JPH10116755A - 電気二重層キャパシタ用電極 - Google Patents

電気二重層キャパシタ用電極

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JPH10116755A
JPH10116755A JP8269733A JP26973396A JPH10116755A JP H10116755 A JPH10116755 A JP H10116755A JP 8269733 A JP8269733 A JP 8269733A JP 26973396 A JP26973396 A JP 26973396A JP H10116755 A JPH10116755 A JP H10116755A
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JP
Japan
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electrode
electric double
double layer
activated carbon
layer capacitor
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JP8269733A
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English (en)
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Yoshitsugu Kojima
由継 小島
Akio Ito
明生 伊藤
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

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  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】充電放電に伴う不可逆容量を小さくし、これに
より充電放電が繰り返されたときにおける放電容量を維
持するのに有利な電気二重層キャパシタ用電極を提供す
る。 【解決手段】電気二重層キャパシタ用電極は、酸素原子
/炭素原子の比が0.055以下の活性炭を基材とす
る。活性炭(熱処理前のO/C:0.061)に対して
窒素気流下で温度500〜1100℃の温度で熱処理を
実行し、これによりO/Cが0.055以下の熱処理活
性炭が得た。この活性炭を利用して電極を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は活性炭を基材とする
電気二重層キャパシタ用電極に関する。
【0002】
【従来の技術】電極と電解液との界面に生じる電気二重
層を利用した電荷蓄積機能をもつ電気二重層キャパシタ
は、放電容量が大きく、充電放電の繰り返しに対する安
定性が比較的高いため、近年、電子機器のバックアップ
用電源等として使用されつつあり、また、自動車の補器
用電源としても有望視されている。
【0003】この電気二重層キャパシタは次のようなも
のである。即ち、電解質イオンを含む溶液に一対の電極
を接触させた状態で電極間に電圧が印加されると、正極
側の電極には陰イオンが引き寄せられ、負極側の電極に
は陽イオンが引き寄せられ、これにより電極と電解液と
の界面に、電気二重層と呼ばれる電荷層が蓄積される。
電気二重層キャパシタはこの電気二重層に電荷を蓄積す
るものである。
【0004】上記した電気二重層キャパシタ用電極とし
て、放電容量を確保するため、従来から、比表面積が極
めて高い材料である活性炭が採用されている。特開平7
ー135127号公報には、電気二重層における放電容
量を増加させるため、酸素原子/炭素原子の比が0.1
以上の活性炭が採用された電気二重層キャパシタ電極が
開示されている。この公報技術によれば、酸素原子/炭
素原子の比が0.1以上の活性炭を採用することによ
り、含酸素官能基の割合が増加し、活性炭表面の電気二
重層容量に寄与するサイトが増加し、放電容量が大きい
電気二重層キャパシタが得られると記載されている。
【0005】更に特開昭62ー31109号公報には、
酸素含有雰囲気で加熱処理を行った炭素質材料を主体と
する電極を、電気二重層キャパシタ用電極とする技術が
開示されている。この公報技術によれば、加熱温度は1
00〜300°C、望ましくは150〜250°Cとさ
れている。また特開平3ー180013号公報には、粉
末活性炭と電解質溶液との混合物を電極とする電気二重
層キャパシタにおいて、粉末活性炭の酸素含有量を20
〜35重量%とする技術が開示されている。この公報技
術によれば、酸素含有量が大きい活性炭ほど、放電容量
が増大すると記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記した特開平7ー1
35127号公報に係る電気二重層キャパシタにおいて
は、充電放電の繰り返しにより、放電容量が低下し易い
問題があった。他の公報に係る電気二重層キャパシタに
おいても、同様である。本発明は上記した実情に鑑みな
されたものであり、充電放電に伴う不可逆容量を小さく
し、これにより充電放電が繰り返されたときにおける放
電容量を維持するのに有利な電気二重層キャパシタ用電
極を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記した課題
のもとに鋭意開発を進めた。前記した特開平7ー135
127号公報にも開示されているように、従来からの電
気二重層キャパシタ用電極における技術開発は、酸素原
子/炭素原子の比(以下、O/Cともいう)を増加させ
ることにより、キャパシタの初期放電容量を高めること
であった。しかしながらこのキャパシタでは、初期放電
容量は向上するものの、充電放電の繰り返しに伴い放電
容量が次第に低下する。しかも低下する割合が大きい。
【0008】本発明者は、これを解決するためには、O
/Cをむしろ低下させれば、充電放電が繰り返されたと
きにおける放電容量の低下を抑え易くなることを知見
し、試験で確認し、本発明に係る電気二重層キャパシタ
用電極を開発した。即ち、本発明に係る電気二重層キャ
パシタ用電極は、酸素原子/炭素原子の比が0.055
以下の活性炭を基材とすることを特徴とするものであ
る。
【0009】
【発明の実施の形態】酸素原子/炭素原子の比とは、活
性炭表面におけるカルボキシル基、水酸基、カルボニル
基等の有機官能基の割合を示すと考えられる。酸素原子
/炭素原子の比が大きくなると、官能基の量が増加する
ことを意味すると考えられる。酸素原子/炭素原子の比
が0.055以下の活性炭を基材とする電気二重層キャ
パシタ用電極では、充電放電に伴う不可逆容量が小さく
なり、充電放電が繰り返されたときの放電容量の低下が
少なくなる。これは、本発明者による試験により確認さ
れている。
【0010】本発明では酸素原子/炭素原子の比の上限
値は、0.055であるが、活性炭やキャパシタ用電極
の種類によっては、0.05、0.045にすることも
できる。また後述する表1の試料No.3に示す試験結
果によれば、O/Cが0.006と小さくなれば、(3
00サイクル後の放電容量/初期放電容量)が0.95
と大きく増加し、良好な結果が得られた。従って、表1
に示す試験結果に基づけば、酸素原子/炭素原子の比の
下限値は、できるだけ小さい方が好ましいと考えられ
る。よって、酸素原子/炭素原子の比の下限値として
は、0、あるいは、0.00001、0.0001など
を選択できる。
【0011】本発明では前記したように、キャパシタ用
電極に酸素原子/炭素原子の比が0.055以下に規定
された活性炭を利用することを特徴とするものである。
本発明者による試験によれば、O/Cが上記した値を越
えると、キャパシタにおける不可逆容量が大きくなる傾
向が得られた。活性炭中の酸素が多いため、活性炭中の
酸素と電解液中の溶質とが反応するためと考えられる。
【0012】更に本発明者による試験によれば、O/C
が上記した値を越えると、サイクル特性が低下する傾向
が得られた。充電放電の繰り返しに伴い活性炭の構造が
変化するものと考えられる。これに対して、O/Cが上
記した値以下となれば、不可逆容量が小さくなり、サイ
クル数増加に伴う放電容量低下率が小さくなる傾向が得
られた。活性炭中の酸素原子が少ないため、活性炭の構
造が安定化するものと考えられる。
【0013】上記したO/Cを備えた活性炭を得るにあ
たっては、例えば、活性炭を加熱保持する熱処理手段を
採用できる。熱処理の温度としては、500〜1100
℃を採用できる。熱処理雰囲気としては不活性雰囲気が
好ましい。高温すぎると、活性炭の結晶化が進行し易く
なり、低温すぎると、良好なO/Cが得られない。本発
明で用いる活性炭としては粒状、繊維状のものを採用で
きる。活性炭の比表面積としては、1000m2 /gま
たは1800m2 /g以上のものが好ましい。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を試験例として説明す
る。試験例の詳細は表1に示されている。実施例に係る
試料No.1〜No.3では、市販の活性炭(熱処理前
のO/C:0.061)を用いた。その活性炭を電気炉
に収容し、窒素気流下で、温度500〜1100℃のう
ちの表1に記載した温度で保持時間1時間となるように
加熱保持し、これにより熱処理を実行した。熱処理後に
活性炭を冷却した。これによりO/Cが0.055以下
の熱処理活性炭が得られた。
【0015】具体的には、試料No.1では熱処理温度
は500°Cで、O/Cは0.045である。試料N
o.2では熱処理温度は700°Cで、O/Cは0.0
36であり、試料No.3では熱処理温度は1100°
Cで、O/Cは0.006であった。また、実施例に係
る試料No.4、No.5として、O/Cが0.05以
下の市販活性炭を用いた。具体的には試料No.4では
O/Cが0.037であり、試料No.5ではO/Cが
0.016であった。試料No.4、No.5について
は熱処理は実行されていない。
【0016】上記した各試料No.1〜No.5に係る
活性炭を用い、これに結着剤(テフロン樹脂;テトラフ
ルオロエチレン)をそれぞれ混合し、混合物を形成し
た。混合物を100wt%としたとき、結着剤の割合は
4wt%とした。但し結着剤の割合はこれに限定される
ものではなく、適宜調整できる。この混合物20mg
を、集電体であるステンレス鋼(SUS304)製のメ
ッシュ体(20メッシュ)に付着し、板状部材(直径1
5mm:タブレット)に成形し、これを電極とした。
【0017】また、多孔質ポリエチレンを板状部材(タ
ブレット,直径;20mm、厚み;75μm)に成形
し、セパレータとした。またエチレンカーボネートとジ
エチルカーボネ−トとの混合溶媒(容量比で1:1)を
用い、この混合溶媒にLiPF6 を1mol/リットル
の割合で溶解した溶液を形成し、これを非水電解液とし
た。
【0018】そして上記した電極2枚を、セパレータや
電解液と共にテストセルに組み込んみ、試験を行った。
具体的には、2mA/cm2 の充電電流密度で2.8V
までテストセルを充電した。放電は2mA/cm2 の定
電流下で行い、電池電圧が0Vで1サイクルを終了し
た。このような充電放電を300サイクル繰り返した。
この試験結果を図1、表1に示す。
【0019】図1は、上記したように得られたキャパシ
タの充電放電繰り返し特性を示す。図1の横軸は充電放
電時間つまりサイクル数を示し、縦軸の一方は電圧を示
し、縦軸の他方は電流を示す。図1において実線は電圧
を示し、破線は電流を示す。図1から理解できるように
充電放電が繰り返されても、大きな経時変化はみられな
かった。
【0020】また表1に示すように、300サイクル後
の放電容量としては、試料No.1では40mAhg-1
であり、試料No.2では41mAhg-1であり、試料
No.3では42mAhg-1であった。更に表1に示す
ように、(300サイクル後の放電容量/初期放電容
量)の比としては、試料No.1では0.65であり、
試料No.2では0.71であり、試料No.3では
0.95であった。
【0021】また表1に示すように、300サイクル後
の放電容量としては、試料No.4では45mAhg-1
であり、試料No.5では40mAhg-1であった。
(300サイクル後の放電容量/初期放電容量)の比と
しては、試料No.4では0.75であり、試料No.
5では0.83であった。
【0022】
【表1】 比較例として、表2に示す試料No.6のように、O/
Cが0.061の活性炭を用い、同様な手順で電極を形
成し、充電放電を繰り返す試験を行った。
【0023】試料No.6の場合には、300サイクル
後の放電容量は33mAhg-1であり、(300サイク
ル後の放電容量/初期放電容量)の比としては、0.4
5と小さかった。上記した試験結果から理解できるよう
に、O/Cが0.055以下の活性炭を用いた電気二重
層キャパシタ用電極、つまり試料No.1〜No.5で
は、(300サイクル後の放電容量/初期放電容量)の
比が良好であった。従って本実施例ではサイクル数が増
加しても放電容量の低下を抑制できる。
【0024】なお本実施例ではO/Cの測定は次のよう
に行った。即ち、パーキンエルマ製の有機元素分析装置
240Cを使用した。『C』に対応する炭素量は、98
0℃の酸素雰囲気中で活性炭を燃焼させ、発生したCO
2 の量から求めた。『O』に相当する酸素量は、980
℃のヘリウム雰囲気中で活性炭を分解し、発生したCO
2 の量から求めた。
【0025】
【表2】
【0026】
【発明の効果】本発明に係る電気二重層キャパシタ用電
極によれば、充電放電に伴う不可逆容量が小さくなり、
これにより充電放電が繰り返されたときにおける放電容
量を維持するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】充電放電のサイクルと電圧、電流との関係を示
すグラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素原子/炭素原子の比が0.055以下
    の活性炭を基材とすることを特徴とする電気二重層キャ
    パシタ用電極。
JP8269733A 1996-10-11 1996-10-11 電気二重層キャパシタ用電極 Pending JPH10116755A (ja)

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