(57)【要約】  バイポーラ電極は、１種以上の炭素材料を含有する中間層を有する。バイポーラ電極はさらに、中間層の反対表面に配置され、アノード及びカソードとして作用するように構成された第１層及び第２層を有する。第１層及び第２層は、導電性炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つを含有する。スーパーキャパシタ脱塩装置、並びにバイポーラ電極の製造方法も提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種以上の炭素材料を含有する中間層と、
中間層の反対表面に配置され、アノード及びカソードとして作用するように構成された第１層及び第２層と
を備えるバイポーラ電極であって、第１層及び第２層が導電性炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つを含有する、バイポーラ電極。
【請求項２】
さらに、第１層上に配置された１種以上の陽イオン選択性材料及び第２層上に配置された１種以上の陰イオン選択性材料を含む、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項３】
前記陰イオン選択性材料がアミン基、ピリジニウム基及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記アミン基が第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン及び第４級アミンの１以上を含み、前記陰イオン選択性材料がスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２記載のバイポーラ電極。
【請求項４】
中間層が電子伝導性かつイオン非伝導性であり、中間層を形成する炭素材料がカーボンブラック及びグラファイトの１種以上を含有する、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項５】
中間層がさらに、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン及びこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーを含有する、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項６】
第１層及び第２層が同じ導電性炭素材料を１以上含有する、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項７】
第１層及び第２層を形成する前記導電性炭素材料が、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、カーボンエアロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ、カーボンナノチューブ、炭素ケージ及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリピロール及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項８】
第１層及び第２層を形成する前記導電性炭素材料が活性炭粒子を含有し、第１層及び第２層がさらにポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項７記載のバイポーラ電極。
【請求項９】
さらに、第１層及び第２層の少なくとも１つの上に配置された１以上の補強層を含み、前記補強層がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項１０】
さらに、第１層と中間層間及び第２層と中間層間それぞれに配置された複数の接着材層を含み、接着材層がグラファイトを主材とするポリマーフィルム、カーボンブラックを主材とするポリマーフィルム、導電性グラファイト接着材及びカーボンブラック接着材の少なくとも１つを含有する、請求項１記載のバイポーラ電極。
【請求項１１】
第１電極と、
第２電極と、
第１電極と第２電極間に配置された１以上のバイポーラ電極と、
各対の隣接電極間に配置された１以上の電子絶縁性・イオン伝導性スペーサと、
第１電極に接触するように構成された第１集電体と、
第２電極に接触するように構成された第２集電体と
を備える、スーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１２】
第１電極、第２電極及びバイポーラ電極のそれぞれが、充電状態でイオンを吸着し、放電状態でイオンを放出するように構成された、請求項１１記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１３】
第１電極、第２電極及びバイポーラ電極のそれぞれが、放電状態でイオンを吸着し、充電状態でイオンを放出するように構成された、請求項１１記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１４】
バイポーラ電極が、１種以上の炭素材料を含有する中間層及び中間層の２つの反対表面に配置され、電極として作用するように構成された第１層及び第２層を有し、
第１層及び第２層が導電性炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つを含有する、
請求項１１記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１５】
前記導電性炭素材料が、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、カーボンエアロゲル、カーボンナノチューブ、炭素ケージ、多孔質メソカーボンマイクロビーズ及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリピロール及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１６】
第１層及び第２層がさらにポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１７】
バイポーラ電極がさらに、第１層及び第２層の少なくとも１つの上に配置された１以上の補強層を有し、前記補強層がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１８】
バイポーラ電極がさらに、第１層と中間層間及び第２層と中間層間それぞれに配置された複数の接着材層を有し、接着材層が炭素を主材とするポリマーフィルム及び炭素系導電性接着材の少なくとも１つを含有する、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項１９】
第１電極及び第２電極が第１層及び第２層と同じ導電性材料を含有する、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項２０】
さらに、第１層上に配置された１種以上の陽イオン選択性材料及び第２層上に配置された１種以上の陰イオン選択性材料を含有する、請求項１４記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項２１】
前記陰イオン選択性材料がアミン基、ピリジニウム基及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記アミン基が第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン及び第４級アミンの１種以上を含み、前記陰イオン選択性材料がスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２０記載のスーパーキャパシタ脱塩装置。
【請求項２２】
溶剤と、炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つとを含有する混合物を準備する工程と、
これを撹拌して溶剤への前記炭素材料及び前記電性ポリマーの少なくとも１つの分散物を形成する工程と、
１種以上のバインダーを分散物に添加して混合物を得、得られた混合物を撹拌する工程と、
前記混合物を加工して複数の電極シートを形成する工程と、
電極シートを中間層の反対表面にそれぞれ取付ける工程と
を含む、機能性電極の製造方法。
【請求項２３】
機能性電極がバイポーラ電極であり、バインダーが非フィブリル化ポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記混合物がさらに、炭素繊維、導電性カーボンブラック及びカーボンナノチューブの１種以上を含有する、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
溶剤が水、エタノール及びこれらの組合せを含有する、請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
混合物を加工する工程で、異なる粒径の１種以上の細孔形成剤及び前記混合物を別の溶剤と混合して混合ペーストを形成し、混合ペーストを加工して電極シートを形成する、請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記細孔形成剤が、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酸化チタン、酸化亜鉛及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
混合ペーストを加工する工程で、混合ペーストをカレンダー加工してカレンダーシートを形成し、カレンダーシートを脱イオン水に浸漬して前記細孔形成剤を除去し、前記細孔形成剤の除去後カレンダーシートを乾燥し、乾燥後カレンダーシートを電極シートに成形する、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
さらに、少なくとも１つの電極シート上に１以上の補強層を取付ける工程を含み、前記補強層が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
さらに、１種以上の陰イオン選択性材料及び１種以上の陽イオン選択性材料を対応する電極シート上に配置する工程を含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３１】
前記陰イオン選択性材料がアミン基、ピリジニウム基及びこれらの組合せからなる群から選択され、アミン基が第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン及び第４級アミンの１種以上を含み、前記陰イオン選択性材料がスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記炭素材料が、活性炭粒子、カーボンエアロゲル、カーボンナノチューブ、炭素ケージ、炭素繊維、多孔質炭素粒子、多孔質メソカーボンマイクロビーズ及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリピロール及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２２記載の方法。
【請求項３３】
中間層がカーボンブラック、グラファイト及びポリマーの１種以上を含有し、前記ポリマーがポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電極及び該電極を用いたスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ＝supercapacitor desalination）装置並びに電極及びＳＣＤ装置の製造方法に関する。特に、本発明は、バイポーラ電極及びバイポーラ電極を用いたＳＣＤ装置並びにバイポーラ電極及びＳＣＤ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＣＤ装置は一般に、海水の脱塩又は他の汽水の脱イオン化に用いて、塩の量を家庭及び工業用途に許容できるレベルまで低減するスーパーキャパシタを指す。一般に、スーパーキャパシタセルは二重層構造、即ち通常活性炭粒子を含有する１対の電極が、均一に分散した電解質成分を含有する、微孔質、電子絶縁性・イオン伝導性のスペーサ部材により分離されている二重層構造をもつ。代表的なスーパーキャパシタセルの構造はさらに、対応する電極と密着した導電性集電体部材を有する。
【０００３】
ある用途では、脱塩に用いるスーパーキャパシタセルを複数個積層してＳＣＤ装置を形成する。このようなスーパーキャパシタセルのそれぞれは、１対の電極及びそれぞれ対応する電極と接触した１対の導電性集電体部材を有するので、このようなＳＣＤ装置の組立ては複雑であり、ＳＣＤ装置の製造コストが高くなることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９５５２１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、新規な優れた電極及び該電極を用いたスーパーキャパシタ脱塩装置及びその製造方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態では、バイポーラ電極を提供する。バイポーラ電極は、１種以上の炭素材料を含有する中間層を有する。バイポーラ電極はさらに、中間層の反対側表面に配置され、アノード及びカソードとして作用するように構成された第１層及び第２層を有する。第１層及び第２層は、導電性炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つを含有する。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、スーパーキャパシタ脱塩装置を提供する。スーパーキャパシタ脱塩装置は、第１電極、第２電極及び第１電極と第２電極間に配置された１以上のバイポーラ電極を備える。第１電極、第２電極及び上記バイポーラ電極は、充電状態でイオンを吸着し、放電状態でイオンを放出するように構成されている。スーパーキャパシタ脱塩装置はさらに、各対の隣接電極間に配置された１以上の電子絶縁性・イオン伝導性スペーサ、第１電極に接触するように構成された第１集電体及び第２電極に接触するように構成された第２集電体を備える。
【０００８】
本発明の他の実施形態では、バイポーラ電極の製造方法を提供する。本方法は、溶剤と、炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つとを含有する混合物を準備し、これを撹拌して溶剤への上記炭素材料及び上記導電性ポリマーの少なくとも１つの分散物を形成し、１種以上のバインダーを分散物に添加して混合物を得、得られた混合物を撹拌し、混合物を加工して複数の電極シートを形成し、電極シートを中間層の反対表面にそれぞれ取付ける工程を含む。
【０００９】
上記その他の効果及び特徴を一層良く理解できるように、添付の図面と関連させながら本発明の好ましい実施形態を以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態のスーパーキャパシタ脱塩装置の線図である。
【図２】本発明の一実施形態のバイポーラ電極の線図である。
【図３】本発明の一実施形態のバイポーラ電極の製造を図式的に説明するフローチャートである。
【図４】本発明の別の実施形態のスーパーキャパシタ脱塩装置の線図である。
【図５】本発明の一実施形態のスーパーキャパシタの線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、添付の図面を参照にして本発明の好ましい実施形態を説明する。以下の説明において、不必要に詳しい説明で本発明を曖昧にするのを避けるために、周知の機能や構造は詳細に説明しない。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態のスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置１０の線図である。本発明の実施形態では、ＳＣＤ装置１０を海水の脱塩又は他の汽水の脱イオン化に用いて、塩の量を家庭及び工業用途に許容できるレベルまで低減する。さらに、ＳＣＤ装置１０は、液体、例えば農業、工業又は自治体プロセスからの廃水や汚水から他の荷電又はイオン性不純物を除去又は低減することができる。
【００１３】
図１に示す配列例では、ＳＣＤ装置１０は、第１集電体１１、第２集電体１２、第１電極１３、第２電極１４、バイポーラ電極１５及び１対のスペーサ１６を備える。第１電極１３及び第２電極１４は、それぞれ第１集電体１１及び第２集電体１２に密着している。バイポーラ電極１５は第１電極１３と第２電極１４間に配置される。２つのスペーサ１６は、それぞれ第１電極１３とバイポーラ電極１５間及びバイポーラ電極１５と第２電極１４間に配置される。
【００１４】
ある実施形態では、集電体１１及び１２は、プレート、メッシュ、ホイル又はシートとして構成され、金属又は金属合金から形成できる。金属には、例えばチタン、白金、イリジウム及びロジウムがある。金属合金には、例えばステンレス鋼がある。別の実施形態では、集電体１１及び１２は、グラファイト又はプラスチック材料、例えばポリエチレンなどのポリオレフィンを含有することができる。ある用途では、プラスチック集電体１１及び１２は、導電性カーボンブラック又は金属粒子と混合して一定レベルの導電性を実現することができる。
【００１５】
図１の実施形態では、第１電極１３、第２電極１４及びバイポーラ電極１５は、プレートの形態であり、プレートが互いに平行に配置されて積層構造を形成する。ある実施形態では、電極１３、１４及び１５はシート、ブロック、円筒などの様々な形状をもつことができる。さらに、これらの電極を様々な構成で配列することができる。例えば、第１電極、第２電極及びバイポーラ電極は、それらの間にらせん状の連続な空間をもって同心円状に配置することができる。
【００１６】
ある用途では、第１電極１３及び第２電極１４は導電性材料を含有することができ、導電性材料は、熱伝導性でも熱伝導性でなくてもよく、小さな寸法及び大きな表面積をもつ粒子を含有することができる。ある例では、導電性材料は１種以上の炭素材料を含むことができる。炭素材料の例には、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、カーボンエアロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ及びこれらの組合せがあるが、これらに限らない。別の例では、導電性材料は、導電性複合材料、例えばマンガン、鉄の酸化物又はその両方、又はチタン、ジルコニウム、バナジウム又はタングステンの炭化物又はこれらの組合せを含むことができる。ある実施形態では、電極１３及び１４の導電性材料は、１以上の堆積法、例えばスパッタリング、スプレー、スピンコーティング、カレンダー加工又は印刷を用いて集電体１１及び１２上に堆積することができる。
【００１７】
また、スペーサ１６は、イオン透過性、非電子伝導性の材料、例えばメンブレン、多孔質材料又は非多孔質材料を含有して第１電極１３とバイポーラ電極１５及び第２電極１４とバイポーラ電極１５を分離することができる。１例では、スペーサ１６は、脱塩する液体が第１電極１３とバイポーラ電極１５間及び第２電極１４とバイポーラ電極１５間を通過する流路を形成する空間を有しても、それ自体が空間であってもよいが、これらに限らない。
【００１８】
ある用途では、図１に示すように、第１集電体１１及び第２集電体１２は、それぞれ電源（図示せず）の正端子及び負端子に接続することができる。第１電極１３及び第２電極１４が第１集電体１１及び第２集電体１２と接触しているので、第１電極１３及び第２電極１４は、それぞれアノード及びカソードとして作用することができる。この場合、第１電極１３に隣接するバイポーラ電極１５の１つの側面１７はカソードとして機能することができ、側面１７の反対側にあり、第２電極１４に隣接するバイポーラ電極１５の別の側面１８はアノードとして機能することができる。ある例では、バイポーラ電極１５は、導電性であり、イオンが透過するのを防止することができる。
【００１９】
さらに、ある配列では、液体源（図示せず）を用いてＳＣＤ装置１０を通して脱塩する投入液（図１の矢印１９で示す）を供給することができる。したがって、充電状態時、荷電種を含む塩化ナトリウム溶液などの液体源からの投入液１９が第１電極１３とバイポーラ電極１５間及び第２電極１４とバイポーラ電極１５間を通過するとき、陽イオンはバイポーラ電極１５の側面１７及びカソード１４に向かって移動し、陰イオンはアノード１３及びバイポーラ電極１５の側面１８に向かって移動する。ＳＣＤ装置１０内部での電荷蓄積の結果、排出流れ（図１の矢印１００で示す）、即ちＳＣＤ装置１０から出てくる希釈液体の電荷種の濃度は投入液に比べて低い。ある実施形態では、希釈液体を別のＳＣＤ装置に供給することにより希釈液体に再び脱イオン化を施すことができる。
【００２０】
放電状態時、吸着イオンは第１電極１３、第２電極１４及びバイポーラ電極１５の表面から脱離する。ある用途では、この状態で、第１電極１３及び第２電極１４の極性を逆にすることができ、そのため充電状態で吸着した吸着イオンが逆極性に向かって移動し、結果として、排出流れの電荷種の濃度を投入液に比べて高くすることができる。
【００２１】
別の用途では、電荷種の陰イオン及び陽イオンがバイポーラ電極１５の放電状態でそれぞれの電極に吸着し、バイポーラ電極１５の充電状態でそれぞれの電極から脱離することができる。
【００２２】
なお、図１の配列例は例示にすぎない。ある用途では、第１電極１３及び第２電極１４はそれぞれカソード及びアノードとして作用することができる。この場合、第１電極１３に隣接するバイポーラ電極１５の側面１７はアノードとして機能し、側面１７の反対側にあり、第２電極１４に隣接するバイポーラ電極１５のもう一つの側面１８はカソードとして機能することができる。
【００２３】
図２は本発明の一実施形態のバイポーラ電極１５の線図である。この配列例では、バイポーラ電極１５は、中間層２０及び中間層２０の反対表面（符号なし）に配置された第１層２１及び第２層２２を有する。
【００２４】
ある実施形態では、中間層２０は電子伝導性かつイオン非伝導性にすることができる。ある例では、中間層２０は、１種以上の炭素材料、例えばカーボンブラック及びグラファイトを含有することができる。別の例では、中間層２０はさらに、上記炭素材料を散在させたポリマー、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）及びこれらの組合せを含有することができる。
【００２５】
ある用途では、中間層２０はフィルムの形態にすることができる。なお、用語「フィルム」は、「層」、「シート」、「プレート」又は「スライス」と同義であり、材料の特定の厚さを示すものではない。１例では、中間層２０は、グラファイトフィルムとすることができるが、これに限らない。ある用途例では、中間層２０は、米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍ社から登録商標３Ｍ１７０４にて販売されている導電性フィルムとすることができる。或いは、中間層２０は、米国マサチューセッツ州サウスハドレー所在のＩｎｔｅｌｉｃｏａｔ社から登録商標Ｉｎｔｅｌｉｃｏａｔ２２５２にて販売されているフィルムとすることができる。
【００２６】
ある実施形態では、第１層２１及び第２層２２は、それぞれ負電荷層及び正電荷層として作用してアノード及びカソードとして機能することができる。或いは、第１層２１及び第２層２２は、それぞれ正電荷層及び負電荷層として作用してカソード及びアノードとして機能することができる。第１層２１及び第２層２２は同じ材料を含有しても異なる材料を含有してもよい。１例では、第１層及び第２層は、導電性材料、例えば炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つを含有することができるが、これらに限らない。上記炭素材料には、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、カーボンエアロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ及びこれらの組合せがある。上記導電性ポリマーには、ポリアニリン、ポリピロール及びこれらの組合せがある。ある例では、第１層２１及び第２層２２はさらに、他の材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの添加剤を含有することができるが、これに限らない。
【００２７】
ある例では、バイポーラ電極１５はさらに、１対の接着材層（図示せず）を第１層２１と中間層２０間及び第２層２２と中間層２０間に配置して中間層２０に第１層及び第２層をしっかり取付けることができる。或いは、接着材層を設けなくてもよい。ある実施形態では、接着材層は、グラファイトを主材とするポリマーフィルム、カーボンブラックを主材とするポリマーフィルム、導電性グラファイト接着材及びカーボンブラック接着材の少なくとも１つを含有することができる。接着材層は、１以上の堆積法、例えばスパッタリング、スプレー又はスピンコーティングを用いて中間層２０の両表面（符号なし）に配置することができる。
【００２８】
ある配列では、１対の補強層２３を設けてバイポーラ電極１５の機械的特性を補強することができる。補強層２３は、第１層２１及び第２層２２上及び／又は内部に配置することができる。１例では、補強層２３は、１種以上のポリマー、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）及びこれらの組合せを含むことができるが、これらに限らない。ＰＥＴ層は網状組織又は別の形状を有することができる。ある用途では、ＰＥＴ層を第１電極１３及び第２電極１４に用いることもできる。
【００２９】
ある用途では、ＳＣＤ装置１０はさらに、１種以上のイオン選択性材料（図示せず）、例えば陽イオン及び陰イオン選択性材料を含むことができ、イオン選択性材料を電極１３、１４及び１５それぞれに取付けるか、導入してイオンの移送を容易にすることができる。１例では、陽イオン選択性材料は、アミン基、ピリジニウム基又はこれらの組合せを有することができるが、これらに限らない。ある例では、アミン基は、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン及び／又は第４級アミンを含むことができる。陰イオン選択性材料はスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基又はこれらの組合せを有することができる。
【００３０】
図３は本発明の一実施形態のバイポーラ電極１５の製造方法を図式的に説明するフローチャートである。図３に示すように、工程３０では、第１溶剤と、炭素材料及び導電性ポリマーの少なくとも１つとの混合物を準備し、これを撹拌して第１溶剤への炭素粒子の分散物を形成する。ある用途では、溶剤には、脱イオン水、エタノール又は他の適当な溶剤がある。工程３１では、非フィブリル化ＰＴＦＥエマルジョンなどの１種以上のバインダーを上記混合物に添加し、ＰＴＦＥの少なくとも一部がフィブリル化するまで混合して混合物を得る。その後、得られた混合物を混合し、乾燥する。
【００３１】
工程３２では、上記混合物を第２溶剤に添加して混合ペーストを形成する。その後、混合ペーストを加工、例えば乾燥及びカレンダー加工してカレンダーシートを形成する。ある例では、工程３１で得られた混合物を混合後に乾燥するプロセスを使用せずに、工程３２で混合ペーストを得られた混合物から直接形成することができる。工程３３で、カレンダーシートを望ましい寸法及び形状の複数の電極シートに成形し、電極シートを電子伝導性フィルムの２つの反対表面にプレスしてバイポーラ電極１５を形成する。
【００３２】
ある例では、工程３１で、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ＝vapor grown carbon fiber）及び／又は導電性カーボンブラックを炭素材料と第１溶剤の混合物に添加して形成後のバイポーラ電極１５の導電性を向上することができる。或いは、ＶＧＣＦ及びカーボンブラックを用いなくてもよい。１例では、導電性カーボンブラックには、スイス国所在のＴｉｍｃａｌ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ＆Ｃａｒｂｏｎ社から登録商標ＳＵＰＥＲ  Ｐにて販売されているカーボンブラックがある。
【００３３】
工程３２では、塩化ナトリウム粉末などの１種以上の細孔形成剤を乾燥後の混合物と混合し、その後、第２溶剤を塩化ナトリウム細孔形成剤と乾燥後の混合物との混合物に添加して混合ペーストを形成し、形成後のバイポーラ電極１５の細孔率を向上することができる。ある例では、塩化ナトリウム細孔形成剤を上記混合物に添加しなくてもよく、第１溶剤は第２溶剤と同じでも異なってもよい。１例では、工程３３で、接着材層及び／又はイオン選択性要素を電極シートに設けてバイポーラ電極１５を形成することができる。
【００３４】
ある例では、細孔形成剤には、他の材料、例えば塩化アンモニウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酸化チタン、酸化亜鉛及びこれらの組合せがある。
【００３５】
また、ある用途では、電極シートを集電体１１及び１２上にそれぞれ配置して第１電極１３及び第２電極１４を形成することもできる。
【００３６】
バイポーラ電極１５の製造の実施例を以下に説明するが、本発明は実施例に限定されない。
【実施例】
【００３７】
実施例１
８００ｇの活性炭粒子、１６ｇのＶＧＣＦ、４０ｇのＳＵＰＥＲ  Ｐ導電性カーボンブラック及び３５００ｍｌの脱イオン水を混合し、約１５分間を撹拌して脱イオン水への活性炭粒子の分散物を形成する。５３ｇの６０重量％ＰＴＦＥラテックスを希釈用の６０ｍｌの脱イオン水に添加して非フィブリル化ＰＴＦＥエマルジョンを形成し、その後、非フィブリル化ＰＴＦＥエマルジョンを上記混合物に添加し、ＰＴＦＥの少なくとも一部がフィブリル化するまで約４時間撹拌して混合物を形成する。
【００３８】
その後、得られた混合物を約１００〜１３０℃の温度で約４８時間より長く乾燥する。次に、簡単に調製するために、乾燥した混合物を約２００ｇ量り取り、６０ｇの塩化ナトリウム粉末及び１Ｌのエタノールと約５分間混合して液体混合物を形成する。液体混合物を約６０℃の温度で乾燥させて重さ約６５０ｇの混合ペーストを形成する。
【００３９】
次に、混合ペーストをカレンダー加工してカレンダーシートを形成する。カレンダー加工には、２つのローラーを有するカレンダー（図示せず）を用いる。２つのローラー間の距離を約４ｍｍに設定し、混合ペーストをローラー間に挿入して薄いシートを形成し、ついで、薄いシートを折り、カレンダーに再挿入することを３〜５回程行う。その後、ある用途では、２つのローラー間の距離を順番に約３．５ｍｍ、３．０ｍｍ、２．５ｍｍ、２．０ｍｍ、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び０．７５ｍｍに設定し、薄いシートをカレンダー加工してカレンダーシートを形成することができる。
【００４０】
その後、カレンダーシートを望ましい寸法及び形状の複数の電極シートに成形し、電極シートを約４０℃の温度で約３０分間乾燥する。ある用途では、電極シートを乾燥しなくてもよい。その後、電極シートを脱イオン水に約３時間浸漬して電極シートから塩化ナトリウムを溶かし、除去する。その後、電極シートを約４５℃の温度の通風オーブン（図示せず）に約３時間入れて水を除去する。
【００４１】
最後に、中間の導電性フィルム、電極シート及びＰＥＴ層を一緒に約１５Ｍｐａの圧力で約４０秒間プレスして図２に示すようなバイポーラ電極１５を形成する。１例では、電極シートの重さは約２５〜３０ｇであり、厚さは約０．８ｍｍにすることができるが、これらに限らない。バイポーラ電極１５の重さは約５５〜６０ｇであり、厚さは約１．６ｍｍにすることができる。
【００４２】
ある例では、接着材層及び／又はイオン選択性材料もバイポーラ電極１５内にプレスする。また、ある配列では、電極シートをＴｉメッシュ上に約１５Ｍｐａの圧力で約４０秒間プレスして第１電極１３及び第２電極１４を形成することができる。或いは、第１電極１３及び第２電極１４は、製造した電極シートのほかに他の材料で形成してもよい。
【００４３】
なお、上記の例は例示に過ぎない。上記の例での工程の順序は変更可能であり、例えば、塩化ナトリウムの除去はカレンダーシートを複数の電極シートに成形する前でもよい。また、塩化ナトリウムの添加工程、除去工程などのいくつかの工程は絶対に必要というわけではない。
【００４４】
したがって、図１に示すように、ＳＣＤ装置１０の組立プロセスの例は、第１電極１１及び第２電極１２を設け、電極１１及び１２それぞれに接触する第１集電体１３及び第２集電体１４を設け、バイポーラ電極１５を第１電極１１と第２電極１２間に配置し、スペーサ１６を２つの隣接する電極間に配置する工程を含む。１例では、プロセス例の工程の順序は変更可能であり、プロセスはさらに、他の工程、例えばＰＥＴ層を第１電極１１及び第２電極１２にプレスする工程を含んでもよい。
【００４５】
ある配列では、ＳＣＤ装置１０は２つ以上のバイポーラ電極１５を有することができ、比較的大量の液体の脱塩のために積層の形態とすることができる。図４は積層ＳＣＤ装置１０の線図である。図１及び図４において、同じ参照番号は同様な部材を示す。図示した配列では、ＳＣＤ装置は、第１集電体１１、第２集電体１２、集電体１１に取付けられた第１電極１３、集電体１２に取付けられた第２電極１４、第１電極１３と第２電極１４間に配置された複数のバイポーラ電極１５及び各対の隣接電極間に配置された複数のスペーサ１６を備える。
【００４６】
ある用途例では、ＳＣＤ装置１０をエネルギー蓄積用のスーパーキャパシタとして用いることができる。図５は本発明の一実施形態のスーパーキャパシタ４０の線図である。図１、図４及び図５において、同じ参照番号は同様な部材を示す。図５に示すように、図示した配列は図１の配列と同様である。図１及び図５の２つの配列は、エネルギー蓄積用のスーパーキャパシタ３０を形成するために電解質４１、例えば塩化ナトリウムが構造内部に収容されている点で異なる。
【００４７】
図５に図示した実施形態では、第１集電体１１及び第２集電体１２を電源（図示せず）に接続してスーパーキャパシタ３０を充電することができる。放電時、スーパーキャパシタ３０の電極１３、１４及び１５それぞれの表面から吸着したイオンが脱離することにより発生する放出エネルギーは、電気装置（図示せず）、例えば電球を付勢するのに用いたり、エネルギー回収装置（図示せず）、例えば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにより回収したりできる。また、他の例では、スーパーキャパシタ３０は、図４に示す構造と同様に複数のバイポーラ電極１５及び複数のスペーサ１６を有することができる。
【００４８】
以上、本発明を代表的な実施形態について例示し、説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変更や置換が可能であり、本発明は上述した詳細に限定されるものではない。したがって、本発明のさらなる変更や均等物は、普通の実験のみで同業者が想起することができ、このような変更や均等物はすべて特許請求の範囲に規定された本発明の要旨に入るものとみなされる。
【符号の説明】
【００４９】
１０  スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置
１１  第１集電体
１２  第２集電体
１３  第１電極
１４  第２電極
１５  バイポーラ電極
１６  スペーサ
１７、１８  バイポーラ電極の側面
１９  投入液
２０  中間層
２１  第１層
２２  第２層
２３  補強層
４０  スーパーキャパシタ
４１  電解質
１００  排出流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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