JP2013165161A - Capacitors - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、キャパシタに関し、さらに詳しくは、穀物殻から得られたカーボンを用いた三次元構造を有する金属多孔体を電極に用いたキャパシタに関する。 The present invention relates to a capacitor, and more particularly to a capacitor using, as an electrode, a porous metal body having a three-dimensional structure using carbon obtained from grain husks.
キャパシタは良く知られているように各種の電気機器等に広く用いられている。多くの種類があるキャパシタの中でも電気二重層キャパシタは容量が大きく、近年とくに注目を集めている。古くから、キャパシタはメモリーバックアップ用として幅広く使用されているが、この分野においても電気二重層キャパシタの占める割合は飛躍的に増している。さらに燃料利用率の向上と環境へのやさしさの観点から、ハイブリッド車や電気自動車等に活用され、今後の需要拡大が期待されている。 As is well known, capacitors are widely used in various electric devices. Among many types of capacitors, the electric double layer capacitor has a large capacity and has attracted particular attention in recent years. Capacitors have been widely used for memory backup since ancient times, but the proportion of electric double layer capacitors has also increased dramatically in this field. Furthermore, from the viewpoint of improving fuel utilization and environmental friendliness, it is used in hybrid vehicles and electric vehicles, and future demand growth is expected.
この電気二重層キャパシタの特性に最も大きな影響を与える分極性電極の集電体として、アルミニウム箔が主である金属箔、他にパンチングメタル、スクリーン、エキスバンドメタル等種々のものが提案されている(例えば、特許文献1及び2)。これらにカーボン粉末を塗着することによって分極性電極が製造されている。なお、集電体の構成材料としてはアルミニウム、ステンレス等があげられている。 As a current collector for a polarizable electrode that has the greatest influence on the characteristics of the electric double layer capacitor, various types such as a metal foil mainly made of aluminum foil, punching metal, screen, and extended metal have been proposed. (For example, Patent Documents 1 and 2). Polarizing electrodes are manufactured by applying carbon powder to these. In addition, aluminum, stainless steel, etc. are mention | raise | lifted as a constituent material of a collector.
これらの集電体は二次元構造であり、容量密度を高めるために厚い電極を作製すると集電体とカーボンとの距離が長くなるため、集電体から離れたところは電気抵抗が高くなる。したがって、これを解決するために最近では、機械加工して凹凸を設けた箔や、発泡ウレタン樹脂にめっきした後、ウレタンを焼却除去した発泡状多孔体、或いは、不織布にめっきした多孔体等の三次元構造の集電体が提案されている(例えば、特許文献3)。 These current collectors have a two-dimensional structure, and when a thick electrode is produced to increase the capacity density, the distance between the current collector and carbon becomes long, so that the electrical resistance increases at a distance from the current collector. Therefore, in order to solve this, recently, such as foils that have been machined to provide unevenness, foamed porous bodies obtained by incineration removal of urethane after plating on urethane foam resin, porous bodies plated on nonwoven fabric, etc. A current collector having a three-dimensional structure has been proposed (for example, Patent Document 3).
また、キャパシタの形状としては一般の電池と同様であり、ボタン型、円筒型、角型等が採用されている。ボタン型では、カーボン電極層を集電体上に設けた分極性電極を一対として、その電極間にセパレータを配置してキャパシタ素子を構成し、電解質とともに金属ケース内に収納し、封口板と両者を絶縁するガスケットで密封する構成が採用されている。円筒型は、一対の分極性電極とセパレータを重ね、捲回して電気二重層キャパシタ素子を構成し、この素子に電解液を含浸させて円筒構造のケース中に収納、封口材で密封した構造である。角型の基本構造はボタン型と同じように分極性電極を重ねる構造もあるが、円筒型のように分極性電極群を捲回して、押しつぶす形で角型にする方法も採られている。 The shape of the capacitor is the same as that of a general battery, and a button type, a cylindrical type, a square type, etc. are adopted. In the button type, a polarizable electrode having a carbon electrode layer provided on a current collector is used as a pair, and a separator is arranged between the electrodes to form a capacitor element, which is housed in a metal case together with an electrolyte. The structure which seals with the gasket which insulates is employ | adopted. The cylindrical type is a structure in which a pair of polarizable electrodes and a separator are stacked and wound to form an electric double layer capacitor element, this element is impregnated with an electrolytic solution, and stored in a cylindrical case and sealed with a sealing material. is there. The square basic structure has a structure in which polarizable electrodes are stacked in the same manner as the button type. However, a method is adopted in which the polarizable electrode group is wound and crushed into a square shape like a cylindrical type.
集電体とともにキャパシタの特性を左右するのは用いるカーボンである。カーボンとしては、各種手段で賦活して用いられる。一般的なカーボンの材料としては、木材パルプ、のこぎり屑、ヤシ殻、綿実殻、もみ殻等のセルロース系、粟、稗、とうもろこし等の穀物澱粉質、リグニン、竹等の植物、それに石炭やタール、石油ピッチ等の鉱物、その他にフェノール樹脂、ポリアクリロニトリル等合成樹脂等があげられる。 It is the carbon used that influences the characteristics of the capacitor together with the current collector. Carbon is used by being activated by various means. Common carbon materials include cellulosic materials such as wood pulp, sawdust, coconut husk, cottonseed husk and rice husk, cereal starches such as straw, straw and corn, plants such as lignin and bamboo, coal and Examples thereof include minerals such as tar and petroleum pitch, and synthetic resins such as phenol resin and polyacrylonitrile.
これら材料を非酸化性雰囲気下で加熱して炭素化する。炭素化物の活性度を向上させるために、炭素化物を水蒸気、少量の酸素、化学薬品等により賦活する。薬品としては、塩化亜鉛、塩化カルシウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、燐酸、硫化カリウム等がある。薬品による賦活は、これらを炭素化物と混合し、非酸化性雰囲気ガス中で500〜700℃程度の温度で加熱することで行われる。通常、処理前に比べて比表面積が飛躍的に大きくなり、活性度の高いカーボンが得られることは古くから知られている(例えば、特許文献4)。 These materials are carbonized by heating in a non-oxidizing atmosphere. In order to improve the activity of the carbonized product, the carbonized product is activated with water vapor, a small amount of oxygen, chemicals, and the like. Examples of the chemical include zinc chloride, calcium chloride, potassium hydroxide, sodium hydroxide, potassium carbonate, sodium carbonate, phosphoric acid, and potassium sulfide. Activation with a chemical | medical agent is performed by mixing these with carbonized material and heating at the temperature of about 500-700 degreeC in non-oxidizing atmosphere gas. In general, it has been known for a long time that carbon having a high specific activity can be obtained by dramatically increasing the specific surface area compared to before treatment (for example, Patent Document 4).
これらのカーボン材料のうち穀物殻、特に米の籾殻は、我が国内だけでも年間約200万トン以上廃棄されている精米の副産物である。籾殻の有効利用として、これを籾殻燻炭にして土壌改良材や保温部材等に一部用いられている。この籾殻燻炭を得る方法として、煙突を上部に備えたドラム缶内に籾殻を入れ、ドラム缶の下部から火や燃焼炭等により加熱を行って籾殻を着火させている。なお、特許文献5では、これを改良するため耐熱、保熱性部材製の籾殻供給用の開口部を備えた有底筒状容器に入れられた籾殻を電気的に着火させ、着火後加熱を停止し、容器内に空気の対流を生じさせないような方法が考案されている。 Of these carbon materials, cereal husks, especially rice husks, are by-products of milled rice that are disposed of over 2 million tons per year in Japan alone. As an effective use of rice husk, it is made into rice husk charcoal and is used in part for soil improvement materials and heat retaining materials. As a method for obtaining the rice husk charcoal, the rice husk is placed in a drum can provided with a chimney at the top, and the rice husk is ignited by heating from the bottom of the drum can with fire or combustion charcoal. In Patent Document 5, in order to improve this, a rice husk placed in a bottomed cylindrical container having an opening for supplying rice husk made of a heat-resistant and heat-retaining member is electrically ignited, and heating is stopped after ignition. However, a method has been devised that does not cause air convection in the container.
米や小麦等の穀物は、我が国をはじめ世界各国で生産されており、それに伴い、海外を含めると前記よりもさらに莫大な量の穀物殻が発生する。その有効利用が確立されれば、国際的な資源の活用と環境への悪影響の排除が可能になる。すでに籾殻等の穀物殻を燻炭化して土壌改良材等に活用されているが、その他にも有効利用が出来れば、焼却の必要もなく、環境にもやさしい。 Grains such as rice and wheat are produced all over the world, including Japan, and accordingly, a huge amount of grain husks are generated when including overseas. If its effective use is established, it will be possible to utilize international resources and eliminate adverse environmental impacts. Already, husks and other cereal husks have been carbonized and used as soil improvement materials. However, if they can be used for other purposes, incineration is unnecessary and they are environmentally friendly.
その一つとしてキャパシタへの分極材料としての試みがある。しかし、穀物殻には、炭化後に多量の酸化珪素(シリカ成分)が含まれていることも原因となり、汎用の賦活した活性炭に比べてキャパシタ特性に問題があった。 One of them is an attempt as a polarization material for capacitors. However, the grain husk contains a large amount of silicon oxide (silica component) after carbonization, which causes a problem in capacitor characteristics compared to general activated carbon.
そこで、本発明は、カーボンの材料として、一部が利用されているとはいえ、その大部分を廃棄、焼却を必要とする穀物殻を有効利用して、従来から資源が問題であり、活性化も複雑な工程で得られる各種活性炭を用いた場合と同等かそれ以上の静電容量値、高出力特性、耐久性等の特性を備えたキャパシタを提供することを目的とする。 Therefore, although the present invention is partly used as a carbon material, most of them are effectively used for grain husks that need to be discarded and incinerated. An object of the present invention is to provide a capacitor having characteristics such as a capacitance value, high output characteristics, durability and the like equal to or higher than those when various activated carbons obtained by complicated processes are used.
本発明者らは、上記問題点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、豆、麦、米等の穀物殻、とくに米穀の籾殻から得られたカーボンを耐酸化性に優れた三次元構造の金属多孔体に充填することにより得られるキャパシタの特性が、従来から用いられている活性炭と同等かそれ以上の特性とくに出力特性を発揮することを見出したものである。本発明は以下の構成を有する。 In light of the above problems, the present inventors have conducted extensive research and as a result, three-dimensional structure metal having excellent oxidation resistance for carbon obtained from cereal husks such as beans, wheat, and rice, especially rice husks. It has been found that the characteristics of a capacitor obtained by filling a porous body exhibit characteristics equal to or higher than those of conventionally used activated carbon, particularly output characteristics. The present invention has the following configuration.
(1)穀物の殻から得られたシリカ成分を含有するカーボン粉末を、耐酸化性を有する三次元構造を有する金属多孔体に充填して得られる電極を有し、
電解液として、リチウム塩又はナトリウム塩を含む非水電解液を有することを特徴とするキャパシタ。
(2)前記カーボン粉末中に10質量%〜60質量%のシリカ成分が含有されていることを特徴とする上記(1)に記載のキャパシタ。
(3)前記カーボン粉末は、空気を遮断して米の籾殻を加熱することにより製造されることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のキャパシタ。
(4)前記カーボン粉末には、導電助剤が混合されていることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のキャパシタ。
(5)前記導電助剤は、前記カーボン粉末100質量部に対して、0.5〜15質量部の質量比で含有されていることを特徴とする上記(4)に記載のキャパシタ。
(6)前記カーボン粉末には、結着剤が混合されていることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載のキャパシタ。
(7)前記金属多孔体は、少なくともクロムを20質量%含む、ニッケルを主体とした三次元構造を有する金属多孔体であることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載のキャパシタ。
(8)前記金属多孔体の多孔度は、80%〜97%であることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載のキャパシタ。
(9)前記ニッケル多孔体のニッケル目付量は、150g/m2〜500g/m2であることを特徴とする上記(7)又は(8)に記載のキャパシタ。
(10)前記金属多孔体におけるクロムの量がニッケルとクロムの総量に対して25〜50質量%であることを特徴とする上記(7)〜(9)のいずれかに記載のキャパシタ。
(11)前記電極を正極としたことを特徴とする上記(1)〜(10)のいずれかに記載のキャパシタ。
(12)電解液としてリチウム塩を含む非水電解液を備えたリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする上記(11)に記載のキャパシタ。
(13)負極が三次元構造を有する金属多孔体にリチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料を活物質として充填してなることを特徴とする上記(12)に記載のキャパシタ。
(14)リチウムイオンキャパシタを構成する前の前記負極の活物質にリチウムが担持されていることを特徴とする上記(12)又は(13)に記載のキャパシタ。
(15)前記リチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料が、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)、これらの元素の酸化物及びこれらの元素とリチウムとの合金よりなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする上記(12)〜(14)のいずれかに記載のキャパシタ。
(16)前記リチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料が酸化ケイ素(SiО)であることを特徴とする上記(12)〜(15)のいずれかに記載のキャパシタ。
(17)負極電位がリチウム基準で0.05V以下であることを特徴とする上記(12)〜(16)のいずれかに記載のキャパシタ。
(18)電解液としてナトリウム塩を含む非水電解液を備えたナトリウムイオンキャパシタであることを特徴とする上記(11)に記載のキャパシタ。
(19)負極が三次元構造を有する金属多孔体にナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料を活物質として充填してなる電極であることを特徴とする上記(18)に記載のキャパシタ。
(20)ナトリウムイオンキャパシタを構成する前の前記負極の活物質にナトリウムが担持されていることを特徴とする上記(18)又は(19)に記載のキャパシタ。
(21)前記負極の金属多孔体が、ニッケルを主体とした三次元構造を有する金属多孔体である
ことを特徴とする上記(18)〜(20)のいずれかに記載のキャパシタ。
(22)前記金属多孔体に充填されているナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料が、活性炭、黒鉛、ハードカーボン、スズ、スズ化合物、チタン酸リチウム、シリコン微粒子、及びシリコン酸化物からなる群より選択される1以上の材料である
ことを特徴とする上記(18)〜(21)のいずれかに記載のキャパシタ。
(1) having an electrode obtained by filling a porous metal body having a three-dimensional structure having oxidation resistance with a carbon powder containing a silica component obtained from a grain shell,
A capacitor having a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt or a sodium salt as the electrolyte.
(2) The capacitor according to (1) above, wherein the carbon powder contains 10% by mass to 60% by mass of a silica component.
(3) The capacitor according to (1) or (2), wherein the carbon powder is produced by heating air to rice husk while blocking air.
(4) The capacitor according to any one of (1) to (3), wherein a conductive additive is mixed in the carbon powder.
(5) The capacitor according to (4), wherein the conductive additive is contained in a mass ratio of 0.5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder.
(6) The capacitor according to any one of (1) to (5), wherein a binder is mixed in the carbon powder.
(7) The metal porous body according to any one of (1) to (6), wherein the metal porous body is a metal porous body having a three-dimensional structure mainly composed of nickel and containing at least 20% by mass of chromium. Capacitor.
(8) The capacitor according to any one of (1) to (7) above, wherein the porosity of the metal porous body is 80% to 97%.
(9) nickel weight per unit area of the nickel porous body, the capacitor according to the above (7) or (8), which is a 150g / m 2 ~500g / m 2 .
(10) The capacitor according to any one of (7) to (9) above, wherein the amount of chromium in the metal porous body is 25 to 50% by mass with respect to the total amount of nickel and chromium.
(11) The capacitor according to any one of (1) to (10), wherein the electrode is a positive electrode.
(12) The capacitor as described in (11) above, which is a lithium ion capacitor provided with a nonaqueous electrolytic solution containing a lithium salt as the electrolytic solution.
(13) The capacitor as described in (12) above, wherein the negative electrode is formed by filling a metal porous body having a three-dimensional structure with a material capable of absorbing and desorbing or desorbing lithium as an active material.
(14) The capacitor as described in (12) or (13) above, wherein lithium is supported on the active material of the negative electrode before constituting the lithium ion capacitor.
(15) The material capable of absorbing / desorbing or desorbing / desorbing lithium is selected from the group consisting of silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), oxides of these elements, and alloys of these elements and lithium. The capacitor as described in any one of (12) to (14) above, which is at least one selected.
(16) The capacitor as described in any one of (12) to (15) above, wherein the material capable of absorbing and desorbing or absorbing and desorbing lithium is silicon oxide (SiO).
(17) The capacitor as described in any one of (12) to (16) above, wherein the negative electrode potential is 0.05 V or less based on lithium.
(18) The capacitor as described in (11) above, which is a sodium ion capacitor provided with a nonaqueous electrolytic solution containing a sodium salt as an electrolytic solution.
(19) The capacitor as described in (18) above, wherein the negative electrode is an electrode formed by filling a metal porous body having a three-dimensional structure with a material capable of adsorbing / desorbing or desorbing sodium as an active material.
(20) The capacitor as described in (18) or (19) above, wherein sodium is supported on the negative electrode active material before constituting the sodium ion capacitor.
(21) The capacitor according to any one of (18) to (20) above, wherein the metal porous body of the negative electrode is a metal porous body having a three-dimensional structure mainly composed of nickel.
(22) The group in which the material capable of adsorbing / desorbing / desorbing / desorbing sodium filled in the metal porous body is made of activated carbon, graphite, hard carbon, tin, a tin compound, lithium titanate, silicon fine particles, and silicon oxide. The capacitor according to any one of (18) to (21), wherein the capacitor is one or more materials selected from the above.
本発明によれば、カーボンの材料として、一部が利用されているとはいえ、その大部分を廃棄、焼却を必要とする穀物殻を有効利用して、従来から資源が問題であり、活性化も複雑な工程で得られる各種活性炭を用いた場合と同等かそれ以上の静電容量値、高出力特性、耐久性等の特性を備えたキャパシタを提供することができる。 According to the present invention, the carbon material is partly used, but most of it is discarded, and the grain shells that require incineration are effectively used. It is possible to provide a capacitor having characteristics such as a capacitance value, high output characteristics, durability and the like equal to or higher than those when various activated carbons obtained by complicated processes are used.
本発明において用いられるカーボン粉末は穀物の殻から得られ、シリカ成分を含有するものであるが、穀物殻からカーボンを得る製法としては、とくに限定はない。基本的には穀物殻を、空気を遮断した環境下で加熱する方法であれば採用可能である。このようにして得られた穀物殻炭には、多量の酸化珪素(シリカ成分)が含まれているため、例えばアルミニウム製箔等の二次元構造の集電体に塗着して分極用電極にしても、複雑な工程で賦活した汎用の活性炭を用いた電極の特性よりも劣っている。そこで三次元構造の金属多孔体に充填してキャパシタ特性を評価したところ、汎用の活性炭と異なり特性が飛躍的に向上し、同等かそれ以上の特性が得られていることが見出された。 The carbon powder used in the present invention is obtained from cereal shells and contains a silica component, but the production method for obtaining carbon from cereal shells is not particularly limited. Basically, any method can be used as long as the grain husk is heated in an environment where air is blocked. Since the grain husk charcoal thus obtained contains a large amount of silicon oxide (silica component), it is applied to a current collector having a two-dimensional structure such as an aluminum foil to form a polarization electrode. However, it is inferior to the characteristic of the electrode using the general purpose activated carbon activated by the complicated process. Therefore, when the capacitor characteristics were evaluated by filling a porous metal body with a three-dimensional structure, it was found that, unlike general-purpose activated carbon, the characteristics were dramatically improved and the same or better characteristics were obtained.
すなわち、本発明に係るキャパシタは、穀物の殻から得られたシリカ成分を含有するカーボン粉末を、三次元構造を有する耐酸化性の金属多孔体に充填して得られる電極を有し、電解液として、リチウム塩又はナトリウム塩を含む非水電解液を有することを特徴とする。 That is, the capacitor according to the present invention has an electrode obtained by filling a carbon powder containing a silica component obtained from a grain shell into an oxidation-resistant porous metal body having a three-dimensional structure, and an electrolytic solution. As a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt or a sodium salt.
本発明のキャパシタに用いる電極は次のようにして作製することができる。まず、分極性電極の材料となる穀物殻からカーボンを得る。一般的な穀物殻を、空気を遮断した環境下で加熱することによりカーボンを得る方法を採用する。得られたカーボンを粉砕して得たカーボン粉末を、三次元構造の金属多孔体(集電体)に充填する。 The electrode used for the capacitor of the present invention can be produced as follows. First, carbon is obtained from cereal husks which are materials for polarizable electrodes. A method of obtaining carbon by heating a general grain shell in an environment where air is shut off is adopted. Carbon powder obtained by pulverizing the obtained carbon is filled into a three-dimensional porous metal body (current collector).
本発明において電解液としては、リチウム塩又はナトリウム塩を含む非水電解液を用いる。この場合には有機溶媒が用いられ、酸化電位も水溶液電解液系より遥かに高く、耐リチウム電位が4V以上になる。このため、本発明のキャパシタの電極に用いる集電体としては、少なくともクロムを20質量%含み、ニッケルを主体とした三次元構造を有する金属多孔体が好ましい。なお、ニッケルを主体とするとは、金属多孔体が50質量%より多いニッケルを含んでいることを意味する。ニッケルを主体とした金属多孔体に少なくとも20質量%のクロムを含有させることにより、良好な耐酸化性を備える金属多孔体が得られる。 In the present invention, a nonaqueous electrolytic solution containing a lithium salt or a sodium salt is used as the electrolytic solution. In this case, an organic solvent is used, the oxidation potential is much higher than that of the aqueous electrolyte system, and the lithium resistance potential is 4 V or more. For this reason, the current collector used for the electrode of the capacitor of the present invention is preferably a porous metal body having at least 20 mass% of chromium and having a three-dimensional structure mainly composed of nickel. In addition, having nickel as a main component means that the metal porous body contains more than 50% by mass of nickel. By including at least 20% by mass of chromium in the metal porous body mainly composed of nickel, a metal porous body having good oxidation resistance can be obtained.
三次元構造を有する金属多孔体は多孔度が大きい方が炭素材料(カーボン粉末)も充填されやすく、後述するように三次元網状構造を有する金属多孔体を用いることが好ましい。該金属多孔体の多孔度は80%〜97%程度が好ましく、90%〜96%程度であることがより好ましい。また、金属多孔体の平均孔径は、例えば、20μm〜200μm程度、好ましくは30μm〜100μm程度である。 A porous metal body having a three-dimensional structure is more likely to be filled with a carbon material (carbon powder) when the porosity is large, and it is preferable to use a porous metal body having a three-dimensional network structure as described later. The porosity of the metal porous body is preferably about 80% to 97%, and more preferably about 90% to 96%. The average pore diameter of the metal porous body is, for example, about 20 μm to 200 μm, preferably about 30 μm to 100 μm.
また、キャパシタに高出力を発揮させつつ高容量を維持するためには金属の単位あたりの質量も重要であり、前記の、少なくともクロムを20質量%含み、ニッケルを主体とした金属多孔体のニッケルの目付量は150g/m2〜500g/m2程度、好ましくは200g/m2〜450g/m2程度とすればよい。これにより好適な強度を備え、かつ、クロムと合金化した場合に良好な耐電解液性を発揮させることができる。また、クロムは50g/m2〜100g/m2程度が好ましい。 In addition, the mass per unit of metal is important in order to maintain a high capacity while exhibiting high output in the capacitor, and the above-mentioned nickel of the metal porous body containing at least 20 mass% of chromium and mainly containing nickel basis weight is 150g / m 2 ~500g / m 2, preferably about may be set to 200g / m 2 ~450g / m 2 approximately. Thereby, it has suitable strength and can exhibit good electrolytic solution resistance when alloyed with chromium. Further, the chromium about 50g / m 2 ~100g / m 2 is preferred.
このような三次元構造を有する金属多孔体の製法の一例として、公知の発泡ウレタン樹脂やポリオレフィン不織布等の三次元網状構造を有する樹脂多孔体に導電性を付与したのちニッケル、電解ニッケルめっき処理及びクロムめっき処理を順次行なうことが挙げられる。この場合には、クロムめっきを施した後の多孔体を加熱により処理することによりニッケル多孔体中にクロムを拡散させ合金化することができる。 As an example of a method for producing a porous metal body having such a three-dimensional structure, nickel, electrolytic nickel plating treatment, and the like after imparting conductivity to a resin porous body having a three-dimensional network structure such as a known urethane foam resin or polyolefin nonwoven fabric The chrome plating process is sequentially performed. In this case, by treating the porous body after the chromium plating by heating, chromium can be diffused and alloyed in the nickel porous body.
また、発泡状樹脂の表面にニッケル被覆層を形成した後、基材である樹脂を除去し、次いで必要に応じて還元性雰囲気中で加熱処理してニッケルを還元して発泡状ニッケルを生成し、次いでこれをクロマイジング処理等することによっても得ることができる。クロマイジング処理は、ニッケル膜にクロムを拡散浸透させる処理であり、公知の手法を採用できる。例えば、前記ニッケル多孔体(発泡状ニッケル、不織布状ニッケル等)にクロム粉末、ハロゲン化物、アルミナ粉末を混合した浸透材を充填して還元性雰囲気で加熱する粉末パック法を採用することができる。また、浸透材とニッケル多孔体を離間して配置し、還元性雰囲気中で加熱し、浸透材のガスを形成してニッケル多孔体表面のニッケルに浸透材を浸透させることもできる。 In addition, after forming a nickel coating layer on the surface of the foamed resin, the resin as the base material is removed, and then heat-treated in a reducing atmosphere as necessary to reduce nickel to produce foamed nickel. Then, it can also be obtained by subjecting it to chromizing treatment or the like. The chromizing process is a process of diffusing and infiltrating chromium into the nickel film, and a known method can be adopted. For example, it is possible to employ a powder pack method in which a porous material (foamed nickel, non-woven nickel, etc.) filled with a penetrant mixed with chromium powder, halide, and alumina powder and heated in a reducing atmosphere. Alternatively, the penetrating material and the porous nickel body may be arranged separately and heated in a reducing atmosphere to form a penetrating gas to infiltrate the penetrating material into nickel on the surface of the nickel porous body.
金属多孔体におけるクロムの含有量は、前記クロムめっきのめっき量やクロマイジング処理の加熱時間によって調整することができる。前記の通り、本発明においてはクロムの含有率をニッケルクロム合金(ニッケルとクロムの総量)に対して20質量%以上とすることが好ましいが、25〜50質量%とすることがより好ましく、30〜40質量%とすることが更に好ましい。クロムの含有率が20質量%未満であると耐酸化性が不足するため充分な耐電解液性が発揮されない場合がある。また、50質量%を超えると電気抵抗が増加して集電性が下がる場合がある。 The chromium content in the metal porous body can be adjusted by the amount of chromium plating and the heating time of the chromizing treatment. As described above, in the present invention, the chromium content is preferably 20% by mass or more with respect to the nickel chromium alloy (total amount of nickel and chromium), more preferably 25 to 50% by mass, and 30 More preferably, it is made into 40 mass%. If the chromium content is less than 20% by mass, the oxidation resistance is insufficient and sufficient electrolyte resistance may not be exhibited. Moreover, when it exceeds 50 mass%, an electrical resistance may increase and current collection may fall.
ニッケルクロムは製造方法が確立しているため、アルミニウムやステンレスの多孔体に比べて安価に製造することができる。 Since nickel chrome has an established manufacturing method, it can be manufactured at a lower cost than aluminum or stainless steel porous bodies.
このようなニッケル多孔体の表面にクロムを形成した金属多孔体の他にも、アルミニウムやステンレス製の三次元網状構造体例えば繊維状多孔体や発泡体も利用可能であるが、孔構造の均一性、製法の量産性、製造の容易性等を考慮すると、上述の、少なくともクロムを20質量%含み、ニッケルを主体とした三次元構造を有する金属多孔体が最も好ましい。 In addition to the metal porous body in which chromium is formed on the surface of such a nickel porous body, a three-dimensional network structure made of aluminum or stainless steel, such as a fibrous porous body or foam, can be used, but the pore structure is uniform. In view of the properties, the mass productivity of the production method, the ease of production, etc., the above-described metal porous body containing at least 20% by mass of chromium and having a three-dimensional structure mainly composed of nickel is most preferable.
つぎに、これら三次元構造の金属多孔体に、穀物殻炭を主とする分極性電極材料を充填する。充填方法としては、分極性電極材料をスラリー状にして三次元構造の金属多孔体に充填する方法を採用することが最適である。増粘剤と導電助剤とくにカーボンブラック(ケッチェンブラックやアセチレンブラック等)や結着剤とくにフッ素系樹脂を混合して製造されたスラリーが好ましい。
その構成比は限定されるものではないが、導電助剤に関しては穀物の籾殻炭100質量部に対して導電助剤が0.5質量部〜15質量部の比で含まれていることが好ましい。また、三次元構造の集電体であるから、例えばアルミニウム箔のような二次元構造の集電体と異なり、結着剤をそれほどの量を必要としないが、それでも耐有機電解液性、耐酸化性に優れたフッ素系樹脂を用いることは好ましい。ポリフッ化ビニリデン(PVdF)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液がより適している。結着剤(樹脂分)の添加量としては、カーボン粉末100質量部に対して0.5質量部〜15質量部程度が好ましい。
Next, a polarizable electrode material mainly composed of cereal husk charcoal is filled into these three-dimensional porous metal bodies. As a filling method, it is optimal to employ a method in which a polarizable electrode material is made into a slurry and filled into a three-dimensional metal porous body. A slurry produced by mixing a thickener and a conductive aid, particularly carbon black (Ketjen black, acetylene black, etc.) or a binder, particularly a fluororesin, is preferred.
Although the composition ratio is not limited, it is preferable that the conductive assistant is contained in a ratio of 0.5 parts by mass to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of grain husk charcoal. . In addition, since it is a current collector with a three-dimensional structure, unlike a current collector with a two-dimensional structure such as an aluminum foil, it does not require a large amount of binder, but it is still resistant to organic electrolyte and acid. It is preferable to use a fluorine-based resin having excellent chemical properties. A solution of polyvinylidene fluoride (PVdF) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is more suitable. The addition amount of the binder (resin component) is preferably about 0.5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder.
以下、本発明についてより詳細に説明する。
[穀物殻炭]
穀物殻炭は公知の方法により製造されたものを粉砕して用いることができる。例えば、容器内に穀物殻を投入し、容器底部から加熱して穀物殻を着火し、その後加熱を止め、容器内の空気を対流させずに1週間程度放置して、穀物殻を炭化して得られた穀物殻炭を用いることができる。この方法では、穀物殻の量を容器内の空気中の酸素量に応じて投入することで、酸化が灰化段階へ達することを抑えている。得られた穀物殻炭を粉砕し、穀物殻炭の平均粒径が1μm〜20μmになるよう調整する。なお、本発明に係るキャパシタに用いる穀物殻炭は、賦活処理を施していないため、穀物殻炭の粉末中(カーボン粉末中)に10質量%〜60質量%の酸化珪素(シリカ成分)が含有されている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[Cereal shell charcoal]
Grain husk charcoal can be used after being pulverized by a known method. For example, a grain husk is put into a container, heated from the bottom of the container to ignite the grain husk, and then the heating is stopped, and the air in the container is left for about a week without convection to carbonize the grain husk. The obtained grain husk charcoal can be used. In this method, the amount of grain husks is charged in accordance with the amount of oxygen in the air in the container, thereby suppressing oxidation from reaching the ashing stage. The obtained grain husk charcoal is pulverized and adjusted so that the average particle diameter of the grain husk charcoal is 1 μm to 20 μm. In addition, since the grain husk charcoal used for the capacitor according to the present invention has not been activated, 10% to 60% by mass of silicon oxide (silica component) is contained in the powder of the grain husk charcoal (in the carbon powder). Has been.
[集電体]
発泡ウレタン樹脂やポリオレフィン不織布等の三次元網状構造を有する樹脂多孔体に導電処置、電解めっき処理及びクロム層の形成を順次施すことによって、本発明のキャパシタに用いる三次元構造を有する金属多孔体(集電体)を作製することができる。
以下、この方法について説明する。まず、多孔度が、例えば80%〜97%程度、多孔体の平均孔径が、例えば20μm〜200μm程度、厚さが、300μm〜1600μm程度の樹脂多孔体を準備する。
[Current collector]
A porous metal body having a three-dimensional structure used in the capacitor of the present invention (conducting treatment, electrolytic plating and formation of a chromium layer) is sequentially applied to a porous resin body having a three-dimensional network structure such as urethane foam resin or polyolefin nonwoven fabric ( Current collector) can be manufactured.
Hereinafter, this method will be described. First, a resin porous body having a porosity of, for example, about 80% to 97%, an average pore diameter of the porous body of, for example, about 20 μm to 200 μm, and a thickness of about 300 μm to 1600 μm is prepared.
ついで、これに導電性を付与する導電処理として、例えば、ニッケル等の導電性材料を用いたスパッタリング処理を施す。具体的には、基板ホルダーに発泡ウレタン樹脂を取り付けた後、不活性ガスを導入しながら、ホルダーとターゲット(ニッケル等の導電性材料)との間に直流電圧を印加することにより、イオン化した不活性ガスをニッケル等の導電性材料に衝突させて、吹き飛ばした導電性材料粒子を発泡状樹脂表面に堆積させる。導電性層の目付量は限定的でなく、例えば、5mg/m2〜15mg/m2程度、好ましくは、7mg/m2〜10mg/m2程度とすればよい。なお、スパッタリングの代わりに導電性材料の無電解めっき法を採用してもよい。 Next, as a conductive treatment for imparting conductivity to this, for example, a sputtering treatment using a conductive material such as nickel is performed. Specifically, after attaching urethane foam resin to the substrate holder, while introducing an inert gas, a DC voltage is applied between the holder and a target (a conductive material such as nickel) to create an ionized inert gas. The active gas is collided with a conductive material such as nickel, and the blown-off conductive material particles are deposited on the foamed resin surface. Basis weight of the conductive layer is not limited, for example, 5mg / m 2 ~15mg / m 2 , preferably about may be set to 7mg / m 2 ~10mg / m 2 approximately. Note that an electroless plating method of a conductive material may be employed instead of sputtering.
導電性を有する層を構成する材料として、ニッケルの他に、チタン、ステンレススチール、黒鉛粉末等を所要量塗着してもよい。これらの場合、最も簡単なのは、これら材料の微粉末に結着剤(以下、バインダとも記す)を加えて得られる混合物を、発泡状樹脂に塗着する方法である。 As a material constituting the conductive layer, in addition to nickel, titanium, stainless steel, graphite powder, or the like may be applied in a required amount. In these cases, the simplest method is a method in which a mixture obtained by adding a binder (hereinafter also referred to as a binder) to fine powders of these materials is applied to a foamed resin.
上記導電性層の形成のみでは、導電性や強度等の観点から好ましくないため、例えば、ニッケルの電解ニッケルめっき処理を行うことにより、導電性を高めると共に、強度の向上を図ることが好ましい。これは常法に従って行なう。この場合のめっき浴としては、公知のものを使用することができ、例えば、ワット浴、塩化浴、スルファミン酸浴等が挙げられる。 The formation of the conductive layer alone is not preferable from the viewpoints of conductivity and strength. Therefore, for example, it is preferable to improve the strength while improving the conductivity by performing electrolytic nickel plating treatment of nickel. This is done according to conventional methods. As the plating bath in this case, a known bath can be used, and examples thereof include a watt bath, a chloride bath, a sulfamic acid bath, and the like.
上記のスパッタリングや無電解メッキにより表面に導電性層が形成された発泡ウレタン樹脂をメッキ浴に浸し、これを陰極に、たとえば対極にニッケル板を用いて陽極とし直流或いはパルス断続電流を通電させることにより、導電性層上にニッケル被覆層を形成する。 A foamed urethane resin having a conductive layer formed on the surface by sputtering or electroless plating described above is immersed in a plating bath, and this is used as a cathode, for example, using a nickel plate as a counter electrode, and direct current or pulsed intermittent current is applied. Thus, a nickel coating layer is formed on the conductive layer.
この電解ニッケルめっき層の目付量は限定的でなく、150g/m2〜500g/m2程度、好ましくは200g/m2〜450g/m2程度とすればよい。この範囲以下では導電性と集電体の強度が問題になり、この範囲以上にすると、分極性材料の充填量の減少とコストが高くなる。 The basis weight of the electrolytic nickel plating layer is not limited, 150g / m 2 ~500g / m 2 , preferably about may be set to 200g / m 2 ~450g / m 2 approximately. Below this range, the electrical conductivity and strength of the current collector become problems, and above this range, the amount of charge of the polarizable material decreases and the cost increases.
電解ニッケルめっき層を形成後、ウレタン樹脂の除去とニッケルの還元を行う。樹脂の除去は、焼却が好ましい。例えば600℃程度以上の大気等の酸化性雰囲気下で加熱する。また、水素等の還元性雰囲気中750℃程度以上で加熱してもよい。これで樹脂を除去後、還元性雰囲気下800〜900℃程度で加熱して発泡状ニッケルを得る。 After forming the electrolytic nickel plating layer, the urethane resin is removed and nickel is reduced. The removal of the resin is preferably incineration. For example, heating is performed in an oxidizing atmosphere such as air at about 600 ° C. or higher. Moreover, you may heat at about 750 degreeC or more in reducing atmosphere, such as hydrogen. Thus, after removing the resin, it is heated at about 800 to 900 ° C. in a reducing atmosphere to obtain foamed nickel.
その後、平均粒径が2〜15μmのクロム粉末を、カルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液でペーストとし、目付け質量が例えば、50g/m2〜100g/m2になるよう付着させ、800℃還元性雰囲気中で加熱し、ニッケル層の上にクロム層を形成させる。ニッケル層とクロム層の間に両者の合金層も含まれる。この他に、クロムめっき、クロマイジング処理等によりニッケルクロム合金層、クロム層を形成してもよい。これらの方法で、少なくともクロムを20質量%含み、ニッケルを主体とした三次元構造を有する金属多孔体の集電体を得ることができる。 Thereafter, the chromium powder having an average particle size of 2 to 15 [mu] m, and carboxymethylcellulose (CMC) paste with an aqueous solution having a basis weight mass, for example, is deposited so as to be 50g / m 2 ~100g / m 2 , 800 ℃ reducing atmosphere To form a chromium layer on the nickel layer. Both alloy layers are also included between the nickel layer and the chromium layer. In addition, a nickel chromium alloy layer and a chromium layer may be formed by chromium plating, chromizing treatment, or the like. By these methods, a porous metal current collector having a three-dimensional structure mainly containing nickel and containing at least 20% by mass of chromium can be obtained.
ニッケル上へのクロムの含有量は、ニッケルクロム合金中も含めて20質量%以上とすることが好ましく、25質量%〜50質量%がより適当である。クロムの含有量が少ないと耐酸化性に劣り、多すぎると電気抵抗が増加して集電性が低下する。 The chromium content on the nickel is preferably 20% by mass or more including the nickel chromium alloy, and more preferably 25% by mass to 50% by mass. If the chromium content is low, the oxidation resistance is inferior, and if it is too high, the electrical resistance increases and the current collecting performance decreases.
[分極性電極材料の組成と充填]
本発明のキャパシタに使用する電極は、上記三次元構造の集電体に穀物殻炭を主とする分極性電極材料を充填することにより得られる。穀物殻炭を主とする分極性電極材料は、その他に必要に応じて導電助剤及びやバインダを含む。この場合、穀物殻炭の含有量は60質量%以上が好ましい。用いる穀物殻炭の粒径は限定的でないが、20μm以下であることが好ましい。この範囲とすることにより、キャパシタの内部抵抗を小さくして、出力特性を大きくすることができる。
必要に応じて用いられる導電助剤は、種類に特に制限はなく、汎用の材料が使用できる。例えば、ケッチェンブラックが最適であり、他にアセチレンブラック等のカーボンブラック、炭素繊維、天然黒鉛(鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、酸化ルテニウム等が挙げられる。これらのうち炭素繊維も好ましい。これら導電助剤の含量は限定的でないが、カーボン粉末100質量部に対して0.5質量部〜15質量部程度が好ましい。あまり多くすると穀物殻炭の比率が下がり静電容量が低下する。
[Composition and filling of polarizable electrode material]
The electrode used for the capacitor of the present invention can be obtained by filling the current collector having the three-dimensional structure with a polarizable electrode material mainly composed of cereal husk charcoal. The polarizable electrode material mainly composed of cereal husk charcoal contains a conductive additive and a binder as necessary. In this case, the grain shell charcoal content is preferably 60% by mass or more. Although the grain diameter of the grain husk charcoal to be used is not limited, it is preferably 20 μm or less. By setting this range, the internal resistance of the capacitor can be reduced and the output characteristics can be increased.
There is no restriction | limiting in particular in the kind of conductive support agent used as needed, A general purpose material can be used. For example, ketjen black is most suitable, and other examples include carbon black such as acetylene black, carbon fiber, natural graphite (flaky graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like. Of these, carbon fibers are also preferred. The content of these conductive assistants is not limited, but is preferably about 0.5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. If too much, the ratio of grain husk charcoal decreases and the capacitance decreases.
三次元網状構造の金属多孔体(集電体)と分極性電極との結着力、分極性電極粉末間の結着力向上のためにバインダを用いることが好ましい。その種類には特に制限はなく、汎用の材料が使用できる。耐酸化性の観点から、フッ素系樹脂が好ましい。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンが代表的である。ポリオレフィンも比較的優れている。その他のポリビニルピロリドン、ポリビニルクロリド、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール等があるが、耐酸化性に問題がある。
バインダの含有量についても特に制限はないが、カーボン粉末100質量部に対して好ましくは0.5質量部〜15質量部程度である。この範囲にすると電気抵抗の増加及び静電容量の低下を抑制しつつ、結着性の向上が可能になる。スラリーにするためには粘度の向上が必要であり、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の場合は溶媒のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)がその役割を果たすが、フッ素樹脂(例えばPTFEディスバージョン)等では、公知のカルボキシメチルセルロース水溶液等を用いる。
It is preferable to use a binder in order to improve the binding force between the porous metal body (current collector) having a three-dimensional network structure and the polarizable electrode and the binding force between the polarizable electrode powders. There is no restriction | limiting in particular in the kind, A general purpose material can be used. From the viewpoint of oxidation resistance, a fluororesin is preferred. For example, polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene are typical. Polyolefins are also relatively good. There are other polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, etc., but there is a problem in oxidation resistance.
Although there is no restriction | limiting in particular also about content of a binder, Preferably it is about 0.5 mass part-15 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon powder. Within this range, the binding property can be improved while suppressing an increase in electrical resistance and a decrease in capacitance. In order to make a slurry, it is necessary to improve the viscosity. In the case of polyvinylidene fluoride (PVdF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent plays a role, but a fluororesin (for example, PTFE disversion) For example, a known carboxymethyl cellulose aqueous solution is used.
集電体に穀物殻炭スラリーを充填する場合の充填量(含有量)は特に制限されず、基本的には集電体を厚くすれば高容量、薄くすれば高出力になる。その他キャパシタの形状等に応じて決定すればよいが、例えば、充填量は、13〜40mg/cm2程度、好ましく16〜32mg/cm2程度がよい。 The filling amount (content) when the current collector is filled with the grain husk charcoal slurry is not particularly limited. Basically, the thicker the current collector, the higher the capacity, and the thinner, the higher the output. Although it may be determined according to the shape of the capacitor and the like, for example, the filling amount is about 13 to 40 mg / cm 2 , preferably about 16 to 32 mg / cm 2 .
穀物殻炭を本発明の集電体に充填する方法としては、例えば、穀物殻炭ペーストを圧入法等の公知の方法等を使用すればよい。圧入法としては、例えば、穀物殻炭ペースト中に集電体を浸漬し、必要に応じて減圧する方法、穀物殻炭ペーストを集電体の一方面からポンプ等で加圧しながら充填する方法等があげられる。 As a method of filling the current collector of the present invention with cereal husk charcoal, for example, a known method such as press-fitting cereal husk charcoal paste may be used. As the press-fitting method, for example, a method of immersing a current collector in cereal husk charcoal paste and depressurizing as necessary, a method of filling cereal husk charcoal paste while pressurizing with a pump or the like from one side of the current collector, etc. Can be given.
穀物殻炭ペーストは、穀物殻炭及び溶媒を含有していればよく、その配合割合は限定的でない。溶媒としては限定的でなく、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水等が挙げられる。特に、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いる場合は溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いればよく、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンディスバージョン等を用いる場合は溶蝶として水を用いればよい。また、必要に応じて、上記電導助剤、バインダ等の添加剤を含有していてもよい。 Grain husk charcoal paste should just contain grain husk charcoal and a solvent, and the compounding ratio is not limited. The solvent is not limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and water. In particular, when polyvinylidene fluoride (PVdF) is used as a binder, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) may be used as a solvent. When polytetrafluoroethylene disversion is used as a binder, water is used as a butterfly. That's fine. Moreover, you may contain additives, such as the said conductive support agent and a binder, as needed.
本発明の電極は、穀物殻炭ペーストを充填した後、必要に応じて乾燥処理を施すことにより、ペースト中の溶媒が除去されてもよい。さらに必要に応じて、穀物殻炭ペーストを充填した後、ローラプレス機等により加圧することにより、圧縮成形されていてもよい。圧縮前後の厚さは限定的でないが、圧縮前の厚さは通常300μm〜1500μm、好ましくは400μm〜1200μmとすればよく、圧縮成形後の厚みは通常100μm〜700μm程度、好ましくは150μm〜600μm程度とすればよい。また、電極には、リード端子が具備されていてもよい。リード端子は、溶接を行ったり、接着剤を塗布したりすることにより、取り付ければよい。 After filling the grain husk charcoal paste, the electrode of the present invention may be subjected to a drying treatment as necessary to remove the solvent in the paste. Furthermore, as needed, after filling with the grain husk charcoal paste, it may be compression-molded by pressing with a roller press or the like. The thickness before and after compression is not limited, but the thickness before compression is usually 300 μm to 1500 μm, preferably 400 μm to 1200 μm, and the thickness after compression molding is usually about 100 μm to 700 μm, preferably about 150 μm to 600 μm. And it is sufficient. The electrode may be provided with a lead terminal. The lead terminal may be attached by welding or applying an adhesive.
[リチウムイオンキャパシタ]
上記の本発明に係るキャパシタは、リチウム塩を含む電解液を用いることによりリチウムイオンキャパシタとすることができる。すなわち、本発明に係るキャパシタは、少なくとも、正極と、負極と、リチウム塩を含む非水電解液と、を備えるキャパシタであって、正極が前述のカーボン粉末を含む電極であり、負極が三次元網状構造を有する金属多孔体にリチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料を活物質として充填してなるリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする。
[Lithium ion capacitor]
The capacitor according to the present invention can be a lithium ion capacitor by using an electrolytic solution containing a lithium salt. That is, the capacitor according to the present invention is a capacitor comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, wherein the positive electrode is an electrode containing the aforementioned carbon powder, and the negative electrode is three-dimensional. It is a lithium ion capacitor formed by filling a metal porous body having a network structure with a material capable of absorbing and desorbing or absorbing and desorbing lithium as an active material.
負極の材料として、キャパシタには活性炭が、リチウムイオン電池には黒鉛材料などの炭素系材料が広く使われている。一方、黒鉛の理論容量(372mAh/g)をはるかに超えるリチウム吸蔵能を持つ材料及びその化合物としてケイ素、スズ、チタン、ゲルマニウム、アルミニウム、インジウムなどとリチウムの合金系材料あるいはケイ素、スズ、チタン、ゲルマニウム、アルミニウム、インジウムなどの酸化物系材料がかなり以前から注目されてきており、一部実用化されている。 As materials for the negative electrode, activated carbon is widely used for capacitors, and carbon-based materials such as graphite materials are widely used for lithium ion batteries. On the other hand, materials having lithium storage capacity far exceeding the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g) and compounds thereof, such as silicon, tin, titanium, germanium, aluminum, indium and lithium alloy materials or silicon, tin, titanium, Oxide-based materials such as germanium, aluminum, and indium have attracted attention for quite some time, and some have been put into practical use.
特にケイ素系酸化物は質量あたりのリチウム吸蔵能は高く、電池の高エネルギー密度化において有望な材料とされている。しかし、初期効率が低いこと、リチウム吸蔵時に体積変化が炭素系材料よりも大きいので、作製した電池のエネルギー密度は、活性炭や黒鉛系材料を負極に用いたリチウム系キャパシタやリチウム系二次電池と比べて、エネルギー密度向上の効果は少なく、充放電特性の点で劣るという問題点があった。
つまり、これらの材料及びその化合物は、充放電を繰返すことによる材料の体積増加あるいは微粉化が避けられず、これが上記問題点の主な原因である。その改良のために炭素材料との混合や、耐電解液性、耐酸化性に優れた三次元構造の金属多孔体を集電体とする方法の提案があり、材料あるいはその化合物の使用が可能になった。しかし、さらに、高エネルギー密度や長寿命化、材料の資源性に関してのリチウムイオンキャパシタへの期待がある。
In particular, silicon-based oxides have a high lithium storage capacity per mass, and are regarded as promising materials for increasing the energy density of batteries. However, since the initial efficiency is low and the volume change during lithium occlusion is larger than that of carbon-based materials, the energy density of the fabricated batteries is the same as that of lithium-based capacitors and lithium-based secondary batteries using activated carbon or graphite-based materials as negative electrodes. In comparison, there was a problem that the effect of improving the energy density was small and the charge / discharge characteristics were inferior.
In other words, these materials and their compounds cannot avoid an increase in material volume or pulverization due to repeated charge and discharge, which is the main cause of the above problems. In order to improve this, there is a proposal of a method of using a porous material with a three-dimensional structure, which is mixed with carbon materials, and excellent in electrolytic solution resistance and oxidation resistance, and the material or its compounds can be used. Became. However, there are further expectations for lithium ion capacitors in terms of high energy density, long life, and material resources.
特に、負極に800mAh/g以上の充放電容量(以下単に「容量」ともいう)を持つ材料あるいはその化合物を用いたリチウムイオンキャパシタがリチウムイオン電池に近いエネルギー密度、出力特性、充放電サイクル特性を得ることが出来れば、キャパシタとしてさらなる用途拡大が期待できる。 In particular, a lithium ion capacitor using a material or a compound having a charge / discharge capacity of 800 mAh / g or more (hereinafter also simply referred to as “capacity”) for the negative electrode has energy density, output characteristics, and charge / discharge cycle characteristics close to those of a lithium ion battery. If it can be obtained, further application expansion can be expected as a capacitor.
本発明者らはこれらの点について更なる研究を重ねた結果、上記の本発明に係るキャパシタについて、更に、負極用集電体としての三次元網状構造の金属多孔体に、リチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料であって容量が800mAh/g以上である材料を活物質として充填してなる負極と、前述のカーボン粉末を含む電極からなる正極と、リチウム塩を含む非水電解液とを備えたキャパシタであって、その負極の充放電容量と正極の充放電容量との比(N/P値)を50〜400とすることが好ましいことを見出した。N/P値は50〜400であれば充分に効果が発揮され、400超に増やしてもその効果は小さい。また、負極電圧の安定とリチウムイオンキャパシタとしてのエネルギー密度を両立する観点から、200以下程度に抑えることがより好ましく、160以下程度とすることが更に好ましい。 As a result of further research on these points, the inventors of the present invention further performed lithium adsorption / desorption on a metal porous body having a three-dimensional network structure as a current collector for a negative electrode. A negative electrode formed by filling a material that can be occluded / desorbed and has a capacity of 800 mAh / g or more as an active material, a positive electrode comprising an electrode containing the above-mentioned carbon powder, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt It was found that the ratio (N / P value) between the charge / discharge capacity of the negative electrode and the charge / discharge capacity of the positive electrode was preferably 50 to 400. If the N / P value is 50 to 400, the effect is sufficiently exhibited, and even if it is increased to over 400, the effect is small. Further, from the viewpoint of achieving both stable negative electrode voltage and energy density as a lithium ion capacitor, it is more preferable to suppress it to about 200 or less, and it is more preferable to set it to about 160 or less.
本発明に係るキャパシタは、リチウム塩を含む非水電解液を用いた、エネルギー密度、出力特性、充放電サイクル特性を向上させたリチウムイオンキャパシタとすることができる。
本発明のキャパシタは、負極と正極の容量比(N/P値)の値を従来よりも大幅に大きくすることができる。具体的にはN/P値の好ましい値として、50〜400を選ぶことができる。N/P値のより好ましい値は55〜200であり、更に好ましくは60〜160である。これにより、キャパシタでありながらリチウム系二次電池に近いエネルギー密度を持ちつつ、高出力、長寿命化が可能なキャパシタとすることができ、また、資源としてもコバルト、希土類など貴金属や稀金属を用いる必要がないという長所を有する。
The capacitor according to the present invention can be a lithium ion capacitor using a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and having improved energy density, output characteristics, and charge / discharge cycle characteristics.
In the capacitor according to the present invention, the capacity ratio (N / P value) of the negative electrode and the positive electrode can be greatly increased as compared with the conventional case. Specifically, 50 to 400 can be selected as a preferable value of the N / P value. A more preferable value of the N / P value is 55 to 200, and more preferably 60 to 160. As a result, it is possible to make a capacitor that has an energy density close to that of a lithium-based secondary battery while being a capacitor, and that can have a high output and a long service life. Also, as a resource, noble metals such as cobalt and rare earths and rare metals can be used. It has the advantage that it does not need to be used.
この本発明の特長を発揮させるために、本発明においては、正極、負極ともにその集電体として三次元構造の金属多孔体を用いる。すなわち、正極の活物質である前記カーボン粉末、及び負極の活物質であるケイ素、スズなどの材料あるいはその酸化物等を充填する集電体として、従来用いられている正極の集電体としてのアルミニウム箔、負極の集電体としての銅箔の代わりに、正極、負極ともにその集電体として三次元構造の金属多孔体を用いる。
三次元構造を有する金属多孔体としては前述の三次元網状構造を有するものを好ましく使用することができる。すなわち、活物質の充填性や多孔度の点で、発泡状ニッケル、不織布状ニッケルのように、発泡ウレタンや不織布を基材としたものを好ましく用いることができる。三次元構造体としては、その他にも、金属板に多数の小孔をあけたものや、金属板に凹凸を設けて擬似的に3次元構造としたもの、焼結体や連通気孔を有する構造体などもあるが、発泡ウレタンや不織布を基材として得られた三次元網状構造の金属多孔体が最適である。
なお、以下では、ナトリウムイオンキャパシタの場合も含めて、金属多孔体として三次元網状構造を有する多孔体を使用した例について説明するが、その他の三次元構造体のものも同様にして使用することができる。
In order to exert the features of the present invention, in the present invention, a three-dimensional metal porous body is used as a current collector for both the positive electrode and the negative electrode. That is, as a current collector for filling the carbon powder that is the active material of the positive electrode and a material such as silicon or tin that is the active material of the negative electrode or its oxide, Instead of the aluminum foil and the copper foil as the negative electrode current collector, a porous metal body having a three-dimensional structure is used as the current collector for both the positive electrode and the negative electrode.
As the metal porous body having a three-dimensional structure, those having the aforementioned three-dimensional network structure can be preferably used. That is, in terms of the fillability and porosity of the active material, a material based on urethane foam or nonwoven fabric such as foamed nickel and nonwoven fabric nickel can be preferably used. Other three-dimensional structures include a metal plate with a large number of small holes, a metal plate with irregularities and a pseudo three-dimensional structure, and a structure with a sintered body and continuous air holes. However, a three-dimensional network metal porous body obtained using urethane foam or nonwoven fabric as a base material is optimal.
In the following, an example in which a porous body having a three-dimensional network structure is used as a porous metal body including a case of a sodium ion capacitor will be described, but other three-dimensional structures may be used in the same manner. Can do.
三次元網状構造の金属多孔体への活物質の充填は、前述のように活物質等をスラリー状にし、このスラリーを圧入法などの公知の方法によって充填すればよい。他には、例えばスラリー中に集電体を浸漬し、必要に応じて減圧工程を加え、スラリーを集電体の一方面からポンプ等で加圧しながら充填するなどの方法も採用できる。 The active material can be filled into the three-dimensional network structure porous metal by making the active material into a slurry as described above and filling the slurry by a known method such as a press-fitting method. In addition, for example, a method of immersing the current collector in the slurry, adding a decompression step as necessary, and filling the slurry while pressurizing with a pump or the like from one side of the current collector can be employed.
まず、正極用の活物質であるカーボン粉末は前述のように、通常導電助剤としてカーボンブラック、増粘剤、バインダを添加してスラリーとして集電体に充填する方法が最も好ましい。一方の負極として金属を箔として活物質とする提案があるが、本発明においては三次元網状構造の集電体に正極と同様に金属粉あるいは金属酸化物などとカーボンブラック、増粘剤、バインダを添加してスラリーとして集電体に充填する方法が適している。
負極についても、導電剤としては、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)の他に、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛なども使用可能である。しかし、導電性などの観点からケッチェンブラックが最も好ましい。導電助剤の添加量は、質量比で0.1〜10部程度が好ましい。
First, as described above, the most preferable method is to add carbon black, a thickener, and a binder as a conductive auxiliary agent and fill the current collector as a slurry with the carbon powder as the active material for the positive electrode. There is a proposal for using a metal foil as an active material as one of the negative electrodes. In the present invention, a metal powder or a metal oxide and carbon black, a thickener, a binder, etc. A method in which the current collector is added to the current collector as a slurry is suitable.
Also for the negative electrode, carbon fibers (Ketjen black, acetylene black, etc.), carbon fiber, natural graphite, artificial graphite, etc. can be used as the conductive agent. However, ketjen black is most preferable from the viewpoint of conductivity. As for the addition amount of a conductive support agent, about 0.1-10 parts is preferable by mass ratio.
また、バインダとしては負極にもPVdFのNMP溶液を用いることができるが、その他にポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースなども用いることができる。これらはエマルジョンや水溶液として用いることが出来ることから注目されている。バインダの添加量は、材料にもよるが、質量比で0.5〜10%程度が好ましい。0.5%未満であると活物質の保持性に劣り、10%を超えると、容量が小さくなるとともに電気抵抗も大きくなる。 As the binder, an NMP solution of PVdF can also be used for the negative electrode, but polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, and the like can also be used. These are attracting attention because they can be used as emulsions or aqueous solutions. The amount of binder added is preferably about 0.5 to 10% by mass ratio, although it depends on the material. If it is less than 0.5%, the retention of the active material is inferior. If it exceeds 10%, the capacity decreases and the electrical resistance also increases.
正極、負極ともに、活物質スラリーを充填した後、乾燥させて有機溶媒を除くことが好ましい。その後、スラリーを充填した後、ローラープレス機等により加圧して圧縮成形することが好ましい。加圧前後の厚さには限定はないが、圧縮前の厚さは、250〜1500μm程度、加圧後の厚さは、通常100〜800μm程度とすることが好ましい。キャパシタには、リード端子が具備されていることが好ましい。キャパシタの構造としては、板状、ボタン型、角型、円筒型など、用途に応じて汎用の構造を採用すればよい。 Both the positive electrode and the negative electrode are preferably filled with the active material slurry and then dried to remove the organic solvent. Then, after filling the slurry, it is preferable to press and compress with a roller press or the like. The thickness before and after pressing is not limited, but the thickness before compression is preferably about 250 to 1500 μm, and the thickness after pressing is preferably about 100 to 800 μm. The capacitor is preferably provided with a lead terminal. As a structure of the capacitor, a general-purpose structure such as a plate shape, a button shape, a square shape, or a cylindrical shape may be employed depending on the application.
このようにして、正極には前記のカーボン粉末を用い、負極にはリチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離でき、容量が800mAh/g以上である材料あるいはその酸化物を主とした負極活物質を充填してリチウムイオンキャパシタを構成する。ここで、このリチウムイオンキャパシタにおいて、その負極の計算容量を正極の計算容量の50〜400倍とした、リチウム塩を含む非水電解液を用いたリチウムイオンキャパシタを構成することにより、高容量、高出力、長寿命などをより良好に達成することができる。
このような従来にない大きなN/P比を達成するためには、正極用集電体として金属箔や二次元構造の集電体ではなく三次元網状構造の金属多孔体を用いることが必要で、三次元網状構造の金属多孔体としては前述の通り、耐酸化性、耐電解液性の観点からニッケルクロム合金が最適である。また負極用集電体としては、その他に三次元網状構造のニッケル多孔体も使用可能である。
In this way, the above-described carbon powder is used for the positive electrode, and the negative electrode is filled with a negative electrode active material mainly composed of a material having a capacity of 800 mAh / g or more or capable of absorbing and desorbing or desorbing lithium. Thus, a lithium ion capacitor is configured. Here, in this lithium ion capacitor, by constructing a lithium ion capacitor using a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, the calculated capacity of the negative electrode is 50 to 400 times the calculated capacity of the positive electrode, High output, long life, etc. can be achieved better.
In order to achieve such an unprecedented large N / P ratio, it is necessary to use a metal porous body having a three-dimensional network structure instead of a metal foil or a two-dimensional structure current collector as a positive electrode current collector. As described above, a nickel-chromium alloy is most suitable as the three-dimensional network metal porous body from the viewpoint of oxidation resistance and electrolytic solution resistance. As the negative electrode current collector, a nickel porous body having a three-dimensional network structure can also be used.
また、キャパシタにおける正極活物質は、リチウムイオン電池に用いるようなリチウム含有遷移金属酸化物である必要はなく前記カーボン粉末で十分な効果が発揮される。このようにリチウムイオンキャパシタの高容量化のためには、正極の容量も大きい方が好ましく、カーボン粉末を負極同様に金属多孔体、とくに発泡状ニッケルクロム多孔体(集電体)に充填して用いることが好ましい。 Further, the positive electrode active material in the capacitor does not need to be a lithium-containing transition metal oxide as used in a lithium ion battery, and a sufficient effect is exhibited by the carbon powder. Thus, in order to increase the capacity of the lithium ion capacitor, it is preferable that the capacity of the positive electrode is large, and carbon powder is filled into a porous metal body, particularly a foamed nickel chrome porous body (current collector) in the same manner as the negative electrode. It is preferable to use it.
正極の活物質として用いるカーボン粉末としては、前述の通り穀物の籾殻由来ものを使用することができる。
一方、負極に用いるリチウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる容量800mAh/g以上の材料としては、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)、これらの元素の酸化物、これらの元素とリチウムとの合金などが挙げられる。
As the carbon powder used as the positive electrode active material, those derived from grain husks can be used as described above.
On the other hand, materials having a capacity of 800 mAh / g or more capable of absorbing / desorbing or desorbing lithium used for the negative electrode include silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), oxides of these elements, and these elements. Examples include alloys with lithium.
また、リチウムイオンキャパシタを構成する前の負極活物質にリチウムが担持(ドープ)されていることが重要である。一般に負極にリチウムイオンを吸着あるいは吸蔵させることは、放電でリチウムイオンを正極に充分供給するために好ましい手段であり、セル電圧を上げることも可能になる。負極にリチウムイオンを吸着あるいは吸蔵させることは正極に三次元網状構造の集電体を用いて高容量を可能にするためにも必要な工程である。その方法としてはリチウム金属粉末と電極材料をあらかじめ混合しておく方法、電極の製造後に電極をリチウム金属箔と接触させるなどがある。後者は一種の短絡法ともいえる。 In addition, it is important that lithium is supported (doped) on the negative electrode active material before constituting the lithium ion capacitor. In general, adsorbing or occluding lithium ions in the negative electrode is a preferable means for sufficiently supplying lithium ions to the positive electrode by discharge, and the cell voltage can be increased. Adsorption or occlusion of lithium ions in the negative electrode is a necessary step in order to enable a high capacity using a current collector having a three-dimensional network structure in the positive electrode. As the method, there are a method in which lithium metal powder and an electrode material are mixed in advance, and an electrode is brought into contact with a lithium metal foil after the electrode is manufactured. The latter is a kind of short circuit method.
上記のリチウムイオンキャパシタは以下の方法により製造することができる。そのキャパシタの基本的な構成は従来通りであり、一対の正極、負極と、この電極間に配置された電解液が含浸されたセパレータとから成っており電槽に収納されている。
なお、セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ガラス繊維等の公知の多孔体を用いることができる。セパレータの平均孔径は特に限定されないが、孔径0.01μm〜5μm程度、多孔度30〜70%、厚さは10μm〜100μmが採用できる。
Said lithium ion capacitor can be manufactured with the following method. The basic structure of the capacitor is the same as that of the prior art, and is composed of a pair of positive and negative electrodes and a separator impregnated with an electrolyte solution disposed between the electrodes, and is accommodated in a battery case.
In addition, as a separator, well-known porous bodies, such as polyethylene, a polypropylene, a polyethylene terephthalate, polyamide, a polyimide, a cellulose, glass fiber, can be used, for example. The average pore size of the separator is not particularly limited, but a pore size of about 0.01 μm to 5 μm, a porosity of 30 to 70%, and a thickness of 10 μm to 100 μm can be employed.
[ナトリウムイオンキャパシタ]
上記の本発明に係るキャパシタは、ナトリウム塩を含む電解液を用いることによりナトリウムイオンキャパシタとすることができる。すなわち、本発明に係るキャパシタは、少なくとも、正極と、負極と、ナトリウム塩を含む非水電解液と、を備えるキャパシタであって、正極が前述のカーボン粉末を含む電極であり、負極が三次元網状構造を有する金属多孔体にナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料を活物質として充填してなることを特徴とする。
[Sodium ion capacitor]
The capacitor according to the present invention can be a sodium ion capacitor by using an electrolytic solution containing a sodium salt. That is, the capacitor according to the present invention is a capacitor comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing a sodium salt, wherein the positive electrode is an electrode containing the aforementioned carbon powder, and the negative electrode is three-dimensional. A metal porous body having a network structure is filled with a material capable of adsorbing / desorbing or desorbing or desorbing sodium as an active material.
本発明に係るキャパシタは、ナトリウム塩を含む非水電解液を用いることによりリチウムイオンキャパシタよりも低廉で資源性に優れた長所を活かしつつ、更に、従来のナトリウムイオンキャパシタにはない高エネルギー密度、高出力特性、長寿命などを発揮することができる。
一般に、汎用のリチウムイオン電池には正極にリチウム金属酸化物、負極に黒鉛が使用され、負極には活性炭の他に、ケイ素、スズなどの材料あるいは酸化物がそれぞれ使われている。また、非水系キャパシタには、両極に活性炭が使われており、リチウムイオンキャパシタには正極に活性炭、負極に黒鉛などが用いられている。そして、これらはいずれも集電体としてアルミニウム箔、銅箔などが使われている。
The capacitor according to the present invention utilizes the advantages of being cheaper and more resource-efficient than a lithium ion capacitor by using a non-aqueous electrolyte containing a sodium salt, and further has a high energy density not found in conventional sodium ion capacitors, High output characteristics and long life can be demonstrated.
In general, lithium metal oxide is used for a positive electrode and graphite is used for a negative electrode in a general-purpose lithium ion battery, and materials or oxides such as silicon and tin are used for the negative electrode in addition to activated carbon. In addition, activated carbon is used for both electrodes in the non-aqueous capacitor, and activated carbon is used for the positive electrode and graphite is used for the negative electrode in the lithium ion capacitor. All of these use aluminum foil, copper foil or the like as a current collector.
これに対し、本発明は、ナトリウムイオンのイオン半径が大きいことに着目し、特に正極の集電体として前述の耐電解液性の三次元網状構造を有する金属多孔体を用いることが主たる解決手段である。上記の三次元網状構造を有する耐電解液性の金属多孔体の金属としては特に制限はないが、前述のように、少なくともクロムを20質量%含み、ニッケルを主体とした三次元網状構造を有する金属多孔体が好ましい。例えば、前記金属多孔体は、三次元網状構造を有するニッケル多孔体の表面にクロム層を形成して合金化した金属多孔体であることが好ましい。
かかる耐電解液性の金属多孔体を正極用集電体として用いることにより、イオン半径が大きいナトリウムイオンの電気化学的反応の促進が大きく改良される。そして、リチウムイオン系キャパシタとそれほど遜色のないナトリウムイオン系のキャパシタが得られる。
On the other hand, the present invention pays attention to the large ionic radius of sodium ions, and the main solution is to use the metal porous body having the above-mentioned electrolyte-resistant three-dimensional network structure as the current collector of the positive electrode in particular. It is. The metal of the electrolyte-resistant metal porous body having the above three-dimensional network structure is not particularly limited. As described above, it has a three-dimensional network structure mainly containing nickel and containing at least 20% by mass of chromium. A metal porous body is preferable. For example, the metal porous body is preferably a metal porous body that is alloyed by forming a chromium layer on the surface of a nickel porous body having a three-dimensional network structure.
By using such an electrolyte-resistant metal porous body as a positive electrode current collector, the promotion of the electrochemical reaction of sodium ions having a large ionic radius is greatly improved. As a result, a sodium ion capacitor that is not inferior to a lithium ion capacitor can be obtained.
本発明のキャパシタにおいては、耐電解液性の三次元網状構造を有する金属多孔体を正極用集電体として使用するが、当該金属多孔体は正極に限らず、正極と負極の両極に用いることもできる。なお、リチウムイオン電池と同様に負極として構成される電極には、その集電体として三次元網状構造を有するニッケル多孔体を用いてもよい。 In the capacitor of the present invention, a metal porous body having an electrolyte-resistant three-dimensional network structure is used as a positive electrode current collector. However, the metal porous body is not limited to the positive electrode, and is used for both the positive electrode and the negative electrode. You can also. In addition, you may use the nickel porous body which has a three-dimensional network structure as the collector for the electrode comprised as a negative electrode similarly to a lithium ion battery.
上記正極用集電体に充填する、ナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料としては、例えば、前述のカーボン粉末を用いる。
また、負極用集電体に充填する、ナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる材料としては、活性炭、黒鉛、ハードカーボン、スズ、スズ化合物、チタン酸リチウム、シリコン微粒子、及びシリコン酸化物からなる群より選択される1以上の材料であることが好ましい。これらの中でもハードカーボンを使用することが特に好ましい。
For example, the above-mentioned carbon powder is used as the material that can be used for filling and desorbing or sorbing and desorbing sodium in the positive electrode current collector.
In addition, the material that can be absorbed and desorbed or occluded / desorbed into the negative electrode current collector is activated carbon, graphite, hard carbon, tin, tin compounds, lithium titanate, silicon fine particles, and silicon oxide. One or more selected materials are preferred. Among these, it is particularly preferable to use hard carbon.
正極の活物質として用いるカーボン粉末としては、前述の通り穀物の籾殻由来ものを使用することができる。
また、負極に用いる作用物質(活物質)としては、上記の他にも、ナトリウムを吸脱着あるいは吸蔵脱離できる、ケイ素(Si)、スズ(Sn)などとこれらの酸化物やナトリウムとの合金系材料があげられる。
As the carbon powder used as the positive electrode active material, those derived from grain husks can be used as described above.
In addition to the above, the active substance (active material) used for the negative electrode is an alloy of silicon (Si), tin (Sn), etc., with these oxides or sodium, which can adsorb / desorb or occlude / desorb sodium. System materials.
前記カーボン粉末を前記金属多孔体に充填する場合、前述のように、通常導電助剤としてカーボンブラック、増粘剤、バインダを添加してスラリーとして充填することが好ましい。スラリーの形成方法、及び金属多孔体へのスラリーの充填方法は前述の通りである。 When filling the carbon powder in the metal porous body, it is preferable to add carbon black, a thickener, and a binder as a conductive aid, as described above, and fill the slurry as a slurry. The method for forming the slurry and the method for filling the metal porous body with the slurry are as described above.
また、本発明に係るキャパシタは、正極に前記のカーボン粉末が充填され、かつ、負極にハードカーボンが充填され、負極計算容量と正極計算容量の比、すなわちN/P比は10〜100の範囲にあることが好ましく、12〜80の範囲にあることが更に好ましい。かかるキャパシタにおいては、前述のように、負極用集電体としては、三次元網状構造を有するニッケル多孔体を使用することもできる。また、正極と同様に、ニッケル多孔体の表面にクロム層を形成して合金化したものも使用することができる。 In the capacitor according to the present invention, the positive electrode is filled with the carbon powder and the negative electrode is filled with hard carbon, and the ratio of the calculated negative electrode capacity to the calculated positive electrode capacity, that is, the N / P ratio ranges from 10 to 100. It is preferable that it exists in the range of 12-80. In such a capacitor, as described above, a nickel porous body having a three-dimensional network structure can also be used as the negative electrode current collector. Moreover, what formed the chromium layer and alloyed on the surface of a nickel porous body similarly to a positive electrode can also be used.
上記の負極用集電体に充填するナトリウムを吸脱着、あるいは吸蔵脱離できる材料は、導電助剤、増粘剤、バインダ、溶媒等を混合してスラリー状にして集電体に充填することができる。
導電助剤としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛などを使用可能である。しかし、導電性などの観点からケッチェンブラックが最も好ましい。導電助剤の添加量は、ハードカーボンを質量比で85に対して、0.1〜10程度が好ましい。
The material capable of adsorbing / desorbing or occluding / desorbing sodium filled in the negative electrode collector is mixed with a conductive additive, a thickener, a binder, a solvent, etc. into a slurry, and filled into the current collector. Can do.
As the conductive aid, for example, ketjen black, acetylene black, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite and the like can be used. However, ketjen black is most preferable from the viewpoint of conductivity. As for the addition amount of a conductive support agent, about 0.1-10 are preferable with respect to 85 with a mass ratio of hard carbon.
また、バインダとしては例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースなどが挙げられる。これらはエマルジョンや水溶液として用いることが出来ることから注目されている。
バインダの添加量は、材料にもよるが、ハードカーボンを質量比で85に対して、0.5〜15程度が好ましい。これ以下であると活物質の保持性に劣り、これ以上では、容量が小さくなるとともに電気抵抗も大きくなる。
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, and carboxymethyl cellulose. These are attracting attention because they can be used as emulsions or aqueous solutions.
Although the amount of the binder added depends on the material, the hard carbon is preferably about 0.5 to 15 with respect to 85 by mass ratio. If it is less than this, the retention of the active material is inferior, and if it is more than this, the capacity decreases and the electrical resistance also increases.
三次元網状構造を有する負極用集電体(金属多孔体)への作用物質(活物質)充填法としては、作用物質などをスラリー状にし、このスラリーを圧入法などの公知の方法などを使用すればよい。他には、例えば、スラリー中に集電体(金属多孔体)を浸漬し、必要に応じて減圧工程を加え、スラリーを集電体の一方面からポンプなどで加圧しながら充填するなどの方法も採用することができる。 As a method of filling the active substance (active material) into the negative electrode current collector (metal porous body) having a three-dimensional network structure, the active substance is made into a slurry, and this slurry is used by a known method such as a press-fitting method. do it. Other methods include, for example, immersing a current collector (metal porous body) in the slurry, adding a pressure reducing step as necessary, and filling the slurry while pressurizing it from one side of the current collector with a pump or the like. Can also be adopted.
前記正極用集電体、負極用集電体に作用物質スラリーを充填した後、ローラープレス機などにより加圧することにより、圧縮成形することが好ましい。加圧前後の電極の厚さには限定はないが、圧縮前の厚さは、250μm〜1500μm程度、加圧後の厚さは、通常100μm〜800μm程度が好ましい。
ナトリウムイオン系キャパシタには、公知のようにリード端子を設け、板状、ボタン型、角型、円筒型などの形状することが好ましい。
It is preferable that the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are filled with the active substance slurry, and then compression-molded by applying pressure using a roller press or the like. The thickness of the electrode before and after pressurization is not limited, but the thickness before compression is preferably about 250 μm to 1500 μm, and the thickness after pressurization is usually preferably about 100 μm to 800 μm.
As is well known, sodium ion capacitors are preferably provided with lead terminals and shaped like a plate, button, square, or cylinder.
また、ナトリウムイオンキャパシタを構成する前の負極作用物質にナトリウムが担持(ドープ)されていることが好ましい。一般に負極にナトリウムイオンを吸着あるいは吸蔵させることは、放電でナトリウムイオンを正極に充分供給するために好ましい手段であり、セル電圧を上げることも可能になる。正極に三次元網状構造を有する集電体を用いて高容量を可能にするためにも重要な工程である。
その方法として、ナトリウム金属粉末と負極用の電極材料(作用物質)をあらかじめ混合しておく、又は電極を製造後にナトリウム金属箔と接触させるなどがある。後者は一種の短絡法ともいえる。
Moreover, it is preferable that sodium is carried (doped) on the negative electrode active substance before constituting the sodium ion capacitor. In general, adsorption or occlusion of sodium ions in the negative electrode is a preferable means for sufficiently supplying sodium ions to the positive electrode by electric discharge, and the cell voltage can be increased. This is also an important step in order to enable a high capacity by using a current collector having a three-dimensional network structure for the positive electrode.
As the method, sodium metal powder and a negative electrode material (active substance) are mixed in advance, or the electrode is brought into contact with a sodium metal foil after production. The latter is a kind of short circuit method.
本発明に係るキャパシタの基本的な構成は従来通りであり、正極、負極を一対とし、この電極間に電解液が含浸されたセパレータで成立ち、電槽に収納されている。
なお、セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンレテフタラート、ポリアミド、ポリイミド、セルロース、ガラス繊維などの公知の多孔体を用いることができる。セパレータの平均孔径は特に限定されないが、孔径0.01μm〜4μm程度、多孔度35〜70%、厚さは10μm〜100μmが採用できる。
The basic structure of the capacitor according to the present invention is the same as that of the prior art, and is formed by a separator in which a positive electrode and a negative electrode are paired and an electrolyte is impregnated between the electrodes, and is accommodated in a battery case.
In addition, as a separator, well-known porous bodies, such as polyethylene, a polypropylene, a polyethylene terephthalate, polyamide, a polyimide, a cellulose, glass fiber, can be used, for example. The average pore diameter of the separator is not particularly limited, but a pore diameter of about 0.01 μm to 4 μm, a porosity of 35 to 70%, and a thickness of 10 μm to 100 μm can be employed.
以下、本発明のキャパシタとして、リチウムイオンキャパシタ及びナトリウムイオンキャパシタの実施例を示す。しかし、これらの実施例は例示であって、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の範囲によって示され、特許請求の範囲の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。 Examples of lithium ion capacitors and sodium ion capacitors will be described below as the capacitors of the present invention. However, these examples are illustrative, and the present invention is not limited by these examples. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims, and the scope of the claims and All changes within an equivalent meaning and scope are included.
<実施例1>リチウムイオンキャパシタ
[負極の作製]
(集電体)
三次元網状構造の金属多孔体の集電体としては、発泡状ニッケルにクロムを含む浸透材を充填して還元雰囲気で加熱する粉末パック法を用いてクロマイジング処理をして作製された発泡状ニッケルクロム合金集電体を用いた。
発泡状ニッケルは、ウレタンシート(平均孔径90μm、厚さ1.4mm、多孔度96%の市販品)に導電処理後、350g/m2のニッケルめっきが施され、ウレタンを除去後に還元性で加熱して作製されたものである。
<Example 1> Lithium ion capacitor [Preparation of negative electrode]
(Current collector)
As a current collector for a metal porous body with a three-dimensional network structure, a foamed material manufactured by chromizing treatment using a powder pack method in which foamed nickel is filled with a penetrating material containing chromium and heated in a reducing atmosphere. A nickel chrome alloy current collector was used.
The foamed nickel is conductively treated on a urethane sheet (commercially available product with an average pore diameter of 90 μm, thickness of 1.4 mm, and porosity of 96%), and then 350 g / m 2 of nickel plating is applied. It was made as.
クロマイジング処理は、前記発泡状ニッケルの基材に、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材(クロム:90%、NH4Cl:1%、Al2O3:9%)を充填して水素ガス雰囲気中で800℃に加熱することにより行った。得られた発泡状ニッケルクロム基材のクロムの含有量は30質量%で、厚さは1.4mmであった。
これを多孔度96%、孔径100〜400μmで、予め250、500、1000、1300μmに厚さを調節し、金型で直径11mm円状に打抜いた発泡状ニッケルクロムを集電体とした。
In the chromizing treatment, the foamed nickel base material is filled with a penetrating material (chromium: 90%, NH 4 Cl: 1%, Al 2 O 3 : 9%) mixed with chromium powder, halide and alumina. The heating was performed at 800 ° C. in a hydrogen gas atmosphere. The resulting foamed nickel chromium base had a chromium content of 30% by mass and a thickness of 1.4 mm.
The current collector was made of foamed nickel chrome having a porosity of 96% and a pore diameter of 100 to 400 μm, the thickness of which was previously adjusted to 250, 500, 1000 and 1300 μm, and punched into a circle of 11 mm in diameter with a mold.
(負極活物質)
負極活物質として酸化物形材料である酸化ケイ素SiО(計算容量密度1500mAh/g)を用いた。市販の平均粒径約5μmのSiOを質量比で80に対して、導電剤としてケッチェンブラック(KB)5、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)15、溶媒N−メチル−2−ピロリドン(NMP)100を混合機で攪拌しながらバインダを溶媒に溶解してスラリーを得た。
(Negative electrode active material)
As the negative electrode active material, silicon oxide SiO (calculated capacity density 1500 mAh / g) which is an oxide type material was used. Commercially available SiO with an average particle size of about 5 μm is 80 by mass, Ketjen black (KB) 5 as a conductive agent, polyvinylidene fluoride (PVdF) 15 as a binder, solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) While stirring 100 with a mixer, the binder was dissolved in a solvent to obtain a slurry.
(集電体への負極活物質の充填)
前記で得た集電体に前記スラリーを圧入することによって充填し、乾燥、加圧して負極A1〜負極A4を得た。負極A1〜A4はそれぞれ20枚ずつ作製した。
(Filling current collector with negative electrode active material)
The slurry obtained above was filled by press-fitting the slurry, dried and pressurized to obtain negative electrodes A1 to A4. Twenty negative electrodes A1 to A4 were prepared.
(負極へのリチウムドープ)
上記で得た負極A1〜A4のそれぞれに、直径13mm、厚さ100μmのリチウム箔を接触させて50℃中で1夜放置した。この操作により、各負極に圧着したリチウムがイオン化して各負極の酸化ケイ素に吸蔵される。
リチウムドープ後の負極電位はリチウム基準で0.05V以下であった。
(Lithium doping to the negative electrode)
Each of the negative electrodes A1 to A4 obtained above was contacted with a lithium foil having a diameter of 13 mm and a thickness of 100 μm and left at 50 ° C. overnight. By this operation, lithium pressure-bonded to each negative electrode is ionized and occluded by silicon oxide of each negative electrode.
The negative electrode potential after lithium doping was 0.05 V or less based on lithium.
[正極の作製]
(集電体)
正極の集電体として、負極に用いたと同じ発泡状ニッケルクロム多孔体を用いた。
正極では、発泡状ニッケルクロム多孔体を厚さ500、780、1300μmに調節し、負極と同様に金型で直径11mm円状に打抜いて正極用の集電体とした。
[Production of positive electrode]
(Current collector)
As the current collector for the positive electrode, the same foamed nickel chromium porous material as that used for the negative electrode was used.
In the positive electrode, the foamed nickel chrome porous body was adjusted to a thickness of 500, 780, and 1300 μm, and punched in a circular shape with a diameter of 11 mm with a mold in the same manner as the negative electrode to obtain a current collector for the positive electrode.
(正極活物質)
シリカ成分を49質量%含有する米の籾殻炭粉末(比表面積770m2/g、平均粒径約8μm)100質量部に、導電助剤としてケッチェンブラック11質量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末8質量部、溶媒としてN−メチルピロリドン55質量部を添加し、混合機で攪拌することにより、籾殻炭ペーストを調製した。
(Positive electrode active material)
100 parts by mass of rice husk charcoal powder (specific surface area of 770 m 2 / g, average particle size of about 8 μm) containing 49% by mass of silica component, 11 parts by mass of ketjen black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride powder 8 as a binder The rice husk charcoal paste was prepared by adding 55 mass parts of N-methylpyrrolidone as a mass part and a solvent, and stirring with a mixer.
(集電体への正極活物質の充填)
籾殻炭ペーストを上記正極用集電体に、籾殻炭の含量が8mg/cm2となるように充填した。実際の充填量は8mg/cm2であった。次に、乾燥機で100℃、1時間乾燥させて溶媒を除去した後、直径500ミリのローラープレス機(スリット:50μm)で加圧して正極A1〜A3を得た。加圧後の厚さは170μmであった。正極A1〜A3はそれぞれ20枚ずつ作製した。
(Filling current collector with positive electrode active material)
The rice husk charcoal paste was filled into the positive electrode collector so that the content of rice husk charcoal was 8 mg / cm 2 . The actual filling amount was 8 mg / cm 2 . Next, after drying by 100 degreeC with a dryer for 1 hour and removing a solvent, it pressurized with the roller press machine (slit: 50 micrometers) of diameter 500mm, and obtained positive electrode A1-A3. The thickness after pressing was 170 μm. Twenty positive electrodes A1 to A3 were produced respectively.
[キャパシタの作製]
上記で得た直径11mmの円状の各正極及び各負極を用い、両電極の間にポリプロピレン製のセパレータ(厚さ25μm)を挟んで対向させてセルを構成し、R2032サイズのコインセルケースに収納し、体積比1:1のエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)に1mol/lのLiPF6を溶解した電解液を用いて電極及びセパレータに含浸した。さらに、プロピレン製の絶縁ガスケットを介してケース蓋を締めて封口して、コイン形のリチウムイオンキャパシタを作製した。
[Manufacture of capacitors]
Each of the 11 mm diameter circular positive and negative electrodes obtained above was used to form a cell with a polypropylene separator (thickness 25 μm) sandwiched between the two electrodes and housed in an R2032-sized coin cell case. Then, an electrode and a separator were impregnated using an electrolytic solution in which 1 mol / l LiPF 6 was dissolved in ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1: 1. Further, the case lid was tightened and sealed through an insulating gasket made of propylene to produce a coin-shaped lithium ion capacitor.
このように作製したそれぞれの負極A1〜負極A4及び正極A1〜正極A3の電極の調厚後厚さと加圧後厚さ及び活物質充填量を表1及び表2に示した(但し、負極A5、負極A6及び正極A4については金属箔を用いているため調厚後厚さは記載していない)。
また、表1には比較として銅箔を集電体とした負極A5、A6についても示した。表2には比較としてアルミニウム箔にカーボン粉末スラリーを用いて作製した正極A4についても示した。
上記各負極及び各正極を用いて作製したリチウムイオンキャパシタのN/P値を表3に示した。表3に示すN/P値は、それぞれ同一の構成のキャパシタ3つの平均値である。
Tables 1 and 2 show the post-thickness thickness, post-pressurization thickness, and active material filling amount of each of the negative electrode A1 to negative electrode A4 and positive electrode A1 to positive electrode A3 produced in this manner (however, the negative electrode A5 For the negative electrode A6 and the positive electrode A4, since the metal foil is used, the thickness after the thickness adjustment is not described).
Table 1 also shows negative electrodes A5 and A6 using copper foil as a current collector for comparison. Table 2 also shows a positive electrode A4 produced using a carbon powder slurry for an aluminum foil as a comparison.
Table 3 shows the N / P values of lithium ion capacitors produced using the negative electrodes and the positive electrodes. The N / P values shown in Table 3 are average values of three capacitors having the same configuration.
N/Pは以下のようにして求めた。
負極活物質であるSiOの容量を1500mAh/g、正極活物質であるカーボン粉末の容量を15mAh/gとし、それぞれの電極に含有されているSiOおよびカーボン粉末の質量をかけたものをそれぞれの電極の容量とした。このようにして求めた負極の電極容量を正極の電極容量で割った値をN/P比とした。N/P比は集電体に充填する活物質の量を変化させることで調節した。
N / P was determined as follows.
The capacity of SiO as the negative electrode active material is 1500 mAh / g, the capacity of the carbon powder as the positive electrode active material is 15 mAh / g, and the mass of the SiO and carbon powder contained in each electrode is multiplied by each electrode. Capacity. The value obtained by dividing the negative electrode capacity thus obtained by the positive electrode capacity was defined as the N / P ratio. The N / P ratio was adjusted by changing the amount of active material filled in the current collector.
正極A1と負極A2を組み合わせたリチウムイオンキャパシタA(N/P値:158)の放電試験を行ったところ、4Vから2Vにかけて直線的な放電曲線を描いており、リチウムイオンキャパシタAはキャパシタとして正常に機能していた。容量は約0.3mAh/cm2であった。正極A2と負極A2を組み合わせたリチウムイオンキャパシタB(N/P値:220)、正極A3と負極A1を組み合わせたリチウムイオンキャパシタC(N/P値:387)についても同様に良好な放電曲線が得られた。
一方、正極A4と負極A5を組み合わせたリチウムイオンキャパシタD(N/P値:44)及び正極A4と負極A6を組み合わせたリチウムイオンキャパシタE(N/P値:18)の放電試験を行ったところ、4Vから2Vにかけて放電曲線が屈曲しており、リチウムイオンキャパシタDおよびEはキャパシタとして正常に機能していないことが分かった。
When a discharge test was performed on a lithium ion capacitor A (N / P value: 158) in which the positive electrode A1 and the negative electrode A2 were combined, a linear discharge curve was drawn from 4V to 2V, and the lithium ion capacitor A was normal as a capacitor. Was functioning. The capacity was about 0.3 mAh / cm 2 . Similarly, a good discharge curve is obtained for the lithium ion capacitor B (N / P value: 220) in which the positive electrode A2 and the negative electrode A2 are combined, and the lithium ion capacitor C (N / P value: 387) in which the positive electrode A3 and the negative electrode A1 are combined. Obtained.
On the other hand, when the discharge test of the lithium ion capacitor D (N / P value: 44) combining the positive electrode A4 and the negative electrode A5 and the lithium ion capacitor E (N / P value: 18) combining the positive electrode A4 and the negative electrode A6 was performed. The discharge curve was bent from 4 V to 2 V, and it was found that the lithium ion capacitors D and E did not function normally as capacitors.
以上の実施例の結果から正極、負極ともに三次元網状構造の金属多孔体に、正極にはカーボン粉末を充填し、負極には容量800mAh/g以上の酸化ケイ素を充填し、負極計算容量と正極計算容量の比すなわちN/P値として50〜400、より好ましくは55〜200、とくに60〜160を採用することにより、リチウム系二次電池に近いエネルギー密度、高出力密度、長寿命が得られ、資源性にも優れたリチウムイオンキャパシタが得られた。 From the results of the above examples, the positive electrode and the negative electrode were both filled with a three-dimensional network metal porous body, the positive electrode was filled with carbon powder, and the negative electrode was filled with silicon oxide having a capacity of 800 mAh / g or more. By adopting a calculation capacity ratio, that is, an N / P value of 50 to 400, more preferably 55 to 200, particularly 60 to 160, energy density, high output density, and long life similar to those of a lithium secondary battery can be obtained. Thus, a lithium ion capacitor having excellent resource properties was obtained.
<実施例2>ナトリウムイオンキャパシタ
[金属多孔体(集電体)の作製]
本実施例では、三次元網状構造を有する金属集電体として、三次元網状構造のニッケル多孔体の表面にクロム層を形成したものを使用した。
具体的には、発泡状ニッケル多孔体の表面にクロムを添加し加熱してニッケルクロム合金層を形成した三次元網状構造の金属多孔体を製造した。すなわち発泡状ニッケルにクロマイジング処理をして、作製された発泡状ニッケルクロム合金多孔体を用いた。
<Example 2> Sodium Ion Capacitor [Production of Porous Metal (Current Collector)]
In this example, a metal current collector having a three-dimensional network structure with a chromium layer formed on the surface of a three-dimensional network nickel porous body was used.
Specifically, a metal porous body having a three-dimensional network structure in which chromium was added to the surface of the foamed nickel porous body and heated to form a nickel chromium alloy layer was manufactured. That is, the foamed nickel-chromium alloy porous body produced by chromizing the foamed nickel was used.
発泡状ニッケルは、ウレタンシート(平均孔径90μm、厚さ1.4mm、多孔度96%の市販品)に導電処理後、350g/m2のニッケルめっきが施され、ウレタンを除去後に還元性雰囲気で加熱して作製されたものを使用した。
そして、発泡状ニッケル(三次元網状構造を有するニッケル多孔体)をクロマイジング処理することにより、ニッケルをニッケル−クロム合金とした。つまり、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材を基材に充填して還元雰囲気で過熱する粉末パック法を用いたもので、発泡状ニッケルに浸透材(クロム:90%、NH4Cl:1%、Al2O3:9%)を充填し、水素ガス雰囲気中で800℃に加熱して作製した。
このようにして作製した金属多孔体におけるクロムの含有量は30質量%であり、厚さは1.4mmであった。
The foamed nickel is subjected to a conductive treatment on a urethane sheet (commercially available product with an average pore diameter of 90 μm, a thickness of 1.4 mm, and a porosity of 96%), followed by 350 g / m 2 of nickel plating. What was produced by heating was used.
And nickel was made into the nickel-chromium alloy by chromizing the foamed nickel (nickel porous body which has a three-dimensional network structure). In other words, a powder pack method is used in which a base material is filled with a penetrant mixed with chromium powder, halide, and alumina and heated in a reducing atmosphere. The penetrant (chromium: 90%, NH 4 Cl 1%, Al 2 O 3 : 9%) and heated to 800 ° C. in a hydrogen gas atmosphere.
The metal porous body thus produced had a chromium content of 30% by mass and a thickness of 1.4 mm.
[負極の作製]
作用物質(活物質)材料としてハードカーボン(計算容量密度200mAh/g)を用いた。
市販の平均粒径約10μmのハードカーボンを質量比で85に対して、導電剤としてケッチェンブラック(KB)を3、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を12、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を100、を混合機で攪拌しながらバインダを溶媒に溶解して負極用スラリーを得た。
続いて、上記で作製した、約1250μm、多孔度96%、孔径100〜400μmの金属多孔体を、あらかじめ表4に示す厚さに調節し、金型で直径11mm円状に打抜いた。
そしてこの発泡状ニッケルクロム多孔体を負極用集電体とし、上記負極用スラリーを下記表4に示す充填量で充填し、乾燥、加圧して負極B1、負極B2及び負極B3を得た。負極へのナトリウムのドープは電解により行った。
また、比較として銅箔を使用して、下記表4の条件により負極B4及び負極B5を作製した。
[Production of negative electrode]
Hard carbon (calculated capacity density 200 mAh / g) was used as an active material (active material).
Commercially available hard carbon having an average particle size of about 10 μm in mass ratio of 85, Ketjen black (KB) as the conductive agent, 3 polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder, N-methyl-2- While stirring pyrrolidone (NMP) 100 with a mixer, the binder was dissolved in a solvent to obtain a slurry for negative electrode.
Subsequently, the metal porous body having a thickness of about 1250 μm, a porosity of 96%, and a pore diameter of 100 to 400 μm, prepared as described above, was adjusted in advance to the thickness shown in Table 4 and punched into a circle having a diameter of 11 mm with a mold.
Then, this foamed nickel chrome porous body was used as a negative electrode current collector, and the negative electrode slurry was filled in the filling amounts shown in Table 4 below, dried and pressurized to obtain negative electrode B1, negative electrode B2, and negative electrode B3. The negative electrode was doped with sodium by electrolysis.
Moreover, the negative electrode B4 and the negative electrode B5 were produced on condition of the following Table 4 using copper foil as a comparison.
[正極の作製]
正極には、上記で作製した発泡状ニッケルクロム多孔体(負極B1及びB2に用いたと同じもの)を正極用集電体として用いた。正極では、発泡状ニッケルクロム多孔体を厚さ780μmに調節し、負極と同様に金型で直径11mm円状に打抜いて正極用集電体とした。そして、これにカーボン粉末(計算容量密度15mAh/g)を充填した。
カーボン粉末としては、シリカ成分を49質量%含有する米の籾殻炭粉末(比表面積770m2/g、平均粒径約8μm)を用いた。
また、活物質の質量比80に対して、導電剤としてKBを5、バインダとしてPVdFを15、溶媒としてNMPを300、を混合機で攪拌しながらバインダを溶媒に溶解して正極用スラリーを得た。
そして、正極用スラリーを前記正極用集電体に下記表5に示す充填量で充填し、乾燥、加圧して正極B1及び正極B2を得た。
また、比較としてアルミニウム箔を使用して、下記表5の条件により正極B3及び正極B4を作製した。
[Production of positive electrode]
As the positive electrode, the foamed nickel chrome porous body produced above (the same as used for the negative electrodes B1 and B2) was used as the positive electrode current collector. In the positive electrode, the foamed nickel chrome porous body was adjusted to a thickness of 780 μm, and was punched into a circular shape with a diameter of 11 mm with a mold in the same manner as the negative electrode to obtain a positive electrode current collector. And this was filled with carbon powder (calculated capacity density 15mAh / g).
As the carbon powder, rice husk charcoal powder (specific surface area of 770 m 2 / g, average particle diameter of about 8 μm) containing 49% by mass of a silica component was used.
Also, for the active material mass ratio of 80, KB as a conductive agent, 15 PVdF as a binder, and 300 NMP as a solvent were dissolved in a solvent while stirring with a mixer to obtain a positive electrode slurry. It was.
Then, the positive electrode slurry was filled in the positive electrode current collector in the filling amount shown in Table 5 below, dried and pressurized to obtain the positive electrode B1 and the positive electrode B2.
Moreover, the positive electrode B3 and the positive electrode B4 were produced on condition of the following Table 5 using the aluminum foil as a comparison.
[キャパシタの作製]
上記で得られた正極B1及び負極B1の間にガラス製のセパレータを挟んで対向させてセルを構成し、R2032サイズのコイン形のセルケースに収納し、1mol/lのNaPF6を溶解した、体積比1:1のエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)に溶解した電解液を用いて電極及びセパレータに含浸した。
さらに、プロピレン製の絶縁ガスケットを介してケース蓋を締めて封口して、コイン形のナトリウムイオンキャパシタAを作製した。同様に、前記負極B1〜負極B3、及び正極B1〜正極B2を用いて表6に示すナトリウムイオンキャパシタB〜Fを作製した。
また、比較として、前記負極B4及び正極B3を用いてナトリウムイオンキャパシタGを、負極B5及び正極B4を用いてナトリウムイオンキャパシタHを作製した。
それぞれのナトリウムイオンキャパシタのN/P値を表6に示す。
[Manufacture of capacitors]
A cell was formed by sandwiching a glass separator between the positive electrode B1 and the negative electrode B1 obtained above, and the cell was stored in an R2032-sized coin-shaped cell case, and 1 mol / l NaPF 6 was dissolved. Electrodes and separators were impregnated using an electrolytic solution dissolved in ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) having a volume ratio of 1: 1.
Further, the case lid was tightened and sealed through a propylene insulating gasket to produce a coin-shaped sodium ion capacitor A. Similarly, sodium ion capacitors B to F shown in Table 6 were prepared using the negative electrode B1 to the negative electrode B3 and the positive electrode B1 to the positive electrode B2.
For comparison, a sodium ion capacitor G was produced using the negative electrode B4 and the positive electrode B3, and a sodium ion capacitor H was produced using the negative electrode B5 and the positive electrode B4.
Table 6 shows the N / P value of each sodium ion capacitor.
また、上記のようにして作製した正極及び負極を用いたコイン形セルのナトリウムイオンキャパシタの放電試験を実施したところ、本発明のナトリウムイオンキャパシタA〜Fは、比較例の銅箔(負極)、アルミニウム箔(正極)を使用したナトリウムイオンキャパシタG、Hにくらべて約4倍の容量密度を示した。 Moreover, when the discharge test of the sodium ion capacitor of the coin type cell using the positive electrode and the negative electrode produced as described above was carried out, the sodium ion capacitors A to F of the present invention were the copper foil (negative electrode) of the comparative example, Compared to sodium ion capacitors G and H using aluminum foil (positive electrode), the capacitance density was about 4 times.
以上の実施例の結果から、正極、負極ともに三次元網状構造の金属多孔体、とくにニッケル多孔体表面にクロム層を形成して合金化した金属多孔体に、正極にはカーボン粉末を充填し、負極にはハードカーボンを充填し、負極計算容量と正極計算容量の比、すなわちN/P値として10〜100、とくに12〜80を採用することにより、ナトリウム系二次電池に近いエネルギー密度、高出力密度、長寿命が得られ、資源性にも優れたナトリウムイオンキャパシタが得られたことが分かる。
なお、N/Pは前記リチウムイオンキャパシタの場合と同様にして求めた。すなわち、負極活物質であるハードカーボンの容量を200mAh/g、正極活物質であるカーボン粉末の容量を15mAh/gとし、それぞれの電極に含有されているハードカーボンおよびカーボン粉末の質量をかけたものをそれぞれの電極の容量とした。このようにして求めた負極の電極容量を正極の電極容量で割った値をN/P比とした。N/P比は集電体に充填する活物質の量を変化させることで調節した。
From the results of the above examples, both the positive electrode and the negative electrode have a three-dimensional network metal porous body, in particular, a metal porous body formed by alloying by forming a chromium layer on the surface of the nickel porous body, the positive electrode is filled with carbon powder, By filling the negative electrode with hard carbon and adopting a ratio of the negative electrode calculated capacity to the calculated positive electrode capacity, that is, N / P value of 10 to 100, especially 12 to 80, energy density close to that of the sodium secondary battery, high It can be seen that a sodium ion capacitor having a high output density and a long life and excellent resource is obtained.
N / P was determined in the same manner as in the case of the lithium ion capacitor. That is, the capacity of the hard carbon as the negative electrode active material is 200 mAh / g, the capacity of the carbon powder as the positive electrode active material is 15 mAh / g, and the mass of the hard carbon and carbon powder contained in each electrode is multiplied. Was the capacity of each electrode. The value obtained by dividing the negative electrode capacity thus obtained by the positive electrode capacity was defined as the N / P ratio. The N / P ratio was adjusted by changing the amount of active material filled in the current collector.
本発明の新規技術を導入したリチウムイオンキャパシタ、ナトリウムイオンキャパシタは、携帯用、移動用、緊急用、その他の一般、産業用の電源として用途の拡大が可能になる。 The lithium ion capacitor and the sodium ion capacitor into which the novel technology of the present invention is introduced can be used for portable, mobile, emergency, and other general and industrial power supplies.
Claims (22)
電解液として、リチウム塩又はナトリウム塩を含む非水電解液を有することを特徴とするキャパシタ。 An electrode obtained by filling a carbon powder containing a silica component obtained from a grain shell into a porous metal body having a three-dimensional structure having oxidation resistance;
A capacitor having a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt or a sodium salt as the electrolyte.
ことを特徴とする請求項18〜20のいずれかに記載のキャパシタ。 21. The capacitor according to claim 18, wherein the metal porous body of the negative electrode is a metal porous body having a three-dimensional structure mainly composed of nickel.
ことを特徴とする請求項18〜21のいずれかに記載のキャパシタ。 The material capable of adsorbing / desorbing / desorbing / desorbing sodium filled in the metal porous body is selected from the group consisting of activated carbon, graphite, hard carbon, tin, tin compounds, sodium titanate, silicon fine particles, and silicon oxide. The capacitor according to claim 18, wherein the capacitor is one or more materials.
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