JPH11283887A - 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法 - Google Patents
電気二重層キャパシタ用電極の製造方法Info
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- JPH11283887A JPH11283887A JP10363173A JP36317398A JPH11283887A JP H11283887 A JPH11283887 A JP H11283887A JP 10363173 A JP10363173 A JP 10363173A JP 36317398 A JP36317398 A JP 36317398A JP H11283887 A JPH11283887 A JP H11283887A
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Abstract
重層キャパシタ用電極の製造方法の提供。 【解決手段】炭素質材料、ポリテトラフルオロエチレン
及び加工助剤からなる混合物をスクリュー押出し成形
し、得られた押出し物を圧延ロールでシート状に成形す
ることにより電気二重層キャパシタ用電極を得る。
Description
タ用電極の製造方法に関する。
気二重層を利用した電気二重層キャパシタ、特にコイン
型形状のものは、メモリバックアップ電源として近年急
速に需要が伸びている。一方、例えば電気自動車用電源
等の大容量を必要とされる用途に対しても、単位体積あ
たりの容量が大きく内部抵抗が低い高エネルギ密度かつ
高出力密度の電気二重層キャパシタの開発が望まれてい
る。メモリバックアップ向けの電気二重層キャパシタに
ついても内部抵抗の低減が望まれている。
性炭粉末を硫酸等の電解液の溶媒を用いて混練してスラ
リ状とし、加圧プレスにより成形して得られる(米国特
許3288641)。しかし、この方法で得られる電極
は剛性の多孔性構造を有し、亀裂や破壊が生じやすく長
期の使用に耐えない。
に必要に応じてポリテトラフルオロエチレン(以下PT
FEという)からなるバインダを加えた粘稠物よりなる
カーボンペースト電極が提案されている(特公昭53−
7025、特公昭55−41015)。この電極は、耐
亀裂性や耐破壊性は有するが、形状保持性が不充分であ
り、使用するには強度を補うための特別な構造のセルが
必要である。
性に優れた電極を得るために、炭素質材料とPTFE等
のバインダと液状潤滑剤からなる混練物を予備成形した
後、延伸又は圧延してシート状に成形された電極を得る
方法が提案されている(特開昭63−107011、特
開平2−235320)。
りPTFEはランダムに繊維化し、また繊維化部分と非
繊維化部分が生じ、両者では硬さが異なるため、シート
電極を例えば0.2mm以下の厚さの薄膜シートに成形
しようとすると、表面が凹凸になりやすく、穴が空きや
すい問題がある。したがって、電気二重層キャパシタの
単位体積あたりの容量(以下容量密度という)を大きく
できず、また内部抵抗も大きい問題がある。
化し、集電体に塗工し乾燥した後、PTFEの融点以上
に加熱し、プレス成形して電極を薄膜化し、密度を上げ
る方法も提案されている(特開平9−36005)。し
かし、この方法では製造工程が複雑で連続化が困難であ
り、また、PTFEが一部融解するため内部抵抗が高い
問題がある。
の電極シートを作製することが困難であり、連続的な操
作で長尺状の電極シートを得られず、生産効率が悪い問
題がある。
テトラフルオロエチレンを乳化重合して得られたPTF
E水性分散体を凝集、乾燥して得られた重合体(ファイ
ンパウダ)に、ナフサ、白灯油等の加工助剤を添加し、
予備成形しスリーブ状としてシリンダ金型に充填し、ラ
ムにより加圧してロッド、シート等の形状に適したノズ
ルを通して押出した後、加工助剤を揮散させて成形物を
得るペースト押出し成形法が知られている(特公昭61
−54578等)。
重量%の充填材を含むPTFEの成形に使われており、
充填材を主成分としてPTFEによる機械的補強を目的
とする成形には使用されていない。すなわち、例えばグ
ラファイト、ガラス繊維、カーボン繊維等の充填材は塑
性変形しにくいため、PTFEと混合して成形する場合
押出し圧力が高くなり、PTFEが過度に変形する。そ
のため、得られた押出し成形物は脆くて強度が低い問題
がある。また、ペースト押出し成形法は、一回の押出し
量がスリーブ形状に依存しているため、連続的に長尺状
の成形物を得ることが難しい問題がある。
の問題を解決すべくなされたものであり、薄膜シート状
で高強度である電極と該電極を連続的に製造できる方法
を提供することを目的とする。また、前記方法を使用す
ることにより、容量密度が大きくかつ内部抵抗の小さい
電気二重層キャパシタ用の電極、特に高容量で大電流を
流すことが必要とされる用途向けの電気二重層キャパシ
タ用の電極を提供することを目的とする。
ポリテトラフルオロエチレン及び加工助剤からなる混合
物をスクリュー押出し成形し、得られた押出し物を圧延
ロールで圧延してシート状に成形することを特徴とする
電気二重層キャパシタ用電極の製造方法、及び該製造方
法により得られる電極を提供する。
炭、ポリアセン、カーボンブラック等からなりかつ比表
面積が200〜3500m2 /gである粉末が好まし
い。また、カーボンファイバ、カーボンウィスカ、グラ
ファイト等の繊維又は粉末も比表面積が200〜350
0m2 /gであれば好ましく使用できる。活性炭として
はフェノール系、レーヨン系、アクリル系、ピッチ系又
はヤシガラ系等が使用でき、粒径が0.1〜100μ
m、特には1〜20μmであると、薄膜化しやすく、容
量密度も高くなりやすいので好ましい。
素質材料と混合して使用することも好ましい。カーボン
ブラックの粒径は0.001〜1μm、特には0.01
〜0.5μmが好ましく、また、その比表面積としては
200〜1500m2 /g、特には500〜1300m
2 /gが好ましい。この導電材としてのカーボンブラッ
クと比表面積200〜3500m2 /gかつ粒径0.1
〜100μmの活性炭とPTFEとからなる電極は、電
気二重層キャパシタの内部抵抗を低くかつ容量を高く維
持できるので好ましい。
ロエチレンの単独重合体だけでなく、テトラフルオロエ
チレンに対して他の単量体を0.5モル%以下加えて共
重合させて得られる共重合体も含まれる。他の単量体が
0.5モル%以下であれば、PTFEに溶融流動性が付
与されず、テトラフルオロエチレン単独重合体同様に繊
維化して高強度かつ低抵抗のシート状の電極を作製でき
る。他の単量体としては、ヘキサフルオロプロピレン、
クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキル
ビニルエーテル)、トリフルオロエチレン、(パーフル
オロアルキル)エチレン等が例示される。
ル状となり繊維化しにくいので、標準比重から計算され
る分子量が1×106 以上の重合体を50重量%以上含
んでいることが好ましい。また、PTFEは、乳化重合
により得られるものが繊維化しやすいので好ましい。
度に繊維化及び塑性変形するように加えるものであり、
PTFEを容易に湿潤させかつ成形された電極より容易
に除去できる液体であればいずれも使用できる。具体的
には、エタノール、メタノール、2−プロパノール、灯
油、ソルベントナフサ、ホワイトナフサ等の炭化水素
類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジプ
ロピレングリコール、グリセリン等が挙げられる。ま
た、PTFE水性ディスパージョン等のフッ素樹脂ディ
スパージョン類も加工助剤として使用でき、単独で使用
しても他の加工助剤と併用してもよい。特には、プロピ
レングリコール又はジプロピレングリコールが好ましく
使用できる。
素質材料と加工助剤との混合物は、電極中にPTFEが
炭素質材料に対して1〜50重量%、さらには5〜30
重量%含まれるように配合されることが好ましい。PT
FEはシート状の電極の形状を保つバインダとして電極
中に含まれるものであるから、PTFEが1重量%未満
であると強度が弱く、50重量%を超えると電極の内部
抵抗が増大しやすい。
加は、炭素質材料とPTFEとを混合した後でも混合す
ると同時でもよい。このとき、炭素質材料とPTFEと
加工助剤との混合物が造粒物となることもあるが、スク
リュー押出し成形に影響することはない。加工助剤は炭
素質材料に対して20〜200重量%加えることが好ま
しく、40〜100重量%であるとさらに好ましい。加
工助剤が20重量%未満であると押出し圧力が高くなり
すぎて成形が困難となる。200重量%を超えると押出
し圧力が上がらず、PTFEが充分に繊維化されず、ま
た、押出し中に加工助剤が金型やバレルのすきまから浸
み出したり、加工助剤が逆流してホッパー口から流出す
ることがある。
を使用してスクリュー押出し成形を行う。スクリュー押
出し機は、押出し機のバレル内において回転させうる環
状の溝を有するスクリューを有し、炭素質材料とPTF
Eと加工助剤とからなる混合物をスクリューの回転によ
ってバレル内を移動させながら混練した後押出すもので
ある。本発明では、樹脂用、ゴム用、建材用の各スクリ
ュー押出し機がいずれも使用できる。また、一軸押出し
機、多軸押出し機のいずれも使用できる。スクリュー形
状としては、フルフライトスクリュー、バリアブルピッ
チスクリュー、ミキシングピッチ付きスクリュー等種々
の形状が採用できるが、押出し圧力の調整が容易なフル
フライトスクリューが特に好ましい。
は5〜300℃が好ましく、特に30〜150℃が好ま
しい。5℃未満では押出し物が脆く形状を保持しがた
く、300℃を超えると加工助剤の蒸発が激しく押出し
が困難となる。
は、2〜300kg/cm2 が好ましく、さらには5〜
100kg/cm2 、特に5〜60kg/cm2 が好ま
しい。2kg/cm2 未満では押出し物が柔らかすぎて
形状を保持しがたく、300kg/cm2 を超えると押
出しが困難となり、得られた押出し物が脆くなりやす
い。
の圧縮比は、1.0〜4.0が好ましく、特に1.0〜
2.0が好ましい。1.0未満ではPTFEの繊維化が
不足し、押出し物の強度が不足するため電極の形状を保
持しがたく、4.0を超えると押出し圧力が高くなり押
出しが困難となる。ここで、スクリューの圧縮比とは、
スクリュー根元のバレル内側とスクリュー谷径との間の
断面積を、スクリュー先端のバレル内側とスクリュー谷
径との間の断面積で割った値である。
で圧延ロールで圧延(以下、ロール圧延という)するこ
とによってシート状に成形される。スクリュー押出し物
は、通常、ロール圧延により厚さが1/10〜1/20
0程度になる。スクリュー押出しされた押出し物はPT
FEが押出し方向と直角方向に繊維化されているので、
ロール圧延処理はスクリュー押出しの押出し方向と同じ
方向に行うと押出し方向の繊維化が進み、PTFEが縦
横に繊維化された網目構造となり、炭素質材料がこの網
目構造により保持されるので高強度となり好ましい。
50℃、特には60〜150℃であることが好ましい。
圧延温度が20℃未満ではPTFEが充分に繊維化され
ず脆いシートとなりやすい。圧延温度が350℃を超え
ると加工助剤の蒸発が激しいため、シート表面にヒビ割
れ、剥離等が生じやすい。なお、ここで圧延温度とは、
圧延ロールがシートと接するときの圧延ロールの温度を
示すものとする。
助剤を除去するために乾燥する。乾燥温度は加工助剤の
沸点以上でかつPTFEの融点以下の温度が好ましい。
また、乾燥後又は加工助剤を一部除去した半乾燥後のシ
ート状物を、延伸処理してもよい。さらに延伸処理した
後、再びロール圧延をしてもよい。
1〜5.0倍が好ましく、延伸は一軸方向に行っても多
軸方向に行ってもよい。また、延伸処理は乾燥工程前に
行ってもよい。延伸処理することによりPTFEの繊維
化が促進され、高強度、低抵抗の薄膜シートが得られ
る。延伸処理するときの温度を30〜350℃、特に2
00〜320℃とすると、PTFEの繊維化がより促進
されるので好ましい。
極は、そのまま電極として使用できるが、必要に応じて
焼成してから使用してもよい。焼成は、PTFEの融点
以上の温度における完全焼成であっても、PTFEの融
点未満の温度における不完全焼成であってもよい。
横に繊維化された網目構造となり、炭素質材料がPTF
Eの網目構造により保持されてなるシート状の電極が得
られる。この電極は強度が高く、形状保持性に優れてお
り、容易に薄膜化できる。さらに、PTFEの繊維化が
縦横に促進されているため、PTFEが少量であって
も、電極が薄膜状であっても、耐亀裂性や耐破壊性に優
れ、形状保持性に優れており高強度である。
ることにより連続的に押出し成形できるため、押出し方
向に長い連続的な押出し物を得ることができ、この押出
し物を用いて圧延処理することにより長尺状の電極が得
られる。
構造を有しているため、電気絶縁性であるPTFEが配
合されることによる電極の抵抗の増大が少ない。さら
に、シート状物を延伸処理することにより、PTFEの
繊維化による三次元的網目構造の形成も促進されるた
め、電極の抵抗がいっそう低減する。また、導電材とし
てカーボンブラックを加えている場合は、スクリュー押
出し成形、ロール圧延の両工程においてカーボンブラッ
クが強圧で加圧されるので、少量のカーボンブラックで
も電気的に接続して電極が低抵抗となる。
の引張強さが1.5kg/cm2 以上であり、特に2.
0kg/cm2 以上であることが好ましい。本発明の製
造方法においてスクリュー押し出し成形する方向とロー
ル圧延する方向を同じ方向にして電極を製造した場合
は、前記1方向の引張強さはロール圧延する方向の引張
強さに相当する。
は、シート状の電極を250℃で1時間乾燥した後、J
IS−K6301に規定される1号形のダンベル状試験
片の形状に打ち抜き、雰囲気温度25±2℃にて引張速
度20mm/minで引張試験を行ったときの最大荷重
を断面積(電極の厚さ×平行部の幅)で割った値をい
う。
りつける等して集電体と一体化した状態の電極体で電気
二重層キャパシタに使用される。集電体としては金属
箔、特にアルミニウム箔が好ましい。アルミニウム箔
は、長尺状の箔をロール状に巻回したコイルから引き出
して使用できる。最終的なロール圧延で成形される電極
は、成形された部分から随時アルミニウム箔と一体化
し、一つのラインで電極成形とアルミニウム箔との一体
化を連続して行ってもよい。このような連続的なライン
で電極体まで形成すると、生産効率が高い。
して行うと、強固に一体化されるので好ましい。このと
き接着剤に高導電性の粉末等を混合しておくと、電極と
集電体との接触抵抗が低減されるので好ましい。電極と
集電体との接着後さらにロール圧延すると、いっそう強
固に一体化される。電極は、成形後加工助剤を乾燥除去
してから行ってもよいが、半乾燥状態で集電体と接着し
ておいて、ロール圧延してから加工助剤を除去すると、
ロール圧延によって電極と集電体が一体化しやすいので
好ましい。
径10μmの高純度活性炭粉末80重量%、カーボンブ
ラック10重量%、PTFE粉末10重量%からなる混
合物に、プロピレングリコールを活性炭粉末とカーボン
ブラックの合計量に対して66重量%加え混合した。こ
の混合物をバレル内径40mmの一軸押出し機にて、ス
クリュー圧縮比1.6のフルフライトスクリューと、押
出し物形状が筒状(外径102mm、内径86mm)と
なるようにされたノズルを用い、バレル温度80℃、ノ
ズル温度90℃にてスクリュー押出し成形を行った。押
出し圧力は20kg/cm2 であった。
(押出し方向)に切り、開いて平らにした後、ロール温
度80℃で押し出し方向と同じ方向にロール圧延し、2
50℃で60分間乾燥してプロピレングリコールを除去
して厚さ120μmのシートを形成した。
後、JIS−K6301に規定される1号形のダンベル
状試験片の形状に打ち抜き、雰囲気温度25℃にて引張
速度20mm/minで引張試験を行い、最大荷重を測
定した。この測定を3回繰り返し、その平均値をこのシ
ートにかけられる最大荷重とした。なお、ロール圧延し
た方向のシートの引張強さを測定するため、ダンベル状
試験片はその長さ方向がロール圧延した押出し方向とな
るように打ち抜いた。上記最大荷重の値から算出される
シートの引張強さは、8.7kg/cm2 であった。
矩形で、厚さ50μmの矩形の純アルミニウム箔の片面
に、上記シートを面積4cm×6cmに切り抜いた電極
シートを導電性接着剤を介して接合し、加熱して接着剤
を熱硬化させて電極体とした。この電極体を2枚作製
し、2枚の電極体の電極面を対向させ、厚さ40μmの
セルロース繊維製セパレータを挟んだ。これを厚さ2m
m、幅5cm、高さ7cmの2枚のガラス製挟持板で挟
持し、素子とした。2枚の電極体とセパレータとの合計
の厚さは0.39mmであった。
1.5mol/lのトリエチルモノメチルアンモニウム
テトラフルオロボレートを溶解した溶液を用いた。上記
素子を200℃で3時間真空加熱することにより素子に
含まれる水等の不純分を除去した後、電解液を真空含浸
させてポリプロピレン製の角型有底筒状容器に収容し、
電気二重層キャパシタを作製した。電流密度20mA/
cm2 で直流抵抗と容量を測定し、単位体積あたりの容
量(容量密度)と体積抵抗を算出した。結果を表1に示
す。
μmとした以外は例1と同様にしてシートを作製した。
例1と同様にこのシートのロール圧延した方向の引張強
さを測定したところ、1.6kg/cm2 であった。こ
のシートから電極シートを得て用いた以外は例1と同様
にして電気二重層キャパシタを作製し、例1と同様の評
価を行った。結果を表1に示す。
μmとし、加工助剤を乾燥させてから、延伸倍率1.5
倍、温度300℃で延伸処理して厚さを110μmとし
た以外は例1と同様にしてシートを作製した。例1と同
様にこのシートのロール圧延した方向の引張強さを測定
したところ、9.0kg/cm2 であった。このシート
から電極シートを得て用いた以外は例1と同様にして電
気二重層キャパシタを作製し、例1と同様の評価を行っ
た。結果を表1に示す。
ジプロピレングリコールを炭素質材料に対して61重量
%加えて混合した以外は例1と同様にして厚さ90μm
のシートを得た。このシートの作製時、スクリュー押出
しの押出し圧力は34kg/cm2 であった。また、こ
のシートのロール圧延した方向の引張強さは11.4k
g/cm2 であり、例1の電極シートに比べ取り扱いや
すかった。このシートから電極シートを得てを用いた以
外は例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、
例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
ずに、ロール混練によって成形した後、ロール圧延を5
回繰り返して厚さを200μmとした以外は例1と同様
にしてシートを作製した。例1と同様にこのシートのロ
ール圧延した方向の引張強さを測定したところ、1.0
kg/cm2 であった。このシートから電極シートを得
て用いた以外は例1と同様にして同様にして電気二重層
キャパシタを作製し、例1と同様の評価を行った。結果
を表1に示す。
ずに、ロール混練によって成形した後、ロール圧延を1
0回繰り返して厚さ130μmのシートを得たが、穴が
多く発生し、電極として使用できなかった。
は、PTFEが縦横に繊維化して三次元的網目構造を有
するため、抵抗が低く、また強度が高く、薄膜化しやす
い。電極シートは薄膜であっても亀裂、破壊が生じにく
く、形状保持性に優れる。また、連続的な操作により長
尺物を得ることもできる。さらに、導電材であるカーボ
ンブラックを含む場合、カーボンブラックが強圧で加圧
されるので、少量のカーボンブラックでも電気的に接続
して電極シートが低抵抗となる。したがって、本発明の
製造方法により製造される電極を有する電気二重層キャ
パシタは、内部抵抗が小さく、単位体積あたりの静電容
量が大きい。
Claims (8)
- 【請求項1】炭素質材料、ポリテトラフルオロエチレン
及び加工助剤からなる混合物をスクリュー押出し成形
し、得られた押出し物を圧延ロールで圧延してシート状
に成形することを特徴とする電気二重層キャパシタ用電
極の製造方法。 - 【請求項2】前記混合物には、炭素質材料に対しポリテ
トラフルオロエチレンが1〜50重量%、加工助剤が2
0〜200重量%含まれる請求項1に記載の電気二重層
キャパシタ用電極の製造方法。 - 【請求項3】スクリュー押出し成形における押出し温度
が、5〜300℃である請求項1又は2に記載の電気二
重層キャパシタ用電極の製造方法。 - 【請求項4】スクリュー押出し成形における押出し圧力
が、2〜300kg/cm2 である請求項1、2又は3
に記載の電気二重層キャパシタ用電極の製造方法。 - 【請求項5】スクリュー押出し成形におけるスクリュー
の圧縮比が、1.0〜4.0である請求項1、2、3又
は4に記載の電気二重層キャパシタ用電極の製造方法。 - 【請求項6】圧延温度が20〜350℃である請求項
1、2、3、4又は5に記載の電気二重層キャパシタ用
電極の製造方法。 - 【請求項7】前記押出し物を圧延ロールで圧延してシー
ト状に成形した後、一軸又は多軸方向に原長の1.01
〜5.0倍に延伸処理する請求項1、2、3、4、5又
は6に記載の電気二重層キャパシタ用電極の製造方法。 - 【請求項8】炭素質材料、ポリテトラフルオロエチレン
及び加工助剤からなる混合物をスクリュー押出し成形
し、得られた押出し物を圧延ロールで圧延してシート状
に成形してなる成形体からなり、少なくとも1方向の引
張強さが1.5kg/cm2 以上であることを特徴とす
る電気二重層キャパシタ用電極。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36317398A JP3580153B2 (ja) | 1998-01-30 | 1998-12-21 | 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法 |
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JP1975898 | 1998-01-30 | ||
JP36317398A JP3580153B2 (ja) | 1998-01-30 | 1998-12-21 | 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法 |
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ID=26356612
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JP36317398A Expired - Fee Related JP3580153B2 (ja) | 1998-01-30 | 1998-12-21 | 電気二重層キャパシタ用電極の製造方法 |
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