JP2006222321A - ウィスカー形成体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】合金やセラミックスから成る基体表面に、基体が有する金属元素を含む頭部と、アルミニウムを主成分とする幹部から構成されるウィスカーを備えるウィスカー形成体である。
ウィスカー形成体を用い、基体は吸熱部として機能し、ウィスカーは放熱部として機能するヒートシンクである。
ウィスカー形成体を用い、基体が、Mn、V、Fe、Cu、Ni、Cr、Al、Sn、Zn、In、Nd、Sc、Co、Ti及びMoから選択した2種の金属を含む電極である。
合金やセラミックスから成る基体を不活性ガス雰囲気で加熱処理し、表面にアルミニウムを主成分とするウィスカーを成長させウィスカー形成体を得る。
【選択図】なし
Description
しかし、かかる製造方法では、ピンホールのない、均一で平行なフィンを得ることはできるが、プレート状なので表面積に限界がある。即ち、0.1mm程度まで薄く且つ表面積の大きいフィンを得ることは困難である。
しかし、かかる技術では、細かいフィンを形成することはできるが、一定値以上の微細化、即ち0.1mm以下の微細化は難しい。
この集電体は、正極材料をバインダーなどとともに多孔質アルミニウムに一体成型し、加熱・乾燥・圧縮して得られるが、多孔質アルミニウムの細孔径が正極材料の粉末サイズより小さいときは接触面積が増加しない。
また、上記基体は、合金、セラミックスのいずれか一方又は双方から構成される。
更に、ウィスカーは、基体表面から突出した幹部とこの先端に位置する頭部とから構成される。また、該頭部は上記基体が有する金属元素を含み、該幹部はアルミニウムを主成分とする。
このような構成により、表面積が極めて大きくなり、導電性、熱伝導性及び耐久性が良好となる。
また、上記基体は、Alを含む必要がないので材料が従来に比べて制限されなくなるため、種々の形状で使用できる。例えば、図1に示すように、多孔質金属及び金属メッシュ(織布、不織布)や、粉末などを基体として本ウィスカー形成体が得られる。
更にまた、上記幹部は、直線状、湾曲状、枝分かれ状など、様々な形状に成長させることができる。
本発明のヒートシンクは、上述のウィスカー形成体を用いて成る。このとき、上記基体は吸熱部として機能し、上記ウィスカーは放熱部として機能する。
これにより、従来技術では放熱部(フィン)が0.1mm程度であり微細化が難しかったが、本ヒートシンクは放熱部を1μm以下まで微細化できるので、表面積が増大し、性能を落とさず小型に設計することができる。
また、図3に示すように、従来は冷却したい部位にヒートシンクを熱伝導の良い接着剤などにより取り付けていたが、本ヒートシンクは当該部位(例えば回路基板の裏面など)を基体として直接ヒートシンクを形成できるので、極めて薄くなるとともに、冷却性能がより向上する。
図4に、従来品としてアルミニウム製の放熱フィンを有するヒートシンクを示す。このヒートシンクのフィンは、フィンの太さが0.2mm、長さが10mmの直方体である。
よって、基体1mm2あたりの表面積は、
(0.2×10×4(フィンの表面積))+(1.2×1.2(基体の面積))/1.2×1.2=6.70mm2
で表される。つまり、基材面積に対して実際の表面積は約6.7倍である。
よって、基体1μm2あたりの表面積は、
(0.3×5×π(幹部の表面積))+(4×(0.4)2×π(頭部の表面積))−(0.15)2×π+1/1=7.65μm2
で表される。つまり、基材面積に対して実際の表面積は7.65倍である。
従って、例えば回路や素子などに直接放熱フィンを形成させたい場合は、高さが低くてすむウィスカーが非常に有利である。
本発明の電極は、上述のウィスカー形成体を用いて成る。このとき、上記基体としては、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、ネオジウム(Nd)、スカンジウム(Sc)、コバルト(Co)、チタン(Ti)及びモリブデン(Mo)から2種以上の金属を任意に組合わせて成る合金を使用できる。
このように、ウィスカー形成体を使用することにより、平板に比べて表面積が増大する。また、導電性の合金を使用するため、活性炭電極と比べて内部抵抗が小さく応答性が良い。
このとき、陰極に採用するときは、ウィスカー形成体をそのまま使用できるが、陽極に採用するときは、ウィスカー形成体の表面を公知の手法(陽極酸化処理など)により酸化させて使用する。
このときは、内部抵抗が低く応答性の良いキャパシターが得られる。即ち、活性炭電極と違い、導電性金属で電極そのものを形成するので、電気抵抗(キャパシタの内部抵抗)が小さく、応答性が良好となる。また、平板電極と比較して表面積が大きい。
このときは、集電対象(例えば電池の正極・負極など)が表面に微細な凹凸を有していても、ウィスカーがその凹凸に引っかかるように接触するので、接触面積が増大し、集電効率が向上する。また、ウィスカーによる接触により相互の固定が容易になる(バインダー不要、接触抵抗の低減可能)。
本発明の電気化学キャパシターは、上述の電極を用い、少なくとも一方の電極を電気二重層キャパシター電極とする。また、電解液として非水系電解液を用いる。
このように、非水系の電解液を使用することで、電極が劣化しにくくなり、電極の長寿命化が達成できる。
例えば、図6に示すような、電気化学キャパシターが挙げられる。
このときは、上記金属酸化物又は金属水酸化物がレドックス反応を発現するので、レドックス容量による擬似容量により、キャパシタの容量が大きくなり、応答性が良好となる。
また、金属酸化物又は金属水酸化物を、低抵抗なアルミニウムウィスカーに直接形成するので、活性炭への担持などに比べて内部抵抗も低減可能であり、応答性の良い電気化学キャパシターが得られる。
また、上記金属水酸化物としては、例えば、水酸化ルテニウム、水酸化チタン、水酸化バナジウム、水酸化マンガン、水酸化コバルト、水酸化ニッケルなどが挙げられる。
本発明の製造方法では、合金、セラミックスのいずれか一方又は双方から成る基体を不活性ガス雰囲気で加熱処理し、表面にアルミニウムを主成分とするウィスカーを成長させて、上述のウィスカー形成体を得る。
このように、不活性雰囲気(酸化性雰囲気ではない状態)で加熱処理することにより、微細な主に金属アルミニウムから成るウィスカーを基体表面に形成できる。
また、上記不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、窒素などが使用できる。
なお、加熱温度や不活性ガスの種類、流量等の条件は適宜選択でき、成長させるウィスカーを所望の形態や密度で形成できる。
Ni−Fe−Cr系合金(三菱マテリアル社製、発泡MA600)を基体とし、アルミナ粉末とともに密閉可能な炉に入れた。
0.5LMのArガスフロー中で、1200℃/hで昇温させ、1200℃で2h保持後室温まで炉冷した。
基体表面に、太さ10nm〜1μm、長さ2〜20μmのウィスカーが形成されたことを確認した。
例えば、ウィスカー形成体は、防塵フィルターや集電体にも使用できる。
2 頭部
3 負極・電解液(Alウィスカー形成合金不織布、プロピレンカーボネート+Et4BF4)
4 セパレータ・電解液(高分子繊維不織布、プロピレンカーボネート+Et4BF4)
5 正極・電解液(Alウィスカー形成合金不織布、プロピレンカーボネート+Et4BF4)
Claims (8)
- 基体表面にウィスカーを備えて成るウィスカー形成体であって、
上記基体は、合金及び/又はセラミックスから構成され、
上記ウィスカーは、頭部と幹部から構成され、該頭部は上記基体が有する金属元素を含み、該幹部はアルミニウムを主成分とすることを特徴とするウィスカー形成体。 - 請求項1に記載のウィスカー形成体を用いて成るヒートシンクであって、
上記基体は吸熱部として機能し、上記ウィスカーは放熱部として機能することを特徴とするヒートシンク。 - 請求項1に記載のウィスカー形成体を用いて成る電極であって、
上記基体が、マンガン、バナジウム、鉄、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、錫、亜鉛、インジウム、ネオジウム、スカンジウム、コバルト、チタン及びモリブデンから成る群より選ばれた少なくとも2種の金属を含むことを特徴とする電極。 - 請求項1に記載のウィスカー形成体を用いて成るアルミニウムコンデンサ電極であって、
上記基体がアルミニウムであることを特徴とするアルミニウムコンデンサ電極。 - 請求項1に記載のウィスカー形成体を用いて成る電気二重層キャパシター電極であって、
上記基体が導電性金属であることを特徴とする電気二重層キャパシター電極。 - 請求項3〜5のいずれか1つの項に記載の電極を用いて成る電気化学キャパシターであって、
上記電極の少なくとも一方が電気二重層キャパシター電極であり、非水系電解液を用いることを特徴とする電気化学キャパシター。 - 上記電気二重層キャパシター電極に金属酸化物又は金属水酸化物を担持させたことを特徴とする請求項6に記載の電気化学キャパシター。
- 請求項1に記載のウィスカー形成体を製造するに当たり、
合金及び/又はセラミックスから成る基体を不活性ガス雰囲気で加熱処理し、表面にアルミニウムを主成分とするウィスカーを成長させることを特徴とするウィスカー形成体の製造方法。
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