JP7399407B2 - パウチ型スーパーキャパシタ、正極材料及び負極材料 - Google Patents
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Description
項1
パウチ型スーパーキャパシタであって、
第1の導電性基材上に正極材料が被覆されてなる正極と、第2の導電性基材上に負極材料が被覆されてなる負極と、電解質を含む電解質層とを備え、
前記正極材料及び前記負極材料の少なくともいずれか一方は炭素材料を含む複合材料であり、
前記電解質層は固体又はゲルである、パウチ型スーパーキャパシタ。
項2
前記正極材料及び前記負極材料の両方が炭素材料を含む複合材料である、項1に記載のパウチ型スーパーキャパシタ。
項3
前記炭素材料が酸化グラフェンである、項1又は2に記載のパウチ型スーパーキャパシタ。
項4
前記電解質層は、水溶性高分子化合物を含む、項1~3のいずれか1項に記載のパウチ型スーパーキャパシタ。
項5
パウチ型スーパーキャパシタ用の正極材料であって、
炭素材料を含む複合材料である、正極材料。
項6
パウチ型スーパーキャパシタ用の負極材料であって、
炭素材料を含む複合材料である、負極材料。
本発明のASCにおいて、正極材料を構成するための材料の種類は特に限定されず、例えば、公知の正極材料を広く適用することができる。特に、正極材料は炭素材料を含む複合材料であることが好ましい。
本発明のASCにおいて、負極材料を構成するための材料の種類は特に限定されず、例えば、公知の負極材料を広く適用することができる。特に、負極材料は炭素材料を含む複合材料であることが好ましい。
・rGOを含む分散液中に第2の導電性基材を浸漬させて、第2の導電性基材上にrGOを被覆させる工程A。
・工程Aの後、rGOを被覆した第2の導電性基材を、Bi源を含む溶液に浸漬させて水熱合成をする工程B。
・工程Bで処理された第2の導電性基材に硫化銅を被覆させる工程C。
本発明のASCでは、エネルギー密度、出力密度及び容量維持率が向上しやすいという点で、正極材料及び負極材料の両方が炭素材料を含む複合材料であることが好ましく、正極材料及び負極材料の両方が還元型酸化グラフェン(rGO)を含む複合材料であることが特に好ましい。
本発明のASCにおいて、電解質の種類は特に限定されず、例えば、パウチ型スーパーキャパシタにおいて適用され得る電解質を広く採用することができる。特に、本発明のASCにおいて、固体又はゲル状態の電解質層を形成できる限りは特に制限されない。中でも前記電解質は、水溶性高分子化合物を含むことが好ましい。
本発明のASCにおいて、正極、負極及び固体電解質以外の構成は特に限定されず、例えば、公知のパウチ型スーパーキャパシタで備えられる部材を、本発明の本発明のASCに適用することができる。
まず、0.05MのNi(NO3)2・6H2O(0.5815g)と、0.1MのCo(NO)2・6H2O(1.1641g)と、0.5Mの尿素(1.2012g)と、0.2MのNH4F(0.2963g)とを含む50ml水溶液に、ニッケルフォーム(2.5×5cm角)を浸漬した。なお、酸化グラフェンは公知のHummer法によって予め合成した。次いで、150℃で6時間の水熱合成を行うことにより、ニッケルフォーム上にrGO/NiCo2O4を形成した。このように水熱合成で処理されたニッケルフォームを、0.1MのMn(CH3CO2)2・4H2Oと、1MのNa2SO4とを含む混合溶液(Mn源を含む溶液)中に浸漬して定電位電着法による電着処理を行うことにより、ニッケルフォーム上にMnO2で被覆されたrGO/NiCo2O4を形成した。この電位電着法では、印加電位を-1Vとして10分間処理した。このように電着処理されたニッケルフォームを「R-NCO150@MN」と表記して、正極として用いた。
まず0.1gの酸化グラフェンシートを50mlの脱イオン水中にて12時間超音波処理して分散液を調製し、ニッケルフォーム(2.5×5cm角)をその分散液に繰り返し浸漬した後、乾燥させることで酸化グラフェンをニッケルフォーム表面に被覆させた(工程A)。なお、酸化グラフェンは公知のHummer法によって予め合成した。次いで、0.05MのBi(NO3)2・5H2水溶液50mL中に1.5mlのトリエチルアミン(TEA)を添加した後、そこへ先の酸化グラフェンを被覆したニッケルフォーム(GOシート/ニッケルフォーム)を浸漬し、界面活性剤として1.5mLエチレングリコールと、1.5mlポリエチレングリコール(PEG)とを加え、さらに、1gのフッ化アンモニウム(NH4F)を加えた後、140℃で6時間水熱合成を行った。これにより、Bi2O3をGOシート/ニッケルフォーム上に被覆した(工程B)。水熱合成で処理されたニッケルフォームを適宜乾燥後、300℃で3時間アニールした。
実施例1で得たR-NCO150@MNを正極に、実施例2で得られたR-BOPEG140@CSを負極に用い、電解質層として、PVA-KOH:KFCN(ポリビニルアルコール含有量が6.5質量%、KOH含有量が11.7質量%、K3[Fe(CN)6] 含有量が3.45質量%(全部は水)を含むゲルを用いてASCデバイスを組み立てた。電解質層は、50~70mLの脱イオン水に5~7gのポリビニルアルコールを溶解し、そこで、4~6MのKOH水溶液及び0.1~0.3MのK3[Fe(CN)6]水溶液を用いて製作した。正極と負極はいずれも2.5×2.5cmとした。具体的には、固体電解質を正極と負極とで挟んで素子を形成し、この素子をプラスチックパウチに詰めることで、パウチ型スーパーキャパシタを構築した。得られたASCデバイスを、「RNCO150@MN//R-BOPEG140@CS」と表記した。
実施例1で得たR-NCO150@MNを正極に、実施例2で得られたR-BOPEG140@CSを負極に用い、電解質として6MのKOH水溶液を用いて素子を形成した。
実施例1で得たR-NCO150@MNを正極に、実施例2で得られたR-BOPEG140@CSを負極に用い、電解質として6MのKOHと0.3MのK3Fe(CN)6との混合溶液を用いて素子を形成した。
図1は、実施例1で得られた正極及び実施例2で得られた負極の走査型電子顕微鏡画像(SEM)を示している。図1(a)は水熱合成後であって電着処理前の実施例1の正極、(b)は電着処理後の実施例1の正極である。また、図1(c)は硫化銅(Cu2S)で処理する直前の実施例2の負極、(d)は電着処理後の硫化銅(Cu2S)で処理した後の実施例2の負極である。
Claims (4)
- パウチ型スーパーキャパシタであって、
第1の導電性基材上に正極材料が被覆されてなる正極と、第2の導電性基材上に負極材料が被覆されてなる負極と、電解質を含む電解質層とを備え、
前記正極材料は、
還元型酸化グラフェンを含有するNiCo 2 O 4 、又は、
還元型酸化グラフェンを含有するNiCo 2 O 4 がMnO 2 で被覆された複合材料であり、
前記負極材料は、
還元型酸化グラフェンを含有するBi 2 O 3 、又は、
還元型酸化グラフェンを含有するBi 2 O 3 がCu 2 Sで被覆された複合材料であり、
前記電解質層は固体又はゲルである、パウチ型スーパーキャパシタ。 - 前記電解質層は、水溶性高分子化合物を含む、請求項1に記載のパウチ型スーパーキャパシタ。
- パウチ型スーパーキャパシタ用の正極材料であって、
還元型酸化グラフェンを含有するNiCo 2 O 4 、又は、
還元型酸化グラフェンを含有するNiCo 2 O 4 がMnO 2 で被覆された複合材料である、パウチ型スーパーキャパシタ用正極材料。 - パウチ型スーパーキャパシタ用の負極材料であって、
還元型酸化グラフェンを含有するBi 2 O 3 、又は、
還元型酸化グラフェンを含有するBi 2 O 3 がCu 2 Sで被覆された複合材料である、パウチ型スーパーキャパシタ用負極材料。
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