JPH09506209A - 改良されたスーパーコンデンサおよびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 適当な電解液を含む容器内において多孔性層の両側に配置されたかつ炭素粒子を含浸している非活性炭素繊維の不織布に接して位置した集電体からなる電極、および各電極の各集電体に接続している導体を有する二重層コンデンサを開示し、該炭素繊維は１００ｍ²/ｇ未満の、好ましくは５ｍ²/ｇ未満の表面積を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 改良されたスーパーコンデンサおよびその製法発明の背景 １．発明の分野 本発明は電気二重層コンデンサに関するものであり、更に詳しくは改良された 電気二重層スーパーコンデンサおよびその製法に関するものである。 ２．従来技術の説明 西野らの米国特許第４，５６２，５１１号に開示されているように、電気化学 二重層コンデンサは、電解液を含む容器に封じ込められた分極性電極の間に配置 された分離層からなり、電圧をかけると、一方の電極は負に帯電し、他方の電極 は正に帯電する。そこに開示されているように、各電極は、容器の一方の側と接 触し、他の側とは絶縁されている。こうして充電されたコンデンサは電源として 一定の時間放電でき、また続いて電源として繰り返し再充電できる。米国特許第 ４，５９７，０２８号および第４，６２６，９６４号も従来技術の例である。東 らの米国特許第４，６２６，９６４号には、活性炭素粒子を含浸した活性炭素繊 維織物からなる一対の電極を含む二重層コンデンサが開示されている。このよう なコンデンサは、費用のかかる構成材料から形成され、該織物基体上に所望の大 表面積を達成する。更に、集電体を活性炭素繊維織物に結合するには、有用なコ ンデンサ形態を限定するプラズマまたは火炎溶射技術を必要とする。本発明の目的 本発明の目的は、改良された二重層スーパーコンデンサを提供することである 。 本発明の別の目的は、一層費用のかからない構成材料からなる改良された二重 層スーパーコンデンサを提供することである。 本発明のさらに別の目的は、時間を消費する重要な処理工程なしで、容易に製 造できる改良されたスーパーコンデンサを提供することである。 本発明のまた別の目的は、双極形態のスーパーコンデンサの改良された製法を 提供することである。 本発明のなお更なる目的は、大表面積のスーパーコンデンサを提供することで ある。本発明の概要 適当な電解液を含む容器内の多孔層の両側に配置されかつ炭素粒子を含浸して いる非活性炭素繊維の不織布に接して配置された集電体から形成された電極およ び各電極の各集電体に接続された導体を有する二重層コンデンサによって、本発 明のこれらおよび他の目的が達成される。ただし、上記炭素繊維は１００ｍ²/ｇ 未満、好ましくは５ｍ²/ｇ未満の表面積のものである。図面の簡単な説明 本発明の好ましい実施態様を示す二重層コンデンサの模式的立面図の添付図面 とともに、次の詳細な説明から、本発明の他の特徴と利点はさらに容易に明らか となる。本発明の詳細な説明 図面を参照すると、一般に１８で示される電極部材の間に配置されたセパレータ 部材１６および電解液（図示してない）を配置している室１４を規定しているハ ウジング部材１２からなる、一般に１０で示される二重層コンデンサが示されて いる。各電極部材１８は、Ｈｏｇｅの米国特許第４，９０６，５３５号に開示さ れているように、金属基体２０および金属基体２０に積層された反応層２２から なる積層構造である。金属基体２０は金属網、箔、または蒸気またはエポキシ依 存層として存在し、当業者には分かるように、電気素子に付けられる導体２４に 連結される。 金属基体２０は、たとえばエキスパンデッドメタル技術により形成される、ニ ッケル、ステンレス鋼などのような適当な金属材料から形成される集電体である 。金属材料の選択は、下記でさらに詳しく議論するように、使用する電解液との 関係で決定される。 反応層２２は、炭素粒子と不織布に炭素粒子を保持するための非繊維重合体物 質の混合物を含浸した非活性炭素繊維の不織布からなる。非活性炭素繊維は、長 さ約０．５〜１．２５インチ、直径約５．０〜１５．０ミクロンのものである。 該炭素繊維は、１００ｍ²/ｇ未満、好ましくは５ｍ²/ｇ未満の表面積のものであ る。このような炭素繊維の炭素含有量は、約２０オーム／ｃｍ²未満の抵抗を示 す好ましくは少なくとも約９０重量％である。 炭素繊維の不織布は、懸濁液またはコーティング形態での該含浸混合物の高い 捕捉を得るために、少なくとも約９０％の細孔容積を示す５〜５０ミルの厚さに 形成される。該含浸混合物は、含浸懸濁液またはコーティングの固体含有量およ び繊維布の細孔容積を関数として、炭素繊維の繊維布の基本重量を約２０〜２０ ０ｇ／ｍ²増加させ、また約１オーム未満の前面−裏面（Ｆ／Ｂ）導電率を与え るべきである。 懸濁液またはコーティング形の含浸混合物は、一般にカーボンブラック形の炭 素粒子、該炭素粒子を布に結合するための非繊維状重合体物質、及び分散剤また は混合剤からなる。炭素粒子は、平均粒径０.０１５ミクロンを有するＣａｂｏ ｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるＢｌａｃｋ Ｐｅａｒｌｓ ２００ ０のように、表面積（ｍ²/ｇ）として１０００以上の、好ましくは約１２５０以 上で表わされる大きさにされる。 非繊維重合体物質は、ｄｕ Ｐｏｎｔの登録商品名のＴｅｆｌｏｎ Ｔ−３０ のような、ポリテトラフルオロエチレンを含む。分散剤または混合剤は、重合体 ナフタレンスルホン酸のナトリウム塩を含み、またポリテトラフルオロエチレン （ＰＴＦＥ）を含むものを含む。 炭素繊維の不織布は、炭素粒子、非繊維重合体物質及び他の望ましい非繊維成 分の含浸混合物水性懸濁液を用いて、浸漬、被覆押し出しなどにより含浸される 。含浸した導電性不織布を、約１５０〜４００°Ｆの温度（結合剤、すなわちＰ ＴＦＥの焼結温度以下の温度）かつ実質上完全な水分除去を確保するのに十分高 い温度において乾燥するのが好ましい。 電極部材を、ハウジング１２の室１４内の多孔性セパレータ部材１６の両側に 置き、室１４内の該部材を包む前に、水酸化カリウム（４Ｍ）のような電解液を 加えて空隙容積を満たす。セパレータ部材１６は、親水性ポリプロピレンシート （Ｃｅｌｇａｒｄ，Ｈｏｅｓｃｈｔ−Ｃｅｌａｎｅｓｅの登録商品名）のような 誘電性多孔性材料から形成される。 電解液は、集電体金属に与えられた電池形態において、電気を発生するのに使 用される適当な電解液であることができる。ニッケル形の集電体では水酸化カリ ウム溶液を使用でき、一方、硫酸は、硫酸の腐食作用に耐えるため、鉛系または タンタル系の集電体材料に用いることで使用できる。硫酸および鉛系集電体構成 材料の使用により、改良された導電性と電圧の増加が達成される。アルミニウム 系集電体とともに、有機系の電解液の使用により、なお一層高い電圧を達成でき る。発明の実施例 本発明の方法を、単に説明として意図されている次の特定の実施例で示すが、 本発明は実施例に限定される意図はない。 実施例Ｉ 炭素繊維の不織布（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｍｐａｎ ｙ）を、被覆および乾燥操作を行うために、連続織機に導入した。含浸混合物（ 炭素／Ｔｅｆｌｏｎ）は、１２．０％の固体含有量で適用される、Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌｓ ２０００の水性分散液（１５％固体）３６ｇおよびＴｅｆｌｏｎ Ｔ−３０（６０％固体）０．９ｇからなる。６０ＧＳＭの付加を与えるように含 浸を行った。得られ含浸層および接着剤を前被覆した細かいニッケル網（Ｄｅｌ ｋｅｒ）を、２００〜３００°Ｆに保った積層ロール上を通し、ついで２５０° Ｆで６００ポンド／線インチのニップ圧で積層ロールを通し、電極基体を形成し た。 導体に接した電極基体シートを、多孔性ポリプロピレンのわずかに大きいシー トの両側に配置し、９Ｍ ＫＯＨの容器内に置かれる”Ｓｗｉｓｓ ｒｏｌｌ” を形成した。不織布の全面積は、約２０ｃｍ³以下の実効容積を有する、６８０ ｃｍ²（すなわち、集電体と不織布層の間の接触表面当たり１７０ｃｍ²）であっ た。得られたコンデンサ組立品を、繰り返し１ボルトに充電し、異なる抵抗器に 放電した。見かけのキャパシタンスは、２０オーム放電で６７ファラド、１００ オーム放電で８１ファラドであった。自己放電はほんの僅かっであった（６０時 間後、電荷の７８％が保持された）。 実施例ＩＩ 全固体含有量１４．７重量％及びカーボン量に対し固体Ｔｅｆｌｏｎ２０重量 ％のカーボンブラックＢＰ−２０００、分散剤、Ｔｅｆｌｏｎ乳化液Ｔ−３０を 含むカーボンブラック分散液を製造した。実施例Ｉの炭素粒子の不織布を、この 分散液に含浸し、乾燥して、９０ｇ/ｍ²含浸による固体堆積物を得た。ニッケル 金属（Ｍ）網（Ｄｅｌｃｏ）を、接着剤で被覆し、乾燥後熱圧延技術を使い、含 浸した不織層（ＣＬ）を積層して、ＣＬ／ＣＬ／Ｍ／ＣＬ／ＣＬからなる電極構 造をつくった。炭素層の接着は固体接着剤粉末により容易になされた。 ニッケル網（Ｍ）層は、電気接触を与えるため、僅かに大きかった。上記シー ト（１３．５ｃｍ×１７．５ｃｍ）二枚を、多孔性ポリプロピレンの僅かに大き いシートの両側に置き、プラスチック容器内に置いた。４Ｍ ＫＯＨを添加し、 容器を容器から伸びているニッケル接点で密封し（全重量１００ｇ）、スー パーコンデンサを形成した。これを１．２Ｖに充電し、１０Ａで放電したとき、 約２４０ファラドのキャパシタンスを示した。 本発明を二重層コンデンサに関し説明してきたが、双極形態、たとえば、Ｍ／ ＣＬ／ＳＬ／ＣＬ／Ｍ／ＣＬ／Ｓ／ＣＬ／Ｍ（Ｓは多孔性分離層である）も意図 されていることが理解されよう。 本発明に従い、従来技術の活性炭素繊維の不織布の充電に比較し、粒状炭素の 表面積が電荷を蓄えると考えられる。 本発明を代表的実施態様に関して説明してきたが、多くの変形が当業者には明 らかであることが理解されるであろう。本出願はそのどの適合または変形も包含 することを意図していることが理解されよう。従って、本発明は請求の範囲によ ってのみ限定されることが明らかに意図されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．室を規定するハウジング、 該ハウジングの該室内に配置された多孔性セパレータ部材、 該セパレータ部材の両側に配置され、各々が炭素粒子を含浸した非活性炭素 繊維の不織布に接して配置された集電基体からなる電極部材、 各電極部材の該集電体に接続された導体、及び 電解液 からなる改良されたコンデンサ。 ２．前記炭素繊維の表面積が５ｍ²/ｇ未満である請求の範囲第１項の改良された コンデンサ。 ３．前記電極部材が、前記集電基体の両側に配置された非活性炭素繊維の不織布 からなる請求の範囲第１項の改良されたコンデンサ。 ４．前記電極部材が前記集電基体の両側に配置された２個の接着的に結合された 炭素層からなる請求の範囲第１項の改良されたコンデンサ。 ５．前記容器内の複数のセパレータ部材間に配置された複数の電極をさらに含ん でいる請求の範囲第１項の改良されたコンデンサ。 ６．非活性炭素粒子の不織布を炭素粒子の分散液で含浸して炭素層を形成し、 該炭素層を集電基体に接して配置して電極を形成し、 電極を容器内多孔性セパレータ板の両側に配置し、 該容器に電解液を添加し、 該容器を密封する ことからなるスーパーコンデンサを製造する方法。 ７．前記集電基体の両側に炭素層を形成する工程をさらに含む請求の範囲第６項 の方法。 ８．前記容器を密封する前に、前記集電基体に導体を接続する工程をさらに含む 請求の範囲第６項の方法。 ９．前記含浸工程前に、前記分散液に非繊維重合体物質をさらに含める請求の範 囲第６項の方法。 １０．前記炭素層を前記集電基体に接して配置する前に、前記炭素層を乾燥する 請求の範囲第６項の方法。 １１．前記炭素層を前記集電基体に接して配置する前に、前記集電基体に接着剤 を塗る請求の範囲第６項の方法。