JP3848435B2 - Electric double layer capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【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及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、無機酸化物微粒子が添加された有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いる電気二重層コンデンサ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、メモリーバックアップ電源用などに、活性炭、カーボンブラックなど比表面積の大きい炭素材料を分極性電極として、その間にイオン伝導性溶液を配置する電気二重層コンデンサが多用されてきている。例えば、「第173回エレクトロケミカルソサエティ・ミーティング・アトランタ・ジョージア」1988年5月号(第18号)には、硫酸水溶液を用いた電気二重層コンデンサが記載されている。
また、「機能材料」1989年2月号33頁には、炭素系分極性電極と有機電解液を用いたコンデンサが報告されている。有機電解液は硫酸水溶液に比較してイオン伝導度は低いものの、耐電圧が大きく、電気二重層コンデンサの使用電圧及び容量が大きいことから注目されており、種々の電解質、有機溶媒が盛んに検討されている。電解質としては4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩等の窒素系カチオン塩や4級ホスホニウム塩が有機溶媒への溶解性、解離度が高く、電気化学的安定範囲が広いため、よく用いられている。また、有機溶媒としては、高誘電率で電気化学的安定範囲が広く、高沸点であるものが望まれており、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(γBL)等の環状炭酸エステル類またはラクトン類が用いられている。
【0003】
しかしながら、現在の電解質溶液を用いた電気二重層コンデンサでは、長期間の使用において、あるいは高電圧が印加される場合などの異常時には、コンデンサ外部への液漏れ、液涸れなどが発生し易いため、長期安定性や信頼性に問題がある。
また、現在の有機電解液を用いた電気二重層コンデンサでは、系内及び/または外部から混入する微量の水分、酸、塩基等の不純物により劣化が速くなるという問題がある。従って、当該業者は電解液製造中の不純物混入防止、調製後の保管方法等に多大な労力を払っている。
【0004】
特開平3-98263号公報には有機電解液にシリカやアルミナ、チタニア等の粉末状の不活性で非電導性固体を多量に添加し、流動性をなくすことにより、前記電解液の問題点を解決する試みもなされている。また、1997年3月電気化学協会春期年会(神奈川大学)1A21には、LiClO4系有機電解液にα−アルミナを多量に添加し、同様の流動性をなくす検討がなされている。しかし、これらの方法で流動性をなくしても、電解質自身の自立性がなく、ある程度の加圧で流動するため、実用性には乏しいものであった。また、流動性をなくすために多量の粉末を添加しているため、イオン伝導度が低下するという問題があった。また、粉末の熱処理が不充分であるため、電解質イオンとの相互作用が小さくイオン移動度向上の効果も小さい。また不純物吸着能力も小さく、逆に粉末表面のOH基や水分が電気化学素子に悪影響を及ぼすという問題もあった。
【0005】
これらに対して、固体電解質を用いた製品は液もれ、液涸れ等の前記電解質溶液のような問題がなく、また薄型化することも容易で、封印も簡便にできる。さらに固体電解質は耐熱性にも優れており、電気二重層コンデンサの作製工程においても有利である。
しかしながら、これまで検討されてきた固体電解質はイオン伝導度が低いため、取り出し電流が小さいという問題を残していた。
【0006】
最近、ポリエチレンオキサイド系重合体とアルカリ金属塩を複合したいわゆる高分子固体電解質が注目されている。これら高分子固体電解質の例として、「ブリティッシュ・ポリマー・ジャーナル(Br. Polym. J. )」第319巻,137頁(1975年)には、ポリエチレンオキサイドと無機アルカリ金属塩との複合物がイオン伝導性を示すことが記載されている。また、オリゴオキシエチレンを側鎖に導入した櫛型高分子が、イオン伝導性を担っているオキシエチレン鎖の熱運動性を高め、イオン伝導性が改良されることも多数報告されている。例えば、「ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリイ(J. Phys. Chem.)」第89巻,987頁(1984年)には、ポリメタクリル酸の側鎖にオリゴオキシエチレンを付加したものにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されている。さらに、「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(J. Am. Chem. Soc. )」第106巻,6854頁(1984年)には、オリゴオキシエチレン側鎖を有するポリホスファゼンにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されている。これらは重合体自身が、電解質であるLi塩と錯形成し、重合体鎖の熱運動によりイオン伝導を発現できると言われている。従って、現在のセパレータのような電解液を通す孔は基本的には必要ない。しかしながら膜強度、イオン伝導度で実用的に満足するものは得られていない。
【0007】
すなわち、一般的に検討されている高分子固体電解質のイオン伝導度は、室温における値で10-4〜10-5S/cm位まで改善されたものの、液体系イオン伝導性物質に比較するとなお二桁以上低いレベルである。また、0℃以下の低温になると、一層極端にイオン伝導性が低下する。更にこれらの固体電解質を薄膜にして電池に組み込む場合、電極との複合化や接触性確保等の加工技術が難しく、製造法でも問題点があった。
【0008】
「ジャーナル・オブ・アプライド・エレクトロケミストリー(J. Appl. Electrochem)」No.5,63〜69頁(1975年)に記載されているように、ポリアクリロニトリルやポリフッ化ビニリデンゲル等の熱可塑性高分子または架橋高分子に溶媒及び電解質を加えたいわゆる高分子ゲル電解質は高イオン伝導度となることが報告されている。また、特公昭58-36828号公報にはポリメタクリル酸アルキルエステルに溶媒及び電解質を加えた同様の高分子ゲル電解質は高イオン伝導度となることが報告されている。しかしながら、これら高分子ゲル電解質は高イオン伝導度であるが、流動性を付与することとなるため、完全な固体としては取り扱えず、膜強度や成膜性に劣り、電池に応用すると短絡が起こり易いうえ、液体系イオン伝導性物質同様に封止上の問題が発生する。
【0009】
米国特許第4357401号には、ヘテロ原子を含有する架橋ポリマーとイオン化可能な塩からなる高分子固体電解質では、高分子の結晶性が低下し、ガラス転移点が低く、イオン伝導度が改善されることが報告されている。しかし、そのイオン伝導度は、室温で10-5S/cm程度であり、未だ不十分なレベルである。
【0010】
さらに米国特許第4792504号では、ポリオキシエチレンの架橋ネットワーク中に金属塩及び非プロトン性溶剤からなる電解液が含浸された高分子固体電解質が提案されている。これらはオキシエチレン鎖がLi塩だけでなく、非プロトン性溶剤を含浸できることを示しており、Li電池のセパレータとして使用可能な電解液を含浸した孔のない均一な高分子固体電解質が提供できることを示している。しかしながら、この系でもイオン伝導度は10-4S/cmとまだ不十分であった。また、溶剤が添加されたため膜強度が低下し、製造時や電池等に使用する場合に取扱いにくいという問題が生じた。
【0011】
特公平3-73081号公報及び米国特許第4908283号にはポリエチレングリコールジアクリレート等のアクリロイル変性ポリアルキレンオキシド/電解質塩/有機溶媒からなる組成物に紫外線等の活性光線を照射することにより、高分子固体電解質を形成する方法が開示され、重合時間を短縮する試みがなされている。
また、米国特許第4830939号、特開平5-109310号公報にも架橋性のポリエチレン性不飽和化合物/電解質塩/活性光線不活性溶媒からなる組成物に紫外線や電子線等の放射線を照射することにより、電解液を含んだ高分子固体電解質を形成する同様の方法が開示されている。これらの系では高分子固体電解質中の電解液を増量したためにイオン伝導度は向上するものの、まだ不十分であり、また膜強度は悪化する傾向にある。
【0012】
これらの問題を解決するために、本発明者らはウレタン結合を有するオキシアルキレン基を含有する(メタ)アクリレートプレポリマーから得られる重合体及び電解質からなる複合体を用いたイオン伝導性の高分子固体電解質(特開平6-187822号)を提案した。この高分子固体電解質のイオン伝導度は、溶媒未添加で10-4S/cm(室温)程度で高いレベルにあるが、さらに溶媒を添加すると、室温またはそれより低温であっても10-3S/cm以上となり、また膜質も良好で自立膜として得られる程度に改善された。また、このプレポリマーは重合性が良好で、電池に応用する場合、プレポリマー状態で電池に組込んだ後に重合し、固体化できるという加工上のメリットもあった。しかしながら、これらの系も電池等のセパレータとして使用するには膜強度が不十分で、工業的に取扱いにくいという問題があった。また、水分、電解質塩の分解物、電極材料不純物等の電池系内の微量の不純物で高分子、特にオキシアルキレン部位が劣化しやすく、電池寿命に影響しやすくなるという問題点もあった。
【0013】
「ソリッド・ステート・アイオニクス」1982年第7号75頁には、高分子固体電解質であるLiClO4 /ポリエチレンオキサイド複合体にさらにアルミナ粒子を複合させることにより、イオン伝導度が低下することなく高分子固体電解質の強度改善が達成できることが報告されている。また、特開平6-140052号公報には、ポリアルキレンオキサイド/イソシアネート架橋体/無機酸化物複合体に非水電解液を含浸させた固体電解質が提案されており、電解液含有高分子固体電解質の強度改善が図られている。しかしながら、これら複合高分子固体電解質では高分子自身の特性が不十分であり、イオン伝導度、加工性、安定性の点で実用化にはまだ問題が残っていた。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、不純物による影響及び経時劣化が少なく、取扱いが容易で、安定でイオン伝導度も高い有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いた、安全性、信頼性に優れ、取り出し電流が大きく、使用電圧が高く、長寿命な、高性能電気二重層コンデンサを得ることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討した結果、電気二重層コンデンサに用いる有機電解液及び/または高分子固体電解質に高比表面積で低含水量の特定の無機酸化物微粒子を添加することにより、コンデンサ内の不純物を除去でき、安定性、安全性、信頼性が増すばかりでなく、電流特性が向上することを見出した。なお、本明細書において、「オキシアルキレン」という表現にはオキシアルキレン基を少なくとも1個以上含むオリゴオキシアルキレン及びポリオキシアルキレンも含まれる。
【0016】
すなわち、本発明は、以下の電気二重層コンデンサ、高分子固体電解質/分極性電極積層体及び電気二重層コンデンサの製造方法を提供する。
1)BET比表面積50m2/g以上、一次粒子の最大粒径が0.1μm以下で、含水量が5000ppm以下である、少なくとも一種の無機酸化物微粒子を1〜50重量%の範囲で含有し、含水量が1000ppm以下である有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いてなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2)無機酸化物微粒子が100〜1200℃で熱処理されたアルミナ系微粒子及び/またはシリカ系微粒子であることを特徴とする前記1に記載の電気二重層コンデンサ。
3)アルミナ系微粒子及び/またはシリカ系微粒子が、最大粒径0.05μm以下の一次粒子の凝集体であって、凝集体の平均粒径が0.01〜5μmである前記2に記載の電気二重層コンデンサ。
4)高分子固体電解質を構成する少なくとも一種の高分子がオキシアルキレン及び/またはウレタン構造を含んでいる前記1乃至3のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ。
【0017】
5)少なくとも一種の高分子が、以下の一般式(1)及び/または一般式(2)
【化3】
CH2=C(R1)COO−R2− (1)
【化4】
CH2=C(R3)CO[OR4]xNHCOO−R5 − (2)
[式中、R1及びR3は水素またはアルキル基を表わし、
R2、R4及びR5は、ヘテロ原子を含んでいてもよい、直鎖状、分岐状、または環状の構造を有する2価の基であり、
xは0または1〜10の整数である。
但し、同一分子中に上記一般式(1)または(2)で表わされる重合性官能基が複数個含まれる場合、それぞれの重合性官能基中のR1、R2、R3、R4、R5及びxは、同一でもよいし異なってもよい。]
で示される重合性官能基を有する、熱及び/または活性光線重合性化合物を重合することによって得られる高分子である前記4に記載の電気二重層コンデンサ。
6)有機電解液及び/または高分子固体電解質中の電解質塩が4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩から選ばれる少なくとも一種である前記1乃至5のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ。
【0018】
7)分極性電極材料及び/または分極性電極間に配設されるイオン伝導層中に前記1乃至6のいずれかに記載の有機電解液及び/または高分子固体電解質を含む電気二重層コンデンサ。
8)(a) BET比表面積50m2/g以上、一次粒子の最大粒径が0.1μm以下で、含水量が5000ppm以下である少なくとも一種の無機酸化物微粒子、(b) 少なくとも一種の電解質塩、及び(c) 前記5記載の熱及び/または活性光線重合性化合物を含む組成物であって、前記無機酸化物微粒子を1〜50重量%の範囲で含み、含水量が1000ppm以下である熱及び/または活性光線重合性組成物を、分極性電極からなる基材上に配置した後、加熱及び/または活性光線照射により当該組成物を硬化させて高分子固体電解質とすることを特徴とする高分子固体電解質/分極性電極積層体の製造方法。
9)前記8に記載の方法により製造された高分子固体電解質/分極性電極積層体の高分子固体電解質表面にさらに分極性電極を積層することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
【0019】
【発明の実施の態様】
以下に本発明の具体的内容を詳細に説明する。
[1]コンデンサの基本構成
まず、本発明の電気二重層コンデンサの構成について説明する。
本発明の電気二重層コンデンサは、図1に概略断面図に示すように、分極性電極2を平行に配置しその間にイオン伝導性層3を介設した構造を取っている。分極性電極2の外表面は集電体1に接しており、各集電体からはリード線5が引き出されており、コンデンサ全体は絶縁性樹脂封止剤4により封止されている。
図1において、集電体1は電子伝導性で電気化学的に耐食性があり、できるだけ比表面積の大きい材料を用いることが好ましい。このような材料の例としては、各種金属及びその焼結体、電子伝導性高分子、カーボンシート等を挙げることができる。
【0020】
分極性電極2は、炭素材料等の分極性材料を高分子バインダー中に分散し成形したもの、あるいはこのようにして得られた成形体に有機電解液を含浸したものを用いる。高分子バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルブチラール、EPDM、PMMA等の高分子材料や固体電解質材料を用いることができる。
分極性材料の炭素材料としては、比表面積の大きいほど電気二重層の容量が大きくなり好ましい。例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック(アセチレンブラックを含む)、チャンネルブラック等のカーボンブラック類や、椰子がら炭等の活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法で製造したいわゆる熱分解黒鉛、ポリアセン及びC60、C70、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等の各種高分子高温焼成体を挙げることができる。
イオン伝導層3は、具体的には、有機電解液を含浸したセパレータ及び/または高分子固体電解質膜である。分極性電極2の間にスペーサを設けてこれらのセパレータまたは高分子固体電解質の厚みを調節することもできるが、スペーサとしては電気二重層コンデンサ等に慣用されているものを用いればよく、例えば絶縁性フィルムを用いることができる。通常、イオン伝導層3の厚みは5〜100μm程度である。
【0021】
本発明の電気二重層コンデンサは、含水量の調整された所定粒径範囲の無機微粒子粉末を所定の範囲の量で含有させた有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いることを特徴とする。具体的には、前記の分極性電極2及び/またはその間のイオン伝導層3に上記の有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いる。かかる構成を採ることにより、コンデンサ内の不純物を低減乃至除去でき、安定性、安全性、信頼性が向上する。また、無機酸化物微粒子と電解質イオンの相互作用により、イオン移動度が向上し、電流特性が向上する。
【0022】
特に高分子固体電解質を用いた場合は、液もれ、液涸れがなく、耐熱性も良好となり、コンデンサとしての安全性、信頼性がさらに増す。また、無機酸化物微粒子と高分子間に微細な空孔が生じることになり、電解液と併用した場合には空孔を通じて高分子固体電解質内にフリーの電解液が分散することになり、イオン伝導度、移動度を増加させることもできる。
なお、本発明の電気二重層コンデンサは、図1に示すシ−ト型に限らず、チップ型、コイン型、角型、円筒型等いかなる形状でもよい。また、各種の大きさのものを製造することができる。後述の製造方法によれば、分極性電極上に均一なイオン伝導層を容易に積層できるため大面積化も可能であり、対電極の面積で30cm角程度のものが容易に得られる。全体の厚みは、形状にもよるが、シート型で1mm以下、例えば0.5mm程度のものとすることができる。
【0023】
[2]有機電解液及び高分子固体電解質
本発明の電気二重層コンデンサに用いる有機電解液は、(a) 無機酸化物微粒子、(b) 有機溶媒、(c) 電解質塩を必須成分とする。
また、本発明の電気二重層コンデンサに用いる固体電解質は、これらの(a) 無機酸化物微粒子及び(c) 電解質塩成分に加え(d) 高分子成分を必須成分とし、さらに(b) 有機溶媒を含んでもよい。以下、各成分について詳述する。
【0024】
(a) 無機酸化物微粒子
(a-1) 無機酸化物微粒子
有機電解液または高分子固体電解質に添加する無機酸化物微粒子は比表面積がBET比表面積で10m2/g以上のものでよいが、より大きな比表面積を有することが望ましい。本発明においてはBET比表面積50m2/g以上の微粒子を用いる。
無機酸化物微粒子(凝集して二次粒子を形成する場合は一次粒子)は最大粒径が1μm以下のものが用いられるが、より小さい方が好ましく、本発明においては最大径が0.1μm以下の微粒子を用いる。
本発明では、無機酸化物微粒子表面の吸着水を除去した状態で使用することが必要である。具体的にはカールフィッシャー法により測定した含水量が5000ppm以下のものを使用する。
【0025】
無機酸化物微粒子を、高比表面積で吸着水が低減された表面活性の高いものとすることにより、電解液及び/または高分子固体電解質内のみではなく、電気二重層コンデンサ内の不純物、特に水分や遊離酸、遊離塩基を非常によく吸着することができる。その結果、封止材料や他の材料の劣化を低減することに大きな効果を発揮し、コンデンサの寿命を改善できる。また、かかる不純物除去効果ばかりではなく、電解質イオンとの相互作用効果が高くなり、イオン移動度を向上させることができるという予想外の効果も得られる。
また、一般に表面活性な微粒子を用いた場合、結晶粒子が凝集し二次粒子構造を形成しやすくなるが、かかる凝集体を用いることにより、上述の電解液の不純物除去効率及びイオン伝導度がより改善されるという結果が見出された。特に一次粒子の最大粒径が0.05μm以下で、平均粒径が0.01μm〜5μmの凝集体(二次粒子)が好ましい。
【0026】
無機酸化物微粒子の含水量調整は微粒子粉末を熱処理することにより行なうことができる。熱処理することにより、無機酸化物微粒子の表面吸着水を低減し、他材料に拡散する遊離水分を抑えるばかりでなく、逆に他材料の不純物を吸着することができ、系内の安定性を向上できる。また、適度に熱処理することにより、部分的な焼結を引き起こし、二次粒子化にも効果がある。熱処理の温度、時間は用いる無機酸化物微粒子の形状や種類によって異なるが、100〜1200℃の範囲で2時間〜300時間程度行なえば良く、特に500〜1000℃の範囲が好ましい。
熱処理温度はできるだけ高い方が好ましいが、1200℃を越えると、無機酸化物微粒子の焼結が進み、また表面の活性も低下するので好ましくない。また、熱処理時の雰囲気は特に限定されず、減圧、空気中、または不活性雰囲気中でよいが、熱処理後は水分の再吸着等を防止するため、露点−30℃以下の雰囲気で取扱う必要があり、特に露点−50℃以下で取り扱うことが好ましい。
なお、本発明で使用する無機酸化物微粒子の形状は特に限定されず、球形、卵形、立方体状、直方体状、円筒ないし棒状等の種々の形状のものを用いることができる。
【0027】
本発明で使用する無機酸化物微粒子は、非電子伝導性で電気化学的に安定なものが選ばれる。また、イオン伝導性のものがさらに好ましい。
このような無機酸化物微粒子の例としては、α、β、γ−アルミナ等のアルミナ系微粒子、シリカ系微粒子、チタニア系微粒子、マグネシア系微粒子、及びこれらの複合酸化物微粒子等のイオン伝導性または非電導性酸化物微粒子が挙げられる。これらの中では、アルミナ系微粒子、シリカ系微粒子が安定性に優れ、電解質イオンとの相互作用が大きく好ましい。特にアルミナ系微粒子の表面は電解質アニオンとの親和性が高く、特にカチオンの束縛を減少させ、カチオンの移動度を向上することができる。
【0028】
アルミナ系微粒子の具体例としては、固相法、気相法等の種々の製法で得られる、α、β、γ型Al2O3微粒子や、これらとLi塩等の各種無機物とを反応させたLiAlO2等のアルミナ系複合酸化物微粒子が挙げられる。この中で比表面積が大きく、表面活性の大きいデグサ社製のアルミニウムオキサイドC(商品名)、昭和電工(株)製UA-5805等のγ型Al2O3微粒子やLiAlO2が、本発明の電気二重層コンデンサに用いられる有機電解液及び/または高分子固体電解質には適している。
シリカ系微粒子の具体例としては、比表面積が大きく、表面活性の大きいデグサ社製のアエロジル(商品名)が挙げられる。
【0029】
(a-2) 有機電解液・固体電解質への配合
本発明の電気二重層コンデンサにおいて、無機酸化物微粒子が添加された有機電解液を用いる場合にはその粘度が低くなるように調整する。電気二重層コンデンサの他の構成成分は、電気化学反応を効率的に行なうために、分極性電極、セパレーター等一般的に多孔質で微孔性のものが多く用いられる。電解液の粘度が高過ぎると、それらへの含浸、複合を行ないにくくなり好ましくない。また、電解液粘度が増すとイオンの移動度も一般的には低下する傾向を示す。このため有機電解液の粘度は室温で2000cps以下(回転粘度計でのずり速度が20〜400s-1の場合)が好ましく、1000cps以下がより好ましく、500cps以下がさらに好ましい。
無機酸化物微粒子の添加量は多すぎると有機電解液の粘度を上昇させ、またイオン伝導性を低下させるという問題を考慮した無機微粒子の好ましい添加量は、添加後の有機電解液の重量に基づき1〜50重量%であり、1〜30重量%の範囲が特に好ましい。
【0030】
本発明の電気二重層コンデンサに無機酸化物微粒子が添加された高分子固体電解質を用いる場合にも、無機酸化物微粒子の添加量が多すぎると高分子固体電解質の強度やイオン伝導性を低下させたり、成膜がしづらくなるという問題を生じる。好ましい添加量としては、添加後の高分子固体電解質の重量に基づき1〜50重量%であり、1〜30重量%の範囲が特に好ましい。
上記熱処理した無機酸化物微粒子を用いることにより、本発明の電気二重層コンデンサに用いられる有機電解液及び/または高分子固体電解質の含水量は1000ppm以下(カールフィッシャー滴定値)となり、好ましくは含水量が200ppm以下(カールフィッシャー滴定値)となり、電気二重層コンデンサの高性能化に好適な電解液とすることができる。
【0031】
(b) 有機溶媒
本発明では、電気二重層コンデンサに用いる有機電解液においては溶媒そのものとして、また高分子固体電解質においては可塑剤として有機溶媒が用いられる。
有機溶媒としては、電解質塩の溶解性が高く、高分子との親和性が高く、電気二重層コンデンサの作動電圧範囲で安定なものがよい。すなわち、誘電率が大きく、電気化学的安定範囲が広い化合物が適している。このような有機溶媒の例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ビスメトキシエチルカーボネート、エチルメトキシエチルカーボネート等の環状及び/または鎖状カーボネート類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン等の環状及び/または鎖状エーテル類、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のオリゴエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トルニトリル等の脂肪族及び/または芳香族ニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−ビニルピロリドン等の含窒素化合物、スルホラン等の硫黄化合物、リン酸エステル類等が挙げられる。これらの中で、カーボネート類、エーテル類、オリゴエーテル類、ラクトン類が好ましく、カーボネート類、ラクトン類が特に好ましい。
【0032】
(c) 電解質塩
本発明の電気二重層コンデンサに用いる有機電解液及び/または高分子固体電解質に使用する電解質の種類は特に限定されるものではなく、電荷キャリアーとしたいイオンを含んだ化合物を用いればよいが、有機電解液及び/または高分子固体電解質中での解離定数が大きく、分極性電極と電気二重層を形成しやすいイオンを含むことが望ましい。このような化合物としては、(CH3)4NBF4、(CH3CH2)4NBF4、(CH3CH2)4NClO4等の4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩、(CH3)4PBF4、(CH3CH2)4PBF4等の4級ホスホニウム塩、LiCF3SO3、LiPF6、LiClO4、LiI、LiBF4、LiSCN、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、NaCF3SO3、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3SO3、KPF6、KI等のアルカリ金属塩、AgClO4等の遷移金属塩、パラトルエンスルホン酸等の有機酸及びその塩等が挙げられる。これらの中で、出力電圧が高く取れ、解離定数が大きいという点から、4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩、4級ホスホニウム塩が好ましい。4級アンモニウム塩の中では、(CH3CH2)(CH3CH2CH2CH2)3NBF4のような、アンモニウムイオンの窒素上の置換基が異なっているものが、有機電解液や高分子固体電解質への溶解性あるいは解離定数が大きいという点から好ましい。これら有機電解液及び/または高分子固体電解質に用いる電解質塩の複合比は、溶媒及び/または高分子の重量に対し、1〜50重量%が好ましく、5〜30重量%が特に好ましい。複合する電解質塩が50重量%以上の比率で存在すると、溶解しにくく、イオンの移動が大きく阻害され、逆に1重量%以下の比率では、イオンの絶対量が不足となってイオン伝導度が小さくなる。
【0033】
(d) 固体電解質形成高分子
本発明で用いる高分子固体電解質の主要構成成分である高分子は、非電子伝導性で各種有機極性溶媒を吸液、保持できるものでなければならない。そのような高分子としては、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキルイミン、ポリアクリロニトリル、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ポリフォスファゼン、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリアミド、ポリエステル、ポリシロキサン等のヘテロ原子を有する極性の熱可塑性高分子や架橋高分子が挙げられる。特に架橋高分子が溶媒吸液後の強度が高く、溶媒の保持力も高く、さらに粘弾性体であることから、高分子固体電解質用の高分子として適している。ここでいう架橋とは、架橋鎖が共有結合で形成されているもの以外に、側鎖がイオン結合や水素結合等で架橋されているもの、各種添加物を介した物理架橋されたものをも含む。
【0034】
上記高分子の中では、ポリアルキレンオキシド、ポリウレタン等のオキシアルキレンやウレタン構造を分子構造内に含むものが、各種極性溶媒との相溶性及び電気化学的安定性が良好であり好ましい。また、安定性の面から、ポリフッ化ビニリデン等のフルオロカーボン基を分子構造内に有するものも好ましい。
また、上記高分子の中で、一般式(1)及び/または(2)
【化5】
CH2=C(R1)COO−R2− (1)
【化6】
CH2=C(R3)CO[OR4]xNHCOO−R5− (2)
で表わされる重合性官能基を有する少なくとも一種の重合性化合物を加熱及び/または活性光線照射により硬化させて得られる高分子が、溶媒を含んだ状態で成膜しやすく膜強度が良好であり好ましい。その中で一般式(1)及び/または一般式(2)中のR2及び/またはR5にオキシアルキレン基及び/またはフルオロカーボン、オキシフルオロカーボンを含むものが特に好ましい。
【0035】
本発明の高分子固体電解質に用いられる一般式(1)で表わされる官能基を有する化合物を合成する方法には特に限定はない。例えば、酸塩化物と末端にヒドロキシル基を有する化合物を、例えばオリゴオキシアルキレンオールとを反応させることにより容易に得ることができる。
一般式(1)で表わされる官能基を1つ有する化合物は、例えば酸クロライドとモノアルキルオリゴオキシアルキレングリコールとを以下の反応式で、1:1のモル比で反応させることにより、容易に得ることができる。
【化7】
CH2=C(R1)COCl+HO(CH2CHR6O)mR7
→CH2=C(R1)COO(CH2CHR6O)mR7
式中、R1は一般式(1)の場合と同じ意味を表わし、R6はHまたは炭素数10以下のアルキル基を表わし、R7は炭素数10以下のアルキル基を表わし、mは1〜1000、好ましくは1〜50の範囲の整数である。
【0036】
一般式(1)で表わされる官能基を2つ有する化合物は、例えば酸塩化物とオリゴオキシアルキレングリコールとを以下の反応式で、2:1のモル比で反応させることにより、容易に得ることができる。
【化8】
2CH2=C(R1)COCl+HO(CH2CHR6O)mH
→CH2=C(R1)COO(CH2CHR6O)mCO(R1)C=CH2
式中、R1、R6及びmは上記と同じ意味を表わす。
【0037】
本発明の高分子固体電解質に用いられる一般式(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物を合成する方法に特に限定はないが、例えば、次式
【化9】
CH2=C(R1)CO[OR4]xNCO
[式中、R1、R4及びxは一般式(2)と同じ意味を表わす。]で表わされる化合物とオリゴアルキレングリコールとの反応により得ることができる。ここで、R4は、好ましくは次式
【化10】
−(CH2)p(CH(CH3))q−
[式中、p及びqはそれぞれ0〜5の整数である。但し、p=q=0のときはx=0である。]で表わされる2価の基である。
なお、p、qが2以上の場合、−CH2−と−CH(CH3)−はそれぞれが連続せずに不規則に配列してもよい。
【0038】
具体的方法として、エチレン性不飽和基を1個有する化合物は、例えば、メタクリロイルイソシアナート系化合物(以下、MI類と略記する。)あるいはアクリロイルイソシアナート系化合物(以下、AI類と略記する。)とモノアルキルオリゴアルキレングリコールとを、1:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
エチレン性不飽和基を2個有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とオリゴアルキレングリコールとを、2:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【0039】
エチレン性不飽和基を3個有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、グリセリン等の3価アルコールにアルキレンオキサイドを付加重合させたトリオールとを、3:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
エチレン性不飽和基を4個有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、ペンタエリスリトール等の4価アルコールにアルキレンオキサイドを付加重合させたテトラオールとを4:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
エチレン性不飽和基を5個有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、α−D−グルコピラノースにアルキレンオキシドを付加重合させたペンタオールとを、5:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
エチレン性不飽和基を6個有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、マンニットにアルキレンオキシドを付加重合させたヘキサオールとを6:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【0040】
フルオロカーボン基及び/またはオキシフルオロカーボン基を有する一般式
(1)及び/または(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物を合成する方法に特に制限はないが、例えば、具体的方法として重合性官能基を一つ有する化合物は、MI類あるいはAI類と2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロ−1−ブタノールのようなモノオールとを以下の反応式で1:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【化11】
また、重合性官能基を2つ有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類と2,2,3,3−テトラフルオロ−1,4−ブタンジオールのようなジオールとを以下の様な反応式で、2:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【化12】
【0041】
一般式(1)あるいは(2)で表わされる重合性官能基を1つしか有さない化合物を重合してできる高分子は、架橋構造を有しておらず、膜強度不足のため、薄膜にすると短絡する危険が大きく、単独ではもちいない方がよい。従って、一般式(1)あるいは(2)で表わされる重合性官能基を2つ以上有する化合物と共重合し、架橋させた方が好ましい。
高分子固体電解質の薄膜強度を考慮すると、1分子中に含まれる一般式(1)あるいは(2)で表わされる重合性官能基の数は3以上がより好ましい。
また、前記一般式(1)で表わされる重合性官能基を有する化合物の中で、一般式(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物から得られる高分子がウレタン基を含んでおり、重合性が良好で、薄膜にしたときの膜強度も大きいので好ましい。
【0042】
本発明の複合電解質の構成成分として好ましい高分子は、一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物の少なくとも一種を重合し、あるいは該化合物を共重合成分として重合することにより得られる。本発明の複合電解質に用いる高分子は、前記一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物の単独重合体であっても、該カテゴリーに属する2種以上の共重合体であっても、あるいは該カテゴリーに属する化合物の少なくとも一種と他の重合性化合物との共重合体であってもよい。
【0043】
前記一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる重合性官能基を有する化合物と共重合可能な他の重合性化合物には特に制限はない。
例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、アクリロイルモルホリン、メタクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド系化合物、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系化合物、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルホルムアミド等のN−ビニルアミド系化合物、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルを挙げることができる。
【0044】
重合は、重合性化合物中のアクリロイル基もしくはメタクリロイル基の重合性を利用した一般的な方法を採用することができる。すなわち、これらモノマー単独、あるいはこれらモノマーと他の前記の共重合可能な重合性化合物の混合物に、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルパーオキサイド等のラジカル重合触媒、CF3COOH等のプロトン酸、BF3、AlCl3等のルイス酸等のカチオン重合触媒、あるいはブチルリチウム、ナトリウムナフタレン、リチウムアルコキシド等のアニオン重合触媒を用いて、ラジカル重合、カチオン重合あるいはアニオン重合させることができる。また、重合性化合物によっては無酸素状態で、加熱のみでラジカル重合することもできる。
【0045】
本発明の高分子固体電解質に用いられる高分子はオキシアルキレン構造を含んでいるものが好ましいが、その場合のオキシアルキレン鎖数(すなわち、前記一般式(1)におけるR2中、あるいは前記一般式(2)におけるR5中に含まれるオキシアルキレン基の繰返し数n)は1〜1000の範囲が好ましく、5〜100の範囲が特に好ましい。
本発明の高分子固体電解質には上述した有機溶媒を添加することが好ましい。高分子固体電解質中の溶媒の含有量が多いほど、電解質塩の解離またはイオンの拡散が容易で、またその場合のイオン伝導度は高くなるが、膜としての機械的強度が低下する。好ましい添加量としては、本発明の高分子固体電解質中の高分子重量の0.5倍から12倍量以下で、1倍量から8倍量以下が特に好ましい。
【0046】
[3]電気二重層コンデンサの製造方法
このようにして調製された有機電解液または高分子固体電解質は、上述のように電気二重層コンデンサの分極性電極として、及び/またはその間に設けられるイオン伝導層として用いられる。
分極性電極に用いる場合には、活性炭や黒鉛等の分極性材料を慣用の高分子材料と混合し、フィルム状に成形した後、乾燥、光照射または加熱等により硬化させ、これに上記の無機微粒子を含有させた有機電解液を含浸する。あるいは、上記の[2]で詳述した重合性官能基を有する(メタ)アクリロイル系化合物等の少なくとも一種に、少なくとも一種の無機酸化物微粒子、またはさらに少なくとも一種の電解質塩を添加した上記の組成物に分極性材料及び必要に応じて重合開始剤を混合し、フィルム状に成形した後、乾燥、光照射または加熱等により硬化させる。
【0047】
イオン伝導層に用いる場合には、慣用のセパレータ材料、例えば、後述の多孔性フィルムに上記の無機微粒子を含有させた有機電解液を含浸する。あるいは、上記の重合性組成物を各種基材上に成膜、塗布後、加熱及び/または活性光線照射により重合し硬化する方法が、均一に成膜でき、膜厚制御が簡便であり、推奨できる。この自立フィルムにさらに上記の無機微粒子を含有させた有機電解液を含浸させてもよい。
【0048】
上記のいずれにおいても高分子固体電解質は他の多孔性高分子フィルムと複合することにより強度改善等を行なうことも可能である。但し、使用する高分子の種類、フィルム形状、複合割合によってはイオン伝導度の低下や安定性の悪化を招くので、適したものを選ぶ必要がある。使用する多孔性高分子フィルムとしてはポリプロピレン製不織布やポリエチレン製ネットのような網状ポリオレフィンシート等の多孔性ポリオレフィンフィルム、セルガード(商品名)等のポリオレフィン製マイクロポーラスフィルム、ナイロン不織布、ポリエステル性ネット等が挙げられるが、安定性の面でポリオレフィン製多孔性フィルムが好ましい。また、その空孔率は、10〜90%程度あればよいが、強度の許す限りできるだけ空孔率の大きいものがよいので、好ましい空孔率の範囲は40〜90%の範囲である。
【0049】
なお、加熱重合する場合の温度は、重合性化合物の種類や開始剤の種類によるが、重合が起こる温度であれば良く、通常は、0℃から200℃の範囲で行えばよい。活性光線照射により重合させる場合にも、重合性化合物の種類等によるが、例えば、ベンジルメチルケタール、ベンゾフェノン等の活性光線開始剤を使用して、数mW以上の紫外光または電子線、γ線等を照射して重合させることができる。
このようにして得た分極性電極の間にイオン伝導層を挟み、さらに分極性電極の外表面にリード線を接続した集電体全体を重ね、全体をポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂で封止することにより電気二重層コンデンサが形成される。
あるいは、SUS等の金属、ポリプロピレン、アルミラミネート熱融着樹脂、ポリイミド、エバール、または導電性もしくは絶縁性ガラス等のセラミックス材料等からなる電気二重層コンデンサ構成用構造体あるいは支持体に分極性電極をスペーサを挟んで装入し、その間に電解液または重合性組成物を注入した後、重合性組成物を硬化させてもよい。
【0050】
また、本発明においては、本発明に従い無機微粉末を含有させた分極性電極の上に高分子電解質膜を直接形成してもよい。この方法によれば両者が密着した電極−高分子固体電解質積層体が得られ、さらにこの高分子固体電解質膜を挟んでもう1枚の分極性電極を貼り合わせるだけで電気二重層コンデンサを製造できる。
本発明の電気二重層コンデンサは比表面積が高く、含水量の低い特定の無機酸化物微粒子が添加された有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いているため、コンデンサ特性に悪影響を及ぼす不純物をトラップでき、安定で、信頼性が高く、長寿命の電気二重層コンデンサとすることができる。
【0051】
さらに添加された無機酸化物微粒子は、電解質イオンとの相互作用が大きく、有機電解液及び/または高分子固体電解質中でのイオンの移動性が改善され、取り出し電流の大きい電気二重層コンデンサとすることができる。
本発明では、(メタ)アクリル基及び/またはウレタン(メタ)アクリル基を有する重合性化合物が硬化特性に優れていることを利用し、これら化合物とアルミナ微粒子と電解質塩、または/さらに有機溶媒を混合した重合性組成物を電極上に配置後、加熱及び/または活性光線照射により硬化させることにより、電気二重層コンデンサに最適な高分子固体電解質/分極性電極積層体を容易に製造できる。このため、さらに該高分子固体電解質/分極性電極積層体を用いることにより、安定で信頼性が高く、長寿命の電気二重層コンデンサを容易に得ることができる。また、電極面積を広くし、電極間隔を小さくして容量の改善を図ることも容易である。
【0052】
【実施例】
以下に本発明について代表的な例を示し具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。なお、以下の実施例、参考例、比較例において含水量はカールフィッシャー法により測定した。
【0053】
実施例1:重合性化合物(化合物3)の合成
下記の反応式にしたがい、グリセリンエステルである化合物1とイソシアナート基を含有するメタクリレートである化合物2とを反応させ熱重合性化合物3を得た。
【化13】
具体的には、化合物1(KOH価 34.0mg/g、p/q=7/3)50.0g及び4.6gの化合物2を窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに溶解した後、0.44gのジブチルチンジラウレートを添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色の粘稠液体を得た。その1 H-NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物1と化合物2は1対3で反応し、さらに、化合物2のイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、化合物3が生成していることがわかった。
【0054】
参考例1:固体電解質フィルム(a)の調製
化合物3(1.0g)の、エチレンカーボネート(EC)(1.8g)、プロピレンカーボネート(PC)(4.2g)、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEAB)(0.8g)、及び2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイド(商品名ルシリンTPO、BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は100ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気(株)社製 FL20S.BL)を10分間照射したところ、EC/PC系電解液を含浸した化合物3重合体フィルム(「固体電解質フィルム (a)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、7.3×10-3、1.6×10-3S/cmであった。
【0055】
実施例2:アルミナ含有固体電解質フィルム(A)の調製
乾燥空気雰囲気中、1000℃で2時間熱処理した昭和電工(株)製高純度γ−アルミナ(商品名:UA5805、結晶粒子径:0.03μm、平均二次粒子径:1.8μm、BET比表面積:80m2/g)(0.33g)、化合物3(1.0g)、EC(1.8g)、PC(4.2g)、TEAB(1.2g)、及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は30ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気(株)社製 FL20S.BL)を10分間照射したところ、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体/UA5805複合フィルム(「固体電解質フィルム(A)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、7.8×10-3、1.8×10-3S/cmであった。
【0056】
参考例2:固体電解質フィルム(b)の調製
乾燥空気雰囲気中、80℃で24時間熱処理した昭和電工(株)製高純度γ−アルミナ(商品名:UA5805、結晶粒子径:0.03μm、平均二次粒子径:1.8μm、BET比表面積:80m2/g)(0.33g)、化合物3(1.0g)の、EC(1.8g)、PC(4.2g)、TEAB(1.2g)、及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は1100ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気(株)社製 FL20S.BL)を10分間照射したところ、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体/低温処理UA5805複合フィルム(「固体電解質フィルム(b)」が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、7.0×10-3、1.4×10-3S/cmであった。
【0057】
実施例3:アルミナ含有固体電解質フィルム(B)の調製
アルミナ系微粒子としてUA5805の代りに1000℃熱処理したアルミニウムオキサイドC(商品名,日本アエロジル(株)製,結晶粒子径:0.013μm,平均二次粒子径:0.11μm(SEM観察)、BET比表面積:100m2/g)(0.33g)を添加した以外は実施例2と同様にして、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は35ppmであった。
この光重合性組成物を実施例2と同様に塗布、光照射することにより、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム(「固体電解質フィルム(B)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、8.3×10-3、2.3×10-3S/cmであった。
【0058】
参考例3:固体電解質フィルム(c)の調製
開始剤としてルシリンTPO(0.005g)の代りに、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)(0.04g)を添加した以外は参考例1と同様にして、熱重合性組成物を得た。この組成物の含水量は35ppmであった。
この熱重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、PPフィルムを被覆して、ホットプレート上で80℃、1時間加熱したところ、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体フィルム(「固体電解質フィルム(c)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、7.8×10-3、1.5×10-3S/cmであった。
【0059】
参考例4:固体電解質フィルム(d)の調製
乾燥空気雰囲気中、1000℃で2時間熱処理した昭和電工(株)製α−アルミナ(商品名:A-420、結晶粒子径:0.4μm、平均二次粒子径:3.2μm、BET比表面積:2.2m2/g)(0.33g)、化合物3(1.0g)の、EC(1.8g)、PC(4.2g)、TEAB(1.2g)、及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は40ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気(株)社製 FL20S.BL)を10分間照射したところ、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体/低温処理A-420複合フィルム(「固体電解質フィルム(d)」が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、6.0×10-3、1.0×10-3S/cmであった。
【0060】
実施例4:アルミナ含有固体電解質フィルム(C)の調製
電解質塩としてTEABの代りに、テトラエチルホスフォニウムテトラフルオロボレート(TEPB)を同量用いた以外は、実施例3と同様にして、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は30ppmであった。
この光重合性組成物を実施例3と同様に塗布、光照射することにより、電解液を含浸した化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム(「固体電解質フィルム(C)」)を約30μmの自立フィルムとして得た。この固体電解質の25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、6.30×10-3、1.0×10-3S/cmであった。
【0061】
実施例5:重合性化合物(化合物5)の合成
【化14】
化合物4(2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロ−1−ブタノール、アルドリッチ製)20g、化合物6(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに混合した後、ジブチルチンジラウレート(0.66g)を添加する。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色の粘稠液体として化合物5を得た。その1 H-NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物4と化合物6は1対1で反応し、さらに、化合物6のイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成してしていることがわかった。
【0062】
実施例6:アルミナ含有固体電解質フィルム(D)の調製
化合物5(0.5g)、化合物3(0.3g)、1000℃熱処理したアルミニウムオキサイドC(0.22g)、EC(1.8g)、PC(4.2g)、TEAB(1.2g)及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は20ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気(株)社製 FL20S.BL)を10分照射したところ、EC/PC電解液を含浸した化合物5+化合物3共重合体/UA5805複合フィルム( 「固体電解質フィルム(D)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、6.0×10-3、1.0×10-3S/cmであった。
【0063】
実施例7:シリカ含有固体電解質フィルム(E)の調製
無機酸化物微粒子としてUA5805の代りに1000℃熱処理した日本アエロジル製シリカ微粒子(アエロジル200、結晶粒子径:0.012μm、平均二次粒子径:約0.1μm(SEM観察)、BET比表面積:180m2/g)(0.33g)を添加した以外は実施例2と同様にして、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量は30ppmであった。
この光重合性組成物を実施例2と同様に塗布、光照射することにより、EC/PC電解液を含浸した化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム(「固体電解質フィルム(E)」)が約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、6.6×10-3、1.6×10-3S/cmであった。
【0064】
実施例8:アルミナ含有有機電解液(A)の調製
1000℃熱処理したアルミニウムオキサイドC(0.33g)、PC(6.0g)、TEAB(0.80g)をアルゴン雰囲気中、室温でよく混合し、電解液(「有機電解液(A)」)を調製した。この電解液の含水量は20ppmであった。この電解液の25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、10.0×10-3、3.0×10-3S/cmであった。また、回転粘度計での粘度は150cps(380s-1)であった。
【0065】
実施例9:アルミナ含有有機電解液(B)の調製
1000℃熱処理アルミニウムオキサイドC(0.33g)、PC3.0g、γ−ブチロラクトン(γBL)(3.0g)、TEAB(0.80g)をアルゴン雰囲気中、室温でよく混合し、電解液(「有機電解液(B)」)を調製した。この電解液の含水量(カールフィッシャー法)は70ppmであった。この電解液の25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、12.0×10-3、3.0×10-3S/cmであった。また、回転粘度計での粘度は120cps(380s-1)であった。
【0066】
以上の実施例1〜9、参考例1〜3において製造した固体電解質フィルム(A〜E)、(a〜c)及び有機電解液(A及びB)の成分を表1にまとめて示す。
【0067】
【表1】
【0068】
実施例10:活性炭電極(a)の製造
椰子がら活性炭とポリフッ化ビニリデンの重量比9.0:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物をステンレス箔上に15mmφの大きさで約150μmの厚さに塗布した。約100℃で10時間真空乾燥し、活性炭電極(24.8mg)を得た。
【0069】
実施例11:コイン型電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例10で製造した活性炭電極(a)(24.8mg)に実施例9で調製した有機電解液(B)[アルミニウムオキサイドC添加電解液(TEAB/PC+γBL)]を含浸させた電極を2個用意した。次に、ポリオレフィンマイクロポーラスフィルム(16mmφ、開孔率約65%、厚み25μm)に前記アルミニウムオキサイドC添加電解液(実施例10)を含浸したものを一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、2016コイン型缶(直径20mm,厚み1.6mm)に封印し、コイン型電気二重層コンデンサを得た。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.35mA、3.5mAで充放電を行なったところ、最大容量は各々850mF、770mFであった。また、3.5mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0070】
実施例12:コイン型電気二重層コンデンサの製造
電解液として実施例8で調製した有機電解液(A)[アルミニウムオキサイドC添加電解液(TEAB/PC)]を用いた以外は実施例11と同様にしてコイン型(2016)電気二重層コンデンサを得た。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.35mA、3.5mAで充放電を行なったところ、最大容量は830mF、660mFであった。また、3.5mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0071】
実施例13:活性炭電極(b)の製造
椰子がら活性炭とポリフッ化ビニリデンの重量比9.0:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物をステンレス箔上に10mm×10mmの大きさで約150μmの厚さに塗布した。約100℃で10時間真空乾燥し、活性炭電極(14.0mg)を得た。
【0072】
実施例14:薄型電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(b)(14.0mg)10mm×10mmに、電解液(1M TEAB/PC+EC(3:1))を含浸させた電極を二個用意した。次に、実施例3で製造した固体電解質フィルムB[化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム](12mm×12mm)を一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止することにより、図1に示す構成の薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は470mF、423mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0073】
実施例15:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、実施例4で製造した固体電解質フィルム (C)[TEPB系化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム](12mm×12mm)、電解液として1M TEPB/PC+EC(3:1)を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は450mF、360mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0074】
実施例16:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、実施例6で製造した固体電解質フィルム (D)[化合物5+化合物3共重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム](12mm×12mm)を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は450mF、410mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0075】
実施例17:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、実施例6で製造した固体電解質フィルム (D)[化合物5+化合物3共重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム](12mm×12mm)、電解液として有機電解液B[アルミニウムオキサイドC添加TEAB/PC+γBL(実施例9)]を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は480mF、430mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0076】
比較例1:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、参考例1で製造した固体電解質フィルム (a)[化合物3重合体フィルム](12mm×12mm)を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は450mF、350mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返すと容量は10%低下した。
【0077】
比較例2:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、参考例2で製造した固体電解質フィルム (b)[化合物3重合体/低温熱処理UA5805複合フィルム](12mm×12mm)を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は450mF、400mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返すと容量は30%低下した 。
【0078】
実施例18:薄型電気二重層コンデンサの製造
高分子固体電解質フィルムとして、実施例7で製造した固体電解質フィルム (E)[化合物3重合体/シリカ微粒子複合フィルム](12mm×12mm)を用いた以外は実施例14と同様にして薄型電気二重層コンデンサを製造した。このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は440mF、360mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0079】
実施例19:全固体薄型電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(b)(14mg)10mm×10mmに、参考例3で調製した熱重合性組成物(化合物3/TEAB /PC+EC)を含浸させた電極を二個用意した。次に、実施例3で製造した固体電解質フィルムB[化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルム](12mm×12mm)を一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止し、熱重合性組成物を80℃で1時間加熱重合させることにより、図1に示す構成の全固体薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は400mF、200mFであった。また、0.2mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0080】
実施例20:薄型電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(b)(14mg)10mm×10mmに、電解液(1M TEAB/PC+EC(3:1))を含浸させた電極を二個用意した。次に、実施例3で調製した化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC系光重合性組成物を一方の電極上に塗布後、ケミカル蛍光ランプを10分間照射し、活性炭電極上に約30μm化合物3重合体/アルミニウムオキサイドC複合フィルムを形成させた。次いでこのフィルム上にさらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止することにより、図1に構成を示すような薄型電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.2mA、2.0mAで充放電を行なったところ、最大容量は480mF、446mFであった。また、2.0mAで充放電を100回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0081】
以上の実施例14〜20、比較例1〜2において製造した薄型電気二重層コンデンサの構成要素及び繰り返し使用結果の概要を表2にまとめて示す。
【0082】
【表2】
【0083】
【発明の効果】
本発明の電気二重層コンデンサは高比表面積で低含水量の特定の無機酸化物微粒子が添加された有機電解液及び/または高分子固体電解質を用いているため、安定で、信頼性が高く、長寿命で、取り出し電流の大きい電気二重層コンデンサとすることができる。
本発明によれば、(メタ)アクリル基及び/またはウレタン(メタ)アクリル基を有する硬化特性に優れた重合性化合物を加熱及び/または活性光線照射により硬化させることにより、電気二重層コンデンサに最適な高分子固体電解質/分極性電極積層体を容易に製造できる。さらに該高分子固体電解質/分極性電極積層体を用いることにより、安定で、信頼性が高く、長寿命の電気二重層コンデンサを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電気二重層コンデンサの一例として示す、薄型電気二重層コンデンサの実施例の概略断面図である。
【符号の説明】
1 集電体
2 分極性電極
3 イオン伝導層
4 絶縁性樹脂封止剤
5 リード線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric double layer capacitor and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to an electric double layer capacitor using an organic electrolyte and / or a solid polymer electrolyte to which inorganic oxide fine particles are added, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an electric double layer capacitor in which an ion conductive solution is placed between a carbon material having a large specific surface area such as activated carbon or carbon black as a polarizable electrode has been widely used for a memory backup power source or the like. For example, “March 1988 (No. 18)” of “173rd Electrochemical Society Meeting Atlanta Georgia” describes an electric double layer capacitor using an aqueous sulfuric acid solution.
Further, “Functional Materials”, February 1989, page 33, a capacitor using a carbon-based polarizable electrode and an organic electrolyte is reported. Although organic electrolytes have lower ionic conductivity than sulfuric acid aqueous solution, they are attracting attention because of their high withstand voltage and large working voltage and capacity of electric double layer capacitors. Various electrolytes and organic solvents are actively studied. Has been. As electrolytes, nitrogen-based cation salts such as quaternary ammonium salts and pyridinium salts and quaternary phosphonium salts are frequently used because of their high solubility and dissociation in organic solvents and a wide electrochemical stability range. Moreover, as an organic solvent, what has a high dielectric constant, a wide electrochemical stability range, and a high boiling point is desired, such as propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and γ-butyrolactone (γBL). Cyclic carbonates or lactones are used.
[0003]
However, in the current electric double layer capacitor using the electrolyte solution, liquid leakage to the outside of the capacitor, liquid dripping, etc. are likely to occur during abnormal use such as long-term use or when a high voltage is applied. There are problems with long-term stability and reliability.
In addition, the current electric double layer capacitor using an organic electrolytic solution has a problem that deterioration is accelerated due to a small amount of impurities such as moisture, acid, base and the like mixed from the inside and / or outside of the system. Therefore, the said company pays a lot of effort for the prevention of mixing of impurities during manufacture of electrolyte solution, the storage method after preparation, and the like.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-98263 discloses a problem of the electrolyte by adding a large amount of powdery inert and non-conductive solid such as silica, alumina, titania or the like to the organic electrolyte to eliminate fluidity. Attempts have also been made to resolve. In March 1997, the Electrochemical Society Spring Meeting (Kanagawa University) 1A21 includes LiClO.FourStudies have been made to eliminate the same fluidity by adding a large amount of α-alumina to the organic electrolyte solution. However, even if the fluidity is lost by these methods, the electrolyte itself is not self-supporting and flows with a certain amount of pressure, so that it is not practical. In addition, since a large amount of powder is added to eliminate fluidity, there is a problem that ion conductivity is lowered. Moreover, since the heat treatment of the powder is insufficient, the interaction with the electrolyte ions is small and the effect of improving the ion mobility is small. Moreover, there is also a problem that the impurity adsorption capacity is small, and conversely, OH groups and moisture on the powder surface adversely affect the electrochemical device.
[0005]
On the other hand, a product using a solid electrolyte does not have the same problems as the electrolyte solution such as liquid leakage and liquid leakage, can be easily reduced in thickness, and can be easily sealed. Furthermore, the solid electrolyte is excellent in heat resistance and is advantageous in the production process of the electric double layer capacitor.
However, the solid electrolytes that have been studied so far have a problem that the extraction current is small because of low ionic conductivity.
[0006]
Recently, so-called polymer solid electrolytes in which a polyethylene oxide polymer and an alkali metal salt are combined are attracting attention. As an example of these polymer solid electrolytes, “British Polymer Journal (Br. Polym. J.)” vol. 319, page 137 (1975) shows a complex of polyethylene oxide and inorganic alkali metal salt. It is described that it exhibits conductivity. In addition, it has been reported that comb polymers in which oligooxyethylene is introduced into the side chain enhance the thermal mobility of the oxyethylene chain responsible for ionic conductivity and improve the ionic conductivity. For example, in “J. Phys. Chem.” Vol. 89, 987 (1984), an alkali metal salt is added to the side chain of polymethacrylic acid to which oligooxyethylene is added. An example in which is combined is described. Furthermore, in “J. Am. Chem. Soc.”, Vol. 106, p. 6854 (1984), an alkali metal salt is added to polyphosphazene having an oligooxyethylene side chain. A composite example is described. These are said to be capable of expressing ionic conduction by the thermal motion of the polymer chain by the polymer itself forming a complex with the Li salt that is the electrolyte. Therefore, a hole for passing an electrolytic solution like a current separator is basically unnecessary. However, practically satisfactory film strength and ionic conductivity have not been obtained.
[0007]
That is, the ionic conductivity of a polymer solid electrolyte that is generally studied is 10 at room temperature.-Four-10-FiveAlthough improved to about S / cm, the level is still two orders of magnitude lower than that of the liquid ion conductive material. In addition, when the temperature is lower than 0 ° C., the ionic conductivity is extremely lowered. Further, when these solid electrolytes are made into a thin film and incorporated in a battery, processing techniques such as compositing with electrodes and ensuring contact are difficult, and there are problems in the manufacturing method.
[0008]
Thermoplastic polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride gel as described in “J. Appl. Electrochem” No. 5, pp. 63-69 (1975) Alternatively, it has been reported that a so-called polymer gel electrolyte obtained by adding a solvent and an electrolyte to a crosslinked polymer has high ionic conductivity. Japanese Patent Publication No. 58-36828 reports that a similar polymer gel electrolyte obtained by adding a solvent and an electrolyte to polymethacrylic acid alkyl ester has high ionic conductivity. However, although these polymer gel electrolytes have high ionic conductivity, they impart fluidity, so they cannot be handled as perfect solids, are inferior in film strength and film formability, and cause short circuits when applied to batteries. In addition, it causes a sealing problem as in the case of the liquid ion conductive material.
[0009]
In US Pat. No. 4,435,401, a polymer solid electrolyte comprising a cross-linked polymer containing a heteroatom and an ionizable salt reduces the crystallinity of the polymer, lowers the glass transition point, and improves the ionic conductivity. It has been reported. However, its ionic conductivity is 10 at room temperature.-FiveIt is about S / cm, which is still insufficient.
[0010]
Further, US Pat. No. 4,792,504 proposes a solid polymer electrolyte in which a polyoxyethylene cross-linked network is impregnated with an electrolytic solution comprising a metal salt and an aprotic solvent. These indicate that the oxyethylene chain can be impregnated with not only the Li salt but also an aprotic solvent, and can provide a uniform polymer solid electrolyte without pores impregnated with an electrolytic solution that can be used as a separator for a Li battery. Show. However, even in this system, the ionic conductivity is 10-FourS / cm was still insufficient. Further, since the solvent is added, the film strength is lowered, and there arises a problem that it is difficult to handle at the time of production or when used for a battery or the like.
[0011]
Japanese Patent Publication No. 3-73081 and U.S. Pat. No. 4,908,283 disclose a polymer by irradiating a composition comprising acryloyl-modified polyalkylene oxide / electrolyte salt / organic solvent such as polyethylene glycol diacrylate with an actinic ray such as ultraviolet rays. A method of forming a solid electrolyte has been disclosed and attempts have been made to shorten the polymerization time.
Also, in US Pat. No. 4,830,939 and JP-A-5-109310, a composition comprising a crosslinkable polyethylenically unsaturated compound / electrolyte salt / active light inert solvent is irradiated with radiation such as ultraviolet rays and electron beams. Discloses a similar method for forming a solid polymer electrolyte containing an electrolytic solution. In these systems, although the ionic conductivity is improved because the amount of the electrolytic solution in the polymer solid electrolyte is increased, it is still insufficient and the film strength tends to deteriorate.
[0012]
In order to solve these problems, the present inventors have prepared an ion conductive polymer using a polymer and a composite comprising an electrolyte obtained from a (meth) acrylate prepolymer containing an oxyalkylene group having a urethane bond. A solid electrolyte (Japanese Patent Laid-Open No. 6-187822) has been proposed. The ionic conductivity of this polymer solid electrolyte is 10 when no solvent is added.-FourAlthough it is at a high level at about S / cm (room temperature), it can be increased by adding a solvent even at room temperature or lower temperature.-3S / cm or more, the film quality was good, and the film was improved to the extent that it could be obtained as a self-supporting film. In addition, this prepolymer has a good polymerizability, and when applied to a battery, it has a processing advantage that it can be polymerized and solidified after being incorporated in the battery in a prepolymer state. However, these systems also have a problem that the film strength is insufficient to be used as a separator for a battery or the like and it is difficult to handle industrially. In addition, there is also a problem that a polymer, particularly an oxyalkylene moiety is easily deteriorated by a trace amount of impurities in the battery system such as moisture, electrolyte salt decomposition products, electrode material impurities, etc., and the battery life is easily affected.
[0013]
“Solid State Ionics”, 1982, No. 7, page 75, includes LiClO, a polymer solid electrolyte.Four/ It has been reported that by further combining alumina particles with a polyethylene oxide composite, the strength of the polymer solid electrolyte can be improved without lowering the ionic conductivity. JP-A-6-140052 has proposed a solid electrolyte obtained by impregnating a polyalkylene oxide / isocyanate cross-linked body / inorganic oxide composite with a non-aqueous electrolyte. The strength is improved. However, these composite polymer solid electrolytes have insufficient properties of the polymer itself, and problems still remain in practical use in terms of ionic conductivity, processability, and stability.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is less affected by impurities and deteriorated with time, is easy to handle, is stable, has high ionic conductivity, and is excellent in safety and reliability. The object is to obtain a large, high-performance electric double layer capacitor with a high working voltage and a long service life.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have added specific inorganic oxide fine particles having a high specific surface area and a low water content to the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte used in the electric double layer capacitor. It has been found that impurities in the capacitor can be removed, and not only stability, safety and reliability are increased, but also current characteristics are improved. In the present specification, the expression “oxyalkylene” includes oligooxyalkylene and polyoxyalkylene containing at least one oxyalkylene group.
[0016]
That is, the present invention provides the following electric double layer capacitor, polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate, and method for producing the electric double layer capacitor.
1) BET specific surface area 50m2/ G, the maximum primary particle size is 0.1 μm or less, the water content is 5000 ppm or less, containing at least one inorganic oxide fine particle in the range of 1 to 50% by weight, and the water content is 1000 ppm or less. An electric double layer capacitor comprising an organic electrolyte and / or a polymer solid electrolyte.
2) The electric double layer capacitor as described in 1 above, wherein the inorganic oxide fine particles are alumina-based fine particles and / or silica-based fine particles heat-treated at 100 to 1200 ° C.
3) The electric double layer capacitor as described in 2 above, wherein the alumina fine particles and / or the silica fine particles are aggregates of primary particles having a maximum particle size of 0.05 μm or less, and the average particle size of the aggregates is 0.01 to 5 μm. .
4) The electric double layer capacitor as described in any one of 1 to 3 above, wherein at least one polymer constituting the solid polymer electrolyte includes an oxyalkylene and / or urethane structure.
[0017]
5) At least one polymer is represented by the following general formula (1) and / or general formula (2):
[Chemical Formula 3]
CH2= C (R1COO-R2-(1)
[Formula 4]
CH2= C (RThree) CO [ORFour]xNHCOO-RFive-(2)
[Wherein R1And RThreeRepresents hydrogen or an alkyl group;
R2, RFourAnd RFiveIs a divalent group having a linear, branched, or cyclic structure, which may contain a hetero atom,
x is 0 or an integer of 1 to 10.
However, when a plurality of polymerizable functional groups represented by the general formula (1) or (2) are contained in the same molecule, R in each polymerizable functional group1, R2, RThree, RFour, RFiveAnd x may be the same or different. ]
5. The electric double layer capacitor as described in 4 above, which is a polymer obtained by polymerizing a thermal and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by
6) The electric double layer capacitor as described in any one of 1 to 5 above, wherein the electrolyte salt in the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte is at least one selected from quaternary ammonium salts and quaternary phosphonium salts.
[0018]
7) An electric double layer capacitor comprising the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte according to any one of 1 to 6 above in a polarizable electrode material and / or an ion conductive layer disposed between polarizable electrodes.
8) (a) 50m BET specific surface area2/ G or more, at least one inorganic oxide fine particle having a maximum primary particle size of 0.1 μm or less and a water content of 5000 ppm or less, (b) at least one electrolyte salt, and (c) the heat described in 5 above and A composition comprising an actinic ray-polymerizable compound, comprising a heat and / or actinic-light-polymerizable composition containing 1 to 50% by weight of the inorganic oxide fine particles and having a water content of 1000 ppm or less. A polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate, which is disposed on a substrate comprising a polarizable electrode and then cured into a polymer solid electrolyte by heating and / or irradiation with actinic rays. Production method.
9) A method for producing an electric double layer capacitor, wherein a polarizable electrode is further laminated on the surface of the polymer solid electrolyte of the polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate produced by the method described in 8 above.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The specific contents of the present invention will be described in detail below.
[1] Basic configuration of capacitor
First, the configuration of the electric double layer capacitor of the present invention will be described.
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, the electric double layer capacitor of the present invention has a structure in which
In FIG. 1, the
[0020]
As the
As the carbon material of the polarizable material, the larger the specific surface area, the larger the capacity of the electric double layer, which is preferable. For example, carbon blacks such as furnace black, thermal black (including acetylene black), channel black, activated carbon such as coconut shell charcoal, natural graphite, artificial graphite, so-called pyrolytic graphite produced by gas phase method, polyacene and C60, C70And various high-temperature polymer fired bodies such as polyvinylidene fluoride and polyvinyl alcohol.
The ion
[0021]
The electric double layer capacitor of the present invention is characterized by using an organic electrolytic solution and / or a polymer solid electrolyte containing an inorganic fine particle powder having a predetermined particle size range with a controlled water content in a predetermined range. . Specifically, the above-mentioned organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte is used for the
[0022]
In particular, when a polymer solid electrolyte is used, there is no leakage of liquid, no leakage, good heat resistance, and the safety and reliability as a capacitor are further increased. In addition, fine pores are generated between the inorganic oxide fine particles and the polymer, and when used in combination with the electrolyte, the free electrolyte is dispersed in the polymer solid electrolyte through the pores. Conductivity and mobility can also be increased.
The electric double layer capacitor of the present invention is not limited to the sheet type shown in FIG. 1, and may have any shape such as a chip type, a coin type, a square type, or a cylindrical type. Also, various sizes can be manufactured. According to the manufacturing method described later, since a uniform ion conductive layer can be easily laminated on the polarizable electrode, the area can be increased, and a counter electrode area of about 30 cm square can be easily obtained. Although the total thickness depends on the shape, it can be 1 mm or less, for example, about 0.5 mm in a sheet mold.
[0023]
[2] Organic electrolyte and polymer solid electrolyte
The organic electrolyte used in the electric double layer capacitor of the present invention comprises (a) inorganic oxide fine particles, (b) an organic solvent, and (c) an electrolyte salt as essential components.
Further, the solid electrolyte used in the electric double layer capacitor of the present invention includes (a) an inorganic oxide fine particle and (c) an electrolyte salt component, (d) a polymer component as an essential component, and (b) an organic solvent. May be included. Hereinafter, each component will be described in detail.
[0024]
(a) Inorganic oxide fine particles
(a-1) Inorganic oxide fine particles
The inorganic oxide fine particles added to the organic electrolyte or polymer solid electrolyte have a specific surface area of 10 m as a BET specific surface area.2/ G or more may be used, but it is desirable to have a larger specific surface area. In the present invention, the BET specific surface area is 50 m.2/ G or more fine particles.
Inorganic oxide fine particles (primary particles in the case of agglomerating to form secondary particles) having a maximum particle size of 1 μm or less are used, but smaller ones are preferred. In the present invention, the maximum diameter is 0.1 μm or less. Use fine particles.
In the present invention, it is necessary to use the inorganic oxide fine particle surface with the adsorbed water removed. Specifically, a water content measured by the Karl Fischer method is 5000 ppm or less.
[0025]
By making the inorganic oxide fine particles highly active with a high specific surface area and reduced adsorbed water, not only in the electrolyte and / or polymer solid electrolyte, but also impurities in the electric double layer capacitor, particularly moisture And free acid and free base can be adsorbed very well. As a result, a great effect is exhibited in reducing deterioration of the sealing material and other materials, and the life of the capacitor can be improved. Moreover, not only the impurity removal effect but also an unexpected effect that the interaction effect with the electrolyte ions becomes high and the ion mobility can be improved.
In general, when surface-active fine particles are used, the crystal particles are easily aggregated to form a secondary particle structure. However, by using such an aggregate, the impurity removal efficiency and ionic conductivity of the electrolyte solution described above are further improved. Results were found to be improved. In particular, an aggregate (secondary particle) having a maximum primary particle size of 0.05 μm or less and an average particle size of 0.01 μm to 5 μm is preferable.
[0026]
The water content of the inorganic oxide fine particles can be adjusted by heat-treating the fine particle powder. By heat-treating, the surface adsorbed water of the inorganic oxide fine particles is reduced, and not only the free moisture that diffuses to other materials is suppressed, but also the impurities of other materials can be adsorbed, improving the stability in the system. it can. Moreover, by moderately heat-treating, partial sintering is caused and there is an effect in secondary particle formation. The temperature and time of the heat treatment vary depending on the shape and type of the inorganic oxide fine particles to be used, but it may be about 2 to 300 hours in the range of 100 to 1200 ° C, and particularly preferably in the range of 500 to 1000 ° C.
The heat treatment temperature is preferably as high as possible. However, if it exceeds 1200 ° C., sintering of the inorganic oxide fine particles proceeds and the surface activity also decreases, which is not preferable. The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited, and may be reduced pressure, air, or an inert atmosphere. However, after the heat treatment, it is necessary to handle in an atmosphere having a dew point of −30 ° C. or lower in order to prevent moisture re-adsorption. In particular, it is preferable to handle at a dew point of -50 ° C or lower.
The shape of the inorganic oxide fine particles used in the present invention is not particularly limited, and various shapes such as a spherical shape, an oval shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, a cylindrical shape or a rod shape can be used.
[0027]
As the inorganic oxide fine particles used in the present invention, non-electron conductive and electrochemically stable particles are selected. Further, those having ion conductivity are more preferable.
Examples of such inorganic oxide fine particles include ionic conductivity such as alumina-based fine particles such as α, β, γ-alumina, silica-based fine particles, titania-based fine particles, magnesia-based fine particles, and composite oxide fine particles thereof. Non-conductive oxide fine particles are exemplified. Among these, alumina-based fine particles and silica-based fine particles are preferable because of their excellent stability and large interaction with electrolyte ions. In particular, the surface of the alumina-based fine particles has a high affinity with the electrolyte anion, and in particular, the cation binding can be reduced and the cation mobility can be improved.
[0028]
Specific examples of the alumina-based fine particles include α, β, and γ type Al obtained by various production methods such as a solid phase method and a gas phase method.2OThreeLiAlO made by reacting fine particles and various inorganic substances such as Li salt2Alumina-based composite oxide fine particles such as Among these, γ-type Al, such as aluminum oxide C (trade name) manufactured by Degussa and UA-5805 manufactured by Showa Denko Co., Ltd., which has a large specific surface area and large surface activity.2OThreeFine particles and LiAlO2However, it is suitable for the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte used in the electric double layer capacitor of the present invention.
Specific examples of the silica-based fine particles include Aerosil (trade name) manufactured by Degussa, which has a large specific surface area and a large surface activity.
[0029]
(a-2) Formulation in organic electrolyte and solid electrolyte
In the electric double layer capacitor of the present invention, when an organic electrolytic solution to which inorganic oxide fine particles are added is used, the viscosity is adjusted to be low. As other constituent components of the electric double layer capacitor, generally porous and microporous materials such as a polarizable electrode and a separator are used in order to efficiently perform an electrochemical reaction. When the viscosity of the electrolytic solution is too high, it is difficult to impregnate or combine them. Moreover, when the electrolyte solution viscosity increases, the ion mobility generally tends to decrease. For this reason, the viscosity of the organic electrolyte solution is 2000 cps or less at room temperature (the shear rate with a rotational viscometer is 20 to 400 s-1In this case, it is preferably 1000 cps or less, more preferably 500 cps or less.
In consideration of the problem that if the amount of the inorganic oxide fine particles added is too high, the viscosity of the organic electrolyte is increased and the ionic conductivity is lowered. The preferred amount of the inorganic fine particles added is based on the weight of the organic electrolyte after the addition. It is 1 to 50% by weight, and a range of 1 to 30% by weight is particularly preferable.
[0030]
Even when the solid polymer electrolyte to which inorganic oxide fine particles are added is used in the electric double layer capacitor of the present invention, if the amount of inorganic oxide fine particles added is too large, the strength and ionic conductivity of the solid polymer electrolyte are reduced. Or a problem that film formation becomes difficult. A preferable addition amount is 1 to 50% by weight based on the weight of the polymer solid electrolyte after the addition, and a range of 1 to 30% by weight is particularly preferable.
By using the heat-treated inorganic oxide fine particles, the water content of the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte used in the electric double layer capacitor of the present invention is 1000 ppm or less (Karl Fischer titration value), preferably the water content Becomes 200 ppm or less (Karl Fischer titration value), and an electrolytic solution suitable for improving the performance of the electric double layer capacitor can be obtained.
[0031]
(b) Organic solvent
In the present invention, an organic solvent is used as the solvent itself in the organic electrolytic solution used for the electric double layer capacitor, and as a plasticizer in the polymer solid electrolyte.
As the organic solvent, a solvent having high solubility of the electrolyte salt, high affinity with the polymer, and stable in the operating voltage range of the electric double layer capacitor is preferable. That is, a compound having a large dielectric constant and a wide electrochemical stability range is suitable. Examples of such organic solvents include cyclic and / or chain carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, bismethoxyethyl carbonate, ethyl methoxyethyl carbonate, γ-butyrolactone, etc. Lactones, cyclic and / or chain ethers such as tetrahydrofuran, dioxolane and 1,2-dimethoxyethane, oligoethers such as triethylene glycol dimethyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether, aliphatics such as acetonitrile, benzonitrile and tolunitrile And / or nitrogen-containing compounds such as aromatic nitriles, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone, etc. Sulfur compounds such as sulfolane, phosphoric acid esters, and the like. Among these, carbonates, ethers, oligoethers, and lactones are preferable, and carbonates and lactones are particularly preferable.
[0032]
(c) Electrolyte salt
The type of the electrolyte used for the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte used in the electric double layer capacitor of the present invention is not particularly limited, and a compound containing an ion desired to be a charge carrier may be used. It is desirable to include ions that have a large dissociation constant in the electrolytic solution and / or the polymer solid electrolyte and can easily form a polarizable electrode and an electric double layer. Such compounds include (CHThree)FourNBFFour, (CHThreeCH2)FourNBFFour, (CHThreeCH2)FourNClOFourQuaternary ammonium salts such as pyridinium salts, (CHThree)FourPBFFour, (CHThreeCH2)FourPBFFourQuaternary phosphonium salts such as LiCFThreeSOThree, LiPF6LiClOFour, LiI, LiBFFour, LiSCN, LiAsF6, LiN (CFThreeSO2)2, NaCFThreeSOThree, NaPF6, NaClOFour, NaI, NaBFFour, NaAsF6, KCFThreeSOThree, KPF6, Alkali metal salts such as KI, AgClOFourTransition metal salts such as, organic acids such as p-toluenesulfonic acid, and salts thereof. Of these, quaternary ammonium salts, pyridinium salts, and quaternary phosphonium salts are preferred from the viewpoints of high output voltage and a large dissociation constant. Among quaternary ammonium salts, (CHThreeCH2) (CHThreeCH2CH2CH2)ThreeNBFFourThose having different substituents on nitrogen of ammonium ions are preferable from the viewpoint of high solubility or dissociation constant in organic electrolytes and polymer solid electrolytes. The composite ratio of the electrolyte salt used in the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 5 to 30% by weight, based on the weight of the solvent and / or polymer. When the composite electrolyte salt is present at a ratio of 50% by weight or more, it is difficult to dissolve and the ion migration is greatly inhibited. Conversely, at a ratio of 1% by weight or less, the absolute amount of ions is insufficient and the ionic conductivity is low. Get smaller.
[0033]
(d) Solid electrolyte forming polymer
The polymer that is the main constituent of the polymer solid electrolyte used in the present invention must be non-electron-conducting and capable of absorbing and holding various organic polar solvents. Such polymers include polyalkylene oxide, polyalkylimine, polyacrylonitrile, poly (meth) acrylic acid ester, polyphosphazene, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polyamide, polyester, polysiloxane and other polar polarities. These thermoplastic polymers and cross-linked polymers. In particular, a crosslinked polymer is suitable as a polymer for a polymer solid electrolyte because it has high strength after absorbing a solvent, has high solvent retention, and is a viscoelastic material. The term “crosslinking” as used herein includes, in addition to those in which the crosslinking chain is formed by a covalent bond, those in which the side chain is crosslinked by an ionic bond, a hydrogen bond, or the like, and those that have been physically crosslinked through various additives. Including.
[0034]
Among the above polymers, those containing an oxyalkylene such as polyalkylene oxide or polyurethane or a urethane structure in the molecular structure are preferable because they have good compatibility with various polar solvents and electrochemical stability. From the viewpoint of stability, those having a fluorocarbon group such as polyvinylidene fluoride in the molecular structure are also preferred.
Among the above polymers, the general formula (1) and / or (2)
[Chemical formula 5]
CH2= C (R1COO-R2-(1)
[Chemical 6]
CH2= C (RThree) CO [ORFour]xNHCOO-RFive-(2)
A polymer obtained by curing at least one polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by formula (2) by heating and / or irradiation with actinic rays is preferable because it is easy to form a film containing a solvent and has good film strength. . Among them, R in general formula (1) and / or general formula (2)2And / or RFiveParticularly preferred are those containing an oxyalkylene group and / or a fluorocarbon or oxyfluorocarbon.
[0035]
There is no particular limitation on the method for synthesizing the compound having the functional group represented by the general formula (1) used in the solid polymer electrolyte of the present invention. For example, an acid chloride and a compound having a hydroxyl group at the terminal can be easily obtained by reacting, for example, oligooxyalkyleneol.
A compound having one functional group represented by the general formula (1) can be easily obtained by, for example, reacting an acid chloride with a monoalkyl oligooxyalkylene glycol in the following reaction formula at a molar ratio of 1: 1. be able to.
[Chemical 7]
CH2= C (R1) COCl + HO (CH2CHR6O)mR7
→ CH2= C (R1) COO (CH2CHR6O)mR7
Where R1Represents the same meaning as in the general formula (1), and R6Represents H or an alkyl group having 10 or less carbon atoms, R7Represents an alkyl group having 10 or less carbon atoms, and m is an integer in the range of 1 to 1000, preferably 1 to 50.
[0036]
A compound having two functional groups represented by the general formula (1) can be easily obtained by reacting, for example, acid chloride and oligooxyalkylene glycol in the following reaction formula at a molar ratio of 2: 1. Can do.
[Chemical 8]
2CH2= C (R1) COCl + HO (CH2CHR6O)mH
→ CH2= C (R1) COO (CH2CHR6O)mCO (R1) C = CH2
Where R1, R6And m have the same meaning as described above.
[0037]
The method for synthesizing the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (2) used in the polymer solid electrolyte of the present invention is not particularly limited.
[Chemical 9]
CH2= C (R1) CO [ORFour]xNCO
[Wherein R1, RFourAnd x represent the same meaning as in the general formula (2). It can obtain by reaction with the compound and oligoalkylene glycol represented. Where RFourIs preferably
[Chemical Formula 10]
-(CH2) P (CH (CHThree)) Q-
[Wherein, p and q are each an integer of 0 to 5. However, when p = q = 0, x = 0. ] It is a bivalent group represented by this.
When p and q are 2 or more, -CH2-And -CH (CHThree)-May be arranged irregularly without being continuous.
[0038]
As a specific method, a compound having one ethylenically unsaturated group is, for example, a methacryloyl isocyanate compound (hereinafter abbreviated as MI) or an acryloyl isocyanate compound (hereinafter abbreviated as AI). And monoalkyl oligoalkylene glycol can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1: 1.
A compound having two ethylenically unsaturated groups can be easily obtained, for example, by reacting MIs or AIs with oligoalkylene glycol at a molar ratio of 2: 1.
[0039]
A compound having three ethylenically unsaturated groups is prepared by reacting, for example, MIs and / or AIs with a triol obtained by addition polymerization of alkylene oxide to a trihydric alcohol such as glycerin at a molar ratio of 3: 1. Can be easily obtained.
A compound having four ethylenically unsaturated groups is obtained by reacting, for example, MIs and / or AIs with a tetraol obtained by addition polymerization of alkylene oxide to a tetrahydric alcohol such as pentaerythritol at a molar ratio of 4: 1. This can be easily obtained.
The compound having 5 ethylenically unsaturated groups is prepared by reacting, for example, MIs and / or AIs with pentaol obtained by addition polymerization of α-D-glucopyranose with alkylene oxide at a molar ratio of 5: 1. This can be easily obtained.
A compound having 6 ethylenically unsaturated groups can be easily obtained by reacting, for example, MIs and / or AIs with hexaol obtained by addition polymerization of alkylene oxide to mannitol at a molar ratio of 6: 1. can get.
[0040]
General formula having a fluorocarbon group and / or an oxyfluorocarbon group
The method for synthesizing the compound having a polymerizable functional group represented by (1) and / or (2) is not particularly limited. For example, as a specific method, a compound having one polymerizable functional group may be MI or It is easily obtained by reacting AIs with monools such as 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-1-butanol in the following reaction formula at a molar ratio of 1: 1. It is done.
Embedded image
The compound having two polymerizable functional groups is, for example, the following reaction formula of MIs or AIs and a diol such as 2,2,3,3-tetrafluoro-1,4-butanediol. And can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 2: 1.
Embedded image
[0041]
A polymer obtained by polymerizing a compound having only one polymerizable functional group represented by the general formula (1) or (2) does not have a cross-linked structure and has insufficient film strength. Then there is a greater risk of short circuiting and it is better not to use it alone. Therefore, it is preferable to copolymerize and crosslink with a compound having two or more polymerizable functional groups represented by the general formula (1) or (2).
Considering the thin film strength of the polymer solid electrolyte, the number of polymerizable functional groups represented by the general formula (1) or (2) contained in one molecule is more preferably 3 or more.
Among the compounds having a polymerizable functional group represented by the general formula (1), the polymer obtained from the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (2) contains a urethane group, This is preferable because the polymerizability is good and the film strength is high when it is made into a thin film.
[0042]
A polymer preferable as a component of the composite electrolyte of the present invention is a polymer of at least one compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), or copolymerization of the compound. It is obtained by polymerizing as a component. Even if the polymer used in the composite electrolyte of the present invention is a homopolymer of a compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), two types belonging to the category It may be a copolymer of the above, or a copolymer of at least one compound belonging to the category and another polymerizable compound.
[0043]
There is no restriction | limiting in particular in the other polymerizable compound copolymerizable with the compound which has a polymeric functional group represented by the said General formula (1) and / or General formula (2).
For example, (meth) acrylamide compounds such as acrylamide, methacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, N-dimethylmethacrylamide, acryloylmorpholine, methacryloylmorpholine, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide, styrene, Examples thereof include styrene compounds such as α-methylstyrene, N-vinylamide compounds such as N-vinylacetamide and N-vinylformamide, and alkyl vinyl ethers such as ethyl vinyl ether.
[0044]
For the polymerization, a general method utilizing the polymerizability of the acryloyl group or methacryloyl group in the polymerizable compound can be employed. That is, these monomers alone, or a mixture of these monomers and other copolymerizable polymerizable compounds described above, a radical polymerization catalyst such as azobisisobutyronitrile and benzoyl peroxide, CFThreeProtonic acid such as COOH, BFThreeAlClThreeIt is possible to carry out radical polymerization, cationic polymerization or anionic polymerization using a cationic polymerization catalyst such as Lewis acid or the like, or an anionic polymerization catalyst such as butyl lithium, sodium naphthalene or lithium alkoxide. In addition, some polymerizable compounds can be radically polymerized only by heating in an oxygen-free state.
[0045]
The polymer used in the polymer solid electrolyte of the present invention preferably has an oxyalkylene structure, but in that case, the number of oxyalkylene chains (that is, R in the general formula (1))2R in the general formula (2)FiveThe repeating number n) of the oxyalkylene group contained therein is preferably in the range of 1-1000, particularly preferably in the range of 5-100.
The organic solvent described above is preferably added to the polymer solid electrolyte of the present invention. The higher the content of the solvent in the polymer solid electrolyte, the easier the electrolyte salt dissociates or the ions diffuse, and the ionic conductivity in that case increases, but the mechanical strength of the membrane decreases. A preferable addition amount is 0.5 to 12 times or less and 1 to 8 times or less the weight of the polymer in the polymer solid electrolyte of the present invention.
[0046]
[3] Manufacturing method of electric double layer capacitor
The organic electrolyte or polymer solid electrolyte thus prepared is used as a polarizable electrode of an electric double layer capacitor and / or an ion conductive layer provided therebetween as described above.
When used for a polarizable electrode, a polarizable material such as activated carbon or graphite is mixed with a conventional polymer material, formed into a film, and then cured by drying, light irradiation, heating, etc. Impregnated with an organic electrolyte containing fine particles. Alternatively, the composition described above, wherein at least one inorganic oxide fine particle or at least one electrolyte salt is added to at least one of the (meth) acryloyl compound having a polymerizable functional group described in detail in [2] above. The material is mixed with a polarizable material and, if necessary, a polymerization initiator, formed into a film, and then cured by drying, light irradiation, heating, or the like.
[0047]
When used for the ion conductive layer, a conventional separator material, for example, a porous film described later is impregnated with an organic electrolytic solution containing the above inorganic fine particles. Alternatively, a method of polymerizing and curing the polymerizable composition described above on various substrates by heating and / or irradiation with actinic rays can be uniformly formed, and film thickness control is simple and recommended. it can. This self-supporting film may be further impregnated with an organic electrolyte containing the above-mentioned inorganic fine particles.
[0048]
In any of the above, the polymer solid electrolyte can be improved in strength by being combined with another porous polymer film. However, depending on the type of polymer to be used, the film shape, and the composite ratio, it may cause a decrease in ionic conductivity and a deterioration in stability, so it is necessary to select a suitable one. Examples of porous polymer films used include porous polyolefin films such as polypropylene nonwoven fabrics and reticulated polyolefin sheets such as polyethylene nets, polyolefin microporous films such as Celgard (trade name), nylon nonwoven fabrics, and polyester nets. Although mentioned, a porous film made of polyolefin is preferable in terms of stability. The porosity should be about 10 to 90%, but it should be as large as possible as long as the strength permits, so the preferable porosity range is 40 to 90%.
[0049]
The temperature for the heat polymerization depends on the type of the polymerizable compound and the type of the initiator, but may be any temperature at which the polymerization occurs, and is usually performed in the range of 0 ° C to 200 ° C. Even in the case of polymerization by actinic ray irradiation, depending on the type of polymerizable compound, etc., for example, using an actinic ray initiator such as benzylmethyl ketal and benzophenone, ultraviolet light of several mW or more, electron beam, γ ray, etc. Can be polymerized by irradiation.
An ion conducting layer is sandwiched between polarizable electrodes thus obtained, and the entire current collector with lead wires connected to the outer surface of the polarizable electrode is overlaid, and the whole is made of an insulating resin such as a polyolefin resin or an epoxy resin. An electric double layer capacitor is formed by sealing.
Alternatively, a polarizable electrode is provided on a structure or support for an electric double layer capacitor made of a metal such as SUS, polypropylene, aluminum laminate heat-sealing resin, polyimide, Eval, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. The polymerizable composition may be cured after inserting the spacer and injecting the electrolyte or the polymerizable composition therebetween.
[0050]
In the present invention, the polymer electrolyte membrane may be directly formed on the polarizable electrode containing the inorganic fine powder according to the present invention. According to this method, an electrode-polymer solid electrolyte laminate in which both are in close contact can be obtained, and an electric double layer capacitor can be produced simply by bonding another polarizable electrode with the polymer solid electrolyte membrane interposed therebetween. .
Since the electric double layer capacitor of the present invention uses an organic electrolyte and / or a polymer solid electrolyte to which specific inorganic oxide fine particles having a high specific surface area and a low water content are added, impurities that adversely affect the capacitor characteristics Can be trapped, and can be a stable, reliable and long-life electric double layer capacitor.
[0051]
Furthermore, the added inorganic oxide fine particles have a large interaction with the electrolyte ions, the ion mobility in the organic electrolyte and / or polymer solid electrolyte is improved, and an electric double layer capacitor having a large extraction current is obtained. be able to.
In the present invention, a polymerizable compound having a (meth) acrylic group and / or a urethane (meth) acrylic group is excellent in curing characteristics, and these compounds, fine alumina particles, an electrolyte salt, and / or an organic solvent are added. By placing the mixed polymerizable composition on the electrode and then curing it by heating and / or actinic ray irradiation, a polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate optimum for an electric double layer capacitor can be easily produced. Therefore, by using the polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate, a stable, reliable and long-life electric double layer capacitor can be easily obtained. It is also easy to improve the capacity by increasing the electrode area and decreasing the electrode interval.
[0052]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of typical examples. Note that these are merely illustrative examples, and the present invention is not limited thereto. In the following examples, reference examples, and comparative examples, the water content was measured by the Karl Fischer method.
[0053]
Example 1: Synthesis of polymerizable compound (compound 3)
According to the following reaction formula,
Embedded image
Specifically, after 50.0 g of Compound 1 (KOH value 34.0 mg / g, p / q = 7/3) and 4.6 g of
[0054]
Reference Example 1: Preparation of solid electrolyte film (a)
Compound 3 (1.0 g), ethylene carbonate (EC) (1.8 g), propylene carbonate (PC) (4.2 g), tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEAB) (0.8 g), and 2,4,6-trimethylbenzoyl Diphenylphosphine oxide (trade name Lucillin TPO, manufactured by BASF) (0.005 g) was mixed well in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition was 100 ppm.
This photopolymerizable composition was applied on a PET film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL, manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. A compound impregnated with an EC / PC electrolyte solution A tripolymer film (“solid electrolyte film (a)”) was obtained as a free standing film of about 30 μm. When the ionic conductivity at 25 ° C. and −20 ° C. of this film was measured by the impedance method, it was 7.3 × 10 5 respectively.-31.6 × 10-3S / cm.
[0055]
Example 2: Preparation of alumina-containing solid electrolyte film (A)
High purity γ-alumina (trade name: UA5805, crystal particle size: 0.03 μm, average secondary particle size: 1.8 μm, BET specific surface area: 80 m, heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours in a dry air atmosphere2/ G) (0.33 g), Compound 3 (1.0 g), EC (1.8 g), PC (4.2 g), TEAB (1.2 g), and Lucillin TPO (BASF) (0.005 g) in an argon atmosphere Mix well to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition was 30 ppm.
This photopolymerizable composition was applied on a PET film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL, manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. As a result,
[0056]
Reference Example 2: Preparation of solid electrolyte film (b)
High purity γ-alumina (trade name: UA5805, crystal particle size: 0.03 μm, average secondary particle size: 1.8 μm, BET specific surface area: 80 m, heat-treated at 80 ° C. for 24 hours in a dry air atmosphere2/ g) (0.33 g), Compound 3 (1.0 g), EC (1.8 g), PC (4.2 g), TEAB (1.2 g), and Lucillin TPO (manufactured by BASF) (0.005 g) in an argon atmosphere Were mixed well to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition was 1100 ppm.
This photopolymerizable composition was applied on a PET film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL, manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. As a result,
[0057]
Example 3: Preparation of alumina-containing solid electrolyte film (B)
Aluminum oxide C (trade name, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., crystal particle size: 0.013 μm, average secondary particle size: 0.11 μm (SEM observation), BET specific surface area as alumina fine particles instead of UA5805 at 1000 ° C. 100m2/ G) A photopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 2 except that (0.33 g) was added. The water content of this composition was 35 ppm.
The photopolymerizable composition was coated and irradiated with light in the same manner as in Example 2 to obtain a
[0058]
Reference Example 3: Preparation of solid electrolyte film (c)
A thermopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that benzoyl peroxide (BPO) (0.04 g) was added instead of lucillin TPO (0.005 g) as an initiator. The water content of this composition was 35 ppm.
This thermopolymerizable composition was coated on a PET film in an argon atmosphere, then covered with a PP film, and heated on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour to obtain a
[0059]
Reference Example 4: Preparation of solid electrolyte film (d)
Α-Alumina (trade name: A-420, crystal particle size: 0.4 μm, average secondary particle size: 3.2 μm, BET specific surface area: 2.2 heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours in a dry air atmosphere m2/ g) (0.33 g), Compound 3 (1.0 g), EC (1.8 g), PC (4.2 g), TEAB (1.2 g), and Lucillin TPO (manufactured by BASF) (0.005 g) in an argon atmosphere Were mixed well to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition was 40 ppm.
This photopolymerizable composition was applied on a PET film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL, manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. As a result,
[0060]
Example 4: Preparation of alumina-containing solid electrolyte film (C)
A photopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 3 except that the same amount of tetraethylphosphonium tetrafluoroborate (TEPB) was used instead of TEAB as the electrolyte salt. The water content of this composition was 30 ppm.
By applying this photopolymerizable composition in the same manner as in Example 3 and irradiating with light, a
[0061]
Example 5: Synthesis of polymerizable compound (compound 5)
Embedded image
20 g of compound 4 (2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-1-butanol, manufactured by Aldrich) and compound 6 (15.5 g) were mixed with 100 ml of well-purified THF in a nitrogen atmosphere, and then dibutyl. Add tindilaurate (0.66 g). Then, it was made to react at 25 degreeC for about 15 hours, and the
[0062]
Example 6: Preparation of alumina-containing solid electrolyte film (D)
Compound 5 (0.5 g), Compound 3 (0.3 g), aluminum oxide C (0.22 g) heat treated at 1000 ° C., EC (1.8 g), PC (4.2 g), TEAB (1.2 g) and Lucillin TPO (manufactured by BASF) ) (0.005 g) was thoroughly mixed in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition was 20 ppm.
This photopolymerizable composition was applied on a PET film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. As a result,
[0063]
Example 7: Preparation of silica-containing solid electrolyte film (E)
Silica fine particles made of Nippon Aerosil (Aerosil 200, crystal particle size: 0.012 μm, average secondary particle size: about 0.1 μm (SEM observation), BET specific surface area: 180 m, heat-treated at 1000 ° C. instead of UA5805 as inorganic oxide fine particles2/ G) A photopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 2 except that (0.33 g) was added. The water content of this composition was 30 ppm.
When this photopolymerizable composition was applied and irradiated with light in the same manner as in Example 2, a
[0064]
Example 8: Preparation of alumina-containing organic electrolyte (A)
Aluminum oxide C (0.33 g), PC (6.0 g), and TEAB (0.80 g) heat-treated at 1000 ° C. were mixed well at room temperature in an argon atmosphere to prepare an electrolytic solution (“organic electrolytic solution (A)”). The water content of this electrolytic solution was 20 ppm. When the ionic conductivity of this electrolytic solution at 25 ° C. and −20 ° C. was measured by the impedance method, it was 10.0 × 10 respectively.-3, 3.0 × 10-3S / cm. The viscosity with a rotational viscometer is 150 cps (380 s-1)Met.
[0065]
Example 9: Preparation of alumina-containing organic electrolyte (B)
1000 ° C. heat-treated aluminum oxide C (0.33 g), PC 3.0 g, γ-butyrolactone (γBL) (3.0 g), TEAB (0.80 g) were mixed well at room temperature in an argon atmosphere, and an electrolyte (“organic electrolyte ( B) ") was prepared. The water content of this electrolytic solution (Karl Fischer method) was 70 ppm. When the ionic conductivity of this electrolytic solution at 25 ° C. and −20 ° C. was measured by the impedance method, it was 12.0 × 10 6 respectively.-3, 3.0 × 10-3S / cm. The viscosity with a rotational viscometer is 120 cps (380 s-1)Met.
[0066]
Table 1 summarizes the components of the solid electrolyte films (A to E), (a to c) and organic electrolytes (A and B) produced in Examples 1 to 9 and Reference Examples 1 to 3.
[0067]
[Table 1]
[0068]
Example 10: Production of activated carbon electrode (a)
An excess N-methylpyrrolidone solution was added to a mixture of coconut shell activated carbon and polyvinylidene fluoride in a weight ratio of 9.0: 1.0 to obtain a gel composition. This composition was applied on a stainless steel foil to a thickness of about 150 μm with a size of 15 mmφ. It vacuum-dried at about 100 degreeC for 10 hours, and obtained the activated carbon electrode (24.8mg).
[0069]
Example 11: Manufacture of coin-type electric double layer capacitor
In an argon atmosphere glove box, the activated carbon electrode (a) (24.8 mg) produced in Example 10 was impregnated with the organic electrolyte (B) [aluminum oxide C-added electrolyte (TEAB / PC + γBL)] prepared in Example 9 Two prepared electrodes were prepared. Next, a polyolefin microporous film (16 mmφ, aperture ratio of about 65%, thickness 25 μm) impregnated with the aluminum oxide C-added electrolyte (Example 10) was bonded to one electrode, and another sheet The electrodes were bonded together and sealed in a 2016 coin-type can (diameter 20 mm, thickness 1.6 mm) to obtain a coin-type electric double layer capacitor.
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.35 mA and 3.5 mA, the maximum capacities were 850 mF and 770 mF, respectively. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 3.5 mA, there was almost no change in capacity.
[0070]
Example 12: Manufacture of coin-type electric double layer capacitor
A coin-type (2016) electric double layer capacitor was prepared in the same manner as in Example 11 except that the organic electrolyte (A) [aluminum oxide C-added electrolyte (TEAB / PC)] prepared in Example 8 was used as the electrolyte. Obtained.
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.35 mA and 3.5 mA, the maximum capacity was 830 mF and 660 mF. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 3.5 mA, there was almost no change in capacity.
[0071]
Example 13: Production of activated carbon electrode (b)
An excess N-methylpyrrolidone solution was added to a mixture of coconut shell activated carbon and polyvinylidene fluoride in a weight ratio of 9.0: 1.0 to obtain a gel composition. This composition was applied on a stainless steel foil in a size of 10 mm × 10 mm to a thickness of about 150 μm. It vacuum-dried at about 100 degreeC for 10 hours, and obtained the activated carbon electrode (14.0 mg).
[0072]
Example 14: Manufacture of thin electric double layer capacitor
In the argon atmosphere glove box, two electrodes were prepared by impregnating the activated carbon electrode (b) (14.0 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with the electrolyte (1M TEAB / PC + EC (3: 1)). . Next, the solid electrolyte film B [
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V, a current of 0.2 mA, and 2.0 mA, the maximum capacity was 470 mF and 423 mF. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 2.0 mA, there was almost no change in capacity.
[0073]
Example 15: Production of a thin electric double layer capacitor
Solid electrolyte film produced in Example 4 as a polymer solid electrolyte film (C) [
[0074]
Example 16: Manufacture of thin electric double layer capacitor
The solid electrolyte film manufactured in Example 6 was used as the polymer solid electrolyte film (D) [Example 5] except that [
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.2 mA and 2.0 mA, the maximum capacity was 450 mF and 410 mF. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 2.0 mA, there was almost no change in capacity.
[0075]
Example 17: Production of thin electric double layer capacitor
Solid electrolyte film produced in Example 6 as a polymer solid electrolyte film (D) [
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V, a current of 0.2 mA, and 2.0 mA, the maximum capacity was 480 mF and 430 mF. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 2.0 mA, there was almost no change in capacity.
[0076]
Comparative Example 1: Production of thin electric double layer capacitor
A thin electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 14 except that the solid electrolyte film (a) [
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.2 mA and 2.0 mA, the maximum capacity was 450 mF and 350 mF. Moreover, when charge / discharge was repeated 100 times at 2.0 mA, the capacity decreased by 10%.
[0077]
Comparative Example 2: Production of thin electric double layer capacitor
As the polymer solid electrolyte film, the thin electrolyte was manufactured in the same manner as in Example 14 except that the solid electrolyte film (b) [
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.2 mA and 2.0 mA, the maximum capacity was 450 mF and 400 mF. Moreover, when charge / discharge was repeated 100 times at 2.0 mA, the capacity decreased by 30%.
[0078]
Example 18: Production of a thin electric double layer capacitor
As the polymer solid electrolyte film, the thin electrolyte film was prepared in the same manner as in Example 14 except that the solid electrolyte film (E) [
[0079]
Example 19: Production of an all-solid thin electric double layer capacitor
An electrode obtained by impregnating the activated carbon electrode (b) (14 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with the thermopolymerizable composition (
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V, a current of 0.2 mA, and 2.0 mA, the maximum capacity was 400 mF and 200 mF. Moreover, there was almost no change in capacity even when charging and discharging were repeated 100 times at 0.2 mA.
[0080]
Example 20: Manufacture of thin electric double layer capacitor
In the argon atmosphere glove box, two electrodes were prepared by impregnating the activated carbon electrode (b) (14 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with an electrolyte (1M TEAB / PC + EC (3: 1)). Next, the
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V, a current of 0.2 mA, and 2.0 mA, the maximum capacity was 480 mF and 446 mF. Moreover, even if charging / discharging was repeated 100 times at 2.0 mA, there was almost no change in capacity.
[0081]
Table 2 summarizes the components of the thin electric double layer capacitors produced in Examples 14 to 20 and Comparative Examples 1 and 2 and the results of repeated use.
[0082]
[Table 2]
[0083]
【The invention's effect】
Since the electric double layer capacitor of the present invention uses an organic electrolyte and / or a polymer solid electrolyte to which specific inorganic oxide fine particles having a high specific surface area and a low water content are added, it is stable and highly reliable, An electric double layer capacitor having a long life and a large extraction current can be obtained.
According to the present invention, a polymerizable compound having a (meth) acrylic group and / or a urethane (meth) acrylic group having excellent curing characteristics is cured by heating and / or actinic ray irradiation, so that it is optimal for an electric double layer capacitor. A solid polymer electrolyte / polarizable electrode laminate can be easily produced. Furthermore, by using the polymer solid electrolyte / polarizable electrode laminate, an electric double layer capacitor that is stable, highly reliable, and has a long life can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a thin electric double layer capacitor shown as an example of the electric double layer capacitor of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Current collector
Bipolar electrode
3 Ion conduction layer
4 Insulating resin sealant
5 Lead wire
Claims (9)
CH2=C(R1)COO−R2− (1)
CH2=C(R3)CO[OR4]xNHCOO−R5− (2)
[式中、R1及びR3は水素またはアルキル基を表わし、R2、R4及びR5は、ヘテロ原子を含んでいてもよい、直鎖状、分岐状、または環状の構造を有する2価の基であり、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子中に上記一般式(1)または(2)で表わされる重合性官能基が複数個含まれる場合、それぞれの重合性官能基中のR1、R2、R3、R4、R5及びxは、同一でもよいし異なってもよい。]で示される重合性官能基を有する、熱及び/または活性光線重合性化合物を重合することによって得られる高分子である請求項4に記載の電気二重層コンデンサ。At least one polymer is represented by the following general formula (1) and / or general formula (2):
CH 2 = C (R 1) COO-R 2 - (1)
CH 2 = C (R 3) CO [OR 4] x NHCOO-R 5 - (2)
[Wherein R 1 and R 3 represent hydrogen or an alkyl group, and R 2 , R 4 and R 5 each have a linear, branched, or cyclic structure which may contain a hetero atom. And x is an integer of 0 or 1 to 10. However, when a plurality of polymerizable functional groups represented by the general formula (1) or (2) are contained in the same molecule, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and x may be the same or different. The electric double layer capacitor according to claim 4, which is a polymer obtained by polymerizing a thermal and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the formula:
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