JP4957373B2 - Electric double layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電気二重層キャパシタに関するものである。 The present invention relates to an electric double layer capacitor.
電気二重層キャパシタは、正極集電板に分極性電極が密着されてなる正極と負極集電板に分極性電極が密着されてなる負極とセパレータと電解液とを備えたもので、セパレータを挟んで正極と負極とが相対して配置され、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用した蓄電素子である。電気二重層キャパシタの分極性電極の主たる構成要素としては、活性炭などの単位質量当たりの表面積が非常に大きな炭素系材料が使用されることが多い。このように構成された電気二重層キャパシタは、アルミ電解コンデンサのようなキャパシタに比べて極めて大きな静電容量が得られることが特徴となっている。さらに、電気二重層キャパシタは、二次電池のような電気化学反応を利用した蓄電素子とは異なり、活性炭の細孔へのイオンの出入りで充放電が行なわれるため、電気化学反応を伴わず、非常に高速な充放電が可能である。このような特徴を利用して、電気二重層キャパシタは、電子機器のメモリーバックアップ用電源、家電機器やコピー機の電力貯蔵、自動車のアイドリングストップ時の始動用電源、ハイブリッド自動車の電源、風力発電や太陽光発電のピークシェービングや平準化のための電力貯蔵用など、幅広い利用が考えられており、省エネルギーや炭酸ガス放出の削減に役立つキーデバイスとして期待されている。 An electric double layer capacitor includes a positive electrode in which a polarizable electrode is in close contact with a positive current collector, a negative electrode in which a polarizable electrode is in close contact with a negative current collector, a separator, and an electrolyte. In the electric storage element, the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other, and use the capacitance of the electric double layer formed on the surface of the polarizable electrode in the electrolytic solution. As a main component of the polarizable electrode of the electric double layer capacitor, a carbon-based material having a very large surface area per unit mass such as activated carbon is often used. The electric double layer capacitor configured as described above is characterized in that an extremely large capacitance can be obtained as compared with a capacitor such as an aluminum electrolytic capacitor. In addition, the electric double layer capacitor is charged and discharged by ions entering and exiting the pores of the activated carbon, unlike a storage element using an electrochemical reaction such as a secondary battery. Very fast charge / discharge is possible. Taking advantage of these features, electric double layer capacitors can be used as memory backup power sources for electronic devices, power storage for home appliances and copiers, power sources for start-up when automobiles are idle, power sources for hybrid vehicles, wind power generation, A wide range of uses such as peak shaving for solar power generation and power storage for leveling is considered, and it is expected to be a key device that helps to save energy and reduce carbon dioxide emissions.
電気二重層キャパシタにおいては、その主要性能の一つである蓄電エネルギーの向上が重要な課題となっている。電気二重層キャパシタの蓄電エネルギーは、充電電圧の2乗に比例するため、充電電圧を高めることが蓄電エネルギーの向上につながる。充電電圧を高めるためには、電気二重層キャパシタの耐電圧を高くする必要がある。電気二重層キャパシタの耐電圧は、使用する電解液により異なるが、非水系では2.3〜2.7V程度である。高電圧化のために、例えばリチウムイオンの吸蔵放出が可能な炭素材料や金属酸化物を含んだ分極性電極をもつ負極と、活性炭の分極性電極をもつ正極と、電解液にリチウムイオン含んだ電解液とを組み合わせたハイブリッド型の電気二重層キャパシタが提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。このようなハイブリッド型の電気二重層キャパシタにおいては,負極の分極性電極にチタン酸リチウムを用いた場合、チタン酸リチウムはリチウムイオンに対し1.5V付近に酸化還元電位をもつと共にリチウムイオンの吸蔵放出に対して体積膨張変化が小さいため、サイクル特性が改善されるとしている。また、電極の電気抵抗を改善するための方法として、活性炭表面へのバインダ被覆防止のために、活性炭に対して重量比で1.25%以下の微量金属酸化物をバインダと共に添加した電極が提案されている(例えば、特許文献5参照)。
In electric double layer capacitors, improvement of stored energy, which is one of the main performances, is an important issue. Since the stored energy of the electric double layer capacitor is proportional to the square of the charging voltage, increasing the charging voltage leads to an improvement in the stored energy. In order to increase the charging voltage, it is necessary to increase the withstand voltage of the electric double layer capacitor. The withstand voltage of the electric double layer capacitor varies depending on the electrolyte used, but is about 2.3 to 2.7 V for non-aqueous systems. In order to increase the voltage, for example, a negative electrode having a polarizable electrode containing a carbon material or metal oxide capable of occluding and releasing lithium ions, a positive electrode having a polarizable electrode made of activated carbon, and an electrolyte containing lithium ions. Hybrid type electric double layer capacitors combined with an electrolytic solution have been proposed (see, for example,
しかしながら、リチウムイオンが添加された電解液とリチウムイオンの吸蔵放出が可能な炭素材料や金属酸化物を使用した負極との組み合わせた電気二重層キャパシタにおいては、充放電に電気化学反応を伴うため、サイクル特性や高温保存特性に乏しいという問題があった。例えば、負極の電極材料にチタン酸リチウムを添加した場合は、下記の(1)式で表される電気化学反応を利用しているために充放電に伴うチタン酸リチウムの非可逆な劣化が避けられないため、充放電のサイクル安定性に乏しいという問題があった。
Li4Ti5O12+XLi=Li4+XTi5O12 ・・・・・・(1)式
また、チタン酸リチウムを負極の電極材料に添加したハイブリット型の電気二重層キャパシタでは、チタン酸リチウムの酸化還元電位の関係から、使用電圧は2.5V程度となり、更なる高電圧化が望めないという問題があった。
However, in an electric double layer capacitor that combines an electrolyte solution to which lithium ions are added and a negative electrode using a carbon material or metal oxide capable of occluding and releasing lithium ions, an electrochemical reaction is involved in charging and discharging, There was a problem of poor cycle characteristics and high temperature storage characteristics. For example, when lithium titanate is added to the electrode material for the negative electrode, irreversible deterioration of lithium titanate accompanying charging / discharging is avoided because the electrochemical reaction represented by the following formula (1) is used. In other words, the charge / discharge cycle stability is poor.
Li 4 Ti 5 O 12 + XLi = Li 4 + X Ti 5 O 12 (1) Formula In the hybrid electric double layer capacitor in which lithium titanate is added to the negative electrode material, lithium titanate From the relationship of the oxidation-reduction potential, the operating voltage is about 2.5 V, and there is a problem that further increase in voltage cannot be expected.
また、このようなハイブリッド型の電気二重層キャパシタを高電圧状態で保持した場合、電解液や不純物の分解により発生した分解生成物が活性炭表面を被覆したり、分解により発生したガスが活性炭表面に吸着したりするため電気二重層キャパシタの静電容量が低下して充放電サイクル特性が低下するという問題があった。 In addition, when such a hybrid type electric double layer capacitor is held at a high voltage state, decomposition products generated by the decomposition of the electrolytic solution and impurities cover the activated carbon surface, or gas generated by the decomposition is applied to the activated carbon surface. There is a problem that the electrostatic capacity of the electric double layer capacitor is lowered due to the adsorption and the charge / discharge cycle characteristics are lowered.
さらには、活性炭に対して重量比で1.25%以下の微量金属酸化物をバインダと共に添加した電極では、静電容量の増加や電気抵抗を小さくする効果は期待できるが、放充電サイクル特性や高電圧印加状態での高温保存特性の向上は得られないという問題があった。電気二重層キャパシタの寿命は数年単位であるため、寿命評価の加速試験として電圧印加状態でセルを高温保存試験するフロート試験を行い、劣化を加速させて寿命を診断しており、一般に7℃温度が上昇すると寿命が半減するといわれている。ここで、高電圧とは通常の電気二重層キャパシタの充電電位である2.5V〜2.7Vよりも高い3.0V以上の電位を指す。 Furthermore, an electrode in which a trace amount of metal oxide of 1.25% or less by weight with respect to the activated carbon is added together with a binder can be expected to increase the capacitance and reduce the electric resistance. There has been a problem that high temperature storage characteristics cannot be improved in a high voltage application state. Since the life of electric double layer capacitors is in units of several years, a float test in which the cell is stored at high temperature with voltage applied is performed as an accelerated test for life evaluation, and the life is diagnosed by accelerating deterioration. It is said that the lifetime will be halved when the temperature rises. Here, the high voltage indicates a potential of 3.0 V or higher, which is higher than 2.5 V to 2.7 V, which is a charging potential of a normal electric double layer capacitor.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、充放電サイクル特性や高電圧印加状態でのフロート試験特性に優れ、従来の電気二重層キャパシタに比べて高電圧化が可能となる電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is excellent in charge / discharge cycle characteristics and float test characteristics in a high voltage application state, and can be increased in voltage compared to a conventional electric double layer capacitor. An object of the present invention is to provide an electric double layer capacitor.
この発明に係る電気二重層キャパシタは、炭素材料を含む正極と、アナタース型の二酸化チタン、アナタース型の二酸化チタンとルチル型の二酸化チタンとの混合物、又はチタン酸リチウムからなる群より選ばれるチタン酸化物の粒子を炭素材料に添加されてなる負極と、アンモニウム塩を含む電解液とで構成し、負極に含まれる炭素材料に対してチタン酸化物の重量割合を、5重量%以上35重量%以下の範囲にしたものである。 The electric double layer capacitor according to the present invention is a titanium oxide selected from the group consisting of a positive electrode containing a carbon material, anatase type titanium dioxide, a mixture of anatase type titanium dioxide and rutile type titanium dioxide, or lithium titanate. The negative electrode formed by adding particles of the product to the carbon material and an electrolyte containing an ammonium salt, and the weight ratio of the titanium oxide to the carbon material contained in the negative electrode is 5 wt% or more and 35 wt% or less. This is the range.
この発明に係る電気二重層キャパシタにおいては、上記のように構成したことにより、電気化学反応を利用していないので充放電サイクル特性や高電圧印加状態でのフロート試験特性に優れると共に、従来の電気二重層キャパシタに比べて高電圧化が可能となる。 In the electric double layer capacitor according to the present invention, since it is configured as described above, the electrochemical reaction is not used, so that the charge / discharge cycle characteristics and the float test characteristics in a high voltage application state are excellent, and the conventional electric capacitor is used. The voltage can be increased as compared with the double layer capacitor.
従来の電気二重層キャパシタの課題を解決するために、比表面積の大きなチタン酸リチウムや二酸化チタンなどのチタン酸化物を炭素材料に対し2〜50重量%含有させた分極性電極を負極として用い、電解液にアンモニウム塩を添加して電気二重層キャパシタを作製して試験を行ったところ、従来の電気二重層キャパシタよりも充放電特性および高温保存特性に優れ、高電圧化が可能となることを見出した。また、電解液にリチウム塩を添加し、負極の分極性電極にチタン酸リチウムを使用した従来のハイブリット型の電気二重層キャパシタと比較しても、上述の本発明に係る電気二重層キャパシタはサイクル特性に優れることを見出した。上記電気二重層キャパシタにおいては、負極に含有させたチタン酸リチウムなどのチタン酸化物とアンモニウム塩とが電気化学反応を起こしてエネルギーを蓄積しているのではないため、チタン酸化物の非可逆な劣化が起こらず、充放電特性に優れると共にサイクル安定性に優れると考えられる。さらに、負極の炭素材料に対して従来よりも添加量の多い2〜50重量%の範囲で含有させたチタン酸リチウム、二酸化チタンなどのチタン酸化物が炭素材料と電解液との反応を抑制する効果が発揮され、高温保存特性が向上すると共に高電圧化が可能になったものと考えられる。なお、本発明においては、チタン酸化物の添加量が炭素材料に対して2重量%以上であっても電極の抵抗の上昇はわずかであった。 In order to solve the problems of the conventional electric double layer capacitor, a polarizable electrode containing 2 to 50% by weight of a titanium oxide such as lithium titanate or titanium dioxide having a large specific surface area with respect to the carbon material is used as a negative electrode. When an electric double layer capacitor was prepared by adding an ammonium salt to the electrolyte and tested, it was found that it had better charge / discharge characteristics and high-temperature storage characteristics than a conventional electric double layer capacitor, and it was possible to increase the voltage. I found it. In addition, the electric double layer capacitor according to the present invention described above is a cycle even when compared with a conventional hybrid electric double layer capacitor in which a lithium salt is added to the electrolyte and lithium titanate is used as the polarizable electrode of the negative electrode. It was found that the characteristics are excellent. In the electric double layer capacitor, the titanium oxide such as lithium titanate contained in the negative electrode and the ammonium salt do not cause an electrochemical reaction and accumulate energy, so that the irreversible titanium oxide It is considered that deterioration does not occur, charge / discharge characteristics are excellent, and cycle stability is excellent. Furthermore, titanium oxides such as lithium titanate and titanium dioxide, which are added in a range of 2 to 50% by weight of the carbon material of the negative electrode, which is larger than the conventional amount, suppress the reaction between the carbon material and the electrolytic solution. It is considered that the effect was exhibited, the high temperature storage characteristics were improved, and a high voltage was made possible. In the present invention, even when the amount of titanium oxide added was 2% by weight or more based on the carbon material, the resistance of the electrode was only slightly increased.
以下、この発明に係る電気二重層キャパシタの実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the electric double layer capacitor according to the present invention will be described.
実施の形態1.
実施の形態1において、負極の炭素材料と導電助剤とをバインダにより結着させた負極の分極性電極を集電体と一体化させたものを負極といい、正極の炭素材料と導電助剤とをバインダにより結着させた正極の分極性電極を集電体と一体化させたものを正極という。これらの負極と正極とが外装材の内部に装填され、これらの負極と正極との間には短絡防止のために絶縁性のセパレータが配置されている。外装材の内部は、電解液が充填されて密閉されている。負極および正極にはそれぞれリードが接続されており、このリードが封止体を介して外装材の外部に導出されている。
In
本実施の形態において、正極および負極に含まれる炭素材料は、活性炭、ナノゲートカーボン、ナノストレージカーボンなどを用いることができ、比表面積は500〜3000m2/gであることが好ましく、平均粒径は、0.5〜20μmであることが好ましい。炭素材料は、下記に挙げるような炭素材原料を炭化、賦活して使用することが好ましい。炭素材原料としては、フェノール樹脂、石油コークス、やしがらなどが挙げられる。賦活方法としては水蒸気賦活法、溶融アルカリ賦活法などが挙げられる。 In the present embodiment, the carbon material contained in the positive electrode and the negative electrode can be activated carbon, nanogate carbon, nanostorage carbon, etc., and the specific surface area is preferably 500 to 3000 m 2 / g, and the average particle diameter Is preferably 0.5 to 20 μm. The carbon material is preferably used by carbonizing and activating a carbon material raw material as described below. Examples of the carbon material raw material include phenol resin, petroleum coke, and palm. Examples of the activation method include a steam activation method and a molten alkali activation method.
導電助剤としてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラックやカーボンウィスカー、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛などが好ましい。導電助剤の添加量は電極中に1〜20重量%含まれることが好ましく、平均粒径が0.5μm以下であることが望ましい。 As the conductive aid, carbon black such as acetylene black, ketjen black, furnace black, carbon whisker, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite and the like are preferable. The addition amount of the conductive assistant is preferably contained in the electrode in an amount of 1 to 20% by weight, and the average particle size is desirably 0.5 μm or less.
バインダとしては水溶剤系、有機溶剤系、溶剤を用いない粉末状のバインダなどが使用可能であり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル系ゴム、カルボキシルメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリビニールアルコール、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアミドイミド、ポリイミドなどが好ましい。PVDFはホモポリマーでもコポリマーでもよく、セルロース系バインダはアンモニウム塩でもNa塩でもかまわない。バインダは単独で用いても、数種類を混合して用いてもかまわない。バインダ量は分極性電極に1〜20重量%含まれることが好ましい。 As the binder, a water-based solvent, an organic solvent-based, or a powdery binder that does not use a solvent can be used. Polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic rubber, carboxymethyl cellulose (CMC) Hydroxypropyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyamideimide, polyimide and the like are preferable. PVDF may be a homopolymer or a copolymer, and the cellulosic binder may be an ammonium salt or a Na salt. The binder may be used alone or in combination of several kinds. The amount of the binder is preferably 1 to 20% by weight in the polarizable electrode.
本実施の形態においては、負極にチタン酸化物を含有させており、このチタン酸化物は、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12、Li2TiO3)、二酸化チタン(TiO2)などのチタン酸化物が好ましく。比表面積は10m2〜400m2、一次粒子の粒径は10〜1000nmであることが好ましい。粒径が小さく、比表面積が大きいチタン酸化物を用いることで、炭素材料に対し均一に混合可能で、チタン酸化物添加による効果がより発揮されるからである。チタン酸化物の量としては、負極の分極性電極の炭素材料に対し、2〜50重量%の割合で添加するのが好ましい。また、二酸化チタンを用いる場合、二酸化チタンの結晶構造は、アナタース型が好ましく、アナタース型とルチル型の混合物でもかまわない。 In the present embodiment, the negative electrode contains titanium oxide, and this titanium oxide is titanium such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 TiO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), or the like. Oxides are preferred. The specific surface area is 10m 2 ~400m 2, it is preferred particle size of the primary particles is 10 to 1000 nm. This is because by using a titanium oxide having a small particle size and a large specific surface area, it can be uniformly mixed with the carbon material, and the effect of adding the titanium oxide is more exhibited. The amount of titanium oxide is preferably 2 to 50% by weight with respect to the carbon material of the polarizable electrode of the negative electrode. When titanium dioxide is used, the crystal structure of titanium dioxide is preferably an anatase type, and a mixture of anatase type and rutile type may be used.
正極の作製方法としては、例えば活性炭粉末と導電助剤としてのアセチレンブラックをPVDFのN−メチルピロリドン(NMP)溶液に分散させて、この混合物をドクターブレード法などによってアルミ集電体上に塗布し、乾燥後、プレスして正極とする方法がある。また、炭素材料と導電助剤の混合物にバインダとしてポリテトラフルオロエチレンを混合し、混練した後シート状に成形して正極の分極性電極を形成し、これをアルミ集電体に導電性接着剤を用いて貼り合わせて正極を作製する方法もある。 As a method for producing the positive electrode, for example, activated carbon powder and acetylene black as a conductive auxiliary agent are dispersed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of PVDF, and this mixture is applied onto an aluminum current collector by a doctor blade method or the like. There is a method in which after drying, pressing is performed to form a positive electrode. In addition, polytetrafluoroethylene as a binder is mixed with a mixture of a carbon material and a conductive additive, kneaded and then formed into a sheet shape to form a polarizable electrode for a positive electrode, and this is used as a conductive adhesive on an aluminum current collector. There is also a method in which a positive electrode is manufactured by laminating together.
負極も正極と同様の作製方法を用いて作製することができる。例えば導電助剤としてのアセチレンブラックをPVDFのNMP溶液に分散させた後、活性炭粉末とチタン酸化物の粉末とを分散混合させてスラリーを作製し、この混合物をドクターブレード法などによってアルミ集電体上に塗布し、乾燥後、プレスして負極とする方法がある。また、炭素材料とチタン酸化物と導電助剤との混合物にバインダとしてポリテトラフルオロエチレンを混合し、混練した後シート状に成形して負極の分極性電極とし、これをアルミ集電体に導電性接着剤を用いて貼り合わせて負極を作製する方法もある。 The negative electrode can also be manufactured using a manufacturing method similar to that of the positive electrode. For example, after dispersing acetylene black as a conductive aid in an NMP solution of PVDF, an activated carbon powder and a titanium oxide powder are dispersed and mixed to prepare a slurry, and this mixture is made into an aluminum current collector by a doctor blade method or the like. There is a method in which the negative electrode is coated on the substrate, dried and then pressed to form a negative electrode. In addition, polytetrafluoroethylene as a binder is mixed with a mixture of a carbon material, titanium oxide, and a conductive additive, kneaded, and then formed into a sheet shape to form a polarizable electrode for a negative electrode. There is also a method in which a negative electrode is manufactured by bonding using a conductive adhesive.
電解液は第4級アンモニム塩を有機溶媒もしくはイオン性液体に溶解させたものが使用可能であり、第4級アンモニウム塩以外に第4級オニウム塩でもよい。ここで第4級アンモニウム塩とは第4級アンモニウムイオンと対アニオンとを含むものをいう。とくに使用可能な第4級アンモニウムイオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、ジエチルメチル−2-メトキシエチルアンモニウムイオン、スピロビピロリジウムイオンなどが好ましい。第4級オニウム塩としては、例えばホスホニウム塩、スルホニウム塩、テトラエチルホスホニウム塩などを用いることができる。また、対アニオンとしては、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 −)、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 −)、過塩素酸イオン(ClO4 −)、ビストリフルオロメタンスルホンイミドイオン(TFSI−)、ビスペンタフルオロエタンスルホンイミドイオン(BETI−)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、から選ばれる1種以上が好ましい。 An electrolytic solution in which a quaternary ammonium salt is dissolved in an organic solvent or an ionic liquid can be used, and a quaternary onium salt may be used in addition to the quaternary ammonium salt. Here, the quaternary ammonium salt means one containing a quaternary ammonium ion and a counter anion. Particularly preferred quaternary ammonium ions are tetraethylammonium ion, triethylmethylammonium ion, diethylmethyl-2-methoxyethylammonium ion, spirobipyrrolidinium ion and the like. As the quaternary onium salt, for example, a phosphonium salt, a sulfonium salt, a tetraethylphosphonium salt, or the like can be used. Moreover, as a counter anion, tetrafluoroborate ion (BF 4 − ), hexafluorophosphate ion (PF 6 − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), bistrifluoromethanesulfonimide ion (TFSI − ), One or more selected from bispentafluoroethanesulfonimide ions (BETI − ) and trifluoromethanesulfonic acid ions are preferred.
本実施の形態における電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート(以下、PCと略す)、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、ジメトキシエタンなどが挙げられ、これらを単独で、または2種以上の混合溶媒として使用できる。また、イオン性液体を溶媒として使用してもよい。 Examples of the solvent of the electrolytic solution in the present embodiment include propylene carbonate (hereinafter abbreviated as PC), ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, sulfolane, dimethoxyethane, and the like. Or as a mixed solvent of two or more. Moreover, you may use an ionic liquid as a solvent.
セパレータとしては、紙製のセパレータや、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系セパレータ、ポレオレフィンにシリカ、酸化アルミニウムまたはチタン酸バリウムなどの無機フィラーを混合したセパレータ、フッ素系樹脂製のセパレータ、ポリイミド製のセパレータなどが使用可能であり、厚さは8μm〜100μm、空孔率は30%〜95%のものが適している。 As separators, paper separators, polyolefin separators such as polyethylene and polypropylene, separators in which polyolefins are mixed with inorganic fillers such as silica, aluminum oxide or barium titanate, fluororesin separators, polyimide separators It is suitable that the thickness is 8 μm to 100 μm and the porosity is 30% to 95%.
次に、本発明による電気二重層キャパシタをさらに詳しく説明するための実施例を比較例と共に説明する。 Next, examples for explaining the electric double layer capacitor according to the present invention in more detail will be described together with comparative examples.
[実施例1]
平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とをNMPに加えてプラネタリーミキサーでよく混合し、ペースト状にしたものを50μmのアルミニウム集電体にペーカーアプリケータで塗布し、120℃で乾燥して溶剤を蒸発させた後、プレスすることによって厚さ約100μmの正極の分極性電極を作製した。この正極に集電タブ部を形成し、正極の分極性電極の面積が30mm角となるように切断した。
[Example 1]
Planetary mixer with 100% by weight of activated carbon with an average particle size of 15 μm and specific surface area of 2000 m 2 / g, 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder in NMP A well-mixed and paste-like material is applied to a 50 μm aluminum current collector with a Peker applicator, dried at 120 ° C. to evaporate the solvent, and then pressed to separate a positive electrode having a thickness of about 100 μm. A polar electrode was prepared. A current collecting tab portion was formed on the positive electrode, and the positive electrode was cut so that the area of the polarizable electrode was 30 mm square.
平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%および平均粒径0.1μm、比表面積10m2/gのチタン酸リチウムを25重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とをNMPに加えてプラネタリーミキサーでよく混合し、ペースト状にしたものを50μmのアルミニウム集電体にペーカーアプリケータで塗布し、120℃で乾燥して溶剤を蒸発させた後、プレスすることによって厚さ約110μmの負極の分極性電極を作製した。この負極に集電タブ部を形成し、負極の分極性電極の面積が30mm角となるように切断した。
100% by weight of activated carbon having an average particle size of 15 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g, 25% by weight of lithium titanate having an average particle size of 0.1 μm and a specific surface area of 10 m 2 / g, and 8 acetylene blacks as a
これらの負極および正極は150℃で24時間真空乾燥後電極として使用した。正極集電体および負極集電体のタブ部はリードとして外装材の外部へ導出した。この際、電解液が外部に漏洩するのを防ぎ、外部から水や空気が侵入するのを防ぐ目的で、正極タブ部および負極タブ部の封口部には、封止体として変性ポリプロピレンフィルムをあらかじめ加熱溶着しておいた。セパレータには35μmの紙製セパレータを使用した。これらの正極、負極およびセパレータを、アルミラミネートフィルム製の外装材で包装し、1辺を除いた残りの辺を加熱溶着してキャパシタエレメントを作製した。 These negative electrode and positive electrode were vacuum-dried at 150 ° C. for 24 hours and then used as electrodes. The tab portions of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were led out of the exterior material as leads. At this time, in order to prevent the electrolyte from leaking to the outside and to prevent water and air from entering from the outside, a modified polypropylene film is previously used as a sealing body in the sealing portion of the positive electrode tab portion and the negative electrode tab portion. Heat-welded. A 35 μm paper separator was used as the separator. The positive electrode, the negative electrode, and the separator were packaged with an aluminum laminate film exterior material, and the remaining sides except for one side were heat-welded to produce a capacitor element.
次に電解液を注入した。電解液は、PCに電解質としてのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEABF4)を1mol/lの濃度になるように溶解したものを用いた。袋状になった外装フィルムの開口部より、電解液を約2ml入れる。その後、電解液を充填したキャパシタエレメントを真空容器に入れて約4×103Pa以下まで真空引きすることにより、正極、負極およびセパレータに電解液を含浸させた。 Next, an electrolytic solution was injected. As the electrolytic solution, a solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4 ) as an electrolyte was dissolved in PC so as to have a concentration of 1 mol / l was used. About 2 ml of electrolytic solution is put through the opening of the bag-shaped outer film. Thereafter, the capacitor element filled with the electrolytic solution was put in a vacuum vessel and evacuated to about 4 × 10 3 Pa or less, whereby the positive electrode, the negative electrode, and the separator were impregnated with the electrolytic solution.
次に、電解液中や電極中に微量に存在する水分等の不純物を除去するため、正極と負極との間に3.2Vの電圧を30分間印加して充電を行なった。充電を終了後、正極と負極との間に負荷を接続し、電圧が1.5V以下になるまで完全に放電させた。 Next, in order to remove impurities such as moisture present in a minute amount in the electrolytic solution or in the electrode, charging was performed by applying a voltage of 3.2 V for 30 minutes between the positive electrode and the negative electrode. After completion of charging, a load was connected between the positive electrode and the negative electrode, and the battery was completely discharged until the voltage was 1.5 V or less.
次に、充放電によって発生したガスを除去するとともに、さらに電解液を電極の内部まで含浸させるために、再度約4×103Pa以下まで真空引きし、開口している外装材の1辺を溶着して電気二重層キャパシタとした。 Next, in order to remove the gas generated by charging / discharging and further impregnate the electrolyte into the electrode, vacuuming is again performed to about 4 × 10 3 Pa or less, and one side of the opened exterior material is removed. An electric double layer capacitor was obtained by welding.
[実施例2]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.8μm、比表面積10m2/gのチタン酸リチウムを50重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例2の電気二重層キャパシタとした。
[Example 2]
The composition of the polarizable electrode of the negative electrode is 100% by weight of activated carbon having an average particle diameter of 15 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g, and 50% by weight of lithium titanate having an average particle diameter of 0.8 μm and a specific surface area of 10 m 2 / g. An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. It was.
[実施例3]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.8μm、比表面積10m2/gのチタン酸リチウムを10重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例3の電気二重層キャパシタとした。
[Example 3]
The composition of the polarizable electrode of the negative electrode is 100% by weight of activated carbon having an average particle diameter of 15 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g, and 10% by weight of lithium titanate having an average particle diameter of 0.8 μm and a specific surface area of 10 m 2 / g. An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. It was.
[実施例4]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタン(アナタース型、ルチル型混合)を50重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを8重量%とにした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例4の電気二重層キャパシタとした。
[Example 4]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g (anatase, rutile An electric double layer capacitor was prepared and carried out in the same manner as in Example 1 except that 50% by weight of the mixture), 8% by weight of acetylene black as the conductive auxiliary agent, and 8% by weight of PVDF as the binder. The electric double layer capacitor of Example 4 was obtained.
[実施例5]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを35重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例5の電気二重層キャパシタとした。
[Example 5]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and 35% by weight of titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g, An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were produced. did.
[実施例6]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを25重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例6の電気二重層キャパシタとした。
[Example 6]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and the titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g 25 wt%, An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. did.
[実施例7]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを15重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例7の電気二重層キャパシタとした。
[Example 7]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and the titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 /
[実施例8]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを10重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例8の電気二重層キャパシタとした。
[Example 8]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g and 10 wt%, An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were produced. did.
[実施例9]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを5重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例9の電気二重層キャパシタとした。
[Example 9]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and the titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 /
[実施例10]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを2重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例10の電気二重層キャパシタとした。
[Example 10]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and the titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 /
[実施例11]
正極および負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを25重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを8重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例11の電気二重層キャパシタとした。
[Example 11]
The composition of the positive electrode and the negative electrode of the polarizable electrodes, an average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g 25 wt% An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 8% by weight of PVDF as a binder were prepared. A capacitor was used.
[実施例12]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径1μm、比表面積2m2/gのチタン酸リチウムを25重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、実施例12の電気二重層キャパシタとした。
[Example 12]
The composition of the polarizable electrode of the negative electrode is 100% by weight of activated carbon having an average particle diameter of 15 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g, and 25% by weight of lithium titanate having an average particle diameter of 1 μm and a specific surface area of 2 m 2 / g. An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that 8% by weight of acetylene black as an auxiliary agent and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. .
[比較例1]
負極の分極性電極を正極と同じ分極性電極、つまりチタン酸リチウムを含まない材料で作製し、それ以外は実施例1と同様な方法で電気二重層キャパシタを作製し、比較例1の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 1]
The negative polarizable electrode is made of the same polarizable electrode as the positive electrode, that is, a material not containing lithium titanate, and an electric double layer capacitor is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the electric double layer capacitor of Comparative Example 1 is used. A multilayer capacitor was obtained.
[比較例2]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径0.8μm、比表面積10m2/gのチタン酸リチウムを100重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした。電解液としてPCに電解質としてLiBF4を1mol/lの濃度になるように溶解したものを用いた以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例2の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 2]
The composition of the polarizable electrode of the negative electrode is 100% by weight of lithium titanate having an average particle size of 0.8 μm and a specific surface area of 10 m 2 / g, 8% by weight of acetylene black as a conductive additive, and PVDF as a binder. 12% by weight. An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 1 except that a solution of LiBF 4 as an electrolyte dissolved in PC was used as the electrolytic solution, and a concentration of 1 mol / l was used. It was.
[比較例3]
電解液としてのPCに電解質としてLiBF4を1mol/lの濃度になるように溶解したものを用いた以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例3の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 3]
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that LiBF 4 as an electrolyte was dissolved in PC as an electrolytic solution so as to have a concentration of 1 mol / l. A capacitor was used.
[比較例4]
電解液としてのPCに電解質としてLiBF4を1mol/lの濃度になるように溶解したものを用いた以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例4の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 4]
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 4 except that LiBF 4 as an electrolyte was dissolved in PC as an electrolytic solution so as to have a concentration of 1 mol / l. A capacitor was used.
[比較例5]
実施例1の正極および負極を入れ替えた以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例5の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 5]
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode and the negative electrode in Example 1 were replaced, and the electric double layer capacitor in Comparative Example 5 was obtained.
[比較例6]
実施例4の正極および負極を入れ替えた以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例6の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 6]
An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 4 except that the positive electrode and the negative electrode in Example 4 were replaced, and the electric double layer capacitor of Comparative Example 6 was obtained.
[比較例7]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを1.0重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例7の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 7]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g 1.0 wt% An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. A capacitor was used.
[比較例8]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを0.5重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例8の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 8]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 / g 0.5 wt% An electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were prepared. A capacitor was used.
[比較例9]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを60重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例9の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 9]
The composition of the negative electrode of the polarizable electrode, the average particle diameter of 15 [mu] m, and 100% by weight of activated carbon having a specific surface area of 2000 m 2 / g, an average particle diameter of 0.02 [mu] m, and the titanium dioxide having a specific surface area of 50 m 2 /
[比較例10]
負極の分極性電極の組成を、平均粒径15μm、比表面積2000m2/gの活性炭を100重量%と、平均粒径0.02μm、比表面積50m2/gの二酸化チタンを100重量%と、導電助剤としてのアセチレンブラックを8重量%と、バインダとしてのPVDFを12重量%とにした以外は実施例4と同様にして電気二重層キャパシタを作製し、比較例10の電気二重層キャパシタとした。
[Comparative Example 10]
The composition of the polarizable electrode of the negative electrode is 100% by weight of activated carbon having an average particle size of 15 μm and a specific surface area of 2000 m 2 / g, and 100% by weight of titanium dioxide having an average particle size of 0.02 μm and a specific surface area of 50 m 2 / g, An electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 4 except that 8% by weight of acetylene black as a conductive additive and 12% by weight of PVDF as a binder were produced. did.
実施例1〜12、比較例1〜10の電気二重層キャパシタを用いて、初期の静電容量と内部抵抗とを測定した。 Using the electric double layer capacitors of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 10, initial capacitance and internal resistance were measured.
ここで、静電容量をC[F]、放電積算電力をP[W・sec]、放電開始電圧をV1[V]、放電終止電圧をV2[V]とすると、放電積算電力Pは、
P=1/2C・V1 2−1/2C・V2 2 ・・・・・・・・・・・・(2)式
で表されるため、このときの静電容量Cは、
C=2P/(V1 2−V2 2) ・・・・・・・・・・・・・・・(3)式
となり、静電容量Cが算出できる。充放電装置(アスカ電子製ACD−10APS−05N)を用い、放電積算電力P、放電開始電圧V1、放電終止電圧V2を測定し、静電容量Cを算出した。また、この静電容量を正極活物質重量と負極活物質重量との合計で除することで規格化した単位重量当たりの静電容量[F/g]に換算した。静電容量測定時の充放電条件として、充電は、3.3mA/cm2の電流値で2.7Vまで充電し、2.7V到達後は一定電圧で充電する定電流−定電圧充電、放電は、3.3mA/cm2の電流値で0Vまで放電する定電流放電で行なった。
Here, assuming that the capacitance is C [F], the accumulated discharge power is P [W · sec], the discharge start voltage is V 1 [V], and the discharge end voltage is V 2 [V], the accumulated discharge power P is ,
P = 1 / 2C · V 1 2 −1 / 2C · V 2 2 ... (2) Since this is expressed by the equation (2), the capacitance C at this time is
C = 2P / (V 1 2 −V 2 2 ) (3) The capacitance C can be calculated. Using a charging / discharging device (ACD-10APS-05N manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd.), the integrated discharge power P, the discharge start voltage V 1 , and the discharge end voltage V 2 were measured, and the capacitance C was calculated. Further, this capacitance was converted to a capacitance [F / g] per unit weight normalized by dividing the total weight of the positive electrode active material weight and the negative electrode active material weight. As charging / discharging conditions at the time of capacitance measurement, charging is performed at a current value of 3.3 mA / cm 2 up to 2.7 V, and after reaching 2.7 V, constant current-constant voltage charging and discharging are performed at a constant voltage. Was performed by constant current discharge discharging to 0 V at a current value of 3.3 mA / cm 2 .
内部抵抗R[Ω]は、放電開始時の電圧降下δE[V]、放電電流をI[A]とすると、
R=δE/I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)式
で表せる。ここで電圧降下δEは放電開始前電圧V3[V]と放電開始電圧V1[V]との差であるため、
δE=(V3−V1) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
となり、(4)式と(5)式から、
R=(V3−V1)/I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)式
で表せる。充放電装置で放電開始前電圧V3、放電開始電圧V1および放電電流Iを測定して、内部抵抗Rを算出した。
The internal resistance R [Ω] is defined as a voltage drop δE [V] at the start of discharge and a discharge current I [A].
R = δE / I · · · · · · · · · ················· (4) Here, the voltage drop δE is a difference between the pre-discharge start voltage V 3 [V] and the discharge start voltage V 1 [V].
δE = (V 3 −V 1 ) (5) Equation (4) and (5)
R = (V 3 −V 1 ) / I (6) The internal resistance R was calculated by measuring the pre-discharge start voltage V 3 , the discharge start voltage V 1 and the discharge current I with a charge / discharge device.
次に、充放電電流10mA/cm2で、2.7Vから1.5Vまでの範囲で充放電サイクル試験を行い、50,000サイクル後の静電容量を測定し、初期の静電容量を100%としたときの維持率を算出した(サイクル試験特性)。また、別の実施例1〜12、比較例1〜10の電気二重層キャパシタを用いて、70℃の環境下で3.0Vの充電状態で保存し、500時間後に室温に戻し、静電容量と内部抵抗とを測定した。(フロート試験特性)。これらの測定値の結果を図1に示す。 Next, a charge / discharge cycle test was performed in a range of 2.7 V to 1.5 V at a charge / discharge current of 10 mA / cm 2 , the capacitance after 50,000 cycles was measured, and the initial capacitance was set to 100 The retention rate when calculated as% (cycle test characteristics) was calculated. Further, using the electric double layer capacitors of other Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 10, the battery was stored in a charged state of 3.0 V in an environment of 70 ° C., returned to room temperature after 500 hours, and electrostatic capacity And the internal resistance were measured. (Float test characteristics). The results of these measured values are shown in FIG.
電気二重層キャパシタにおいては、サイクル試験特性における静電容量維持率が高いほど充放電サイクル特性が優れると共に高電圧化が可能であり、フロート試験特性における500時間後の静電容量が高いほど高温保持特性が優れ、長寿命化が期待できる。サイクル試験特性における静電容量維持率が85%以上、フロート試験特性における500時間後の静電容量維持率が15F/g以上であれば、実用上問題のないレベルと判断され、サイクル試験特性における静電容量維持率が90%以上、フロート試験特性における500時間後の静電容量が18F/g以上であれば、電気二重層キャパシタのあらゆる用途において、電圧特性および寿命特性が満足できるレベルとなる。 In the electric double layer capacitor, the higher the capacitance maintenance ratio in the cycle test characteristics, the better the charge / discharge cycle characteristics and the higher the voltage, and the higher the capacitance after 500 hours in the float test characteristics, the higher the temperature retention. Excellent characteristics and long life expectancy. If the capacitance maintenance ratio in the cycle test characteristics is 85% or more and the capacitance maintenance ratio after 500 hours in the float test characteristics is 15 F / g or more, it is determined that there is no practical problem. If the electrostatic capacity maintenance ratio is 90% or more and the electrostatic capacity after 500 hours in the float test characteristics is 18 F / g or more, the voltage characteristics and the life characteristics will be satisfactory for all uses of the electric double layer capacitor. .
図1に示したように、活性炭にチタン酸リチウム、二酸化チタンなどのチタン酸化物を添加した負極と、アンモニウム塩を溶解した電解液を使用した実施例1〜11は、チタン酸化物を添加していない比較例1よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れている。 As shown in FIG. 1, Examples 1-11 using a negative electrode in which titanium oxide such as lithium titanate and titanium dioxide was added to activated carbon and an electrolyte solution in which an ammonium salt was dissolved were added with titanium oxide. Both the charge / discharge cycle test characteristics and the float test characteristics are superior to those of Comparative Example 1 that is not.
また、実施例1〜12は、リチウム塩を溶解した電解液とチタン酸リチウムのみで構成した負極とを用いた比較例2、リチウム塩を溶解した電解液とチタン酸化物を添加した負極とを用いた比較例3、比較例4よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れている。 Moreover, Examples 1-12 are the comparative example 2 using the electrolyte solution which melt | dissolved lithium salt, and the negative electrode comprised only with lithium titanate, the electrolyte solution which melt | dissolved lithium salt, and the negative electrode which added the titanium oxide. Both the charge / discharge cycle test characteristics and the float test characteristics are superior to the comparative examples 3 and 4 used.
また、実施例1〜12は、アンモニウム塩を溶解した電解液を使用し正極にチタン酸化物を添加した比較例5および比較例6よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れている。実施例11は、アンモニウム塩を溶解した電解液を使用し、正極にチタン酸化物を添加しているが、負極にチタン酸化物を添加している効果が高いため、正極のみにチタン酸化物を添加した比較例6よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに向上している。 In addition, Examples 1 to 12 are superior in both charge / discharge cycle test characteristics and float test characteristics as compared with Comparative Examples 5 and 6 in which an electrolytic solution in which an ammonium salt is dissolved is used and titanium oxide is added to the positive electrode. . Example 11 uses an electrolytic solution in which an ammonium salt is dissolved, and titanium oxide is added to the positive electrode. However, since the effect of adding titanium oxide to the negative electrode is high, titanium oxide is added only to the positive electrode. Both the charge / discharge cycle test characteristics and the float test characteristics are improved as compared with the added Comparative Example 6.
また、活性炭100重量%に対しチタン酸化物を2〜50重量%負極に添加した実施例1〜12は、活性炭100重量%に対しチタン酸化物を1.0重量%負極に添加した比較例7よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れ、活性炭100重量%に対しチタン酸化物を60重量%負極に添加した比較例9よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れている。したがって、活性炭に対するチタン酸化物の添加量は2重量%以上50重量%の範囲であることが好ましい。
Moreover, Examples 1-12 which added the titanium oxide to the
さらに、比表面積10m2以上のチタン酸化物を負極に添加した実施例1〜11は、比表面積2m2のチタン酸化物を負極に添加した実施例12よりも充放電のサイクル試験特性、フロート試験特性ともに優れている。したがって、チタン酸化物の比表面積が10m2/g以上の場合に高電圧、高温保存時の劣化抑制効果は高い。 Further, Examples 1 to 11 in which a titanium oxide having a specific surface area of 10 m 2 or more was added to the negative electrode were more charge / discharge cycle test characteristics and float tests than Example 12 in which a titanium oxide having a specific surface area of 2 m 2 was added to the negative electrode. Both properties are excellent. Therefore, when the specific surface area of titanium oxide is 10 m 2 / g or more, the effect of suppressing deterioration during storage at high voltage and high temperature is high.
実施例1と比較例3とを比較すると、電解質塩がアンモニウム塩とリチウム塩とで違いがあるが、リチウム塩ではアンモニウム塩よりサイクル試験特性が劣り、高電圧保存時の劣化率が高い。 When Example 1 and Comparative Example 3 are compared, the electrolyte salt is different between an ammonium salt and a lithium salt, but the lithium salt is inferior in cycle test characteristics to the ammonium salt and has a high deterioration rate during high-voltage storage.
図2は、実施例4〜10および比較例7〜10を用いて、チタン酸化物として比表面積が50m2/gの酸化チタンを用い、このチタン酸化物の負極活性炭に対する重量比を変化させた場合の静電容量の初期と500時間後との値を比較した特性図である。 FIG. 2 uses Examples 4 to 10 and Comparative Examples 7 to 10 and titanium oxide having a specific surface area of 50 m 2 / g was used as the titanium oxide, and the weight ratio of the titanium oxide to the negative electrode activated carbon was changed. It is the characteristic view which compared the value of the initial stage of a case, and the value after 500 hours.
図2に示したように、分極性電極の単位重量あたりの静電容量では、酸化チタンが静電容量を持たないために、酸化チタンの重量比率が増えると共に、静電容量(F/g)は低下する。しかしながら、500時間後の静電容量については、2重量%以上50重量%以下において、酸化チタンを添加していない場合(0重量%)静電容量を明確に上回っている。すなわち、2重量%以上50重量%以下において、電気二重層キャパシタの寿命特性が改善される。つまり、活性炭に対するチタン酸化物の重量比率が、2〜50重量%の範囲であれば、フロート試験特性における500時間後の静電容量が15F/g以上となり、5〜35重量%の範囲であれば、フロート試験特性における500時間後の静電容量が18F/g以上となる。 As shown in FIG. 2, in the capacitance per unit weight of the polarizable electrode, since titanium oxide does not have capacitance, the weight ratio of titanium oxide increases and capacitance (F / g). Will decline. However, the electrostatic capacity after 500 hours clearly exceeds the electrostatic capacity when titanium oxide is not added (0% by weight) at 2% by weight or more and 50% by weight or less. That is, the life characteristics of the electric double layer capacitor are improved at 2 wt% or more and 50 wt% or less. That is, if the weight ratio of the titanium oxide to the activated carbon is in the range of 2 to 50% by weight, the electrostatic capacity after 500 hours in the float test characteristics is 15 F / g or more, and it is in the range of 5 to 35% by weight. For example, the electrostatic capacity after 500 hours in the float test characteristics is 18 F / g or more.
図3は、実施例4〜10および比較例7〜10を用いて、チタン酸化物として比表面積が50m2/gの酸化チタンを用い、このチタン酸化物の負極活性炭に対する重量比を変化させた場合の内部抵抗の初期と500時間後との値を比較した特性図である。 FIG. 3 shows that, using Examples 4 to 10 and Comparative Examples 7 to 10, titanium oxide having a specific surface area of 50 m 2 / g was used as the titanium oxide, and the weight ratio of the titanium oxide to the negative electrode activated carbon was changed. It is the characteristic view which compared the value of the internal resistance in the case with the value of 500 hours after.
図3に示したように、内部抵抗は、酸化チタンが半導体であるにもかかわらず、酸化チタンの重量比率が増えると共に、内部抵抗は低下した。しかしながら、60重量%の場合には、内部抵抗は明らかな増加に転じた。従って2重量%以上50重量%以下において、酸化チタンを添加していない場合(0重量%)の初期の内部抵抗を明確に下回っている。また、劣化によって内部抵抗も増大するが、図2に示したように、酸化チタンを添加すると寿命性能が改善されるために、500時間後の内部抵抗については、2重量%以上50重量%以下において、酸化チタンを添加していない場合(0重量%)の内部抵抗を明確に下回っている。 As shown in FIG. 3, the internal resistance decreased as the weight ratio of titanium oxide increased despite the fact that titanium oxide was a semiconductor. However, in the case of 60% by weight, the internal resistance turned to a clear increase. Therefore, in the range of 2% by weight to 50% by weight, the initial internal resistance is clearly lower when titanium oxide is not added (0% by weight). Although the internal resistance also increases due to deterioration, as shown in FIG. 2, the addition of titanium oxide improves the life performance, so the internal resistance after 500 hours is 2 wt% or more and 50 wt% or less. , The internal resistance when no titanium oxide is added (0% by weight) is clearly below.
酸化チタンの添加量が2重量%以上50重量%以下の範囲で内部抵抗が低下した原因について、図4および図5を用いて説明する。図4は、酸化チタンの添加量が2重量%、図5は、酸化チタンの添加量が50重量%を想定した分極性電極の内部拡大模式図である。 The cause of the decrease in internal resistance when the amount of titanium oxide added is in the range of 2 wt% to 50 wt% will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is an enlarged schematic view of the inside of a polarizable electrode assuming that the addition amount of titanium oxide is 2 wt%, and FIG. 5 is an assumption that the addition amount of titanium oxide is 50 wt%.
酸化チタンの添加量が2重量%の場合、図4に示したように、活性炭粒子1同士が直接接触した部分の周りに半導体性の酸化チタン粒子2が存在し、活性炭1同士が直接接触していない部分でも、この酸化チタン2を介して電子が異動して電気伝導性が補足的に改善されると予想される。一方、酸化チタンの添加量が50重量%に達すると、図5に示したように、酸化チタン粒子2が活性炭粒子1同士の間に入り込み、活性炭粒子1同士の直接接触が阻害されて内部抵抗が増加するためと考えられる。
When the addition amount of titanium oxide is 2% by weight, as shown in FIG. 4, semiconducting
上述のように、活性炭などの炭素材料にチタン酸リチウム、二酸化チタンなどのチタン酸化物を2重量%以上50重量%以下の範囲で添加した負極と、アンモニウム塩を溶解した電解液とを使用することにより、フロート試験特性における500時間後の静電容量が15F/g以上となるので、充放電サイクルに優れ、高電圧保存時の静電容量劣化率の低い電気二重層キャパシタを作製することができた。とくに、添加するチタン酸化物の比表面積が10m2/g以上の場合に高電圧、高温保存時の劣化抑制効果は高くなる。 As described above, a negative electrode obtained by adding a titanium oxide such as lithium titanate or titanium dioxide to a carbon material such as activated carbon in the range of 2% by weight to 50% by weight, and an electrolytic solution in which an ammonium salt is dissolved are used. As a result, since the electrostatic capacity after 500 hours in the float test characteristics is 15 F / g or more, it is possible to produce an electric double layer capacitor that is excellent in charge and discharge cycles and has a low electrostatic capacity deterioration rate during high voltage storage. did it. In particular, when the specific surface area of the titanium oxide to be added is 10 m 2 / g or more, the effect of suppressing deterioration during high voltage and high temperature storage is enhanced.
また、活性炭などの炭素材料に対するチタン酸化物の重量比率が、5〜35重量%の範囲であれば、フロート試験特性における500時間後の静電容量が18F/g以上となるので、さらに高電圧、高温保存時の劣化抑制効果が顕著になる。 Moreover, if the weight ratio of the titanium oxide to the carbon material such as activated carbon is in the range of 5 to 35% by weight, the electrostatic capacity after 500 hours in the float test characteristics becomes 18 F / g or more, so that a higher voltage In addition, the effect of suppressing deterioration during high-temperature storage becomes significant.
なお、本実施例ではバインダとしてPVDFを用いているが、バインダとしてSBRとCMCの混合物や、アクリル系ゴムとCMCの混合物を使用した場合、PTFEをバインダとして用いた場合でも同様の結果が得られた。 In this example, PVDF is used as the binder. However, when a mixture of SBR and CMC or a mixture of acrylic rubber and CMC is used as the binder, similar results can be obtained even when PTFE is used as the binder. It was.
また、本実施例では酸化チタンとして二酸化チタンを用いたが、水素還元などにより還元処理された酸化チタンを用いてもよい。この場合、酸化チタンの電子伝導抵抗が小さくなって、内部抵抗を低減する効果がより一層顕著になる。また、酸素をトラップする効果も生じ、劣化に悪影響を及ぼす酸素を取り込んで劣化を緩和する効果も得られる。 In this embodiment, titanium dioxide is used as the titanium oxide, but titanium oxide reduced by hydrogen reduction or the like may be used. In this case, the electron conduction resistance of titanium oxide becomes small, and the effect of reducing the internal resistance becomes even more remarkable. Further, an effect of trapping oxygen is also produced, and an effect of mitigating deterioration by taking in oxygen that adversely affects the deterioration can be obtained.
1 活性炭粒子
2 酸化チタン粒子
1
Claims (2)
アナタース型の二酸化チタン、アナタース型の二酸化チタンとルチル型の二酸化チタンとの混合物、又はチタン酸リチウムからなる群より選ばれるチタン酸化物の粒子を炭素材料に添加されてなる負極と、
アンモニウム塩を含む電解液と、
を有し、
前記負極に含まれる炭素材料に対する前記チタン酸化物の粒子の重量割合が、
5重量%以上35重量%以下の範囲であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。 A positive electrode containing a carbon material;
An anatase-type titanium dioxide, a mixture of anatase-type titanium dioxide and rutile-type titanium dioxide, or a negative electrode formed by adding particles of titanium oxide selected from the group consisting of lithium titanate to a carbon material ;
An electrolyte containing an ammonium salt;
Have
The weight ratio of the titanium oxide particles to the carbon material contained in the negative electrode is
An electric double layer capacitor characterized by being in the range of 5 wt% to 35 wt% .
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