(57)【要約】【課題】  電荷供給デバイス１の蓄積容量をさらに向上させる。【解決手段】  電解液６中に浸漬された一対以上の電極２を備える電荷供給デバイス１であって、上記電極２は、導電性物質からなる集電板２１と、この集電板に化学的に結合されたうろこ状のグラファイト２２とを備える。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液中に浸漬された一対以上の電極を備える電荷供給デバイスであって、
前記電極の少なくとも１つは、
導電性物質からなる集電板と、
該集電板に化学的に結合されたうろこ状のグラファイト膜と
を備えることを特徴とする電荷供給デバイス。
【請求項２】
前記グラファイト膜は、活性化処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の電荷供給デバイス。
【請求項３】
前記一対以上の電極間に配されるセパレータを有することを特徴とする請求項１または２記載の電荷供給デバイス。
【請求項４】
キャパシタとして構成されることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の電荷供給デバイス。
【請求項５】
電池として構成されることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の電荷供給デバイス。
【請求項６】
電解液中に浸漬された一対以上の電極を備える電荷供給デバイスの製造方法であって、
導電性物質からなる集電板に所定ガスをプラズマを介して吹付けることによって前記集電板にうろこ状のグラファイト膜を析出させるグラファイト析出工程と、
前記集電板と該集電板に析出したグラファイト膜とを電極として前記電荷供給デバイスを組立てる組立工程と
を有することを特徴とする電荷供給デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記グラファイト析出工程において、前記集電板が５００〜８００℃に加温された状態とされることを特徴とする請求項７記載の電荷供給デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記グラファイト膜を酸化させる活性化処理工程を有することを特徴とする請求項６または７記載のデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷供給デバイスとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車や携帯電話等の装置に、バッテリの代わりにさらに電気エネルギの入出力特性に優れたキャパシタ（電荷供給デバイス）を搭載する試みがなされている。このようなキャパシタは、当然、電気エネルギの蓄積容量が多い方が好ましく、このため、キャパシタの蓄積容量をより多くするための様々な技術が提案されている。
キャパシタの容積容量をより多くするための手段としては、電解液中に浸漬される一対の電極の比表面積を広くすることによって電極に吸着するイオンを増やすことが考えられる。この具現案として、キャパシタの電極として、カーボンナノチューブを用いる技術がある。この技術は、短く破断されたカーボンナノチューブを結合材を用いて金属物質からなる集電板に固着させ、これを電極として用いることによって、電極の比表面積を広くするものである。また、集電板に直接カーボンナノチューブを析出させる技術も提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２４２０２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３０７９５１号公報
【特許文献３】特表２００２−５２６９１３号公報
【特許文献４】特表２０００−５１０９９９号公報
【特許文献５】特開２００２−２９８６０号公報
【特許文献６】特開２００１−２３３６７４号公報
【特許文献７】特開２０００−１２４０７９号公報
【特許文献８】特開平１１−４０７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した技術によれば、キャパシタの蓄積容量を多くすることが可能となる。しかしながら、実際の装置に搭載するためには、一回の充電で使用できる時間等の問題から、まだまだ十分な蓄積用量とは言えない。このため、さらにキャパシタの蓄積容量を多くする技術が要求されている。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電荷供給デバイスの蓄積容量をさらに向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、電荷供給デバイスに係る第１の手段として、電解液中に浸漬された一対以上の電極を備える電荷供給デバイスであって、上記電極の少なくとも１つは、導電性物質からなる集電板と、この集電板に化学的に結合されたうろこ状のグラファイト膜とを備えるという構成を採用する。
【０００６】
電荷供給デバイスに係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記グラファイト膜は、活性化処理が施されているという構成を採用する。
【０００７】
電荷供給デバイスに係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記一対の電極間に配されるセパレータを有するという構成を採用する。
【０００８】
電荷供給デバイスに係る第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、キャパシタとして構成されるという構成を採用する。
【０００９】
電荷供給デバイスに係る第５の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、電池として構成されるという構成を採用する。
【００１０】
電荷供給デバイスの製造方法に係る第１の手段として、電解液中に浸漬された一対以上の電極を備える電荷供給デバイスの製造方法であって、導電性物質からなる集電板に所定ガスをプラズマを介して吹付けることによって上記集電板にうろこ状のグラファイト膜を析出させるグラファイト析出工程と、上記集電板とこの集電板に析出したグラファイトとを電極として上記電荷供給デバイスを組立てる組立工程とを有するという構成を採用する。
【００１１】
電荷供給デバイスの製造方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記グラファイト析出工程において、上記集電板が５００〜８００℃に加温された状態とされるという構成を採用する。
【００１２】
電荷供給デバイスの製造方法に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記グラファイト膜を酸化させる活性化処理工程を有するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
このような手段を採用する本発明に係る電荷供給デバイス及びその製造方法によれば、電極の表面積を広くすることによって、電荷供給デバイスの蓄積容量をさらに向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る電荷供給デバイスとその製造方法の一実施形態について説明する。なお、本実施形態においては、本発明に係る電荷供給デバイスとしてキャパシタを一例にして説明する。
【００１５】
図１は、キャパシタ１の全体構成を表した概略図である。この図において、符号２は電極、３はセパレータ、４は電源、５はスイッチであり、これらの部材によってキャパシタ１は構成されている。
このキャパシタ１は、例えば携帯電話等の装置にバッテリの変わりに搭載され、このような装置に対して電荷を供給するためのものであり、いわゆるスーパーキャパシタと呼ばれるものである。
【００１６】
本キャパシタ１は、２つで一対の電極２を有している。この電極２は、各々正電極、負電極を構成するものであり、水酸化カリウム等の電解液６中に浸漬された状態で対向配置されるものである。
このような電極２は、各々集電板２１とグラファイト２２とから構成されている。集電板２１は、導電性物質からなる板状部材（あるいはシート状部材）であり、例えば、ニッケル等の金属板として構成される。また、グラファイト２２は、集電板２１の一方側の面に結合材等を有さず化学的に結合されており、グラファイト膜がうろこ状に形成されているものである。なお、ここで言う、うろこ状のグラファイト膜とは、集電板等に対し垂直に延在するカーボンナノチューブを含まない概念であり、曲がりくねった複数のグラファイト膜が集電板等から成長したものの集合体として構成されるものである。
【００１７】
セパレータ３は、電極２，２間に配置されることによって、電極２，２同士が接触することに起因するキャパシタ１の短絡を防止する絶縁材である。また、このセパレータ３は、電解液６が通り抜けられるような不織布や多孔質フィルム等から構成されている。そして、図１に示すように、上記うろこ状のグラファイト２２は、集電板２１からセパレータ３までの間に亘って形成されている。
また、集電板２１，２１同士は、電解液６の外部に配される配線７によって電気的に接続されている。この配線７の途中部位には、電源４及びスイッチ５が配されている。
【００１８】
このように構成されたキャパシタ１において、スイッチ５が接続され電源４から電圧及び電流が電極２に印加されると、電解液６中の陰イオン及び陽イオンが分離されて、電極２に吸着される。上述のように、うろこ状のグラファイト２２が集電板２１に結合されているため、電極２の有効表面積は、集電板２１にカーボンナノチューブが垂直に延在して結合されている場合と比較して広くなる。このため、本実施形態に係る電極２は、従来と比較してより多くのイオンを吸着できる。これによって、電極２，２間に従来よりも大きな電位差が生じるため、本実施形態に係るキャパシタ１は、より大きな蓄積容量を得ることが可能となる。
また、本実施形態に係るキャパシタ１では、グラファイト２２が集電板２１と化学的に結合されているため、結合材を用いてカーボンナノチューブを集電板２１に物理的に結合した場合と比較して内部抵抗を減らすことが可能となる。
【００１９】
なお、上述したうろこ状のグラファイト２２には、焼結等の活性化処理が施されることが好ましい。これによって、グラファイト２２が酸化され、表面がざらざらとなり、さらにグラファイト２２の電解液６に対する比表面積を広くすることができる。
【００２０】
次に、このようなキャパシタ１の製造方法について説明する。
【００２１】
図２は、上述した電極２を形成するためのシートプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置３０の概略図である。この図において、符号３１は筐体、３２はプラズマ銃、３３は正電極、３４はコイル、３５は散気管、３６はヒータ、３７は基板である。
【００２２】
筐体３１は、所定の大きさを有する箱状の部材であり、その内部が真空雰囲気に保たれるものである。この筐体３１の一方側（図２における左側）の側部には、図示するようにプラズマ銃３２が設置されている。
このプラズマ銃３２は、筐体３１の高さ方向（図２おける上下方向）におけるほぼ中央部に設置されている。そして、このプラズマ銃３２の内部には、負電極３２ａが配されており、かつ、キャリアガスとして用いられるアルゴンガスが供給される。
正電極３３は、筐体１の内部においてプラズマ銃３２と対向するように、筐体３１の他方側の側部近傍に配置されている。
そして、これらプラズマ銃３２及び正電極３３に電圧及び電流が印加されることによって、プラズマ銃３２と正電極３３との間にアルゴンガスをキャリアガスとするプラズマＰが生成される。
【００２３】
コイル３４は、図示するように、筐体１の外面の適所に複数設置されており、自らが発生する磁場によって、プラズマＰを水平なシート状に形成するものである。散気管３５は、筐体１内において、このシート状のプラズマＰの上方に配されており、外部から供給される所定ガスを下方に向けて噴出するものである。この所定ガスとしては、炭素成分を含むメタンガス等や水素ガスを用いる。
【００２４】
また、ヒータ３６及び基板３７は、筐体１内において、シート状のプラズマＰの下方に配されている。ヒータ３６は自らの上に載置された基板３７を加温するものであり、支持部材３８によって筐体１に支持されている。
したがって、散気管３５から噴出された所定ガスはプラズマＰを介して基板３７に吹付けられる。
【００２５】
このように構成されたシートプラズマＣＶＤ装置３０によって、上記集電板２１の一方側の表面にうろこ状のグラファイト２２を析出させる（グラファイト析出工程）。
具体的には、まずニッケル等の導電性物質からなる集電板２１を基板３７上に載置する。この状態でプラズマ銃３２の負電極３２ａ及び正電極３３に電圧及び電流が印加されることによってシート状のプラズマＰが生成され、さらに散気管３５から水素ガスがプラズマＰを介して集電板２１に対して吹付けられる。そして、この水素ガスは、プラズマＰによって励起・分解されることによってイオン化し、集電板２１の一方側の面に付着する。これによって、集電板２１の一方側の面が還元処理される。
【００２６】
続いて、ヒータ３６によって基板３７を介して集電板２１が５００〜８００℃に加温され、この状態において散気管３５からメタンガスがプラズマＰを介して集電板２１に対して吹付けられる。このメタンガスも水素ガスと同様にプラズマＰによって励起・分解されることによってイオン化し、集電板２１の一方側の面に付着する。このようにして、メタンガスがプラズマＰを介して吹付けられることによって、集電板２１の一方側の面には、上述のようなうろこ状のグラファイト２２が析出する。
通常、ニッケル等の金属板上にカーボンナノチューブを析出させる場合にはヒータによって金属板を１１００℃程度に加温するため、これと比較してうろこ状のグラファイト２２が低温で析出されることが分かる。
【００２７】
このようにして、上述した集電板２１とうろこ状のグラファイト２３からなる電極２が形成される。そして、この電極２を２つ形成し、これらの電極２，２の間にセパレータ３を配置し、電解液６が溜められたキャパシタ用筐体（不図示）に収納し、電極２，２同士を電解液６の外部において配線７によって接続し、さらに配線７の途中部位に電源４及びスイッチ５を配置することで、図１に示すような、集電板２１とこの集電板２１に析出したうろこ状のグラファイト２２とを電極２とする本実施形態に係るキャパシタ１が組立てられる（組立工程）。
【００２８】
なお、上述のように、グラファイト２２に対して活性化処理を施す場合には、キャパシタ１を組立てる前に、グラファイト２２を水蒸気雰囲気中で焼結等によって酸化させる（活性化処理工程）。
【００２９】
このようにして製造されたキャパシタ１は、電極２が集電板２１とこの集電板２１に析出したうろこ状のグラファイト２２とから構成されているため、電極２の電解液６に対する比表面積がカーボンナノチューブを集電板に析出した場合より広くなり、結果、蓄積容量が多くなる。また、このようにして製造されたキャパシタ１は、グラファイト２２が集電板２１と化学的に結合されているため、結合材を用いてカーボンナノチューブを集電板２１に物理的に結合した場合と比較して内部抵抗が減る。
【００３０】
以上、図１及び図２を参照しながら本発明に係る電荷供給デバイスとその製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３１】
例えば、上記実施形態において、うろこ状のグラファイト２２を集電板２１からセパレータ３に亘って配置した。しかしながら、本発明に係る電荷供給デバイスは、これに限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、グラファイト２２とセパレータ３との間において、グラファイト２２にカーボンナノチューブ２３を結合材によって物理的に固着するような形態も含むものである。また、このカーボンナノチューブ２３は、活性炭であっても良い。
また、本発明に係る電荷供給デバイスは、図４に示すように、図３のカーボンナノチューブ２３を配置せずに、グラファイト２３とセパレータ３を離間して配置する形態も含むものである。
【００３２】
また、上記実施形態において、集電板２１をニッケルからなる金属板として説明した。しかしながら、本発明に係る電荷供給デバイスは、これに限定されるものではなく、例えば、集電板２１が鉄やコバルトからなる金属板であっても良く、また、ニッケルアルミニウム合金のような合金であっても良い。
【００３３】
また、上記実施形態において、集電板２１にグラファイト２２を析出させる際に、散気管３５から集電板２１に対して吹付ける所定ガスとしてメタンガスを使用した。しかしながら、本発明に係る電荷供給デバイスの製造方法は、これに限定されるものではなく、例えば、所定ガスがアセチレンやエチレンであっても良い。
【００３４】
また、上記実施形態において、本発明に係る電荷供給デバイスをキャパシタ１として説明した。しかしながら、本発明に係る電荷供給デバイスはこれに限定されるものではなく、例えば、電池であっても良い。
なお、本発明に係る電荷供給デバイスが電池である場合には、集電板２１，２１が異なる材料によって形成されている必要がある。このため、例えば、正極をカーボンによって形成し、この正極にのみ、うろこ状のグラファイト膜を析出させるという構成を採用することができる。ただし、本発明に係る電荷供給デバイスが電池である場合には、当然、その電池に好適な電解液が選択される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るキャパシタ１の全体構成を示した概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るキャパシタ１を製造する際に用いられるシートプラズマＣＶＤ装置３０の全体構成を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るキャパシタの変形例を示した概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るキャパシタの変形例を示した概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１……キャパシタ（電荷供給デバイス）
２……電極
２１……集電板
２２……グラファイト
３……セパレータ
４……電源
５……スイッチ
６……電解液
７……配線
３０……シートプラズマＣＶＤ装置
Ｐ……プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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