JP2010245070A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】８５℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命化も可能な電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】本発明は電解液にゼオライトを添加し、さらに電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下としているので、ゼオライトが電解液中の水分を吸着して、電解液中の水分と集電体との反応を抑制することによって、電解液の劣化を抑制し、８５℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命特性を有する電気二重層キャパシタを提供することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は電解液にゼオライトを添加し、さらに電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下としているので、ゼオライトが電解液中の水分を吸着して、電解液中の水分と集電体との反応を抑制することによって、電解液の劣化を抑制し、８５℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命特性を有する電気二重層キャパシタを提供することができる。
【選択図】 図１
Description
この発明は、非水電解液を用いた電気二重層キャパシタに関する。
に関する。
に関する。
電気二重層キャパシタは、例えばアルミニウムである金属箔の表面に分極性電極層（例えばカ−ボン層）を設けた分極性電極間にセパレ−タを介在させて巻回し、または積層したキャパシタセルに電解液を含浸し、このキャパシタセルを金属ケ−ス内に収納して、開口端部を密封した構造を有する。
以上の電気二重層キャパシタは、高容量で長期信頼性に優れたものが要求され、従来の電気二重層キャパシタの電解液に、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒を使用することが行われている。これによれば、高容量で、しかも高温負荷に優れる電気二重層キャパシタを得ることができる。
ところが、カーボネート系溶媒を用いた電解液では、高温下では溶媒の分解により一酸化炭素（ＣＯ）ガスが発生するため、分極性電極や電解液等を収容している容器の内圧が上昇するという問題が生じる。このため、６０℃が限界であり、７０〜８５℃というさらなる高温使用には対応することができないという問題点があった。これに対して、γ−ブチロラクトンを用いて７０℃使用を可能にしようという試みがある。（特許文献１）。
しかしながら、さらに８５℃使用を可能にしようとすると特性の劣化を抑えることができない。また、カーボネート系溶媒を用いた電解液においても、寿命特性の向上が求められていた。そこで、本発明は、この問題を解決し、８５℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命化も可能な電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は非水電解液と両極に集電体と分極性電極からなる電極を用いた電気二重層キャパシタにおいて、非水電解液にゼオライトを添加したことを特徴とする。
また、電解液の溶媒がγ−ブチロラクトンを主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
さらに、電解液の溶媒がスルホランまたはその誘導体を主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
また、電解液の溶媒がプロピレンカーボネイトを主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
本発明は電解液にゼオライトを添加しているので、ゼオライトが電解液中の水分を吸着して、電解液中の水分と集電体との反応を抑制することによって、電解液の劣化を抑制し、８５℃以上での使用が可能となり、さらに長寿命特性を実現するという効果を有する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明において、電気二重層キャパシタはアルミニウムからなる金属集電体箔に分極性電極層を形成した電極をセパレータを介して対向させてキャパシタセルを作製し、このキャパシタセルに電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとしたものである。
以上の本発明の電解液にはゼオライトが添加されている。
本発明に用いるゼオライトは、 本発明に用いるゼオライトは、アルミニウム、ケイ素、酸素の四面体が頂点を共有してつくる三次元網目構造を有する物質で、網目構造の中に水を吸着する。網目構造の中の細孔の径は４．１Å、粒径は２．５μｍ以下のものが好ましい。また、電解液中の添加量は１〜５ｗｔ％が好ましい。
電極に用いる金属集電体箔としては、アルミニウム箔またはアルミニウムエッチング箔を用いる。アルミニウ箔としては純度９９．９％以上の高純度のアルミニウムを用いる。その厚さとしては、通常１０〜５０μｍ程度の厚さのアルミニウム箔を用いる。
この金属集電体箔に、例えば活性炭粉末と導電助剤とバインダと、有機溶剤または水などの溶媒とを混合してなるペーストを塗布する。または、ぺーストをシート状に成形して、このシートを集電体に圧接して分極性電極とする。
活性炭の原料は、植物系の木材、のこくず、ヤシ殻、パルプ廃液、化石燃料系の石炭、石油重質油、或いはそれらを熱分解した石炭及び石油系ピッチ、石油コークス等である。活性炭は、これらの原料を炭化後、賦活処理して得られる。
導電助剤としては、伝導性を有する炭素材料である、カーボンブラック、グラファイトを用いることができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等が挙げられ、これらの中でも、ケッチェンブラックが好ましい。グラファイトとしては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。
バインダとしては、通常用いられるものであればいずれであってもよく、例えばフッ素系ゴム、ジエン系ゴム、スチレン系ゴム等のゴム類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素ポリマー、その他、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、ニトリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。
この電極をセパレータを介して対向させてキャパシタセルを作製し、このキャパシタセルに電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとする。
導電助剤としては、伝導性を有する炭素材料である、カーボンブラック、グラファイトを用いることができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等が挙げられ、これらの中でも、ケッチェンブラックが好ましい。グラファイトとしては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。
バインダとしては、通常用いられるものであればいずれであってもよく、例えばフッ素系ゴム、ジエン系ゴム、スチレン系ゴム等のゴム類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素ポリマー、その他、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、ニトリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。
この電極をセパレータを介して対向させてキャパシタセルを作製し、このキャパシタセルに電解液を含浸して、電気二重層キャパシタとする。
本発明においては、この分極性電極に含有される水分含有率を１５０ｐｐｍ以下、好ましくは１２０ｐｐｍ以下としている。
本発明においては電解液として、その主溶媒として、γ−ブチロラクトン、スルホランまたはその誘導体、プロピレンカーボネートを用いる。また、副溶媒として、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、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類；トリメトキシメタン、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、２−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類；ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類；１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソランなどのオキソラン類；アセトニトリルやニトロメタンなどの含窒素類；ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの有機酸エステル類；リン酸トリエステルや炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジプロピルのような炭酸ジエステルなどの無機酸エステル類；ジグライム類；トリグライム類；３−メチル−２−オキサゾリジノンなどのオキサゾリジノン類；１，３−プロパンスルトン、１，４−ブタンスルトン、ナフタスルトンなどのスルトン類等を用いることができる。
有機溶媒中に溶解する電解質としては、金属の陽イオン、４級アンモニウムカチオン、カルボニウムカチオン等のカチオンと、ＢＦ4 -、ＰＦ6 -、ＣｌＯ4 -、ＡｓＦ6 -、ＳｂＦ6 -、ＡｌＣｌ4 -、またはＲｆＳＯ3 -、（ＲｆＳＯ2）2Ｎ-、ＲｆＣＯ2 -(Ｒｆは炭素数１〜８のフルオロアルキル基)から選ばれるアニオンの塩を挙げることができる。
本発明においては、以上のγ−ブチロラクトンを主体とする電解液に含有される水分含有率を４０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以下としている。
そして、本発明の電気二重層キャパシタは、コイン型、巻回型、積層型等の形状の何れであってもよい。このような電気二重層キャパシタは、例えば、電極シートを所望の大きさ、形状に切断し、セパレータを両極の間に介在させた状態で積層または巻回し、容器に挿入後電解液を注入し、封口板、ガスケットを用いて封口をかしめて製造できる。
本発明の実施例に係る発明を具体的に説明する。
（実施例１）
活性炭粉末、導電助剤であるケッチェンブラック、バインダーであるポリテロラフルオロエチレン（PTFE）から成る混合物を、圧延ローラーを用いてシート状に成形してこれを分極性電極とした。このシート状分極性電極をリード線を設けたアルミニウム集電体に導電性接着剤を用いて貼り付けて電極とした。作成した2枚の電極をセルロース系セパレータを介して向かい合わせ電気二重層キャパシタ素子（電極面積12cm2）を作製した。
この電気二重層キャパシタ素子を12時間以上150℃で減圧乾燥した後、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で1M テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（TEABF４）/プロピレンカーボネート（PC）１００ｍLに２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、60℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例３）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例４）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例５）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/γ−ブチロラクトン（GBL） 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、８５℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例６）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例７）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例８）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例９）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M トリエチルメチルアンモニウム（TEMA）BF4/スルホラン（SLF） 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、１０５℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例１０）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（実施例１１）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（実施例１２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（比較例１）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（比較例２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（比較例３）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（実施例１）
活性炭粉末、導電助剤であるケッチェンブラック、バインダーであるポリテロラフルオロエチレン（PTFE）から成る混合物を、圧延ローラーを用いてシート状に成形してこれを分極性電極とした。このシート状分極性電極をリード線を設けたアルミニウム集電体に導電性接着剤を用いて貼り付けて電極とした。作成した2枚の電極をセルロース系セパレータを介して向かい合わせ電気二重層キャパシタ素子（電極面積12cm2）を作製した。
この電気二重層キャパシタ素子を12時間以上150℃で減圧乾燥した後、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で1M テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（TEABF４）/プロピレンカーボネート（PC）１００ｍLに２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、60℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例３）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例４）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（実施例５）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/γ−ブチロラクトン（GBL） 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、８５℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例６）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例７）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例８）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（実施例９）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M トリエチルメチルアンモニウム（TEMA）BF4/スルホラン（SLF） 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して、１０５℃雰囲気下で2.5V定電圧負荷試験を行い、任意の時間で容量（F）、及び直流抵抗（DCIR）を測定した。
（実施例１０）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト２ｇ分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムで封止し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（実施例１１）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト５ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（実施例１２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 100mL中に２．３ミクロンの３Aゼオライト１０ｇを分散させた電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（比較例１）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/PC 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例１と同様の試験を行った。
（比較例２）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEABF4/GBL 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例５と同様の試験を行った。
（比較例３）
実施例1と同様に電気二重層キャパシタ素子を作製し、1M TEMABF4/SLF 電解液を減圧含浸させ、ラミネートフィルムに封入し電気二重層キャパシタセルを作製した。この電気二重層キャパシタセルに対して実施例９と同様の試験を行った。
（結果）
図１〜図６から明らかなように、本願の実施例はゼオライトを添加しない比較例１〜３より、容量変化、内部抵抗変化とも良好である。特にゼオライトを１〜５％添加した、実施例１〜３、実施例５〜７、実施例９〜１１の特性はさらに良好である。
図１〜図６から明らかなように、本願の実施例はゼオライトを添加しない比較例１〜３より、容量変化、内部抵抗変化とも良好である。特にゼオライトを１〜５％添加した、実施例１〜３、実施例５〜７、実施例９〜１１の特性はさらに良好である。
Claims (4)
- 非水電解液と両極に集電体と分極性電極からなる電極を用いた電気二重層キャパシタにおいて、非水電解液にゼオライトを添加した電気二重層キャパシタ。
- 電解液の溶媒がγ−ブチロラクトンを主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下である請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
- 電解液の溶媒がスルホランまたはその誘導体を主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下である請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
- 電解液の溶媒がプロピレンカーボネートを主体とし、かつ、電解液中の水分含有率が４０ｐｐｍ以下であり、分極性電極の水分含有率が分極性電極の重量に対して１５０ｐｐｍ以下である請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
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