(57)【要約】【課題】本発明は電気二重層コンデンサ用電解液を効率的に開発することを目的とする。【解決手段】電気二重層コンデンサの電解液を合成する場合に、溶質を溶媒に溶解したモデルを想定し、シミュレーションによって耐電圧を予測し、耐電圧が目標値を超えると予測された電解液のみを実際に合成する。これにより電解液開発における開発時間を大幅に短縮することができる。【選択図】　図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶質を溶媒に溶解させたモデルを想定し、次に前記溶質を構成するカチオンとアニオンが会合体を形成し、安定状態にあるときの前記会合体の第１エネルギーを算出して第１値を求め、その後この会合体が還元されたとき及び酸化されたときの、第２，第３エネルギーを算出して第２値、第３値を求め、次に第１値から第２値を減算して第４値を求めると共に、第３値から第１値を減算して第５値を求め、次に第５値から第４値を減算して第６値を求め、その後この第６値を目標値と比較する電気二重層コンデンサ用電解液の評価方法。
【請求項２】
請求項１において第６値がこの目標値よりも高い場合には、その溶質を溶媒中に溶解させた電解液に耐電圧を測定するとともに、その測定値を目標値と比較する電気二重層コンデンサ用電解液の評価方法。
【請求項３】
溶質を溶媒に溶解させたモデルを想定し、次に前記溶質を構成するカチオンとアニオンが複数の異なる会合体を形成し、安定状態にあるときの前記複数の異なる会合体それぞれの第１エネルギーを算出して第１値を求め、その後これら複数の異なる会合体それぞれが還元されたとき及び酸化されたときの、第２，第３エネルギーを算出して第２値、第３値を求め、次に前記複数の異なる会合体をそれぞれの第１値から第２値を減算して第４値を求めると共に、第３値から第１値を減算して第５値を求め、次に前記溶質を構成するカチオンとアニオンが会合体を形成せずに、単独のカチオン及び単独のアニオンとして安定状態にあるときの前記単独のカチオン及び単独のアニオンそれぞれの第１エネルギーを算出して第１値を求め、その後これら単独のカチオン及び単独のアニオンそれぞれが還元されたとき及び酸化されたときの、第２，第３エネルギーを算出して第２値、第３値を求め、次に前記単独のカチオン及び単独のアニオンそれぞれの第１値から第２値を減算して第４値を求めると共に、第３値から第１値を減算して第５値を求め、その後前記複数の異なる会合体と前記単独のカチオン及び単独のアニオンそれぞれの複数の第４値の中から最大の第４値を選択すると共に、複数の第５値の中から最小の第５値を選択し、前記最小の第５値から前記最大の第４値を減算して第６値を求め、その後この第６値を目標値と比較する電気二重層コンデンサ用電解液の評価方法。
【請求項４】
請求項３において第６値が目標値よりも高い場合には、その溶質を溶媒中に溶解させた電解液の耐電圧を測定するとともに、その測定値を目標値と比較する電気二重層コンデンサ用電解液の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層コンデンサ用電解液の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層コンデンサにおいては、その耐電圧が高いものであることが求められる。従来、電解液を合成する場合には、より高い耐電圧が得られるように、想定される数多くの溶質と溶媒を組み合わせて電解液を合成し、この電解液の耐電圧を測定することによって、この電解液が目標とする耐電圧を満たすものであるか否かを評価する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術において問題となるのは、電解液の開発に極めて長い時間を要してしまうということである。すなわち、実際に想定される溶質と溶媒は無数に存在し、その中から適宜選択して溶媒を溶質に溶解させて電解液を合成し、その電解液の耐電圧を測定するという試行錯誤を幾度と無く繰り返し、漸くその中から目標とする電解液を抽出することになる。この場合、これまでの経験によれば、目標とする電解液に到達するには極めて長い時間を要し、またこのことが電気二重層コンデンサの開発に極めて長い時間を要する原因となっていた。
【０００４】
そこで本発明は、電気二重層コンデンサ、特にその電解液の開発時間を短縮することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、溶質を溶媒中に溶解させたモデルを想定し、次に前記溶質を構成するカチオンとアニオンが会合体を形成し、安定状態にあるときの前記会合体の第１エネルギーを算出して第１値を求め、その後この会合体が還元されたとき及び酸化されたときの第２，第３エネルギーを算出して第２値、第３値を求め、次に第１値から第２値を減算して第４値を求めると共に、第３値から第１値を減算して第５値を求め、次に第５値から第４値を減算して第６値を求め、その後この第６値を目標値と比較し、前記第６値がこの目標値よりも高いものを選出するのである。
【０００６】
すなわち、本発明においては、実際に想定される溶質と溶媒を無作為に選択し、単純に溶質を溶媒中に溶解させて電解液を合成するのではなく、溶質を溶媒中に溶解させたモデルを想定し、このモデルから耐電圧を算出し、算出した値が目標値よりも高い場合のみ、実際にその溶質を溶媒中に溶解させて電解液を合成し、そして確認のためにこの電解液の耐電圧を測定するようにしたものである。
【０００７】
つまり、想定される無作為の溶質と溶媒からなる電解液を合成するのではなく、極めて高い確率で目標とする耐電圧を有すると予測できる電解液のみを合成し、その確認のために電解液の耐電圧を測定することにより、その電解液の開発に要する時間を大幅に短縮することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図１から図１０に従って説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１から図４は電気二重層コンデンサの一例を示したものである。すなわち、電気二重層コンデンサは、これら図１から図４に示す様に、外装ケース１内に素子２が封止ゴム３で封入された状態になっている。素子２は、図３と図４に示す様に、帯状の電解紙４の表裏面に帯状の集電体金属５，６を設けたものを渦巻き状に巻き付けたものであって、集電体金属５，６の電解紙４側には活性炭７Ａ，７Ｂが設けられている。そして、集電体金属５，６間には外装ケース１内に充填された電解液８が存在している。
【００１０】
本実施形態においては、前記電解液８をシミュレーションによって選択し、次にその電解液を実際に合成する。この手続きを図５以降の図面を用いて説明する。
【００１１】
図５は図４をモデル化したものであり、図５に示す様に、集電体金属５，６間には電解液８が存在している。図５の状態は集電体金属５，６間に電圧が印加されていない状態であるので、電解液８内のカチオン９とアニオン１０は分散された状態で存在している。
【００１２】
図６は集電体金属５，６間に電源１１を接続した状態を示している。この様に集電体金属５に電源１１のマイナス極、集電体金属６に電源１１のプラス極がそれぞれ接続されると、集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面には、カチオン９が活性炭７Ａ表面のマイナス電荷によって引き付けられた状態となり、逆に集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面には、アニオン１０が活性炭７Ｂ表面のプラス電荷によって引き付けられた状態となる。
【００１３】
この様に、集電体金属５，６の内側に設けられた活性炭７Ａ，７Ｂの表面にカチオン９が前記マイナス電荷によって、アニオン１０が前記プラス電荷によってそれぞれ引き付けられることにより、この電気二重層コンデンサにエネルギーが蓄積される。カチオン９と前記マイナス電荷との間に、ある一定値ＶＲ以上の電位差が印加されると、集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面から電子が電解液８へと移動し、またある一定値Ｖｏ以上の電位差が印加されると、集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面に電解液８から電子が移動することになる。電気二重層コンデンサにおける耐電圧とは、前記ＶＲと前記Ｖｏを加算したＶＷすなわち電位窓の大きさを意味する。
【００１４】
電気二重層コンデンサの耐電圧は電解液８によって大きく左右される。従って、高い耐電圧を確保するためには、電解液８としてどんな化学種を選択するかについて検討しなければならない。そこで第１の実施形態においては、図７に示す手続きによって電解液８を開発することにした。
【００１５】
先ず図７のステップ７ａにおいて、電解液を選択する。具体的にはこの電解液は図８に示すように、カチオン９とアニオン１０と溶媒１２によって構成されているものとする。またこの図８は、カチオン９がテトラエチルアンモニウム、アニオン１０がテトラフルオロボレート、溶媒１２がプロピレンカーボネートである場合を想定して描かれているが、これらは一例であり選択した電解液によって異なる。
【００１６】
次に図７のステップ７ｂにおいて、カチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させたモデルを想定する。第１の実施形態においては、カチオン９とアニオン１０は会合体を形成しているものとし、この会合体が１つのカチオン９と１つのアニオン１０からなる二量体を形成しているものとする。
【００１７】
次に図７のステップ７ｃにおいて、カチオン９とアニオン１０が会合体を形成し、安定状態にあるときの前記会合体の第１エネルギーをシミュレーションにより算出して第１値を求める。
【００１８】
次に図７のステップ７ｄにおいて、前記会合体が還元されたとき、及び酸化されたときの、第２，第３エネルギーを算出して第２値、第３値を求める。この会合体が還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在する会合体に、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこの会合体が酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在する会合体から前記活性炭７Ｂに電子を移動した状態を意味する。会合体が還元または酸化され、集合体金属５，６に貯えられたマイナス及びプラスの電荷が電解液８中に移動することによって、電気二重層コンデンサに貯えられたエネルギーが放出されてしまう。また同時に、会合体を形成しているカチオン９とアニオン１０はラジカルに近い状態となり、化学反応を起こしやすく電解液８は破壊されやすい状態となる。
【００１９】
次に図７のステップ７ｅにおいて、第１値から第２値を減算して第４値を求めると共に、第３値から第１値を減算して第５値を求める。第４値は集電体金属５側で会合体が還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５値は集電体金属６側で会合体が酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００２０】
次に図７のステップ７ｆにおいて、第５値から第４値を減算して第６値を求める。その第６値が予測される電位窓の大きさＶＷすなわち電気二重層コンデンサの耐電圧である。
【００２１】
次に図７のステップ７ｇにおいて、第６値を目標値として比較して、目標値よりも高い値である場合には、選択したカチオン９とアニオン１０と溶媒１２からなる電解液が、耐電圧の高い電気二重層コンデンサを製造する場合に適切なものであると判定する。
【００２２】
次に図７のステップ７ｈにおいて、ステップ７ａからステップ７ｇによって特定された化学種を用いて、カチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させて実際に電解液を合成する。
【００２３】
次に図７のステップ７ｉにおいて、合成された電解液の耐電圧を測定し、シミュレーションで予測された耐電圧が、実用上問題の無い誤差範囲で得られていることが確認できた場合、この電解液を電気二重層コンデンサの電解液として活用する。
【００２４】
以上の様に、本実施形態において最も特徴的なのは、電解液８の開発に従来の様に無数の試行錯誤を繰り返すことなく、耐電圧の高いものとして予測されるものを前もってシミュレーションで選択し、そしてその選択された数少ない電解液を実際に合成するという手続きをとることによって、電解液８の開発時間を大幅に短縮できることである。また、前述のようにカチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させたモデルを想定することによって、電解液の耐電圧を良い精度で予測できることである。そしてこれらによって電気二重層コンデンサの製造を極めて効率的に行うことが可能となる。
【００２５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、図１０に示す手続きによって電解液８を開発することにした。
【００２６】
先ず図１０のステップ１０ａにおいて、電解液を選択する。具体的にはこの電解液は図９に示すように、カチオン９とアニオン１０と溶媒１２によって構成されているものとする。またこの図９は、カチオン９とテトラエチルアンモニウム、アニオン１０がテトラフルオロボレート、溶媒１２がプロピレンカーボネートである場合を想定して描かれているが、これらは一例であり選択した電解液によって異なる。
【００２７】
次に図１０のステップ１０ｂにおいて、カチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させたモデルを想定する。第２の実施形態においては、カチオン９とアニオン１０が形成する複数の異なる会合体として、１つのカチオン９と１つのアニオン１０からなる二量体Ａと、１つのカチオン９と２つのアニオン１０からなる三量体Ｂと、２つのカチオン９と１つのアニオン１０からなる三量体Ｃを想定すると共に、会合体を形成していない単独のカチオン９であるカチオンＤと、会合体を形成していない単独のアニオン１０であるアニオンＥを想定する。ここで、カチオン９とアニオン１０の会合体として、二量体Ａと三量体Ｂと三量体Ｃ以外にも、存在する可能性のある任意の会合体のモデルを想定しても良い。また逆に、二量体Ａと三量体Ｂと三量体ＣとカチオンＤとアニオンＥの中に、存在する可能性が無いものが有ればそのモデルを除外しても良い。
【００２８】
次に図１０のステップ１０ｃＡにおいて、二量体Ａが安定状態にあるときこの二量体Ａの第１Ａエネルギーをシミュレーションにより算出して第１Ａ値を求める。
【００２９】
次に図１０のステップ１０ｄＡにおいて、二量体Ａが還元されたとき、及び酸化されたときの、第２Ａ、第３Ａエネルギーを算出して第２Ａ値、第３Ａ値を求める。この二量体Ａが還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在する二量体Ａに、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこの二量体Ａが酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在する二量体Ａから前記活性炭７Ｂに電子を移動した状態を意味する。
【００３０】
次に図１０のステップ１０ｅＡにおいて、第１Ａ値から第２Ａ値を減算して第４Ａ値を求めると共に、第３Ａ値から第１Ａ値を減算して第５Ａ値を求める。第４Ａは集電体金属５側で二量体Ａが還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５値は集電体金属６側で二量体Ａが酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００３１】
次に図１０のステップ１０ｃＢにおいて、三量体Ｂが安定状態にあるときのこの三量体Ｂの第１Ｂエネルギーをシミュレーションにより算出して第１Ｂ値を求める。
【００３２】
次に図１０のステップ１０ｄＢにおいて、前記三量体Ｂが還元されたとき、及び酸化されたときの、第２Ｂ、第３Ｂエネルギーを算出して第２Ｂ値、第３Ｂ値を求める。この三量体Ｂが還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在する三量体Ｂに、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこの三量体Ｂが酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在する三量体Ｂから前記活性炭に電子を移動した状態を意味する。
【００３３】
次に図１０のステップ１０ｅＢにおいて、第１Ｂ値から第２Ｂ値を減算して第４Ｂ値を求めると共に、第３Ｂ値から第１Ｂ値を減算して第５Ｂ値を求める。第４Ｂ値は集電体金属５側で三量体Ｂが還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５Ｂ値は集電体金属６側で三量体Ｂが酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００３４】
次に図１０のステップ１０ｃＣにおいて、三量体Ｂが安定状態にあるときのこの三量体Ｃの第１Ｃエネルギーをシミュレーションにより算出して第１Ｃ値を求める。
【００３５】
次に図１０のステップ１０ｄＣにおいて、前記三量体Ｃが還元されたとき、及び酸化されたときの、第２Ｃ、第３Ｃエネルギーを算出して第２Ｃ値、第３Ｃ値を求める。この三量体Ｃが還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在する三量体Ｃに、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこの三量体Ｃが酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在する三量体Ｃから前記活性炭７Ｂに電子が移動した状態を意味する。
【００３６】
次に図１０のステップ１０ｅＣにおいて、第１Ｃ値から第２Ｃ値を減算して第４Ｃ値を求めると共に、第３Ｃ値から第１Ｃ値を減算して第５Ｃ値を求める。第４Ｃ値は集電体金属側で三量体Ｃが還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５Ｃ値は集電体金属６側で三量体Ｃが酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００３７】
次に図１０のステップ１０ｃＤにおいて、カチオンＤが安定状態にあるときのこのカチオンＤの第１Ｄエネルギーをシミュレーションにより算出して第１Ｄ値を求める。
【００３８】
次に図１０のステップ１０ｄＤにおいて、前記カチオンＤが還元されたとき、及び酸化されたときの、第２Ｄ、第３Ｄエネルギーを算出して第２Ｄ値、第３Ｄ値を求める。このカチオンＤが還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在するカチオンＤに、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこのカチオンＤが酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在するカチオンＤから前記活性炭７Ｂに電子が移動した状態を意味する。
【００３９】
次に図１０のステップ１０ｅＤにおいて、第１Ｄ値から第２Ｄ値を減算して第４Ｄ値を求めると共に、第３Ｄ値から第１Ｄ値を減算して第５Ｄ値を求める。第４Ｄ値は集電体金属５側でカチオンＤが還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５Ｄ値は集電体金属６側でカチオンＤが酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００４０】
次に図１０のステップ１０ｃＥにおいて、アニオンＥが安定状態にあるときのこのアニオンＥの第１Ｅエネルギーをシミュレーションにより算出して第１Ｅ値を求める。
【００４１】
次に図１０のステップ１０ｄＥにおいて、前記アニオンＥが還元されたとき、及び酸化されたときの、第２Ｅ、第３Ｅエネルギーを算出して第２Ｅ値、第３Ｅ値を求める。このアニオンＥが還元されたときとは、図６に示した集電体金属５の内側に設けられた活性炭７Ａの表面近くに存在するアニオンＥに、前記活性炭７Ａから電子を移動した状態を意味し、またこのアニオンＥが酸化されたときとは、図６に示した集電体金属６の内側に設けられた活性炭７Ｂの表面近くに存在するアニオンＥから前記活性炭７Ｂに電子が移動した状態を意味する。
【００４２】
次に図１０のステップ１０ｅＥにおいて、第１Ｅ値から第２Ｅ値を減算して第４Ｅ値を求めると共に、第３Ｅ値から第１Ｅ値を減算して第５Ｅ値を求める。第４Ｅ値は集電体金属５側でアニオンＥが還元される際のエネルギーの利得を意味し、第５Ｅ値は集電体金属６側でアニオンＥが酸化される際のエネルギーの損失を意味する。
【００４３】
次に図１０のステップ１０ｆにおいて、第４Ａ値、第４Ｂ値、第４Ｃ値、第４Ｄ値、第４Ｅ値から最大の値を選択して第４値とし、第５Ａ値、第５Ｂ値、第５Ｃ値、第５Ｄ値、第５Ｅ値から最小の値を選択して第５値とすると共に、前記第５値から前記第４値を減算して第６値を求める。この第６値が予測される電位窓の大きさＶＷすなわち電気二重層コンデンサの耐電圧である。つまり、電解液の中に存在すると想定される会合体と単独のカチオンと単独のカチオンの中の、最も還元または酸化されやすい、会合体または単独のカチオンまたは単独のアニオンによって電解液の耐電圧が決定されることになる。
【００４４】
以上の手続きにおいて、プラス電荷をもつ三量体ＣやカチオンＤなどが、還元される際のエネルギーの利得が十分大きく、第４Ｃ値や第４Ｄ値などが十分小さくなると考えられる場合には、これら第４Ｃ値や第４Ｄ値などを求める必要はなく、ステップ１０ｆにおいて第４値を決定する際にも考慮しなくても良い。また、マイナス電荷をもつ三量体ＢやアニオンＥなどが、酸化される際のエネルギーの損失が十分大きく、第５Ｂ値や第５Ｅ値などが十分大きくなると考えられる場合には、これら第５Ｂ値や第５Ｅ値などを求める必要はなく、ステップ１０ｆにおいて第５値を決定する際にも考慮しなくても良い。
【００４５】
次に図１０のステップ１０ｇにおいて、第６値を目標値と比較して、目標値よりも高い値である場合には、選択したカチオン９とアニオン１０と溶媒１２からなる電解液が、耐電圧の高い電気二重層コンデンサを製造する場合に適切なものであると判定する。
【００４６】
次に図１０のステップ１０ｈにおいて、ステップ１０ａからステップ１０ｇによって特定された化学種を用いて、カチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させて実際に電解液を合成する。
【００４７】
次に図１０のステップ１０ｉにおいて、合成された電解液の耐電圧を測定し、シミュレーションで予測された耐電圧が、実用上問題の無い誤差範囲で得られていることが確認できた場合、この電解液を電気二重層コンデンサの電解液として活用する。
【００４８】
以上の様に、本実施形態において最も特徴的なのは、電解液の開発に従来の様に無数の試行錯誤を繰り返すことなく、耐電圧の高いものとして予測されるものを前もってシミュレーションで選択し、そしてその選択された数少ない電解液を実際に合成するという手続きをとることによって、電解液の開発時間を大幅に短縮できることである。また、前述のようにカチオン９とアニオン１０を溶媒１２中に溶解させたモデルを想定することによって、電解液の耐電圧を良い精度で予測できることである。そしてこれらによって電気二重層コンデンサの製造を極めて効率的に行うことが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、電気二重層コンデンサ用電解液を合成する場合に、シミュレーションによって耐電圧が目標値を超えると予測された電解液のみを実際に合成することによって、電解液開発における試行錯誤を削減し開発時間を大幅に短縮する。またそれによって電気二重層コンデンサの製造を極めて効率的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサの斜視図
【図２】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサの断面図
【図３】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサ要部の斜視図
【図４】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサ要部の拡大断面図
【図５】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサ要部のモデル化した図
【図６】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサ要部のモデル化した図
【図７】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサの製造方法のフローチャート
【図８】本発明の一実施形態に係る電気二重層コンデンサの電解液の模式図
【図９】本発明の他の実施形態に係る電気二重層コンデンサの製造方法のフローチャート
【図１０】本発明の他の実施形態に係る電気二重層コンデンサの電解液の模式図
【符号の説明】
８　電解液
９　カチオン
１０　アニオン
１２　溶媒
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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