current collectors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
本発明は、関連する金属電流コレクタが使用される必要をなくす、自立炭素含有シートから作製される自己支持電極に関する。電極はとりわけ、スーパーキャパシタの構成要素として使用するのに適している。
近年、当該技術分野において、等価な用語であるウルトラキャパシタによっても知られていることがあるスーパーキャパシタは、長いサイクル寿命にわたって安定性があり、電荷を迅速に受け入れ、提供することができるため、エネルギー貯蔵用途について注目を集めている。この利点によって、スーパーキャパシタは、スマートフォン、タブレット、電動ドリル及び再充電時間が非常に重要であるより大規模な用途のような、様々な携帯電気デバイス内の従来のリチウムイオン電池に代替又は付属するものとして魅力的である可能性のあるものとなっている。しかしながら、これまで、スーパーキャパシタによって達成することができる単位重量あたりのエネルギー密度が相対的に低いことが技術的課題となっており、サイズ及び重量が重大な問題である多くの用途に取り上げられることが制限されていた。
典型的なスーパーキャパシタは、電解質及びイオン透過性絶縁膜によって分離されている少なくとも２つの電極（アノード及びカソード）から構成されるセルから成る。電極にわたって電圧が印加されると、電解質中のアニオン及びカチオンがそれぞれアノード及びカソードに移動し、以て、反対の電荷を保持する電気二重層が電極の表面に生成される。反対の電荷を保持する電気二重層は、次いで、スーパーキャパシタが使用されるときに、漸進的に破壊され、再充電されるときに再生成される。したがって、電極の単位重量あたりの電気二重層と関連付けられる電荷容量が高いほど、スーパーキャパシタはより効率的且つ有用になる。
当方の以前の出願であるＷＯ２０１６０７５４３１において、電解質がイオン液体、又は、少なくとも１つがイオン液体であるイオン成分の混合物である、そのようなスーパーキャパシタが記載されている。当該出願のスーパーキャパシタに利用されている電極は各々、表面積の大きい炭素粒子から構成される電荷担体層によってコーティングされている金属電流コレクタ（典型的にはアルミニウム箔のような基板）を備える。このコーティングは、施与後に硬化及び乾燥することを可能にされる印刷可能な「インク」によって電流コレクタに施与される。
当該出願のスーパーキャパシタ設計に伴う問題は、セルの単位重量あたりの電荷容量が多くの用途において使用するには高過ぎることであり、この問題は、当該出願のスーパーキャパシタが多くの場合、商業用途のために、必要量の合計電荷を保持するために直列に積み重ねられるために悪化する。それゆえ、この問題を解決するための１つの手法は、典型的には全体の重量の最大５０％を占める電流コレクタの排除に取り組むことである。したがって、本発明において、自己支持、自立式であり、小さい金属コーティングタブのみを使用して外部回路に直接的に取り付けることができる改善された多炭素成分電極を開発した。したがって、本発明の一態様によれば、５～２０重量％の高分子結合剤内に均一に分散された、７０～９０重量％の活性炭、及び、５～２５重量％の導電性炭素のマトリックスから本質的に成る、剛性又は機械的に弾性の導電性シートを備えることを特徴とする、電気回路に取り付けられるように適合されている自己支持スーパーキャパシタ電極が提供される。
導電性シートは、５～１５重量％の高分子結合剤内に均一に分散された、７５～９０重量％の活性炭、及び、５～２５重量％の導電性炭素のマトリックスから本質的に成ることが適切である。
導電性シートは、機械的に弾性であり、表面に亀裂が入るか又は完全に破砕することもなく好都合な形状に変形することができるように十分に柔軟であることが好ましい。１つの実施形態において、活性炭と導電性炭素との重量比は、電極の電荷を蓄積する能力と、関連付けられる電気抵抗との間の最適なトレードオフを得るために、５：１、適切には５：１～５０：１であり、好ましくは８：１～２０：１の範囲内、最も好ましくは８：１～１２：１又は１５：１～２０：１である。
活性炭という用語は、表面積が典型的には５００ｍ２ｇ－１よりも大きく、適切には５００～４５００ｍ２ｇ－１、より適切には５００～３５００ｍ２ｇ－１、好ましくは５００～３０００ｍ２ｇ－１、及び、最も好ましくは１５００～２５００ｍ２ｇ－１又は１５００～４０００ｍ２ｇ－１である炭素を意味する。１つの実施形態において、活性炭成分は微粒子であり、粒子の平均最大寸法は、２５マイクロメートル未満であり、好ましくは、６～１２マイクロメートル、又は、１マイクロメートル未満の有限寸法である。別の実施形態において、活性炭は繊維状であり、互いに及び他の成分と絡まり得るマイクロファイバ又はナノファイバから成る。また別の実施形態において、活性炭成分は、シートの製造中に他の成分によって含浸された織布を含む。すべてのそのような材料は、材料が相当量の電荷を保持することを可能にするアクセス可能な高度の微孔構造を有することを特徴とする。
典型的には、活性炭は、無酸素雰囲気中で５００℃を超える温度において対応する有機前駆体を炭化することによって調製することができる。そのような有機前駆体は、リグノセルロース系又は非リグノセルロース系であってもよく、任意選択的に、水酸化カリウムのような水酸化物などの１Ａ族金属塩をドープされてもよい。しかしながら、活性炭は、他の様態では高純度であり、灰分が１重量％未満、好ましくは０．５％重量％未満であることが好ましい。別の実施形態において、炭化生成物が、使用前に蒸気によって活性化されてもよい。成分が繊維状であるか又は織布から作製される場合、成分は、例えば、紡糸又は織布ポリエチレン、ポリプロピレンなどの、高分子シートの前駆体繊維状ポリマーを炭化することによって調製することができる。１つの実施形態において、活性炭は、２０ファラッド毎グラム、適切には８０～２５０ファラッド毎グラム、例えば、１００～２００ファラッド毎グラムの比静電容量を有する。
導電性炭素成分を見ると、導電性炭素成分は、シートの導電性を改善することを可能にするために含まれる。導電性炭素成分は、グラフェン、及び、カーボンナノチューブのようなフラーレンなどから選択される１つ又は複数の高導電性炭素を含むことが適切である。１つの好ましい実施形態において、導電性炭素成分は、グラフェン、単層及び／若しくは多層カーボンナノチューブ又はそれらの成分の組み合わせを含む。別の実施形態において、カーボンナノチューブは、最大５マイクロメートルの有限の長さ及び／又は１～２０ナノメートルの範囲内の直径及び／又は１０６ジーメンス毎メートルを超える伝導性を有することを特徴とする。１つの実施形態において、導電性炭素成分は、５～３０重量％の電極シートを含む。また別の実施形態において、導電性炭素は、上記で言及した他の成分の中でも、カーボンブラックであるか、又は、カーボンブラックを含む。
結合剤は、原則として、機械的剛性又は可撓性をシートに与えることができる任意のマトリックスである。結合剤は、好ましくは、電極の使用中に生じる可能性がある種類の酸化及び還元過程に耐性がある材料である。１つの実施形態において、結合剤は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン又はポリフッ化ビニリデンのようなフッ化ポリマーなどの、不活性エンジニアリングプラスチックである。別の実施形態において、結合剤は、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ポリ（スチレンスルホナート）又はポリアニリンのような導電性ポリマーである。また別の実施形態において、結合剤は、導電性ポリマーと、例えば、上記で言及したエンジニアリングプラスチック、カルボキシメチルセルロースなどのようなセルロース系材料及び／又はスチレンブタジエンゴムのようなエラストマーのうちの１つとの混合物である。この実施形態において、これら２つの成分の重量比は好ましくは、０．５：１～２：１の範囲内にあるべきである。別の実施形態において、結合剤は、高分子電解質成分を含む。
本発明の電極シートは、典型的には、０．４グラム毎ｃｃを超える密度、１００ファラッド毎グラムを超える平均重量比静電容量を有する。
１つの実施形態において、上述した電極は、より大きい材料シートから切り出されるか又は型抜きされる。電極はその後、弾性である場合、支持基板又は金属電流コレクタの存在なしに使用されるのに十分強固なままでありながら、任意の所望の形状になるように操作されることが可能である。そのような状況において、電極は、電気回路のワイヤに取り付けることができる金属コネクタに取り付け可能であることをさらに特徴とする。１つの好都合な実施形態において、これは、電極シートを形成すること、１つの位置において材料のタブが本体から突出するように電極シートから電極を切り出すことによって達成される。このタブはその後、（１）ポリマーによって熱処理されて、タブ内の任意の隙間に含浸させ、（２）その後、銀、銅などのような金属コーティングによって金属化されて、電気接点を作製することができる。
本発明の電極及びイオン液体電解質を使用するスーパーキャパシタは、典型的には、コイン電池において１００サイクルの充電及び放電にわたって測定されるとき、３０オーム未満の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を有する。実際の作動デバイスにおいて、ＥＳＲは典型的には、１００ミリオーム未満、例えば、０．５～１００ミリオームの範囲内である。これらのスーパーキャパシタはまた、３．５ボルトの動作電圧において測定したときに、１００ファラッド毎グラムよりも大きい重量比静電容量、及び、６Ｗｈ／ｋｇよりも大きいエネルギー貯蔵容量をも有する。
上記で言及したように、本発明の電極は、シートから作製されるアノード（複数可）及びカソード（複数可）、電解質並びに膜セパレータを備える少なくとも１つのユニットから構成されるスーパーキャパシタ又はウルトラキャパシタに特に有用である。しかしながら、それらの電極は、例えば、リチウムイオン電池など、より広い有用性を有する可能性がある。１つの実施形態において、電解質はイオン液体である。別の実施形態において、アノード（複数可）及びカソード（複数可）は、異なる厚さにすること、又は、金属酸化物、半導体若しくは導電性ポリマーのような１つ若しくは複数の擬似容量性添加剤（複数可）を使用することによって、非対称にされる。電極シートは、１００～３５０マイクロメートルの範囲内の厚さを有することが適切である。各ユニットは、シートを中間膜と直列にして並べて積み重ね、残りの空隙に電解質を充填することによって複製することができる。そのような実施形態において、シートの対向する側は、隣接するユニット内のアノード及びカソードとして機能することができる。個々のユニット又はユニットスタックは、任意選択的に、例えばポリマーから作製される、漏れ止め軽量パウチの中に含まれてもよい。パウチはそれ自体、所望される場合に、追加の機械的完全度をスーパーキャパシタに与えることができる。
本発明の別の態様によれば、（１）低せん断条件下で結合剤を水溶液と混合するステップと、（２）その後、可撓性の生地が生成されるまで、高せん断条件下で活性炭及び導電性炭素を添加するステップと、（３）生地を圧延して、１００～３５０マイクロメートルの範囲内の厚さを有するシートにし、その後、シートを乾燥させるステップとによって特徴付けられる、上述した導電性シートを製造する方法が提供される。本方法の一実施形態において、Ｃ１～Ｃ６脂肪族アルコールのような少量のアルコール及び／又は界面活性剤を水溶液に添加して、混合後に生地が電子顕微鏡によって観察されるものとして均一な分布の様々な炭素成分を有することを保証することができる。別の実施形態において、ステップ（３）において製造されるシートは、追加のつや出しステップを受ける。
ここで、以下の実施例を参照して本発明の電極を例示する。
実施例１－電極シートの調製
１０．５ｇの含水イソプロパノールの溶液を、９．９ｇの脱イオン水と混合した。これに、水中の１．５ｇのＰＴＦＥの６０％分散液（密度：１．５０ｇ／ｃｍ３）（ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手）を、絶えず攪拌しながら添加した。ＹＰ－５０活性炭（Ｋｕｒａｒｙより入手）及び中壁カーボンナノチューブ（Ｎａｎｏｃｙｌ ＮＣ７０００、高い導電性を達成するためにＥＳＲを低くした）を、８：１（９：１）の重量比で予混合した。結果もたらされた８ｇ（１０．８ｇ）の混合物を、８００ｒｐｍにおいて動作する実験室用ミキサ（Ｔｈｉｎｋｙ ＡＲＥ－２５０）内で高せん断条件下で溶液に添加し、均質な生地が形成されるまで５分にわたって混合し続けた。結果もたらされた生地は３０グラムになり、その後、圧延して平均厚さが３４０マイクロメートルのシートを得た。その後、シートを室温において１２時間、その後、真空下で６００℃及び１２００℃において２時間にわたって乾燥させた。乾燥した生成物を乾燥箱内で保管し、その後、コイン電池実験に使用するために電極に切り出した。
１０．５ｇの含水イソプロパノールの溶液を、９．９ｇの脱イオン水と混合した。これに、水中の１．５ｇのＰＴＦＥの６０％分散液（密度：１．５０ｇ／ｃｍ３）（ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手）を、絶えず攪拌しながら添加した。ＹＰ－５０活性炭（Ｋｕｒａｒｙより入手）及び中壁カーボンナノチューブ（Ｎａｎｏｃｙｌ ＮＣ７０００、高い導電性を達成するためにＥＳＲを低くした）を、８：１（９：１）の重量比で予混合した。結果もたらされた８ｇ（１０．８ｇ）の混合物を、８００ｒｐｍにおいて動作する実験室用ミキサ（Ｔｈｉｎｋｙ ＡＲＥ－２５０）内で高せん断条件下で溶液に添加し、均質な生地が形成されるまで５分にわたって混合し続けた。結果もたらされた生地は３０グラムになり、その後、圧延して平均厚さが３４０マイクロメートルのシートを得た。その後、シートを室温において１２時間、その後、真空下で６００℃及び１２００℃において２時間にわたって乾燥させた。乾燥した生成物を乾燥箱内で保管し、その後、コイン電池実験に使用するために電極に切り出した。
電子顕微鏡を使用した視覚検査により、活性炭及び多層カーボンナノチューブが結合剤マトリックス全体を通じて均一に分散していることが確認された。
実施例２－コイン電池試験
型抜き機を使用して、電極シートの１６ｍｍディスクを切り出した。その後、乾燥したＴｉｔａｎｉｕｍ－３０膜セパレータ（ＤｒｅａｍＷｅａｖｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手）の対応するディスク及びＥＭＩＭ ＴＦＳＩ（１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド）イオン液体電解質を使用して、従来のコイン電池を試験目的で組み立てた。その後、充填されたコイン電池を圧着によってシールした後、試験を受けさせた。
型抜き機を使用して、電極シートの１６ｍｍディスクを切り出した。その後、乾燥したＴｉｔａｎｉｕｍ－３０膜セパレータ（ＤｒｅａｍＷｅａｖｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手）の対応するディスク及びＥＭＩＭ ＴＦＳＩ（１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド）イオン液体電解質を使用して、従来のコイン電池を試験目的で組み立てた。その後、充填されたコイン電池を圧着によってシールした後、試験を受けさせた。
コイン電池には３．５ｖの電圧において充電及び放電のサイクルを受けさせ、各サイクルについて放電容量及び等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定した。図１及び図２にグラフで示す結果は、本発明の電極が、複数サイクルにわたる放電容量から推測されるものとして良好な静電容量安定性を呈し、初期調整段階後にＥＳＲを維持することを示している。
Claims (8)
- イオン液体電解質を備える１つ又は複数のユニットと、
膜セパレータと、
７０～９０重量％の活性炭、及び、５～２５重量％の導電性炭素のマトリックスから本質的に成る、自立式の剛性又は機械的に弾性の導電性シートを備えることを特徴とする、電気回路に取り付けられるように適合されている、自己支持スーパーキャパシタ電極と、
を備えるスーパーキャパシタであって、
前記活性炭及び導電性炭素は、５～２０重量％の高分子結合剤内に均一に分散されており、
前記電極は、金属電流コレクタ又は支持基板によって支持されないという点において自立しており、前記電極は、本体と、外部回路への電気的接続を可能にするための金属化タブ又は金属タブと、を備える、スーパーキャパシタ。 - （ｉ）活性炭と導電性炭素との重量比が８：１～２０：１の範囲内である、（ｉｉ）前記活性炭の表面積が１５００～２５００ｍ２ｇ－１の範囲内である、及び／又は（ｉｉｉ）前記活性炭が１００～２００ファラッド毎グラムの比静電容量を有することを特徴とする、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
- 導電性炭素が、グラフェン、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ又はこれらの成分のいずれかの混合物から構成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。
- （ｉ）前記結合剤が導電性ポリマー及びエンジニアリングプラスチックを含むことを特徴とする、及び／又は（ｉｉ）前記結合剤がフッ化ポリマー又は高分子電解質を含むことを特徴とする、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。
- （ｉ）前記電極シートが、０．４グラム毎ｃｍ３よりも大きい密度を有する、及び／又は（ｉｉ）前記自己支持スーパーキャパシタ電極が、１００ファラッド毎グラムよりも大きい比静電容量を有することを特徴とする、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。
- 厚さが１００～３５０マイクロメートルであることを特徴とする、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。
- （ｉ）前記電極が非対称であり、厚さが異なる、又は（ｉｉ）前記電極が、擬似容量性添加剤を使用することによって非対称にされる、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。
- 前記結合剤が、（ｉ）導電性ポリマーと、（ｉｉ）フッ化ポリマー、セルロース系材料、及び／又はエラストマーとの混合物を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のスーパーキャパシタ。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP17386014.9 | 2017-04-07 | ||
| EP17386014 | 2017-04-07 | ||
| GB1707364.4 | 2017-05-08 | ||
| GB1707364.4A GB2561253B (en) | 2017-04-07 | 2017-05-08 | Self-supporting carbon electrode |
| PCT/GB2018/050931 WO2018185497A1 (en) | 2017-04-07 | 2018-04-06 | Self-supporting carbon electrode |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020516063A JP2020516063A (ja) | 2020-05-28 |
| JP2020516063A5 JP2020516063A5 (ja) | 2021-05-06 |
| JP7348439B2 true JP7348439B2 (ja) | 2023-09-21 |
Family
ID=58668828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019552890A Active JP7348439B2 (ja) | 2017-04-07 | 2018-04-06 | 自己支持炭素電極 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20210090820A1 (ja) |
| EP (1) | EP3607570A1 (ja) |
| JP (1) | JP7348439B2 (ja) |
| KR (1) | KR102508972B1 (ja) |
| CN (1) | CN110730996A (ja) |
| GB (1) | GB2561253B (ja) |
| TW (1) | TWI794221B (ja) |
| WO (1) | WO2018185497A1 (ja) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003017370A (ja) | 2001-06-29 | 2003-01-17 | Masayuki Yoshio | キャパシター用塗布ペースト及び電気２重層キャパシタ電極 |
| US20110075324A1 (en) | 2008-06-04 | 2011-03-31 | Seeo, Inc | Supercapacitors with block copolymer electrolytes |
| JP2013030694A (ja) | 2011-07-29 | 2013-02-07 | Nichias Corp | 電気二重層キャパシタ用導電性シート |
| KR101484926B1 (ko) | 2012-05-21 | 2015-01-22 | (주) 퓨리켐 | 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000195760A (ja) * | 1998-12-25 | 2000-07-14 | Casio Comput Co Ltd | 電気二重層コンデンサ |
| US20050266298A1 (en) * | 2003-07-09 | 2005-12-01 | Maxwell Technologies, Inc. | Dry particle based electro-chemical device and methods of making same |
| US7352558B2 (en) * | 2003-07-09 | 2008-04-01 | Maxwell Technologies, Inc. | Dry particle based capacitor and methods of making same |
| KR100578158B1 (ko) * | 2004-12-23 | 2006-05-10 | 비나텍주식회사 | 전기이중층 캐패시터 |
| FR2881569B1 (fr) * | 2005-02-01 | 2007-04-20 | Batscap Sa | Electrode de supercondensateur a taux de charge eleve et procede d'obtention par extrusion |
| JP2007258611A (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Asahi Glass Co Ltd | 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法及び該電極を用いた電気二重層キャパシタの製造方法 |
| US20080089013A1 (en) * | 2006-10-17 | 2008-04-17 | Maxwell Technologies, Inc. | Electrode for energy storage device |
| CN101763948A (zh) * | 2009-11-09 | 2010-06-30 | 南京双登科技发展研究院有限公司 | 酸性超级电容器 |
| US8687346B2 (en) * | 2010-05-27 | 2014-04-01 | Corning Incorporated | Multi-layered electrode for ultracapacitors |
| US8254086B2 (en) * | 2010-07-13 | 2012-08-28 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Two-step synthesis of manganese oxide nanostructures on carbon for supercapacitor applications |
| US8576541B2 (en) * | 2010-10-04 | 2013-11-05 | Corning Incorporated | Electrolyte system |
| BR112013028414A2 (pt) * | 2011-05-03 | 2017-01-24 | Axion Power Int Inc | processo para a fabricação de folha de carbono para eletrodo |
| CN102324317B (zh) * | 2011-09-14 | 2017-04-19 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种用于柔性固态超级电容器的电极及其制备方法 |
| TWI537996B (zh) * | 2011-10-04 | 2016-06-11 | 逢甲大學 | 一種超級電容及其製作方法 |
| DE112012004734T5 (de) * | 2011-11-14 | 2014-09-11 | Meidensha Corp. | Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung, elektrische Speichervorrichtung und Herstellungsverfahren einer Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung |
| US9330855B2 (en) * | 2012-03-18 | 2016-05-03 | Elbit Systems Land And C4I Ltd | Aqueous-based electric double-layer capacitor |
| CN102881464B (zh) * | 2012-09-26 | 2015-11-18 | 成都芝田高分子材料有限公司 | 一种储能装置的制作方法 |
| CN103151183B (zh) * | 2013-03-04 | 2016-06-01 | 成都芝田高分子材料有限公司 | 一种电极的制作方法、储能装置及其制作方法 |
| US9478364B2 (en) * | 2013-08-22 | 2016-10-25 | Corning Incorporated | Carbon-based electrodes containing molecular sieve |
| US20150062779A1 (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | Corning Incorporated | Edlc electrode and manufacturing process thereof |
| US9595398B2 (en) * | 2013-08-30 | 2017-03-14 | Corning Incorporated | Low resistance ultracapacitor electrode and manufacturing method thereof |
| CN103762088B (zh) * | 2013-12-31 | 2017-07-07 | 昆明纳太科技有限公司 | 一种超级电容器及其制备方法 |
| FR3016245B1 (fr) * | 2014-01-03 | 2021-07-16 | Commissariat Energie Atomique | Cellule electrochimique, systeme de stockage et de restitution d'energie electrique comprenant une telle cellule electrochimique et vehicule comprenant un tel systeme |
| WO2016025532A1 (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-18 | The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Aligned graphene-carbon nanotube porous carbon composite |
| CN105304350A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-02-03 | 南通绿业中试技术研究院有限公司 | 一种宽温度区间可滥用电容器及其制造方法 |
| CN105551824A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-05-04 | 上海奥威科技开发有限公司 | 无金属集流体的自支撑超级电容器 |
-
2017
- 2017-05-08 GB GB1707364.4A patent/GB2561253B/en active Active
-
2018
- 2018-04-06 EP EP18715799.5A patent/EP3607570A1/en active Pending
- 2018-04-06 WO PCT/GB2018/050931 patent/WO2018185497A1/en active Application Filing
- 2018-04-06 JP JP2019552890A patent/JP7348439B2/ja active Active
- 2018-04-06 KR KR1020197033069A patent/KR102508972B1/ko active IP Right Grant
- 2018-04-06 CN CN201880021666.1A patent/CN110730996A/zh active Pending
- 2018-04-06 US US16/603,396 patent/US20210090820A1/en active Pending
- 2018-04-09 TW TW107112075A patent/TWI794221B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003017370A (ja) | 2001-06-29 | 2003-01-17 | Masayuki Yoshio | キャパシター用塗布ペースト及び電気２重層キャパシタ電極 |
| US20110075324A1 (en) | 2008-06-04 | 2011-03-31 | Seeo, Inc | Supercapacitors with block copolymer electrolytes |
| JP2013030694A (ja) | 2011-07-29 | 2013-02-07 | Nichias Corp | 電気二重層キャパシタ用導電性シート |
| KR101484926B1 (ko) | 2012-05-21 | 2015-01-22 | (주) 퓨리켐 | 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20210090820A1 (en) | 2021-03-25 |
| WO2018185497A1 (en) | 2018-10-11 |
| CN110730996A (zh) | 2020-01-24 |
| TW201842520A (zh) | 2018-12-01 |
| JP2020516063A (ja) | 2020-05-28 |
| KR102508972B1 (ko) | 2023-03-13 |
| GB2561253B (en) | 2022-10-12 |
| EP3607570A1 (en) | 2020-02-12 |
| KR20200028883A (ko) | 2020-03-17 |
| GB2561253A (en) | 2018-10-10 |
| TWI794221B (zh) | 2023-03-01 |
| GB201707364D0 (en) | 2017-06-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | MXene-bonded activated carbon as a flexible electrode for high-performance supercapacitors | |
| Zhang et al. | Novel hierarchically porous carbon materials obtained from natural biopolymer as host matrixes for lithium–sulfur battery applications | |
| US9048025B2 (en) | Electrode for electric storage device, electric storage device and manufacturing method of electrode for electric storage device | |
| KR101056734B1 (ko) | 고밀도 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법 | |
| US11545310B2 (en) | High capacitance composites | |
| JP2012114396A (ja) | 多層構造の電極及び前記電極を含むスーパーキャパシタ | |
| JP6213971B2 (ja) | グラフェン／ＣＮＴ複合体電極装備Ｌｉイオン・スーパーキャパシター及びその製造方法 | |
| Shi et al. | 3D mesoporous hemp-activated carbon/Ni3S2 in preparation of a binder-free Ni foam for a high performance all-solid-state asymmetric supercapacitor | |
| JP2013140977A (ja) | 電極、その製造方法、及びこれを含む電気化学キャパシタ | |
| Yu et al. | Construction of ultrathin nitrogen-doped porous carbon nanospheres coated with polyaniline nanorods for asymmetric supercapacitors | |
| JP4876515B2 (ja) | リチウム二次電池用電極及びその製造方法並びにリチウム二次電池 | |
| KR101484163B1 (ko) | 초고용량 커패시터 전극으로 이용되는 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재 전극 | |
| Tundwal et al. | Developments in conducting polymer-, metal oxide-, and carbon nanotube-based composite electrode materials for supercapacitors: a review | |
| JP2014064030A (ja) | 電気化学キャパシタ | |
| KR100567393B1 (ko) | 다공성의 3차원 집전체로 구성된 전극을 포함하는 캐패시터 | |
| WO2009123031A1 (ja) | 電気化学素子用電極の製造方法 | |
| Chen et al. | Facile synthesis of core-shell structured CuS@ PANI microspheres and electrochemical capacitance investigations | |
| EP3616248B1 (en) | Battery comprising an electrode having carbon additives | |
| JP2008010613A (ja) | 電気二重層キャパシタ | |
| JP7348439B2 (ja) | 自己支持炭素電極 | |
| JP2006269827A (ja) | 電気化学素子電極用組成物 | |
| KR102188237B1 (ko) | 전해액 함침성이 우수한 전극을 제조할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터 | |
| KR102188242B1 (ko) | 전극밀도를 개선할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터 | |
| JP5195117B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ | |
| JP5206443B2 (ja) | 電気化学素子用電極、および電気化学素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210326 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210326 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220318 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220405 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20220623 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220830 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20221213 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230711 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20230809 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230809 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20230809 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7348439 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |