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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 PDF

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Description

本発明は、ハイブリッドキャパシタ、特にPbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタに関する。本発明のハイブリッドウルトラキャパシタは、組立てが簡単で、不純物がなく、高いファラデー効率で速い充電/放電が可能である。
スーパーキャパシタ(ウルトラキャパシタとも称される)は、エネルギー蓄積においてで大きく進歩できるポテンシャルデバイスとして提案されている。スーパーキャパシタは、従来のキャパシタと同じ物理特性に左右されるが、高表面積の電極及び薄い誘電体を利用して、従来のキャパシタよりも高いエネルギー密度及びバッテリよりも高い出力密度を可能にするより高いキャパシタンスを達成する。スーパーキャパシタは、一般的に三つに分類され、即ち、電気二重層キャパシタ、疑似キャパシタ、及びハイブリッドキャパシタに分類される。各分類は、電荷蓄積のための特有のメカニズム、即ち、ファラデー性、非ファラデー性、及びこれら二つの組合せによって特徴付けられている。酸化−還元反応のようなファラデー過程は、バッテリ電極において見られるように、電極と電解質との間の電荷の移動を伴い、一方、非ファラデーメカニズムは、化学的メカニズムを用いず、化学結合の発生または制動を伴わない物理的過程によって、電荷が電気二重層のように表面に分布する。ハイブリッドスーパーキャパシタは、エネルギーが化学形態で蓄えられるバッテリ電極と、エネルギーが物理形態で蓄えられる電気二重層電極とを組み合わせている。PbO/活性炭スーパーキャパシタは、鉛蓄電池と同種の正極板と、負極板として高表面積の活性炭電極とを備える。このようなハイブリッドスーパーキャパシタの正極板及び負極板における充電−放電反応は、以下の通りである。
Figure 0005680749
従って、ハイブリッドスーパーキャパシタの正味の充電−放電反応は以下の通りである。
Figure 0005680749
(+)板は、硫酸/過塩素酸中での電気化学めっき及び循環によって実現され、一方、(−)板は、鉛板上に活性炭をペーストすることによって準備される。前記ハイブリッドスーパーキャパシタは、化学形態及び物理形態の双方でエネルギーを蓄える。
周知のハイブリッドキャパシタは、活性物質のサイジング及び混合を、つまり、適切な組成、ペースト、乾燥、硬化、及び形成を必要とする従来のPbO板を採用している。このような電極は、キャパシタの望む速い充電/放電過程に十分に従うものではなかった。
本発明は、基板集積二酸化鉛電極(2)と、活性炭電極(3)と、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)とを備えるエネルギー蓄積デバイス(1)に関し;さらに、本発明は、直列接続された複数の請求項1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)に関し;さらに、本発明は、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と過塩素酸と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、を備える基板集積二酸化鉛を準備する方法に関し;さらに、本発明は、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、を備えるエネルギー蓄積デバイス(1)を製造する方法に関し;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し、前記方法は、前記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。
基板集積PbO/活性炭ウルトラキャパシタの概略図である。 直列接続された基板集積PbO/活性炭ウルトラキャパシタの概略図である。 基板集積PbO電極を準備するために採用された電気化学セルの概略図である。 正極のXRDパターンを示す。 PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタのサイクルボルタモグラムを示す。 定電流充電/放電サイクルを示す。 サイクル寿命テストを示す。 定電流充電/放電特性を示す。 定電圧充電及び定電流充電特性を示す。 PbO/PVFD結合活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタのサイクル寿命テストを示す。 6V/40FのPbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの定電流放電特性を示す。
本発明は、エネルギー蓄積デバイス(1)に関するものであり、
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。
本発明は、基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタ(substrate-integrated PbO2/Activated-carbon hybrid ultracapacitor)を不純物なく実現することに関する。本発明のハイブリッドウルトラキャパシタは、組み立てが簡単で、不純物がなく、95%程度と高いファラデー効率で速い充電/放電が可能である。
本発明では、正極、基板集積PbOは、予め研磨されかつエッチングされた鉛金属板の電気化学的形成によって製造される。特に、基板集積PbOは、鉛板を硫酸に接触させたときに形成されるPbSOを酸化することによって得られる。この形成に続いて、電極が脱イオン水で十分に洗浄され、全ての不純物が洗い落とされる。形成された電極のXRDパターンが記録され、不純物が除去されていることが分かった。図4に示すXRDパターンは、二酸化鉛が形成されたことを明確に示している。負極は、活性炭電極である。
本発明のPbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタでは、PbO電極はバッテリタイプの電極であり、活性炭が二重層キャパシタ電極である。図5は、PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの走査速度10mV/sのサイクルボルタモグラムであり、アノード走査の間に、2VでPbSOのPbOへの酸化のピークが示され、さらに、カソード走査の間に、1.5VでPbOのPbSOへの対応する還元のピークが示されている。酸化及び還元のピークは、PbO/活性炭がハイブリッドデバイスであることを反映している。
一般的に、バッテリ電極は、C/10(10時間)の速さで充電され、C/5(5時間)の速さで放電される。バッテリ電極がC速度またはより速い速度で充電/放電されるなら、サイクル寿命は影響を受ける。バッテリ電極のファラデー効率は、活性物質の粒径、電極の気孔率、電極の内部抵抗等に依存する。バッテリ電極のファラデー効率は低い。
本発明は、95%程度のファラデー効率で、より速い速度で充電及び放電され得るバッテリタイプの電極として、電気化学的に形成された基板集積PbOを提供する。同様のことが、図8に示されている。図8は、95%程度の高いファラデー効率を示すPbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの50mAでの充電及び放電曲線を示す。
図6は、活性炭電極のバインダーとしてテフロン(登録商標)を用いて準備した基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの25mA、50mA及び100mAでの充電及び放電の分極曲線を示す。キャパシタンスは、下記方程式を用いて放電曲線から計算された。
C(F) = I(A) x t(s)/(V2-V1)
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。
図7は、基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの0.1mAでのサイクル寿命データを示し、ハイブリッドウルトラキャパシタが高いサイクル寿命を有することを提示している。サイクル寿命テストは、次の4つのステップを伴う。
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
図10は、基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタのサイクル寿命データを示す。
図9は、基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの2.3Vで10間充電した後の様々な電流での放電曲線を示す。
本発明のハイブリッドキャパシタを直列接続すると、セル電圧が上昇するキャパシタを得る一方で、実効キャパシタンスは従来のキャパシタと同様に減少する。図11は、直列接続された二つまたは三つのセルのからなる基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタセルの0.2Aの電流での放電曲線を示す。当該図は、二つ以上のセルを直列に接続したときにセル電圧が上昇する一方で、実効キャパシタンスが従来のキャパシタと同様に減少することを示している。
基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタ(1)を製造する方法は、基本的には、基板集積二酸化鉛電極(2)を準備する工程と、活性炭電極(3)を準備する工程と、基板集積二酸化鉛電極及び活性炭電極を、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、を備えることを特徴とする。
本発明のデバイスは、簡単に電気デバイスに接続でき、デバイスに運転のために必要な電気エネルギーを与えることができる。
本願の技術を、以下の実施例を参照して詳細に述べる。しかしながら、実施例は、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
基板集積PbO/活性炭ハイブリッドウルトラキャパシタの準備
A.基板集積PbO電極の準備
基板集積PbO電極は、予め研磨された鉛板(厚み300μm)を、1MのHNO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HClOを含む6MのHSO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PbO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PbO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。
B.PVDF結合活性炭電極の準備
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2000m/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。
C.基板集積PbO-ACハイブリッドウルトラキャパシタ(HUCs)の組立て
a)6Vの基板集積PbO-ACハイブリッドウルトラキャパシタ
6Vの基板集積PbO-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PbO/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PbO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HSO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、PbO-(AGM+HSO)-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。
b)12Vの基板集積PbO-ACハイブリッドウルトラキャパシタ
12VのPbO-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。
2V/100Fの基板集積PbO/PVDF結合AC HUCsは、上記方法で形成された1cm幅、長さ3cmのタグ(6a、6b)を有する3.5cm×6cmサイズの基板集積PbO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HSOで含浸された厚さ3mmのAGM(adsorbed glass mat)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、PbO-(AGM+HSO)-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。
c)12Vの基板集積PbO-ACハイブリッドウルトラキャパシタ
12Vの基板集積PbO/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。
これらのハイブリッドウルトラキャパシタは、5Cの放電速度で120Fのキャパシタンス値を生じさせることが分かった。
様々な態様及び実施形態が開示されているが、他の態様及び実施形態が当業者にとって明らかである。ここで開示された様々な態様及び実施形態は、説明の目的のためであって、以下の特許請求の範囲で示された真の範囲及び精神を限定するものではない。

Claims (18)

  1. 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。
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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)。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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に記載の方法。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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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