説明

電気化学キャパシタ用電極材料およびその製造方法

【課題】高い容量を持つキャパシタ電極材料およびその製造方法を提供する。
【解決手段】結晶構造がスピネル型構造及び/又はペロブスカイト型構造であるマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料を用いる。BET比表面積が50m/g以上であることが好ましい。当該電極材料は、マンガン−亜鉛共沈物スラリーから得られる共沈物を乾燥・焼成する際に、焼成後、アルカリ性水溶液で洗浄することによって製造する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学キャパシタ用電極材料およびその製造方法に関するものであり、詳しくは、マンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、電気化学的な電荷貯蔵現象を利用した電気化学キャパシタは、出力密度が高いこと、優れた可逆性を有することから、メモリーのバックアップ用電源、無停電補償電源などに利用されている。
【0003】
電気化学キャパシタは、一般に蓄電機構から電気二重層キャパシタとレドックスキャパシタに分類される。
【0004】
電気二重層キャパシタは、分極性電極とイオン導電性の電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積して使用する蓄電デバイスである。その容量は電解液に接触可能な電極の比表面積に比例するため、電極材料としては高比表面積の炭素材料が使われるが、電極材料の比表面積に限界があり、容量値に限界が生じる。
【0005】
一方、レドックスキャパシタは、電極材料の可逆的なレドックス変化により電荷を蓄積する蓄電デバイスであり、電極材料としては金属酸化物や導電性ポリマーなどが検討されている。例えば、RuOを電極材料として用いたキャパシタは高容量を示す。しかし、RuOは材料であるRuが希少元素のため高価であり、代替材料が望まれている。
【0006】
RuOに代わる材料として二酸化マンガンをはじめとする遷移金属酸化物や遷移金属酸化物をカーボン材料上にコーティングしたものが検討されているが、容量は十分ではない。何故ならば、遷移金属酸化物や遷移金属酸化物をカーボン材料上にコーティングされたものの多くは、遷移金属酸化物当りの容量は改善されてはいるが、容量の小さなカーボン材料やバインダーが含まれる為に、実際のキャパシタとしての容量が実用として満足できる量ではなかった(特許文献1)。
【0007】
【特許文献1】特開2001−93512(請求項および実施例)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、高い容量を持つキャパシタ電極材料およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
高い容量を持つキャパシタ電極材料およびその製造方法を提供する目的で鋭意検討を行った結果、特定のBET比表面積及び結晶構造を有するマンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなることを特徴とする電気化学キャパシタ用電極材料が前記課題を解決でき、その製造方法として、例えば、マンガン−亜鉛共沈物スラリーから得られる共沈物を乾燥・焼成する電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法において、焼成後、アルカリ性水溶液で洗浄する製造方法により、当該マンガンおよび亜鉛の複合酸化物を製造できることを見出し、本発明を完成した。
【0010】
即ち本発明は、結晶構造がスピネル型構造及び/又はペロブスカイト型構造であるマンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなることを特徴とする電気化学キャパシタ用電極材料およびその製造方法に関するものである。
【0011】
以下、本発明を具体的に説明する。
【0012】
本発明のキャパシタ用電極材料は、マンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなる。マンガン単独の酸化物や亜鉛単独の酸化物の場合、高い容量は得られない。即ち、結晶構造がスピネル型構造、ペロブスカイト型構造、又はスピネル型構造とペロブスカイト型構造の混合相であるマンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料により初めて高い容量が得られる。
【0013】
スピネル型構造は化学式
XY
(X、Yはそれぞれ異なる元素)
で示される酸化物に見られる結晶構造の一形式であり、立方晶系に属し、単位格子中に化学単位(XY)を8個含むものである。MgAl、FeAl、CoA
などがスピネル型構造をもつことが知られている。一般にはX:Yのモル比は1:2であるが、1:2以外のものも知られている。
【0014】
ペロブスカイト構造は化学式
ABO
(A、Bはそれぞれ異なる元素)
で示される酸化物に見られる結晶構造の一形式であり、理想型では立方晶系に属し、単位格子中に化学単位(ABO)を1個含むものである。立方晶系に属する理想型は少なく、多くは少し歪んで正方晶系、単斜晶系、斜方晶系、六方晶系になっている。CaTiO、BaTiO、KNbOなどがペロブスカイト型構造をもつことが知られている。
一般にはA:Bのモル比は1:1であるが、1:1以外のものも知られている。
【0015】
マンガンおよび亜鉛以外の元素の複合酸化物の場合でも、スピネル型構造、ペロブスカイト型構造をとり得るが、高い容量は得られない。
【0016】
マンガンおよび亜鉛の複合酸化物のBET比表面積は50m/g以上400m/g未満であることが好ましい。BET比表面積が50m/gより小さい場合、高い容量を得ることは困難である。
【0017】
BET比表面積が大きければ大きい程、電気化学キャパシタ用電極材料の容量が大きくなり好ましいが、本発明のマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料では、400m/g未満でも高い性能が得られ、300m/g未満が好ましい。
【0018】
又、本発明の電気化学キャパシタ用電極材料において、マンガンおよび亜鉛の複合酸化物中のマンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}が0.50以上0.80以下であることが電気化学キャパシタ用電気化学材料の容量が大きく好ましい。
【0019】
何故ならば、0.50未満になると、マンガン−亜鉛複合酸化物の生成が困難となり、不純物としてZnOが生成し易く、このZnOの容量が低いために、全体の容量が低下してしまい、0.80を超えても、マンガン−亜鉛複合酸化物の生成が困難となり、不純物として二酸化マンガンが生成し易く、二酸化マンガンの低い容量に近づく為に容量が低下する。
【0020】
更に、マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}が0.60以上0.80以下であることが電気化学キャパシタ用電気化学材料の容量が更に大きく好ましい。
【0021】
本発明のキャパシタ用電極材料の製造方法は特に限定されないが、例えば、マンガン−亜鉛共沈物スラリーから得られる共沈物を乾燥・焼成する電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法において、焼成後、アルカリ性水溶液で洗浄する製造方法により、本発明のマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料が得られる。
【0022】
使用するマンガンおよび亜鉛の塩は特に限定されず、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩などを挙げることが出来る。
【0023】
マンガン−亜鉛共沈物スラリーを得る方法は特に限定されず、例えば、マンガンおよび亜鉛の塩を水に溶解した水溶液に塩基性水溶液を添加して水酸化物スラリーとする方法、蓚酸を添加して蓚酸塩スラリーとする方法などがある。
【0024】
マンガンおよび亜鉛の塩を水溶液中のマンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}を、0.1以上0.95未満にすると、本発明のマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料が得られるので好ましい。
【0025】
共沈物スラリーから共沈物を得る方法は特に限定されず、遠心分離、濾過などでマンガン−亜鉛共沈物を得ることが出来る。
【0026】
焼成する温度は本発明の所望の結晶構造のマンガン及び亜鉛の複合酸化物を得るためには、200〜550℃にすることが必須であり、350〜550℃にすることが好ましい。何故ならば、550℃を超えると50m/g以上を得ることは難しく、高い容量を得ることは困難であり、200℃未満であれば、結晶構造がスピネル型構造、ペロブスカイト型構造、又はスピネル型構造とペロブスカイト型構造の混合相とならず、こちらも高い容量を得ることは困難であり好ましくない。
【0027】
焼成後、アルカリ性水溶液で洗浄する処理を行うことが好ましい。何故ならば、マンガン−亜鉛共沈物スラリーから得られる共沈物を焼成したものは、亜鉛単独の酸化物を含有する場合もあり、この亜鉛単独の酸化物が存在すると容量の低下を招くため、これを除去することにより高い容量を得ることが出来る。
【0028】
アルカリ性水溶液は特に限定されず、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などで洗浄することが可能である。
【発明の効果】
【0029】
本発明の電気化学キャパシタ用電極材料は、マンガンおよび亜鉛の複合酸化物からなり、高い容量を発現する為、メモリーのバックアップ用電源、無停電補償電源、ハイブリッド自動車用電源などへの利用できる。
【実施例】
【0030】
以下に、本発明の具体例として実施例を示すが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0031】
実施例で合成した試料の分析は以下の方法で行った。
【0032】
1)X線回折測定
MXP3(マックサイエンス社)を用いて、CuKαをX線源として測定を行った。
【0033】
2)BET比表面積測定
フローソーブIII2305(島津製作所)にてBET比表面積を測定した。
【0034】
3)組成分析
測定試料を溶解後、OPTIMA3000DV(パーキンエルマージャパン)にてICP‐AES分析により組成分析を行った。
【0035】
4)キャパシタ容量測定
本発明のキャパシタ電極材料を用いてレドックスキャパシタを構成し、キャパシタ容量を評価した。
【0036】
測定試料と、ポリテトラフルオロエチレンとアセチレンブラックとの混合物(商品名:TAB−2)とを重量比で4:1の割合で混合し、1ton/cmの圧力でディスク状に成型し、キャパシタ容量測定用電極を作成した。この電極を電解液として0.5M硫酸ナトリウム水溶液を満たしたH型セルにセットし、対極には白金板をセットした。参照極には飽和カロメル電極(SCE)を用い、2mV/secの走印速度で、0〜1Vの範囲でサイクリックボルタモグラム測定を行った。5サイクル目のボルタモグラムより容量を算出した。容量は測定試料とTAB−2とを混合したものの重量当りで算出した。
【0037】
実施例1
0.05Mの酢酸マンガン4水和物水溶液1リットルと0.20Mの酢酸亜鉛2水和物水溶液1リットルを混合し、マンガン−亜鉛混合水溶液(R=0.2)を調製した。この混合水溶液を攪拌しながら、0.5M蓚酸水溶液1リットルを滴下し、マンガン−亜鉛混合スラリーを得た。濾過、洗浄、乾燥後、400℃で1時間焼成した後、この内5gを4Mの水酸化ナトリウム水溶液中に投入し、60℃で3日間攪拌した。その後、濾過、洗浄、乾燥を行いマンガン−亜鉛複合酸化物(「R=0.2‐400」と表記する。)を得た。
【0038】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.2‐400)はスピネル型構造(ZnMn)であった。図1にそのX線回折パターンを示した。BET比表面積は110m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.61であった。
【0039】
図2に5サイクル目のサイクリックボルタモグラムを示した。ボルタモグラムが矩形となり、キャパシタ的な応答が確認され、容量は225F/gであった。
【0040】
実施例2
実施例1の焼成温度を500℃とした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.2‐500)を得た。
【0041】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.2‐500)は、スピネル型構造(ZnMn)とペロブスカイト型構造(ZnMnO)の混合相であり、そのBET比表面積は66m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.55であった。
【0042】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は166F/gであった。
【0043】
実施例3
実施例1の酢酸マンガン4水和物水溶液の濃度を0.075M、酢酸亜鉛2水和物水溶液の濃度を0.175Mとした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.3‐400)を得た。
【0044】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.3‐400)は、ペロブスカイト型構造(ZnMnO)であった。図3にそのX線回折パターンを示した。BET比表面積は148m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.50であった。
【0045】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は187F/gであった。
【0046】
実施例4
実施例1の酢酸マンガン4水和物水溶液の濃度を0.167M、酢酸亜鉛2水和物水溶液の濃度を0.083Mとした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐400)を得た。
【0047】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐400)は、スピネル型構造(ZnMn)であり、そのBET比表面積は145m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.66であった。
【0048】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は201F/gであった。
【0049】
実施例5
実施例1の酢酸マンガン4水和物水溶液の濃度を0.2M、酢酸亜鉛2水和物水溶液の濃度を0.05Mとした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.8‐400)を得た。
【0050】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.8‐400)は、スピネル型構造(ZnMn)であり、そのBET比表面積は114m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.78であった。
【0051】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は196F/gであった。
【0052】
実施例6
実施例1の焼成温度を600℃とした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.2‐600)を得た。
【0053】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.2‐600)は、ペロブスカイト型構造(ZnMnO)であり、そのBET比表面積は47m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.51であった。
【0054】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は99F/gであった。BET値が低い場合、容量が低下したが、同様のBET値のニッケルマンガン複合酸化物に比べて2倍以上の容量を維持した。
【0055】
実施例7
実施例1の酢酸マンガン4水和物水溶液の濃度を0.025M、酢酸亜鉛2水和物水溶
液の濃度を0.225Mとした以外は実施例1と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合
酸化物(R=0.1‐400)を得た。
【0056】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.1‐400)は、ペロブスカイト型構造であり、そのBET比表面積は105m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.50であった。
【0057】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は205F/gであった。
【0058】
実施例8
0.167Mの酢酸マンガン4水和物水溶液1リットルと0.083Mの酢酸亜鉛2水和物水溶液1リットルを混合し、マンガン−亜鉛混合水溶液(R=0.67)を調製した。この混合水溶液を攪拌しながら、0.5M蓚酸水溶液1リットルを滴下し、マンガン−亜鉛混合スラリーを得た。濾過、洗浄、乾燥後、270℃で焼成しマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐270)を得た。
【0059】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐270)は、スピネル型構造であり、そのBET比表面積は325m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.66であった。
【0060】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は211F/gであった。
【0061】
実施例9
実施例8の焼成温度を200℃とした以外は実施例8と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐200)を得た。
【0062】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐200)は、スピネル型構造であり、そのBET比表面積は395m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.66であった。
【0063】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は186F/gであった。
【0064】
比較例1
0.25Mの酢酸亜鉛2水和物水溶液2リットルを攪拌しながら、0.5M蓚酸水溶液1リットルを滴下し、蓚酸亜鉛スラリーを得た。濾過、洗浄、乾燥後、400℃で1時間焼成し亜鉛酸化物を得た。
【0065】
こうして得られた亜鉛酸化物についてXRD測定を行ったところ、酸化亜鉛(ZnO)であり、そのBET比表面積は62m/gであった。サイクリックボルタモグラムはほぼ平坦であり、容量は4F/gであった。
【0066】
比較例2
0.25Mの酢酸マンガン4水和物水溶液2リットルを攪拌しながら、0.5M蓚酸水溶液1リットルを滴下し、蓚酸マンガンスラリーを得た。濾過、洗浄、乾燥後、270℃で熱処理し二酸化マンガンを得た。
【0067】
こうして得られた二酸化マンガンは、BET比表面積は390m/gであった。
【0068】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は90F/gであった。
【0069】
比較例3
実施例4の酢酸マンガン水溶液を酢酸ニッケル類溶液とした以外は実施例4と同様の操作を行い、マンガン−ニッケル複合酸化物を得た。
【0070】
こうして得られたマンガン−ニッケル複合酸化物は、スピネル型構造(NiMn)であり、そのBET比表面積は50m/gであった。
【0071】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は39F/gであった。
【0072】
比較例4
実施例8の焼成温度を180℃とした以外は実施例8と同様の操作を行い、マンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐180)を得た。
【0073】
こうして得られたマンガン−亜鉛複合酸化物(R=0.67‐180)は、スピネル型構造とマンガン蓚酸塩、亜鉛蓚酸塩の混合物であり、そのBET比表面積は62m/gであった。マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}は0.66であった。
【0074】
サイクリックボルタモグラムは矩形を示し、容量は40F/gであった。
【0075】
実施例1〜9及び比較例1〜4の結果を以下の表1にまとめた。
【0076】
表1から明らかなように、本発明のマンガンおよび亜鉛の複合酸化物を電気化学キャパシタ用電極材料とすることにより、高容量のキャパシタを得ることが出来る。
【0077】
【表1】

【図面の簡単な説明】
【0078】
【図1】実施例1のマンガン−亜鉛複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。
【図2】実施例1のマンガン−亜鉛複合酸化物の5サイクル目のサイクリックボルタムグラムを示す図である。
【図3】実施例3のマンガン−亜鉛複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
結晶構造がスピネル型構造及び/又はペロブスカイト型構造であるマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料。
【請求項2】
BET比表面積が50m/g以上400m/g未満である請求項1に記載のマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料。
【請求項3】
BET比表面積が50m/g以上300m/g未満である請求項2に記載のマンガン及び亜鉛の複合酸化物からなる電気化学キャパシタ用電極材料。
【請求項4】
マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}が0.50以上0.80以下である請求項1乃至請求項3に記載の電気化学キャパシタ用電極材料。
【請求項5】
マンガンと亜鉛のモル比R{R=マンガン/(マンガン+亜鉛)}が0.60以上0.80以下である請求項4に記載の電気化学キャパシタ用電極材料。
【請求項6】
マンガン−亜鉛共沈物スラリーから得られる共沈物を乾燥・焼成する電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法において、当該スラリーから得られる共沈物を乾燥・焼成後、アルカリ性水溶液で洗浄することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法。
【請求項7】
マンガン−亜鉛共沈物スラリーが、マンガンと亜鉛のモル比R(R=マンガン/(マンガン+亜鉛))が0.1以上0.95未満のマンガンおよび亜鉛の塩水溶液からから得る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用電極材料の製造方法。
【請求項8】
焼成温度が200℃以上550℃以下である事を特徴とする請求項6乃至請求項7記載の電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法。
【請求項9】
焼成温度が350℃以上550℃以下である事を特徴とする請求項8記載の電気化学キャパシタ用電極材料の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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