キャパシタ用電極およびその製造方法
【課題】キャパシタ用電極の製造過程において、成形時の圧力を増加させるなどして活性炭事態に変化を加えることなく、体積当たりの静電容量の大きいキャパシタ用電極およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】キャパシタ用電極は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラック１を用いたことを特徴とする。また、キャパシタ用電極は活性炭２に前記カーボンブラック１を混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする。
【解決手段】キャパシタ用電極は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラック１を用いたことを特徴とする。また、キャパシタ用電極は活性炭２に前記カーボンブラック１を混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ用電極およびその製造方法に関するものであり、特に電動車両に使用される蓄電装置に用いられて好適である。
【背景技術】
【０００２】
電動車両には電力を供給して車両を駆動させたり電力を回生させたりするために蓄電装置を車載している。このような電動車両の蓄電装置は急峻な充放電に対応するためにキャパシタを備えている。しかしながら、キャパシタは、体積当たりの静電容量（エネルギー密度）が低く、蓄電装置を車載するに当たっての課題となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
キャパシタの特性を握る重要部位は電極であり、その材料として活性炭が多く用いられている。活性炭は、キャパシタ性能への影響が大きく、容量の大きなもの、出力の大きなもの、耐久性の良いものなどと用途に応じて使い分けられている。活性炭の特性を生かしつつキャパシタの体積当たりの静電容量を増加させるには、電極を成形するときの圧力を増加させて、高密度に充填する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９２５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように電極材料を用い圧力を増加させて高密度に充填するには、プレス機等の新たに大型な設備が必要であったり、その設備を設置するための広い作業スペースが必要であったり等、製造するのが容易ではないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、キャパシタ用電極の製造過程において、成形時の圧力を増加させるなどして活性炭自体に変化を加えることなく、体積当たりの静電容量の大きいキャパシタ用電極およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るキャパシタ用電極は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いたことを特徴とする。
また、活性炭に前記カーボンブラックを混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする。
また、前記カーボンブラックに印加電力量を略１１．７（Ｗｈ）とするプラズマを照射したことを特徴とする。
本発明に係るキャパシタ用電極の製造方法は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いて製造したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、成形時の圧力を増加させるなどして活性炭に変化を加えることなく、体積当たりの静電容量が大きい高性能なキャパシタ用電極を製造することができる。また、キャパシタ用電極の導電材であるカーボンブラックのみの改質を行うために、活性炭の種類を問わず体積当たりの静電容量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プラズマを照射させ微細化されたカーボンブラックと活性炭とを混合させた状態を示す模式図である。
【図２】プラズマを照射させていないカーボンブラックと活性炭とを混合させた状態を示す模式図である。
【図３】プラズマ印加電力量と体積当たりの静電容量増加率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
キャパシタ用電極は、主成分を導電材の性能を有するカーボンブラックと帯電性能を有する活性炭及び両者を結合するバインダとから成り、それらを混合させた上でプレスすることにより製造される。
本実施形態では、体積当たりの静電容量を増加させるために、活性炭とカーボンブラックとを混合する前に、粉末状のカーボンブラックに出力を最適制御したプラズマを照射させる。最適制御したプラズマを照射させることでカーボンブラックの二次粒子径を微細化させ、流動性を向上させることができ、微細化させたカーボンブラックと活性炭とを用いてキャパシタ用電極を製造する。
【００１１】
流動性が増したカーボンブラックは、活性炭間の隙間に良好に充填され、活性炭間の導電経路を増加させることができる。図１は、プラズマを照射させ微細化されたカーボンブラック１と活性炭２とを混合させた状態を示す模式図である。図２は、プラズマを照射させていないカーボンブラック１と活性炭２とを混合させた状態を示す模式図である。
図１に示すように、微細化されたカーボンブラック１を活性炭２に混合させることで、カーボンブラック１は活性炭２間の隙間に充填させることができ、図２に示すようなプラズマを照射させない場合よりも高密度に構成することができる。
【００１２】
このように、カーボンブラックを活性炭間により高密度に充填させることでカーボンブラックと活性炭との接触面積が増え、カーボンブラックの導電経路としての機能がより発揮され、活性炭の帯電性能を引き出すことができる。すなわち、プレス圧をかけて成形したときと同様、体積当たりの静電容量を増加させることができる。なお、体積当たりの静電容量はＦ／ｃｃで表され、電極重量当たりの静電容量Ｆ／ｇと密度ｇ／ｃｃとから算出される。
また、上述したカーボンブラックに照射させるプラズマの印加電力量は５〜１５Ｗｈが好ましい。印加電力を上げるとより効果が増大するが、印加電力を上げすぎると静電容量の低下に繋がるために、印加電力量は１１．７Ｗｈ程度が最適である。
【００１３】
次に、体積当たりの静電容量を増加させることができる実施例としてのキャパシタ用電極の製造方法について説明する。
まず、導電材であるカーボンブラック（三菱化学、商品名「ケッチェンブラック」）をプラズマＣＶＤ装置（Ｓａｍｃｏ製、商品名「ＢＰ−１」）にて処理をした。炭酸ガスおよびアルゴンガスを総流量５０ｍｌ／分で流し、６７Ｐａに減圧後、室温にて低温プラズマ処理を施した。炭酸ガス濃度は、８０体積％とし、プラズマ印加電力量をそれぞれ５Ｗｈ、１１．７Ｗｈ、１５Ｗｈにしてキャパシタ用電極を製造した。
【００１４】
具体的には、キャパシタ用電極として電気二重層キャパシタ用電極を製造する場合について以下、説明する。
活性炭粉末、プラズマ処理を施したカーボンブラック（三菱化学、商品名「ケッチェンブラック」）およびポリテトラフルオロエチレン粉末（アルドリッチ）を重量比７：２：１の割合で、エタノール０．３ｍｌを加えながら混練した。ここで、ポリテトラフルオロエチレンは、活性炭とカーボンブラックとを結合するバインダ（結着材）としての性能を有する。ポリテトラフルオロエチレンは、自身に導電性はなく、蜘蛛の巣状となって活性炭とカーボンブラックとを結合した状態で保持する。次に、混練物を０．１ｇ取り、直径１６ｍｍのペレット形成器を用いて、２ＭＰａで圧縮成形し、１２０℃で１時間真空焼成後、ポンチで打ち抜き、直径１４ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの成形電極を作製した。
【００１５】
成形電極およびセパレータを電解液中にて４０分間脱気した後、コイン型２端子セルにて定電流充放電試験を行った。なお、セパレータにはセルロース（ＮＫＫ、商品名「ＴＦ４０」）、電解液には濃度１ｍｏｌ／Ｌのトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート／プロピレンカーボネート溶液を用いた。
【００１６】
プラズマ処理を施したカーボンブラックを用いた電気二重層キャパシタ用電極の電極密度、重量当たりの静電容量、重量当たりの静電容量増加率、体積当たりの静電容量および体積当たりの静電容量増加率の測定結果をプラズマ印加電力量ごとに実施例１〜実施例３として表１に示す。
【００１７】
一方、プラズマ処理を施さないカーボンブラックを用いて、上述した作製方法と同様の方法により作製した電気二重層キャパシタ用電極の電極密度、重量当たりの静電容量、重量当たりの静電容量増加率、体積当たりの静電容量および体積当たりの静電容量増加率の測定結果を比較例として表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
なお、表１の測定結果における静電容量測定時の電流密度は、６．５ｍＡ／ｃｍ2である。また、表１における実施例１〜実施例３の重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率は、比較例の重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率を基準にしたときの増加率である。
表１に示すように、プラズマ処理を施した電気二重層キャパシタ用電極は、実施例１〜実施例３の何れも比較例に比べて、電極密度、重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率が増加している。
【００２０】
次に、表１の測定結果のうち、プラズマ印加電力量と体積当たりの静電容量増加率との相関を取り上げて図３のグラフに示す。
図３に示すように、プラズマ処理を施した電気二重層キャパシタ用電極は、実施例１〜実施例３の何れもプラズマ処理を施していない電気二重層キャパシタ用電極である比較例と比べて、１．１５倍〜１．２９倍に増加している。特に、プラズマ印加電力量を１１．７Ｗｈにすることで、最も体積当たりの静電容量増加率が上昇することが分かる。
【００２１】
このように本実施形態によれば、キャパシタ用電極に電力を制御したプラズマを照射したカーボンブラックを用いることにより、高圧プレスを行わなくても、体積当たりの静電容量が大きいキャパシタ用電極を製造することができる。また、カーボンブラックにプラズマを照射し、活性炭に対して改質処理をすることがないので、活性炭の特性を損なうことがなく、安定した電極性能を得ることができる。
【００２２】
以上、本発明を実施例に沿って説明したが、本発明は実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１：カーボンブラック ２：活性炭
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ用電極およびその製造方法に関するものであり、特に電動車両に使用される蓄電装置に用いられて好適である。
【背景技術】
【０００２】
電動車両には電力を供給して車両を駆動させたり電力を回生させたりするために蓄電装置を車載している。このような電動車両の蓄電装置は急峻な充放電に対応するためにキャパシタを備えている。しかしながら、キャパシタは、体積当たりの静電容量（エネルギー密度）が低く、蓄電装置を車載するに当たっての課題となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
キャパシタの特性を握る重要部位は電極であり、その材料として活性炭が多く用いられている。活性炭は、キャパシタ性能への影響が大きく、容量の大きなもの、出力の大きなもの、耐久性の良いものなどと用途に応じて使い分けられている。活性炭の特性を生かしつつキャパシタの体積当たりの静電容量を増加させるには、電極を成形するときの圧力を増加させて、高密度に充填する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９２５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように電極材料を用い圧力を増加させて高密度に充填するには、プレス機等の新たに大型な設備が必要であったり、その設備を設置するための広い作業スペースが必要であったり等、製造するのが容易ではないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、キャパシタ用電極の製造過程において、成形時の圧力を増加させるなどして活性炭自体に変化を加えることなく、体積当たりの静電容量の大きいキャパシタ用電極およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るキャパシタ用電極は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いたことを特徴とする。
また、活性炭に前記カーボンブラックを混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする。
また、前記カーボンブラックに印加電力量を略１１．７（Ｗｈ）とするプラズマを照射したことを特徴とする。
本発明に係るキャパシタ用電極の製造方法は、電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いて製造したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、成形時の圧力を増加させるなどして活性炭に変化を加えることなく、体積当たりの静電容量が大きい高性能なキャパシタ用電極を製造することができる。また、キャパシタ用電極の導電材であるカーボンブラックのみの改質を行うために、活性炭の種類を問わず体積当たりの静電容量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プラズマを照射させ微細化されたカーボンブラックと活性炭とを混合させた状態を示す模式図である。
【図２】プラズマを照射させていないカーボンブラックと活性炭とを混合させた状態を示す模式図である。
【図３】プラズマ印加電力量と体積当たりの静電容量増加率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
キャパシタ用電極は、主成分を導電材の性能を有するカーボンブラックと帯電性能を有する活性炭及び両者を結合するバインダとから成り、それらを混合させた上でプレスすることにより製造される。
本実施形態では、体積当たりの静電容量を増加させるために、活性炭とカーボンブラックとを混合する前に、粉末状のカーボンブラックに出力を最適制御したプラズマを照射させる。最適制御したプラズマを照射させることでカーボンブラックの二次粒子径を微細化させ、流動性を向上させることができ、微細化させたカーボンブラックと活性炭とを用いてキャパシタ用電極を製造する。
【００１１】
流動性が増したカーボンブラックは、活性炭間の隙間に良好に充填され、活性炭間の導電経路を増加させることができる。図１は、プラズマを照射させ微細化されたカーボンブラック１と活性炭２とを混合させた状態を示す模式図である。図２は、プラズマを照射させていないカーボンブラック１と活性炭２とを混合させた状態を示す模式図である。
図１に示すように、微細化されたカーボンブラック１を活性炭２に混合させることで、カーボンブラック１は活性炭２間の隙間に充填させることができ、図２に示すようなプラズマを照射させない場合よりも高密度に構成することができる。
【００１２】
このように、カーボンブラックを活性炭間により高密度に充填させることでカーボンブラックと活性炭との接触面積が増え、カーボンブラックの導電経路としての機能がより発揮され、活性炭の帯電性能を引き出すことができる。すなわち、プレス圧をかけて成形したときと同様、体積当たりの静電容量を増加させることができる。なお、体積当たりの静電容量はＦ／ｃｃで表され、電極重量当たりの静電容量Ｆ／ｇと密度ｇ／ｃｃとから算出される。
また、上述したカーボンブラックに照射させるプラズマの印加電力量は５〜１５Ｗｈが好ましい。印加電力を上げるとより効果が増大するが、印加電力を上げすぎると静電容量の低下に繋がるために、印加電力量は１１．７Ｗｈ程度が最適である。
【００１３】
次に、体積当たりの静電容量を増加させることができる実施例としてのキャパシタ用電極の製造方法について説明する。
まず、導電材であるカーボンブラック（三菱化学、商品名「ケッチェンブラック」）をプラズマＣＶＤ装置（Ｓａｍｃｏ製、商品名「ＢＰ−１」）にて処理をした。炭酸ガスおよびアルゴンガスを総流量５０ｍｌ／分で流し、６７Ｐａに減圧後、室温にて低温プラズマ処理を施した。炭酸ガス濃度は、８０体積％とし、プラズマ印加電力量をそれぞれ５Ｗｈ、１１．７Ｗｈ、１５Ｗｈにしてキャパシタ用電極を製造した。
【００１４】
具体的には、キャパシタ用電極として電気二重層キャパシタ用電極を製造する場合について以下、説明する。
活性炭粉末、プラズマ処理を施したカーボンブラック（三菱化学、商品名「ケッチェンブラック」）およびポリテトラフルオロエチレン粉末（アルドリッチ）を重量比７：２：１の割合で、エタノール０．３ｍｌを加えながら混練した。ここで、ポリテトラフルオロエチレンは、活性炭とカーボンブラックとを結合するバインダ（結着材）としての性能を有する。ポリテトラフルオロエチレンは、自身に導電性はなく、蜘蛛の巣状となって活性炭とカーボンブラックとを結合した状態で保持する。次に、混練物を０．１ｇ取り、直径１６ｍｍのペレット形成器を用いて、２ＭＰａで圧縮成形し、１２０℃で１時間真空焼成後、ポンチで打ち抜き、直径１４ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの成形電極を作製した。
【００１５】
成形電極およびセパレータを電解液中にて４０分間脱気した後、コイン型２端子セルにて定電流充放電試験を行った。なお、セパレータにはセルロース（ＮＫＫ、商品名「ＴＦ４０」）、電解液には濃度１ｍｏｌ／Ｌのトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート／プロピレンカーボネート溶液を用いた。
【００１６】
プラズマ処理を施したカーボンブラックを用いた電気二重層キャパシタ用電極の電極密度、重量当たりの静電容量、重量当たりの静電容量増加率、体積当たりの静電容量および体積当たりの静電容量増加率の測定結果をプラズマ印加電力量ごとに実施例１〜実施例３として表１に示す。
【００１７】
一方、プラズマ処理を施さないカーボンブラックを用いて、上述した作製方法と同様の方法により作製した電気二重層キャパシタ用電極の電極密度、重量当たりの静電容量、重量当たりの静電容量増加率、体積当たりの静電容量および体積当たりの静電容量増加率の測定結果を比較例として表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
なお、表１の測定結果における静電容量測定時の電流密度は、６．５ｍＡ／ｃｍ2である。また、表１における実施例１〜実施例３の重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率は、比較例の重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率を基準にしたときの増加率である。
表１に示すように、プラズマ処理を施した電気二重層キャパシタ用電極は、実施例１〜実施例３の何れも比較例に比べて、電極密度、重量当たりの静電容量増加率および体積当たりの静電容量増加率が増加している。
【００２０】
次に、表１の測定結果のうち、プラズマ印加電力量と体積当たりの静電容量増加率との相関を取り上げて図３のグラフに示す。
図３に示すように、プラズマ処理を施した電気二重層キャパシタ用電極は、実施例１〜実施例３の何れもプラズマ処理を施していない電気二重層キャパシタ用電極である比較例と比べて、１．１５倍〜１．２９倍に増加している。特に、プラズマ印加電力量を１１．７Ｗｈにすることで、最も体積当たりの静電容量増加率が上昇することが分かる。
【００２１】
このように本実施形態によれば、キャパシタ用電極に電力を制御したプラズマを照射したカーボンブラックを用いることにより、高圧プレスを行わなくても、体積当たりの静電容量が大きいキャパシタ用電極を製造することができる。また、カーボンブラックにプラズマを照射し、活性炭に対して改質処理をすることがないので、活性炭の特性を損なうことがなく、安定した電極性能を得ることができる。
【００２２】
以上、本発明を実施例に沿って説明したが、本発明は実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１：カーボンブラック ２：活性炭
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いたことを特徴とするキャパシタ用電極。
【請求項２】
活性炭に前記カーボンブラックを混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ用電極。
【請求項３】
前記カーボンブラックに印加電力量を略１１．７（Ｗｈ）とするプラズマを照射したことを特徴とする請求項１または２に記載のキャパシタ用電極。
【請求項４】
電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いて製造したことを特徴とするキャパシタ用電極の製造方法。
【請求項１】
電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いたことを特徴とするキャパシタ用電極。
【請求項２】
活性炭に前記カーボンブラックを混合し、圧力をかけて成形されていることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ用電極。
【請求項３】
前記カーボンブラックに印加電力量を略１１．７（Ｗｈ）とするプラズマを照射したことを特徴とする請求項１または２に記載のキャパシタ用電極。
【請求項４】
電極材料にプラズマを照射したカーボンブラックを用いて製造したことを特徴とするキャパシタ用電極の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１５２９６（Ｐ２０１２−１５２９６Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９９００（Ｐ２０１０−１４９９００）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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