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

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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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layer capacitor
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悟 黒木
Manabu Kazuhara
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Sadao Kanetoku
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電気二重層キャパシ
タ用電極の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】分極性電極と電解質界面で形成される電
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。
【0003】電気二重層キャパシタの電極は、例えば活
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。
【0004】これに対し、活性炭粉末と電解液の混合物
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。
【0005】また耐亀裂性や耐破壊性を有し、形状保持
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)。
【0006】しかし、この方法では、混練することによ
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。
【0007】活性炭粉末とPTFEを混合してペースト
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。
【0008】また、上記の製造方法ではいずれも長尺状
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。
【0009】一方、PTFEの押出し成形法としては、
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)。
【0010】上記の成形法は、通常PTFE単独又は数
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。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した従来
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。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、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、及び該製造方
法により得られる電極を提供する。
【0013】本発明における炭素質材料としては、活性
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。
【0014】カーボンブラックは、導電材として他の炭
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。
【0015】本発明におけるPTFEは、テトラフルオ
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。
【0016】PTFEは、低分子量であると液状又はゲ
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。
【0017】本発明における加工助剤は、PTFEが適
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。
【0018】本発明の製造方法において、PTFEと炭
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。
【0019】本発明の製造方法において、加工助剤の添
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。
【0020】本発明の製造方法ではスクリュー押出し機
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。
【0021】スクリュー押出し成形における押出し温度
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。
【0022】スクリュー押出し成形における押出し圧力
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。
【0023】スクリュー押出し成形におけるスクリュー
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。
【0024】本発明では、スクリュー押出し物は、次い
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。
【0025】ロール圧延するときの圧延温度は20〜3
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。
【0026】ロール圧延して成形されたシートは、加工
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。
【0027】延伸処理する場合、その延伸倍率は1.0
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。
【0028】本発明の製造方法で得られたシート状の電
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。
【0029】本発明の製造方法によれば、PTFEが縦
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。
【0030】また、本発明ではスクリュー押出し成形す
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。
【0031】また、PTFEが繊維化して三次元的網目
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。
【0032】本発明の電極の強度は、少なくとも1方向
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。
【0033】なお、本明細書において電極の引張強さと
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。
【0034】本発明により得られる電極は、集電体に貼
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。
【0035】電極と集電体の一体化は、間に接着剤を介
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。
【0036】
【実施例】[例1]比表面積1500m2 /g、平均粒
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。
【0037】得られた筒状の押出し物を筒の高さ方向
(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。
【0038】上記シートを250℃で1時間乾燥した
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。
【0039】リード端子を有し幅4cm、高さ6cmの
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。
【0040】電解液としてはプロピレンカーボネートに
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。
【0041】[例2]ロール圧延によっての厚さを70
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。
【0042】[例3]ロール圧延によって厚さを150
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。
【0043】[例4]プロピレングリコールのかわりに
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。
【0044】[例5(比較例)]スクリュー押出しをせ
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。
【0045】[例6(比較例)]スクリュー押出しをせ
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。
【0046】
【表1】
【0047】
【発明の効果】本発明の製造方法により得られる電極
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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
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