(57)【要約】【課題】 活物質を介して移動するイオンを選択的に透過させ、結合剤によるイオン移動の妨害を避けて活物質の表面積を極大化することができて、スーパーキャパシタの電気容量を増大させることができるスーパーキャパシタ電極及び該電極を備えるスーパーキャパシタを提供する。【解決手段】本発明のスーパーキャパシタ電極は、通常のスーパーキャパシタで用いる結合剤の代りにイオン交換体を用いることを特徴とする。 【選択図】図２
2010206171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体と、
多孔質の隔離膜と、
多孔性活性炭素材料、導電材、及び陽イオン交換体を含む陰極と、
多孔性活性炭素材料、導電材、及び陰イオン交換体を含む陽極と、
を含むスーパーキャパシタ。
【請求項２】
前記陰極と陽極の両電極が、多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体、及び溶媒を含むスラリー混合物を、集電体に層として塗布して製造されることを特徴とする請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項３】
前記スラリー混合物全体１００重量％に対して、多孔性活性炭素材料の含量は３０〜４０重量％、導電材の含量は１〜５重量％、イオン交換体の含量は１〜５重量％、及び溶媒の含量は５０〜６０重量％であることを特徴とする請求項２に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項４】
前記集電体に塗布される電極層の厚さは、５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項５】
前記導電材が、顆粒状のアセチレンブラック、スーパーＰブラック、カーボンブラック、ハードカーボン、ソフトカーボン、黒鉛、及び金属粉末からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項６】
前記多孔性活性炭素材料が、炭素質のココナツシェル、石油系または石炭系ピッチ、コークス、フェノール系樹脂、及びポリビニルクロライドからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項７】
前記陽イオン交換体が、ポリ（２−スルホエチルメタクリレート）、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド）、ポリ（スチレンスルホネート）、ポリ（ホスファゼンスルホネート）、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンオキサイド、ポリ（ジメチルフェニレンオキサイド）プロピオン酸、スルホン化ポリウレタン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリ（ベンズイミダゾール）、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリプロピレン、スルホン化ポリメチルメタクリレート、パーフロロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン共重合体、フルオロ重合体またはフルオロ共重合体系のスルホン化テトラフルオロエチレン、ポリ（２，４−ジメチルフェニレンオキサイド）プロペン酸、及びスルホン化ポリ（エーテルエーテルケトン）からなる群より選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項８】
前記陰イオン交換体が、４級アンモニウム官能基、ジアルキルアミノまたは置換されたジアルキルアミノ官能基、及びアミノアルキルフォスフォネートまたはイミノ二酢酸官能基からなる群より選択される官能基を含有するゲル状またはマクロ多孔性高分子物質であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項９】
前記陰イオン交換体が、４級アンモニウム塩基または１〜３級アミンで置換されたポリスチレン樹脂及び、４−ホルミル−１−メチルピリジニウムベンゼンスルホネート、アンモニウム基、またはピリジニウム基が導入されたＰＶＡからなる群より選択されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１０】
溶媒に多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体を混合し、これらを攪拌してスラリーを製造するステップと、
前記スラリーを所定の厚さで集電体に塗布した後、乾燥するステップと、
前記乾燥されたスラリーを加圧するステップと、
を含むスーパーキャパシタ用電極の製造方法。
【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電極及び該電極を備えるスーパーキャパシタに関するもので、詳細には、スーパーキャパシタ電極が結合剤の代りにイオン交換体を備え、集電容量を向上することができるスーパーキャパシタ電極及び該電極を備えるスーパーキャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
高度な情報化時代を迎え、各種情報通信機器により多様で有用な情報をリアルタイムで収集・活用する高付加価値産業が注目されており、このようなシステムの信頼性を確保するためには、安定したエネルギーの供給が重要な要素として位置づけられている。
【０００３】
このようなエネルギーを確保するための最も一般的なエネルギー蓄積装置であるバッテリは、比較的小さい体積と重量で多大なエネルギーを蓄積でき、様々な用途に適した出力を出すことができるため、広く用いられている。しかし、バッテリはその種類に関係なく、蓄積特性やサイクル寿命が短いという共通の問題点があった。これはバッテリに含まれている化学物質の自然的劣化や使用に伴う劣化のためであって、他に代案がない限り、このようなバッテリの短所を受け入れながら使用するしかなかった。
【０００４】
一方、キャパシタを高容量にしたスーパーキャパシタ（supercapacitor）は、化学反応を用いるバッテリとは異なって、電極と電解液との間に形成される電気二重層を用いるエネルギー蓄積装置であり、これは電極と電解質界面への単純なイオンの移動や表面化学反応による充電を用いる。このため、急速充放電が可能であり、高い充放電効率及び半永久的サイクル寿命特性から、高度な情報化時代における補助バッテリやバッテリ代替用に使用できる次世代エネルギー蓄積装置として脚光を浴びている。
【０００５】
スーパーキャパシタの基本構造は、電極（electrode）、電解質（electrolyte）、集電体（current collector）、隔離膜（separator）を含み、単位セル電極の両端に数ボルトの電圧を加えると、電解液内のイオンが電場に沿って移動して電極表面に吸着される一連の電気化学的メカニズムを作動原理とする。
【０００６】
実際にスーパーキャパシタの電極製作には様々な物質が用いられている。具体的に、電極の最も基本的材料である炭素電極材料（活物質）、導電材、及び高分子結合剤が用いられ、これらをスラリー（slurry）に作って集電体に塗布することで電極を製造することができる。ここで、結合剤は、活物質どうしの結合形成や集電体と電極材料との間の結合力を提供するのに重要な役割を果たす。しかし、結合剤の使用のため、活物質内部へのイオンの移動経路が遮断されて、結局、スーパーキャパシタの容量を低減することになる。
【０００７】
これにより、次世代エネルギー蓄積装置として脚光を浴びているスーパーキャパシタが急速充放電が可能であり、高い充放電効率及び半永久的サイクル寿命特性を有する有利な長所があるにもかかわらず、結合剤などの構成上の要因から、バッテリよりも容量が小さくなる短所のため、その活用性に多くの制約がある。したがって、スーパーキャパシタの容量改善が、現在、スーパーキャパシタの広範囲な活用のために最も重要な課題となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、結合剤の代りにスーパーキャパシタの陰極には陽イオン交換体を、陽極には陰イオン交換体を用いることにより、活物質を介して所望のイオンだけを選択的に移動させて、結合剤の使用によるイオンの移動妨害を避けることができるようにして、スーパーキャパシタの容量を改善させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を達成するために、本発明は、通常のスーパーキャパシタ電極の製造に用いられる結合剤の代わりにイオン交換体を用い、イオンの選択的移動による電気容量を最適化するために、陰極では陽イオン交換体を、陽極では陰イオン交換体を用いる。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、直流電圧を印加する集電体と、多孔質の隔離膜と、多孔性活性炭素材料、導電材、及び陽イオン交換体を含んで製造された陰極と、多孔性活性炭素材料、導電材、及び陰イオン交換体を含んで製造された陽極と、を含むスーパーキャパシタが提供される。
【００１１】
本発明の一実施形態によるスーパーキャパシタにおける陰極と陽極の両電極は、多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体、及び溶媒を含むスラリー混合物を製造し、これを集電体に層として塗布して製造することができる。
【００１２】
上記スラリー混合物の全体１００重量％を基準とする場合、多孔性活性炭素材料の含量は３０〜４０重量％、導電材の含量は１〜５重量％、イオン交換体の含量は１〜５重量％、及び溶媒の含量は５０〜６０重量％であってもよい。
【００１３】
上記集電体に塗布される電極物質層は、５０〜２００μｍであってもよい。
【００１４】
上記導電材は、顆粒状のアセチレンブラック、スーパーＰブラック（Super P Black）、カーボンブラック、ハードカーボン（Hard carbon）、ソフトカーボン（Soft carbon）、黒鉛（Graphite）、及び金属粉末からなる群より選択される１種以上を用いることができる。
上記多孔性活性炭素材料は、炭素質のココナツシェル、石油系または石炭系ピッチ（coal pitch）、コークス、フェノール系樹脂、及びポリビニルクロライドからなる群より選択される１種以上を用いることができる。
【００１５】
上記陽イオン交換体は、ポリ（２−スルホエチルメタクリレート）、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド）、ポリ（スチレンスルホネート）、ポリ（ホスファゼンスルホネート）、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンオキサイド、ポリ（ジメチルフェニレンオキサイド）プロピオン酸、スルホン化ポリウレタン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリ（ベンズイミダゾール）、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリプロピレン、スルホン化ポリメチルメタクリレート、フルオロ重合体またはフルオロ共重合体系のスルホン化テトラフルオロエチレン、例えば、パーフロロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリ（テトラフルオロエチレン−コ−スルホン化ビニリデンフルオライド）、ポリ（２，４−ジメチルフェニレンオキサイド）プロペン酸、スルホン化ポリ（エーテルエーテルケトン）を用いることができる。
【００１６】
上記陰イオン交換体は、４級アンモニウム官能基（クロライド、ヒドロキシド、またはカーボネートの形態）、ジアルキルアミノまたは置換されたジアルキルアミノ官能基（遊離塩基または酸塩形態）及びアミノアルキルフォスフォネートまたはイミノ二酢酸官能基からなる群より選択される官能基を含有するゲル状またはマクロ多孔性（macroporous）高分子物質を使用することができる。また、４級アンモニウム塩基で置換されたポリスチレン樹脂及び／または１〜３級アミンで置換されたポリスチレン樹脂を使用することができる。また、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール（poly(vinyl alcohol)））に４−ホルミル−１−メチルピリジニウムベンゼンスルホネート、アンモニウム基、またはピリジニウム基を導入したものを使用することができる。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、溶媒に多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体を混合し、これを攪拌してスラリーを製造するステップと、上記スラリーを所定の厚さで集電体に塗布して乾燥させるステップと、上記乾燥されたスラリーを加圧するステップと、を含むスーパーキャパシタ用電極の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の実施形態による、結合剤の代りにイオン交換体を用いて製造された電極を備えるスーパーキャパシタは、陽極と陰極の両電極から必要とされるイオンだけを選択的に移動させることができ、結合剤が占める空間によるイオンの移動妨害を避けることができるので、電気容量を増大できる優れた効果がある。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の電気二重層スーパーキャパシタを示す概略図である。
【図２】本発明によるスーパーキャパシタを示す概略図である。
【図３】本発明の実施例１において結合剤の代りにイオン交換体を用いて製造されたスーパーキャパシタと、本発明の比較例２において両電極のうち一電極にだけイオン交換体を用いたスーパーキャパシタあるいは従来の結合剤を用いて製造されたスーパーキャパシタに対して、それぞれ出力特性を評価し、比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。
【００２１】
図１を参照すると、従来の電気二重層スーパーキャパシタ１は、外部を囲むガスケット（gasket）２と、その内部に多孔質の隔離膜４、上記隔離膜４の両面に対向配置されて直流電圧を印加する集電体３、上記集電体３上に電極スラリー物質（斜線部分）を塗布して製造される電極６を備える。
【００２２】
従来、このような構成を有するスーパーキャパシタにおいて、上記電極の両端が連結されている集電体３に数ボルトの電圧を加えると電場が形成され、これにより電解質内のイオンが移動して電極表面に吸着されて電気が蓄積される電気化学的メカニズムの原理により電気が充電される。本発明によるスーパーキャパシタもこのような構造原理を同様に利用する。
【００２３】
図２は、本発明によるスーパーキャパシタの概略図であって、本発明の特徴をより具体的に説明するために、集電体１２に塗布された電極部分を拡大して示している。これを参照すると、本実施例の電極は、大きい粒状の活性炭１５、小さい粒状の導電材１６、及びイオン交換体［陽極では陰イオン交換体１７、陰極では陽イオン交換体１８］を溶媒中で混合してスラリー混合物を作り、集電体に塗布することで製造される。図２の陽極と陰極は、陰イオン交換体１７と陽イオン交換体１８を図示するために任意に選定したものであり、互いに変わってもよい。このようなスラリー電極物質を集電体に塗布する場合には、層として塗布することができる。電極の厚さは５０〜２００μｍであってもよく、電極物質が上記範囲未満または上記範囲を超えて塗布されると所望の充電特性が得られない。
【００２４】
以下、本発明の実施例によるスーパーキャパシタの構成要素及び電極物質に用いられる材料について詳細に説明する。
【００２５】
＜集電体＞
集電体１２の材質としては、使用電圧範囲にて溶解・析出が起こらなく導電性の高い金属、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレススチールなどの金属、導電性高分子フィルム、導電性充填材含有プラスチックフィルムなどの非金属などの様々な材料を用いることができる。本発明では使用中の抵抗増加を抑制でき、安いアルミニウムを板型または薄型にして使用する。
【００２６】
＜電極＞
●多孔性活性炭素材料（活物質）
本発明で使用する炭素質材料は、特に限定されなく、活性炭として活性化できるものであれば何れも使用できる。例えば、炭素質のココナツシェル、石油系及び／または石炭系ピッチ、コークス、フェノール系樹脂、ポリビニルクロライドなどが挙げられる。炭素質材料の形態は特に制限はなく、例えば顆粒状、微粉状、繊維状、シート状などが挙げられる。
【００２７】
繊維状またはシート状の炭素質材料の例には、天然セルロース繊維（綿など）、再生セルロース繊維（ビスコースレーヨン、ポリノジックレーヨンなど）、パルプ繊維、合成繊維（ポリビニルアルコール繊維、ポリエチレン−ビニルアルコール繊維など）、また、これら繊維の織布、不織布、フィルム、フェルト、及びシートが挙げられる。
【００２８】
活性炭は炭素質材料を活性化することにより製造できる。その活性のために、任意の公知の方法を用いることができる。具体的には、炭素質材料としては、酸化能のある化学物質、例えば塩化亜鉛、リン酸、硫酸、塩化カルシウム、水酸化ナトリウム、重クロム酸カリウム、過マンガン酸カリウムなど（化学的活性化）と、水蒸気、プロパンガス、Ｃ２Ｏ、及びＨ２Ｏの混合物である燃焼ガスから発生した排出ガス、二酸化炭素ガスなど（気体活性化）で活性化されることができる。
【００２９】
●導電材（conducting agent）
導電材としては、例えば、顆粒状のアセチレンブラック、スーパーＰブラック、カーボンブラック、ハードカーボン、ソフトカーボン、黒鉛、金属粉末（Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、ステンレススチールまたはこれら金属の１種類以上を含む合金）と、これらの金属を無電解メッキによりカーボンブラック、活性カーボン、ハードカーボン、ソフトカーボン、黒鉛にコーティングした粉末のうち１種類または２種類以上を混合したものを使用することができる。
【００３０】
●陽イオン交換体（cation exchange material）
本発明で使用する陽イオン交換体１８は、負に荷電した物質であって、陽イオンは通過させ、陰イオンは通過させない物質をいう。通常、スーパーキャパシタに用いられる陽イオン交換体は、電気的抵抗が小さく、イオンの選択透過性に優れ、化学的安定性が良く、機械的強度が大きいことをその要件とする。
【００３１】
より詳しくは、陽イオン交換体として強酸性陽イオン交換物質及び弱酸性陽イオン交換物質を用いることができる。例えば、ポリ（２−スルホエチルメタクリレート）、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド）、ポリ（スチレンスルホネート）、ポリ（ホスファゼンスルホネート）、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンオキサイド、ポリ（ジメチルフェニレンオキサイド）プロピオン酸、スルホン化ポリウレタン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリ（ベンズイミダゾール）、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリプロピレン、スルホン化ポリメチルメタクリレート、フルオロ重合体またはフルオロ共重合体系のスルホン化テトラフルオロエチレン、例えば、パーフロロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリ（テトラフルオロエチレン−コ−スルホン化ビニリデンフルオライド）、ポリ（２，４−ジメチルフェニレンオキサイド）プロペン酸、スルホン化ポリ（エーテルエーテルケトン）を単独または混合して用いることができる。
【００３２】
現在、商用化された大部分の陽イオン交換体はフッ素系高分子に陽イオン交換基を導入した形態であって、その例として、米国デュポン社のペルフルオロスルホネート基含有高分子であるナフィオン（NafionTM）系がある。また、これと類似の商用陽イオン交換体としては、旭化成株式会社（Asahi Chemicals）のAciplex-S、ダウケミカルズ社（Dow Chemicals）のダウ（Dow）、旭硝子株式会社（Asahi Glass）のフレミオン（Flemion）、ゴア・アンド・アソシエイツ（Gore & Associate）社のゴアセレクト（Gore Select）などが市販されており、これらも本発明で使用できる。
【００３３】
●陰イオン交換体（anion exchange material）
本発明で使用する陰イオン交換体１７は正に荷電した物質であって、陰イオンは通過させ、陽イオンは通過させない物質をいう。陰イオン交換体も上記陽イオン交換体と同様に、電気抵抗が小さく、イオンの選択透過性に優れ、化学的安定性が良く、機械的強度が大きいことをその要件とする。
【００３４】
本明細書で使用される陰イオン交換体としては、強塩基性陰イオン交換物質（ＳＢＡ）、弱塩基性陰イオン交換物質（ＷＢＡ）、及び陰イオン性官能物質が使用でき、４級アンモニウム官能基（クロライド、ヒドロキシド、またはカーボネートの形態）、ジアルキルアミノまたは置換されたジアルキルアミノ官能基（遊離塩基または酸塩形態）、及びアミノアルキルフォスフォネートまたはイミノ二酢酸官能基からなる群より選択される官能基を含有するゲル状またはマクロ多孔性高分子物質を使用できる。また、４級アンモニウム塩基で置換されたポリスチレン樹脂及び／または１〜３級アミンで置換されたポリスチレン樹脂を使用できる。また、ＰＶＡに４−ホルミル−１−メチルピリジニウムベンゼンスルホネート、アンモニウム基、またはピリジニウム基を導入したものを使用できる。代表的な商用陰イオン交換樹脂としては、例えば、Amberlite IRA-402、Amberjet 4400、及びAmbersep 900があり（米国ペンシルバニア州フィラデルフィア所在、Rohm and Haas社製）、これらも本発明で使用可能である。
【００３５】
●溶媒
上記溶媒としては特に制限はなく、水、アルコールなどを使用でき、上記アルコールとしてはイソプロピルアルコール、エタノール、ブタノール、ペンタノール、ヘプタノール、プロパノール、ヘキサノールなどを用いる。上記溶媒の含量は電極スラリー混合物１００重量％を基準として５０〜６０重量％であることが好ましい。
【００３６】
本発明のスーパーキャパシタの陰極と陽極の両電極は、多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体、及び溶媒を含む混合物であるスラリーを作り、これを集電体に層として塗布することで製造される。上記スラリー混合物全体１００重量％を基準とする場合、活性炭の含量は３０〜４０重量％、導電材の含量は１〜５重量％、イオン交換体の含量は１〜５重量％、及び溶媒の含量は５０〜６０重量％であってもよい。上記含量範囲未満または上記範囲を超える場合には所望のスーパーキャパシタの電極特性を発揮しにくくなる。
【００３７】
＜隔離膜＞
隔離膜は、陰極と陽極の内部短絡を遮断し電解液を含浸する役割を果たす。本発明によるスーパーキャパシタに使用可能な隔離膜の材料としては、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリエステル不織布、ポリアクリロニトリルの多孔性隔離膜、ポリ（フッ化ビニリデン）ヘキサフルオロプロパン共重合体の多孔性隔離膜、セルロースの多孔性隔離膜、クラフトペーパーまたはレーヨン繊維などがあり、電池及びキャパシタ分野で一般に使用されるものであれば、特に制限はない。
【００３８】
＜電解質＞
本発明によるスーパーキャパシタに充填される電解質としては、水性電解質、非水性電解質、または固体電解質などを用いることができる。
上記水性電解質としては、特に限定されないが、５〜１００重量％の硫酸水溶液や、０．５〜２０モル濃度の水酸化カリウム水溶液、または中性電解質である塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、硝酸カリウム水溶液、硝酸ナトリウム水溶液、硫酸カリウム水溶液、硫酸ナトリウム水溶液などを０．２〜１０モル濃度で使用することができる。
【００３９】
上記非水性電解質としては、特に限定されないが、テトラアルキルアンモニウム（例えば、テトラエチルアンモニウムまたはテトラメチルアンモニウム）、リチウムイオン、またはカリウムイオンなどの陽イオンと、テトラフルオロホウ酸塩、過塩素酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、ビストリフルオロメタンスルホニルイミド、またはトリスフルオロメタンスルホニルメチドなどの陰イオンとで構成された塩を非プロトン（nonprotonic）溶媒、特に誘電定数の高い溶媒（例えば、プロピレンカーボネイトまたはエチレンカーボネイト）または粘度の低い溶媒（ジエチルカーボネイト、ジメチルカーボネイト、エチルメチルカーボネイト、ジメチルエーテル、またはジエチルエーテル）に０．５〜３モル濃度で溶かした有機電解質などを使用することができる。
【００４０】
また、電解質としてポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどの重合体電解質に電解液を含浸したゲル状の重合体電解質や、ＬｉＩ及びＬｉ３Ｎなどの無機固体電解質も使用可能である。
【００４１】
＜ガスケット＞
ガスケット１１の材質としては、例えば、ＡＢＳ、ブチルゴム、ポリオレフィン系樹脂などの樹脂を使用できる。好ましくは、ガスケット１１の材質として無色透明なポリオレフィン系樹脂を用いる。ポリオレフィン系樹脂は、化学特性、熱特性、機械的強度側面からガスケット１１が必要とするすべての要件を満たし、無色透明であるため、製造工程における電解液の漏れを目視で確認できる長所がある。
【００４２】
また、本発明の他の実施形態によれば、溶媒に多孔性活性炭素材料、導電材、イオン交換体を混合し、これを攪拌してスラリーを製造するステップと、上記スラリーを所定の厚さで集電体に塗布して乾燥させるステップと、上記乾燥されたスラリーを加圧するステップと、を含むスーパーキャパシタ用電極の製造方法が提供される。
先ず、機械式攪拌器に溶媒、活性炭素、導電材粉末、及びイオン交換体の混合液を入れて約３００〜５００ｒｐｍの速度で混合液を攪拌、分散させて粘度１０００〜１５００ポアズ（Poise）のスラリーを製造する。このとき、溶媒に混合される成分の重量比は活性炭素が３０〜４０重量％、導電材が１〜５重量％、イオン交換体が１〜５重量％、及び溶媒が５０〜６０重量％であることが好ましい。次に、上記スラリー状の混合物を自動フィルムアプリケータのような塗布機を用いて５０〜２００μｍ厚さで塗布する。次に、塗布された膜を５０〜２００℃の温度で２〜２４時間乾燥させた後、上記乾燥された膜を１００〜１５０℃の温度でロールプレスすることにより、５０〜２００μｍ厚さの膜が得られる。最後に、所望の電極の形態に切断して真空乾燥する。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、これら実施例は本発明を具体的に説明するための例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。ここでは、本発明の実施例のイオン交換体を用いて製造したスーパーキャパシタの充放電結果と、従来の結合剤で製造されたスーパーキャパシタまたは両電極のうち一電極にだけイオン交換体を適用して製造されたスーパーキャパシタの結果とを比較した。
【実施例１】
【００４４】
陰極製造のために、電極活物質として活性炭２０ｇ、導電材として黒鉛２．５ｇ、陽イオン交換体としてナフィオン（水で５％に希釈して使用）２．５ｇを溶媒のエタノール２０ｍｌに混合し、これを攪拌器で３０分間攪拌してスラリー混合物を製造した。陽極製造のために、電極活物質として活性炭素材料２０ｇ、導電材として黒鉛２．５ｇ、陰イオン交換体として４−ホルミル−１−メチルピリジニウムベンゼンスルホネートが導入されたＰＶＡ２．５ｇを溶媒のエタノール２０ｍｌに混合し、これを攪拌器で６〜２４時間攪拌してスラリー混合物を製造した。その後、上記スラリー状の混合物を自動フィルムアプリケータのような塗布機を用いて１５０μｍ厚さで塗布した。次に、塗布された膜を５０〜２００℃の温度で２〜２４時間乾燥させた後、上記乾燥された膜をロールプレスすることにより、約１２０μｍ厚さの膜を得た。最後に、所望の電極の形態に切断して真空乾燥することにより、スーパーキャパシタ用陽極と陰極を製作した。
【実施例２】
【００４５】
陰イオン交換体としてＰＶＡにアンモニウム基を導入したものを用いたことを除いては、上記実施例１と同様に本発明のスーパーキャパシタ用電極を製作した。
【実施例３】
【００４６】
陰イオン交換体としてＰＶＡにピリジニウム基を導入したものを用いたことを除いては、上記実施例１と同様に本発明のスーパーキャパシタ用電極を製作した。
【００４７】
＜比較例１＞
イオン交換体を用いずに結合剤を用いたことを除いては、上記実施例１と同様にスーパーキャパシタ用電極を製作した。
【００４８】
＜比較例２＞
陰極にだけ陽イオン交換体を用い、陽極には通常の結合剤を用いたことを除いては、上記実施例１と同様にスーパーキャパシタ用電極を製作した。
【００４９】
＜Ｃ−Ｖ特性評価＞
イオン交換体を用いて製造した本発明の実施例によるスーパーキャパシタと、比較例により両電極のうち一電極にだけイオン交換体を用いたスーパーキャパシタまたは従来の結合剤を用いて製造したスーパーキャパシタに対して、それぞれＣ−Ｖ特性を評価及び比較した。測定装備としてはWonAtech社のＷＭＰＧ−１０００を用いた。スキャン速度（Scan speed）は１００ｍｖ／ｓであって、電解液として硫酸溶液を用い、２電極測定のために、測定サンプルと同じサイズのカウンタ電極を用いた。
【００５０】
図３に示すように、実施例１において製造されたスーパーキャパシタは、−０．２Ｖ〜＋０．８Ｖの電圧範囲で約１５ｍＡ／ｃｍ２程度の電気容量を有した。又、実施例２及び３においても類似の結果を示した。一方、比較例２において製造されたスーパーキャパシタは、同じ電圧範囲で１０ｍＡ／ｃｍ２程度の電気容量を有し、又、比較例１においても類似の結果をした。これにより、イオン交換体の使用により電気容量がより一層増大したことが明らかになった。
【００５１】
上記のように、本発明の実施例により、結合剤の代りにイオン交換体を用いてスーパーキャパシタ用電極を製造すると、結合剤がイオン移動を妨げる短所を解決できるようになり、電極表面におけるイオンの移動度が向上してその出力性能も向上する。
【００５２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５３】
１，１０  スーパーキャパシタ
２，１１  ガスケット
３，１２  集電体
４，１３  隔離膜
５，１４  電解質
６  電極
１５  活性炭
１６  導電材
１７  陰イオン交換体
１８  陽イオン交換体
【図１】
2010206171.tif 000003
【図２】
2010206171.tif 000004
【図３】
2010206171.tif 000005