JPH02135718A - 電気二重層コンデンサー - Google Patents

電気二重層コンデンサー

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JPH02135718A
JPH02135718A JP63289862A JP28986288A JPH02135718A JP H02135718 A JPH02135718 A JP H02135718A JP 63289862 A JP63289862 A JP 63289862A JP 28986288 A JP28986288 A JP 28986288A JP H02135718 A JPH02135718 A JP H02135718A
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JP
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electrode
capacitor
layer capacitor
film
double layer
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JP63289862A
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English (en)
Inventor
Akira Nakada
昭 中田
Ichiro Kikuchi
一郎 菊地
Buhei Kaneko
金子 武平
Takafumi Suzuki
啓文 鈴木
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Nippon Soda Co Ltd
Original Assignee
Nippon Soda Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気二重層コンデンサーに係り、さらに詳し
くは、化学酸化重合により形成させた自己保持性のピロ
ール系化合物重合体フィルムを洗浄して得られる導電性
高分子の多孔質フィルムを少なくとも一方の1撓とする
電気二重層コンデンサーに関する。
〔従来の技術〕
主鎖に共役二重結合を持つ重合体、例えばポリアセチレ
ン、ポリパラフェニレン、ポリピロールポリチオフェン
なと番よ、八sFs+ 5bFs+ 12.Brz+S
O+、 nBuLiのようなP型またはN型のドーピン
グ剤で処理することにより電気伝導度が著しく向上し、
wA縁体から半導体、さらには導電体となる。
また、電気化学的にドーピングおよび脱ドーピングを可
逆的に行うことができることから、二次電池の構成要素
とすることが知られている。
これらの導電性重合体のうち、ポリピロールは、ポリア
セチレンなどに比較して空気中での安定性が良好で酸化
劣化が極めて少ないことから、取り扱いと保存性に優れ
た電池電極として使用することが提案されている。
一方、静電容量がファラッド単位の超大容量コンデンサ
ーとして電気二重層コンデンサーがあり(電子a器(民
生用)、部品市場要覧、科学新聞社刊、電気機器市場調
査会編、319頁、 (1985)参照)、たとえば、
活性炭電極と有機電解液の界面に生じる電気二重層を利
用したもので、容量0.033〜IOフアラツド(F)
のものが製造されている(商品名:ゴールドキャバシク
ー、松下電子部品■製)。これらの電気二重層コンデン
サーの用途はマイクロコンピュータ−普及にともなうメ
モリーのバックアップ用であると言われている。
さらに、電解重合によって得たポリピロールにおいては
、サイクリックポルタモグラムから、ピロールポリマー
鎖の酸化還元より青な電位において大きな容量電流が認
められ、これは多孔性のポリピロールがドーピングを受
け、導電化し、有効な電極表面積が増加すると同時に界
面電気二重層が形成するために生じると報告されている
(化学と工業、第41巻、第4号、 371〜372 
i、J、 Electroanal、 Chem、、■
ム115(1981)等参照)。
また、交流インピーダンス、充放電サイクルを測定し容
量電流を定量的に検討した結果、電気容量の値が、30
0〜400 F/ccもあり、ポリピロールの表面積が
極めて大きいものであることを示唆していると報告され
ている。これらから、電気二重層は、それぞれのポリマ
ー鎖に直接形成されているものと考えられ、”容量電流
°゛はDiazらの言うドーピングによる電極表面積の
増加により生じるのではなく、ポリマー鎖に対するドー
ピング自身に対応することが明らかにな、った。(Sy
ntheticMetals  187(1987)参
照)すなわち、ポリピロール正極に対する陰イオンの電
気化学的ドーピングの大部分は、電気二重層容量への充
電にほかならないことが、いまや明らかになった。
これらの二次電池の正極に関して、多孔質炭素質基体に
ポリピロールを重合させたもの(特開昭62−1760
46公報)、ポリアニリンの細孔容積を議論したもの(
特開昭62−168348公報)、ポリアニリンに有機
昇華性物質を混合し加圧成型してから加熱昇華して除去
し、多孔質電極を得たもの(特開昭62−20243公
報)等が開示されている。
これらの特許公開公報に開示された電気二重層コンデン
サーにおいては、電極に使用する活性炭粉末または繊維
の比表面積、細孔分布と静電容量の関係がtMHaされ
ているものが多い。
r発明が解決しようとする問題点〕 ビロールの電気化学的重合により電気二重層容量の大き
な電極が作成出来ることは、前述のように明らかである
が、ポリピロールの形状や寸法が電気化学的重合反応に
使用される作用1掻の形状で限定され、自由な寸法に成
形するのが困難であり、また、製造方法が煩雑なため、
工業的な方法として採用し難い。
一方、ピロールの化学酸化重合では上記の問題は無いが
、通常ポリピロールが粉末で得られるため、導電剤や結
着剤を混合して加圧成型により電極が作成される。この
場合には、電気二重層容量が大幅に減少する。電気二重
層容量の減少を防止することを目的として、成型時に昇
華性有機物質を混合し、成形後に加熱昇華除去すること
により多孔性を再構成する方法があるが、工程が煩雑な
割に充分な多孔性が得られない。
本発明は、ビロール系化合物を化学酸化重合法により合
成した自己保持性の重合体フィルムを、少なくとも一方
の電極に使用した電気二重層コンデンサーを提供するこ
とを、その目的とする。
〔問題点を解決するだめの手段〕
本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意研究した結果
、ビロール系化合物を特定の条件で化学酸化重合するこ
とにより、フリースタンディングな導電性重合体フィル
ムを作成でき、このフィルムを少なくとも一方の電極と
する電気二重層コンデンサーが、大容量を有することを
見出し本発明を完成した。
本発明は、電気二重層コンデンサーの電極の少なくとも
一方が、下記一般式 R”  −C−C−C0ORコ (式中、R1は、水素原子またはメチル基、Rtは水素
原子、炭素数1〜12のアルキル基、フェニル基または
ベンジル基およびR3は、アルキル基、フェニル基また
はベンジル基である)で表される3、4−位非対称ピロ
ール系化合物を化学酸化重合して得た重合体フィルムで
あることを特徴とする電気二重層コンデンサーである。
本発明において、前記一般式で表される3、4位非対称
ビロール系化合物は、式中のR1が水素原子またはメチ
ル基、R1が、水素原子、メチル基、エチル基1プロピ
ル基、ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オク
チル基等の炭素数1〜12のアルキル基、フェニル基ま
たはベンジル基(これらは炭素数1〜3のアルキル基、
アルコキシ基等で置換されていてもよい)およびRzが
、R1と同様のアルキル基、フェニル基またはヘンシル
基であるピロール系化合物である。
これらのピロール系化合物として、たとえば、4−メチ
ルピロール−3−カルボン酸ヘキシル、4−メチルピロ
ール−3−カルボン酸ベンジル、4−フェニルピロール
−3−カルボン酸メチル、4−ベンジルピロール−3−
カルボン酸メチル、4−へキシルピロール−3−カルボ
ン酸メチル等が挙げられる。
前記一般式で表されるピロール系化合物は、酸化剤、た
とえば、F eCI y + CLI CI 21 R
13(N O3) a + S b Cl 5MoC!
 、等の無水物の存在化に容易に重合し、導電性を示す
重合体を生成する。また、前記一般式で表されるピロー
ル系化合物の重合体フィルムは、比較的に引張り強さの
大きいフリースタンディングなフィルムである。
電気二重層コンデンサーの電極は、前記ピロール系化合
物重合体のフィルムを集電体上に密着形成したものであ
り、前記一般式で表されるピロール系化合物と酸化剤と
を含有する安定溶液を、集電体上に塗布、流延または注
型し溶媒をi敗させることにより製造することができる
。また、集電体では無い成膜基板上でフィルムを作成し
た後集電体を取り付けることもできる。
電極の製造に使用するピロール系化合物と酸化剤とを含
有する安定な溶液に使用する酸化剤として、FeCl3
. CuCIz、 Fe(NOs)s、 sbc+、、
 MoCl5等の無水物が好ましく、通常、前記ピロー
ル系化合物1モルに対し酸化剤1〜IOモル、好ましく
は1〜4モルが使用される。
前記ピロール系化合物と酸化剤とを含有する混合溶液の
溶媒として、ジエチルエーテル ジイソブチルエーテル
、ジ−n−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、
1.2−ジメトキシエタン等の脂肪族エーテルi、TH
F、ジオキサン等の環式エーテル類、メタノール、エタ
ノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、酢
酸エチル酢酸ブチル等のエステル類、アセトン、メチル
エチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサ
ノン等の脂肪族および脂環族ケトン類、ニトロメタン等
のニトロアルカン類などならびにこれらの混合溶媒が使
用される。特に、シュチルエーテル、メタノール、TH
Fなどおよびそれらの混合溶媒の使用が好ましい。溶媒
は、酸化剤が溶解して均一溶液を形成するために必要な
量ないしその50倍容it使用するのが好ましく、さら
に好ましくは10〜30倍容噛を使用する。
前記ピロール系化合物と酸化剤とを含有する安定な混合
??I液には、得られるピロール系化合物重合体の性質
を損なわない範囲で、導電剤、結着剤等の添加剤を添加
することができる。
導電剤として、アセチレンブランク、炭素繊維チンブ、
金属繊維チップなどが挙げられ、ピロール系化合物1重
量部に対し0.01〜1.0重量部の範囲で添加できる
また、結着剤として、前記混合溶液に可溶性のポリマー
などが挙げられ、ビロール系化合物1重量部に対し0.
001〜0.1重量部の範囲で添加することができる。
前記ピロール系化合物の重合体フィルムを直接密着形成
させる場合の集電体として、金属製または炭素製の板、
網、織布、不織布等が使用される。
金属としては、金、白金、ニッケル、18Cr−8Ni
鋼などが、また炭素質としては、ポリアクリロニトリル
系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、フェノール系活性炭繊
維などが使用される。集電体上に、ピロール系化合物の
重合体フィルムを直接密着形成する場合または成膜基板
上にフィルムを作成する場合の何れにおいても、前記ピ
ロール系化合物と酸化剤とを含有する安定な混合溶液を
、集電体または成膜基板上に均一な膜厚に塗布する方法
が採用される。
たとえば、刷毛塗り、ロール塗り、スプレー塗りその他
公知の方法が採用でき、また厚塗りが要求される場合に
は、重ね塗りをしても良いが流延法や注型法が好ましく
採用される。塗布温度は、作業環境上低温が好ましいが
室温でもよい。
集電体上または成膜基板上に塗布した混合溶液の溶媒を
連敗させる方法として、溶液を塗布した基板等を熱風乾
燥器、減圧恒温乾燥器などを用いて約O〜200’C,
好ましくは室温〜100°Cに保持する方法が採用され
る。また防塵フード中で塗布済みの基板等をホットプレ
ートに乗せて加熱する方法、赤外線ランプを用いて加熱
する方法等を採用することもできる。
ピロール系化合物の重合体フィルムはまず水で洗浄し酸
化剤として用いた塩の陽イオンおよび陰イオン種が洗浄
水中に検出されなくなるまで水洗を繰り返し、ついで、
アセトン、メタノール、THFなどの水溶性溶媒を用い
て水を充分に除去する。
ピロール系化合物の重合体フィルムは、前記の洗浄によ
り、はとんど脱ドープされ、1837cm以下の低い導
電率しか示さない。従ってこのピロール系重合体フィル
ムを電気二重層コンデンサーの電極として用いるために
は、ピロール系化合物の重合体フィルムと良導性の集電
体とを密着させることが不可欠である。
網状または織布、不織布状の集電体上にこのピロール系
化合物の重合体を密着形成させた場合、裁断または打ち
抜き加工によって自由に寸法、形状を整え電極として使
用することができる。一方、集電体とならない成M!基
板上にフィルムを形成させた場合は、寸法、形状を整え
る前後に、金などの貴金属やアルミニウムなどを蒸着し
て集電体を形成させる。
電気二重層コンデンサーの両極に、前記ピロール系化合
物の重合体フィルムと集電体とを密着した電極を用いる
ことができ、特に、この電極を正極に用い負極に公知の
活性炭繊維などを用いるのが好ましい。
電気二重層コンデンサーの支持電解質として、公知のL
i、 Na、 Kなどのアルカリ金属陽イオンまたはp
t4+1. n−ButNのようなアルキルアンモニウ
ム陽イオンとBPa−* PFb−+ AsFa−、(
:F3so3−、 clo。
のような陰イオンとの塩が使用される。
支持電解質を溶解して、十分なイオン電導性を有する電
解液を調製するための有R溶媒は、非プロトン性で、高
誘電率の溶媒である。1.2−ジメトキシエタン等の脂
肪族エーテル類、テトラヒドロフラン等の飽和環状エー
テル類、アニソール等の芳香族エーテル類、4−メチル
−2−ペンタノン等のケトン類、γ−ブチロラクトン等
のエステル類、プロピレンカーボネート等のカーボネー
ト類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、ジメチルス
ルホキシド等の硫黄化合物類、燐酸トリエチル等の燐酸
エステル類などが単独或いは2種以上の混合物として用
いられる。また上記塩類を含有した固体電解質を電解液
の替わりに用いることもできる。
固体電解質を電解液の代わりに用いる場合には、正極と
負極の間にそれを挿入するので両極の直接の接触を防止
できるが、上記の支持電解質と)8媒からなる電解液は
常温で液体であるため公知の多孔質セパレーターに含浸
させて挿入することにより、両極の直接の接触を防止す
る。
セパレーク−の材質として、電解液を汚損せず、溶媒に
熔解しないポリエチレン、ポリプロピレンのような合成
樹脂製の多孔質フィルムやシート、天然繊維濾紙、ガラ
ス繊維濾紙等が用いられる。
電解液を多孔質フィルム等に含浸する場合、気泡を除去
するため脱気するのが好ましい。
電気二重層コンデンサーは、前記の正極、負極、セパレ
ーターおよび電解液を、公知の技術により積層構造とし
て密封容器に収容して作製する。
積層段数は2〜5段が選ばれる。各様からの端子の引き
だし方法や、積層段間の電気的接続、容器の上下面を電
気二重層コンデンサーの端子とする場合の絶縁方法も公
知の技術によることができる。また、両極を捲き回し構
造にして円筒型の電気二重層コンデンサーとすることも
できる。
〔作   用〕
本発明の電気二重層コンデンサーは、電極に前記一般式
で表される特定のピロール化合物の重合体フィルムを用
いたことを特徴とする。
本発明において、前記一般弐で表されるピロール系化合
物の重合体フィルムは、機械的強度の優れたフリースタ
ンディングな多孔質のフィルムである。
この重合体フィルムを用いたコンデンサー電極は、築電
体トまたは成IIり基板上にピロール系化合物と酸化剤
とを含有する安定な溶液を塗布し、溶媒をI’J li
tさせることにより形成される。これらを水および水溶
性)8媒で洗浄し乾燥することにより、均質、かつ均一
な膜厚の多孔質N、Vfiとなり、活物質が均一に分布
し、深部まで有効に利用できることから、この重合体フ
ィルムを電極とする電気二重層コンデンサーは大容量を
有するものと推定される。
〔実 施 例〕
本発明を、実施例および比較例によりさらに詳細に説明
する。
ただし、本発明の範囲は、下記の実施例により何等の制
限を受けるものではない。
(1)ピロール系重合体電極:試料1〜4の調製乾燥し
たジエチルエーテル50mj!に無水塩化第二鉄(Fe
C13) 2.2 g (0,Ol 5モル)を溶解し
た後、不溶分を濾過し、均一な酸化剤溶液を調製した。
4−ベンジルピロール−3−カルボン酸メチル(BZP
YCM)1.1 g (0,005モル)を乾燥したジ
エチルエーテル5mlに溶解した。
前記調製した酸化剤溶液をO′Cに保ちBZPYCM溶
液を加えた。この溶液は重合物の析出は見られず、均一
な溶液であった。
内径90o+mのフラットシャーレの中心部に200メ
ンシユの白金金網(50mn+X 50mm)を置き、
前記調製したBZPYCMと酸化剤との均一な混合溶液
10mj!を滴下したのち、40’Cのホットプレート
上で2時間加熱して溶媒を揮散さ・t!BZPYCM重
合体フィルムを作成した。フラットシャーレごと蒸留水
中に浸漬して水洗し、さらにフラットシャーレから重合
体フィルムを剥離してフィルムの両面の水洗を、硝酸銀
溶液により洗液が白濁しなくなるまで繰り返した。水洗
後の重合体フィルムをガラス板上にすくいとり、さらに
アセトン洗浄を行った後、減圧下−夜乾燥しBZPYC
M重合体の乾燥フィルムが、pt合金網密着した電J+
lii:試料!を得た。
試料1  (PL全金網除く)は、重量が168mg、
面積が63.6 ciおよび厚さが30μmであり、見
掛は密度は0.88g/cm’であった。
また、試料lの調製におけるピロール系化合物(BZY
CM)を、下記化合物に代えた以外には試料1の調製と
同一の条件で処理し、電極:試料2〜4を調製した。
各試料のpt合金網含まない部分の導電性を四端子法(
Van der Pauw法:高分子実験学12.熱力
学的・電気的および光学的性W P−218参照)によ
り測定した。また、同一の試料を沃素蒸気中に一夜保持
して沃素を]−プした後、導電性を測定した。また、各
試ネミ1のpt合金網含まない部分を10mmX30i
*mの大きさに切り、チャンク間距離を15aI11に
して引っ張り試験装置 (T[!NS[LON UTM
−IType5000.0RIENTECC0RP、製
)にセットし、クロスヘツドスピード300 mtm/
 win、、温度20°Cの条件で沃素ドープ肌蹟の引
張り強さを測定した。
各試料の導電性および引張り強さの測定結果を第1表に
示す。
(以下余白) (2)電気二11j層コンデンサーのtJI立(a) 
 コンデンサー:C−1 前記第(1)項で調製したピロール系重合体電極試料1
の白金網含有部分をIOmmXIOmmの大きさに切り
取り、細い白金線で端子を取り、対向極としてIO+n
mX20mmの活性炭繊維布(東邦レーヨン製、FW−
210)を白金板に密着させて用い、0.2モル濃度の
n−Bu4 NClO4(以下TBAPと言う)のアセ
トニトリル2容液15mffに浸漬し、コンデンサー二
〇−1とした。
第1図に示す実験装置を用い、コンデンサー二C−1に
IKΩの電流制限抵抗を介して1.5ボルト定電圧電源
を接続し、試料l電極を正極として3分間充電した。両
極間の電圧が1.3〜1.4vに上昇した時点で充電を
止め、両極間に電流計を直列にして15にΩの固定抵抗
器を接続して極間電圧を見ながら放電させた結果、0.
9■から0.5Vになるまでの時間は2分20秒であっ
た。
また、コンデンサー:C−1の正負極を入れ替え(試料
1電極が負極、活性炭繊維布が正極となる)同様に充電
した結果、極間電圧は0.9〜1.1■の上昇に正まり
、放電電圧は、0.7v〜0.5Vまで20秒間で急、
速に低下した。
コンデンサー:C−1の充放電曲線を第2図に示す。
以上の結果から、ピロール系化合物の重合体フィルムは
、コンデンサーの正極としての優れた機能が認められる
。また微弱ではあるが負極としての容量も認められる。
(b)  コンデンサー二〇−2 前記第(1)項で調製したピロール重合体電極試料2を
、前記(a)項と同様に1 cd切り出してコンデンサ
ーの正極とした以外には、前記(a)項と同一の仕様と
しコンデンサー:C−2を調製した。
コンデンサー二〇−2について、前記(a)項と同様に
して充放電曲線を得た。
コンデンサー二〇−2の充放電曲線を第3図に示す。
ただし、正極に用いた4−メチルピロール−3−カルボ
ン酸へキシルポリマーは、コンデンサーとしての8計が
極めて大きいので放電抵抗をIKΩで測定した。
(C)  コンデンサー:C−3 前記第(1)項で調製したピロール重合体電極E、E料
3を、前記(aJ項と同様にlcJ切り出してコンデン
サーの正極とした以外には、前記(81項と同一の仕様
としコンデンサー二〇−3を調製した。
コンデンサー:C−3について、前記(81項と同様に
して充放電曲線を得た。
コンデンサー:C−3の場合、放電抵抗を15にΩ、3
.9にΩおよびIKΩの3水準で測定した。
15にΩ負荷放電の場合極間電圧が0.5Vになるまで
に22分を要した。この正極の付着ポリマーの重量は2
.7■であった。
コンデンサー;C−3の充放電曲線を第4図に示す。
(d)  比較コンデンサー:CC−1力−ボン電極片
(UCC社製1品名YAG)を10m+++X50mm
X5mm厚に切り出し鰐口クリノブに挟んで正極とした
以外には、前記(81項と同一の仕様としコンデンサー
:CC−1を調製した。
コンデンサー:CC−tについて、前記(a)項と同様
の実験方法でコンデンサーとしての正極活性を測定した
。ただし、cc−iの場合、カーボン電極片の下から2
0mを電解液に浸漬し正極とした。
CC−1の正極の重量は3.22 gであった。
コンデンサー:Cc−1の充放電曲線を第5図に示す。
〔発明の効果〕
本発明の電気二重層コンデンサーは、前記実施例に示し
たように、前記一般弐で表されるビロール系化合物の重
合体フィルムを、?f極としたことを特徴とする。
本発明において、ビロール系化合物の重合体フィルムを
コンデンサー電極としたことにより、大きな電極活物質
重量当たりの静電容量が得られる。
この性能は電極作成時に加圧成型しないため、重合体フ
ィルムの多孔製が保持されることにより発現するものと
推定される。
本発明は、ビロール系化合物の重合体フィルムを電極と
する、高効率の電気二重層コンデンサーを提供するもの
であり、その産業上の意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図:実施例で使用した実験装置図 1.5V定電圧電源■の+側からIKΩ電流制限抵抗器
■を経て充放電切り換えスイッチ■に接続されている。 ■の一側は直接■に接続されている。 ■は2極双投スイツチで充電と放電を切り替えている。 ■の放電側には放電電流計■と放電抵抗器■が直列に接
続されている。コンデンサー実験用の容器はガラス瓶製
で、ゴム栓で密栓しである。 瓶の中に試零′、1電極■、対向電極■およびアルゴン
ガス導入管が電解液■に挿入されている。■と■の極間
電圧を電圧記録計[相]で測定する。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電極の少なくとも一方が、下記一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼ (式中、R^1は、水素原子またはメチル基、R^2は
    水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、フェニル基ま
    たはベンジル基およびR^3は、アルキル基、フェニル
    基またはベンジル基である) で表される3,4−位非対称ピロール系化合物を化学酸
    化重合して得た重合体フィルムであることを特徴とする
    電気二重層コンデンサー
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JP (1) JPH02135718A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0465814A (ja) * 1990-07-06 1992-03-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気二重層キャパシタの製造方法
CN110028435A (zh) * 2019-04-01 2019-07-19 浙江工业大学 一种合成3-甲酸酯-2-吡咯啉类化合物的方法

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