(57)【要約】【課題】本発明は、スーパーキャパシタに関する。【解決手段】本発明のスーパーキャパシタは、第一電極、第二電極、電解液、セパレーター及びハウジングからなる。前記第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターが前記ハウジングの中に設置され、前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、前記第一電極又は／及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極、第二電極、電解液、セパレーター及びハウジングからなるスーパーキャパシタにおいて、
前記第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターが前記ハウジングの中に設置され、前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、
前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、
前記第一電極又は／及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体からなることを特徴とするスーパーキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパーキャパシタに関し、特にカーボンナノチューブを使用したスーパーキャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スーパーキャパシタは、電解コンデンサ又は電気二重層コンデンサと呼ばれる。該スーパーキャパシタは、一般的に、電極、セパレーター及び電解液を含み、該電極及びセパレーターは、前記電解液の中に設置される。前記電極は、集電体と、該集電体に設置された電極材料を含む。従来技術のスーパーキャパシタの製造方法は、まず、電極材料を十分に研磨してから、その中に接着剤を加入し、撹拌して均一的な混合物にする。次に、プレス方法で前記混合物を前記集電体にプレスし、所定の形状を有する電極を形成する。最後に、電極を、セパレーターを含む電解液の中に設置し、スーパーキャパシタを形成する。
【０００３】
スーパーキャパシタの電気容量は、電極材料によって決められる。理想的な電極材料に対して、結晶度が高く、導電性が良く、比表面積が大きく、微孔構造が所定の範囲に集中する要望がある。現在、スーパーキャパシタの電極材料としては、主に活性炭及び遷移金属酸化物がある。活性炭の導電性が良くなく、該活性炭を電極とするスーパーキャパシタは、抵抗が大きく、該活性炭の比表面積の利用率が３０％以下であるので、電解質のイオンが進入しにくい。遷移金属酸化物を電極とするスーパーキャパシタは、電気容量が大きいが、コストが高く、広く応用することができない。
【０００４】
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは、直径が数ナノメートル〜数十ナノメートルであり、長さが数マイクロメートル〜数十マイクロメートルであり、その比表面積が大きく、結晶度が高く、導電性が良く、比表面積の利用率が１００％に達することができ、理想的なスーパーキャパシタの電極材料である。
【０００５】
非特許文献２は、カーボンナノチューブをスーパーキャパシタの電極材料とすることを公開する。多層のカーボンナノチューブ粉末をフィルム電極に製造し、該フィルム電極を封装し、スーパーキャパシタを形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】中国特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書
【特許文献２】特許出願第２００８−２６４５０９号明細書
【特許文献３】特許出願第２００８−１３１４２８号明細書
【特許文献４】中国特許第１００４１１９７９号明細書
【特許文献５】中国特許出願公開第１９８２２０９号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、“Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６
【非特許文献２】Ｃｈｕｎｍｉｎｇ  Ｎｉｕ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ”、Ａｐｐｌｙ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ、１９９７年、第７０巻、ｐ．１４８０−１４８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記フィルム電極の製造方法において、カーボンナノチューブ原料が粉末状であり、凝集しやすいので、該フィルム電極におけるカーボンナノチューブは、均一的に分散できない。従って、該カーボンナノチューブを表面改質する必要がある。しかし、表面改質されたカーボンナノチューブもまた凝集しやすいので、製造されたフィルム電極は、靱性が良くなく、断裂しやすく、スーパーキャパシタの性能に影響を及ぼす。
【０００９】
従って、本発明は、高電気容量及び高パワー密度を有するスーパーキャパシタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
スーパーキャパシタは、第一電極、第二電極、電解液、セパレーター及びハウジングからなる。前記第一電極、第二電極、電解液及びセパレーターが前記ハウジングの中に設置され、前記第一電極と前記第二電極が分離して前記電解液の中で設置され、前記セパレーターが前記第一電極と前記第二電極の間に設置され、該第一電極と該第二電極と分離し、前記第一電極又は／及び前記第二電極が、カーボンナノチューブ構造体からなる。
【発明の効果】
【００１１】
従来のスーパーキャパシタと比べると、本発明のスーパーキャパシタの電極は、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体において、複数の微孔構造を有するので、電荷が通りやすい。また、前記カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが良い導電性及び大きな比表面積を有するので、前記スーパーキャパシタ１０は、高電気容量、高パワー密度及び高導電率を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るスーパーキャパシタの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る第一種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る第二種の一つのカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る第二種のもう一つのカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る第三種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る第四種のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る第一種のカーボンナノチューブワイヤを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る第二種のカーボンナノチューブワイヤを示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ構造体を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るスーパーキャパシタにおいて、３ミリアンペア（ｍＡ）の電流を流す場合の充電−放電の曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
（実施形態１）
図１を参照すると、本実施形態は、スーパーキャパシタ１０を提供する。該スーパーキャパシタ１０は、平板型の構造である。該スーパーキャパシタ１０は、第一電極１０１、第二電極１０２、第一集電体１０３、第二集電体１０４、セパレーター１０５、電解液１０６、ハウジング１０７を含む。前記電解液１０６は、前記ハウジング１０７の中に収容される。前記第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４は、前記電解液１０６の中に分離して設置されている。前記第一電極１０１は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第一集電体１０３の表面に設置されている。前記第二電極１０２は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記第二集電体１０４の表面に設置されている。前記セパレーター１０５は、前記第一電極１０１と前記第二電極１０２の間に設置され、該第一電極１０１及び該第二電極１０２と分離する。
【００１５】
前記カーボンナノチューブ構造体は、均一的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は数種である。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該単層カーボンナノチューブの直径は、０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は、１．０ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は、１．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。具体的には、前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤを含む。
【００１６】
前記カーボンナノチューブフィルムは、下記の四つの種類がある。
【００１７】
第一種の前記カーボンナノチューブフィルムについて、図２を参照する。一枚のカーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。該複数のカーボンナノチューブは、分子間力で端と端が接続される。さらに、前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列された複数のカーボンナノチューブを含み、該相互に平行に配列された複数のカーボンナノチューブが分子間力で接続される。前記カーボンナノチューブフィルム及びその製造方法は、特許文献１を参照する。
【００１８】
第二種の前記カーボンナノチューブフィルムについて、図３及び図４を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、均一的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブが等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。図３は、該カーボンナノチューブが等方的に配列されているカーボンナノチューブフィルムを示す。図４は、カーボンナノチューブが所定の方向に沿って配列されているカーボンナノチューブフィルムを示す。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、相互に積層し、分子間力で接続されるので、該カーボンナノチューブフィルムは、強靭性を有し、任意の形状に折り畳まれることができ、自立構造を有し、ここで、自立構造というものは、別の支持部材が利用されず、前記カーボンナノチューブフィルムが独立な構造を保持するものである。前記カーボンナノチューブフィルム及びその製造方法は、特許文献２を参照する。
【００１９】
第三種前記カーボンナノチューブフィルムについて、図５を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、互いに絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。ここで、一本の前記カーボンナノチューブの長さが１０マイクロメートル以上である。前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに引き付けあい絡み合って、ネットワーク構造に形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、等方的な導電性及び熱伝導性を有する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、均一的に、不規則的に配列され、微孔構造が形成される。特許文献３を参照する。
【００２０】
第四種前記カーボンナノチューブフィルムについて、図６を参照する。カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向又は複数の異なる方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、該複数のカーボンナノチューブがカーボンナノチューブフィルムの表面に平行に並列され、分子間力で接続される。該複数のカーボンナノチューブの長さは、基本的に同じである。一本のカーボンナノチューブの長さは、１センチメートル以上である。前記カーボンナノチューブフィルムの長さとカーボンナノチューブの長さが同じであることができる。この場合、前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、一本のカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブフィルムの一端から、もう一端までに延長する。
【００２１】
また、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを隙間なく平行に並列し、大寸法のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
【００２２】
前記カーボンナノチューブワイヤは、下記の二つの種類がある。
【００２３】
第一種のカーボンナノチューブワイヤについて、図７を参照する。カーボンナノチューブワイヤは、該カーボンナノチューブワイヤの長手方向に沿って、配列し、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。さらに、前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列して分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、任意の長さ、厚さ、均一性及び形状を有する。前記カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、直径が０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。特許文献４と特許文献５を参照する。
【００２４】
第二種のカーボンナノチューブワイヤについて、図８を参照する。カーボンナノチューブワイヤは、該カーボンナノチューブワイヤの軸向に沿って、螺旋配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含み、該複数のカーボンナノチューブセグメントの端と端が分子間力で接続される。各カーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に配列して分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブセグメントは、任意の長さ、厚さ、均一性及び形状を有する。前記カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、直径が０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。特許文献４と特許文献５を参照する。
【００２５】
前記カーボンナノチューブ構造体は、一枚のカーボンナノチューブフィルムのみ或いは、少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤ或いは、カーボンナノチューブフィルムと複数のカーボンナノチューブワイヤを含むこともできる。
【００２６】
図９を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブ構造体１２は、第一カーボンナノチューブフィルム１２１、第二カーボンナノチューブフィルム１２２、第三カーボンナノチューブフィルム１２３、第四カーボンナノチューブフィルム１２４が積層されてなる。各カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列される。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°〜９０°角度で交叉し、複数の微孔構造に形成されている。単一の前記微孔構造の直径は１ナノメートル〜５００ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体１２が第一電極１０１、第二電極１０２に含まれる。
【００２７】
前記セパレーター１０５は、ガラス繊維又はポリマーフィルムからなる。該セパレーター１０５は、前記電解液１０６の電解質イオンを通し、前記第一電極１０１と前記第二電極１０２とが接触することを防止できる。前記電解液１０６は、水性溶液又は有機溶液である。前記ハウジング１０７は、ガラスハウジング又はステンレスハウジングである。
【００２８】
前記第一集電体１０３と第二集電体１０４の材料は、グラファイト、アルミニウム、ニッケル、銅などである。該第一集電体１０３と該第二集電体１０４は、金属フィルムであり、銅フィルムであることが好ましく、それらの大きさは制限されず、実際の応用により、選択することができる。前記カーボンナノチューブ構造体１２自体が強い接着性を有するので、電極としてのカーボンナノチューブ構造体１２は、直接的に前記第一集電体１０３と第二集電体１０４の表面に接着することができる。或いは、電極としてのカーボンナノチューブ構造体１２は、接着剤で前記第一集電体１０３と第二集電体１０４の表面に接着することもできる。
【００２９】
前記カーボンナノチューブ構造体１２は、良い導電性、自立性及び安定性を有するので、前記スーパーキャパシタ１０は、前記第一集電体１０３と前記第二集電体１０４がなくてもよく、該カーボンナノチューブ構造体１２の表面に導電性接着剤を塗布することができる。
【００３０】
本実施形態は、スーパーキャパシタ１０を製造する方法を提供する。該方法は、下記のステップを含む。
【００３１】
第一ステップでは、第一集電体１０３及び第二集電体１０４を提供する。該第一集電体１０３及び該第二集電体１０４は、銅シートであることが好ましい。
【００３２】
第二ステップでは、カーボンナノチューブ構造体１２を提供する。次に、該第二ステップについて詳しく説明する。
【００３３】
まず、それぞれ第一カーボンナノチューブフィルム１２１、第二カーボンナノチューブフィルム１２２、第三カーボンナノチューブフィルム１２３及び第四カーボンナノチューブフィルム１２４を製造する。各カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って配列される。
【００３４】
次に、該第一カーボンナノチューブフィルム１２１、該第二カーボンナノチューブフィルム１２２、該第三カーボンナノチューブフィルム１２３及び該第四カーボンナノチューブフィルム１２４を積層する。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成す。本実施形態において、前記第二カーボンナノチューブフィルム１２２におけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第一カーボンナノチューブフィルム１２１及び前記第三カーボンナノチューブフィルム１２３におけるカーボンナノチューブの配列する方向と９０°の角度を成させる。前記第三カーボンナノチューブフィルム１２３おけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第二カーボンナノチューブフィルム１２２及び前記第四カーボンナノチューブフィルム１２４におけるカーボンナノチューブの配列する方向と９０°の角度を成させる。前記カーボンナノチューブ構造体１２を、図９に示す。
【００３５】
第三ステップでは、前記カーボンナノチューブ構造体１２をそれぞれ前記第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４の表面に設置する。
【００３６】
該カーボンナノチューブ構造体１２が良い接着性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体１２は、それ自体の接着性を利用して直接前記第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４の表面に接着することができる。或いは、導電接着剤を利用して前記第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４の表面に接着することもできる。
【００３７】
さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１２を有機溶剤で処理することができる。有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体１２を処理する方法は、下記に説明する。
【００３８】
試験管で有機溶剤を前記カーボンナノチューブ構造体１２の表面に滴下させ、該カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬する。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体１２を有機溶剤が詰められた容器に浸漬する。該有機溶剤は、揮発性有機溶剤であり、アルコール、メチルアルコール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は多種の混合物である。本実施形態において、アルコールを利用して前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬することにより、該アルコールの表面張力作用で、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが収縮する。従って、該カーボンナノチューブ構造体１２は、比表面積が小さくなり、接着性がなくなり、優れた機械強度と強靱性を有する。
【００３９】
第四ステップでは、セパレーター１０５及びハウジング１０７を提供し、前記カーボンナノチューブ構造体１２が設置された第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４を分離して前記ハウジング１０７の中に設置し、前記セパレーター１０５を前記第一集電体１０３と前記第二集電体１０４との間に設置する。本実施形態において、前記セパレーター１０５は、ノンブーンファブリックを採用する。
【００４０】
第五ステップでは、電解液１０６を提供し、該電解液１０６を前記ハウジング１０７に注入し、封装してスーパーキャパシタ１０を形成する。
【００４１】
前記電解液１０６を前記ハウジング１０７に注入してから、前記カーボンナノチューブ構造体１２が設置された第一集電体１０３及び前記第二集電体１０４、並びに前記セパレーター１０５が該電解液１０６の中に浸漬される。前記スーパーキャパシタ１０の封装過程が、不活性ガスを充填した、乾燥の雰囲気で行なわれる。
【００４２】
図１０を参照し、本実施形態のスーパーキャパシタ１０において、３ミリアンペア（ｍＡ）の電流を流す場合の充電−放電の曲線を示す。図１０から、該充電−放電の曲線と横軸と成す形状は、三角形状に近似し、該充電の曲線及び該放電の曲線が大体に軸対称であり、定電流で充電−放電する場合、該スーパーキャパシタ１０の電圧は、充電−放電する時間に対して、線形性を有し、該スーパーキャパシタ１０の電極の反応の可逆性が良いことが分かる。
【００４３】
前記スーパーキャパシタ１０の第一電極１０１と第二電極１０２は、全てカーボンナノチューブ構造体１２を含む。該カーボンナノチューブ構造体１２は複数の微孔構造を有するので、前記スーパーキャパシタ１０から、電荷が前記第一電極１０１と前記第二電極１０２を通りやすい。また、前記カーボンナノチューブ構造体１２において、複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが良い導電性及び大きな比表面積を有するので、前記スーパーキャパシタ１０は、高電気容量、高パワー密度及び高導電率を有する。前記スーパーキャパシタ１０の製造方法が簡単で、実際の応用に便利である。
【００４４】
また、前記第一電極１０１と第二電極１０２の少なく一つの電極は、カーボンナノチューブ構造体１２を含むことができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    スーパーキャパシタ
１２    カーボンナノチューブ構造体
１０１    第一電極
１０２    第二電極
１０３    第一集電体
１０４    第二集電体
１０５    セパレーター
１０６    電解液
１０７    ハウジング
１２１    第一カーボンナノチューブフィルム
１２２    第二カーボンナノチューブフィルム
１２３    第三カーボンナノチューブフィルム
１２４    第四カーボンナノチューブフィルム
【図１】
2010245556.tif 000003
【図９】
2010245556.tif 000004
【図１０】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010245556.tif 000008
【図５】
2010245556.tif 000009
【図６】
2010245556.tif 000010
【図７】
2010245556.tif 000011
【図８】
2010245556.tif 000012