(57)【要約】［課題］電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造する方法を提供すること。［解決手段］活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび／または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う光照射工程を含む活性炭シートの製造方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび／または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および
前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う光照射工程
を含む活性炭シートの製造方法。
【請求項２】
前記光照射が、酸素ガスおよび／またはオゾンガスの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である請求項１に記載の活性炭シートの製造方法。
【請求項３】
前記活性炭シートが電気二重層キャパシタ用電極である、請求項１または２に記載の活性炭シートの製造方法。
【請求項４】
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび／または変性ポリテトラフルオロエチレンである活性炭シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
【請求項５】
前記光照射が、酸素ガスおよび／またはオゾンガスの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である請求項４に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
【請求項６】
前記活性炭シートが電気二重層キャパシタ用電極である、請求項４または５に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ用電極等の活性炭シートの製造方法、および電気二重層キャパシタ用電極等の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタ（以下「ＥＤＬＣ」ともいう。）は、電気二重層に基づく物理的な電荷の蓄積によるコンデンサであって、化学的反応の二次電池と比べて高出力な急速充電・放電が可能で無公害性であるなど、多くの利点を有しており、電子機器用などの小型のものから車のバッテリーなどの大型のものまで、多種の用途への利用が期待されている。ＥＤＬＣ用の電極膜は、通常、活性炭等の粉末状電極、導電材、およびフッ素樹脂等のバインダーなどから構成されている（特開２００４−２１０５号公報（特許文献１）等）。【０００３】
ＥＤＬＣの性能は、この電極膜への電解液の含浸量に影響される。特公平４−４７４４９号公報（特許文献２）には、シート状電極に対する電解液の含浸性を高めるために、シート状電極表面の特に四フッ化エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン、以下「ＰＴＦＥ」ともいう。）を多く含む緻密な平滑層を破壊して、シート状電極表面に傷を設けることが記載されている。【０００４】
しかしながら、この技術を用いた場合には、シート状電極の破壊を招き、シート状電極の粉落ち、形態（厚さ・密度等）変化が生じ、シート状電極やこれを用いたＥＤＬＣの電気的安定性が損なわれる可能性がある。【０００５】
一方、ＥＤＬＣ用の電極膜に電磁波を照射してその特性を改善させる技術が知られており、たとえば特開２００８−２０５２７５号公報（特許文献３）には、水素雰囲気等の中で、ＥＤＬＣ用電極材料である活性炭に電磁波を照射することによって、活性炭の表面に存在する酸素を含む官能基を遊離させ、このようにして製造されたＥＤＬＣ用電極材料を用い、高容量で性能が安定したＥＤＬＣを製造できることが記載されている。【０００６】
また、特開２００２−２３７４３４号公報（特許文献４）には、電極体を製造するにあたって活性炭表面にＰＶＤＦなどのバインダーが層状に付着することにより引き起こされる諸問題を解決するために、粉末状電極材料、バインダー、および溶媒を混練してなる電極機能材を金属箔表面に塗布し、乾燥した後、レーザー照射を行うことによって、各粒子のバインダー機能を保持しながらも、活物質表面に層状に付着したバインダーを除去するという技術が記載されている。このレーザーとしてはエキシマレーザーなどが挙げられている。【０００７】
ただし、特許文献３、４に開示された技術は、いずれもＥＤＬＣ用電極膜への電解液の含浸性の改善を意図したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２１０５号公報
【特許文献２】特公平４−４７４４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２０５２７５号公報
【特許文献４】特開２００２−２３７４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述したような従来技術における課題に鑑みてなされたものであって、電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造する方法を提供すること、および、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高める方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、たとえば以下の［１］〜［６］に関する。【００１１】
［１］
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンおよび／または変性ポリテトラフルオロエチレンであるシートを準備するシート準備工程、および
前記シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う光照射工程
を含む活性炭シートの製造方法。【００１２】
［２］
前記光照射が、酸素および／またはオゾンの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である前記［１］に記載の活性炭シートの製造方法。【００１３】
［３］
前記活性炭シートがＥＤＬＣ用電極である、前記［１］または［２］に記載の活性炭シートの製造方法。【００１４】
［４］
活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含み、該フッ素樹脂がＰＴＦＥおよび／または変性ＰＴＦＥである活性炭シートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。【００１５】
［５］
前記光照射が、酸素および／またはオゾンの存在下でのエキシマランプによる紫外光照射である前記［４］に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。【００１６】
［６］
前記活性炭シートがＥＤＬＣ用電極である、前記［４］または［５］に記載の活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る活性炭シートの製造方法によれば、電解液の含浸性が高く、機械強度も高い活性炭シートを製造することができる。【００１８】
また、本発明に係る活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法によれば、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高めることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
［活性炭シートの製造方法］
本発明に係る活性炭シートの製造方法は、シート準備工程およびその後の光照射工程を含んでいる。
【００２１】
＜シート準備工程＞
前記シート準備工程では、活性炭と、炭素導電材と、繊維状フッ素樹脂バインダーとを含むシートを準備する。このようなシートは、たとえば、活性炭と、炭素導電材と、フッ素樹脂バインダーとを含む混合物を、前記フッ素樹脂を繊維化させつつシート状に成形するシート形成工程を経ることにより製造することができる。
【００２２】
前記活性炭、前記炭素導電材および前記フッ素樹脂バインダーとしては、電気二重層キャパシタ用電極において従来使用されているものを使用することができる。
【００２３】
前記活性炭としては、市販品であれば、ＹＰ５０Ｆ（クラレケミカル社製）、Maxsorb（関西熱化学社製）などが挙げられる。前記活性炭の比表面積は、たとえば１，０００〜２，５００ｍ2／ｇであってもよい。
【００２４】
前記炭素導電材としては、カーボンブラックが挙げられる。
【００２５】
前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられ、これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。市販品であれば、コンチネックスＣＦ（コンチネンタルカーボン社製、コンダクティブファーネスブラック）、ケッチェンブラックＥＣＰ６００ＪＤ（ライオン（株）製）、ケッチェンブラックＥＣ（ケッチェンブラックインターナショナル社製、コンダクティブファーネスブラック）、バルカンＣ（キャボット社製、コンダクティブファーネスブラック）、ＢＬＡＣＫ ＰＥＡＲＬＳ ２０００（キャボット社製、コンダクティブファーネスブラック）、デンカアセチレンブラック（電気化学工業（株）製、アセチレンブラック）などを好適に用いることができる。
【００２６】
前記バインダーとしては、容易に繊維化され、バインダーとしての能力が高いことからポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または変性ＰＴＦＥが用いられる。変性ＰＴＦＥとしては、テトラフルオロエチレンおよび少量（たとえば０．５モル％以下）の他の単量体を共重合させて得られる変性ＰＴＦＥが挙げられる。
【００２７】
前記バインダーは、たとえば粒状であってもよい。
【００２８】
前記バインダーは、他の成分と混合される際に、あるいは他の成分と共に圧延される際に、せん断力が加えられることによって容易に繊維化される。
【００２９】
前記活性炭、前記炭素導電材および前記バインダーの合計量を１００重量部とすると、前記活性炭の割合はたとえば９８重量部以下、好ましくは５５〜９０重量部、さらに好ましくは６０〜８０重量部であり、前記炭素導電材の割合は、たとえば１重量部以上、好ましくは５〜３０重量部であり、前記フッ素樹脂バインダーの割合は、活性炭シート（電極膜等）の強度の観点からは１重量部以上であり、電解液等の含浸性の向上および電池の静電容量向上の観点から、好ましくは２〜３０重量部、さらに好ましくは５〜１５重量部である。
【００３０】
前記混合物は、前記活性炭、前記炭素導電材および前記バインダーを従来公知の方法で混合することにより調製できる。
【００３１】
また前記各成分を混合する際には、これらの成分にさらに成形助剤を配合してもよい。
【００３２】
前記成形助剤としては、水、メタノール、エタノール等の一価アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコールなどが挙げられ、成型性の観点から一価アルコールが好ましい。
【００３３】
また、前記成形助剤の量は、前記活性炭、前記炭素導電材および前記フッ素樹脂バインダーの合計１００重量部に対して、好ましくは８０重量部以上、より好ましくは１００〜６００重量部である。この成形助剤は、好ましくは、これらの混合物（混練物）をシート状に成形する際またはその後に、加熱等により除去される。
【００３４】
前記混合物（混練物）を圧延するための方法は特に限定されないが、その例としては、混練物を押出あるいは圧延などの方法によりロッド状あるいは板状に予備成形し、これをさらに圧延ロールで圧延するなどの方法でシート状に成形する方法などが挙げられる。成形に圧延ロールを使用する場合には、圧延ロール温度は、好ましくは２０〜１００℃、より好ましくは４０〜８０℃である。
【００３５】
混合物（混練物）を圧延する工程の後に加熱により前記成形助剤を除去する場合、加熱温度は、たとえば１００〜２００℃、加熱時間は、たとえば５分間〜５時間である。
【００３６】
シートの厚さは、活性炭シートの用途に応じて適宜設定すれば良く、たとえば用途がＥＤＬＣ用電極膜であれば、その厚さは０．０５〜１ｍｍ程度であってもよい。
【００３７】
＜光照射工程＞
前記光照射工程では、シート準備工程で準備されたシートの少なくとも一方の面に、シート表面における積算照射量が５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2となるように光照射を行う。シートの両面に光照射を行ってもよい。
【００３８】
シート表面における積算照射量は、シートに含まれるフッ素樹脂バインダー量の割合が一定の場合にシートの機械強度の低下を抑えつつシートへの電解液の含浸性を高めるという観点からは、好ましくは１００〜５００ｍＪ／ｃｍ2である。
【００３９】
光照射のその他の好ましい条件は以下のとおりである。
【００４０】
照射光：紫外光
照射光の波長：１０〜３００ｎｍ、より好ましくは１００〜２５０ｎｍ、さらに好ましくは１５０〜２００ｎｍ；
光照射の際の雰囲気：不活性ガス（例：ヘリウムガス、アルゴンガス等の希ガス、窒素ガス）雰囲気、酸素ガス（Ｏ2）および／またはオゾンガスを含有する雰囲気、より好ましくは酸素ガス（Ｏ2）を２０体積％以下（好ましくは０．０１〜１０体積％）含有する不活性ガス雰囲気。
【００４１】
また、前記光照射の光源としては、エキシマランプ、低圧水銀ランプ、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザーなどが挙げられ、シートの広範囲に光照射する観点からエキシマランプおよび低圧水銀ランプが好ましく、高効率、瞬時点灯、低温処理が可能であること、コストが低いこと、メンテナンス性に優れることからエキシマランプがさらに好ましい。
【００４２】
上述したシート表面における積算照射量が前記範囲よりも小さいと活性炭シートへの電解液（特に、水および）の含浸性を高められない傾向があり、前記範囲よりも大きいと活性炭シートの機械的強度が低下する傾向がある。
【００４３】
ＰＴＦＥ（あるいは変性ＰＴＦＥ）をフッ素樹脂バインダーとして有する活性炭シートにおいては、その製造過程で、原料混合物を含有するシート状の圧延物、特にその表面付近において、フッ素樹脂バインダーの繊維化が進行する。その結果、活性炭シート表面のフッ素樹脂バインダー繊維の存在割合が比較的高くなり、活性炭シート表面の撥水性が高くなり、これにより、従来のＥＤＬＣ用電極膜においては、電極膜（活性炭シート内）への電解液の浸入が妨げられていたと考えられる。
【００４４】
一方、本発明の活性炭シートにおいては、前記光照射により、活性炭シートの表面付近のみのＰＴＦＥ（変性ＰＴＦＥも含む。）分子が開裂し（つまり、ＰＴＦＥスキン層が破壊され、ないしＰＴＦＥ繊維が部分的に切断され）、また前記光照射の際の雰囲気に酸素ガスおよび／またはオゾンガスが含まれる場合であれば、前記酸素ガスおよび／またはオゾンガスから活性酸素が発生し、この活性酸素により活性炭シート表面に酸素を含有する親水性官能基（たとえば水酸基）が付与され、これにより活性炭シートの含浸性が改善され、かつ、活性炭シート内部のＰＴＦＥ分子は開裂されないため、活性炭シートの機械強度は保持されるものと推定される。
【００４５】
前記光照射工程を経ることにより、活性炭シートの機械的強度を維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させることができる。
【００４６】
したがって、本発明の製造方法によれば、電解液（たとえば、ＥＤＬＣ用の電解液）の含浸性および機械強度が共にバランス良く優れる活性炭シートを製造することができる。
【００４７】
また、本発明に係る製造方法によって、活性炭シートとしてＥＤＬＣ用の電極シートを製造すれば、該電極シートを電池に組み込む際に電解液を素早く吸収できるため、電池製造において組み込み作業に要する時間を短縮できる。
【００４８】
［活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法］
本発明に係る活性炭シートへの電解液の含浸性を向上させる方法においては、活性炭と、炭素導電材と、ＰＴＦＥおよび変性ＰＴＦＥから選ばれるフッ素樹脂バインダーとを含む活性炭シートの少なくとも一方の面に光照射を行う。
【００４９】
前記活性炭シートは、たとえば、上述したシート形成工程を経ることにより製造することができる。また、光照射の条件の詳細は、上述した活性炭シートの製造方法における光照射の条件と同様である。
【００５０】
本発明に係る方法によれば、活性炭シートの機械強度を高く維持しつつ、活性炭シートへの電解液の含浸性を高めることができ、具体的には下記式で定義される相対引張強度を好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上としつつ、下記式で定義される相対含浸時間を、下記電解液が1.0M TEA-BF4/PC溶液、イオン液体「IL-IM1」（以上、詳細は実施例の欄に記載する。）または水のいずれかである場合に、９０％以下、さらに好ましくは６０％以下とすることができる。
【００５１】
・相対引張強度（％）
＝（光照射後のシートの引張強度）／（光照射前のシートの引張強度）
前記引張強度の値は、活性炭シートを、幅１０ｍｍ、長さ６０ｍｍの短冊状に切断して試験片を作製し、引張試験機（インストロン社製）により測定、あるいは同等の方法により測定した場合の引張強度の値である。
【００５２】
・相対含浸時間（％）
＝（光照射後のシートへの電解液の含浸時間）／（光照射前のシートへの電解液の含浸時間）
前記含浸時間は、活性炭シートの表面（光照射後のシートであれば、光照射された側の表面）に、９μＬの電解液を一度に滴下してから、電解液がシートに染み込み、シート表面の光沢がなくなるまで（すなわち、シート表面から電解液が消失するまで）の時間である。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。【００５４】
＜測定方法＞
（含浸性）
製造例、実施例または比較例で製造された各シートに、スポイトで９μＬの電解液を一度に滴下してから、電解液がシートに染み込み、シート表面の光沢がなくなるまで（すなわち、シート表面から電解液が消失するまで）の時間（以下「含浸時間」ともいう。）を計測し、下記式で定義される相対含浸時間を求めた。【００５５】
相対含浸時間（％）
＝（実施例または比較例の光照射後のシートの含浸時間）／（実施例または比較例の光照射前のシートの含浸時間）
なお、電解液としては、有機系電解液（商品名「1.0M  TEA-BF4/PC」、東洋合成工業（株）製）（以下「ＰＣ」と記載する。）、イオン性液体（商品名「IL-IM1」、広栄化学工業（株）製）（以下「ＥＭＩ−ＢＦ４」と記載する。）および水の３種類を用いた。【００５６】
（機械的強度）
製造例、実施例または比較例で製造された各シートを、幅１０ｍｍ、長さ６０ｍｍの短冊状に切断して試験片を作製し、引張試験機（インストロン製）により各試験片の引張強度を測定し、下記式で定義される相対引張強度を求めた。【００５７】
相対引張強度（％）
＝（実施例または比較例のシートの光照射後の引張強度）／（実施例または比較例のシートの光照射前の引張強度）
（粉落ち性）
実施例または比較例で製造された各シートを指で触れ、下記の基準に基づいて評価を行った。【００５８】
○：粉体が指にほとんど付着しない
×：粉体で指が黒くなるほど付着する
［製造例１］
８０重量部の活性炭（平均粒径：２５μｍ、ヤシ殻活性炭）と、１５重量部の導電性カーボンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル社製、ケッチェンブラックＥＣ）と、５重量部のＰＴＦＥ（ダイキン工業（株）製  ポリフロンＤ−１Ｅ）とを混合し、これらの合計量１００重量部に対して１５０重量部の成形助剤（エタノール）をさらに添加して２０℃で混練した。得られた混練物を、ロール表面温度が４０℃のロールプレスを用いて厚さが０．５ｍｍとなるように圧延してシートを得て、さらにこのシートを１５０℃で１時間加熱して乾燥させた。【００５９】
［実施例１］
製造例１で得られたシートからＡ４サイズのシートを切り取り、その一方の面にエキシマランプにより光照射した。光照射の条件の詳細は以下のとおりであった。【００６０】
光源（エキシマランプ（株式会社エム・ディ・エキシマ社製MEIRH-N-1-330））からシートまでの距離：２ｍｍ
照射光：紫外光（波長：１５５〜１９５ｎｍ（極大１７０ｎｍ））
シート移動速度：１ｍ／分
雰囲気：窒素ガス５０Ｌ／分および大気３Ｌ／分の混合気流
シート表面における積算照射量：１３０ｍＪ／ｃｍ2
光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６１】
［実施例２］
ＰＴＦＥの量を１５重量部、活性炭の量を７０重量部に変更したこと以外は製造例１と同様の操作を行いシートを得た。このシートを製造例１で得られたシートに替えて用いたこと以外は実施例１と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６２】
［実施例３］
ＰＴＦＥの量を３０重量部、活性炭の量を５５重量部に変更したこと以外は製造例１と同様の操作を行いシートを得た。このシートを製造例１で得られたシートに替えて用いたこと以外は実施例１と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６３】
［実施例４］
積算照射量を５０ｍＪ／ｃｍ2に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６４】
［実施例５］
積算照射量を１０００ｍＪ／ｃｍ2に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６５】
［比較例１］
積算照射量を１２００ｍＪ／ｃｍ2に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行った。光照射後のシートの評価結果を表１に示す。【００６６】
【表１】
2014132862.tif 000002
【国際調査報告】
2014132862.tif 000003
2014132862.tif 000004
2014132862.tif 000005
2014132862.tif 000006