JP5680749B2 - ハイブリッドウルトラキャパシタ、その組立方法及び使用方法、並びに基板集積二酸化鉛電極の準備方法 - Google Patents
ハイブリッドウルトラキャパシタ、その組立方法及び使用方法、並びに基板集積二酸化鉛電極の準備方法 Download PDFInfo
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Description
a)基板集積二酸化鉛電極(2)と、
b)活性炭電極(3)と、
c)電解質(5)が含浸され、容器(6)内で基板集積二酸化鉛電極と活性炭電極との間に配置されたセパレータ(4)と、を備える。
本発明の実施形態では、エネルギー蓄積デバイス(1)は、ハイブリッドキャパシタである。
本発明のもう一つの実施形態では、セパレータ(4)は、多孔質ガラス及び多孔質ポリマーからなる一群から選択された材料から、好ましくは多孔質ガラスからなる。
本発明のさらにもう一つ実施形態では、電解質は、硫酸、メタンスルホン酸及びペルフルオロスルホン酸からなる一群から選択され、好ましくは硫酸である。
本発明のさらにもう一つ実施形態では、硫酸の濃度は、約4Mから約7Mの範囲にあり、好ましくは約6Mである。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、エネルギー蓄積デバイス(1)は、ファラデー効率が約94%から約96%の範囲にあり、好ましくは95%である。
また、本発明は、直列に接続された複数のエネルギー蓄積デバイス(1)からなるエネルギー蓄積デバイス(7)に関する。
また、本発明は、基板集積二酸化鉛を準備する方法に関するものであり、
a)予め研磨された鉛板をエッチングする工程と、
b)エッチングされた鉛板を脱イオン水で洗浄する工程と、
c)洗浄された鉛板を硫酸及び過塩素酸の混合物中に浸して硫酸鉛の層を得る工程と、
d)硫酸鉛を酸化し二酸化鉛にして基板集積二酸化鉛を得る工程と、を備える。
本発明のもう一つの実施形態では、エッチングは硝酸を用いて行われる。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、硝酸の濃度は、約0.5Mから約1.5Mの範囲にあり、好ましくは、約1Mである。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、硫酸の濃度は、約4Mから約7Mの範囲にあり、好ましくは約6Mである。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、過塩素酸の濃度は、約0.05Mから約0.2Mの範囲にあり、好ましくは約0.1Mである。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、硫酸鉛を電気化学セルのアノードとして用いることによって、硫酸鉛を二酸化鉛に酸化する。
また、本発明は、エネルギー蓄積デバイス(1)を製造する方法に関するものであり、
a)基板集積二酸化鉛電極(2)を準備する工程と、
b)活性炭電極(3)を準備する工程と、
c)基板集積二酸化鉛電極(2)及び活性炭電極(3)を、電解質(5)で含浸されたセパレータ(4)が基板集積二酸化鉛電極と活性炭電極との間に位置するように、容器(6)内に取り付けて、エネルギー蓄積デバイスを製造する工程と、を備える。
本発明のさらにもう一つの実施形態では、容器(6)は、多孔質ガラス及び多孔質ポリマーからなる一群から選択された材料から、好ましくは多孔質ガラスからなる。
さらに、本発明は、エネルギー蓄積デバイス(1又は7)を使用する方法に関するものであり、前記方法は、エネルギー蓄積デバイスを電気デバイスに接続し、運転のために必要な電気エネルギーをデバイスに与える工程を備える。
C(F) = I(A) x t(s)/(V2-V1)
V2は、放電の開始時の電圧であり、V1は、放電の終了時の電圧である。ハイブリッドウルトラキャパシタは、25mAで10.79F、50mAで10.05F、100mAで9.738Fのキャパシタンスを有することが分かった。
ステップ1:2.3Vで10分間のウルトラキャパシタの充電
ステップ2:5秒間の開回路電圧測定
ステップ3:0.2Aの定電流でウルトラキャパシタの放電
ステップ4:30秒間の開回路電圧測定
A.基板集積PbO2電極の準備
基板集積PbO2電極は、予め研磨された鉛板(厚み300μm)を、1MのHNO3中で60秒間エッチングし、その後に、脱イオン水で十分に洗浄することで準備される。それから、この板を、添加物として0.1MのHClO4を含む6MのH2SO4水溶液中に室温で浸した。硫酸水溶液中に浸しているときに、硫酸鉛の薄い層が、鉛板の表面に形成され、対向電極を備える電気化学セルのアノードとしてこれを用いることによって、酸化されてPbO2になる。この過程を約五回繰り返して、十分に形成された基板集積PbO2電極を準備する。この目的のために採用される電気化学セルは、図3で概略的に示すように定電流DC電源に接続される。
活性炭電極は、ポリフッ化ビニリデンをバインダーとして含む活性炭インクをペーストすることによって準備される。簡潔にいうと、10wt.%のカーボンブラック(粒径は約1μm)を含む85%の高表面積カーボン(BET表面積が約2000m2/gで、粒径<10nm)と、適切な量のジメチルホルムアミド水溶液に溶解したPVDFまたはテフロンのような5wt.%のバインダーとを混合することで、カーボンペーストが得られた。典型的には、0.1gのPVDFが、10mlのDMFに溶解し、1.7gの高表面積カーボン(Meadwestvaco 090177)及び0.2gのカーボンブラックが加えられた。この混合物は、5分間、超音波処理機で十分に混ぜ合わされた。結果として得られるカーボンインクは、幅1cm、長さ3cmのタグエリアを有する3.5cm×6.0cmの二つのグラファイト電極上に刷毛塗りされた。カーボンペーストは、当該電極の両面に塗布され、電極の各面に0.5gの活性物質が得られた。それから、電極は、一晩かけて(約10時間)エアオーブン中で、80℃で乾燥された。
a)6Vの基板集積PbO2-ACハイブリッドウルトラキャパシタ
6Vの基板集積PbO2-AC HUCsは、三つの2VのHUCsを直列接続することによって組み立てられる。2V/100Fの基板集積PbO2/PVDF結合AC HUCsは、上記方法で形成された幅1cm、長さ3cmのタグを有する3.5cm×6cmサイズの基板集積PbO2電極と、上述のように準備されたPVDF結合活性炭電極とを備え、6MのH2SO4で含浸された厚さ3mmのAGM(adsorbed glass mat、吸着ガラスマット)をセパレータ及び電解質として用いることで組み立てられた。それから、完成したアッセンブリ、Pb2O-(AGM+H2SO4)-ACは、プレキシガラス容器内に取り付けられた。それから、セルの電気化学特性のテストを行った。
12VのPbO2-AC HUCsは、六つのHUCsを直列接続することで組み立てられた。HUCsの組立ての詳細は以下の通りである。
12Vの基板集積PbO2/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタは、商業用鉛蓄電池容器内で六つの単一セルを直列接続することによって実現された。この12Vのハイブリッドウルトラキャパシタの各セルは、サイズが4.5cm×7cmの9つの正極板及び8つの負極板を備え、面積0.5cm×0.5cm、厚さ0.3mmの正極板のためのタグ(6b)と、厚さ0.8mmの負極板のためのタグ(6a)とを備え、厚さ1mmのAGM板がセパレータとして用いられた。特有の方法がグラファイト電極を相互に接続するために用いられる。負極のタグ部分(6a)は、錫で電気メッキされ、続いて、鉛で電気メッキされ、グラファイト電極タグ(6b)の相互のハンダ付けを容易にする。各セル中のグラファイト電極は、適切に設計されたグループ燃焼固定治具を用いたトーチメルト方法によって、鉛ではんだ付けされた。その後に、セルが相互に直列接続された。
Claims (18)
- ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)であって、
a)基板に一体形成された二酸化鉛電極(2)と、
b)グラファイト基板を有する二重層キャパシタ活性炭電極(3)と、
c)電解質(5)が含浸され、容器(6)内で前記基板に一体形成された二酸化鉛電極と前記活性炭電極との間に固定されたセパレータ(4)と、
を備えることを特徴とするハイブリッドウルトラキャパシタ。 - 前記基板が鉛であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 前記セパレータ(4)は、多孔質ガラス及び多孔質ポリマーからなる一群から選択される材料からなり、好ましくは多孔質ガラスからなることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 前記電解質は、硫酸、メタンスルホン酸、及びペルフルオロスルホン酸からなる一群から選択され、好ましくは硫酸であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 前記硫酸の濃度は、約4Mから約7Mの範囲にあり、好ましくは約6Mであることを特徴とする請求項4に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 前記ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)は、ファラデー効率が約94%から約96%の範囲にあり、好ましくは95%であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 直列に接続された複数の前記ハイブリッドウルトラキャパシタを有することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ(7)。
- 基板集積二酸化鉛電極(2)を準備する方法であって、
前記電極は活性炭電極と組み合わせて、基板集積二酸化鉛電極(2)と、グラファイト基板を有する二重層キャパシタ活性炭電極(3)と、電解質(5)が含浸され、容器(6)内で前記基板集積二酸化鉛電極と前記活性炭電極との間に固定されたセパレータ(4)と、を備えるハイブリッドウルトラキャパシタを得るためのものであり、前記方法は、
a)硝酸を用いて予め研磨された鉛板をエッチングする工程と、
b)エッチングされた前記鉛板を脱イオン水で洗浄する工程と、
c)洗浄された前記鉛板を硫酸及び過塩素酸の混合物に浸して硫酸鉛の層を得る工程と、
d)前記硫酸鉛を酸化し二酸化鉛にして前記基板集積二酸化鉛電極を得る工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記基板が鉛であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記硝酸の濃度は、約0.5Mから約1.5Mの範囲にあり、好ましくは約1Mであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記硫酸の濃度は、約4Mから約7Mの範囲にあり、好ましくは約6Mであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記過塩素酸の濃度は、約0.05Mから約0.2Mの範囲にあり、好ましくは約0.1Mであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記硫酸鉛を電気化学セルのアノードとして用いることによって、前記硫酸鉛を前記二酸化鉛に酸化することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)を組み立てる方法であって、
a)基板に一体形成された二酸化鉛電極(2)を準備する工程と、
b)グラファイト基板を有する二重層キャパシタ活性炭電極(3)を準備する工程と、
c)前記基板に一体形成された二酸化鉛電極(2)及び前記活性炭電極(3)を、電解質(5)で含浸されたセパレータ(4)が前記基板に一体形成された二酸化鉛電極と前記活性炭電極との間に位置するように、容器(6)内に取り付けて、前記ハイブリッドウルトラキャパシタを組み立てる工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記基板が鉛であることを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 請求項1に記載されたハイブリッドウルトラキャパシタ(1)を使用する方法であって、前記ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)をエネルギー蓄積デバイスに接続し、装置の運転のためのエネルギーを与える工程を備えることを特徴とする方法。
- 前記キャパシタは、5Cの放電速度で約120Fのキャパシタンス値を有することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドウルトラキャパシタ。
- 直列ハイブリッドウルトラキャパシタ(7)を得る方法であって、
前記直列ハイブリッドウルトラキャパシタ(7)は、複数のハイブリッドウルトラキャパシタ(1)を備え、前記ハイブリッドウルトラキャパシタのそれぞれは、基板に一体形成された二酸化鉛電極(2)と、グラファイト基板を有する二重層キャパシタ活性炭電極(3)と、電解質(5)が含浸され、容器内(6)で前記基板に一体形成された二酸化鉛電極と前記活性炭電極との間に固定されたセパレータ(4)と、を備え、前記複数の前記ハイブリッドウルトラキャパシタは直列接続され、前記方法は、
a)前記ハイブリッドウルトラキャパシタの負極のタグ部分(6a)を錫で電気メッキした後に、鉛で電気メッキする工程と、
b)前記ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)の前記グラファイト電極のタグ部分(6a)を鉛ではんだ付けし前記グラファイト電極を相互に接続して、前記直列ハイブリッドウルトラキャパシタを得る工程と、
を備えることを特徴とする方法。
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