JP2013008813A - Capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はキャパシタに関し、特に、Liイオンを利用したキャパシタに関する。 The present invention relates to a capacitor, and more particularly to a capacitor using Li ions.
電気二重層キャパシタは、各種キャパシタの中でも容量が大きいため、最近注目されている。例えば、キャパシタは電気機器のメモリーバックアップ用として幅広く使われており、近年この用途にも電気二重層キャパシタの利用が促進されている。更に、ハイブリッド車、燃料自動車等の自動車用にも利用が期待されている。 Electric double layer capacitors have recently attracted attention because of their large capacitance among various capacitors. For example, capacitors are widely used for memory backup of electrical equipment, and in recent years, the use of electric double layer capacitors has been promoted for this purpose as well. Further, it is expected to be used for vehicles such as hybrid vehicles and fuel vehicles.
電気二重層キャパシタには、ボタン型、円筒型、角型等といった種類があり、各種キャパシタが知られている(特許文献1〜5)。ボタン型は、例えば、活性炭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ーを配置して電気二重層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ことにより製造される。円筒型は、この一対の分極性電極とセパレーターを重ね、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覆させてアルミニウムケース中に収納し、封口材を用いて密封することにより製造される。角型も、基本的構造はボタン型や円筒型と同様である。 There are various types of electric double layer capacitors such as a button type, a cylindrical type, and a square type, and various types of capacitors are known (Patent Documents 1 to 5). The button type is, for example, a pair of polarizable electrodes with an activated carbon electrode layer provided on a current collector, and a separator is arranged between the electrodes to form an electric double layer capacitor element, which is stored in a metal case together with an electrolyte. It is manufactured by sealing with a sealing plate and a gasket that insulates both. For the cylindrical type, this pair of polarizable electrodes and separator are overlapped and wound to form an electric double layer capacitor element. The element is covered with an electrolytic solution and stored in an aluminum case, and sealed with a sealing material. It is manufactured by doing. The basic structure of the square type is the same as that of the button type or cylindrical type.
上記メモリーバックアップ用、自動車用等の用途に用いられる電気二重層キャパシタは、より一層の高容量化等が求められている。つまり、単位体積当たりの容量の高容量化と内部抵抗の低減が求められている。しかしながら、従来のキャパシタは、容量を増やそうとすると内部抵抗が大きくなり容量が増えないという問題がある。 The electric double layer capacitor used for the above-mentioned applications such as memory backup and automobile is required to have a higher capacity. That is, it is required to increase the capacity per unit volume and reduce the internal resistance. However, the conventional capacitor has a problem in that when the capacity is increased, the internal resistance increases and the capacity does not increase.
すなわち、集電体の形状が二次元構造である場合には、容量密度を高めるために厚い電極を作製すると、集電体と活性炭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り、活性炭の利用率が小さくなって、容量密度も小さくなってしまう。また、内部抵抗低減については、電気抵抗改善を目的として導電助剤を添加すると、活性炭の量が少なくなるためやはり容量密度が小さくなる。 In other words, when the current collector has a two-dimensional structure, if a thick electrode is produced to increase the capacity density, the distance between the current collector and the activated carbon becomes longer. Resistance increases, utilization of activated carbon decreases, and capacity density also decreases. As for internal resistance reduction, when a conductive additive is added for the purpose of improving electrical resistance, the amount of activated carbon is reduced, so that the capacity density is also reduced.
また、正極の容量が小さいため、負極容量を増やしても容量が増えないという問題がある。すなわち、正極集電体にアルミニウム箔を採用した場合、容量を大きくするために活性炭を厚く塗ると、利用率が落ちたり剥離したりして容量を大きくできない。このため、Liを出し入れできる炭素系負極に比べて正極の容量が小さく、セルのエネルギー密度を高くできない。 Moreover, since the capacity | capacitance of a positive electrode is small, there exists a problem that a capacity | capacitance does not increase even if it increases a negative electrode capacity | capacitance. That is, when an aluminum foil is used for the positive electrode current collector, if the activated carbon is applied thickly in order to increase the capacity, the capacity cannot be increased because the utilization factor drops or peels off. For this reason, the capacity | capacitance of a positive electrode is small compared with the carbonaceous negative electrode which can take in and out Li, and the energy density of a cell cannot be made high.
また、活性炭の電位が3V(vs Li/Li+ )であるため、電解液の耐電圧性からセル電圧を2.5V程度までしか上げることができない。このため、電圧が低く、エネルギー密度、出力密度が低いといった問題もある。 In addition, since the potential of the activated carbon is 3 V (vs Li / Li + ), the cell voltage can only be increased to about 2.5 V due to the withstand voltage of the electrolyte. For this reason, there are problems such as low voltage, low energy density, and low output density.
集電体を金属箔に代えて多孔体(三次元構造)にしたりすることも試みられている。しかしながら、多孔体として、スクリーンパンチ、パンチングメタル、ラスなどを用いても、その構造は実質的には二次元構造であり、大幅な静電容量の向上は期待できない。
現在、量産可能な三次元構造集電体としては、発泡状ニッケルがあり、アルカリ電解質二次電池用の集電体として普及している。しかし、高電圧・高容量化を目的として非水電解質を用いる電気二重層キャパシタでは、ニッケルは非水電解質による酸化を受けやすく、電解液中に溶解してしまい、長期の充放電で充分な充電ができなくなる。
Attempts have been made to make the current collector a porous body (three-dimensional structure) instead of a metal foil. However, even if a screen punch, punching metal, lath or the like is used as the porous body, the structure is substantially a two-dimensional structure, and a significant improvement in capacitance cannot be expected.
Currently, foamed nickel is a three-dimensional structure current collector that can be mass-produced, and is widely used as a current collector for an alkaline electrolyte secondary battery. However, in an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte for the purpose of increasing the voltage and capacity, nickel is easily oxidized by the non-aqueous electrolyte and dissolves in the electrolytic solution, so that charging is sufficient with long-term charging and discharging. Can not be.
ニッケル以外の金属としては、耐食性の高いアルミニウムやステンレスがあるが、これらの金属は、多孔度の高い多孔質有機樹脂表面に金属被覆層を形成できないという問題がある。すなわち、アルミニウムのめっき処理には非常に高温の溶融塩状態で処理する必要があるため、有機樹脂を被めっき体として使用することができず、有機樹脂表面にめっき処理することは困難である。 As metals other than nickel, there are aluminum and stainless steel having high corrosion resistance. However, these metals have a problem that a metal coating layer cannot be formed on a porous organic resin surface having high porosity. That is, since it is necessary to treat the aluminum plating in a very high temperature molten salt state, the organic resin cannot be used as an object to be plated, and it is difficult to plate the surface of the organic resin.
ステンレスも正極集電体の材料として広く使用されているが、このステンレスもアルミニウムと同様の理由から、有機樹脂表面にめっき処理することにより、多孔度の大きい集電体とすることは困難である。なお、ステンレスについては、粉末状にして有機樹脂多孔体に塗着して焼結することにより、多孔体を得る方法が提供されているが、ステンレススチール粉末は非常に高価である。また、粉末が付着した後に、基材である有機樹脂多孔体は焼却除去されるため、強度が衰えてしまい使用に耐えないという問題がある。 Stainless steel is also widely used as a material for the positive electrode current collector, but for the same reason as stainless steel, it is difficult to obtain a highly porous current collector by plating the surface of the organic resin. . As for stainless steel, there is provided a method for obtaining a porous material by applying it to a powdered organic resin porous material and sintering it, but stainless steel powder is very expensive. In addition, after the powder adheres, the organic resin porous body, which is the base material, is removed by incineration.
本発明は、静電容量が大きく、耐久性に優れたキャパシタを安価に提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a capacitor having a large capacitance and excellent durability at a low cost.
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、正極用金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、負極用集電体にリチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を保持させてなる負極と、リチウム塩を含む非水電解液を備え、前記正極用金属多孔体が、少なくともニッケルとスズを含む合金からなり、かつ、前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明に係るキャパシタは以下の特徴を有する。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have occluded and desorbed lithium ions from a positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a positive electrode metal porous body and a negative electrode current collector. A negative electrode formed by holding a negative electrode active material, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, the positive electrode metal porous body is made of an alloy containing at least nickel and tin, and the negative electrode is chemically treated with lithium ions The present invention has been completed by finding that it is effective to occlude by a mechanical or electrochemical method. That is, the capacitor according to the present invention has the following characteristics.
(1)少なくとも、
正極用金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、
負極用集電体に、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を保持させてなる負極と、
リチウム塩を含む非水電解液と、を備え、
前記正極用金属多孔体が、少なくともニッケルとスズを含む合金からなり、かつ、前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたことを特徴とするキャパシタ。
(2)前記正極用金属多孔体のスズの含有率が1質量%以上、40質量%以下であることを特徴とする上記(1)に記載のキャパシタ。
(3)前記正極用金属多孔体が、成分として10質量%以下のリンを更に含むことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のキャパシタ。
(4)前記正極用金属多孔体を、液中で電解酸化処理することにより耐食性を向上させた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)前記正極用金属多孔体が、
発泡状ウレタンにニッケルを被覆した後にウレタンを焼失させて得たニッケル目付200g/m2以上、1000g/m2以下の発泡状ニッケルに、少なくともスズを含む金属を被覆し、その後に熱処理を行ってスズを発泡状ニッケル中にまで拡散させることにより作製した、多孔度が80%以上、97%以下の発泡状ニッケルスズ合金であることを特徴とする上記(4)に記載のキャパシタ。
(6)前記正極用金属多孔体が、
ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得たニッケル目付200g/m2以上、1000g/m2以下の不織布状ニッケルに、少なくともスズを含む金属を被覆し、その後に熱処理を行ってスズを発泡状ニッケル中にまで拡散させることにより作製した、多孔度が80%以上、97%以下の不織布状ニッケルスズ合金であることを特徴とする上記(4)に記載のキャパシタ。
(7)前記リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質が炭素材料を主体としており、該炭素材料が、黒鉛系材料、又は易黒鉛化炭素材料を含む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)前記リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質が金属を主体としており、該金属が、アルミニウム、スズ、及びシリコンからなる群より選ばれた一つ以上の金属を20質量%以上含む合金、又は複合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。
(9)前記負極用集電体が金属箔であり、該金属箔が、アルミニウム、銅、ニッケル、又はステンレスのいずれかであることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載のキャパシタ。
(10)前記負極用集電体が金属多孔体であり、該金属多孔体が、発泡状ウレタンにニッケルを被覆した後にウレタンを焼失させて得た多孔度が80%以上、97%以下、ニッケル目付が200g/m2以上、1000g/m2以下の発泡状ニッケルであることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載のキャパシタ。
(11)前記負極用集電体が金属多孔体であり、該金属多孔体が、ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得た多孔度が80%以上、97%以下、ニッケル目付が200g/m2以上、1000g/m2以下の不織布状ニッケルであることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれか一に記載のキャパシタ。
(12)前記リチウム塩が、LiClO4、LiBF4、及びLiPF6からなる群より選ばれる1種以上であり、
前記非水電解液の溶媒が、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、及びエチルメチルカーボネイトからなる群より選ばれる1種以上であることを特徴とする上記(1)〜(11)のいずれかに記載のキャパシタ。
(13)負極容量が正極容量よりも大きく、負極のリチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることを特徴とする上記(1)〜(12)のいずれかに記載のキャパシタ。
(1) At least
A positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body for a positive electrode;
A negative electrode obtained by holding a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions in a negative electrode current collector;
A non-aqueous electrolyte containing a lithium salt,
A capacitor characterized in that the positive electrode metal porous body is made of an alloy containing at least nickel and tin, and lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method.
(2) The capacitor according to (1), wherein the content of tin in the positive electrode metal porous body is 1% by mass or more and 40% by mass or less.
(3) The capacitor according to (1) or (2) above, wherein the metal porous body for positive electrode further contains 10% by mass or less of phosphorus as a component.
(4) The capacitor according to any one of the above (1) to (3), wherein the metal porous body for positive electrode is subjected to electrolytic oxidation treatment in a liquid to improve corrosion resistance.
(5) The metal porous body for a positive electrode is
A foam-like nickel with a nickel basis weight of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less obtained by coating the foamed urethane with nickel and then burning off the urethane is coated with a metal containing at least tin, and then heat-treated. The capacitor as described in (4) above, which is a foamed nickel-tin alloy having a porosity of 80% or more and 97% or less, produced by diffusing tin into foamed nickel.
(6) The metal porous body for a positive electrode is
A non-woven fabric nickel having a nickel basis weight of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less obtained by coating a non-woven fabric made of polyolefin fiber with nickel is coated with a metal containing at least tin, and then heat-treated to form tin. The capacitor as described in (4) above, which is a non-woven nickel-tin alloy having a porosity of 80% or more and 97% or less produced by diffusing into foamed nickel.
(7) The negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions is mainly composed of a carbon material, and the carbon material includes a graphite-based material or an easily graphitizable carbon material. The capacitor according to any one of 6).
(8) An alloy in which the negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions is mainly a metal, and the metal contains 20% by mass or more of one or more metals selected from the group consisting of aluminum, tin, and silicon. Or the capacitor according to any one of (1) to (6) above, which is a composite.
(9) The negative electrode current collector is a metal foil, and the metal foil is any one of aluminum, copper, nickel, or stainless steel. The capacitor as described.
(10) The negative electrode current collector is a metal porous body, and the porosity obtained by burning the urethane after the foamed urethane is coated with nickel is 80% or more and 97% or less, nickel The capacitor according to any one of (1) to (8) above, wherein the basis weight is foamed nickel having a weight per unit area of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less.
(11) The negative electrode current collector is a metal porous body, and the porosity obtained by coating the nonwoven fabric made of polyolefin fibers with nickel is 80% or more and 97% or less, and the nickel basis weight is The capacitor as described in any one of (1) to (8) above, which is a non-woven nickel of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less.
(12) The lithium salt is one or more selected from the group consisting of LiClO 4 , LiBF 4 , and LiPF 6 ,
(1) to (1) above, wherein the solvent of the non-aqueous electrolyte is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. The capacitor according to any one of 11).
(13) Any of (1) to (12) above, wherein the negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and the lithium ion storage capacity of the negative electrode is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. Capacitor.
本発明により、静電容量が大きく、耐久性に優れたキャパシタを安価に提供することができる。本発明に係るキャパシタは、正極集電体に正極用金属多孔体を用いて正極活物質の充填量を増やし、負極にリチウムイオンを吸蔵させることにより、キャパシタの容量と電圧を上昇させることができる。 According to the present invention, a capacitor having a large capacitance and excellent durability can be provided at low cost. The capacitor according to the present invention can increase the capacity and voltage of the capacitor by increasing the filling amount of the positive electrode active material by using the positive electrode metal porous body as the positive electrode current collector and occluding lithium ions in the negative electrode. .
本発明に係るキャパシタは、正極用金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、負極用集電体にリチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を保持させてなる負極と、リチウム塩を含む非水電解液により構成される。そして、負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させておくことを特徴とする。これにより、負極の電位が下がり、セル電圧を上げることが可能となる。更に、キャパシタのエネルギーは電圧の二乗に比例するため、高いエネルギーを持ったキャパシタとなる。 The capacitor according to the present invention includes a positive electrode in which a positive electrode metal porous body is filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon, and a negative electrode current collector that holds a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions. And a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. And it is characterized in that lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method. Thereby, the potential of the negative electrode is lowered, and the cell voltage can be increased. Furthermore, since the energy of the capacitor is proportional to the square of the voltage, the capacitor has high energy.
しかしながら、本発明ではリチウム塩を含む非水電解液によりリチウムイオンを電荷として使用するため、リチウムの析出によるデンドライト成長、短絡といった危険が存在する。このため、負極へのリチウムイオンの吸蔵量は、あらかじめ吸蔵した分と、充電される分の和が、負極の吸蔵可能量以下であることが必要である。
したがって、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、該負極容量と正極容量の差の90%まで、リチウムイオンを負極に吸蔵させておくことを特徴とする。放電時におけるリチウムイオンの吸蔵量を、負極容量と正極容量の差の90%以下としておくことにより、充電時の負極面内におけるリチウムイオン吸蔵量のばらつきの程度を吸収することができる。
However, in the present invention, since lithium ions are used as a charge by a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, there is a risk of dendrite growth and short circuit due to lithium deposition. For this reason, the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode requires that the sum of the amount occluded in advance and the amount charged be equal to or less than the storable amount of the negative electrode.
Therefore, the capacitor according to the present invention is characterized in that the negative electrode capacity is larger than the positive electrode capacity, and lithium ions are occluded in the negative electrode up to 90% of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity. By setting the amount of occlusion of lithium ions during discharging to 90% or less of the difference between the negative electrode capacity and the positive electrode capacity, it is possible to absorb the degree of variation in the amount of occlusion of lithium ions in the negative electrode surface during charging.
本発明に係るキャパシタは以下の方法により製造することができる。
本発明に係るキャパシタは、正極、負極の電極2枚を一対とし、これらの電極間にセパレーターを配置し、電解液を含浸することにより作製することができる。セパレーターとしては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、ポリオレフィン、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、ガラス繊維等からなる絶縁性膜が好ましい。セパレーターの平均孔径は特に限定されず、通常0.01μm以上、5μm以下程度であり、平均厚さは通常10μm以上、100μm以下程度である。
以下、各構成についてより詳しく説明する。
The capacitor according to the present invention can be manufactured by the following method.
The capacitor according to the present invention can be produced by forming a pair of two positive and negative electrodes, placing a separator between these electrodes, and impregnating the electrolyte. A known or commercially available separator can be used. For example, an insulating film made of polyolefin, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, cellulose, glass fiber or the like is preferable. The average pore diameter of the separator is not particularly limited, and is usually about 0.01 μm or more and 5 μm or less, and the average thickness is usually about 10 μm or more and 100 μm or less.
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
−正極−
本発明に係るキャパシタに用いる正極は、正極用集電体(正極用金属多孔体)に活性炭を主体とした正極活物質を充填することにより作製できる。
正極用集電体に正極活物質を充填する場合の充填量(含有量)は特に制限されず、正極用集電体の厚み、キャパシタの形状等に応じて適宜決定すればよいが、例えば、充填量は、13mg/cm2以上、40mg/cm2以下程度、好ましく16mg/cm2以上、32mg/cm2以下程度とすればよい。
正極活物質を充填する方法としては、例えば、活性炭等をペースト状にし、該活性炭正極ペースト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、活性炭正極ペースト中に正極用集電体を浸漬し、必要に応じて減圧する方法、活性炭正極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挙げられる。
-Positive electrode-
The positive electrode used for the capacitor according to the present invention can be produced by filling a positive electrode current collector (positive electrode metal porous body) with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon.
The filling amount (content) in the case of filling the positive electrode current collector with the positive electrode active material is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the thickness of the positive electrode current collector, the shape of the capacitor, etc. The filling amount may be about 13 mg / cm 2 or more and about 40 mg / cm 2 or less, preferably about 16 mg / cm 2 or more and about 32 mg / cm 2 or less.
As a method for filling the positive electrode active material, for example, activated carbon or the like may be made into a paste, and a known method such as a press-fitting method may be used for the activated carbon positive electrode paste. Other methods include, for example, a method of immersing the positive electrode current collector in an activated carbon positive electrode paste and reducing the pressure as necessary, a method of filling the activated carbon positive electrode paste while applying pressure from one side of the current collector with a pump or the like. Can be mentioned.
正極は、活性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。更に必要に応じて、活性炭ペーストを充填した後、ローラー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、圧縮前の厚さは、通常200μm以上、5000μm以下程度、好ましくは300μm以上、3000μm以下程度、より好ましくは400μm以上、2000μm以下程度とすればよい。また、圧縮成形後の厚さは、通常100μm以上、3000μm以下程度、好ましくは150μm以上、2000μm以下程度、より好ましくは200μm以上、1000μm以下程度とすればよい。
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 the positive electrode is filled with the activated carbon paste, the solvent in the paste may be removed by performing a drying treatment as necessary. Further, if necessary, after being filled with activated carbon paste, it may be compression-molded by pressurizing with a roller press or the like.
The thickness before and after compression is usually about 200 μm or more and 5000 μm or less, preferably about 300 μm or more and 3000 μm or less, more preferably about 400 μm or more and 2000 μm or less. The thickness after compression molding is usually about 100 μm to 3000 μm, preferably about 150 μm to 2000 μm, more preferably about 200 μm to 1000 μm.
The electrode may be provided with a lead terminal. The lead terminal may be attached by welding or applying an adhesive.
[正極活物質]
活性炭正極ペーストは、例えば、活性炭粉末を溶媒に混合機で攪拌することにより得られる。活性炭ペーストは、活性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はない。溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、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を用いる場合は、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いればよく、バインダとしてポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等を用いる場合は、溶媒として水を用いればよい。また、必要に応じて導電性助剤、バインダ等の添加剤を含んでいてもよい。
[Positive electrode active material]
The activated carbon positive electrode paste is obtained, for example, by stirring activated carbon powder in a solvent with a mixer. The activated carbon paste should just contain activated carbon and a solvent, and the mixture ratio is not limited. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone and water. In particular, when polyvinylidene fluoride is used as a binder, N-methyl-2-pyrrolidone may be used as a solvent. When polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, or the like is used as a binder, water is used as a solvent. Good. Moreover, additives, such as a conductive support agent and a binder, may be included as needed.
(活性炭)
活性炭はキャパシタ用に一般的に市販されているものを使用することができる。活性炭の原料としては、例えば、木材、ヤシ殻、パルプ廃液、石炭、石油重質油、又はそれらを熱分解した石炭・石油系ピッチのほか、フェノール樹脂などの樹脂などが挙げられる。炭化後に賦活するのが一般的であり、賦活法は、ガス賦活法及び薬品賦活法が挙げられる。ガス賦活法は、高温下で水蒸気、炭酸ガス、酸素等と接触反応させることにより活性炭を得る方法である。薬品賦活法は、上記原料に公知の賦活薬品を含浸させ、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、賦活薬品の脱水及び酸化反応を生じさせて活性炭を得る方法である。賦活薬品としては、例えば、塩化亜鉛、水酸化ナトリウム等が挙げられる。
活性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。比表面積も限定的でなく、800m2/g以上、3000m2/g以下程度が好ましい。この範囲とすることにより、キャパシタの静電容量を大きくすることができ、また、内部抵抗を小さくすることできる。
(Activated carbon)
The activated carbon can use what is generally marketed for capacitors. Examples of the raw material for the activated carbon include wood, coconut shell, pulp waste liquid, coal, heavy petroleum oil, coal / petroleum pitch obtained by pyrolyzing them, and resins such as phenol resins. The activation is generally performed after carbonization, and examples of the activation method include a gas activation method and a chemical activation method. The gas activation method is a method in which activated carbon is obtained by contact reaction with water vapor, carbon dioxide gas, oxygen or the like at a high temperature. The chemical activation method is a method in which activated carbon is obtained by impregnating the above-mentioned raw material with a known activation chemical and heating it in an inert gas atmosphere to cause dehydration and oxidation reaction of the activation chemical. Examples of the activation chemical include zinc chloride and sodium hydroxide.
The particle size of the activated carbon is not limited, but is preferably 20 μm or less. The specific surface area is not limited and is preferably about 800 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less. By setting this range, the capacitance of the capacitor can be increased, and the internal resistance can be reduced.
(導電助剤)
導電助剤の種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、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。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維等が好ましい。これにより、キャパシタの導電性を向上させることができる。導電助剤の含量は限定的でないが、活性炭100質量部に対して0.1質量部以上、10質量部以下程度が好ましい。10質量部を超えると静電容量が低下するおそれがある。
(Conductive aid)
There is no restriction | limiting in particular in the kind of conductive support agent, A well-known or commercially available thing can be used. Examples thereof include acetylene black, ketjen black, carbon fiber, natural graphite (scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like. Among these, acetylene black, ketjen black, carbon fiber and the like are preferable. Thereby, the electrical conductivity of the capacitor can be improved. Although the content of the conductive auxiliary agent is not limited, it is preferably about 0.1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the activated carbon. If it exceeds 10 parts by mass, the capacitance may decrease.
(バインダ)
バインダの種類には特に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。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、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、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等が挙げられる。
バインダの含有量についても特に制限はないが、活性炭100質量部に対して好ましくは0.5質量部以上、5質量部以下程度である。この範囲とすることにより、電気抵抗の増加及び静電容量の低下を抑制しながら、結着強度を向上させることができる。
(Binder)
There is no restriction | limiting in particular in the kind of binder, A well-known or commercially available thing can be used. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, polyolefin, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose and the like.
Although there is no restriction | limiting in particular also about content of a binder, Preferably it is about 0.5 mass part or more and about 5 mass parts or less with respect to 100 mass parts of activated carbon. By setting this range, the binding strength can be improved while suppressing an increase in electrical resistance and a decrease in capacitance.
[正極用集電体]
前記正極用集電体は、少なくともニッケルとスズを含む合金からなる正極用金属多孔体であることを特徴とする。
(正極用金属多孔体)
正極用金属多孔体は、少なくともニッケルとスズとを含む合金からなることを特徴とする。該正極用金属多孔体が少なくともニッケルとスズとを含む合金からなることにより、正極用集電体は耐電解性、耐食性に優れるようになる。更に、ニッケルとスズを含む合金は電気抵抗が小さいため、集電性能に優れた集電体となる。
[Current collector for positive electrode]
The positive electrode current collector is a positive electrode metal porous body made of an alloy containing at least nickel and tin.
(Porous metal porous body)
The positive electrode metal porous body is made of an alloy containing at least nickel and tin. The positive electrode metal porous body is made of an alloy containing at least nickel and tin, whereby the positive electrode current collector is excellent in electrolytic resistance and corrosion resistance. Furthermore, an alloy containing nickel and tin has a low electrical resistance, and thus becomes a current collector with excellent current collecting performance.
また、一般に、金属多孔体の表面には、金属多孔体の骨格の断面等による微小な硬い突起が存在するため、集電体や電極として使用した場合に、該微小突起がセパレーターと密に接触した際にセパレーターを突き破って短絡するという問題が生じる場合がある。しかしながら上記正極用集電体は、ニッケルとスズとを含む合金からなるため、従来の金属多孔体に比べて圧縮強度が比較的小さい。このため、正極用集電体、正極用電極を作製する際の圧縮工程を経ることにより、集電体や電極の表面上の微小突起が押しつぶされ、短絡を抑制することができるという効果がある。 In general, since the surface of the porous metal body has minute hard protrusions due to the cross section of the skeleton of the porous metal body, when used as a current collector or electrode, the minute protrusions are in close contact with the separator. When this occurs, there may be a problem that a short circuit occurs through the separator. However, since the positive electrode current collector is made of an alloy containing nickel and tin, the compressive strength is relatively small compared to a conventional porous metal body. For this reason, through the compression process at the time of producing the positive electrode current collector and the positive electrode, the microprotrusions on the surface of the current collector and the electrode are crushed, and the short circuit can be suppressed. .
更に、上記の少なくともニッケルとスズとを含む合金からなる正極用金属多孔体は、後述するようにめっき法によって作製することができる。このため、製造コストを抑えることができ、安価に提供することができる。 Furthermore, the positive electrode metal porous body made of an alloy containing at least nickel and tin can be produced by a plating method as described later. For this reason, manufacturing cost can be suppressed and it can provide at low cost.
上記正極用金属多孔体におけるスズの含有率は、1質量%以上であることにより、耐電解性、耐食性の効果が充分に発揮されるが、金属多孔体中にニッケルとスズとの金属間化合物が生成しない範囲であることが好ましい。具体的には、上記正極用金属多孔体におけるスズの含有率は、1質量以上%、40質量%以下であるか、43質量%以上、56質量%以下であるか、61質量%以上、72%質量以下であるか、73質量%以上、99質量%以下であることが好ましい。該スズの含有率は15質量%以上、25質量%以下であることが更に好ましい。これにより、ニッケルとスズを含む合金からなる正極用金属多孔体の、耐電解性、耐食性、耐熱性、及び強度を向上させることができる。 When the content of tin in the positive electrode metal porous body is 1% by mass or more, the effects of electrolysis resistance and corrosion resistance are sufficiently exhibited, but an intermetallic compound of nickel and tin in the metal porous body It is preferable that it is the range which does not produce | generate. Specifically, the tin content in the positive electrode metal porous body is 1% by mass or more and 40% by mass or less, 43% by mass or more and 56% by mass or less, 61% by mass or more, and 72%. % Mass or less, or 73 mass% or more and 99 mass% or less. The tin content is more preferably 15% by mass or more and 25% by mass or less. Thereby, the electrolysis resistance, corrosion resistance, heat resistance, and strength of the positive electrode metal porous body made of an alloy containing nickel and tin can be improved.
また、上記の正極用金属多孔体は、成分として10質量%以下のリンを更に含むことが好ましい。これにより、正極用金属多孔体の耐電解性、耐食性がより向上する。しかしながらリンを多量に含み過ぎると耐熱性が低下するため、前記正極用金属多孔体におけるリンの含有率は10質量%以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that said metal porous body for positive electrodes further contains 10 mass% or less phosphorus as a component. Thereby, the electrolytic resistance and corrosion resistance of the metal porous body for positive electrode are further improved. However, since heat resistance will fall when phosphorus is included too much, it is preferable that the content rate of the phosphorus in the said metal porous body for positive electrodes is 10 mass% or less.
また、上記正極用金属多孔体は、液中で電解酸化処理することにより耐食性を向上させたものであることが好ましい。これにより更に耐電解性、耐食性が向上した正極用金属多孔を得ることができる。
該電解酸化処理は、例えば、リニアスイープボルタンメトリー法により行うことができる。すなわち、サンプルに対して一度広い範囲で電位をかけて電流値が高い電位を調べ、その後、電流の高かった電位を電流が充分小さくなるまで印加していくことにより処理することができる。
Moreover, it is preferable that the said metal porous body for positive electrodes is what improved corrosion resistance by carrying out the electrolytic oxidation process in a liquid. Thereby, the metal porous for positive electrodes which further improved the electrolysis resistance and the corrosion resistance can be obtained.
The electrolytic oxidation treatment can be performed by, for example, a linear sweep voltammetry method. That is, the sample can be processed by applying a potential once over a wide range to examine a potential having a high current value and then applying a potential having a high current until the current becomes sufficiently small.
上記の正極用金属多孔体は、例えば、発泡状ニッケル又は不織布状ニッケルに、少なくともスズを含む金属を被覆する工程と、その後に熱処理を行ってスズを前記発泡状ニッケル中にまで拡散させる工程と、を有する製造方法により作製することができる。このように、基材として発泡状ニッケル又は不織布状ニッケルを使用することにより、多孔度が大きい正極用金属多孔体が得られ、前記活物質の充填性、保持性が優れたものとなる。かかる発泡状ニッケル、不織布状ニッケルは、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。
また、スズをめっきする前の基材としては、他にも、金属板に多数の小孔をあけたものや、金属板に凹凸を受けて擬似的に3次元構造としたもの、焼結体や連通気孔の構造体などが用いられる。
The positive electrode metal porous body includes, for example, a step of covering foamed nickel or non-woven nickel with a metal containing at least tin, and a step of subsequently performing a heat treatment to diffuse tin into the foamed nickel. It can produce by the manufacturing method which has these. Thus, by using foamed nickel or non-woven fabric nickel as the base material, a porous metal body for a positive electrode having a large porosity is obtained, and the filling properties and retention of the active material are excellent. As such foamed nickel and non-woven nickel, those based on foamed urethane or non-woven fabric can be preferably used.
In addition, as a base material before plating with tin, a metal plate with a large number of small holes, a metal plate with unevenness and a pseudo three-dimensional structure, a sintered body Or a structure of continuous air holes is used.
また、他にも、三次元網目状構造を有する樹脂多孔体(発泡状樹脂、不織布状樹脂等)の表面を導電化処理した後に、ニッケル被覆層を形成し、続けてスズめっきを行い、最後に熱処理を行って樹脂多孔体の除去とスズの拡散を行うことによっても上記の正極用金属多孔体を得ることができる。
更に、三次元網目状構造を有する樹脂多孔体を導電化処理した後にスズをめっきし、続いてニッケルをめっきし、そして再度スズをめっきするという方法も可能である。その後に、樹脂の除去工程、スズの拡散工程、還元工程を経ることにより上記の正極用金属多孔体を得ることができる。
更に別の方法では、上記の正極用金属多孔体は、三次元網目状構造を有する樹脂多孔体を導電化処理し、該樹脂多孔体にニッケル−スズ合金をめっきすることによっても作製することができる。
In addition, after conducting a conductive treatment on the surface of a porous resin body (foamed resin, non-woven resin, etc.) having a three-dimensional network structure, a nickel coating layer is formed, followed by tin plating. The positive electrode metal porous body can also be obtained by performing a heat treatment to remove the resin porous body and diffuse tin.
Furthermore, a method of conducting a conductive treatment on a porous resin body having a three-dimensional network structure, plating with tin, subsequently plating with nickel, and then plating with tin again is possible. Thereafter, the positive electrode metal porous body can be obtained through a resin removal step, a tin diffusion step, and a reduction step.
In still another method, the positive electrode metal porous body can be produced by conducting a conductive resin porous body having a three-dimensional network structure and plating the resin porous body with a nickel-tin alloy. it can.
<発泡状ニッケル>
発泡状ニッケルは、発泡状樹脂の表面にニッケル被覆層を形成したのち、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することにより得られる。
<Foamed nickel>
Foamed nickel is obtained by forming a nickel coating layer on the surface of the foamed resin, removing the resin as the base material, and then heat-treating in a reducing atmosphere as necessary to reduce nickel. .
発泡状樹脂は、多孔性のものであればよく公知又は市販のものを使用でき、例えば、発泡ウレタン、発泡スチレン等が挙げられる。これらの中でも、特に多孔度が大きい観点から、発泡ウレタンが好ましい。
発泡状樹脂の多孔度は、通常80%以上、97%以下程度であり、好ましくは90%以上、96%以下程度である。
また、発泡状樹脂の平均孔径は、通常20μm以上、900μm以下程度であり、好ましくは30μm以上、700μm以下程度、より好ましくは100μm以上、500μm以下程度である。なお、本発明における平均孔径は、バブルポイント法で測定することにより求められる。
発泡状樹脂の厚みは、キャパシタの用途等に応じて適宜決定されるが、通常200μm以上、5000μm以下程度であり、好ましくは300μm以上、3000μm以下程度、より好ましくは400μm以上、2000μm以下程度とすればよい。
As the foamed resin, any known or commercially available one can be used as long as it is porous, and examples thereof include foamed urethane and foamed styrene. Among these, urethane foam is preferable from the viewpoint of particularly high porosity.
The porosity of the foamed resin is usually about 80% to 97%, preferably about 90% to 96%.
The average pore diameter of the foamed resin is usually about 20 μm to 900 μm, preferably about 30 μm to 700 μm, more preferably about 100 μm to 500 μm. In addition, the average hole diameter in this invention is calculated | required by measuring by the bubble point method.
The thickness of the foamed resin is appropriately determined depending on the application of the capacitor, but is usually about 200 μm or more and 5000 μm or less, preferably about 300 μm or more and 3000 μm or less, more preferably about 400 μm or more and 2000 μm or less. That's fine.
発泡状樹脂の表面にニッケル被覆層を形成するには、公知のニッケル被覆方法を採用することができる。例えば、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法等が挙げられる。これらの被覆方法は単独で用いてもよく、複数の被覆方法を組み合わせて用いても良い。生産性、コストの観点からは、まず、無電解めっき法又はスパッタリング法によって発泡状樹脂表面を導電処理し、次いで、これに電解めっき法によって所望の目付量までニッケルめっきする方法を採用することが好ましい。 In order to form the nickel coating layer on the surface of the foamed resin, a known nickel coating method can be employed. For example, an electrolytic plating method, an electroless plating method, a sputtering method, and the like can be given. These coating methods may be used alone, or a plurality of coating methods may be used in combination. From the viewpoint of productivity and cost, it is possible to first apply a conductive treatment to the foamed resin surface by an electroless plating method or a sputtering method, and then apply a nickel plating method to the desired basis weight by an electrolytic plating method. preferable.
導電処理は、発泡状樹脂の表面に導電性を有する層を設けることができる限り限定的でない。導電性を有する層(導電被覆層)を構成する材料としては、例えば、ニッケル、チタン、ステンレススチール等の金属の他、黒鉛等が挙げられる。これらの中でも特にニッケルが好ましい。導電処理の具体例としては、例えば、ニッケルを用いる場合は、無電解めっき処理、スパッタリング処理等が好ましく挙げられる。また、チタン、ステンレススチール等の金属、黒鉛などの材料を用いる場合は、これら材料の微粉末にバインダを加えて得られる混合物を、発泡状樹脂に塗着する処理が好ましく挙げられる。 The conductive treatment is not limited as long as a conductive layer can be provided on the surface of the foamed resin. Examples of the material constituting the conductive layer (conductive coating layer) include graphite, in addition to metals such as nickel, titanium, and stainless steel. Among these, nickel is particularly preferable. As specific examples of the conductive treatment, for example, when nickel is used, electroless plating treatment, sputtering treatment, and the like are preferably exemplified. Moreover, when using materials, such as metals, such as titanium and stainless steel, and graphite, the process which coats the foamed resin with the mixture obtained by adding a binder to the fine powder of these materials is mentioned preferably.
ニッケルを用いた無電解めっき処理としては、例えば、還元剤として次亜リン酸ナトリウムを含有した硫酸ニッケル水溶液等の公知の無電解ニッケルめっき浴に発泡状樹脂を浸漬すればよい。必要に応じて、めっき浴浸漬前に、発泡状樹脂を微量のパラジウムイオンを含む活性化液(カニゼン社製の洗浄液)等に浸漬してもよい。ニッケルを用いたスパッタリング処理としては、例えば、基板ホルダーに発泡状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)との問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に衝突させて、吹き飛ばしたニッケル粒子を発泡状樹脂表面に堆積すればよい。 As the electroless plating treatment using nickel, for example, the foamed resin may be immersed in a known electroless nickel plating bath such as a nickel sulfate aqueous solution containing sodium hypophosphite as a reducing agent. If necessary, the foamed resin may be immersed in an activation liquid containing a trace amount of palladium ions (cleaning liquid manufactured by Kanigen Co., Ltd.) or the like before immersion in the plating bath. As a sputtering process using nickel, for example, after attaching a foamed resin to a substrate holder, ionization is performed by applying a DC voltage between the holder and the target (nickel) while introducing an inert gas. The nickel particles blown off may be deposited on the foamed resin surface by colliding the inert gas with nickel.
無電解めっき処理及び/又はスパッタリング処理によってニッケルめっき膜の厚みを増していけば電解めっき処理の必要性はないが、生産性、コストの観点から、上記したような、まず発泡樹脂を導電化処理し、次いで電解めっき法によりニッケルめっき層を形成する方法を採用することが好ましい。 If the thickness of the nickel plating film is increased by electroless plating and / or sputtering, there is no need for electrolytic plating, but from the viewpoint of productivity and cost, the foamed resin is first made conductive. Then, it is preferable to employ a method of forming a nickel plating layer by electrolytic plating.
電解ニッケルめっき処理は、常法に従って行えばよい。前記の無電解メッキやスパッタリングにより表面に導電層を形成された発泡樹脂をメッキ浴に浸し、発泡樹脂を陰極に、ニッケル対極板を陽極に接続して直流或いはパルス断続電流を通電させることにより、導電層上に、さらにニッケルの被覆を形成することができる。電解ニッケルめっき処理に用いるめっき浴としては、公知又は市販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。 What is necessary is just to perform an electrolytic nickel plating process in accordance with a conventional method. By immersing the foamed resin having a conductive layer formed on the surface by electroless plating or sputtering in a plating bath, connecting the foamed resin to the cathode, and connecting the nickel counter electrode to the anode, and applying a direct current or pulsed intermittent current, A nickel coating can be further formed on the conductive layer. As the plating bath used for the electrolytic nickel plating treatment, a known or commercially available bath can be used, and examples thereof include a watt bath, a chloride bath, a sulfamic acid bath, and the like.
導電被覆層及び電解めっき層の目付量(付着量)は特に制限されない。導電被覆層は発泡状樹脂表面に連続的に形成されていればよく、電解ニッケルめっき層は導電被覆層が露出しない程度に当該導電被覆層上に形成されていればよい。
導電被覆層の目付量は限定的でなく、通常5g/m2以上、15g/m2以下程度であり、好ましくは7g/m2以上、10g/m2以下程度とすればよい。
電解ニッケルめっき層の目付量は限定的でなく、好ましくは200g/m2以上、1000g/m2以下程度であり、より好ましくは250g/m2以上、700g/m2以下程度とすればよい。
これら導電被覆層、電解ニッケルめっき層の目付量の合計量としては、好ましくは200g/m2以上、1000g/m2以下であり、より好ましくは250g/m2以上、700g/m2以下である。合計量がこの範囲を下回ると、集電体の強度が衰えるおそれがある。また、合計量がこの範囲を上回ると、分極性材料の充填量が減少し、またコスト的にも不利となる。
The basis weight (attachment amount) of the conductive coating layer and the electrolytic plating layer is not particularly limited. The conductive coating layer only needs to be formed continuously on the foamed resin surface, and the electrolytic nickel plating layer only needs to be formed on the conductive coating layer to the extent that the conductive coating layer is not exposed.
The basis weight of the conductive coating layer is not limited and is usually about 5 g / m 2 or more and 15 g / m 2 or less, preferably about 7 g / m 2 or more and 10 g / m 2 or less.
The basis weight of the electrolytic nickel plating layer is not limited and is preferably about 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less, more preferably about 250 g / m 2 or more and 700 g / m 2 or less.
The total weight of the conductive coating layer and the electrolytic nickel plating layer is preferably 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less, more preferably 250 g / m 2 or more and 700 g / m 2 or less. . When the total amount is below this range, the strength of the current collector may be reduced. On the other hand, if the total amount exceeds this range, the filling amount of the polarizable material is reduced, which is disadvantageous in terms of cost.
次いで、上記により得られた導電被覆層/ニッケルめっき層形成発泡状樹脂中の発泡状樹脂成分を除去する。除去方法は限定的でないが、焼却により除去することが好ましい。具体的には、例えば600℃程度以上の大気等の酸化性雰囲気下で加熱すればよい。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。これにより、導電被覆層、電解ニッケルめっき層からなる金属多孔体が得られる。得られた多孔体を還元性雰囲気下で加熱処理してニッケルを還元することにより発泡状ニッケルが得られる。 Next, the foamed resin component in the conductive coating layer / nickel plating layer-formed foamed resin obtained as described above is removed. Although the removal method is not limited, it is preferably removed by incineration. Specifically, the heating may be performed in an oxidizing atmosphere such as air of about 600 ° C. or higher. Moreover, you may heat at about 750 degreeC or more in reducing atmosphere, such as hydrogen. Thereby, the metal porous body which consists of a conductive coating layer and an electrolytic nickel plating layer is obtained. Foamed nickel is obtained by heat-treating the obtained porous body in a reducing atmosphere to reduce nickel.
<不織布状ニッケル>
不織布状ニッケルは、樹脂不織布の表面にニッケル被覆層を形成したのち、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することにより得られる。
本発明で用いる多孔質不織布は、公知又は市販のものを使用することができるが、熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のオレフィン単独重合体からなる繊維、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体等のオレフィン共重合体からなる織碓、これら繊維の混合物が挙げられる。ポリオレフィン系樹脂繊維を構成するポリオレフィン系樹脂の分子量及び密度は特に限定されず、ポリオレフィン系樹脂の種類等に応じて適宜決定すればよい。また、融点の異なる2種の成分からなる芯鞘型繊維を用いても良い。
<Nonwoven fabric nickel>
The non-woven nickel is obtained by forming a nickel coating layer on the surface of the non-woven resin, removing the resin as the base material, and then reducing the nickel by heat treatment in a reducing atmosphere as necessary.
The porous nonwoven fabric used in the present invention may be a known or commercially available one, but is preferably a thermoplastic resin. For example, fibers made of olefin homopolymers such as polyethylene, polypropylene, polybutene, woven fabric made of olefin copolymers such as ethylene-propylene copolymer, ethylene-butene copolymer, propylene-butene copolymer, and these fibers Of the mixture. The molecular weight and density of the polyolefin resin constituting the polyolefin resin fiber are not particularly limited, and may be appropriately determined according to the type of the polyolefin resin. Moreover, you may use the core-sheath-type fiber which consists of two types of components from which melting | fusing point differs.
芯鞘型複合繊維の具体例としては、ポリプロピレンを芯成分に、ポリエチレンを鞘成分とした芯鞘型繊維を挙げることができる。この場合、ポリプロピレン樹脂:ポリエチレン樹脂の配合割合(質量比)は、通常20:80〜80:20程度であり、好ましくは40:60〜70:30程度である。 Specific examples of the core-sheath type composite fiber include a core-sheath type fiber having polypropylene as a core component and polyethylene as a sheath component. In this case, the blending ratio (mass ratio) of polypropylene resin: polyethylene resin is usually about 20:80 to 80:20, preferably about 40:60 to 70:30.
樹脂繊維の平均繊維径は、通常9μm以上、70μm以下程度、好ましくは10μm以上、50μm以下程度とすればよい。平均繊維長も限定的でなく、通常5mm以上、100mm以下程度、好ましくは30mm以上、70mm以下程度とすればよい。
不織布の多孔度は、通常80%以上、97%以下程度であり、好ましくは90%以上、96%以下程度である。この範囲にすることにより、分極性電極としての強度を保ちつつ不織布状集電体中に活性炭を多く充填することができ、キャパシタの高出力化及び高容量化が可能となる。
また、不織布の孔径は、通常20μm以上、900μm以下程度、好ましくは30μm以上、700μm以下程度、より好ましくは100μm以上、500μm以下程度である。なお、孔径はバブルポイント法により測定されるものである。
不織布の平均厚みは、製造するキャパシタの用途、目的等に応じて適宜決定すればよいが、通常200μm以上、5000μm以下程度、好ましくは300μm以上、3000μm以下程度、より好ましくは400μm以上、2000μm以下程度とすればよい。
The average fiber diameter of the resin fibers is usually about 9 μm to 70 μm, preferably about 10 μm to 50 μm. The average fiber length is not limited and is usually about 5 mm to 100 mm, preferably about 30 mm to 70 mm.
The porosity of the nonwoven fabric is usually about 80% to 97%, preferably about 90% to 96%. By setting this range, it is possible to fill the nonwoven fabric current collector with a large amount of activated carbon while maintaining the strength as a polarizable electrode, and it is possible to increase the output and capacity of the capacitor.
The pore diameter of the nonwoven fabric is usually about 20 μm or more and 900 μm or less, preferably about 30 μm or more and about 700 μm or less, more preferably about 100 μm or more and about 500 μm or less. The pore diameter is measured by the bubble point method.
The average thickness of the nonwoven fabric may be appropriately determined according to the use and purpose of the capacitor to be produced, but is usually about 200 μm or more and 5000 μm or less, preferably about 300 μm or more and 3000 μm or less, more preferably about 400 μm or more and 2000 μm or less. And it is sufficient.
不織布は、めっき処理に先立って、ニードルパンチ法、水流交絡法等の交絡処理、樹脂繊維の軟化温度付近での熱処理などの前処理を行ってもよい。この前処理によって、繊維同士の結合が強固になり、不織布の強度を向上させることができる。その結果、活性炭を当該不織布に充填する際に必要な三次元構造を十分に保持することができる Prior to the plating treatment, the nonwoven fabric may be subjected to a pretreatment such as a confounding treatment such as a needle punch method or a hydroentanglement method, or a heat treatment near the softening temperature of the resin fiber. By this pretreatment, the bonds between the fibers are strengthened, and the strength of the nonwoven fabric can be improved. As a result, the three-dimensional structure necessary for filling the nonwoven fabric with activated carbon can be sufficiently retained.
不織布は、通常、公知の乾式法及び湿式法のいずれかで製造されるが、本発明ではいずれの方法で製造されたものでもかまわない。乾式法としては、例えば、カート法、エアレイ法、メルトブロー法、スパンボンド法等が挙げられる。湿式法としては、例えば、単繊維を水中に分散し網状ネット上に漉す方法等が挙げられる。本発明では、目付量及び厚みのばらつきが小さく、厚みが均一な集電体を製造できる観点から、湿式法により得られた不織布を使用することが好ましい。 The nonwoven fabric is usually produced by any one of the known dry method and wet method, but may be produced by any method in the present invention. Examples of the dry method include a cart method, an air lay method, a melt blow method, and a spun bond method. Examples of the wet method include a method of dispersing single fibers in water and placing them on a net-like net. In the present invention, it is preferable to use a nonwoven fabric obtained by a wet method from the viewpoint of producing a current collector with a small basis weight and a small variation in thickness and a uniform thickness.
樹脂不織布の表面にニッケル被覆層を形成するためには、前記発泡状樹脂の場合と同様に、公知のニッケル被覆方法を採用することができる。
すなわち、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法等が挙げられ、これら単独でもよく、複数の被覆方法を組み合わせても良い。発泡状樹脂の場合と同様に樹脂不織布表面を導電処理し、次いで、これに電解めっき法によって所望の目付量までニッケルめっきする方法を採用することが好ましい。
In order to form the nickel coating layer on the surface of the resin nonwoven fabric, a known nickel coating method can be employed as in the case of the foamed resin.
That is, an electroplating method, an electroless plating method, a sputtering method, and the like can be mentioned. These may be used alone or a plurality of coating methods may be combined. It is preferable to employ a method in which the surface of the resin nonwoven fabric is subjected to conductive treatment in the same manner as in the case of the foamed resin, and then nickel plating is applied to the desired basis weight by electrolytic plating.
導電処理は、前記発泡状樹脂の場合と同様の方法を採用することができる。なお、導電処理としてスパッタリング処理を行う場合には、樹脂不織布が溶解しない温度下で行うことが好ましい。具体的には、100℃以上、200℃以下程度、好ましくは120℃以上、180℃以下程度で行えばよい。
導電性被覆層の目付量は不織布に導電性を付与できる程度あればよい。例えば、5g/m2以上、15g/m2以下程度、好ましくは7g/m2以上、10g/m2以下程度とすればよい。
For the conductive treatment, the same method as in the case of the foamed resin can be adopted. In addition, when performing a sputtering process as an electroconductive process, it is preferable to carry out at the temperature which a resin nonwoven fabric does not melt | dissolve. Specifically, it may be performed at a temperature of about 100 ° C. to 200 ° C., preferably about 120 ° C. to 180 ° C.
The basis weight of the conductive coating layer is sufficient if it can impart conductivity to the nonwoven fabric. For example, it may be about 5 g / m 2 or more and about 15 g / m 2 or less, preferably about 7 g / m 2 or more and about 10 g / m 2 or less.
電解ニッケルめっき処理も、上記発泡状樹脂の場合と同様に、常法に従って行えばよい。電解ニッケルめっき層の目付量は、導電性、多孔度、強度、耐食性、経済性等の観点から、不織布に対して200g/m2以上、1000g/m2以下程度、好ましくは250g/m2以上、700g/m2以下程度とすればよい。
これら導電被覆層、電解ニッケルめっき層の目付量の合計量としては、好ましくは200g/m2以上、1000g/m2以下であり、より好ましくは250g/m2以上、700g/m2以下である。合計量がこの範囲を下回ると、集電体の強度が衰えるおそれがある。また、合計量がこの範囲を上回ると、分極性材料の充填量が減少したり、コスト的に不利となったりする。
Similarly to the foamed resin, the electrolytic nickel plating treatment may be performed according to a conventional method. The weight per unit area of the electrolytic nickel plating layer is about 200 g / m 2 or more and about 1000 g / m 2 or less, preferably 250 g / m 2 or more with respect to the nonwoven fabric, from the viewpoint of conductivity, porosity, strength, corrosion resistance, economy, and the like. 700 g / m 2 or less.
The total weight of the conductive coating layer and the electrolytic nickel plating layer is preferably 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less, more preferably 250 g / m 2 or more and 700 g / m 2 or less. . When the total amount is below this range, the strength of the current collector may be reduced. On the other hand, if the total amount exceeds this range, the filling amount of the polarizable material is reduced or the cost is disadvantageous.
樹脂不織布の除却処理も、発泡状樹脂の場合と同様に行える。すなわち、加熱により焼却すればよい。得られた不織布状多孔体を還元性雰囲気下で加熱処理してニッケルを還元することにより発泡状ニッケルが得られる。 The removal treatment of the resin nonwoven fabric can be performed in the same manner as the foamed resin. That is, it may be incinerated by heating. Foamed nickel is obtained by heat-treating the obtained non-woven porous body under a reducing atmosphere to reduce nickel.
(スズめっき工程)
上記の発泡状ニッケル又は不織布状ニッケルに、少なくともスズを含む合金を被覆する工程は、例えば、次のようにして行うことができる。
すなわち、硫酸浴としてを、硫酸第一スズ 55g/L、硫酸 100g/L、クレゾールスルホン酸 100g/L、ゼラチン 2g/L、βナフトール 1g/Lの組成のめっき浴を用意し、陰極電流密度を2A/dm2、陽極電流密度を1A/dm2以下とし、温度を20℃、攪拌(陰極揺動)を2m/分とすることでスズめっきを行うことができる。
(Tin plating process)
The step of coating the foamed nickel or non-woven nickel with an alloy containing at least tin can be performed, for example, as follows.
That is, as a sulfuric acid bath, a plating bath having a composition of stannous sulfate 55 g / L, sulfuric acid 100 g / L, cresol sulfonic acid 100 g / L, gelatin 2 g / L, β naphthol 1 g / L is prepared, and the cathode current density is set. Tin plating can be performed at 2 A / dm 2 , an anode current density of 1 A / dm 2 or less, a temperature of 20 ° C., and stirring (cathode oscillation) of 2 m / min.
スズめっきの目付量は、正極用金属多孔体の最終的な金属組成において、ニッケルの含有率が60質量%以上、99質量%以下、スズの含有率が1質量%以上、40質量%以下となるように調整することが好ましい。また、スズの含有率が、43質量%以上、56質量%以下となるか、61質量%以上、72%質量以下となるか、73質量%以上、99質量%以下となるように調整することも好ましい。更に、スズの含有率が15質量%以上、25質量%以下となるように調整することが最も好ましい。これにより、ニッケルとスズを含む合金からなる金属多孔体の、耐電解性、耐食性、耐熱性、及び強度を向上させることができる。 In the final metal composition of the positive electrode metal porous body, the amount of tin plating is such that the nickel content is 60% by mass or more and 99% by mass or less, and the tin content is 1% by mass or more and 40% by mass or less. It is preferable to adjust so that it becomes. Moreover, it adjusts so that the content rate of tin may be 43 mass% or more and 56 mass% or less, or 61 mass% or more and 72% mass or less, or 73 mass% or more and 99 mass% or less. Is also preferable. Furthermore, it is most preferable to adjust so that the content rate of tin may be 15 mass% or more and 25 mass% or less. Thereby, the electrolysis resistance, corrosion resistance, heat resistance, and strength of the porous metal body made of an alloy containing nickel and tin can be improved.
また、スズめっきの密着性を向上させるため、直前にストライクニッケルめっきを行って、発泡状ニッケル、不織布状ニッケルを洗浄し、乾燥させずに濡れたままスズめっき液に投入することが望ましい。これによりめっき層の密着性を高めることができる。
ストライクニッケルめっきの条件は、例えば、次のようにすることができる。すなわち、ウッドストライクニッケル浴として、塩化ニッケル 240g/L、塩酸(比重1.18程度のもの)125ml/Lの組成のものを用意し、温度を室温にして、陽極にニッケルまたはカーボンを用いることで行うことができる。
Moreover, in order to improve the adhesion of tin plating, it is desirable to perform strike nickel plating immediately before, wash the foamed nickel and the non-woven nickel, and put them into the tin plating solution without being dried. Thereby, the adhesiveness of a plating layer can be improved.
The conditions for strike nickel plating can be as follows, for example. That is, a wood strike nickel bath having a composition of nickel chloride 240 g / L, hydrochloric acid (having a specific gravity of about 1.18) 125 ml / L is prepared, the temperature is set to room temperature, and nickel or carbon is used for the anode. It can be carried out.
以上のめっき手順をまとめると、エースクリーンによる脱脂(陰極電解脱脂5ASD×1分)、湯洗、水洗、酸活性(塩酸浸漬1分)、ウッドストライクニッケルめっき処理(5〜10ASD×1分)、洗浄して乾燥させずにスズめっきへ処理、水洗・乾燥、となる。 Summarizing the above plating procedures, degreasing by an A-screen (cathodic electrolytic degreasing 5 ASD × 1 minute), hot water washing, water washing, acid activity (hydrochloric acid immersion 1 minute), wood strike nickel plating treatment (5-10 ASD × 1 minute), It is processed to tin plating without washing and drying, washing with water and drying.
(めっき時のめっき液の循環)
発泡状樹脂や樹脂不織布、発泡状ニッケルや不織布状ニッケルのような多孔体基材へのめっきは、一般的に内部へ均一にめっきすることが難しい。内部の未着を防いだり、内部と外部のめっき付着量の差を低減したりするために、めっき液を循環させることが好ましい。循環の方法としては、ポンプを使用したり、めっき槽内部にファンを設置したりするなどの方法がある。また、これらの方法を用いて基材にめっき液を吹き付けたり、吸引口に基材を隣接させたりすると、基材内部にめっき液の流れができやすくなって効果的である。
(Plating solution circulation during plating)
In general, it is difficult to uniformly plate a porous base material such as foamed resin, resin nonwoven fabric, foamed nickel or nonwoven fabric nickel. It is preferable to circulate the plating solution in order to prevent non-attachment of the inside or to reduce the difference in the amount of plating adhesion between the inside and the outside. As a circulation method, there are methods such as using a pump and installing a fan inside the plating tank. Moreover, if a plating solution is sprayed on a base material using these methods, or a base material is made to adjoin a suction port, the plating solution can easily flow inside the base material, which is effective.
(熱処理)
スズめっき後、そのままでは正極用金属多孔体の表面に耐食性の低いニッケルが露出していることがあるため、熱処理を行ってスズ成分を拡散させることが必要である。スズの拡散は不活性雰囲気(減圧や、窒素・アルゴンなど)あるいは還元雰囲気(水素)で行うことができる。
この熱処理工程ではスズ成分をニッケルめっき層中に充分に拡散させて、正極用金属多孔体骨格の表側と内側のスズの濃度比が、表側濃度/内側濃度が2/1以上、1/2以下の範囲になるようにすることが好ましい。より好ましくは3/2以上、2/3以下であり、更に好ましくは4/3以上、3/4以下であり、最も好ましくは均一に拡散させることである。
(Heat treatment)
After tin plating, nickel having low corrosion resistance may be exposed on the surface of the positive electrode metal porous body as it is, so it is necessary to perform a heat treatment to diffuse the tin component. Tin can be diffused in an inert atmosphere (reduced pressure, nitrogen, argon, etc.) or in a reducing atmosphere (hydrogen).
In this heat treatment step, the tin component is sufficiently diffused into the nickel plating layer, and the concentration ratio of the front side and the inner side tin of the metal porous body skeleton for the positive electrode is such that the front side concentration / inside concentration is 2/1 or more and 1/2 or less. It is preferable to be in the range. More preferably, it is 3/2 or more and 2/3 or less, still more preferably 4/3 or more and 3/4 or less, and most preferably, it is uniformly diffused.
熱処理温度は、低すぎると拡散に時間がかかり、高すぎると軟化して自重で多孔体構造を損なう可能性があるため、300℃以上、1100℃以下の範囲で行うことが好ましい。但し、スズ濃度が40質量%以上のときは850℃を上限とする必要がある。より好ましくは400℃以上、800℃以下であり、更に好ましくは500℃以上、700℃以下である。 If the heat treatment temperature is too low, it takes time for diffusion, and if it is too high, the heat treatment temperature may soften and damage the porous structure by its own weight. However, when the tin concentration is 40% by mass or more, it is necessary to set the upper limit to 850 ° C. More preferably, it is 400 degreeC or more and 800 degrees C or less, More preferably, it is 500 degreeC or more and 700 degrees C or less.
(ニッケル−スズ合金めっき)
上記では樹脂多孔体基材にニッケルめっきを施し、その後にスズめっきをして熱処理により合金化する手法について説明したが、上記の樹脂多孔体基材に導電化処理を施した後に、ニッケル−スズ合金めっきを施すことも可能である。この場合のニッケル−スズ合金めっき液の組成は、正極用金属多孔体の最終的な金属組成において、ニッケルの含有率が60質量%以上、99質量%以下、スズの含有率が1質量%以上、40質量%以下となるように調整することが好ましい。また、スズの含有率が、43質量%以上、56質量%以下となるか、61質量%以上、72%質量以下となるか、73質量%以上、99質量%以下となるように調整することも好ましい。更に、スズの含有率が15質量%以上、25質量%以下となるように調整することが最も好ましい。これにより、ニッケルとスズを含む合金からなる金属多孔体の、耐電解性、耐食性、耐熱性、及び強度を向上させることができる。
そして、ニッケル−スズ合金めっきを形成した後に、樹脂多孔体基材を除去し、次いで還元性雰囲気下で加熱処理して金属を還元することにより、正極用金属多孔体が得られる。
(Nickel-tin alloy plating)
In the above description, the method of performing nickel plating on the resin porous substrate and then tin-plating and alloying by heat treatment has been described. After conducting the conductive treatment on the resin porous substrate, nickel-tin Alloy plating can also be applied. In this case, the composition of the nickel-tin alloy plating solution is such that the final metal composition of the positive electrode metal porous body has a nickel content of 60% by mass or more and 99% by mass or less, and a tin content of 1% by mass or more. It is preferable to adjust so that it may be 40 mass% or less. Moreover, it adjusts so that the content rate of tin may be 43 mass% or more and 56 mass% or less, or 61 mass% or more and 72% mass or less, or 73 mass% or more and 99 mass% or less. Is also preferable. Furthermore, it is most preferable to adjust so that the content rate of tin may be 15 mass% or more and 25 mass% or less. Thereby, the electrolysis resistance, corrosion resistance, heat resistance, and strength of the porous metal body made of an alloy containing nickel and tin can be improved.
And after forming nickel-tin alloy plating, the resin porous body base material is removed, and then a metal porous body for positive electrode is obtained by reducing the metal by heat treatment in a reducing atmosphere.
(金属目付量)
最終的な金属多孔体における導電被覆層、ニッケル、スズの合計の金属目付量としては、好ましくは200g/m2以上、1000g/m2以下である。より好ましくは250g/m2以上、700g/m2以下であり、更に好ましくは300g/m2以上、500g/m2以下である。合計量が200g/m2を下回ると、集電体の強度が衰えるおそれがある。また、合計量が1000g/m2を上回ると、分極性材料の充填量が減少し、またコスト的にも不利となる。
(Metal weight)
The total metal basis weight of the conductive coating layer, nickel, and tin in the final porous metal body is preferably 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less. More preferably, they are 250 g / m < 2 > or more and 700 g / m < 2 > or less, More preferably, they are 300 g / m < 2 > or more and 500 g / m < 2 > or less. If the total amount is less than 200 g / m 2 , the strength of the current collector may be reduced. On the other hand, if the total amount exceeds 1000 g / m 2 , the filling amount of the polarizable material is reduced, and the cost is disadvantageous.
(平均孔径)
上記正極用集電体は、平均孔径が通常20μm以上、900μm以下程度であり、好ましくは30μm以上、700μm以下程度、より好ましくは100μm以上、500μm以下程度である。
(多孔度)
上記正極用集電体は、多孔度が80%以上、97%以下であることが好ましく、90%以上、96%以下であることがより好ましい。
(Average pore diameter)
The positive electrode current collector usually has an average pore size of about 20 μm to 900 μm, preferably about 30 μm to about 700 μm, and more preferably about 100 μm to about 500 μm.
(Porosity)
The positive electrode current collector preferably has a porosity of 80% to 97%, more preferably 90% to 96%.
(正極用金属多孔体の組成の確認)
誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)を利用した定量測定を行い、含有元素の質量%を求めることができる。
(Confirmation of composition of metal porous body for positive electrode)
Quantitative measurement using inductively coupled plasma (ICP) can be performed to determine the mass% of the contained element.
(スズの拡散確認)
金属多孔体について、断面からのエネルギー分散型X線分析(Energy DispersiveX-ray spectroscopy:EDX)測定を行い、骨格表側と骨格内側のスペクトルを比較することにより、スズの拡散状態を確認することができる。
(Diffusion confirmation of tin)
By conducting energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) measurement from a cross section of a porous metal body and comparing the spectrum of the skeleton front side and the skeleton inner side, the diffusion state of tin can be confirmed. .
以上の方法により作製される正極用集電体は少なくともニッケルとスズを含む合金からなるため、ニッケルの耐食性が上がり、非水系キャパシタの電圧でもニッケルが酸化されずに集電体として使用することができる。更に、かかる正極用集電体は多孔体構造であるため、より多くの活性炭を充填することができ、静電容量を向上させることができる。また、多孔体中の空隙に活性炭が包まれる構造であるため、活性炭と集電体とを結合させるためのバインダ(絶縁体)等の含有量を少なくすることができ、内部抵抗を小さくすることができる。
正極用集電体の平均厚みは、通常200μm以上、5000μm以下程度、好ましくは300、3000μm以下程度、より好ましくは400μm以上、2000μm以下程度とすればよい。
Since the positive electrode current collector produced by the above method is made of an alloy containing at least nickel and tin, the corrosion resistance of nickel is improved, and nickel can be used as a current collector without being oxidized even at a non-aqueous capacitor voltage. it can. Furthermore, since the positive electrode current collector has a porous structure, it can be filled with more activated carbon, and the capacitance can be improved. Moreover, since the activated carbon is enclosed in the voids in the porous body, the content of the binder (insulator) for binding the activated carbon and the current collector can be reduced, and the internal resistance can be reduced. Can do.
The average thickness of the positive electrode current collector is usually about 200 μm or more and 5000 μm or less, preferably about 300 or 3000 μm or less, more preferably about 400 μm or more and 2000 μm or less.
−負極−
負極は、金属箔、負極用金属多孔体等による負極用集電体に、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を塗布することにより作製することができる。
負極用集電体に負極活物質を保持させる方法としては、例えば、負極活物質をペースト状にし、該負極活物質ペーストをドクターブレード法等により塗布する方法が挙げられる。また、必要に応じて、乾燥後にローラープレス機等により加圧成形して充填してもよい。
-Negative electrode-
The negative electrode can be produced by applying a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions to a negative electrode current collector made of a metal foil, a negative electrode metal porous body, or the like.
Examples of the method for holding the negative electrode active material in the negative electrode current collector include a method in which the negative electrode active material is made into a paste and the negative electrode active material paste is applied by a doctor blade method or the like. Moreover, you may press-mold with a roller press etc. after drying as needed, and you may fill.
リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質としては後述するようにリチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料又は金属を主体としたものを使用することができる。
該炭素材料又は金属にリチウムイオンを吸蔵させるには、例えば、下記工程を経て作製した負極にLi箔を圧着させておき、製造後のセル(キャパシタ)を60℃の恒温層中で24時間保温する等の方法が挙げられる。他にも、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料又は金属と、リチウム材料とを混合してメカニカルアロイ法で混合する方法や、Li金属をキャパシタセルに組み込んで、負極とLi金属を短絡する方法が挙げられる。
As a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions, a carbon material or metal based material capable of occluding and desorbing lithium ions as described later can be used.
In order to occlude lithium ions in the carbon material or metal, for example, a Li foil is pressure-bonded to a negative electrode produced through the following steps, and the manufactured cell (capacitor) is kept warm in a constant temperature layer at 60 ° C. for 24 hours. And the like. In addition, a carbon material or metal capable of occluding and desorbing lithium ions and a lithium material are mixed and mixed by a mechanical alloy method, or a Li metal is incorporated into a capacitor cell and a negative electrode and the Li metal are short-circuited. Is mentioned.
[負極用集電体]
負極用集電体としては、金属箔、又は負極用金属多孔体を好ましく使用することができる。
(金属箔)
負極用集電体としては、金属箔を好ましく用いることができる。かかる金属箔は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、又はステンレスのいずれかであることが好ましい。
[Current collector for negative electrode]
As the negative electrode current collector, a metal foil or a negative electrode metal porous body can be preferably used.
(Metal foil)
As the current collector for the negative electrode, a metal foil can be preferably used. Such a metal foil is preferably, for example, aluminum, copper, nickel, or stainless steel.
(負極用金属多孔体)
また、負極用集電体としては、負極用金属多孔体も好ましく用いることができる。前述のように本発明に係るキャパシタは、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料又は金属を主体とする負極活物質を使用する。リチウムイオンと合金化する金属は、リチウムとの反応時に発生する体積変化が大きいため、通常の構成である銅箔などを使用した場合には剥離を起こし、寿命特性が低下してしまう。しかし、本発明では、負極用集電体に負極用金属多孔体を使用し、該負極用金属多孔体の骨格内に負極活物質を保持させることで、前記金属が体積変化を起こしても剥離を生じさせず、寿命特性に優れたキャパシタとすることができる。
(Metal porous material for negative electrode)
As the negative electrode current collector, a negative electrode metal porous body can also be preferably used. As described above, the capacitor according to the present invention uses a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions or a negative electrode active material mainly composed of metal. Since the metal alloyed with lithium ions undergoes a large volume change upon reaction with lithium, when a copper foil or the like having a normal configuration is used, peeling occurs and the life characteristics are deteriorated. However, in the present invention, a negative electrode metal porous body is used for the negative electrode current collector, and the negative electrode active material is held in the skeleton of the negative electrode metal porous body, so that the metal peels even if the volume changes. Thus, a capacitor having excellent life characteristics can be obtained.
負極用金属多孔体としては、発泡状ウレタンにニッケルを被覆した後にウレタンを焼失させて得た多孔度が80%以上、97%以下、ニッケル目付が200g/m2以上、1000g/m2以下の発泡状ニッケルを好ましく使用することができる。また、ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得た多孔度が80%以上、97%以下、ニッケル目付が200g/m2以上、1000g/m2以下の不織布状ニッケルも好ましく使用することができる。
これらの負極用金属多孔体は、前述の正極用集電体の基材として用いる、発泡状ニッケル、不織布状ニッケルと同様の方法により作製することが可能である。
As the metal porous body for the negative electrode, the porosity obtained by coating the foamed urethane with nickel and then burning out the urethane is 80% or more and 97% or less, and the nickel basis weight is 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less. Foamed nickel can be preferably used. In addition, a non-woven nickel having a porosity of 80% or more and 97% or less and a nickel basis weight of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less obtained by coating a nonwoven fabric made of polyolefin fibers with nickel is also preferably used. Can do.
These metal porous bodies for negative electrodes can be produced by the same method as the foamed nickel and non-woven nickel used as the base material of the positive electrode current collector described above.
[負極活物質]
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料又は金属粉末を溶媒にまぜ、混合機で攪拌することにより得られる。必要に応じて導電性助剤、バインダを含んでもよい。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material is obtained by mixing a carbon material or metal powder capable of occluding and desorbing lithium ions in a solvent and stirring the mixture with a mixer. A conductive auxiliary agent and a binder may be included as needed.
(リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料)
上記リチウムイオンを吸蔵脱離できる炭素材料としては、リチウムイオンを吸蔵脱離できるものであれば特に限定されないが、例えば、黒鉛系材料、易黒鉛化炭素材料等が挙げられる。また、理論容量が300mAh/g以上あるものが好ましい。
(Carbon material that can absorb and desorb lithium ions)
The carbon material capable of occluding and desorbing lithium ions is not particularly limited as long as it can occlude and desorb lithium ions, and examples thereof include graphite materials and graphitizable carbon materials. Moreover, what has a theoretical capacity of 300 mAh / g or more is preferable.
(リチウムイオンを吸蔵脱離できる金属)
リチウムイオンを吸蔵脱離できる金属としては、リチウムイオンを吸蔵脱離できるものであれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、スズ、シリコン等が挙げられる。また、アルミニウム、スズ、シリコンのうちいずれか一種以上の金属を20質量%以上含む合金、又は複合体であることが好ましい。特に、理論容量が300mAh/g以上あるものが好ましい。複合体の例としては、例えば、アルミ−ニッケル合金や銅とスズを混ぜた銅スズ合金(スズ10質量%以上、70質量%以下)、シリコン粉末とシリカ粉末を複合した物が好ましく挙げられる。
また、負極に、リチウムと合金化する金属を充填する場合、かかる金属材料は、従来の黒鉛系材料に比べて容量が大きいため使用量を減らすことができる。このため、負極の厚さを薄くしてセルの体積を減少させることができ、キャパシタの体積エネルギー密度を向上させることが可能となる。
(Metal that can absorb and desorb lithium ions)
The metal that can occlude and desorb lithium ions is not particularly limited as long as it can occlude and desorb lithium ions, and examples thereof include aluminum, tin, and silicon. Moreover, it is preferable that it is an alloy containing 20 mass% or more of any one or more metals among aluminum, tin, and silicon, or a composite. In particular, those having a theoretical capacity of 300 mAh / g or more are preferable. Preferred examples of the composite include an aluminum-nickel alloy, a copper tin alloy in which copper and tin are mixed (tin 10 mass% or more and 70 mass% or less), and a composite of silicon powder and silica powder.
In addition, when the metal to be alloyed with lithium is filled in the negative electrode, such a metal material has a larger capacity than a conventional graphite material, so that the amount of use can be reduced. Therefore, the thickness of the negative electrode can be reduced to reduce the volume of the cell, and the volume energy density of the capacitor can be improved.
(導電性助剤)
導電性助剤としては、前記正極活物質の場合と同様に、公知又は市販のものが使用できる。すなわち、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、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。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維等が好ましい。さらには、アセチレンブラックあるいはケッチェンブラックと、炭素繊維を混合することが好ましく、混合比は炭素繊維が導電助剤全体の20重量%以下となることが好ましい。これにより、キャパシタの導電性を向上させることができる。
(バインダ)
バインダも、前記正極活物質の場合と同様に、特に種類に制限はなく、公知又は市販のものが使用できる。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、ポリビニルクロリド、ポリオレフィン、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等が挙げられる。使用する溶媒にあわせて選択すればよいが、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いる場合はポリフッ化ビニリデンが、水を用いる場合はポリテトラフルオロエチレンとカルボキシメチルセルロースを混合した物が好ましい。これらの組み合わせでは、キャパシタの内部抵抗を低く抑えることができ、大きな静電容量を得ることができる。
(Conductive aid)
As the conductive auxiliary agent, a known or commercially available one can be used as in the case of the positive electrode active material. That is, for example, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, natural graphite (scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, ruthenium oxide and the like can be mentioned. Among these, acetylene black, ketjen black, carbon fiber and the like are preferable. Furthermore, it is preferable to mix acetylene black or ketjen black and carbon fiber, and the mixing ratio is preferably 20% by weight or less of the total amount of carbon fiber. Thereby, the electrical conductivity of the capacitor can be improved.
(Binder)
The binder is not particularly limited as in the case of the positive electrode active material, and a known or commercially available binder can be used. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl chloride, polyolefin, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose and the like. It may be selected according to the solvent to be used, but when N-methyl-2-pyrrolidone is used as the solvent, polyvinylidene fluoride is preferable, and when water is used, a mixture of polytetrafluoroethylene and carboxymethyl cellulose is preferable. In these combinations, the internal resistance of the capacitor can be kept low, and a large capacitance can be obtained.
−非水電解液−
本発明に係るキャパシタはリチウムを有するため、電解液としては、非水電解液を用いる必要がある。かかる非水電解液は、例えば、充放電に必要なリチウム塩を有機溶媒に溶かしたものを使用することができる。
(リチウム塩)
リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等を用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。
(溶媒)
上記リチウム塩を溶かす溶媒としては、例えば、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、及びエチルメチルカーボネイトからなる群より選ばれるいずれか1種以上を好ましく用いることができる。特に、リチウム塩としてLiPF6を、溶媒としてエチレンカーボネイトとジエチルカーボネイトの混合溶液を用いることが好ましい。電解液のイオン伝導度が高くなり、キャパシタの内部抵抗を低く抑えることができる。
-Non-aqueous electrolyte-
Since the capacitor according to the present invention contains lithium, it is necessary to use a nonaqueous electrolytic solution as the electrolytic solution. As such a nonaqueous electrolytic solution, for example, a solution obtained by dissolving a lithium salt necessary for charging and discharging in an organic solvent can be used.
(Lithium salt)
As the lithium salt, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 or the like can be used. These may be used alone or in combination of any one or more.
(solvent)
As the solvent for dissolving the lithium salt, for example, one or more selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate can be preferably used. In particular, it is preferable to use LiPF 6 as the lithium salt and a mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate as the solvent. The ionic conductivity of the electrolyte is increased, and the internal resistance of the capacitor can be kept low.
以上の方法により製造される、本発明に係るキャパシタは、負極容量が正極容量よりも大きく、リチウムイオンの吸蔵量が、正極容量と負極容量の差の90%以下であることが好ましい。このように正極で容量を規制することにより、リチウムのデンドライト成長による短絡を防止することができる。 The capacitor according to the present invention manufactured by the above method preferably has a negative electrode capacity larger than the positive electrode capacity, and a lithium ion occlusion amount is 90% or less of the difference between the positive electrode capacity and the negative electrode capacity. By regulating the capacity with the positive electrode in this way, a short circuit due to lithium dendrite growth can be prevented.
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより一層詳述する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
(正極用集電体の作製)
発泡状ニッケルにスズをめっきし、その後に熱処理を行ってスズを拡散させ、ニッケル99質量%、スズ1質量%の組成の正極用集電体aを作製した。
図1及び図2に正極用集電体aの外観写真を示す。なお、図2は電子顕微鏡により300倍に拡大して観察した写真である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
(Preparation of current collector for positive electrode)
Tin was plated on the foamed nickel, followed by heat treatment to diffuse the tin, and a positive electrode current collector a having a composition of 99 mass% nickel and 1 mass% tin was produced.
1 and 2 show photographs of the appearance of the positive electrode current collector a. In addition, FIG. 2 is the photograph observed by magnifying 300 times with an electron microscope.
発泡状ニッケルは、ウレタンシート(市販品、平均孔径90μm、厚さ1.4mm、多孔度96%)に導電処理後、所定量のニッケルめっきを行い、ウレタンを大気中800℃で焼却除去後に還元性雰囲気(水素)で1000℃に過熱し、ニッケルを還元して作製した。導電処理はスパッタリングにより10g/m2のニッケルをつけた。ニッケルめっき量は、導電処理の分も合計して200g/m2になるようにした。作製した発泡ニッケルは、平均孔径80μm、厚さ1.2mm、多孔度95%となった。 Foamed nickel is reduced after the urethane sheet (commercially available product, average pore diameter 90 μm, thickness 1.4 mm, porosity 96%) is subjected to conductive treatment, then plated with a predetermined amount of nickel, and urethane is removed by incineration at 800 ° C. in the atmosphere. It was made by heating to 1000 ° C. in a neutral atmosphere (hydrogen) and reducing nickel. For the conductive treatment, 10 g / m 2 of nickel was applied by sputtering. The amount of nickel plating was set to 200 g / m 2 in total for the conductive treatment. The produced foamed nickel had an average pore diameter of 80 μm, a thickness of 1.2 mm, and a porosity of 95%.
スズめっきのめっき液としては、水1000gに対し、硫酸第一スズ55g/L、硫酸100g/L、クレゾールスルホン酸100g/L、ゼラチン2g/L、βナフトール1g/Lの組成としたものを使用した。また、めっき浴の浴温は20℃とし、陽極電流密度は1A/dm2とした。めっき液は陰極揺動により2m/分となるように攪拌した。
熱処理工程では、還元(水素)雰囲気で、550℃、10分の熱処理を行った。
EDXスペクトル比較では、集電体の表側・内側に差異はなく、スズは満遍なく拡散していることが確かめられた。
作製した正極用集電体aの厚さは1.4mmであった。
As a plating solution for tin plating, a composition of 55 g / L of stannous sulfate, 100 g / L of sulfuric acid, 100 g / L of cresolsulfonic acid, 2 g / L of gelatin, and 1 g / L of β-naphthol is used for 1000 g of water. did. The bath temperature of the plating bath was 20 ° C., and the anode current density was 1 A / dm 2 . The plating solution was agitated so as to be 2 m / min by the cathode oscillation.
In the heat treatment step, heat treatment was performed at 550 ° C. for 10 minutes in a reducing (hydrogen) atmosphere.
In the EDX spectrum comparison, there was no difference between the front side and the inside of the current collector, and it was confirmed that tin was evenly diffused.
The thickness of the produced positive electrode current collector a was 1.4 mm.
(正極の作製)
活性炭粉末(比表面積2500m2/g、平均粒径約5μm)100質量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)2重量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末4質量部、溶媒としてN-メチルピロリドン(NMP)15質量部を添加し、混合機で攪拌することにより、活性炭正極ペーストを調製した。
この活性炭ペーストを、上記正極用集電体aに、活性炭の含量が30mg/cm2となるように充填した。実際の充填量は31mg/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:300μm)で加圧して実施例1の正極Aを得た。加圧後の正極Aの厚さは480μmであった。
(Preparation of positive electrode)
100 parts by weight of activated carbon powder (specific surface area 2500 m 2 / g, average particle size of about 5 μm), 2 parts by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, N-methyl as a solvent Activated carbon positive electrode paste was prepared by adding 15 parts by mass of pyrrolidone (NMP) and stirring with a mixer.
This activated carbon paste was filled in the positive electrode current collector a so that the activated carbon content was 30 mg / cm 2 . The actual filling amount was 31 mg / cm 2 . Next, after drying with a dryer at 100 ° C. for 1 hour to remove the solvent, pressure was applied with a roller press having a diameter of 500 mm (slit: 300 μm) to obtain positive electrode A of Example 1. The thickness of the positive electrode A after pressurization was 480 μm.
(負極用集電体)
負極用集電体a’として厚さ20μmの銅箔を用いた。
(負極の作製)
リチウムを吸蔵脱離できる天然黒鉛粉末100重量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)2重量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末4重量部、溶媒としてN-メチルピロリドン(NMP)15重量部を添加し、混合機で攪拌することにより、黒鉛系負極ペーストを調製した。
この黒鉛系負極ペーストを上記の銅箔上に、ドクターブレード(ギャップ400μm)を用いて塗布した。実際の塗布量は10mg/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:200μm)で加圧して実施例1の負極A’を得た。加圧後の負極A’の厚さは220μmであった。
(Current collector for negative electrode)
A copper foil having a thickness of 20 μm was used as the negative electrode current collector a ′.
(Preparation of negative electrode)
100 parts by weight of natural graphite powder capable of occluding and releasing lithium, 2 parts by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, and 15 parts by weight of N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent Was added and stirred with a mixer to prepare a graphite-based negative electrode paste.
This graphite-based negative electrode paste was applied onto the above copper foil using a doctor blade (gap 400 μm). The actual coating amount was 10 mg / cm 2 . Next, after drying with a dryer at 100 ° C. for 1 hour to remove the solvent, pressure was applied with a roller press having a diameter of 500 mm (slit: 200 μm) to obtain negative electrode A ′ of Example 1. The thickness of the negative electrode A ′ after pressurization was 220 μm.
(セルの作製)
正極A及び負極A’をさらに200℃で8時間、減圧環境で乾燥した。これらをドライルーム中(露点−65℃)にうつし、得られた正極A及び負極A’を直径14mmに打ち抜き、その後、負極A’に厚さ50μmのリチウム金属箔を圧着した。両電極の間にポリプロピレン製のセパレーターを挟んで対向させて単セル素子とし、ステンレススチール製スペーサを用いてR2032サイズのコインセルケースに収納し、1mol/LのLiPF6を溶かした、エチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)を体積比1:1で混合した電解液を注入して電極及びセパレーターに含浸した。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、コイン形の試験用キャパシタAを作製した。
その後、60℃の恒温槽中で24時間放置した。この操作により、負極に圧着したリチウムがイオン化して負極の黒鉛に吸蔵される。
(Production of cell)
The positive electrode A and the negative electrode A ′ were further dried at 200 ° C. for 8 hours in a reduced pressure environment. These were transferred into a dry room (dew point −65 ° C.), and the obtained positive electrode A and negative electrode A ′ were punched out to a diameter of 14 mm, and then a 50 μm thick lithium metal foil was pressure bonded to the negative electrode A ′. Between the electrodes are opposed across a polypropylene separator and in single cell device, using a stainless steel spacer accommodated in R2032 size coin cell casing was dissolved LiPF 6 of 1 mol / L, ethylene carbonate (EC ) And diethyl carbonate (DEC) mixed at a volume ratio of 1: 1 were injected to impregnate the electrodes and separator. Further, the case lid was tightened and sealed through an insulating gasket made of propylene to produce a coin-shaped test capacitor A.
Then, it was left to stand in a 60 degreeC thermostat for 24 hours. By this operation, lithium pressure-bonded to the negative electrode is ionized and occluded in the negative electrode graphite.
[実施例2]
発泡状ニッケルへのスズめっきの目付けを59.7g/m2となるようにした以外は実施例1と同様にして正極用集電体を作製した。これにより、Snの含有量が23質量%のニッケルスズ合金の正極用集電体bが得られた。
EDXスペクトル比較では図3に示すように、集電体の表側・内側に差異はなく、スズは満遍なく拡散していることが確かめられた。
この正極用集電体bを用いた以外は実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタBを作製した。
[Example 2]
A current collector for a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of tin plating on the foamed nickel was 59.7 g / m 2 . As a result, a nickel-tin alloy positive electrode current collector b having a Sn content of 23% by mass was obtained.
In the EDX spectrum comparison, as shown in FIG. 3, there was no difference between the front side and the inner side of the current collector, and it was confirmed that tin was evenly diffused.
A coin-type capacitor B was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode current collector b was used.
[実施例3]
発泡状ニッケルへのスズめっきの目付けを133g/m2となるようにした以外は実施例1と同様にして正極用集電体を作製した。これにより、Snの含有量が40質量%のニッケルスズ合金の正極用集電体cが得られた。
EDXスペクトル比較では、集電体の表側・内側に差異はなく、スズは満遍なく拡散していることが確かめられた。
この正極用集電体cを用いた以外は実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタCを作製した。
[Example 3]
A current collector for a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of tin plating on the foamed nickel was 133 g / m 2 . As a result, a nickel-tin alloy positive electrode current collector c having a Sn content of 40% by mass was obtained.
In the EDX spectrum comparison, there was no difference between the front side and the inside of the current collector, and it was confirmed that tin was evenly diffused.
A coin-type capacitor C was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode current collector c was used.
[実施例4]
発泡状ニッケルへのスズめっきの目付けを216.7g/m2となるようにした以外は実施例1と同様にして正極用集電体を作製した。これにより、Snの含有量が52質量%のニッケルスズ合金の正極用集電体dが得られた。
EDXスペクトル比較では表側・内側に差異はなく、スズは満遍なく拡散していることが確かめられた。
この正極用集電体dを用いた以外は実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタDを作製した。
[Example 4]
A current collector for a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of tin plating on the foamed nickel was 216.7 g / m 2 . As a result, a nickel-tin alloy positive electrode current collector d having a Sn content of 52 mass% was obtained.
In the EDX spectrum comparison, there was no difference between the front side and the inner side, and it was confirmed that tin was evenly diffused.
A coin-type capacitor D was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode current collector d was used.
[実施例5]
実施例2と同様に、スズめっきの目付けを59.7g/m2となるようにして、Snの含有量が23質量%のニッケルスズ合金の集電体を作製した。さらに、濃度1mol/Lの硫酸ナトリウム水溶液中で0.2V vs SHEの電位を15分間印加することにより電解酸化処理して正極用集電体eを得た。
EDXスペクトル比較では表側・内側に差異はなく、スズは満遍なく拡散していることが確かめられた。
この正極用集電体eを用いた以外は実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタEを作製した。
[Example 5]
In the same manner as in Example 2, a nickel-tin alloy current collector having a Sn content of 23% by mass was prepared with a tin plating basis weight of 59.7 g / m 2 . Further, a positive electrode current collector e was obtained by electrolytic oxidation by applying a potential of 0.2 V vs. SHE for 15 minutes in an aqueous sodium sulfate solution having a concentration of 1 mol / L.
In the EDX spectrum comparison, there was no difference between the front side and the inner side, and it was confirmed that tin was evenly diffused.
A coin-type capacitor E was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode current collector e was used.
[実施例6]
負極として次のようにして作製した負極B’を使用した以外は、実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタFを作製した。
(負極集電体)
正極用集電体aの作製方法と同様の方法にて作製した発泡状ニッケルを用いた(ニッケル目付400g/m2、平均孔径80μm、厚さ1.2mm、多孔度95%)。これを負極用集電体b’とする。
(負極の作製)
シリコン粉末(平均粒径約10μm)21.5重量部に、導電助剤としてケッチェンブラック(KB)0.7重量部、バインダとしてポリフッ化ビニリデン粉末2.5重量部、溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP)75.3重量部を添加し、混合機で攪拌することにより、シリコン負極ペーストを調製した。
このシリコンペーストを、あらかじめギャップ550μmのローラープレス機により厚さを調整した負極用集電体b’に、シリコンの含量が13mg/cm2となるように充填した。実際の充填量は12.2mg/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(ギャップ:150μm)で加圧して実施例6の負極B’を得た。加圧後の厚さは185μmであった。
[Example 6]
A coin-type capacitor F was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode B ′ produced as follows was used as the negative electrode.
(Negative electrode current collector)
Foamed nickel produced by a method similar to the method for producing the positive electrode current collector a was used (nickel weight per unit area 400 g / m 2 , average pore diameter 80 μm, thickness 1.2 mm, porosity 95%). This is designated as a negative electrode current collector b ′.
(Preparation of negative electrode)
21.5 parts by weight of silicon powder (average particle size of about 10 μm), 0.7 part by weight of ketjen black (KB) as a conductive additive, 2.5 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent A silicon negative electrode paste was prepared by adding 75.3 parts by weight of (NMP) and stirring with a mixer.
This silicon paste was filled in a negative electrode current collector b ′ whose thickness was adjusted in advance by a roller press with a gap of 550 μm so that the silicon content was 13 mg / cm 2 . The actual filling amount was 12.2 mg / cm 2 . Next, after drying with a dryer at 100 ° C. for 1 hour to remove the solvent, pressure was applied with a roller press having a diameter of 500 mm (gap: 150 μm) to obtain negative electrode B ′ of Example 6. The thickness after pressing was 185 μm.
[実施例7]
実施例2で作製した正極と同様にして作製した正極Bと、実施例6で作製した負極と同様にして作製した負極B’を使用した以外は、実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタGを作製した。
[Example 7]
A coin-type capacitor in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode B produced in the same manner as the positive electrode produced in Example 2 and the negative electrode B ′ produced in the same manner as the negative electrode produced in Example 6 were used. G was produced.
[実施例8]
実施例3で作製した正極と同様にして作製した正極Cと、実施例6で作製した負極と同様にして作製した負極B’を使用した以外は、実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタHを作製した。
[Example 8]
A coin-type capacitor in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode C produced in the same manner as the positive electrode produced in Example 3 and the negative electrode B ′ produced in the same manner as the negative electrode produced in Example 6 were used. H was produced.
[実施例9]
実施例4で作製した正極と同様にして作製した正極Dと、実施例6で作製した負極と同様にして作製した負極B’を使用した以外は、実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタIを作製した。
[Example 9]
A coin-type capacitor in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode D produced in the same manner as the positive electrode produced in Example 4 and the negative electrode B ′ produced in the same manner as the negative electrode produced in Example 6 were used. I was produced.
[実施例10]
実施例5で作製した正極と同様にして作製した正極Eと、実施例6で作製した負極と同様にして作製した負極B’を使用した以外は、実施例1と同様にしてコイン型のキャパシタJを作製した。
[Example 10]
A coin-type capacitor in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode E produced in the same manner as the positive electrode produced in Example 5 and the negative electrode B ′ produced in the same manner as the negative electrode produced in Example 6 were used. J was produced.
[比較例1]
正極用集電体bとして、アルミニウム箔(市販品、厚さ20μm)を用いた。実施例1で作製した正極活物質ペーストをドクターブレード法により両面合計が10mg/cm2となるように塗着して圧延し、比較例1の正極Fを作製した。実際の塗布量は11mg/cm2、電極の厚みは、222μmであった。
これ以降の操作は実施例1と全く同じにしてコイン型のキャパシタKを作製した。
[Comparative Example 1]
An aluminum foil (commercial product, thickness 20 μm) was used as the positive electrode current collector b. The positive electrode active material paste produced in Example 1 was applied and rolled by the doctor blade method so that the total of both surfaces was 10 mg / cm 2, and the positive electrode F of Comparative Example 1 was produced. The actual coating amount was 11 mg / cm 2 , and the electrode thickness was 222 μm.
Subsequent operations were exactly the same as in Example 1 to produce a coin-type capacitor K.
[比較例2]
負極として実施例1で用いた正極と同じものを用いてキャパシタLを作製した。電解液はテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを1mol/Lとなるように溶解したプロピレンカーボネート溶液を用い、セパレーターはセルロース繊維製セパレーター(厚さ60μm、密度450mg/cm3、多孔度70%)を用いた。
[Comparative Example 2]
A capacitor L was manufactured using the same negative electrode as that used in Example 1 as the negative electrode. As the electrolytic solution, a propylene carbonate solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved to 1 mol / L was used, and a separator made of cellulose fiber (thickness 60 μm, density 450 mg / cm 3 , porosity 70%) was used.
[比較例3]
正極用集電体cとして、実施例1において使用した発泡状ニッケル(スズをめっきする前のもの)を使用した以外は、実施例1と同様にして正極Gを作製した。
これ以降の操作は実施例1と全く同じにしてコイン型のキャパシタMを作製した。
[Comparative Example 3]
A positive electrode G was produced in the same manner as in Example 1, except that the foamed nickel used in Example 1 (before tin plating) was used as the positive electrode current collector c.
Subsequent operations were exactly the same as in Example 1, and a coin-type capacitor M was produced.
[比較例4]
正極用集電体dとして、実施例1とは異なり、スズめっき後の熱処理工程を行わずに作製した正極用集電体dを使用した以外は、実施例1と同様にして正極Hを作製した。
これ以降の操作は実施例1と全く同じにしてコイン型のキャパシタNを作製した。
[Comparative Example 4]
Unlike Example 1, the positive electrode current collector d was prepared in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode current collector d produced without performing the heat treatment step after tin plating was used. did.
Subsequent operations were the same as those in Example 1, and a coin-type capacitor N was produced.
<静電容量の評価>
実施例1〜10、比較例1〜4と同様のキャパシタをそれぞれ10個作製し、充電を2mA/cm2で2時間、放電を1mA/cm2で行い、初期静電容量及び充電電圧を調べた。それらの平均値を表1に示す。
<Evaluation of capacitance>
Ten capacitors similar to those of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4 were respectively produced, charged at 2 mA / cm 2 for 2 hours, and discharged at 1 mA / cm 2 , and the initial capacitance and charging voltage were examined. It was. Their average values are shown in Table 1.
表1から明らかなように、本発明のキャパシタは、比較例1のAl箔を使用したキャパシタよりも、静電容量が大きく、作動電圧の範囲も通常の構成のキャパシタ(比較例2)より大きいため、エネルギー密度が向上できる。また、比較例3、4に関してはSnが含まれていない、拡散が不足しているなどの理由でニッケルが露出しており、4.2Vの充電を行うとニッケルの溶出・酸化が起こって充電電圧が上がらず充電できなかった。 As is apparent from Table 1, the capacitor of the present invention has a larger capacitance and a larger operating voltage range than the capacitor using the Al foil of Comparative Example 1 (Comparative Example 2). Therefore, the energy density can be improved. Further, in Comparative Examples 3 and 4, nickel is exposed because Sn is not included or diffusion is insufficient, and when elution is performed at 4.2 V, nickel is eluted and oxidized to charge. The voltage did not increase and could not be charged.
<耐久性試験1>
次に、キャパシタ特性として重要な耐久性を調べた。高電圧で保持されたときの耐久性は、バックアップ用などの用途で重要である。65℃で表1に示した各セルの充電電圧を印加しながら2000時間保持した。その後25℃にして静電容量を測定し、初期からの静電容量の変化率を調べた。結果を表2に示す。
<Durability test 1>
Next, durability important as capacitor characteristics was examined. Durability when held at a high voltage is important in applications such as backup. While applying the charging voltage of each cell shown in Table 1 at 65 ° C., it was held for 2000 hours. Thereafter, the capacitance was measured at 25 ° C., and the rate of change in capacitance from the initial stage was examined. The results are shown in Table 2.
表2から明らかなように、実施例は従来の構成である比較例と同様、2000時間経過後も静電容量及び内部抵抗の変化は小さかった。したがって、本発明のキャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、耐久性に優れていることが分かった。 As is clear from Table 2, the changes in capacitance and internal resistance were small after 2000 hours in the example, as in the comparative example having the conventional configuration. Therefore, it was found that the capacitor of the present invention has a high capacitance and is excellent in durability.
<耐久性試験2>
別の耐久性評価法として充放電サイクル特性を調べた。サイクル特性はセルの寿命を現す重要な指標である。条件として、雰囲気温度45℃で2.5〜4.2Vの間で1mAの定電流による充放電サイクルを1万回繰り返し、1万サイクル後の放電容量を測定し、初期容量と比較して評価を行った(比較例2は電気二重層キャパシタであるため、電圧範囲は0.5〜2.5V)。その結果を表3に示す。
<Durability test 2>
The charge / discharge cycle characteristics were examined as another durability evaluation method. Cycle characteristics are an important indicator of cell life. As conditions, charge / discharge cycles with a constant current of 1 mA between 2.5 and 4.2 V at an atmospheric temperature of 45 ° C. were repeated 10,000 times, and the discharge capacity after 10,000 cycles was measured and evaluated in comparison with the initial capacity. (Because Comparative Example 2 is an electric double layer capacitor, the voltage range was 0.5 to 2.5 V). The results are shown in Table 3.
表3から明らかなように、実施例は従来の構成である比較例と同様、1万サイクル経過後も静電容量の変化は小さかった。したがって、本発明のキャパシタは、高い静電容量が得られるとともに、寿命に優れていることが分かった。
以上により、本発明の集電体をキャパシタ用の電極に用いた場合、従来のキャパシタに比べて容量・耐久性に優れたキャパシタを提供できることが分かった。
なお、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。
As is apparent from Table 3, the change in capacitance was small even after 10,000 cycles had passed in the example as in the comparative example having the conventional configuration. Therefore, it was found that the capacitor of the present invention has a high capacitance and an excellent lifetime.
From the above, it has been found that when the current collector of the present invention is used as an electrode for a capacitor, a capacitor superior in capacity and durability compared to a conventional capacitor can be provided.
Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Various modifications can be made to the above-described embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.
本発明のキャパシタは静電容量が大きく、耐久性に優れているため、例えばハイブリッド車、燃料自動車等の自動車用のキャパシタとして好適に用いることができる。 Since the capacitor of the present invention has a large capacitance and excellent durability, it can be suitably used as a capacitor for automobiles such as hybrid vehicles and fuel vehicles.
Claims (13)
正極用金属多孔体に活性炭を主体とした正極活物質を充填した正極と、
負極用集電体に、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を保持させてなる負極と、
リチウム塩を含む非水電解液と、を備え、
前記正極用金属多孔体が、少なくともニッケルとスズを含む合金からなり、かつ、前記負極にリチウムイオンを化学的あるいは電気化学的手法で吸蔵させたことを特徴とするキャパシタ。 at least,
A positive electrode filled with a positive electrode active material mainly composed of activated carbon in a metal porous body for a positive electrode;
A negative electrode obtained by holding a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions in a negative electrode current collector;
A non-aqueous electrolyte containing a lithium salt,
A capacitor characterized in that the positive electrode metal porous body is made of an alloy containing at least nickel and tin, and lithium ions are occluded in the negative electrode by a chemical or electrochemical method.
発泡状ウレタンにニッケルを被覆した後にウレタンを焼失させて得たニッケル目付200g/m2以上、1000g/m2以下の発泡状ニッケルに、少なくともスズを含む金属を被覆し、その後に熱処理を行ってスズを発泡状ニッケル中にまで拡散させることにより作製した、多孔度が80%以上、97%以下の発泡状ニッケルスズ合金であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のキャパシタ。 The metal porous body for positive electrode,
A foam-like nickel with a nickel basis weight of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less obtained by coating the foamed urethane with nickel and then burning off the urethane is coated with a metal containing at least tin, and then heat-treated. 5. The capacitor according to claim 1, wherein the capacitor is a foamed nickel-tin alloy having a porosity of 80% or more and 97% or less, which is produced by diffusing tin into foamed nickel. .
ポリオレフィン系繊維からなる不織布にニッケルを被覆して得たニッケル目付200g/m2以上、1000g/m2以下の不織布状ニッケルに、少なくともスズを含む金属を被覆し、その後に熱処理を行ってスズを発泡状ニッケル中にまで拡散させることにより作製した、多孔度が80%以上、97%以下の不織布状ニッケルスズ合金であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のキャパシタ。 The metal porous body for positive electrode,
A non-woven fabric nickel having a nickel basis weight of 200 g / m 2 or more and 1000 g / m 2 or less obtained by coating a non-woven fabric made of polyolefin fiber with nickel is coated with a metal containing at least tin, and then heat-treated to form tin. The capacitor according to any one of claims 1 to 4, which is a non-woven nickel-tin alloy having a porosity of 80% or more and 97% or less, which is produced by diffusing into foamed nickel.
前記非水電解液の溶媒が、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチルカーボネイト、及びエチルメチルカーボネイトからなる群より選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のキャパシタ。 The lithium salt is at least one selected from the group consisting of LiClO 4 , LiBF 4 , and LiPF 6 ;
The solvent of the non-aqueous electrolyte is at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. The capacitor according to any one of the above.
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-
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