JPWO2014132862A1 - 活性炭シートの製造方法および活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法 - Google Patents

活性炭シートの製造方法および活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法 Download PDF

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Abstract

[課題]電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造する方法を提供すること。[解決手段]活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび/または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う光照射工程を含む活性炭シートの製造方法。

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ用電極等の活性炭シートの製造方法、および電気二重層キャパシタ用電極等の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法に関する。
電気二重層キャパシタ(以下「EDLC」ともいう。)は、電気二重層に基づく物理的な電荷の蓄積によるコンデンサであって、化学的反応の二次電池と比べて高出力な急速充電・放電が可能で無公害性であるなど、多くの利点を有しており、電子機器用などの小型のものから車のバッテリーなどの大型のものまで、多種の用途への利用が期待されている。EDLC用の電極膜は、通常、活性炭等の粉末状電極、導電材、およびフッ素樹脂等のバインダーなどから構成されている(特開2004−2105号公報(特許文献1)等)。
EDLCの性能は、この電極膜への電解液の含浸量に影響される。特公平4−47449号公報(特許文献2)には、シート状電極に対する電解液の含浸性を高めるために、シート状電極表面の特に四フッ化エチレン樹脂(ポリテトラフルオロエチレン、以下「PTFE」ともいう。)を多く含む緻密な平滑層を破壊して、シート状電極表面に傷を設けることが記載されている。
しかしながら、この技術を用いた場合には、シート状電極の破壊を招き、シート状電極の粉落ち、形態(厚さ・密度等)変化が生じ、シート状電極やこれを用いたEDLCの電気的安定性が損なわれる可能性がある。
一方、EDLC用の電極膜に電磁波を照射してその特性を改善させる技術が知られており、たとえば特開2008−205275号公報(特許文献3)には、水素雰囲気等の中で、EDLC用電極材料である活性炭に電磁波を照射することによって、活性炭の表面に存在する酸素を含む官能基を遊離させ、このようにして製造されたEDLC用電極材料を用い、高容量で性能が安定したEDLCを製造できることが記載されている。
また、特開2002−237434号公報(特許文献4)には、電極体を製造するにあたって活性炭表面にPVDFなどのバインダーが層状に付着することにより引き起こされる諸問題を解決するために、粉末状電極材料、バインダー、および溶媒を混練してなる電極機能材を金属箔表面に塗布し、乾燥した後、レーザー照射を行うことによって、各粒子のバインダー機能を保持しながらも、活物質表面に層状に付着したバインダーを除去するという技術が記載されている。このレーザーとしてはエキシマレーザーなどが挙げられている。
ただし、特許文献3、4に開示された技術は、いずれもEDLC用電極膜への電解液の含浸性の改善を意図したものではない。
特開2004−2105号公報 特公平4−47449号公報 特開2008−205275号公報 特開2002−237434号公報
本発明は、上述したような従来技術における課題に鑑みてなされたものであって、電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造する方法を提供すること、および、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高める方法を提供することを目的としている。
本発明は、たとえば以下の[1]〜[6]に関する。
[1]
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび/または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および
前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う光照射工程
を含む活性炭シートの製造方法。
[2]
前記光照射が、酸素および/またはオゾンの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である前記[1]に記載の活性炭シートの製造方法。
[3]
前記活性炭シートがEDLC用電極である、前記[1]または[2]に記載の活性炭シートの製造方法。
[4]
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がPTFEおよび/または変性PTFEである活性炭シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
[5]
前記光照射が、酸素および/またはオゾンの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である前記[4]に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
[6]
前記活性炭シートがEDLC用電極である、前記[4]または[5]に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
本発明に係る活性炭シートの製造方法によれば、電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造することができる。
また、本発明に係る活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法によれば、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高めることができる。
以下、本発明をより詳細に説明する。
[活性炭シートの製造方法]
本発明に係る活性炭シートの製造方法は、シート準備工程およびその後の光照射工程を含んでいる。
<シート準備工程>
前記シート準備工程では、活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含むシートを準備する。このようなシートは、たとえば、活性炭と、炭素導電材と、フッ素樹脂バインダーとを含む混合物を、前記フッ素樹脂を繊維化させつつシート状に成形するシート形成工程を経ることにより製造することができる。
前記活性炭、前記炭素導電材および前記フッ素樹脂バインダーとしては、電気二重層キャパシタ用電極において従来使用されているものを使用することができる。
前記活性炭としては、市販品であれば、YP50F(クラレケミカル社製)、Maxsorb(関西熱化学社製)などが挙げられる。前記活性炭の比表面積は、たとえば1,000〜2,500m2/gであってもよい。
前記炭素導電材としては、カーボンブラックが挙げられる。
前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられ、これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。市販品であれば、コンチネックスCF(コンチネンタルカーボン社製、コンダクティブファーネスブラック)、ケッチェンブラックECP600JD(ライオン(株)製)、ケッチェンブラックEC(ケッチェンブラックインターナショナル社製、コンダクティブファーネスブラック)、バルカンC(キャボット社製、コンダクティブファーネスブラック)、BLACK PEARLS 2000(キャボット社製、コンダクティブファーネスブラック)、デンカアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、アセチレンブラック)などを好適に用いることができる。
前記バインダーとしては、容易に繊維化され、バインダーとしての能力が高いことからポリテトラフルオロエチレン(PTFE)または変性PTFEが用いられる。変性PTFEとしては、テトラフルオロエチレンおよび少量(たとえば0.5モル%以下)の他の単量体を共重合させて得られる変性PTFEが挙げられる。
前記バインダーは、たとえば粒状であってもよい。
前記バインダーは、他の成分と混合される際に、あるいは他の成分と共に圧延される際に、せん断力が加えられることによって容易に繊維化される。
前記活性炭、前記炭素導電材および前記バインダーの合計量を100重量部とすると、前記活性炭の割合はたとえば98重量部以下、好ましくは55〜90重量部、さらに好ましくは60〜80重量部であり、前記炭素導電材の割合は、たとえば1重量部以上、好ましくは5〜30重量部であり、前記フッ素樹脂バインダーの割合は、活性炭シート(電極膜等)の強度の観点からは1重量部以上であり、電解液等の含浸性の向上および電池の静電容量向上の観点から、好ましくは2〜30重量部、さらに好ましくは5〜15重量部である。
前記混合物は、前記活性炭、前記炭素導電材および前記バインダーを従来公知の方法で混合することにより調製できる。
また前記各成分を混合する際には、これらの成分にさらに成形助剤を配合してもよい。
前記成形助剤としては、水、メタノール、エタノール等の一価アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコールなどが挙げられ、成型性の観点から一価アルコールが好ましい。
また、前記成形助剤の量は、前記活性炭、前記炭素導電材および前記フッ素樹脂バインダーの合計100重量部に対して、好ましくは80重量部以上、より好ましくは100〜600重量部である。この成形助剤は、好ましくは、これらの混合物(混練物)をシート状に成形する際またはその後に、加熱等により除去される。
前記混合物(混練物)を圧延するための方法は特に限定されないが、その例としては、混練物を押出あるいは圧延などの方法によりロッド状あるいは板状に予備成形し、これをさらに圧延ロールで圧延するなどの方法でシート状に成形する方法などが挙げられる。成形に圧延ロールを使用する場合には、圧延ロール温度は、好ましくは20〜100℃、より好ましくは40〜80℃である。
混合物(混練物)を圧延する工程の後に加熱により前記成形助剤を除去する場合、加熱温度は、たとえば100〜200℃、加熱時間は、たとえば5分間〜5時間である。
シートの厚さは、活性炭シートの用途に応じて適宜設定すれば良く、たとえば用途がEDLC用電極膜であれば、その厚さは0.05〜1mm程度であってもよい。
<光照射工程>
前記光照射工程では、シート準備工程で準備されたシートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う。シートの両面に光照射を行ってもよい。
シート表面における積算照射量は、シートに含まれるフッ素樹脂バインダー量の割合が一定の場合にシートの機械強度の低下を抑えつつシートへの電解液の含浸性を高めるという観点からは、好ましくは100〜500mJ/cm2である。
光照射のその他の好ましい条件は以下のとおりである。
照射光:紫外光
照射光の波長:10〜300nm、より好ましくは100〜250nm、さらに好ましくは150〜200nm;
光照射の際の雰囲気:不活性ガス(例:ヘリウムガス、アルゴンガス等の希ガス、窒素ガス)雰囲気、酸素ガス(O2)および/またはオゾンガスを含有する雰囲気、より好ましくは酸素ガス(O2)を20体積%以下(好ましくは0.01〜10体積%)含有する不活性ガス雰囲気。
また、前記光照射の光源としては、エキシマランプ、低圧水銀ランプ、YAGレーザー、エキシマレーザーなどが挙げられ、シートの広範囲に光照射する観点からエキシマランプおよび低圧水銀ランプが好ましく、高効率、瞬時点灯、低温処理が可能であること、コストが低いこと、メンテナンス性に優れることからエキシマランプがさらに好ましい。
上述したシート表面における積算照射量が前記範囲よりも小さいと活性炭シートへの電解液(特に、水および)の含浸性を高められない傾向があり、前記範囲よりも大きいと活性炭シートの機械的強度が低下する傾向がある。
PTFE(あるいは変性PTFE)をフッ素樹脂バインダーとして有する活性炭シートにおいては、その製造過程で、原料混合物を含有するシート状の圧延物、特にその表面付近において、フッ素樹脂バインダーの繊維化が進行する。その結果、活性炭シート表面のフッ素樹脂バインダー繊維の存在割合が比較的高くなり、活性炭シート表面の撥水性が高くなり、これにより、従来のEDLC用電極膜においては、電極膜(活性炭シート内)への電解液の浸入が妨げられていたと考えられる。
一方、本発明の活性炭シートにおいては、前記光照射により、活性炭シートの表面付近のみのPTFE(変性PTFEも含む。)分子が開裂し(つまり、PTFEスキン層が破壊され、ないしPTFE繊維が部分的に切断され)、また前記光照射の際の雰囲気に酸素ガスおよび/またはオゾンガスが含まれる場合であれば、前記酸素ガスおよび/またはオゾンガスから活性酸素が発生し、この活性酸素により活性炭シート表面に酸素を含有する親水性官能基(たとえば水酸基)が付与され、これにより活性炭シートの含浸性が改善され、かつ、活性炭シート内部のPTFE分子は開裂されないため、活性炭シートの機械強度は保持されるものと推定される。
前記光照射工程を経ることにより、活性炭シートの機械的強度を維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させることができる。
したがって、本発明の製造方法によれば、電解液(たとえば、EDLC用の電解液)の含浸性および機械強度が共にバランス良く優れる活性炭シートを製造することができる。
また、本発明に係る製造方法によって、活性炭シートとしてEDLC用の電極シートを製造すれば、該電極シートを電池に組み込む際に電解液を素早く吸収できるため、電池製造において組み込み作業に要する時間を短縮できる。
[活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法]
本発明に係る活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法においては、活性炭と、炭素導電材と、PTFEおよび変性PTFEから選ばれるフッ素樹脂バインダーとを含む活性炭シートの少なくとも一方の面に光照射を行う。
前記活性炭シートは、たとえば、上述したシート形成工程を経ることにより製造することができる。また、光照射の条件の詳細は、上述した活性炭シートの製造方法における光照射の条件と同様である。
本発明に係る方法によれば、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高めることができ、具体的には下記式で定義される相対引張強度を好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上としつつ、下記式で定義される相対含浸時間を、下記電解液が1.0M TEA-BF4/PC溶液、イオン液体「IL-IM1」(以上、詳細は実施例の欄に記載する。)または水のいずれかである場合に、90%以下、さらに好ましくは60%以下とすることができる。
・相対引張強度(%)
=(光照射後のシートの引張強度)/(光照射前のシートの引張強度)
前記引張強度の値は、活性炭シートを、幅10mm、長さ60mmの短冊状に切断して試験片を作製し、引張試験機(インストロン社製)により測定、あるいは同等の方法により測定した場合の引張強度の値である。
・相対含浸時間(%)
=(光照射後のシートへの電解液の含浸時間)/(光照射前のシートへの電解液の含浸時間)
前記含浸時間は、活性炭シートの表面(光照射後のシートであれば、光照射された側の表面)に、9μLの電解液を一度に滴下してから、電解液がシートに染み込み、シート表面の光沢がなくなるまで(すなわち、シート表面から電解液が消失するまで)の時間である。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
<測定方法>
(含浸性)
製造例、実施例または比較例で製造された各シートに、スポイトで9μLの電解液を一度に滴下してから、電解液がシートに染み込み、シート表面の光沢がなくなるまで(すなわち、シート表面から電解液が消失するまで)の時間(以下「含浸時間」ともいう。)を計測し、下記式で定義される相対含浸時間を求めた。
相対含浸時間(%)
=(実施例または比較例の光照射後のシートの含浸時間)/(実施例または比較例の光照射前のシートの含浸時間)
なお、電解液としては、有機系電解液(商品名「1.0M TEA-BF4/PC」、東洋合成工業(株)製)(以下「PC」と記載する。)、イオン性液体(商品名「IL-IM1」、広栄化学工業(株)製)(以下「EMI−BF4」と記載する。)および水の3種類を用いた。
(機械的強度)
製造例、実施例または比較例で製造された各シートを、幅10mm、長さ60mmの短冊状に切断して試験片を作製し、引張試験機(インストロン製)により各試験片の引張強度を測定し、下記式で定義される相対引張強度を求めた。
相対引張強度(%)
=(実施例または比較例のシートの光照射後の引張強度)/(実施例または比較例のシートの光照射前の引張強度)
(粉落ち性)
実施例または比較例で製造された各シートを指で触れ、下記の基準に基づいて評価を行った。
○:粉体が指にほとんど付着しない
×:粉体で指が黒くなるほど付着する
[製造例1]
80重量部の活性炭(平均粒径:25μm、ヤシ殻活性炭)と、15重量部の導電性カーボンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製、ケッチェンブラックEC)と、5重量部のPTFE(ダイキン工業(株)製 ポリフロンD−1E)とを混合し、これらの合計量100重量部に対して150重量部の成形助剤(エタノール)をさらに添加して20℃で混練した。得られた混練物を、ロール表面温度が40℃のロールプレスを用いて厚さが0.5mmとなるように圧延してシートを得て、さらにこのシートを150℃で1時間加熱して乾燥させた。
[実施例1]
製造例1で得られたシートからA4サイズのシートを切り取り、その一方の面にエキシマランプにより光照射した。光照射の条件の詳細は以下のとおりであった。
光源(エキシマランプ(株式会社エム・ディ・エキシマ社製MEIRH-N-1-330))からシートまでの距離:2mm
照射光:紫外光(波長:155〜195nm(極大170nm))
シート移動速度:1m/分
雰囲気:窒素ガス50L/分および大気3L/分の混合気流
シート表面における積算照射量:130mJ/cm2
光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
[実施例2]
PTFEの量を15重量部、活性炭の量を70重量部に変更したこと以外は製造例1と同様の操作を行いシートを得た。このシートを製造例1で得られたシートに替えて用いたこと以外は実施例1と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
[実施例3]
PTFEの量を30重量部、活性炭の量を55重量部に変更したこと以外は製造例1と同様の操作を行いシートを得た。このシートを製造例1で得られたシートに替えて用いたこと以外は実施例1と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
[実施例4]
積算照射量を50mJ/cm2に変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
[実施例5]
積算照射量を1000mJ/cm2に変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
[比較例1]
積算照射量を1200mJ/cm2に変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表1に示す。
Figure 2014132862

Claims (6)

  1. 活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび/または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および
    前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う光照射工程
    を含む活性炭シートの製造方法。
  2. 前記光照射が、酸素ガスおよび/またはオゾンガスの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である請求項1に記載の活性炭シートの製造方法。
  3. 前記活性炭シートが電気二重層キャパシタ用電極である、請求項1または2に記載の活性炭シートの製造方法。
  4. 活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび/または変性ポリテトラフルオロエチレンである活性炭シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が50〜1000mJ/cm2となるように光照射を行う、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
  5. 前記光照射が、酸素ガスおよび/またはオゾンガスの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である請求項4に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
  6. 前記活性炭シートが電気二重層キャパシタ用電極である、請求項4または5に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
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