JPH08222485A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents
電気二重層キャパシタInfo
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Abstract
の大きい電気二重層キャパシタを提供する。 【構成】電解液7の溶媒に、分解電圧が高い含フッ素炭
酸エステルを用いる。
Description
二重層キャパシタに関する。
上に活性炭電極層を設けた一対のシート状分極性電極
(正極と負極)の間にセパレータを配置した素子を、電
解液とともにケース中に収容し、封口板及び金属ケース
と封口板の間を絶縁するガスケットによって金属ケース
中に密封するか、又は集電体の両面に活性炭電極層を設
けた一対のシート状分極性電極の対向する活性炭電極層
の間にセパレータを配置して巻回してなる素子を、電解
液とともに金属ケース中に収容し、電解液の溶媒が蒸発
しないように金属ケースの開口部を封口部材で密封して
構成している。
−203311及び特開平4−286108には、積層
型の素子を組み込んだ大電流大容量向けの電気二重層キ
ャパシタが提案されている。この素子は、矩形に切断さ
れた集電体の両面に活性炭電極層を設けたものを正極及
び負極とし、セパレータを電極間に配置して交互に積み
重ね、正極と負極の各端部にそれぞれ正極リード部材及
び負極リード部材を、例えばかしめて接続したものであ
り、次いでこの素子をケース中に収容し、素子に電解液
を含浸後ケースを上蓋で密閉して電気二重層キャパシタ
としている。
れている従来の電極は、その容量を大きく取れるように
大きな比表面積を有する活性炭を主体とするものとし、
素子に含浸する電解液は、高濃度に電解質の塩が溶解す
るように水や炭酸エステル等の極性の溶媒が用いられて
いる。
媒を電解液に用いた従来の電気二重層キャパシタでは、
単位素子に印加する電圧を水溶液系で約1.3V、非水
(有機)溶媒系で約2.5Vに制限し、電解液が分解し
て電気二重層キャパシタの特性が劣化しないように使用
する。電気二重層キャパシタのエネルギー密度、すなわ
ち電気二重層キャパシタに蓄積できるエネルギーは、容
量をC、電圧をEとするとCE2 /2で表されることか
ら、エネルギー密度を高くするには、高電圧で使用でき
るようにするのが効果的である。
気二重層キャパシタが多用されている。過去においてI
Cは5Vで駆動されていたため、電気二重層キャパシタ
を2素子以上直列に接続して5V以上の電圧にしてい
た。最近は3V駆動のICが使用されるようになってメ
モリバックアップ用も3Vとされ、直列接続が不要とな
るように、1素子で3Vのバックアップができる電気二
重層キャパシタの実現が待たれている。
り大ならしめるため、比表面積が大きい活性炭を電極に
用いているが、活性炭比表面積は3000m2 /g程度
が限度であり、高比表面積活性炭の使用による電気二重
層キャパシタの単位重量当り容量も既にほぼ限界まで高
められ、バックアップ時間を長く取れるように、新規な
手段によるさらに大容量の電気二重層キャパシタの実現
が期待されている。
すべくなされたものであり、本発明の電気二重層キャパ
シタは、正極と負極のうち少なくとも一方が分極性電極
とされ、電解質の塩を溶解した非水系電解液を用いた電
気二重層キャパシタにおいて、上記非水系電解液の溶媒
が含フッ素炭酸エステルを含むものであることを特徴と
する。
は、その溶媒が分解電圧の高い含フッ素炭酸エステルを
含むものとされている。溶媒として用いられる含フッ素
炭酸エステルの好ましい例としては、4,5−ジフルオ
ロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4,5,5
−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、
4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−
オン及び4,5,5−トリフルオロ−4−トリフルオロ
メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンから選ばれる
一種以上が挙げられる。
従来用いられていた1,3−ジオキソラン−2−オンや
4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンをフッ素
化すれば得られる。非水系電解液を用いた正極と負極の
両方が分極性電極である電気二重層キャパシタでは、両
方の分極性電極に電圧が印加されることによって自然電
位からプラス側とマイナス側にそれぞれ分極し、このと
きマイナス側に分極した電極(負極)の電位は溶媒の還
元電位に到達しないので負極で溶媒が分解する傾向はな
いが、プラス側に分極した電極(正極)の電位は、溶媒
の酸化電位の近くまで到達しているため、それ以上電圧
を上げて使用できない問題があった。
電解液の溶媒として用いていた炭酸エステルをフッ素化
することによって、他の特性を犠牲にすることなく溶媒
の酸化分解電位を上げられるという知見に基き、電気二
重層キャパシタの耐電圧を高くしたものである。
電気二重層キャパシタの特性が劣化するので、含フッ素
炭酸エステル以外の溶媒を混合して電解液の溶媒に使用
する場合には、同じく酸化分解電位が高い非水溶媒を混
合するのが好ましい。
メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,3−ジ
オキソラン−2−オン等の環状アルキレンカーボネート
及びその誘導体、ジエチルカーボネート、ジメチルカー
ボネート等の鎖状アルキルカーボネート及びその誘導
体、エチレンサルファイト等の環状アルキレンサルファ
イト及びその誘導体、ジエチルサルファイト、ジメチル
サルファイト等の鎖状アルキルサルファイト及びその誘
導体、γ−ブチロラクトン等のラクトン及びその誘導
体、酢酸エチル、酢酸メチル等の鎖状エステル及びその
誘導体、1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル及
びその誘導体、テトラヒドロフラン等の環状エーテル及
びその誘導体、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ホ
ルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジオキソ
ラン、リン酸トリエステル、1,3−プロパンスルト
ン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、
1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル
−2−オキサゾリジノン、シドノン化合物、アセトニト
リル、ニトロメタン、アルコキシエタン、N,N−ジメ
チルアセトアセタミド及びトルエンから選ばれる一種以
上が好ましく使用できる。溶媒中の含フッ素炭酸エステ
ルの含有量は、50重量%以上、特に70重量%以上と
するのが好ましい。
ば、テトラアルキルホスホニウムテトラフルオロボレー
ト、テトラアルキルアンモニウムテトラフルオロボレー
ト、テトラアルキルホスホニウムヘキサフルオロホスフ
ェート、テトラアルキルアンモニウムヘキサフルオロホ
スフェート又はLiClO4 、LiCF3 SO3 、Li
BF4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiSbF6 、C
F3 CO2 Li、LiN(CF3 SO2 )2 等のリチウ
ム塩を使用できる。
ち、少なくとも一方の活性炭を主体とする分極性電極
は、好ましくは活性炭の他に電子伝導性を付与する導電
剤を含むものである。この分極性電極の形成方法には、
例えば、活性炭、カーボンブラック(導電剤)及びフェ
ノール系樹脂を混合し、プレス成形後に不活性ガス雰囲
気中で加熱して炭化し、次いで水蒸気雰囲気中で賦活す
る方法が採用できる。
ポリテトラフルオロエチレン(結合剤)をアルコール存
在下で混練し、シート状に成形後、乾燥して分極性電極
とする方法が採用できる。次にこの分極性電極を集電体
に導電性接着剤等により接合させる。
合剤及び溶媒を混合してスラリとし、集電体とする金属
箔上に塗布後乾燥して集電体と一体化された分極性電極
とする方法が採用できる。多くの場合、このような分極
性電極を正極と負極の両方に用いて電気二重層キャパシ
タを構成しているが、正極に金属酸化物等の電池活物質
を主体とする電極を用い、負極に分極性電極を用いた電
気二重層キャパシタあるいは、負極にリチウム金属、リ
チウム合金又はリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出し
うる炭素材料を主体とする電極を用い、正極に分極性電
極を用いた電気二重層キャパシタとすることができる。
に吸蔵、放出しうる炭素材料を主体とする電極を用い、
正極に活性炭を主体とする分極性電極を用い、電解質の
塩がリチウム塩である電気二重層キャパシタは、充放電
サイクル寿命と安全性に優れ、作動電圧が高く、容量も
大きくできるという特徴があるので特に好ましい。
し得る炭素材料を含む非分極性電極は、好ましくはリチ
ウムをイオン化した状態で吸蔵し得る炭素材料に結合剤
を加えて形成され、例えば、リチウムをイオン化した状
態で吸蔵しうる炭素材料粉末とポリテトラフルオロエチ
レン(PTFE)をアルコール存在下で混練し、シート
状に成形、乾燥する方法で形成できる。次いでこの非分
極性電極を導電性接着剤等により集電体に接合させる。
しうる炭素材料の粉末に結合剤と溶媒を混合してスラリ
とし、集電体とする金属箔上に塗布して乾燥し、集電体
と一体化した非分極性電極を形成する方法がある。この
結合剤には、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィ
ン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、カルボキシメチ
ルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアル
コール又はポリアクリル酸を使用できる。
溶媒は結合剤を溶解しうる溶媒であるものが好ましく、
N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミ
ド、トルエン、キシレン、イソホロン、メチルエチルケ
トン、酢酸エチル、酢酸メチル、フタル酸ジメチル、エ
タノール、メタノール、ブタノール、水等が適宜選択さ
れる。上記架橋ポリマーの架橋剤には、アミン類、ポリ
アミン類、ポリイソシアネート類、ビスフェノール類、
パーオキシド類等を使用できる。
ノール樹脂焼成物系活性炭、やしがら系活性炭、石油コ
ークス系活性炭等が挙げられる。大容量の電気二重層キ
ャパシタが得られるように、好ましくは石油コークス系
活性炭又はフェノール樹脂焼成物系活性炭を使用する。
法、溶融KOH賦活処理法等があるが、より大容量の電
気二重層キャパシタが得られるように溶融KOH賦活処
理法で賦活された活性炭を使用するのが好ましい。ま
た、活性炭を主体とする分極性電極に配合するカーボン
ブラック等の導電剤は、所要の導電性が得られるように
好ましくは活性炭100重量部に対して1〜50重量部
配合する。
ッチェンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人
造黒鉛、金属ファイバ、導電性酸化チタン、酸化ルテニ
ウムを使用できる。また、活性炭は、電気二重層キャパ
シタの容量を大きくし、かつ内部抵抗を小さくするよう
に、好ましくは粒径が20μm以下で比表面積が150
0〜3000m2 /gの活性炭を使用する。
炭素材料を含む非分極性電極の炭素材料には、天然黒
鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソカーボン小球体、黒鉛化ウィ
スカ、気相成長炭素繊維、フルフリルアルコール樹脂の
焼成体又はノボラック型フェノール樹脂の焼成体を使用
できる。
の発達した、不純物の少ないものを用いるのが好まし
い。結晶構造の発達したものとしては、広角X線回折に
より測定した面間隔d002 が好ましくは0.336nm
未満であるもの、またその結晶子サイズLc が150n
m以上であるものが好ましい。天然黒鉛中の不純物を除
いて高純度化するには、一般に硝酸、硫酸、フッ酸等に
よる酸処理法を適用し、不純物を効果的に除去できるこ
とから最終的にはフッ酸処理を行ったものを使用するの
が好ましい。これらの酸処理によって不純物を取り除
き、好ましくは天然黒鉛中の炭素の純度を99重量%以
上とする。
の発達した不純物の少ないものを用いるのが好ましい。
結晶構造の発達したものとしては、広角X線回折により
測定した面間隔d002 が好ましくは0.3365nm以
下であるもの、また同様に測定した結晶子サイズLc が
50nm以上であるものが好ましい。人造黒鉛は出発物
質の選択により、高い純度のものが得られ、純度は9
9.5%以上であるものを用いるのが好ましい。
2500℃以上の高温で熱処理されたなるべく結晶構造
の発達した不純物の少ないものを用いるのが好ましい。
結晶構造の発達したものとしては、広角X線回折により
測定した面間隔d002 が好ましくは0.337nm以下
であるもの、また同様に測定した結晶子サイズLc が2
0nm以上であるものが好ましい。
晶構造の発達した不純物の少ないものを用いるのが好ま
しい。結晶構造の発達したものとしては、広角X線回折
により測定した面間隔d002 が好ましくは0.3365
nm以下であるもの、また同様に測定した結晶子サイズ
Lc が10nm以上であるものが好ましい。
トリル樹脂等の繊維を2500℃以上の温度で熱処理し
たなるべく結晶構造が発達した不純物の少ないものを用
いるのが好ましい。結晶構造の発達したものとしては、
広角X線回折により測定した面間隔d002 が好ましくは
0.3365nm以下であるもの、また同様に測定した
結晶子サイズLc が10nm以上であるものが好まし
い。
ては、フルフリルアルコール樹脂を1000℃〜150
0℃の温度で熱処理した不純物の少ないものを用いるの
が好ましい。すなわち、広角X線回折により測定した面
間隔d002 が好ましくは0.375nm以上、0.39
nm以下であるものを用いるのが好ましい。
ラック樹脂を700℃以下の温度で熱処理し、熱処理後
の炭素材料中のH/C原子比が0.25〜0.28であ
るものを用いるのが好ましい。また、広角X線回折によ
り測定した面間隔d002 が好ましくは0.38nm以上
であるものを用いるのが好ましい。これらの負極中のリ
チウムをイオン化した状態で吸蔵しうる炭素材料は、粒
径が30μm以下の粉末を用いるのが好ましく、それに
よって電気二重層キャパシタの容量を大きく、内部抵抗
を小さくできる。
剤含有量を0.5〜20重量%とするのが好ましい。結
合剤含有量が0.5重量%未満であると電極強度が小さ
くなり、20重量%超であると電気抵抗が増大する他、
電気二重層キャパシタの容量が低下する傾向があるから
である。電気二重層キャパシタの容量と電極強度のバラ
ンスを考慮すると、より好ましくは結合剤の含有量を
0.5〜10重量%とする。電極は膜状、シート状、板
状のいずれであっても使用できる。
る導電体であればよく、活性炭を主体とする分極性電極
の集電体には、ステンレス、アルミニウム、チタン又は
タンタルを採用できる。このうち、ステンレス又はアル
ミニウムが性能と価格の両面で好ましい。また、リチウ
ムをイオン化した状態で吸蔵しうる炭素材料を主体とす
る電極の集電体には、ステンレス、銅又はニッケルが好
ましく使用できる。
しうる炭素材料にリチウムを吸蔵させる方法としては、
予め粉末状のリチウムをリチウムをイオン化した状態で
吸蔵しうる炭素材料と混ぜておく方法、リチウムをイオ
ン化した状態で吸蔵しうる炭素材料と結合剤で形成した
電極の上にリチウム金属箔をのせ、電気的に接触させて
おいてこの電極を上記の電解液中に浸漬し、リチウムを
イオン化した状態で炭素材料中に取り込ませる方法、又
はリチウム塩を溶解した有機電解液中に、一方の電極を
リチウムをイオン化した状態で吸蔵しうる炭素材料と結
合剤から形成された電極とし、他方の電極をリチウム金
属として電流を流し、電気化学的に炭素材料中にリチウ
ムをイオン化した状態で取り込ませる方法、が採用でき
る。
(例7〜8)によって具体的に説明するが、本発明はこ
れらに限定されない。
された活性炭粉末(比表面積2200m2 /g、平均粒
径5μm)80重量%、ケッチェンブラックEC10重
量%、PTFE10重量%からなる混合物にエタノール
を加えて混練し、ロール圧延して10cm×10cm×
0.65mm厚のシートとし、ついで200℃で2時間
乾燥してシート状電極を得た。
打ち抜いた正極1及び負極5を、図1に示すように黒鉛
系の導電性接着剤2でステンレス316製ケース3及び
上蓋4に接着する。正極1と負極5が接着されたケース
3と上蓋4を減圧下300℃で4時間乾燥後、アルゴン
雰囲気のグローブボックス中に移し、電解液7である濃
度0.8mol/lでテトラエチルアンモニウムテトラ
フルオロボレートを溶解した4,5−ジフルオロ−1,
3−ジオキソラン−2−オン溶液を両電極に含浸した。
その後、ポリプロピレン製不織布のセパレータ8を間に
配置して両電極を対向させ、ポリプロピレン製の絶縁ガ
スケット9を用いてかしめ封口した。このコイン型電気
二重層キャパシタは18.3mm径、2.0mm厚であ
る。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、4,4,5,
5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン
を用い、他は例1と同様にしてコイン型電気二重層キャ
パシタを組み立てた。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、4−トリフル
オロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンを用い、
他は例1と同様にしてコイン型電気二重層キャパシタを
組み立てた。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、4,5,5−
トリフルオロ−4−トリフルオロメチル−1,3−ジオ
キソラン−2−オンを用い、他は例1と同様にしてコイ
ン型電気二重層キャパシタを組み立てた。
した活性炭粉末(比表面積2200m2 /g、平均粒径
5μm)80重量%、ケッチェンブラックEC10重量
%、PTFE10重量%からなる混合物にエタノールを
加えて混練し、ロール圧延して幅10cm×10cm×
1.2mm厚のシートとし、ついで200℃で2時間乾
燥してシート状電極を得た。このシート状電極を12m
m径の円板状に打ち抜いた電極1を、図2に示すように
黒鉛系の導電性接着剤2でステンレス316製ケース3
に接着した。
鉛結晶の面間隔d002 =0.3355nm、結晶子の大
きさLc ≧200nm、平均粒径約10μm)90重量
%、ポリフッ化ビニリデン10重量%からなる混合物に
N−メチルピロリドンを重量比で3倍量加えて撹拌混合
し、結合剤のポリフッ化ビニリデンが溶解した天然黒鉛
スラリとした。このスラリをステンレス316製上蓋4
に塗布、190℃で1時間乾燥し12.5mm径、0.
1mm厚の塗膜10の付いた負極となるステンレス31
6製上蓋4を得た。
を減圧下200℃で4時間乾燥後、アルゴン雰囲気とし
たグローブボックス中に移し、図2に示すように、負極
とする上蓋4の塗膜10上に8mm径、0.02mm厚
のリチウム金属箔6を圧着し、電解液7として濃度1.
0mol/lでLiPF6 を溶解した4,5−ジフルオ
ロ−1,3−ジオキソラン−2−オン溶液を両電極に含
浸した。その後、ポリプロピレン製不織布のセパレータ
8を間に配置して両電極を対向させ、ポリプロピレン製
の絶縁ガスケット9を用いてかしめ封口した。
70℃の恒温槽中に16時間放置した。この操作によ
り、上蓋に塗布した天然黒鉛の塗膜10中に電気的に接
触していた金属リチウムがイオン化した状態で取り込ま
れ、リチウムイオンドープ型コイン型電気二重層キャパ
シタを得た。得られたコイン型電気二重層キャパシタの
寸法は18.3mm径、2.0mm厚である。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、4,4,5,
5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン
を用い、他は例5と同様にしてリチウムイオンドープ型
コイン型電気二重層キャパシタを組み立てた。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、1,3−ジオ
キソラン−2−オンを用い、他は例1と同様にしてコイ
ン型電気二重層キャパシタを組み立てた。
3−ジオキソラン−2−オンの代わりに、4−メチル−
1,3−ジオキソラン−2−オンを用い、他は例1と同
様にしてコイン型電気二重層キャパシタを組み立てた。
シタについては、初期及び70℃にて1000時間3.
3Vの電圧を印加後の静電容量(CAP)と内部抵抗
(ESR)の測定結果を、また、例5、6のリチウムイ
オンドープ型電気二重層キャパシタについては同様に初
期及び45℃にて4.0Vの電圧を1000時間印加後
の静電容量(CAP)と内部抵抗(ESR)の測定結果
を表1に示す。
特性である静電容量、内部抵抗の点において本発明の二
重層キャパシタが優れること、電解質の溶媒に含フッ素
炭酸エステルを使用したため耐電圧が高くなったこと、
が分る。また、リチウムイオンを可逆的に吸蔵放出しう
る炭素材料を含む非分極性電極とリチウム塩を溶解した
非水系電解液を用いた例5、6では、静電容量が顕著に
大きいことが分る。
液の溶媒が含フッ素炭酸エステルであるため耐電圧が高
く、高エネルギー密度を有し、同時に1素子で3Vのメ
モリバアクアップを可能とする。本発明は、コイン型の
ような小型サイズの電気二重層キャパシタから、静電容
量が100〜10000F、又は電流容量が3〜100
0Aの、大容量大電流向け電気二重層キャパシタにまで
適用できるので、その産業上の利用価値は大きい。
す縦断面図
を示す縦断面図
Claims (3)
- 【請求項1】正極と負極のうち少なくとも一方が分極性
電極とされ、電解質の塩を溶解した非水系電解液を用い
た電気二重層キャパシタにおいて、上記非水系電解液の
溶媒が含フッ素炭酸エステルを含むものであることを特
徴とする電気二重層キャパシタ。 - 【請求項2】含フッ素炭酸エステルが、4,5−ジフル
オロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4,5,
5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オ
ン、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−
2−オン及び4,5,5−トリフルオロ−4−トリフル
オロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オンから選ば
れる一種以上である請求項1記載の電気二重層キャパシ
タ。 - 【請求項3】負極がリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放
出しうる炭素材料を含む非分極性電極とされ、かつ電解
質の塩がリチウム塩である請求項1又は2記載の電気二
重層キャパシタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2822495A JP3541476B2 (ja) | 1995-02-16 | 1995-02-16 | 電気二重層キャパシタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2822495A JP3541476B2 (ja) | 1995-02-16 | 1995-02-16 | 電気二重層キャパシタ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH08222485A true JPH08222485A (ja) | 1996-08-30 |
JP3541476B2 JP3541476B2 (ja) | 2004-07-14 |
Family
ID=12242651
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2822495A Expired - Fee Related JP3541476B2 (ja) | 1995-02-16 | 1995-02-16 | 電気二重層キャパシタ |
Country Status (1)
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---|---|
JP (1) | JP3541476B2 (ja) |
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