WO2011070924A1 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

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WO2011070924A1
WO2011070924A1 PCT/JP2010/071121 JP2010071121W WO2011070924A1 WO 2011070924 A1 WO2011070924 A1 WO 2011070924A1 JP 2010071121 W JP2010071121 W JP 2010071121W WO 2011070924 A1 WO2011070924 A1 WO 2011070924A1
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electrode
fluorine
electric double
double layer
layer capacitor
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PCT/JP2010/071121
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謙三 高橋
明天 高
舞 小山
絵美 宮永
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ダイキン工業株式会社
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • H01G11/34Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electric double layer capacitor.
  • the electric double layer capacitor is expected to be used as a power source for electric vehicles and instantaneous power outages, and various studies have been made. Such an electric double layer capacitor is desired to have a high capacitance and a low internal resistance.
  • a solvent for dissolving the electrolyte an aqueous solvent (Patent Document 1), a non-fluorine-based non-aqueous solvent (Patent Document 2), or a fluorine-based capacitor is used.
  • Non-aqueous solvent Patent Document 3 is used.
  • Patent Document 2 also proposes a configuration of an electrode, a spherical activated carbon having a specific particle size and pore volume activated by a molten KOH activation treatment method (alkali activation treatment method), and conductivity imparting. It is stated that a high capacitance and a low internal resistance can be realized by making the agent and the polymer binder have a specific bulk density.
  • the electric double layer capacitor is required to have the above-mentioned high capacitance and low internal resistance, and also needs a high withstand voltage corresponding thereto.
  • An object of the present invention is to provide an electric double layer capacitor having a high capacitance, a low internal resistance, and a high withstand voltage.
  • the present invention provides an electrode comprising an electrode layer containing activated carbon particles (IA), binder (IB), ketjen black (IC) and acrylic acid compound (ID) obtained by steam activation of non-graphitizable carbon.
  • the present invention relates to an electrode for a multilayer capacitor.
  • the electrode layer is preferably provided on a conductive film formed on the surface of the current collector.
  • the electrode density of the electrode layer is preferably 0.45 g / cm 3 or less.
  • the present invention also relates to an electric double layer capacitor comprising the electrode of the present invention.
  • the electric double layer capacitor of the present invention preferably comprises a non-aqueous electrolyte, particularly a fluorine electrolyte, as the electrolyte.
  • an electric double layer capacitor having a high capacitance, a low internal resistance, and a high withstand voltage.
  • the electrode for an electric double layer capacitor of the present invention includes activated carbon particles (IA), binder (IB), ketjen black (IC) and acrylic acid compound (ID) obtained by steam activation of non-graphitizable carbon.
  • IA activated carbon particles
  • IB binder
  • IC ketjen black
  • ID acrylic acid compound
  • activated carbon particles have a role of increasing the capacitance of an electric double layer capacitor.
  • the activated carbon particles used in the present invention are activated carbon particles obtained by steam activation of hardly graphitized carbon particles.
  • the activated carbon material there are activated carbon which is easily graphitized (easily graphitized carbon) and activated carbon which is not easily graphitized (non-graphitizable carbon).
  • non-graphitized carbon is used.
  • activation treatment such as a steam activation treatment method or a molten KOH activation treatment method (alkali activation treatment method) is performed.
  • a steam activation treatment method is adopted.
  • Activated carbon particles obtained by steam activation of non-graphitizable carbon have excellent properties such as low capacity degradation when high voltage is applied, and the reason is not clear, but these properties are easily graphitized. Compared to the case of using carbon or the case of activation treatment by the molten KOH activation treatment method.
  • Non-graphitizable carbon refers to carbon that is difficult to graphitize even when carbonized at high temperatures in an inert gas atmosphere, and can be classified as easily graphitized carbon that is easily graphitized by the same carbonization treatment.
  • the non-graphitizable carbon generally includes those obtained by carbonizing a thermosetting resin or a natural organic substance, and the graphitizable carbon is obtained by carbonizing a thermoplastic resin or petroleum pitch.
  • Thermosetting resins as raw materials for non-graphitizable carbon include, for example, phenol resins, epoxy resins, alkyd resins, melamine resins, urea resins, urethane resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, as well as furfural resins and silicones. Resin, furan resin, xylene resin and the like can be mentioned, and activated carbon particles can be obtained by carbonizing the granular material.
  • natural coconut shells are preferable from the viewpoint of easy availability, and coconut husk charcoal can be obtained by carbonizing a material containing no harmful impurities.
  • the steam activation treatment of the hardly graphitized carbon may be a conventionally known method.
  • the hardly graphitized carbon is preferably heated at a temperature of 500 to 1000 ° C., more preferably 700 to 1000 ° C. for about 5 minutes to 10 hours in a steam atmosphere.
  • the method of processing can be illustrated, it is not limited to this condition.
  • the activated carbon particles obtained by the steam activation treatment are activated by being made porous.
  • the activated carbon particles subjected to the steam activation treatment are activated carbon particles having an average particle size of 20 ⁇ m or less, preferably 10 ⁇ m or less, and a specific surface area of 1500 to 3000 m 2 / g from the viewpoint of obtaining a large capacity and low internal resistance electric double layer capacitor. Is preferred. Further, activated carbon particles having a potassium content measured by an extraction method of about 0 to 200 ppm or a pore volume of 1.5 cm 3 / g or less are also preferable.
  • Examples of commercially available non-graphitized carbon activated carbon particles that have been subjected to water vapor activation treatment derived from coconut shell charcoal include YP50F, YP50FH, YP80F, and YP80FH (all trade names) manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd. It is not limited.
  • a phenol resin is also exemplified.
  • examples of commercially available non-graphitized carbon activated carbon particles that have been subjected to water vapor activation treatment derived from phenol resin include RP-20 (trade name) manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., but are not limited thereto. .
  • the binder (IB) is formed by forming activated carbon particles (IA) and other electrode components such as ketjen black (IC) added as a conductive material into the electrodes. Used to join.
  • a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVdF); a non-fluorine resin such as butadiene rubber or styrene butadiene rubber. Elastomer is used.
  • a fluororesin particularly PTFE
  • PTFE a fluororesin
  • an acrylate copolymer which is a non-fluorine-based elastomer is preferable from the viewpoint of good pressure resistance and good adhesion to a current collector.
  • Ketjen Black plays a role as a conductive material.
  • the conductive material as the capacitor electrode material is an activated carbon with a large specific surface area and has the role of imparting electron conductivity.
  • carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, etc.
  • Materials Inorganic materials such as metal fibers, conductive titanium oxide, and ruthenium oxide are known.
  • Ketjen Black (IC ) Is When activated carbon particles (IA) obtained by steam activation of non-graphitizable carbon are used, Ketjen Black (IC ) Is used in combination, it provides a higher withstand voltage, and also has a high capacitance and a low internal resistance.
  • Ketjen Black for example, Carbon ECP600JD manufactured by Lion Corporation can be cited.
  • the acrylic compound (ID) is a component added in addition to the activated carbon particles (IA), the binder (IB) and the ketjen black (IC) as such a thickener, which is surprising.
  • it has a higher withstand voltage than other compounds known as thickeners, such as carboxymethylcellulose (CMC), and plays a major role in improving the performance of capacitors using a fluorine-based electrolyte having a high withstand voltage. Plays.
  • CMC carboxymethylcellulose
  • the reason for this is not clear, but it is presumed that it has a carboxyl group that is not easily oxidized but is not easily oxidized, and is not easily oxidized.
  • the dispersibility of other particles which is the original purpose of addition, is also good, and the strength of the produced electrode is also good.
  • acrylic acid compound (ID) examples include polyacrylic acid or a salt thereof such as sodium, potassium and lithium; one or more of polyacrylic acid salt, polyacrylic acid ester, acrylic acid copolymer and the like. Specific examples include polyacrylic acid; homopolymers or copolymers of acrylic acid esters such as methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, butyl acrylate, and isopropyl acrylate.
  • acrylic acid compounds examples include polyacrylic acid such as Aron A-10H manufactured by Toagosei Co., Ltd .; and ammonium polyacrylate such as Aron A-30 manufactured by Toagosei Co., Ltd.
  • IE Other electrode components
  • IA activated carbon particles
  • IB binder
  • ketjen black IC
  • ID acrylic acid compound
  • Additives may be blended. Examples of other additives include the conductive materials other than ketjen black (IC).
  • a preferable additive is, for example, acetylene black, and a commercially available product is, for example, Denka Black FX-35 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
  • Electrode components are based on 100 parts by mass of activated carbon particles (IA), 2-20 parts by mass of binder (IB), 1-30 parts by mass of Ketjen Black (IC), acrylic compound (ID) Is preferably blended in an amount of 1 to 5 parts by mass.
  • IA activated carbon particles
  • binder IB
  • Ketjen Black IC
  • acrylic compound ID
  • Is preferably blended in an amount of 1 to 5 parts by mass.
  • 3 to 10 parts by weight of binder (IB) and 8 parts of ketjen black (IC) are used per 100 parts by weight of activated carbon particles (IA). More preferably, 20 parts by mass and 2-4 parts by mass of an acrylic acid compound (ID) are blended.
  • the activated carbon particles (IA) are used so as to obtain good conductivity (low internal resistance) and, if too much, the capacitance of the capacitor is reduced. Is preferably adjusted so that the total amount of ketjen black (IC) and other conductive material is 1 to 50% by mass.
  • the electrode can be formed by various methods. For example, activated carbon particles (IA), ketjen black (IC) and, if necessary, other electrode components (IE) such as other conductive materials are dry mixed. In the mixing process, acrylic acid compound (ID) and water are added as appropriate to disperse the particles. Next, a binder (IB) and water are added as appropriate, followed by wet mixing to prepare a homogeneous electrode forming slurry. This slurry is applied on a metal foil such as a current collector, pressed as appropriate, and dried to produce an electrode.
  • IA activated carbon particles
  • IC ketjen black
  • IE other electrode components
  • the bulk density (electrode density) of the produced electrode it is preferable to adjust the bulk density (electrode density) of the produced electrode to 0.45 g / cm 3 or less.
  • the electrode density is increased (0.6 g / cm 3 or more) from the viewpoint of improvement in capacitance and reduction in internal resistance (for example, Patent Document 2). There is no example of examining the electrode density.
  • Electrode density is preferably 0.45 g / cm 3 or less from the viewpoint withstand voltage is good, more is 0.40 g / cm 3 or less. On the other hand, 0.35 g / cm 3 or more is preferable from the viewpoint of maintaining the mechanical strength.
  • the method for adjusting the electrode density is not particularly limited, and for example, the following method can be adopted.
  • Method of adjusting solid content concentration of electrode slurry For example, it is preferable to adjust the solid content concentration to 15 to 25% by mass, preferably 18 to 22% by mass.
  • the pressing pressure may be appropriately selected according to the target electrode thickness and the like.
  • the current collector may be any material that is chemically and electrochemically resistant to corrosion.
  • the conductive coating is obtained by applying graphite particles having an average particle diameter of 10 ⁇ m as a filler and a water paint of cellulose as a binder on a current collector, and preferably has a thickness of 1 to 30 ⁇ m. By setting it as this thickness, formation of an electrode layer becomes easy and increase of the internal resistance of an electrode can be suppressed.
  • the electrode layer is formed on the conductive film of the current collector on which the conductive film is formed, from the viewpoint of improvement in the withstand voltage of the electrode, high temperature load characteristics, and the like.
  • the electrode may be an electric double layer capacitor using the above electrodes for both electrodes, but a configuration using a non-polarizable electrode on one side, for example, a positive electrode mainly composed of a battery active material such as a metal oxide, and activated carbon mainly A configuration in which the negative electrode of the electrode of the present invention is combined is also possible.
  • the present invention also relates to an electric double layer capacitor comprising the electrode of the present invention.
  • the structure of the electric double layer capacitor of the present invention may be the same as that of a conventionally known electric double layer capacitor except that the electrode of the present invention is provided, and if necessary between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte is filled through a separator. Composed.
  • the electrolytic solution may be an aqueous electrolytic solution, but a non-aqueous (organic) electrolytic solution is preferable because the operating voltage can be widened.
  • the non-aqueous electrolyte suitably used in the present invention is a fluorine electrolyte and includes a fluorine solvent (IIA) and an electrolyte salt (IIB).
  • fluorinated solvent (IIA) used in the electric double layer capacitor of the present invention for example, a fluorinated solvent containing a fluorinated cyclic carbonate described in Patent Document 3 has a high electric resistance and a wide electrolyte. It is preferable from the viewpoint of excellent solubility.
  • the formula (1) As the fluorine-containing cyclic carbonate, the formula (1): (Wherein X 1 to X 4 are the same or different and all are —H, —F, —CF 3 , —CHF 2 , —CH 2 F, —C 2 F 5 or —CH 2 CF 3 ; At least one of X 1 to X 4 is —F, —CF 3 , —C 2 F 5 or —CH 2 CF 3 ). This is preferable from the viewpoint of high withstand voltage.
  • the fluorine-containing cyclic carbonate contained in the fluorine-based solvent (IIA) has particularly excellent characteristics such as a high dielectric constant and a high withstand voltage, and also has a good ability to reduce the solubility of the electrolyte salt and internal resistance. From the point that the characteristics as an electric double layer capacitor in the present invention is improved, It is preferably at least one selected from the group consisting of:
  • the fluorine content of the fluorine-containing cyclic carbonate is preferably 15 to 55% by mass, more preferably 17 to 44% by mass from the viewpoint of dielectric constant and oxidation resistance.
  • Etc. can also be used as the fluorine-containing cyclic carbonate.
  • the content of the fluorinated cyclic carbonate in the fluorinated solvent (IIA) is preferably 100 to 20% by volume, more preferably 90 to 20% by volume, from the viewpoint of good dielectric constant and viscosity.
  • the fluorinated cyclic carbonate represented by the formula (1) may be used alone or as a mixture with other fluorinated electrolyte salt dissolving solvent or non-fluorinated electrolyte salt dissolving solvent. May be.
  • a fluorine-containing cyclic carbonate generally has a high melting point, it may cause an obstacle to operation at a low temperature by itself. In such a case, it should be used as a mixture of the fluorine-containing cyclic carbonate represented by the formula (1) and another solvent for dissolving the fluorine-containing electrolyte salt from the viewpoint of improving oxidation resistance and viscosity and maintaining low temperature characteristics. Is preferred.
  • Solvents for dissolving the fluorine-containing electrolyte salt used as a co-solvent for the fluorine-containing cyclic carbonate represented by the formula (1) include fluorine-containing chain carbonates, fluorine-containing chain esters, fluorine-containing chain ethers, fluorine-containing lactones, And fluorine sulfolane derivatives.
  • Rf a1 and Rf a2 are the same or different and are an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, provided that at least one of them is a fluorine-containing group having 1 to 4 carbon atoms.
  • Those represented by (which are alkyl groups) are preferred.
  • fluorine-containing chain carbonates this is because it has excellent characteristics such as high dielectric constant and high withstand voltage, and it can improve the solubility of electrolyte salts, reduce internal resistance, and maintain low-temperature characteristics. From the point that the characteristics as an electric double layer capacitor in the invention are improved, Etc. are preferable.
  • Etc fluorine-containing chain carbonate
  • compounds described in JP-A-06-21992, JP-A-2000-327634, JP-A-2001-256983 and the like can be mentioned.
  • fluorine-containing chain ether examples include, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 08-037024, 09-097627, 11-026015, 2000-294281, and 2001-052737. Examples thereof include compounds described in JP-A-11-307123.
  • Rf c1 -O-Rf c2 (3) (Wherein, Rfc1 and Rfc2 are the same or different and both are fluorine-containing alkyl groups having 2 to 4 carbon atoms).
  • Rf c1 includes, for example, —CH 2 CF 2 CHF 2 , —CH 2 C 2 F 4 CHF 2 , —CH 2 CF 3 , —CH 2 C 3 F 6 CHF 2 , —CH 2 C 2 F 5 , —CH 2 CF 2 CHFCF 3 , —CH 2 CF (CF 3 ) CF 2 CHF 2 , —C 2 H 4 C 2 F 5 , —C 2 H 4 CF 3 and the like, and Rf c2
  • —CF 2 CF 2 H, —CF 2 CHFCF 3 , —C 2 F 4 CHF 2 , —C 2 H 4 CF 3 , —CH 2 CHFCF 3 , —C 2 H 4 C 2 F 5 are preferable.
  • fluorine-containing chain ester examples include CF 3 C ( ⁇ O) OC 2 F 5 , CF 3 C ( ⁇ O) OCH 2 CF 3 , CF 3 C ( ⁇ O) OCH 2 CH 2 CF 3 , and CF 3.
  • CF 3 C ( ⁇ O) OC 2 F 5 , CF 3 C ( ⁇ O) are preferred because they have good compatibility with other solvents, viscosity, and oxidation resistance.
  • OCH 2 C 2 F 5 , CF 3 C ( ⁇ O) OCH 2 CF 2 CF 2 H, CF 3 C ( ⁇ O) OCH 2 CF 3 , CF 3 C ( ⁇ O) OCH (CF 3 ) 2 are particularly preferred. .
  • fluorine-containing lactone for example, formula (5): (Wherein X 5 to X 10 are the same or different and all are —H, —F, —Cl, —CH 3 or a fluorine-containing methyl group; provided that at least one of X 5 to X 10 is fluorine-containing methyl
  • fluorine-containing lactone examples include those represented by the formula (6): (In the formula, either one of A and B is CX 16 X 17 (X 16 and X 17 are the same or different, and all are —H, —F, —Cl, —CF 3 , —CH 3 or a hydrogen atom) may be substituted with a halogen atom include a hetero atom in the chain is also an alkyl group), the other is an oxygen atom; Rf e is a fluorine-containing ether group, a fluorine-containing alkoxy group or having two or more carbon atoms containing Fluoroalkyl group; X 11 and X 12 are the same or different, all are —H, —F, —Cl, —CF 3 or —CH 3 ; X 13 to X 15 are the same or different and both are —H, Examples thereof include -F, -Cl or an alkyl group in which a hydrogen atom may be substituted with a
  • Etc. can also be used.
  • fluorine-containing sulfolane derivative examples include the fluorine-containing sulfolane derivatives described in JP-A-2003-132994, Is preferred.
  • Solvents for dissolving the non-fluorinated electrolyte salt used as a co-solvent for the fluorine-containing cyclic carbonate represented by the formula (1) include non-fluorinated cyclic carbonates, non-fluorinated chain carbonates, non-fluorinated chain esters, non-fluorine Examples thereof include chain ethers, non-fluorine lactones, non-fluorine sulfolane derivatives, and other solvents for dissolving non-fluorine electrolyte salts.
  • non-fluorinated cyclic carbonates examples include: Etc.
  • non-fluorine chain carbonate for example, the formula (7): (Wherein, R a1 and R a2 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms).
  • the electric double layer capacitor according to the present invention is particularly advantageous in that it has excellent characteristics such as a high dielectric constant and a high withstand voltage, and also has good solubility in electrolyte salts and a reduction in internal resistance. From the point that the characteristics as Etc. are preferable.
  • non-fluorine chain carbonates include Etc. can also be used.
  • the electrolyte salt dissolving solvent used as a co-solvent for the fluorine-containing cyclic carbonate represented by the formula (1) is preferably a fluorine-containing electrolyte salt dissolving solvent from the viewpoint of good oxidation resistance and viscosity. More preferred are fluorine chain carbonates, fluorine-containing chain esters, and fluorine-containing chain ethers.
  • the solvent (IIA) for operation at a high voltage of 3.5 V or higher includes the fluorine-containing cyclic carbonate represented by the formula (1), the fluorine-containing chain carbonate, the fluorine-containing chain ester, and the fluorine-containing chain. What consists only of at least 1 sort (s) chosen from the group which consists of ether is preferable. Of these, fluorine-containing chain ethers are preferred from the viewpoint of good oxidation resistance.
  • Fluorine-containing cyclic carbonates CF 3 CF 2 CH 2 —O—CF 2 CFHCF 3 , HCF 2 CF 2 CH 2 —O—CF 2 CFHCF 3 , CF 3 CF 2 CH 2 —O—CF 2 CF 2 H and It is a mixture with at least one fluorine-containing chain ether selected from the group consisting of HCF 2 CF 2 CH 2 —O—CF 2 CF 2 H.
  • the electrolyte salt (IIB) includes conventionally known ammonium salts and metal salts, liquid salts (ionic liquids), inorganic polymer type salts, organic polymer type salts, and the like. .
  • ammonium salt conventionally known ones can be used, and examples include spiro-ring bipyridinium salts, imidazolium salts, tetraalkyl quaternary ammonium salts, N-alkylpyridinium salts, N, N-dialkylpyrrolidinium salts and the like.
  • Examples of the spiro ring bipyridinium salt include those represented by the formula (10-1): (Wherein R f1 and R f2 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms; X ⁇ is an anion; n1 is an integer of 0 to 5; n2 is an integer of 0 to 5) Spirocyclic bipyridinium salt, formula (10-2): (Wherein R f3 and R f4 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms; X ⁇ is an anion; n3 is an integer of 0 to 5; n4 is an integer of 0 to 5) Spiro ring bipyridinium salt or formula (10-3): (Wherein R f5 and R f6 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms; X ⁇ is an anion; n5 is an integer of 0 to 5; n6 is an integer of 0
  • the spiro-ring bipyridinium salt in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with a fluorine atom and / or a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is preferable from the viewpoint of improving oxidation resistance.
  • the anion X ⁇ may be an inorganic anion or an organic anion.
  • the inorganic anion include AlCl 4 ⁇ , BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , AsF 6 ⁇ , TaF 6 ⁇ , I ⁇ and SbF 6 ⁇ .
  • the organic anion include CH 3 COO ⁇ , CF 3 SO 3 ⁇ , (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N ⁇ and the like.
  • BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ or (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N ⁇ are highly dissociable and have low internal resistance under high voltage. In particular, BF 4 ⁇ and PF 6 ⁇ are more preferable.
  • spirocyclic bipyridinium salt examples include, for example, Etc.
  • This spiro-ring bipyridinium salt is excellent in terms of solubility in a solvent, oxidation resistance, and ion conductivity.
  • an imidazolium salt for example, formula (11): An imidazolium salt represented by the formula (wherein R g1 and R g2 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms; X ⁇ is an anion) is preferred.
  • the imidazolium salt in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with a fluorine atom and / or a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is preferable from the viewpoint of improving oxidation resistance.
  • Preferred examples of the anion X ⁇ are the same as those of the spiro ring bipyridinium salt.
  • imidazolium salts include, for example, formula (12): And ethylmethylimidazolium salt represented by the formula:
  • This imidazolium salt has low viscosity and is excellent in solubility in a solvent.
  • tetraalkyl quaternary ammonium salt examples include the formula (13): (Wherein R h1 , R h2 , R h3 and R h4 are the same or different, and all are alkyl groups which may contain an ether bond having 1 to 6 carbon atoms; X ⁇ is an anion) Preferred is a quaternary ammonium salt.
  • the tetraalkyl quaternary ammonium salt in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms and / or fluorine-containing alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms is preferable from the viewpoint of improving oxidation resistance. .
  • Preferred examples of the anion X ⁇ are the same as those of the spiro ring bipyridinium salt.
  • tetraalkyl quaternary ammonium salt examples include, for example, Et 4 NBF 4 , Et 4 NClO 4 , Et 4 NPF 6 , Et 4 NAsF 6 , Et 4 NSbF 6 , Et 4 NCF 3 SO 3 , Et 4 N (CF 3 SO 2 ) 2 N, Et 4 NC 4 F 9 SO 3 , Et 3 MeBF 4 , Et 3 MeClO 4 , Et 3 MePF 6 , Et 3 MeAsF 6 , Et 3 MeSbF 6 , Et 3 MeCF 3 SO 3 Et 3 Me (CF 3 SO 2 ) 2 N, Et 3 MeC 4 F 9 SO 3, etc., especially Et 4 NBF 4 , Et 4 NPF 6 , Et 4 NSbF 6 , Et 4 NAsF 6 (Me is A methyl group, Et is an ethyl group) and the like are preferable.
  • N-alkylpyridinium salts include, for example, formula (14): N-alkylpyridinium salts represented by the formula (wherein R i1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms; X ⁇ is an anion) are preferred.
  • the N-alkylpyridinium salt in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with a fluorine atom and / or a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is preferable from the viewpoint of improving oxidation resistance.
  • Preferred examples of the anion X ⁇ are the same as those of the spiro ring bipyridinium salt.
  • This N-alkylpyridinium salt has low viscosity and is excellent in solubility in a solvent.
  • N, N-dialkylpyrrolidinium salts include, for example, formula (15): Preferred examples include N, N-dialkylpyrrolidinium salts represented by the formula (wherein R j1 and R j2 are the same or different and both are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms; X ⁇ is an anion). Further, the oxidation resistance of the N, N-dialkylpyrrolidinium salt in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with a fluorine atom and / or a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is improved. It is preferable from the point.
  • Preferred examples of the anion X ⁇ are the same as those of the spiro ring bipyridinium salt.
  • This N, N-dialkylpyrrolidinium salt has low viscosity and is excellent in solubility in a solvent.
  • spiro-ring bipyridinium salts and imidazolium salts are preferred in terms of solubility in solvents, oxidation resistance, and ionic conductivity.
  • X ⁇ is BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ or (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N ⁇ , particularly PF 6 ⁇ )
  • X ⁇ is BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ or (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N ⁇ , particularly BF 4 ⁇ or PF 6 ⁇ .
  • lithium salt for example, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiN (SO 2 C 2 H 5) 2 is preferred.
  • a magnesium salt may be used to improve the capacitance.
  • the magnesium salt for example, Mg (ClO 4 ) 2 , Mg (OOC 2 H 5 ) 2 and the like are preferable.
  • fluorine-containing cyclic carbonate of the formula (1) of the fluorine-based solvent (IIA) is, BF4-, PF 6 -, N of the (O 2 SC 2 F 5) 2 or N (O 2 SCF 3)
  • a cyclic quaternary onium salt composed of an anion is preferred.
  • the amount of electrolyte salt (IIB) blended varies depending on the required current density, application, type of electrolyte salt, etc., but fluorine-containing cyclic carbonate (total amount when other electrolyte salt dissolving solvents are used in combination) 100 mass It is preferably 0.1 parts by mass or more, further 1 part by mass or more, particularly 5 parts by mass or more, 200 parts by mass or less, more preferably 100 parts by mass or less, and particularly preferably 50 parts by mass or less.
  • the electrolytic solution used in the present invention is prepared by dissolving the electrolyte salt (IIB) in the fluorine-based solvent (IIA).
  • the electrolytic solution may be a gel (plasticized) gel electrolytic solution in combination with a polymer material that dissolves or swells in the solvent used in the electrolytic solution of the present invention.
  • Examples of such a polymer material include conventionally known polyethylene oxide and polypropylene oxide, modified products thereof (JP-A-8-222270 and JP-A-2002-1000040); polyacrylate polymers, polyacrylonitrile, and polyvinylidene fluoride.
  • Fluorine resins such as vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (JP-A-4-506726, JP-A-8-507407, JP-A-10-294131); Examples thereof include composites with resins (Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-35765 and 11-86630).
  • ion conductive compounds described in Japanese Patent Application No. 2004-301934 can also be used.
  • the electrolyte used in the present invention may contain other additives as necessary.
  • other additives include metal oxides and glass.
  • Such an electrolytic solution can simultaneously improve the flame retardancy, the solubility of the electrolyte salt and the compatibility with the hydrocarbon solvent while maintaining the low temperature characteristics, and also stable characteristics at a withstand voltage of 3.5 V or more. Therefore, it is excellent as an electrolytic solution for an electric double layer capacitor.
  • the electric double layer capacitor As the electric double layer capacitor, a wound cell type electric double layer capacitor, a laminate type electric double layer capacitor, a coin type electric double layer capacitor and the like are generally known, and the electric double layer capacitor of the present invention is also in these types. be able to.
  • a positive electrode and a negative electrode made of a laminate (electrode) of a current collector and an electrode layer are wound through a separator to produce a wound element, and the wound element is made of aluminum. And then filled with an electrolytic solution, preferably a non-aqueous electrolytic solution, and then sealed and sealed with a rubber sealing body.
  • the electrode of the present invention contains an acrylic acid compound (ID), it has sufficient mechanical properties, particularly bending resistance, and can easily and stably produce a wound element. Also, it has excellent durability.
  • ID acrylic acid compound
  • separator conventionally known materials and configurations can be used in the present invention.
  • a polyethylene porous film, polypropylene fiber, glass fiber, cellulose fiber non-woven fabric and the like can be mentioned.
  • a laminate type electric double layer capacitor in which a sheet-like positive electrode and a negative electrode are laminated via an electrolytic solution and a separator, or a positive electrode and a negative electrode are made coin-type by fixing with a gasket and an electrolytic solution and a separator.
  • a configured coin type electric double layer capacitor can also be used.
  • Example 1 (Production of electrodes) (Preparation of electrode slurry) 100 parts by weight of steam-activated non-graphitized activated carbon particles (YP50F manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1600 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m), acetylene black (Electrochemical Industry Co., Ltd.) 3 parts by weight of Denka Black (manufactured by Lion Corporation), 16 parts by weight of Carbon ECP600JD (manufactured by Lion Corporation), 6 parts by weight of elastomer binder (AZ-9001 made by ZEON Corporation), thickener 3 parts by weight (A10H manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) was mixed to prepare an electrode slurry.
  • YP50F manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1600 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m
  • acetylene black Electrochemical Industry Co., Ltd.
  • Denka Black manufactured by Lion Corporation
  • Edged aluminum (20CB manufactured by Nihon Densetsu Kogyo Co., Ltd., thickness of about 20 ⁇ m) is prepared as a current collector, and a conductive paint (manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) is used on both sides of the current collector using a coating device.
  • a bunny height T602 was applied to form a conductive layer (thickness: 2 ⁇ m).
  • the electrode slurry prepared above was applied to the conductive layer formed on both sides of the current collector using a coating apparatus to form an electrode layer (thickness: 110 ⁇ m), thereby producing the electrode of the present invention.
  • the electrode density was 0.41 g / cm 3 and the evaluation of the bending resistance was ⁇ .
  • Electrode density The weight and outer dimensions of etched aluminum (base material) coated with a conductive layer cut to a predetermined size are measured, and an electrode layer is applied to the top.
  • the electrode weight is obtained by subtracting the weight of the substrate from the weight dried at 140 ° C. for 1 hour after coating, and the outer volume of the substrate is subtracted from the outer volume after coating. .
  • the electrode density is calculated from the calculated electrode weight and outer dimensions.
  • Example 2 (Production of capacitor) The electrode produced in Example 1 was cut to a width of 31 mm. This electrode was wound with a separator (TF45-30 manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd., width 34 cm) by a winding machine for EDLC to produce a cylindrical wound body having a diameter of 16 mm. At that time, a tab lead for electrode lead-out was connected to the electrode by caulking.
  • a separator TF45-30 manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd., width 34 cm
  • a wound cell type capacitor ( ⁇ 18 mm ⁇ 40 mm) was produced by sealing through packing.
  • Capacitance retention rate (%) (capacitance at ⁇ 10 ° C./capacitance at 25 ° C.) ⁇ 100
  • Capacitance retention rate (%) (capacitance at each time / capacitance before start of evaluation (initial)) ⁇ 100
  • the capacitance retention after 500 hours is 70% or more and the internal resistance increase rate is 400% or less, which is excellent in load characteristics at high temperature (70 ° C.). It has excellent cycle characteristics and rate performance in use, and has long-term reliability.
  • Example 3 As an electrolytic solution, sulfolane, HCF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CF 2 H, and dimethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 65/15/20 to prepare a solvent for dissolving the electrolyte salt, and triethyl was added to the solvent for dissolving the electrolyte salt.
  • a wound cell type capacitor was fabricated in the same manner as in Example 2 except that a homogeneous solution in which methylammonium (TEMA) BF 4 was added to a concentration of 1.2 mol / liter was used as the electrolytic solution.
  • methylammonium (TEMA) BF 4 was added to a concentration of 1.2 mol / liter was used as the electrolytic solution.
  • Example 4 Sulfolane and HCF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CF 2 H were mixed at a volume ratio of 75/25 to prepare a solvent for dissolving the electrolyte salt, and spirobipyridinium tetrafluoroborate was added to the solvent for dissolving the electrolyte salt as 1.2.
  • a wound cell type capacitor was fabricated in the same manner as in Example 2 except that a homogeneous solution added so as to have a mol / liter concentration was used as the electrolyte.
  • Example 5 100 parts by weight of steam-activated non-graphitized activated carbon particles (YP50FH manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1600 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m), acetylene black (Electrochemical Co., Ltd.) 3 parts by weight of Denka Black (manufactured by Lion Corporation), 16 parts by weight of Carbon ECP600JD (manufactured by Lion Corporation), 6 parts by weight of elastomer binder (AZ-9001 made by ZEON Corporation), thickener 3 parts by weight (A10H manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) was mixed to prepare an electrode slurry.
  • YP50FH manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1600 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m 100 parts by weight of steam-activated non-graphitized activated carbon particles (YP50FH manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1600
  • An electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that this electrode slurry was used, and the electrode density and bending resistance were examined.
  • the electrode density was 0.35 g / cm 3. It was ⁇ .
  • a wound cell type capacitor was produced in the same manner as in Example 2 except that this electrode was used.
  • Example 6 100 parts by weight of steam-activated non-graphitized activated carbon particles (YP80F manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 2000 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m), acetylene black (Electrochemical Industry Co., Ltd.) 3 parts by weight of Denka Black (manufactured by Lion Corporation), 16 parts by weight of Carbon ECP600JD (manufactured by Lion Corporation), 6 parts by weight of elastomer binder (AZ-9001 made by ZEON Corporation), thickener 3 parts by weight (A10H manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) was mixed to prepare an electrode slurry.
  • YP80F manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 2000 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m
  • acetylene black Electrochemical Industry Co., Ltd.
  • Denka Black manufactured by Lion Corporation
  • Carbon ECP600JD manufactured by Lion Corporation
  • An electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that this electrode slurry was used, and the electrode density and bending resistance were examined.
  • the electrode density was 0.35 g / cm 3. It was ⁇ .
  • a wound cell type capacitor was produced in the same manner as in Example 2 except that this electrode was used.
  • Example 7 100 parts by weight of steam-activated non-graphitized activated carbon particles (RP-20 manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 1800 m 2 / g, average particle size 8 ⁇ m), and acetylene black (Electrochemical Industry ( 3 parts by weight of Denka Black), 16 parts by weight of Ketjen Black (Carbon ECP600JD made by Lion Corporation), and 6 parts by weight of elastomer binder (AZ-9001 made by Nippon Zeon Co., Ltd.) 3 parts by weight of a sticky material (A10H manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) was mixed to prepare an electrode slurry.
  • RP-20 steam-activated non-graphitized activated carbon particles
  • specific surface area 1800 m 2 / g, average particle size 8 ⁇ m
  • acetylene black Electrochemical Industry
  • 16 parts by weight of Ketjen Black Carbon ECP600JD made by Lion Corporation
  • elastomer binder AZ-9001
  • An electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that this electrode slurry was used, and the electrode density and bending resistance were examined.
  • the electrode density was 0.41 g / cm 3. ⁇ .
  • a wound cell type capacitor was produced in the same manner as in Example 2 except that this electrode was used.
  • Comparative Example 1 100 parts by weight of alkali-activated graphitized activated carbon particles (NK261 made by Kuraray Chemical Co., Ltd., specific surface area: 2300 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m), acetylene black (Electrochemical Co., Ltd.) as a conductive auxiliary 3 parts by weight of Denka Black (manufactured by Lion Corporation), 16 parts by weight of Carbon ECP600JD (manufactured by Lion Corporation), 6 parts by weight of elastomer binder (AZ-9001 made by ZEON Corporation), thickener 3 parts by weight (A10H manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) was mixed to prepare an electrode slurry.
  • NK261 alkali-activated graphitized activated carbon particles
  • specific surface area 2300 m 2 / g, average particle size 6 ⁇ m
  • acetylene black Electrochemical Co., Ltd.
  • Denka Black manufactured by Lion Corporation
  • Carbon ECP600JD
  • An electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that this electrode slurry was used, and the electrode density and bending resistance were examined.
  • the electrode density was 0.40 g / cm 3. ⁇ .
  • a wound cell type capacitor was produced in the same manner as in Example 2 except that this electrode was used.

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Abstract

 高い静電容量と低い内部抵抗を有し、しかも耐電圧の高い電気二重層キャパシタであって、難黒鉛化炭素を水蒸気賦活して得られる活性炭粒子、結合材、ケッチェンブラックおよびアクリル酸系化合物を含む電極層を備える電気二重層キャパシタ用電極、および該電極を備える電気二重層キャパシタを提供する。

Description

電気二重層キャパシタ
 本発明は、電気二重層キャパシタに関する。
 電気二重層キャパシタは、電気自動車や瞬時停電時の電源として期待され、種々検討されている。そうした電気二重層キャパシタには高い静電容量と低い内部抵抗が望まれ、電解質を溶解する溶媒として、水系の溶媒(特許文献1)や非フッ素系の非水系溶媒(特許文献2)やフッ素系の非水系溶媒(特許文献3)が使用されている。
 また、非水系の溶媒において特許文献2では電極の構成も提案されており、溶融KOH賦活処理法(アルカリ賦活処理法)で賦活した特定の粒径と細孔容積をもつ球状活性炭と導電性付与剤と高分子系結合材を特定の嵩密度にすることで、高い静電容量と低い内部抵抗が実現できると述べられている。
特開2007-157976号公報 特開2001-143973号公報 国際公開第2008/084846号
 電気二重層キャパシタには、上記の高い静電容量と低い内部抵抗が要求されるとともに、それに見合った高い耐電圧も必要である。
 本発明の目的は、高い静電容量と低い内部抵抗を有し、しかも耐電圧の高い電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。
 すなわち本発明は、難黒鉛化炭素を水蒸気賦活して得られる活性炭粒子(IA)、結合材(IB)、ケッチェンブラック(IC)およびアクリル酸系化合物(ID)を含む電極層を備える電気二重層キャパシタ用電極に関する。
 本発明の電極において、前記電極層は集電体表面に形成された導電性被膜上に設けられていることが好ましい。
 また、電極層の電極密度は0.45g/cm3以下であることが好ましい。
 本発明はまた、本発明の電極を備える電気二重層キャパシタにも関する。
 本発明の電気二重層キャパシタは、電解液として非水系電解液、なかでもフッ素系電解液を備えていることが好ましい。
 本発明によれば、高い静電容量と低い内部抵抗を有し、しかも耐電圧の高い電気二重層キャパシタを提供することができる。
 本発明の電気二重層キャパシタ用電極は、難黒鉛化炭素を水蒸気賦活して得られる活性炭粒子(IA)、結合材(IB)、ケッチェンブラック(IC)およびアクリル酸系化合物(ID)を含む電極層を備えていることを特徴とする。以下、各構成について説明する。
(IA)特定の活性炭粒子
 一般に活性炭粒子は電気二重層キャパシタの静電容量を大きくする役割を有している。本発明で使用する活性炭粒子は、難黒鉛化炭素粒子を水蒸気賦活して得られる活性炭粒子である。
 活性炭材料としては、黒鉛化しやすい活性炭(易黒鉛化炭素)と、黒鉛化しにくい活性炭(難黒鉛化炭素)があるが、本発明では難黒鉛化炭素を使用する。また、活性炭粒子を活性化するために水蒸気賦活処理法や溶融KOH賦活処理法(アルカリ賦活処理法)などの賦活処理が行われるが、本発明では水蒸気賦活処理法を採用する。
 難黒鉛化炭素を水蒸気賦活処理することによって得られる活性炭粒子は、高電圧印加時での容量劣化が少ないなどの特性が優れており、その理由は明らかではないが、これらの特性は易黒鉛化炭素を用いた場合、または溶融KOH賦活処理法で賦活処理した場合に比べて向上している。
 難黒鉛化炭素は不活性ガス雰囲気下での高温で炭化処理しても黒鉛化しにくい炭素のことをいい、同じ炭化処理で黒鉛化しやすい易黒鉛化炭素と区分けできる。難黒鉛化炭素としては一般的には熱硬化性樹脂や天然有機物を炭化処理したものがあげられ、易黒鉛化炭素は熱可塑性樹脂や石油ピッチなどを炭化処理したものである。
 難黒鉛化炭素の原料としての熱硬化性樹脂としては、たとえばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、アルキッド樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などのほか、フルフラール樹脂、シリコーン樹脂、フラン樹脂、キシレン樹脂などがあげられ、粒状の材料を炭化処理することで活性炭粒子を得ることができる。
難黒鉛化炭素の原料としての天然有機物としては、天然ヤシガラが入手の容易さの点から好ましく、有害不純物を含まないものを炭化処理することでヤシガラ炭を得ることができる。
 かかる難黒鉛化炭素の水蒸気賦活処理は従来公知の方法でよく、たとえば水蒸気雰囲気下に難黒鉛化炭素を好ましくは500~1000℃、より好ましくは700~1000℃の温度で約5分間~10時間処理する方法が例示できるが、この条件に限定されるものではない。水蒸気賦活処理により得られた活性炭粒子は多孔質化が進み、活性化される。
 水蒸気賦活処理された活性炭粒子は、大容量で低内部抵抗の電気二重層キャパシタが得られる点から、平均粒径が20μm以下、好ましくは10μm以下、比表面積が1500~3000m2/gの活性炭粒子が好ましい。また、抽出法により測定されたカリウム含有量が0~200ppm程度、あるいは細孔容積が1.5cm3/g以下の活性炭粒子も好ましい。
 ヤシガラ炭由来の水蒸気賦活処理された難黒鉛化炭素活性炭粒子の市販品としては、たとえばクラレケミカル(株)製のYP50F、YP50FH、YP80F、YP80FH(いずれも商品名)などが例示できるが、これらに限定されるものではない。
 また、難黒鉛化炭素の原料としての有機物としては、フェノール樹脂もあげられる。フェノール樹脂由来の水蒸気賦活処理された難黒鉛化炭素活性炭粒子の市販品としては、たとえばクラレケミカル(株)製のRP-20(商品名)などが例示できるが、これらに限定されるものではない。
(IB)結合材
 結合材(IB)は、活性炭粒子(IA)、および導電材として添加されるケッチェンブラック(IC)などの他の電極成分を用いて電極に成形する際に、それらの粒子を結合するために使用される。
 したがって、その目的を達成し得るものであれば特に限定されないが、通常、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などのフッ素系樹脂;ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴムなどの非フッ素系エラストマーが使用されている。
 なかでも、耐電圧性が良好な点からフッ素系樹脂、特にPTFEが好ましいが、集電体との密着性が悪く、加工性や長期信頼性にかけてしまう。そこで、耐圧性が良好であり、集電体との密着性が良好な点から、非フッ素系エラストマーであるアクリレート系共重合体が好ましい。
(IC)ケッチェンブラック
 本発明においてケッチェンブラック(IC)は導電材としての役割を果たす。キャパシタの電極材料としての導電材は、大比表面積の不活性炭で電子伝導性を付与する役割を有し、ケッチェンブラックのほか、たとえばカーボンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛などの炭素質材料;金属ファイバ、導電性酸化チタン、酸化ルテニウムなどの無機材料が知られているが、難黒鉛化炭素を水蒸気賦活処理することによって得られる活性炭粒子(IA)を用いる場合、ケッチェンブラック(IC)を併用することにより、より高い耐電圧を与え、しかも高い静電容量と低い内部抵抗を有している。
 ケッチェンブラック(IC)の市販品としては、たとえばライオン(株)製のカーボンECP600JDがあげられる。
(ID)アクリル酸系化合物
 電極を作製する場合、活性炭粒子(IA)、結合材(IB)、ケッチェンブラック(IC)、その他必要に応じて添加される他の添加剤を溶媒、たとえば水に分散させてスラリーとし、金属箔や集電体に塗布して成形する。その際、スラリー中に粒子を均質に分散させかつ流動性を適正な流動性に調整するために、増粘剤が添加されている。この増粘剤成分も電極中に残存するため、静電容量、内部抵抗に加えて耐電圧にも影響を与える。
 本発明においては、アクリル酸系化合物(ID)は、そうした増粘剤として、活性炭粒子(IA)、結合材(IB)およびケッチェンブラック(IC)に加えて添加される成分であり、意外なことに、増粘剤として公知の他の化合物、たとえばカルボキシメチルセルロース(CMC)などに比して耐電圧が高く、高い耐電圧を有するフッ素系電解液を用いたキャパシタの性能の向上に大きな役割を果たしている。その理由は明らかではないが、比較的酸化されやすい水酸基ではなく酸化されにくいカルボキシル基を有していることが一因と推定される。もちろん、本来の添加目的である他の粒子の分散性も良好で、作製された電極の強度も良好である。
 アクリル酸系化合物(ID)としては、ポリアクリル酸またはそのナトリウムやカリウム、リチウムなどの塩;ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸エステル、アクリル酸共重合体などの1種または2種以上が含まれ、具体的にはたとえばポリアクリル酸;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸イソプロピルなどのアクリル酸エステルの単独重合体または共重合体などが挙げられる。
 アクリル酸系化合物の市販品としては、たとえば東亞合成(株)製のアロンA-10Hなどのポリアクリル酸;東亞合成(株)製のアロンA-30などのポリアクリル酸アンモニウムが例示できる。
(IE)他の電極成分
 以上の活性炭粒子(IA)、結合材(IB)、ケッチェンブラック(IC)およびアクリル酸系化合物(ID)に加えて、電気二重層キャパシタ用の電極に通常配合される添加剤を配合してもよい。他の添加剤としては、たとえばケッチェンブラック(IC)以外の上記導電材があげられる。
 好ましい添加剤としては、たとえばアセチレンブラックがあげられ、市販品としては、たとえば電気化学工業(株)製のデンカブラックFX-35があげられる。
 これらの電極成分は、活性炭粒子(IA)100質量部に対して、結合材(IB)を2~20質量部、ケッチェンブラック(IC)を1~30質量部、アクリル酸系化合物(ID)を1~5質量部配合することが好ましい。より高い静電容量と低い内部抵抗と高い耐電圧を得るには、活性炭粒子(IA)100質量部に対して、結合材(IB)を3~10質量部、ケッチェンブラック(IC)を8~20質量部、アクリル酸系化合物(ID)を2~4質量部配合することがさらに好ましい。
 他の電極成分(IE)を配合する場合は、活性炭粒子(IA)100質量部に対して、50質量部以下、さらには10質量部以下が好ましい。下限は、配合する目的を達成する量である。
 たとえばケッチェンブラック(IC)と他の導電材を配合する場合は、良好な導電性(低い内部抵抗)を得るように、また多すぎるとキャパシタの静電容量が減るため、活性炭粒子(IA)との合計量中、ケッチェンブラック(IC)と他の導電材の合計量が1~50質量%となるように調整するのが好ましい。
 電極は、種々の方法で形成することができる。たとえば、活性炭粒子(IA)、ケッチェンブラック(IC)および要すれば他の電極成分(IE)、たとえば他の導電材を乾式混合する。その混合の過程でアクリル酸系化合物(ID)と水を適宜添加して粒子を分散させる。ついで、結合材(IB)と水を適宜加えた後湿式混合し、均質な電極形成用のスラリーを調製する。このスラリーを集電体などの金属箔上に塗布し、適宜プレスし、乾燥して電極を作製する。
 本発明では、作製された電極の嵩密度(電極密度)を0.45g/cm3以下に調整することが好ましい。
 静電容量の向上や内部抵抗の低下の観点から、電極密度を高密度化(0.6g/cm3以上)することは知られている(たとえば特許文献2)が、キャパシタの耐電圧の観点から電極密度を検討した例はない。
 電極密度は、好ましくは耐電圧が良好な点から0.45g/cm3以下、さらには0.40g/cm3以下である。一方、機械的強度を維持する点から0.35g/cm3以上が好ましい。
 電極密度を調整する方法は特に限定されず、たとえばつぎの方法が採用できる。
(1)電極用スラリーの固形分濃度を調節する方法
 たとえば固形分濃度を15~25質量%、好ましくは18~22質量%に調整することが好ましい。
(2)塗布後に電極用スラリーの塗膜をプレスする際の圧力を調節する方法
 プレス圧は、目的とする電極厚などに合わせて適宜選定すればよい。
 これらの方法は単独、または組み合わせて行ってもよい。
 集電体は化学的、電気化学的に耐食性のあるものであればよい。活性炭を主体とする分極性電極の集電体としては、ステンレス、アルミニウム、チタンまたはタンタルが好ましく使用できる。これらのうち、ステンレスまたはアルミニウムが、得られる電気二重層キャパシタの特性と価格の両面において特に好ましい材料である。
 集電体には、高電圧下で安定的に使用可能にするために、導電性被膜を形成することが好ましい。導電性被膜は、フィラーとして平均粒子径10μmの黒鉛粒子、バインダーとしてセルロースの水塗料を集電体上に塗布したものであり、膜厚としては1~30μmの厚さとすることが好ましい。この厚さとすることにより、電極層の形成が容易になると共に電極の内部抵抗の増大を抑制することができる。
 本発明の電極は、導電性被膜が形成された集電体の導電性被膜上に電極層を形成することが、電極の耐電圧の向上、高温負荷特性などが良好な点から好ましい。
 電極は、上記の電極を両極に用いて電気二重層キャパシタとしてもよいが、片側に非分極性電極を用いる構成、たとえば、金属酸化物等の電池活物質を主体とする正極と、活性炭を主体とする本発明の電極の負極とを組合せた構成も可能である。
 本発明はまた、本発明の電極を備える電気二重層キャパシタにも関する。
 本発明の電気二重層キャパシタの構造は、本発明の電極を備える以外は従来公知の電気二重層キャパシタと同様でよく、正極と負極の間に要すればセパレータを介して電解液を充填して構成される。
 電解液としては、水系電解液でもよいが、動作電圧を広げることが可能であることから非水系(有機系)電解液が好ましい。
 本発明に好適に用いられる非水系電解液としてはフッ素系電解液であり、フッ素系溶媒(IIA)と電解質塩(IIB)とを含む。
(IIA)フッ素系溶媒
 本発明の電気二重層キャパシタに用いるフッ素系溶媒(IIA)としては、たとえば特許文献3に記載されている含フッ素環状カーボネートを含むフッ素系溶媒が、高い耐電性と広い電解質溶解性に優れている点から好ましい。
 含フッ素環状カーボネートとしては、式(1):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
(式中、X1~X4は同じかまたは異なり、いずれも-H、-F、-CF3、-CHF2、-CH2F、-C25または-CH2CF3;ただし、X1~X4の少なくとも1つは-F、-CF3、-C25または-CH2CF3である)で示される含フッ素環状カーボネートを含有する溶媒が、静電容量が大きく、耐電圧も高い点から好ましい。
 前記フッ素系溶媒(IIA)中に含まれる含フッ素環状カーボネートとしては、高い誘電率、高い耐電圧といった優れた特性が特に発揮できる点、そのほか電解質塩の溶解性、内部抵抗の低減が良好な点で本発明における電気二重層キャパシタとしての特性が向上する点から、
よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
 含フッ素環状カーボネートのフッ素含有率は、誘電率、耐酸化性の点から、15~55質量%が好ましく、17~44質量%がより好ましい。
 他にも、含フッ素環状カーボネートとしては、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
なども使用できる。
 フッ素系溶媒(IIA)中の含フッ素環状カーボネートの含有率は、誘電率や粘性が良好な点で、100~20体積%が好ましく、90~20体積%がより好ましい。
 溶媒(IIA)は、式(1)で示される含フッ素環状カーボネートを単独で用いてもよいし、他の含フッ素電解質塩溶解用溶媒や非フッ素系電解質塩溶解用溶媒との混合物として使用してもよい。また、含フッ素環状カーボネートは一般的に融点が高いため、単独では低温での動作に障害が生じることがある。そのようなときには、耐酸化性、粘性を向上させ、低温特性を維持する点から、式(1)で示される含フッ素環状カーボネートと他の含フッ素電解質塩溶解用溶媒との混合物として使用することが好ましい。
 式(1)で示される含フッ素環状カーボネートの共溶媒として使用する含フッ素電解質塩溶解用溶媒としては、含フッ素鎖状カーボネート、含フッ素鎖状エステル、含フッ素鎖状エーテル、含フッ素ラクトン、含フッ素スルホラン誘導体などがあげられる。
 含フッ素鎖状カーボネートとしては、粘性や耐酸化性が良好な点から、式(2):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
(式中、Rfa1およびRfa2は同じかまたは異なり、炭素数1~4のアルキル基または炭素数1~4の含フッ素アルキル基である。ただし、少なくとも一方は炭素数1~4の含フッ素アルキル基である)で示されるものが、好ましい。
 含フッ素鎖状カーボネートのなかでも、高い誘電率、高い耐電圧といった優れた特性が特に発揮できる点、そのほか電解質塩の溶解性を向上し、内部抵抗を低減し、低温特性を維持できる点で本発明における電気二重層キャパシタとしての特性が向上する点から、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
などが好ましい。
 その他、含フッ素鎖状カーボネートとしては、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
なども使用できる。また、たとえば、特開平06-21992号公報、特開2000-327634号公報、特開2001-256983号公報などに記載された化合物もあげられる。
 なかでも、耐酸化性、電解質塩の溶解性が良好な点から、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
が好ましい。
 含フッ素鎖状エーテルとしては、たとえば、特開平08-037024号公報、特開平09-097627号公報、特開平11-026015号公報、特開2000-294281号公報、特開2001-052737号公報、特開平11-307123号公報などに記載された化合物があげられる。
 なかでも、他溶媒との相溶性が良好で適切な沸点を有する点から、式(3):
 Rfc1-O-Rfc2 (3)
(式中、Rfc1およびRfc2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数2~4の含フッ素アルキル基である)で示される含フッ素鎖状エーテルが好ましい。
 とくに、Rfc1としては、たとえば、-CH2CF2CHF2、-CH224CHF2、-CH2CF3、-CH236CHF2、-CH225、-CH2CF2CHFCF3、-CH2CF(CF3)CF2CHF2、-C2425、-C24CF3などがあげられ、また、Rfc2としては、たとえば、-CF2CF2H、-CF2CHFCF3、-C24CHF2、-C24CF3、-CH2CHFCF3、-C2425が好ましい。
 含フッ素鎖状エステルとしては、難燃性が高く、かつ他溶媒との相溶性や耐酸化性が良好な点から、式(4):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
(式中、Rfb1およびRfb2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~4の含フッ素アルキル基である)で示されることが好ましい。
 含フッ素鎖状エステルとしては、たとえば、CF3C(=O)OC25、CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH2CH2CF3、CF3C(=O)OCH225、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H、CF3C(=O)OCH(CF32、CF3C(=O)OCH(CF32などがあげられ、なかでも、他溶媒との相溶性、粘性、耐酸化性などが良好な点から、CF3C(=O)OC25、CF3C(=O)OCH225、CF3C(=O)OCH2CF2CF2H、CF3C(=O)OCH2CF3、CF3C(=O)OCH(CF32が特に好ましい。
 含フッ素ラクトンとしては、たとえば、式(5):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
(式中、X5~X10は同じかまたは異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CH3または含フッ素メチル基;ただし、X5~X10の少なくとも1つは含フッ素メチル基である)で示される含フッ素ラクトンがあげられる。
 含フッ素ラクトンとしては、前記式(5)で示されるもの以外にも、たとえば、式(6):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
(式中、AおよびBはいずれか一方がCX1617(X16およびX17は同じかまたは異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CF3、-CH3または水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよくヘテロ原子を鎖中に含んでいてもよいアルキル基)であり、他方は酸素原子;Rfeは含フッ素エーテル基、含フッ素アルコキシ基または炭素数2以上の含フッ素アルキル基;X11およびX12は同じかまたは異なり、いずれも-H、-F、-Cl、-CF3または-CH3;X13~X15は同じかまたは異なり、いずれも-H、-F、-Clまたは水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよくヘテロ原子を鎖中に含んでいてもよいアルキル基;n=0または1)で示される含フッ素ラクトンなどもあげられる。
 これらのなかでも、高い誘電率、高い耐電圧といった優れた特性が特に発揮できる点、そのほか電解質塩の溶解性、内部抵抗の低減が良好な点で本発明における電解液としての特性が向上する点から、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
が好ましい。
 その他、含フッ素ラクトンとしては、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
なども使用できる。
 含フッ素スルホラン誘導体としては、特開2003-132994号公報に記載された含フッ素スルホラン誘導体が例示でき、なかでも、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
が好ましい。
 式(1)で示される含フッ素環状カーボネートの共溶媒として使用する非フッ素系電解質塩溶解用溶媒としては、非フッ素系環状カーボネート、非フッ素系鎖状カーボネート、非フッ素系鎖状エステル、非フッ素系鎖状エーテル、非フッ素系ラクトン、非フッ素系スルホラン誘導体、他の非フッ素系電解質塩溶解用溶媒などがあげられる。
 非フッ素系環状カーボネートとしては、たとえば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
などがあげられる。
 非フッ素系鎖状カーボネートとしては、たとえば、式(7):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
(式中、Ra1およびRa2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基)で示される鎖状カーボネートが好ましい。
 非フッ素系鎖状カーボネートのなかでも、高い誘電率、高い耐電圧といった優れた特性が特に発揮できる点、そのほか電解質塩の溶解性、内部抵抗の低減が良好な点で本発明における電気二重層キャパシタとしての特性が向上する点から、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
などが好ましい。
 その他、非フッ素系鎖状カーボネートとしては、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
なども使用できる。
 これらの、式(1)で示される含フッ素環状カーボネートの共溶媒として使用する電解質塩溶解用溶媒としては、耐酸化性、粘性が良好な点から、含フッ素電解質塩溶解用溶媒が好ましく、含フッ素鎖状カーボネート、含フッ素鎖状エステル、含フッ素鎖状エーテルがより好ましい。とくに、3.5V以上の高電圧で動作させる際の溶媒(IIA)には、式(1)で示される含フッ素環状カーボネートと、含フッ素鎖状カーボネート、含フッ素鎖状エステルおよび含フッ素鎖状エーテルよりなる群から選ばれる少なくとも1種のみからなるものが好ましい。なかでも、含フッ素鎖状エーテルが、耐酸化性が良好な点から好ましい。
 特に好ましい含フッ素環状カーボネートと含フッ素鎖状エーテルの組合せとしては、特に耐酸化性、電解質塩の溶解性が良好な点から、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
の含フッ素環状カーボネートと、CF3CF2CH2-O-CF2CFHCF3、HCF2CF2CH2-O-CF2CFHCF3、CF3CF2CH2-O-CF2CF2HおよびHCF2CF2CH2-O-CF2CF2Hよりなる群れから選ばれる少なくとも1種の含フッ素鎖状エーテルとの混合物である。
(IIB)電解質塩
 電解質塩(IIB)は、従来公知のアンモニウム塩、金属塩のほか、液体状の塩(イオン性液体)、無機高分子型の塩、有機高分子型の塩などがあげられる。
 アンモニウム塩としては、従来公知のものが使用でき、たとえばスピロ環ビピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、テトラアルキル4級アンモニウム塩、N-アルキルピリジニウム塩、N,N-ジアルキルピロリジニウム塩などがあげられる。
 スピロ環ビピリジニウム塩としては、たとえば、式(10-1):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
(式中、Rf1およびRf2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;X-はアニオン;n1は0~5の整数;n2は0~5の整数)で示されるスピロ環ビピリジニウム塩、式(10-2):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000020
(式中、Rf3およびRf4は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;X-はアニオン;n3は0~5の整数;n4は0~5の整数)で示されるスピロ環ビピリジニウム塩、または式(10-3):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000021
(式中、Rf5およびRf6は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~4のアルキル基;X-はアニオン;n5は0~5の整数;n6は0~5の整数)で示されるスピロ環ビピリジニウム塩が好ましくあげられる。また、このスピロ環ビピリジニウム塩の水素原子の一部または全部がフッ素原子および/または炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
 アニオンX-としては、無機アニオンでも有機アニオンでもよい。無機アニオンとしては、たとえば、AlCl4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、TaF6 -、I-、SbF6 -などがあげられる。また、有機アニオンとしては、たとえば、CH3COO-、CF3SO3 -、(CF3SO22-、(C25SO22-などがあげられる。これらのうち、解離性が高く、高電圧下での内部抵抗が低い点から、BF4 -、PF6 -、(CF3SO22-または(C25SO22-が好ましく、とくにBF4 -、PF6 -がより好ましい。
 スピロ環ビピリジニウム塩の好ましい具体例としては、たとえば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000022
などがあげられる。
 このスピロ環ビピリジニウム塩は溶媒への溶解性、耐酸化性、イオン伝導性の点で優れている。
 イミダゾリウム塩としては、たとえば、式(11):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000023
(式中、Rg1およびRg2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~6のアルキル基;X-はアニオン)で示されるイミダゾリウム塩が好ましくあげられる。また、このイミダゾリウム塩の水素原子の一部または全部がフッ素原子および/または炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
 アニオンX-の好ましい具体例は、スピロ環ビピリジニウム塩と同じである。
 イミダゾリウム塩の好ましい具体例としては、たとえば、式(12):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000024
で示されるエチルメチルイミダゾリウム塩などがあげられる。
 このイミダゾリウム塩は粘性が低く、また溶媒への溶解性の点で優れている。
 テトラアルキル4級アンモニウム塩としては、たとえば、式(13):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000025
(式中、Rh1、Rh2、Rh3およびRh4は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~6のエーテル結合を含んでいてもよいアルキル基;X-はアニオン)で示されるテトラアルキル4級アンモニウム塩が好ましくあげられる。また、このテトラアルキル4級アンモニウム塩の水素原子の一部または全部がフッ素原子および/または炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
 具体例としては、
式(13-1):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000026
(式中、Rh1、Rh2およびX-は式(13)と同じ;xおよびyは同じかまたは異なり、0~4の整数で、かつx+y=4である)で示されるテトラアルキル4級アンモニウム塩、
式(13-2):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000027
(式中、Rh5は炭素数1~6のアルキル基;Rh6は炭素数1~6の2価の炭化水素基;Rh7は炭素数1~4のアルキル基;zは1または2;X-はアニオン)で示されるアルキルエーテル基含有トリアルキルアンモニウム塩などがあげられる。アルキルエーテル基を導入することにより、粘性の低下が図れる。
 アニオンX-の好ましい具体例は、スピロ環ビピリジニウム塩と同じである。
 テトラアルキル4級アンモニウム塩の好適な具体例としては、たとえば、Et4NBF4、Et4NClO4、Et4NPF6、Et4NAsF6、Et4NSbF6、Et4NCF3SO3、Et4N(CF3SO22N、Et4NC49SO3、Et3MeBF4、Et3MeClO4、Et3MePF6、Et3MeAsF6、Et3MeSbF6、Et3MeCF3SO3、Et3Me(CF3SO22N、Et3MeC49SO3などがあげられ、特に、Et4NBF4、Et4NPF6、Et4NSbF6、Et4NAsF6(Meはメチル基、Etはエチル基)などが好ましい。
 N-アルキルピリジニウム塩としては、たとえば、式(14):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000028
(式中、Ri1は水素原子または炭素数1~6のアルキル基;X-はアニオン)で示されるN-アルキルピリジニウム塩が好ましくあげられる。また、このN-アルキルピリジニウム塩の水素原子の一部または全部がフッ素原子および/または炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
 アニオンX-の好ましい具体例は、スピロ環ビピリジニウム塩と同じである。
 好ましい具体例としては、たとえば
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000029
などがあげられる。
 このN-アルキルピリジニウム塩は粘性が低く、また溶媒への溶解性の点で優れている。
 N,N-ジアルキルピロリジニウム塩としては、たとえば、式(15):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000030
(式中、Rj1およびRj2は同じかまたは異なり、いずれも炭素数1~6のアルキル基;X-はアニオン)で示されるN,N-ジアルキルピロリジニウム塩が好ましくあげられる。また、このN,N-ジアルキルピロリジニウム塩の水素原子の一部または全部がフッ素原子および/または炭素数1~4の含フッ素アルキル基で置換されているものも、耐酸化性が向上する点から好ましい。
 アニオンX-の好ましい具体例は、スピロ環ビピリジニウム塩と同じである。
 好ましい具体例としては、たとえば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000031
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000032
などがあげられる。
 このN,N-ジアルキルピロリジニウム塩は粘性が低く、また溶媒への溶解性の点で優れている。
 これらのアンモニウム塩のうち、スピロ環ビピリジニウム塩およびイミダゾリウム塩が溶媒への溶解性、耐酸化性、イオン伝導性の点で好ましく、さらには、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000033
(式中、X-はBF4 -、PF6 -、(CF3SO22-または(C25SO22-であり、特にはPF6 -である)、または
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000034
(式中、X-はBF4 -、PF6 -、(CF3SO22-または(C25SO22-であり、特にはBF4 -、PF6 -である)
が好ましい。
 また、電解質塩として、リチウム塩を併用してもよい。リチウム塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiN(SO2252が好ましい。
 さらに、静電容量を向上させるためにマグネシウム塩を用いてもよい。マグネシウム塩としては、たとえばMg(ClO42、Mg(OOC252などが好ましい。
 特に前記の式(1)の含フッ素環状カーボネートをフッ素系溶媒(IIA)として用いる場合は、BF4-,PF6 -、N(O2SC252またはN(O2SCF3)のアニオンとからなる環状4級オニウム塩が好ましい。
 電解質塩(IIB)の配合量は要求される電流密度、用途、電解質塩の種類などによって異なるが、含フッ素環状カーボネート(他の電解質塩溶解用溶媒を併用する場合はそれらの合計量)100質量部に対し0.1質量部以上、さらには1質量部以上、特に5質量部以上で、200質量部以下、さらには100質量部以下、特に50質量部以下とすることが好ましい。
 本発明で用いる電解液は、電解質塩(IIB)をフッ素系溶媒(IIA)に溶解させることで調製される。
 また、本発明において電解液は、本発明の電解液に使用する溶媒に溶解または膨潤する高分子材料と組み合わせてゲル状(可塑化された)のゲル電解液としてもよい。
 かかる高分子材料としては、従来公知のポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド、それらの変性体(特開平8-222270号公報、特開2002-100405号公報);ポリアクリレート系ポリマー、ポリアクリロニトリルや、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素樹脂(特表平4-506726号公報、特表平8-507407号公報、特開平10-294131号公報);それらフッ素樹脂と炭化水素系樹脂との複合体(特開平11-35765号公報、特開平11-86630号公報)などがあげられる。特には、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体をゲル電解質用高分子材料として用いることが望ましい。
 そのほか、特願2004-301934号明細書に記載されているイオン伝導性化合物も使用できる。
 本発明で用いる電解液には必要に応じて、他の添加剤を配合してもよい。他の添加剤としては、たとえば金属酸化物、ガラスなどがあげられる。
 こうした電解液は、低温特性を維持したまま、難燃性、電解質塩の溶解性および炭化水素系溶媒との相溶性を同時に向上させることができ、さらに3.5V以上の耐電圧で安定した特性が得られるので、電気二重層キャパシタの電解液として優れている。
 電気二重層キャパシタとしては、捲回セル型電気二重層キャパシタ、ラミネート型電気二重層キャパシタ、コイン型電気二重層キャパシタなどが一般に知られており、本発明の電気二重層キャパシタもこれらの形式とすることができる。
 たとえば捲回セル型電気二重層キャパシタは、集電体と電極層の積層体(電極)からなる正極および負極をセパレータを介して捲回して捲回素子を作製し、この捲回素子をアルミニウム製などのケースに入れ、電解液、好ましくは非水系電解液を満たしたのち、ゴム製の封口体で封止して密封することにより組み立てられる。
 本発明の電極は、アクリル酸系化合物(ID)を配合しているので充分な機械的特性、特に耐屈曲性を有しており、捲回素子の作製を容易かつ安定して行うことができ、また耐久性にも優れている。
 セパレータとしては、従来公知の材料と構成のものが本発明においても使用できる。たとえばポリエチレン多孔質膜、ポリプロピレン繊維やガラス繊維、セルロース繊維の不織布などがあげられる。
 また、公知の方法により、電解液とセパレータを介してシート状の正極および負極を積層したラミネート型電気二重層キャパシタや、ガスケットで固定して電解液とセパレータを介して正極および負極をコイン型に構成したコイン型電気二重層キャパシタとすることもできる。
 つぎに本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明はかかる例のみに限定されるものではない。
実施例1(電極の作製)
(電極用スラリーの調製)
 水蒸気賦活された難黒鉛化活性炭粒子(クラレケミカル(株)製のYP50F、比表面積:1600m2/g、平均粒径6μm)を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)を3重量部、ケッチェンブラック(ライオン(株)製のカーボンECP600JD)を16重量部、エラストマーバインダー(日本ゼオン(株)製のAZ-9001)を6重量部、増粘材(東亜合成(株)製のA10H)を3重量部混合して電極用スラリーを調製した。
(電極の作製)
 集電体としてエッジドアルミニウム(日本蓄電器工業(株)製の20CB、厚さ約20μm)を用意し、この集電体の両面に塗装装置を用いて導電塗料(日本黒鉛工業(株)製のバニーハイトT602)を塗布し、導電層(厚さ:2μm)を形成した。
 ついで、前記で調製した電極用スラリーを集電体の両面に形成した導電層に塗装装置を用いて塗布し、電極層(厚さ:110μm)を形成し、本発明の電極を作製した。
 この電極について、以下の要領で電極密度および耐屈曲性を調べたところ、電極密度は0.41g/cm3であり、耐屈曲性の評価は○であった。
(1)電極密度
 所定のサイズに裁断した導電層を塗布したエッチドアルミ(基材)の重量や外形寸法を測定しておき、その上部に電極層を塗布する。塗布後140℃で1時間乾燥させた重量から基材の重量分を差し引いたものを電極重量とし、また、塗布後の外形体積から基材の外形体積を差し引くことで、電極の外形寸法とする。上記算出された、電極の重量と外形寸法により、電極密度を算出する。
(2)塗膜屈曲試験
 JIS K5400に準じ、折曲試験機(安田精機製作所(株)製の塗膜屈曲試験機)を用いて、φ2の条件で測定する。評価はつぎの基準で行う。
○:目視上、まったく割れが確認されない。
×:目視上、ひび割れが確認された。
実施例2(キャパシタの作製)
 実施例1で作製した電極を31mm幅に切断した。この電極をセパレータ(ニッポン高度紙工業(株)製のTF45-30、幅34cm)と共にEDLC用捲回機により捲回し、直径16mmの円筒捲回体を作製した。その際、電極に電極引出し用のタブリードをカシメ接続した。
 ついで、作製した円筒捲回体、円筒アルミケース、ゴムパッキンを真空乾燥させた後、ドライチャンバー中で、円筒捲回体を円筒アルミケースに挿入、その後、以下に示す電解液を注入し、ゴムパッキンを介して封止することで、捲回セル型のキャパシタ(φ18mm×40mm)を作製した。
(電解液の調製)
 スルホランとHCF2CF2CH2OCF2CF2Hとジメチルカーボネートとを体積比65/15/20で混合して電解質塩溶解用溶媒を調製した。この電解質塩溶解用溶媒に4フッ化ホウ酸スピロビピリジニウムを1.2モル/リットル濃度となるように加えたところ、均一な溶液となり、この溶液を電解液として用いた。
 作製したキャパシタについて、以下の方法で初期特性(静電容量(F)、内部抵抗(mΩ))、低温特性(静電容量保持率(%)、抵抗増加率(倍))および耐電圧(3Vと3.1Vで長期信頼性評価)を調べた。結果を表1に示す。
(3)初期特性
 キャパシタの捲回セルに電子電源を接続した後、捲回セルに定電流充電しながら規定電圧まで充電電圧を上昇させる。充電電圧が規定電圧に到達してから10分間定電圧状態を維持し、充電電流が十分に降下しかつ飽和状態になったことを確認した後、定電流放電を開始し、0.1秒毎にセル電圧を計測する。キャパシタの静電容量(F)および内部抵抗(mΩ)は、社団法人電子情報技術産業協会(JEITA)のRC2377の計測方法に従って計測する。
(JEITAのRC2377での計測条件)
電源電圧:3.0および3.1V
 放電電流:500mA(作製した捲回セルの実測静電容量は50F)
(4)低温特性(-10℃)
 温度-10℃の恒温槽中にキャパシタを入れ、それぞれの温度での静電容量および内部抵抗値を測定し、つぎの計算式に従って静電容量保持率(%)および内部抵抗増加率(倍)を算出する。
静電容量保持率(%)=(-10℃の静電容量/25℃の静電容量)×100
内部抵抗増加率(倍)=(-10℃の内部抵抗/25℃の内部抵抗)
静電容量保持率が70%以上で、かつ、内部抵抗増加率が4倍以内のものが、低温特性に特に優れたものである。
(5)耐電圧(長期信頼性試験)
 捲回セル型キャパシタを温度70℃の恒温槽中に入れ、電圧3.0V、3.1Vを1000時間印加して静電容量と内部抵抗を測定する。測定時期は、初期(0時間)、157時間、337時間、500時間および1000時間とする。得られた測定値から、つぎの計算式に従って静電容量保持率(%)および内部抵抗上昇率(%)を算出した。結果を表1に示す。
静電容量保持率(%)=(各時間での静電容量/評価開始前(初期)の静電容量)×100
内部抵抗上昇率(%)=(各時間での内部抵抗/評価開始前(初期)の内部抵抗)×100
 なお、500時間後の静電容量保持率が70%以上で、かつ、内部抵抗上昇率が400%以下のものが、高温(70℃)での負荷特性に優れたものであり、常温での使用においてのサイクル特性やレート性能にも優れており、長期信頼性を有するものである。
実施例3
 電解液として、スルホランとHCF2CF2CH2OCF2CF2Hとジメチルカーボネートとを体積比65/15/20で混合して電解質塩溶解用溶媒を調製し、この電解質塩溶解用溶媒にトリエチルメチルアンモニウム(TEMA)BF4を1.2モル/リットル濃度となるように加えた均一溶液を電解液として用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
実施例4
 スルホランとHCF2CF2CH2OCF2CF2Hを体積比75/25で混合して電解質塩溶解用溶媒を調製し、この電解質塩溶解用溶媒に4フッ化ホウ酸スピロビピリジニウムを1.2モル/リットル濃度となるように加えた均一溶液を電解液として用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
実施例5
 水蒸気賦活された難黒鉛化活性炭粒子(クラレケミカル(株)製のYP50FH、比表面積:1600m2/g、平均粒径6μm)を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)を3重量部、ケッチェンブラック(ライオン(株)製のカーボンECP600JD)を16重量部、エラストマーバインダー(日本ゼオン(株)製のAZ-9001)を6重量部、増粘材(東亜合成(株)製のA10H)を3重量部混合して電極用スラリーを調製した。
 この電極用スラリーを用いたほかは実施例1と同様にして電極を作製し、電極密度および耐屈曲性を調べたところ、電極密度は0.35g/cm3であり、耐屈曲性の評価は○であった。
 この電極を用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
実施例6
 水蒸気賦活された難黒鉛化活性炭粒子(クラレケミカル(株)製のYP80F、比表面積:2000m2/g、平均粒径6μm)を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)を3重量部、ケッチェンブラック(ライオン(株)製のカーボンECP600JD)を16重量部、エラストマーバインダー(日本ゼオン(株)製のAZ-9001)を6重量部、増粘材(東亜合成(株)製のA10H)を3重量部混合して電極用スラリーを調製した。
 この電極用スラリーを用いたほかは実施例1と同様にして電極を作製し、電極密度および耐屈曲性を調べたところ、電極密度は0.35g/cm3であり、耐屈曲性の評価は○であった。
 この電極を用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
実施例7
 水蒸気賦活された難黒鉛化活性炭粒子(クラレケミカル(株)製のRP-20、比表面積:1800m2/g、平均粒径8μm)を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)を3重量部、ケッチェンブラック(ライオン(株)製のカーボンECP600JD)を16重量部、エラストマーバインダー(日本ゼオン(株)製のAZ-9001)を6重量部、増粘材(東亜合成(株)製のA10H)を3重量部混合して電極用スラリーを調製した。
 この電極用スラリーを用いたほかは実施例1と同様にして電極を作製し、電極密度および耐屈曲性を調べたところ、電極密度は0.41g/cm3であり、耐屈曲性の評価は○であった。
 この電極を用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
比較例1
 アルカリ賦活された易黒鉛化活性炭粒子(クラレケミカル(株)製のNK261、比表面積:2300m2/g、平均粒径6μm)を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)を3重量部、ケッチェンブラック(ライオン(株)製のカーボンECP600JD)を16重量部、エラストマーバインダー(日本ゼオン(株)製のAZ-9001)を6重量部、増粘材(東亜合成(株)製のA10H)を3重量部混合して電極用スラリーを調製した。
 この電極用スラリーを用いたほかは実施例1と同様にして電極を作製し、電極密度および耐屈曲性を調べたところ、電極密度は0.40g/cm3であり、耐屈曲性の評価は○であった。
 この電極を用いたほかは実施例2と同様にして、捲回セル型キャパシタを作製した。
 得られたキャパシタについて、実施例2と同様にして、初期特性、低温特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000035
 表1から、水蒸気賦活された難黒鉛化活性炭粒子を用いた場合、初期の電気特性がよく(低抵抗)であり、また、低温特性が維持されており、その上、長期信頼性が十分に達成できていることが分かる。

Claims (7)

  1. 難黒鉛化炭素を水蒸気賦活して得られる活性炭粒子、結合材、ケッチェンブラックおよびアクリル酸系化合物を含む電極層を備える電気二重層キャパシタ用電極。
  2. 前記電極層が、集電体表面に形成された導電性被膜上に設けられている請求項1記載の電極。
  3. 難黒鉛化炭素が、ヤシガラ炭、フェノール樹脂である請求項1または2記載の電極。
  4. 導電性被膜が、カーボンと樹脂を含む請求項1~3いずれかに記載の電極。
  5. 請求項1~4のいずれかに記載の電極を備える電気二重層キャパシタ。
  6. 非水系電解液を備える請求項5記載の電気二重層キャパシタ。
  7. 非水系電解液がフッ素系電解液である請求項6記載の電気二重層キャパシタ。
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