JP5276001B2 - エネルギー保存装置用電極 - Google Patents

Description

本発明は、本発明は一般的に電極におよび電極の製造方法に関する。特に、本発明は電気化学二重層コンデンサおよびハイブリッドコンデンサ並びにバッテリ装置のごときエネルギー保存装置に使用される電極に関する。

［関連出願］
本願は２００６年１０月１７日にLinda ZhongとXiaomei Xi（注意：出願書類に合わせる必要有り）によって出願された米国仮特許願６０/８５２４５９の優先権を主張する。

電極は、一次（非充電式）電池、二次（充電式）電池、燃料電池およびコンデンサ、等々である電気エネルギーを保存する多くの装置に広く使用されている。電気エネルギー保存装置の重要な特徴にはエネルギー密度、電力密度、最大充電率および最大放電率、内部漏電、等価直列抵抗（ＥＳＲ）及び／又は耐久性、すなわち複数回の充電−放電サイクルに対する耐久性、等々が含まれる。いくつかの理由により、超コンデンサおよびウルトラキャパシタとしても知られる二重層コンデンサは多くのエネルギー保存装置の分野で人気が高まっている。その理由には従来の充電式電池と較べて高電力密度（充電モードと放電モードの両方）を備えた二重層コンデンサの入手容易性と、二重層コンデンサの長使用寿命とが含まれる。

典型的には二重層コンデンサはエネルギー保存要素として電解質（電解溶液）内に浸沈された電極を使用する。よって、電解質内に浸沈され、電解質を含浸した孔質セパレータが電極同士の接触を防止し、電極間を電流が直接的に通流することを防止する。同時的に孔質セパレータは電解質を両方向に通過させてイオン流を電極間で流す。以下で解説するように荷電二重層は固形電極と電解質との間のインターフェースで形成される。

二重層コンデンサの対電極間に電位が印加されると、電解質内に存在するイオンは反対荷電の電極表面にそれぞれ引き付けられ、電極方向に移動する。それぞれの電極表面近辺には反対荷電イオンの層が創出され、維持される。電気エネルギーはこれらイオン層と、対応する電極表面の荷電層との間の電荷分離層に保存される。事実、電荷分離層は本質的に静電コンデンサとして振舞う。静電気エネルギーは電位によって励起された電界の影響により電解溶液の分子の方向性および整合性を介して二重層コンデンサ内にも保存される。しかしながら、このエネルギー保存モードは充電型である。

従来のコンデンサと較べて二重層コンデンサはその体積と重量に比して高い静電容量を有している。これら体積および重量に対する高効率には２つの主要な理由が存在する。まず電荷分離層が非常に狭いことである。典型的にはそれらの幅はナノメータ単位である。次に電極は単位体積あたりに大きな利用面積を有した孔質材料で製造することが可能なことである。静電容量は電極面積に比例し、電荷分離層の幅に反比例するため、大きな利用表面と狭い電荷分離層の相乗効果によって類似したサイズと重量である従来のコンデンサよりも大幅に大きな静電容量が得られる。二重層コンデンサの高静電容量はコンデンサに大量の電気エネルギーを受領させ、保存させ、放出させる。

コンデンサに保存される電気エネルギーは以下の計算式で求められる。

（式１）

この計算式中のＥは保存エネルギーであり、Ｃは静電容量であり、Ｖは充電されたコンデンサの電圧である。よってコンデンサに保存できる最大エネルギー（Ｅｍ）は以下の計算式で求められる。

（式２）

式中のＶｒはコンデンサの規格電圧である。よってコンデンサのエネルギー保存能力は（１）その静電容量および（２）その規格電圧の両方により決定される。従ってこれら２つのパラメータの増加がコンデンサ性能にとって重要である。

何回かの充電と放電のサイクルによってエネルギー保存装置の電解質内のイオンはエネルギー保存装置の電極内で移動する。時間の経過に伴ってイオンは電極の孔部（例：ミクロ孔部）内に“付着”し、さらなる充電と放電のサイクルには利用できなくなる。電極の局部領域内での利用可能なイオンの減少により電極のその領域では“局部的電解質欠乏”現象が発生する。電極領域がこれら領域でイオンの利用能力を喪失するとエネルギー保存装置の性能が劣化する。性能が大きく劣化することなく可能な充電と放電のサイクル数の観点で考察されるエネルギー保存装置の性能と耐久性を改善することが望まれている。さらに、これらの電極を使用したエネルギー保存装置の提供が望まれる。

ミクロ孔部を有した活性炭素とメソ孔部を有した活性炭素の両方が共に使用される。メソ孔質活性炭素は電解質の超過容量（および電解質内のイオン）を提供する。しかしミクロ孔質活性炭素は電解質とイオンのための静電容量は小さい。よってミクロ孔質活性炭素によってイオンが利用できないときにはメソ孔質活性炭素が局部領域に追加の電解質を提供して充電と放電のサイクルのために追加のイオンを提供する。

例えば二重層コンデンサでは局部電解質欠乏は静電容量の減衰を招き、二重層コンデンサの静電容量は複数回の充電と放電のサイクルで減少する。その性能特性（例：静電容量）が大きく劣化することなく二重層コンデンサが耐えられる可能な充電と放電のサイクル数の観点で考察されるエネルギー保存装置の二重層コンデンサの性能および耐久性を改善することが望まれている。二重層コンデンの使用寿命は特定利用のためには許容不能な静電容量レベルに到達させることでその特定利用のために定義が可能であるため、静電容量の減衰を遅らせることが二重層コンデンサの使用寿命を直接的に増加させることになる。

ここで記述する様々な実施例は前述の需要に対応する方法、電極、電極構造体および電気装置に関するものである。その例示的実施例は活性電極材料で成る粒体の製造方法に関する。この方法によれば活性炭素粒体と、オプションの導電性炭素と、バインダとが混合される。この活性炭素は約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含む。オプションの導電性粒体はカーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、等々の導電性炭素材料を含むことができる。

別実施例によればこのバインダはＰＴＦＥのごとき電気化学的に不活性なバインダである。この不活性バインダの混合割合は約３から約２０重量％であり、別実施例によれば約９から約１１重量％であり、あるいは例えば約１０重量％である。実施例によっては得られる混合物内のオプション導電性粒体の割合は約０から約１５重量％であり、別の実施例では約０．５重量％を超えない。さらに別実施例によればこれら活性炭素、オプション導電性炭素およびバインダの混合工程はこれら成分の乾燥混合によって実施される。さらに別の実施例によればこの混合は活性炭素、オプション導電性炭素およびバインダを非潤滑高せん断力技術の利用によって実行される。さらに別な実施例によれば活性電極材料で成るフィルムがここで解説する活性電極材料の粒体から製造される。このフィルムは集電層上に成膜処理され、二重層コンデンサ等である様々な電気装置に使用される。使用可能な他のバインダにはポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルフェノール、ポリビニルピロリジン、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、およびポリアセチレンが含まれるが、これらに限定されない。

１実施例では活性電極材料の粒体を製造する方法は約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体で活性炭素を提供するステップと、バインダを提供するステップと、その活性炭素とバインダとを混合して混合物を得るステップとを含む。オプションでこの方法は導電性炭素粒体等の導電性粒体を提供するステップをさらに含む。１実施例ではこのバインダはＰＴＦＥであるか、ＰＴＦＥを含む。１実施例ではこの混合ステップは活性炭素と、導電性炭素と、バインダとを乾燥混合するステップを含む。１実施例ではこの混合ステップは処理添加剤を添加せずに実行される。別実施例ではこの混合ステップは処理添加剤を添加して実行される。

１実施例では電極は集電層と、その集電層に成膜された活性電極材料のフィルムとを含む。この活性電極材料は約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含む。この活性電極材料はさらにバインダを含む。この活性電極材料は導電性炭素粒体等の導電性粒体をも含む。１実施例ではこの活性炭素は約８０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から２０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含む。別実施例ではこの活性炭素は約８５から９５重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約５から１５重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含む。

１実施例では電気化学二重層コンデンサは第１集電層と、活性電極材料の第１フィルムとを含んだ第１電極を含む。この第１フィルムは第１面と第２面とを含む。この第１集電層はこの第１フィルムの第１面に形成される。この電気化学二重層コンデンサは第２集電層と活性電極材料の第２フィルムとを含んだ第２電極をさらに含む。この第２フィルムは第３面と第４面とを含む。この第２集電層は第２フィルムの第３面に形成される。この電気化学二重層コンデンサは第１フィルムの第２面と第２フィルムの第４面との間に配置された孔質セパレータと、容器と、電解質とをさらに含む。第１電極、第２電極、孔質セパレータおよび電解質はその容器内に収容されている。第１フィルムは少なくとも部分的にその電解質に浸沈している。この第２フィルムは少なくとも部分的にその電解質に浸沈している。この孔質セパレータは少なくとも部分的にその電解質に浸沈している。第１フィルムと第２フィルムのそれぞれは活性炭素の混合物を含む。この活性炭素は約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含む。１実施例ではこの電極フィルムは導電性炭素のごとき導電性粒体をさらに含む。１実施例ではこの電極フィルムはバインダをさらに含む。１実施例ではこのフィルムは導電性接着層を介してそれぞれの集電層上に成膜される。

本発明のこれら、および他の性能と特徴は以下の発明の詳細な説明と、添付図面と、本明細書の発明請求項とでさらに深く理解されるであろう。

図１は本発明の実施例による活性電極材料の製造方法の選択工程を図示する。 図２Ａは、ウルトラキャパシタ（超コンデンサ）において使用されるそれぞれの電極構造体の断面図である。 図２Ｂは、ウルトラキャパシタ（超コンデンサ）において使用されるそれぞれの電極構造体の断面図である。

明細書で解説される実施例は本発明を限定するものではなく、本発明の理解を助けることのみが意図されている。

“活性電極材料”は電極の可視外面サイズとほぼ同一の接触面積または反応面積を提供するばかりではなく電極機能を提供または増強する。例えば二重層コンデンサ電極では活性電極材料のフィルムは多孔質粒子を含み、電極が浸沈されている電解質と接触する電極の表面積は可視外面の面積を超えて増加する。事実、電解質と接触する表面積は活性電極材料で成るフィルムの体積の１要素である。

“フィルム”とは“層”および“シート”と類似した用語であり、材料の特定の厚みを指定するものではない。活性電極材料のフィルムの製造を説明するために使用されるとき、“粉末”、“粒体”、等々とは複数の微小顆粒のことである。専門家であれば理解しようが、粒状物体はときに粉末体、細粒物体、小粒体、微粉体、等々とも呼称される。本明細書を通じて“炭素”および“バインダ”粉末なる用語は本発明を限定するものではない。

“バインダ”とは炭素の結合を促すことができるポリマー、コポリマーおよび類似した超高分子量の物質のことである。このような物質は緩やかに結合された粒体物質の接着を促すための結合剤として利用される。すなわち特定利用時に有用な機能を発揮する活性充填物質である。

“カレンダ処理装置”、“ニップ処理装置”、“ラミネート処理装置”、等々とは押圧処理および圧縮処理のために利用される装置のことである。押圧処理はローラを利用して実施されるが、これには限定されない。“カレンダ処理”と“ラミネート処理”はローラの使用を含むプレス機での処理を意味するが、これに限定されない。混合処理またはブレンド処理は使用成分を混合して混合物とすることである。高せん断力または高衝撃力がそのような混合処理時に利用される。乾燥粉末の混合に使用できり例示的装置には、ボール型ミル、電磁式ボール型ミル、ディスク型ミル、ピン型ミル、高エネルギー衝撃式ミル、液体エネルギー衝撃型ミル、反対ノズルジェット式ミル、液床ジェット式ミル、ハンマー式ミル、フリッツ式ミル、ウォーリング式ブレンダ、ロール型ミル、メカノフュージョン式プロセッサ（例：ホソカワＡＭＳ）または衝撃型ミルが含まれる。

その他の定義および定義の解説は本明細書中に記載されている。それら定義は本明細書および請求項の理解を助けるものではあるが、本発明のスコープと精神を限定するものではない。

以下において添付図面に図示された本発明のいくつかの実施例を解説する。図面は概略図であり、サイズは正確ではない。図面の位置関係で上部、底部、左側、右側、上方、下方、近辺、等々の位置関係を表す表現が利用されている。これらは本発明を限定するものではない。

図１は活性電極材料を製造するための乾燥工程１００の選択操作を図示する。工程操作は実質的に連続的に説明されているが、操作によっては別順序、共同的またはパイプライン式、等々での実行が可能である。特に言及がない限り、または記載内容から当然でない限り、あるいは本質的ではない限り、本明細書で記載された操作の順番に実行する必要性はない。説明された全操作が必須であることはなく、他のオプション操作を工程１００に加えることも可能である。工程１００の操作およびその変形のさらに詳細な説明が概説に続いて提供されている。

操作１０５では異なる孔度を有した活性炭素粒体が提供される。本明細書ではミクロ孔部とは２ナノメータ以内の孔径を有した活性炭素の孔部であり、メソ孔部とは２ナノメータから５０ナノメータの孔径を有した活性炭素の孔部であり、マクロ孔部とは５０ナノメートルを超える孔径を有した活性炭素の孔部である。凝集した活性炭素材料はミクロ孔質活性炭素材料、メソ孔質活性炭素材料およびマクロ孔質活性炭素材料と分類される。ミクロ孔質活性炭素材料とは大部分がミクロ孔部（すなわち５０％を超える孔部がミクロ孔部）である凝集活性炭素材料である。メソ孔質活性炭素材料とは大部分がメソ孔部である凝集活性炭素材料である。マクロ孔質活性炭素材料とは大部分がマクロ孔部である凝集活性炭素材料である。

操作１１０では低汚染レベルで高導電性である導電性炭素粒体のごときオプションの導電性粒体、またはその他の導電性粒体が提供される。操作１１５ではバインダが提供される。実施例によっては様々なバインダが選択的に使用できようが、バインダはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥまたはテフロン（登録商標））を含むものでもよい。操作１２０では活性炭素、導電性炭素およびバインダが選択的にブレンドまたは混合される。典型的には２種類以上が混合される。あるいは実施例によってはこれら成分及び／又は操作の一部は省略される。

以下では好適形態および別形態である工程１００の個々操作のさらに詳細な説明が提供されている。その第１例として約７０から８０重量％がミクロ孔質活性炭素粒体であり、約２から３０重量％がメソ孔質活性炭素粒体である活性炭素粒体を対象とする操作１０５が解説されている。約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体の活性炭素粒体で製造される電極は、さらに高い割合のミクロ孔質活性炭素粒体の活性炭素粒体よりも電解質の移動性が高い。電極はこの電解質内に浸沈されており、その電解質内のイオンは局部的電解質欠乏現象を抑えるか防止する。従って実施例によっては操作１０５で提供される活性炭素粒体は約７０から９０重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有する。さらに特殊な実施例では操作１０５で提供される活性炭素粒体は約８０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約２から２０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有する。別実施例では操作１０５で提供される活性炭素粒体は約８５から９５重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、約５から１５重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有する。

操作１１５で、例えば顆粒状粉末形態のＰＴＦＥ及び／又は様々なフルオロポリマー粒体、ポリプロピレン、ポリエチレン、コポリマー及び／又は他のポリマーブレンドであるバインダが提供される。ＰＴＦＥのごとき不活性バイダの使用は、そのような不活性バインダを含む電極が操作される電圧を増加させる傾向がある。このような増加の原因の一部は、その処理後に電極が浸沈される電解質との反応の減少である。１実施例では、ＰＴＦＥ粒子の典型的な粒径は５００ミクロン程度である。

操作１２０では活性炭素粒体とバインダ粒体とがブレンドまたは混合される。様々な実施例では活性炭素（ミクロ孔質活性炭素とメソ孔質活性炭素の両方で成る）およびバインダの混合割合は、約８０から約９７重量％の活性炭素と、約３から約２０重量％のＰＴＦＥである。オプションで導電性炭素が約０から約１５重量％加えられる。１実施例は約８９．５重量％の活性炭素と、約１０重量％のＰＴＦＥと、約０．５重量％の導電性炭素とを含む。他の範囲の割合も本発明の範囲内である。ここで使用する百分率は全て重量百分率であるが、他の単位による割合でも利用が可能である。好適には導電性炭素の混合物に対する割合は低く保たれる。なぜなら導電性炭素の割合が増大すると、導電性炭素粒体で成る電極が処理後に浸沈される電解質の絶縁破壊電圧値が下がる傾向にあるからである（別例の電解質は以下で解説されている）。

工程１００のブレンド操作１２０は“乾燥ブレンド”操作である。すなわち活性炭素、導電性炭素及び／又はバインダの混合物へのブレンド処理は溶剤、液体、処理助剤、等々の助けなく実行される。乾燥ブレンド処理は、例えば均質な乾燥混合物が形成されるまで約１分間から約１０分間、ミル、ミキサーまたはブレンダ（例：高密度ミキシングバーを備えたＶブレンダまたは以下で解説するような他の代替装置）で実行される。専門家であれば本明細書からブレンド時間はバッチサイズ、材料、粒体サイズ、密度、および他の特性から総合的に判断すべきことを理解しよう。これらの考察は本発明の範囲内である。

１実施例ではブレンド操作１２０は活性炭素、導電性炭素及び／又はバインダを溶剤、液体、処理助剤、等々と共にブレンド処理する。例えばこのような添加物は最終的にフィルムを形成するために使用される工程によっては電極フィルムの形成に有用である。例えばフィルムの成膜処理工程または押出し処理工程は他の材料と混合する追加の添加物を必要とする。

上述のように、ブレンドされた乾燥粉末材料または他のブレンド材料（例：乾燥または湿潤添加剤）も他の装置を使用し、あるいは代替的に形成／混合／ブレンドされる。乾燥粉末または他の材料を準備／混合するために使用されるこのような装置には、ローリングブレンダおよびウォーリングブレンダ等の多様なブレンダや、ボール型ミル、電磁ボール型ミル、ディスク型ミル、ピン型ミル、高エネルギー衝撃式ミル、液体エネルギー衝撃式ミル、反対ノズルジェット式ミル、液床ジェット式ミル、ハンマー式ミル、フリッツ式ミル、ロール式ミル、メカノフュージョン式処理（例：ホソカワＡＭＳ）または衝撃式ミル等の様々な形式のミルが含まれる。１実施例では乾燥粉末材料は非潤滑高せん断力または高衝撃力技術によって乾燥混合される。１実施例では高せん断力または高衝撃力は上述のごときミルによって提供される。この乾燥粉末材料または他のブレンド材料がミル内に導入され、高速力及び／又は高パワーが乾燥粉末材料に加えられ、乾燥粉末材料または他のブレンド材料内にて高せん断力または高衝撃力を作用させる。乾燥混合時に発生するこのせん断力または衝撃力はバインダに対して物理的な影響を及ぼし、材料内でバインダにより、及び／又はバインダと粒体を結合させる。

さらに、溶剤、液体、等々の添加物は、ここで開示する特定電極の製造実施例によっては必須ではないが、湿気等の不純物が周囲環境から活性電極材料に吸収される。専門家であれば理解しようが、本明細書を読めば本発明の実施例と工程で使用される乾燥粒体は、粒体として製造業者から提供される前に添加物で予備処理されており、その結果、本発明での処理前から残留物を含む。これらの理由で、ここで解説する実施例や工程によっては最終的な電解質含浸工程に先立って乾燥工程が利用され、前述の予備処理残留物や不純物が除去または低減される。乾燥処理後であっても微量の湿気、残留物および不純物が活性電極材料や電極フィルム内に存在する。

活性電極材料及び／又は活性電極フィルムの製造に利用される乾燥ブレンド処理、乾燥粒体および他の乾燥材料や乾燥処理は、ここで記述されたもの以外の他の乾燥物および乾燥処理の利用を排除しない。例えばこのような乾燥処理は、処理助剤、液体、溶剤、等々を使用して製造された粒体やフィルムの乾燥処理後に達成することができる。

工程１００のごとき処理工程で得られる製品は電極フィルムの製造に利用できる。このフィルムはアルミまたは他の導電材料で成るフォイル等の集電層に接着される。この集電層は連続状金属フォイル、金属メッシュ、または金属製不織布でよい。この金属製集電層は電極フィルムのために連続的な導電基板を提供する。その接着特性を向上させるために集電層を接着処理前に予備処理することができる。集電層の予備処理には物理的粗化処理、化学的ピット形成処理、及び／又は専門技術者に知られているコロナ放電処理法、活性プラズマ処理法、紫外線レーザ処理法または高周波処理法のごとき表面活性化処理が含まれる。１実施例では電極フィルムは専門家に知られた導電性接着剤の中間層を介して集電層に接着される。

１実施例では工程１００で得られる製品は処理助剤と混合され、電極フィルムを集電層に成膜処理するために専門技術者が使用するスラリー状組成物が得られる。このスラリー状組成物は集電層の片面または両面に塗布される。乾燥処理操作後に活性電極材料の塗膜が集電層上に形成される。このフィルムを備えた集電層はカレンダ処理によってフィルムが濃密化され、集電層へのフィルムの接着性が向上する。

１実施例では工程１００によって得られる製品は処理助剤と混合されてペースト状の材料が得られる。このペースト状材料は押出し成型されてフィルム状に成型され、集電層の片面または両面に塗布される。乾燥処理操作後に活性電極材料のフィルムが集電層上に形成される。この乾燥フィルムが成膜された集電層はカレンダ処理によってフィルムが濃密化され、集電層へのフィルムの接着性が向上する。

別実施例によれば工程１００で得られる製品のバインダ粒体は熱可塑性粒体または熱硬化性粒体を含む。熱可塑性粒体または熱硬化性粒体を含んだ工程１００で得られる製品は電極フィルムの製造に使用される。このようなフィルムはアルミ製または別な導電性材料で成るフォイルのごとき集電層に接着される。このフィルムは熱カレンダ装置によって集電層に接着される。この集電層はその接着性能を向上させるために接着処理前に予備処理される。集電層の予備処理には物理的粗化処理、化学的ピット形成処理、及び／又は専門技術者に知られたコロナ放電処理法、活性プラズマ処理法、紫外線処理法、レーザ処理法、または高周波処理法のごとき表面活性化処理法の利用が含まれる。

添加剤を使用したり、添加剤を使用せずに活性電極材料フィルムを形成し、そのフィルムを集電層に接着させる他の方法でも利用できる。

図２Ａと図２Ｂを含む図２はウルトラキャパシタまたは二重層コンデンサで使用できる電極構造体２００のそれぞれの断面図を図示する。図２Ａで示す電極構造体２００の部材は次の順番にアレンジされている。すなわち、第１集電層２０５、第１活性電極フィルム２１０、孔質セパレータ２２０、第２活性電極フィルム２３０、および第２集電層２３５である。実施例によっては導電性接着層（図示せず）が電極フィルム２１０の接着処理に先立って集電層２０５に成膜される（フィルム２３０に関しては集電層２３５）。図２Ｂで示す二重層２１０と２１０Ａのフィルムは集電層２０５に関するものであり、二重層２３０と２３０Ａのフィルムは集電層２３５に関するものである。このように二重層コンデンサが形成される。すなわち、両面に炭素フィルムを有した集電層が形成される。さらに孔質セパレータ２２０Ａも含まれる。特にジェリロール型において含まれる。この孔質セパレータ２２０Ａは図示のように上部フィルム２１０Ａに隣接して接着されるか取り付けられ、または底部フィルム２３０Ａ（図示せず）に隣接して接着されるか取り付けられる。フィルム２１０と２３０（および２１０Ａと２３０Ａ）は図１に関して説明した工程１００により得られる活性電極材料の粒体を使用して製造される。電極構造体２００を使用した例示的な二重層コンデンサは電解質および電解質を入れる容器、たとえば密封式缶体を含む。電極構造体２００はこの容器内に配置され、電解質に浸沈される。多くの実施例では集電層２０５と２３７はアルミフォイル製であるが、孔質セパレータ２２０はセラミック、紙、ポリマー、ポリマー繊維、グラスファイバから選択的に製造でき、電解質溶液は、ＰＣまたはアセトニトリル溶剤等の有機溶液中の１．５Ｍテトラメチルアンモニウムテトラフルオロボレートを含む。別の電解質例は以下で説明されている。

以下は二重層コンデンサまたはウルトラキャパシタで使用できる電解液の例であるが、これらに限定されない。すなわち、１モル濃度の硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、１モル濃度の過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）、１モル濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）、１モル濃度の塩化カリウム（ＫＣｌ）、１モル濃度の過塩素酸（ＨＣｌＯ４）、１モル濃度の硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、１モル濃度の塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、および１モル濃度のＭｇＣｌ２/Ｈ２Ｏ/エタノールである混合水溶液。コンデンサにおいて使用できる非水性非プロトン電解溶剤には、アセトニトリル、ガンマ-ブチロラクトン、ジメトキシエタン、Ｎ，Ｎ-ジメチルホルムアミド、ヘキサメチルホスホロトリアミド、プロピレンカルボネート、ジメチルカルボネート、テトラヒドロフラン、２-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルファイト、スルフォラン（テトラ-メチレンスルフォン）、ニトロメタンおよびジオキソランが含まれる。さらに非プロトン系溶剤に使用が可能な電解質塩には、テトラアルキルアンモニウム塩（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４）、メチルトリエチルアンモニウムテトラフルオロンボレート（（Ｃ２Ｈ５）３ＣＨ３ＮＢＦ４）、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ４Ｈ９）４ＮＢＦ４）およびテトラエチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート（（Ｃ２Ｈ５）ＮＰＦ６）、等々）、テトラアルキルホスホニウム塩（テトラエチルホスホニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４）、テトラプロピルホスホニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ３Ｈ７）４ＰＢＦ４）、テトラブチルホスホニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ４Ｈ９）４ＰＢＦ４）、テトラヘキシルホスホニウムテトラフルオロボレート（（Ｃ６Ｈ１３）４ＰＢＦ４）、テトラエチルホスホニウムヘキサフルオロホスフェート（（Ｃ２Ｈ５）４ＰＰＦ６）およびテトラエチルホスホニウムトリフルオロメチルスルホネート（（Ｃ２Ｈ５）４ＰＣＦ３ＳＯ３）等々）、並びにリチウム塩（リチウムテトラフルオロボレート（ＬｉＢＦ４）、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ６）、リチウムトリフルオロメチルスルホネート（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、等々）が含まれる。さらに利用できる無溶剤イオン液には、１-エチル-３-メチルイミダゾリウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭＢｅＴｉ）、１-エチル-３-メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニルイミド（ＥＭＩＭＩｍ）、ＥＭＩＩｍ、ＥＭＩＢｅｔｉ、ＥＭＩＭｅｔｈｉｄｅ、ＤＭＰＩＩｍ、ＤＭＰＩＢｅｔｉ、ＤＭＰＩＭｅｔｔｈｉｄｅ、ＢＭＩＩｍ、ＢＭＩＢｅｔｉ、ＢＭＩＭｅｔｈｉｄｅ、ＰＭＰＩｍ、およびＢＭＰＩｍが含まれる。アニオンとして使用する例にはビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、ビス（ペルフルオドエチルスルホニル）イミド（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、およびトリス（トリフルオロメチルスルホニル）メチド（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−が含まれる。カチオンとして使用する例には、ＥＭＩ（１-エチル-３-メチルイミダゾリウム）、ＤＭＰＩ（１，２-ジメチル-３-プロピルイミダゾリウム、ＢＭＩ（１-ブチル-３-メチルイミダゾリウム）、ＰＭＰ（１-Ｎ-プロピル-３-メチルピリジニウム、およびＢＭＰ（１-Ｎ-ブチル-３-メチルピリジニウム）が含まれる。

集電層及び／又は孔質セパレータに取り付けられる活性電極フィルムを含む電極製品はウルトラキャパシタまたは二重層コンデンサ及び／又は他の電気エネルギー保存装置に利用できる。

約７０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と約２から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体の活性炭素、あるいは場合によっては約８０から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と約２から２０重量％のメソ孔質活性炭素粒体の活性炭素、または約８５から９５重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と約５から１５重量％のメソ孔質活性炭素粒体の活性炭素を使用する工程１００を利用したいくつかの実施例では、高性能のウルトラキャパシタまたは二重層コンデンサ製品が提供される。このような製品はさらに約１０重量％のバインダと、約０．５重量％の導電性炭素のごとき導電性粒体とを含む。

活性電極材料、活性電極材料フィルム、活性電極材料フィルム製電極および活性電極材料電極を使用する二重層コンデンサを製造する本発明の方法を詳細に解説した。この解説は本発明の説明のみを目的とする。本発明の特定の実施例あるいはその特徴部は本発明を制限するものではない。特に本発明は特定の電極材料や材料混合割合に限定されない。本発明は二重層コンデンサに使用される電極に限定されない。ここで解説する特定の特徴は本発明の精神とスコープを逸脱せずに他の形態においても利用が可能である。多くの追加的改良は本発明の開示内であり、本発明の特徴の一部が採用されずとも本発明の実施は可能である。よって解説された実施例は本発明の範囲を定義するものではなく、本発明の真の範囲は「請求の範囲」により定義されたものである。

Claims (31)

1. 活性電極材料の製造方法であって、全活性炭素重量に対して７０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有した活性炭素を準備するステップと、バインダを準備するステップと、前記活性炭素と前記バインダとを混合して混合物を得るステップと、を含んでいることを特徴とする方法。
2. 活性炭素を準備するステップは、全活性炭素重量に対して８０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から２０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有した活性炭素を準備するステップであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 活性炭素を準備するステップは、全混合物重量に対して８０重量％から９７重量％の活性炭素を準備するステップであり、バインダを準備するステップは全混合物重量に対して３重量％から２０重量％のバインダを準備するステップであることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 導電性粒体を準備するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 導電性粒体は導電性炭素を含んでいることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 混合ステップは活性炭素とバインダとを乾燥ブレンドするステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 混合ステップは処理助剤を使用することなく実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 混合ステップは処理助剤を使用して実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 混合物から電極フィルムを製造するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 電極であって、集電層と、該集電層に取り付けられる活性電極材料製のフィルムとを含んで成り、前記活性電極材料は全活性炭素重量に対して７０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有した活性炭素を含んでいることを特徴とする電極。
11. 活性炭素は、８０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から２０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有していることを特徴とする請求項１０記載の電極。
12. 活性電極材料は活性炭素とバインダとを含んでおり、フィルム重量に対して前記活性炭素は８０重量％から９７重量％であり、バインダは３重量％から２０重量％であることを特徴とする請求項１０記載の電極。
13. 活性電極材料は活性炭素とバインダとの混合物であることを特徴とする請求項１０記載の電極。
14. 電気化学二重層コンデンサであって、
    第１集電層と、活性電極材料製の第１フィルムとを含んだ第１電極を含んでおり、該第１フィルムは第１面と第２面とを有しており、前記第１集電層は前記第１フィルムの前記第１面に取り付けられており、前記第１フィルムは、全活性炭素重量に対して７０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有した活性炭素を含んでおり、本コンデンサは、
    第２集電層と、活性電極材料製の第２フィルムとを含んだ第２電極をさらに含んでおり
    、該第２フィルムは第３面と第４面とを有しており、前記第２集電層は前記第２フィルムの前記第３面に取り付けられており、本コンデンサは、
    前記第１フィルムの前記第２面と前記第２フィルムの前記第４面との間に配置される孔質セパレータと、容器と、電解質とをさらに含んでおり、
    前記第１電極と、前記第２電極と、前記孔質セパレータと、前記電解質とは前記容器内に収納されており、
    前記第１フィルムは前記電解質内に少なくともその一部が浸沈しており、前記第２フィルムは該電解質内に少なくともその一部が浸沈しており、前記孔質セパレータは該電解質内に少なくともその一部が浸沈していることを特徴とする二重層コンデンサ。
15. フィルムは導電性接着層を介してそれぞれ対応する集電層に取り付けられていることを特徴とする請求項１４記載の二重層コンデンサ。
16. 活性炭素は、７０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、２重量％から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを有していることを特徴とする請求項１４記載の二重層コンデンサ。
17. 活性電極材料は活性炭素とバインダとを含んでおり、フィルム重量に対して前記活性炭素は８０重量％から９７重量％であり、バインダは３重量％から２０重量％であることを特徴とする請求項１４記載の二重層コンデンサ。
18. 活性電極材料は活性炭素とバインダとの混合物であることを特徴とする請求項１４記載の二重層コンデンサ。
19. 活性電極材料は活性炭素とバインダとの混合物であることを特徴とする請求項１０記載の電極。
20. 活性電極材料のフィルムは、処理溶媒の残留物及び添加バインダを含まない乾燥カーボン及び乾燥バインダの乾燥混合物を含む乾燥フィルムを備えることを特徴とする請求項１０記載の電極。
21. 活性電極材料のフィルムは３から２０重量％であることを特徴とする請求項１９記載の電極。
22. バインダはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含むことを特徴とする請求項１９記載の電極。
23. 電極はコンデンサ電極であることを特徴とする請求項１０記載の電極。
24. 電極はバッテリ電極であることを特徴とする請求項１０記載の電極。
25. 集電層は、連続状金属フォイル、金属メッシュまたは金属製不織布を含むことを特徴とする請求項１０記載の電極。
26. 活性炭素の総量は、全活性炭素重量に対して８５重量％から９５重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、５重量％から１５重量％のメソ孔質活性炭素粒体とを含むことを特徴とする請求項１０記載の電極。
27. 電極を備えるエネルギー保存装置であって、
    前記電極は、集電層と、前記集電層に取り付けられた活性電極材料の乾燥フィルムとを、備え、
    前記活性電極材料は、全活性炭素重量に対して７０重量％から９８重量％のミクロ孔質活性炭素粒体と、全活性炭素重量に対して２重量％から３０重量％のメソ孔質活性炭素粒体と、乾燥バインダと、を含むことを特徴とするエネルギー保存装置。
28. バインダはＰＴＦＥを含むことを特徴とする請求項２７記載のエネルギー保存装置。
29. フィルムは処理溶媒の残留物を含んでいないことを特徴とする請求項２７記載のエネルギー保存装置。
30. 該エネルギー保存装置はコンデンサであることを特徴とする請求項２７記載のエネルギー保存装置。
31. 該エネルギー保存装置はバッテリであることを特徴とする請求項２７記載のエネルギー保存装置。
    

Images