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JP6494337B2 - Capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、キャパシタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a capacitor and a manufacturing method thereof.

近年、環境問題に対する取り組みが重要となってきており、より環境への負担が軽く、かつ効率のよい電源が求められてきている。この要望に寄与すると期待される一つの技術として、電気化学キャパシタがある。電気化学キャパシタとは、電気化学的な作用を用いて電荷を蓄積、出力するためのデバイスであり、代表的なものとして電気二重層キャパシタ、更には、最近新たに提案されてきているものとしてレドックスキャパシタがある。   In recent years, efforts for environmental problems have become important, and there has been a demand for an efficient power source with a lighter burden on the environment. One technology that is expected to contribute to this demand is an electrochemical capacitor. An electrochemical capacitor is a device for accumulating and outputting electric charges by using an electrochemical action. Typical examples thereof include an electric double layer capacitor, and a redox that has recently been newly proposed. There is a capacitor.

ここで電気二重層キャパシタとは、一対の電極とこの一対の電極の間に配置される電解液とを有し、電解液と電極の界面において生じるイオンの吸着(非ファラデー反応)により形成される電気二重層を利用して電荷を蓄積することのできるキャパシタであり、非常に大きな比表面積を有する炭素材料等を電極として用いることで大容量化が可能であり、大きく期待されている。   Here, the electric double layer capacitor has a pair of electrodes and an electrolytic solution disposed between the pair of electrodes, and is formed by adsorption of ions (non-Faraday reaction) generated at the interface between the electrolytic solution and the electrodes. It is a capacitor that can store electric charges using an electric double layer, and can be increased in capacity by using a carbon material or the like having a very large specific surface area as an electrode.

一方、レドックスキャパシタとは、活物質の複数の連続的なレドックス(酸化還元)反応により発現する疑似容量を利用して電荷を蓄積することのできるキャパシタであり、上記の電気二重層キャパシタよりも大容量で、かつ、電池よりも瞬時充放電特性に優れているといった利点があり、より大きく期待されている。   On the other hand, a redox capacitor is a capacitor capable of accumulating charges using a pseudocapacitance expressed by a plurality of continuous redox (redox) reactions of an active material, and is larger than the electric double layer capacitor described above. There is an advantage that it is superior in capacity and instantaneous charge / discharge characteristics than a battery, and is expected to be larger.

上記に関連するキャパシタの公知技術としては、例えば下記特許文献1に記載の技術がある。   As a known technology of the capacitor related to the above, for example, there is a technology described in Patent Document 1 below.

特開2014−130980号公報JP 2014-130980 A

確かに、上記特許文献1に記載の技術は高エネルギーかつ高出力の電気化学キャパシタを実現するために有用な技術であると考えられる。   Certainly, the technique described in Patent Document 1 is considered to be a useful technique for realizing a high energy and high output electrochemical capacitor.

しかしながら、キャパシタの高エネルギー化、高出力化に上限はなく、更なる高エネルギー化、高出力化を図ることは非常に重要である。   However, there is no upper limit to increase the energy and output of the capacitor, and it is very important to further increase the energy and output.

そこで、本発明は上記に鑑み、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるコバルトナノ構造物の製造方法及びこのコバルトナノ構造物を用いたキャパシタを提供することを目的とする。   Then, in view of the above, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a cobalt nanostructure capable of achieving higher energy and higher output, and a capacitor using the cobalt nanostructure.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行っていたところ、コバルトナノ構造物を析出させる際に磁場を印加するとMHD効果及びマイクロMHD効果により構造が微細化し、実表面積が大きく、しかも高速イオン輸送が可能となるようなナノ構造を有するコバルトナノ構造物が創製され、電気的特性を大幅に改善できることを発見し、本件発明を完成させるに至った。ここで、「MHD効果」とは、構造物の電解析出の際に電極面に対して平行に磁場を引加すると電極面に渦状の対流が引き起こされ、析出する構造物の形態が変わる効果をいい、「マイクロMHD効果」とは、電極面に対して垂直方向の磁場を引加することで、電極表面の微小な領域でいくつもの小さな渦状の対流が引き起こされ、やはり電析物の構造を変える効果をいう。   The inventors of the present invention have been diligently studying the above problems. When a magnetic field is applied when depositing cobalt nanostructures, the structure is refined by the MHD effect and the micro MHD effect, the actual surface area is large, and the fast ions Cobalt nanostructures having nanostructures that can be transported have been created, and it has been found that electrical characteristics can be greatly improved, and the present invention has been completed. Here, the “MHD effect” is an effect in which when a magnetic field is applied parallel to the electrode surface during the electrolytic deposition of the structure, a vortex-like convection is caused on the electrode surface and the form of the deposited structure is changed. “Micro MHD effect” means that by applying a magnetic field perpendicular to the electrode surface, several small vortex-like convections are generated in a minute region of the electrode surface, and the structure of the deposit The effect that changes.

すなわち、本発明の第一の観点に係るコバルトナノ構造物の製造方法は、コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において40℃より高く80℃より低い温度範囲内で前記電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させることを特徴とする。   That is, in the method for producing a cobalt nanostructure according to the first aspect of the present invention, a pair of electrodes are immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, and the temperature is higher than 40 ° C. and lower than 80 ° C. in a magnetic field. The electrolytic solution is electrolyzed to deposit cobalt nanostructures on one of the pair of electrodes.

以上、本発明によって、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるコバルトナノ構造物の製造方法及び、このコバルトナノ構造物を用いたキャパシタを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a cobalt nanostructure capable of achieving higher energy and higher output, and a capacitor using the cobalt nanostructure.

基板と印加磁場の位置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the position of a board | substrate and an applied magnetic field. 実施形態に係るキャパシタの断面概略図である。It is a section schematic diagram of a capacitor concerning an embodiment. 電気分解において用いた装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the apparatus used in the electrolysis. 作製したコバルトナノ構造物のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the produced cobalt nanostructure. 実施例で作製した電極に対し、サイクリックボルタンメトリーを行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed cyclic voltammetry with respect to the electrode produced in the Example. 実施例にて作製した定電流充放電試験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having done the constant current charging / discharging test produced in the Example. 実施例において用いた装置構成及び磁場方向の模式図を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure used in the Example, and the schematic diagram of a magnetic field direction. 実施例において行ったサイクリックボルタンメトリーの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cyclic voltammetry performed in the Example. 実施例において作製した電極におけるコバルトナノ構造物のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the cobalt nanostructure in the electrode produced in the Example. 実施例おける各電極に対し、ガルバノスタットを用い、定電流充放電試験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the constant current charging / discharging test using the galvanostat with respect to each electrode in an Example. 実施例における各電極に対し、静電容量、放電容量、エネルギー密度、充放電曲線を確認した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having confirmed an electrostatic capacitance, discharge capacity, energy density, and a charge / discharge curve with respect to each electrode in an Example. 120mTの場合におけるコバルトナノ構造物の繰り返し特性について測定を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured about the repetition characteristic of the cobalt nanostructure in the case of 120 mT. 実施例に係るコバルトナノ構造物のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the cobalt nanostructure which concerns on an Example. 実施例におけるガルバノスタットを用いて定電流充放電を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed constant current charging / discharging using the galvanostat in an Example. 実施例の充放電繰り返し特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charging / discharging repetition characteristic of an Example.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms, and is not limited to the following embodiments and examples.

本実施形態に係るキャパシタ(以下「本キャパシタ」という。)の製造方法(以下「本方法」という。)は、(1)コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において40℃より高く80℃より低い温度範囲内で電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるステップ(S1)と、(2)コバルトナノ構造物が析出した電極を、キャパシタ用電解質層を介して対向電極と対向させて配置するステップ(S2)と、を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a capacitor according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the present capacitor”) (hereinafter referred to as “the present method”) includes (1) a pair of electrodes immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, A step (S1) of electrolyzing the electrolytic solution within a temperature range higher than 80 ° C. and lower than 80 ° C. to deposit cobalt nanostructures on one of the pair of electrodes; and (2) an electrode on which the cobalt nanostructures are deposited, A step (S2) of disposing the counter electrode opposite to the capacitor electrode layer.

本方法における(1)コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において40℃より高く80℃より低い温度範囲内で電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるステップは、コバルトナノ構造物を製造する方法であり、本実施形態ではキャパシタ用の電極として用いられる。   In this method, (1) a pair of electrodes is immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, and electrolysis is performed in a magnetic field within a temperature range higher than 40 ° C. and lower than 80 ° C., and a cobalt nanostructure is formed on one of the pair of electrodes. The step of depositing is a method of manufacturing a cobalt nanostructure, and is used as an electrode for a capacitor in this embodiment.

本ステップにおける一対の電極は、導電性を有し、電解液から析出するコバルトナノ構造物を保持することのできるものであり、この限りにおいて限定されるわけではないが、導電性の板や、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものを例示することができる。   The pair of electrodes in this step has conductivity and can hold cobalt nanostructures deposited from the electrolyte, and is not limited to this, but a conductive plate, An example is one in which a conductive film is disposed on an insulating plate.

電極として導電性の板を含むものの例としては、例えば、金属板、カーボン板を例示することができる。絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものとしては、例えば、ガラス、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム等の絶縁性の板の上に、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アルミニウムドープ酸化スズ)、GTO(ガリウムドープ酸化スズ)等の酸化金属膜や、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン等の高分子膜等、導電性の膜を配置したものを例示することができる。なお、生産性、機械的強度、価格、軽量性の観点からは、金属板又はガラス基板上にITOを形成したものであることが好ましい。なお本電極における板は曲げることができる程度の可撓性を有していてもよく、導電性膜及び板に可撓性を持たせて曲げることで体積を少なくすることが可能となる。   As an example of an electrode including a conductive plate, a metal plate and a carbon plate can be exemplified. Examples of the conductive film disposed on the insulating plate include ITO (indium tin oxide) and IZO (indium zinc oxide) on the insulating plate such as glass, polyester film, and polycarbonate film. Conductive films such as metal oxide films such as FTO (fluorine-doped tin oxide), ATO (aluminum-doped tin oxide) and GTO (gallium-doped tin oxide), and polymer films such as polyacetylene, polypyrrole, polythiophene and polyaniline What has been arranged can be exemplified. In addition, from the viewpoint of productivity, mechanical strength, price, and lightness, it is preferable that ITO is formed on a metal plate or a glass substrate. Note that the plate of the electrode may be flexible enough to be bent, and the volume can be reduced by bending the conductive film and the plate with flexibility.

本ステップにおいて電解液は、イオン電導による電流が流れる物質であって、限定されるわけではないが、少なくとも溶媒、コバルト錯体、及び、支持電解質を含む。   In this step, the electrolytic solution is a substance through which an electric current flows through ionic conduction, and includes, but is not limited to, at least a solvent, a cobalt complex, and a supporting electrolyte.

本ステップの電解液における溶媒としては、コバルト錯体及び支持電解質を保持するとともに、これらをイオンに解離することができるものであり、この限りにおいて限定されるわけではないが、例えば水、有機溶媒を例示することができる。有機溶媒の場合、電気分解できる限りにおいて限定されるわけではないが、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン・炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、及びそれらの溶媒の中で水に溶解する溶媒と水との混合溶媒等を例示することができる。   As a solvent in the electrolytic solution of this step, while holding a cobalt complex and a supporting electrolyte, these can be dissociated into ions. It can be illustrated. In the case of an organic solvent, it is not limited as long as it can be electrolyzed, but acetonitrile, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, benzonitrile, methylene chloride, tetrahydrofuran / propylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol Ethanol, and a mixed solvent of water and a solvent that dissolves in water among these solvents can be exemplified.

また本ステップのコバルト錯体としては、電気分解によって還元され、電極上にコバルトナノ構造物として析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、ヘキサアンミンコバルト(III)塩化物([Co(NH]Cl)、ペンタアンミンコバルト(III)塩化物([Co(NHCl]Cl)、塩化コバルト(CoCl)、硫酸コバルト(CoSO)、及び硝酸コバルト(Co(NO)を挙げることができる。 The cobalt complex in this step is not limited as long as it can be reduced by electrolysis and deposited as a cobalt nanostructure on the electrode. For example, hexaamminecobalt (III) chloride ([ Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 ), pentaamminecobalt (III) chloride ([Co (NH 3 ) 5 Cl] Cl 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ), and cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 3 ).

本ステップにおける電解液に含まれるコバルト錯体の量としては、電極上にコバルトナノ構造物を析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒100重量部に対して、0.001重量部以上50重量部以下であることが好ましく、0.02重量部以上10重量部以下であることがより好ましい。0.001重量部以上とすることでナノ構造体形成による電極実表面積拡大が可能となり、50重量部以下とすることでナノ構造体の密集による実表面積低下を抑制することが可能となる。   The amount of the cobalt complex contained in the electrolytic solution in this step is not limited as long as the cobalt nanostructure can be deposited on the electrode, but is 0.001 weight per 100 weight parts of the solvent. Part to 50 parts by weight and more preferably 0.02 part to 10 parts by weight. When the amount is 0.001 part by weight or more, the actual electrode surface area can be increased by forming the nanostructure, and when the amount is 50 parts by weight or less, it is possible to suppress a decrease in the actual surface area due to the denseness of the nanostructures.

また本ステップの支持電解質としては、コバルト金属の電解析出を妨げない限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒が水である場合、例えばLiCl、LiBr、LiSO、LiOH、LiClO、NaCl、NaBr、NaSO、NaOH、NaClO、KCl、KBr、KSO、KOH、KClO、及び(CNOH、(CNCl、(CNBr、(CHNOH、(CHNCl、(CHNBr、及びそれらの水和物を挙げることができ、大きな実表面積を有するコバルトナノ構造物を形成する観点からは硫酸リチウム一水和物であることがより好ましい。また、溶媒が有機溶媒である場合は、例えば(CNClO、(CNBF、(CNPF、(CNClO、(CNBF、(CNPF、LiClO、NaClO、KClO、及び(CNOHを挙げることができる。なおコバルト金属への吸着の可能性がないという観点からはLiClO、NaClO、KClOであることがより好ましい。 Further, the supporting electrolyte in this step is not limited as long as it does not prevent the electrolytic deposition of cobalt metal, but when the solvent is water, for example, LiCl, LiBr, Li 2 SO 4 , LiOH, LiClO 4 , NaCl, NaBr, Na 2 SO 4 , NaOH, NaClO 4 , KCl, KBr, K 2 SO 4 , KOH, KClO 4 , and (C 2 H 5 ) 4 NOH, (C 2 H 5 ) 4 NCl, (C 2 H 5 ) 4 NBr, (CH 3 ) 4 NOH, (CH 3 ) 4 NCl, (CH 3 ) 4 NBr, and their hydrates can be mentioned to form cobalt nanostructures with a large real surface area From this viewpoint, lithium sulfate monohydrate is more preferable. When the solvent is an organic solvent, for example, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NPF 6 , (C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (C 4 H 9 ) 4 NBF 4 , (C 4 H 9 ) 4 NPF 6 , LiClO 4 , NaClO 4 , KClO 4 , and (C 4 H 9 ) 4 NOH. From the viewpoint that there is no possibility of adsorption to cobalt metal, LiClO 4 , NaClO 4 , and KClO 4 are more preferable.

また本ステップにおける電解質に含まれる支持電解質の量としては、電極上にコバルトナノ構造物を析出させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、溶媒の重量を100重量部とした場合に、0.01重量部以上300重量部以下であることが好ましく、0.1重量部以上40重量部以下であることがより好ましい。0.01重量部以上とすることで十分な電解液の電気伝導を確保することができ、300重量部以下とすることで電解液の過度な粘度上昇を抑えることができ、コバルト金属の電解析出速度を著しく低下させない効果が発揮される。   The amount of the supporting electrolyte contained in the electrolyte in this step is not limited as long as the cobalt nanostructure can be deposited on the electrode, but when the weight of the solvent is 100 parts by weight, It is preferably 0.01 parts by weight or more and 300 parts by weight or less, and more preferably 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less. When the amount is 0.01 parts by weight or more, sufficient electric conduction of the electrolytic solution can be secured, and when the amount is 300 parts by weight or less, an excessive increase in the viscosity of the electrolytic solution can be suppressed. The effect of not significantly lowering the ejection speed is exhibited.

また本ステップにおいて電気分解は、コバルト錯体に対し電解還元を行い、電極上にコバルトナノ構造物を形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、一定電位の電位を印加する定電位電解還元であることは好ましい。また、電解還元は、2枚の電極のみを利用する2電極式セルを用いた電解によっても、参照電極を用いた3電極式セルを用いた電解還元によっても実施できるが、電極の電位を正確に規定するためには3電極式セルを用いた場合の方が好ましく、大量生産による製品化という観点からは2電極式セルであることが好ましい。なお、3電極式セルを用いた場合において参照電極としては、汎用される参照電極であれば用いることができ、例えば、飽和カロメル電極(SCE)、銀/塩化銀電極、標準水素電極(SHE)などが好適に使用される。またこの際における電位としては、例えば参照電極にSCEを用いた場合には、電極に−0.5V〜−2V
vs.SCEの電位を印加することが好ましく、より好ましくは−0.8V〜−1.5V
vs.SCEの電位範囲である。なお電解還元を行う時間としても、限定されるわけではないが、上記の望ましい電解の範囲下で0.1秒以上10時間以下行うことが好ましく、より好ましくは1秒以上1時間以下である。
In this step, the electrolysis is not limited as long as the cobalt complex can be electrolytically reduced to form a cobalt nanostructure on the electrode. Reduction is preferred. Electrolytic reduction can be carried out either by electrolysis using a two-electrode cell using only two electrodes, or by electrolytic reduction using a three-electrode cell using a reference electrode. Therefore, it is preferable to use a three-electrode cell, and a two-electrode cell is preferable from the viewpoint of commercialization by mass production. In addition, when a three-electrode cell is used, the reference electrode can be any general-purpose reference electrode. For example, a saturated calomel electrode (SCE), a silver / silver chloride electrode, a standard hydrogen electrode (SHE) Etc. are preferably used. In addition, as the potential at this time, for example, when SCE is used for the reference electrode, −0.5V to −2V is applied
vs. It is preferable to apply a potential of SCE, more preferably -0.8V to -1.5V.
vs. This is the potential range of SCE. The time for performing the electrolytic reduction is not limited, but it is preferably 0.1 seconds or longer and 10 hours or shorter, more preferably 1 second or longer and 1 hour or shorter, within the above desired electrolysis range.

また、本ステップにおいて、電気分解における通電量は、0.01C/cm以上10.0C/cm以下の範囲にあることが好ましく、より好ましくは3.0C/cm未満の範囲である。0.01C/cm以上とすることで実用的な充放電容量を有することができるようになるといった効果があり、また10.0C/cm以下とすることで容量の低下を引き起こすような構造変化を避けることができるといった効果がある。また3.0C/cm未満とすることで、大きな充放電容量を有するような構造を維持することができるといった効果がある。 Further, in this step, the energization amount of the electrolysis is preferably in the 0.01 C / cm 2 or more 10.0c / cm 2 or less, more preferably in the range of from in the range of less than 3.0C / cm 2. 0.01 C / cm is effective such it is possible to have a practical charge and discharge capacity at 2 or more to be, also that cause a decrease in the capacity by the 10.0c / cm 2 or less structure The effect is that changes can be avoided. Moreover, there exists an effect that a structure which has big charging / discharging capacity | capacitance can be maintained by setting it as less than 3.0 C / cm < 2 >.

また本ステップでは、一対の電極を浸漬し、磁場中において電気分解する。このようにすることで、析出するコバルトナノ構造物を大きな実表面積を備え、かつ高速イオン輸送ができる形態とすることができる。より具体的には、磁場を印加しないで形成された構造と比較して、より微細かつ複雑なコバルトナノ構造物を析出させることができる。   In this step, a pair of electrodes is immersed and electrolyzed in a magnetic field. By doing in this way, the cobalt nanostructure to precipitate can be made into the form which has a big real surface area and can perform high-speed ion transport. More specifically, compared to a structure formed without applying a magnetic field, a finer and more complicated cobalt nanostructure can be deposited.

また本ステップにおいて印加する磁場は、静磁場であっても交流磁場であってもよいが、静磁場であることがよりコバルトナノ構造物の微細構造化を促進する観点から好ましい。静磁場を印加する場合、例えば永久磁石を用い、この永久磁石のN極及びS極の間に上記一対の電極を配置することで容易に実現でき、十分に磁石の形成する磁場が強ければ一対の電極の近傍に一つの永久磁石を配置することとしてもよい。また、交流磁場の場合、電磁石、具体的には導線からなるコイルを用い、このコイル内部に一対の電極を配置し、コイルに交流電流を流すことで交流磁場を発生させることもできる。なお図1に、印加する磁場と電極との関係の例について概略を示しておく。   The magnetic field applied in this step may be a static magnetic field or an alternating magnetic field, but is preferably a static magnetic field from the viewpoint of promoting the fine structure of the cobalt nanostructure. When applying a static magnetic field, for example, a permanent magnet is used, and this pair of electrodes can be easily arranged between the N pole and S pole of the permanent magnet. If the magnetic field formed by the magnet is sufficiently strong, One permanent magnet may be arranged near the electrode. In the case of an AC magnetic field, an AC magnet can be generated by using an electromagnet, specifically a coil made of a conductive wire, arranging a pair of electrodes inside the coil, and passing an AC current through the coil. FIG. 1 schematically shows an example of the relationship between an applied magnetic field and electrodes.

また印加する磁場の方向は、電極の面に対し略平行又は略垂直であることが好ましい。なおここで「略平行」とは、完全に平行であることを含むことはもちろんであるが、完全に平行でない場合を含め、電極の面と静磁場の方向との間において数度程度の誤差範囲を含むものであり、例えば±5度の誤差は含まれるものである。またここで「略垂直」も、完全に垂直であることを含むことはもちろんであるが、電極の面の向きが完全に平行でない場合を含め、電極の面と静磁場の方向との間において数度程度の誤差範囲を含むものであり、例えば±5度の誤差は含まれるものである。   The direction of the applied magnetic field is preferably substantially parallel or substantially perpendicular to the electrode surface. Here, “substantially parallel” includes not only completely parallel, but also includes an error of several degrees between the electrode surface and the direction of the static magnetic field, including the case where it is not completely parallel. For example, an error of ± 5 degrees is included. Here, “substantially perpendicular” includes not only completely perpendicular, but also includes the case where the direction of the electrode surface is not completely parallel, between the electrode surface and the direction of the static magnetic field. An error range of about several degrees is included. For example, an error of ± 5 degrees is included.

また本ステップにおいて、磁場の強さとしては、1mT以上10T以下の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは5mT以上1T以下の範囲である。1mT以上とすることでコバルトナノ構造物のナノ構造化を発現させることができるといった効果があり、10T以下とすることで、磁場強度が大きすぎることによる電極基板や配線の設置等への影響を抑えた電解操作が可能となるといった効果がある。   In this step, the magnetic field strength is preferably in the range of 1 mT to 10 T, and more preferably in the range of 5 mT to 1 T. By setting it to 1 mT or more, there is an effect that the nanostructure of the cobalt nanostructure can be expressed. By setting it to 10 T or less, the influence on the installation of the electrode substrate and the wiring due to the magnetic field strength being too large is achieved. There is an effect that the suppressed electrolysis operation becomes possible.

また本ステップにおいて、電気分解の際の温度は、40℃より高く80℃より低い温度、好ましくは50℃以上70℃以下である。上記の範囲とすることで、今まで報告されていたキャパシタの特性を大幅に上回る特性を得ることができる。具体的には常温で作成した場合の2倍程度の容量を発現することができる。この効果については後述の実施例の結果により明らかとなる。   In this step, the temperature during electrolysis is higher than 40 ° C. and lower than 80 ° C., preferably 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. By setting it as said range, the characteristic which exceeds the characteristic of the capacitor reported until now can be acquired. Specifically, it is possible to express about twice as much capacity as that produced at room temperature. This effect will be apparent from the results of Examples described later.

以上本ステップは、上記の処理により、一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させることができる。   As described above, in this step, cobalt nanostructures can be deposited on one of the pair of electrodes by the above treatment.

本実施形態において、電極上に形成されるコバルトナノ構造物とは、実電極面積を拡大することができるよう形成されるものであり、コバルトナノ構造物としては、電極面積を拡大できる限りにおいて限定されるわけではないが、コバルトナノワイヤー、コバルトナノデンドライト、ポーラスコバルト、コバルトナノ・マイクロビーズなどを例示することができ、より大きな実表面積を形成できる観点からはコバルトナノワイヤーであることが好ましい。   In this embodiment, the cobalt nanostructure formed on the electrode is formed so that the actual electrode area can be expanded, and the cobalt nanostructure is limited as long as the electrode area can be expanded. Although not necessarily mentioned, cobalt nanowires, cobalt nanodendrites, porous cobalt, cobalt nano-microbeads and the like can be exemplified, and cobalt nanowires are preferable from the viewpoint of forming a larger actual surface area.

なお本ステップにより、電極の上に析出させるコバルトナノ構造物の形成される量としては、限定されるわけではないが、2μg/cm以上2000μg/cm以下の範囲にあることが好ましい。2μg/cm以上とすることで実用的な充放電容量を有することができるようになるといった効果があり、2000μg/cm以下とすることで容量の低下を引き起こすような構造変化を避けることができるといった効果がある。 The amount of cobalt nanostructures deposited on the electrode in this step is not limited, but is preferably in the range of 2 μg / cm 2 to 2000 μg / cm 2 . By making it 2 μg / cm 2 or more, there is an effect that it becomes possible to have a practical charge / discharge capacity, and by making it 2000 μg / cm 2 or less, avoiding structural changes that cause a decrease in capacity. There is an effect that can be done.

また本方法では、(2)対向電極を準備し、コバルトナノ構造物が形成された電極と対向して配置させると共にキャパシタ用電解質層をこの間に充填させるステップを有する。本ステップでは、上記(1)のステップで作製した電極を用い、具体的にキャパシタを作製するステップである。   In addition, the method includes the step of (2) preparing a counter electrode, disposing it facing the electrode on which the cobalt nanostructure is formed, and filling the capacitor electrolyte layer therebetween. In this step, a capacitor is specifically manufactured using the electrode manufactured in the step (1).

まず、対向電極を準備する。対向電極は、上記(1)のステップで作製した電極と対になるものであり、この一対の電極の間に電圧を印加し、電荷を蓄積させることができるようになる。   First, a counter electrode is prepared. The counter electrode is paired with the electrode manufactured in the step (1), and a voltage can be applied between the pair of electrodes to accumulate charges.

対向電極は、導電性を有するものである限りにおいて限定されるものではないが、導電性の板や、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものを例示することができる。導電性の板を含むものの例としては、例えば、金属板、カーボン板を例示することができ、絶縁性の板の上に導電性の膜を配置したものとしては、例えば、ガラス、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム等の絶縁性の板の上に、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アルミニウムドープ酸化スズ)、GTO(ガリウムドープ酸化スズ)等の導電性の膜を配置したものを例示することができる。なお、生産性、機械的強度、価格、軽量性の観点からは、金属板又はガラス基板上にITOを形成したものであることが好ましい。   The counter electrode is not limited as long as it has conductivity, but examples thereof include a conductive plate and a conductive film disposed on an insulating plate. As an example of what includes a conductive plate, for example, a metal plate and a carbon plate can be exemplified, and as a conductive film disposed on an insulating plate, for example, glass, polyester film, On an insulating plate such as a polycarbonate film, ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), FTO (fluorine doped tin oxide), ATO (aluminum doped tin oxide), GTO (gallium doped tin oxide), etc. The thing which has arrange | positioned the electroconductive film | membrane can be illustrated. In addition, from the viewpoint of productivity, mechanical strength, price, and lightness, it is preferable that ITO is formed on a metal plate or a glass substrate.

なお対向電極は、上記で示す例のものをそのまま使用することができるが、上記(1)のステップで作製した電極ももちろん採用することができ、一対の電極の両方を上記(1)のステップで作製した電極とすることが電荷蓄積量増加の観点からより好ましい。   In addition, although the thing of the example shown above can be used as it is for the counter electrode, the electrode produced in the step (1) can of course be adopted, and both of the pair of electrodes can be used in the step (1). From the viewpoint of increasing the amount of accumulated charge, it is more preferable to use the electrode fabricated in (1).

また本ステップにおいて、対向電極と上記(1)で作製した電極の距離は、限定されるわけではないが、10μm以上5cm以下であることが好ましく、100μm以上1cm以下とすることがより好ましい。10μm以下とすることで充放電の電気化学反応を生じさせるための電気二重層の十分な成長を行わせることができ、100μm以上とすることでこの効果が顕著となる。一方、5cm以下とすることで軽量、コンパクト化が可能となり、1cm以下とすることでこの効果が顕著となる。   In this step, the distance between the counter electrode and the electrode prepared in the above (1) is not limited, but is preferably 10 μm or more and 5 cm or less, and more preferably 100 μm or more and 1 cm or less. By setting the thickness to 10 μm or less, it is possible to cause sufficient growth of the electric double layer for causing the electrochemical reaction of charge / discharge, and by setting the thickness to 100 μm or more, this effect becomes remarkable. On the other hand, if it is 5 cm or less, it is possible to reduce the weight and size, and if it is 1 cm or less, this effect becomes remarkable.

また本ステップにおいては、この一対の電極の間に、キャパシタ用電解質層をこの間に充填させる。このようにすることで、イオン導電による電流を流すことが可能となり、蓄電量を増加させることが可能となる。なお、本ステップにおいては、一対の電極を配置した後に表面張力を用いてこの間にキャパシタ用電解質を充填させてもよいし、キャパシタ用電解質内に一対の電極を挿入して一対の電極を対向させて配置することとしてもよく、また、電解質を含んだ多孔質の絶縁性スペーサーを間に配置することとしても良い。   In this step, a capacitor electrolyte layer is filled between the pair of electrodes. By doing in this way, it becomes possible to flow the electric current by ionic conduction, and it becomes possible to increase the amount of electrical storage. In this step, the capacitor electrolyte may be filled with the surface tension after the pair of electrodes are arranged, or the pair of electrodes are made to face each other by inserting the pair of electrodes into the capacitor electrolyte. Alternatively, a porous insulating spacer containing an electrolyte may be arranged between them.

また本ステップにおいて、キャパシタ用電解質層は、電解質を含む層であって、支持電解質を含む溶媒を有する電解液であってもよいし、ゲル状電解質であってもよいし、固体電解質であってもよい。   In this step, the capacitor electrolyte layer is a layer containing an electrolyte, and may be an electrolytic solution having a solvent containing a supporting electrolyte, a gel electrolyte, or a solid electrolyte. Also good.

本実施形態において、キャパシタ用電解質層が電解液の場合、溶媒としては、電解質を保持することができる限りにおいて限定されるものではないが、水や有機溶媒を採用することができ、作動電圧の拡大、エネルギー密度の向上の観点からは有機溶媒を用いても良い。なお有機溶媒の場合、限定されるわけではないが、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン・炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、及びこれらの溶媒のうち水に溶解するものの水との混合溶媒等を例示することができる。   In the present embodiment, when the capacitor electrolyte layer is an electrolytic solution, the solvent is not limited as long as the electrolyte can be retained, but water or an organic solvent can be employed, and the operating voltage can be reduced. From the viewpoint of expansion and improvement of energy density, an organic solvent may be used. In the case of an organic solvent, although not limited, acetonitrile, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, benzonitrile, methylene chloride, tetrahydrofuran / propylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol, ethanol, and Examples of these solvents include those that dissolve in water but are mixed with water.

本実施形態において、キャパシタ用電解質層が電解液の場合、支持電解質としては、限定されるわけではないが、溶媒が水である場合、例えばLiCl、LiBr、LiSO、LiOH、LiClO、NaCl、NaBr、NaSO、NaOH、NaClO、KCl、KBr、KSO、KOH、KClO、及び(CNOH、並びにそれらの水和物を挙げることができ、コバルトナノ構造物の化学的安定性の観点からは、水酸化物が望ましい。また、溶媒が有機溶媒である場合は、例えば(CNClO、(CNF、(CNPF、(CNClO、(CNF、(CNPF、LiClO、NaClO、KClO、及び(CNOHを挙げることができる。また、コバルトナノ構造物と水系の溶媒を組み合わせたキャパシタを形成する場合、コバルトナノ構造物の化学的安定性の観点からはLiOH、NaOH、KOH、(CNOH及び(C)NOHであることが好ましい。 In the present embodiment, when the capacitor electrolyte layer is an electrolytic solution, the supporting electrolyte is not limited, but when the solvent is water, for example, LiCl, LiBr, Li 2 SO 4 , LiOH, LiClO 4 , Mention may be made of NaCl, NaBr, Na 2 SO 4 , NaOH, NaClO 4 , KCl, KBr, K 2 SO 4 , KOH, KClO 4 , and (C 2 H 5 ) 4 NOH, and their hydrates, From the viewpoint of the chemical stability of the cobalt nanostructure, a hydroxide is desirable. When the solvent is an organic solvent, for example, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NPF 6 , (C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (C 4 H 9 ) 4 NF 4 , (C 4 H 9 ) 4 NPF 6 , LiClO 4 , NaClO 4 , KClO 4 , and (C 4 H 9 ) 4 NOH. Further, when forming a capacitor in which a cobalt nanostructure and an aqueous solvent are combined, LiOH, NaOH, KOH, (C 2 H 5 ) 4 NOH and (C 4 ) are used from the viewpoint of chemical stability of the cobalt nanostructure. H 9 ) NOH is preferred.

また本ステップにおける電解質に含まれる支持電解質の量としては、限定されるわけではないが、溶媒の重量を100重量部とした場合に、0.01重量部以上300重量部以下であることが好ましく、0.1重量部以上40重量部以下であることがより好ましい。0.01重量部以上とすることで十分な電解液の電気伝導を確保することが可能となり、300重量部以下とすることで電解液の過度な粘度上昇を抑えることができ、充放電に関わるイオンの輸送を阻害しないといった効果がある。   The amount of the supporting electrolyte contained in the electrolyte in this step is not limited, but is preferably 0.01 parts by weight or more and 300 parts by weight or less when the weight of the solvent is 100 parts by weight. More preferably, it is 0.1 parts by weight or more and 40 parts by weight or less. When the amount is 0.01 parts by weight or more, sufficient electric conduction of the electrolytic solution can be ensured, and when the amount is 300 parts by weight or less, an excessive increase in the viscosity of the electrolytic solution can be suppressed, and charging and discharging are involved. It has the effect of not inhibiting ion transport.

なお、電解液を一対の電極間に充填する方法としては、一対の電極の間に表面張力を用いて電解液を注入する方法を採用することもできるし、電解質を含んだ多孔質の絶縁性のスペーサーを間に配置することも可能である。   In addition, as a method of filling the electrolyte solution between the pair of electrodes, a method of injecting the electrolyte solution using surface tension between the pair of electrodes can be adopted, or a porous insulating property containing the electrolyte can be adopted. It is also possible to arrange the spacers in between.

また本ステップにおいて、電解質にゲル状電解質を用いた場合の例としては、限定されるわけではないが、例えばゲル状ポリマー電解質であることが好ましい。ゲル状ポリマー電解質の例としては、限定されるわけではないが、例えばポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビリニデン、およびポリメチルメタクリレートを例示することができる。   In this step, an example of using a gel electrolyte as the electrolyte is not limited, but for example, a gel polymer electrolyte is preferable. Examples of the gel polymer electrolyte include, but are not limited to, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, poly (vinylidene fluoride), and polymethyl methacrylate.

また本ステップにおいて、電解質に固体電解質を用いた場合の例としては、限定されるわけではないが、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、有機高分子、及び導電性ポリマー等を例示することができる。   In this step, examples of using a solid electrolyte as the electrolyte include, but are not limited to, zirconia, zinc oxide, magnesium oxide, organic polymers, and conductive polymers.

なお、本ステップにおいては、対向電極を準備し、コバルトナノ構造物が形成された電極と対向して配置させると共にキャパシタ用電解質層をこの間に充填させるが、対向して配置させる手順とキャパシタ用電解質層を充填させる手順は同時であってもよい。図2に、本方法よって製造されるキャパシタの構造の概略を示す。   In this step, a counter electrode is prepared, arranged opposite to the electrode on which the cobalt nanostructure is formed, and the capacitor electrolyte layer is filled between them. The procedure for filling the layers may be simultaneous. FIG. 2 shows an outline of the structure of a capacitor manufactured by this method.

本図で示すように、本キャパシタ1は、対向する一対の電極2a、2bと、一対の電極の少なくとも一方に形成されるコバルトナノ構造物3a、3b(本図の例では一対の電極の双方に形成される)と、一対の電極の間に配置されるキャパシタ用電解質層4と、を有する。   As shown in the figure, the capacitor 1 includes a pair of opposing electrodes 2a and 2b and cobalt nanostructures 3a and 3b formed on at least one of the pair of electrodes (both the pair of electrodes in the example of the figure). And a capacitor electrolyte layer 4 disposed between the pair of electrodes.

また本キャパシタは、外部の駆動装置と接続され、一対の電圧を印加されて電荷を蓄積するとともに、短絡することでこの蓄積した電荷を放出することができる。印加する電圧としては、充電が可能であり、材料の分解電圧を超えない限りにおいて限定されるわけではないが、電極間の電界にして0.05V/cm以上10000V/cm以下であることが好ましく、より好ましくは10V/cm以上1000V/cm以下であることがより好ましい。   In addition, the capacitor is connected to an external driving device, and accumulates charges by applying a pair of voltages, and can discharge the accumulated charges by short-circuiting. The voltage to be applied is not limited as long as it can be charged and does not exceed the decomposition voltage of the material, but it is preferably 0.05 V / cm or more and 10,000 V / cm or less in terms of the electric field between the electrodes. More preferably, it is more preferably 10 V / cm or more and 1000 V / cm or less.

本キャパシタは、電極上にコバルトナノ構造物を配置することで、電極の実表面積が拡大し、かつコバルトナノ構造物表面は可逆的な電気化学的酸化反応(充電)及び還元反応(放電)を受けるために、より安定的な充放電特性を発現する、より高エネルギーかつ高出力の電気化学キャパシタとなる。本キャパシタは、コバルトナノ構造物表面で生じる可逆的な電気化学反応を利用するためレドックスキャパシタに分類される。   In this capacitor, the cobalt nanostructure is arranged on the electrode, so that the actual surface area of the electrode is expanded, and the surface of the cobalt nanostructure undergoes reversible electrochemical oxidation (charge) and reduction (discharge). Therefore, the electrochemical capacitor has higher energy and higher output and exhibits more stable charge / discharge characteristics. This capacitor is classified as a redox capacitor because it uses a reversible electrochemical reaction that occurs on the surface of the cobalt nanostructure.

また特に本実施形態に係るコバルトナノ構造物は、電解液に電極を浸漬し、磁場中において電解液を電気分解して前記一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させたものであり、コバルトナノ構造物は、微細かつ複雑なナノ構造物となっている。コバルトナノ構造物はMHD効果およびマイクロMHD効果によって形成されるナノ空間を形成し、より広い実表面積を実現し、高速イオン輸送効果を発現させ、より高いキャパシタ特性を発揮することができる。   In particular, the cobalt nanostructure according to this embodiment is obtained by immersing an electrode in an electrolytic solution, electrolyzing the electrolytic solution in a magnetic field, and depositing the cobalt nanostructure on one of the pair of electrodes. Cobalt nanostructures are fine and complex nanostructures. The cobalt nanostructure forms a nano space formed by the MHD effect and the micro MHD effect, realizes a wider real surface area, exhibits a high-speed ion transport effect, and exhibits higher capacitor characteristics.

本実施形態において、コバルトナノ構造物は、磁場中において電解液を電気分解して形成されたものであって、完全にランダムな状態ではなく高速イオン輸送を可能とするような複雑かつ微細な構造をもつものである。この結果、電極の実表面積を拡大することが可能となり、上記機能を更に向上させることができている。この微細構造の程度は特に限定されるわけではないが、マイクロレベルの微細構造の中にナノレベルの構造が形成されたものと記述することができる。   In this embodiment, the cobalt nanostructure is formed by electrolyzing an electrolytic solution in a magnetic field, and has a complicated and fine structure that enables high-speed ion transport rather than a completely random state. It has something. As a result, the actual surface area of the electrode can be increased, and the above functions can be further improved. Although the degree of this fine structure is not particularly limited, it can be described that a nano-level structure is formed in a micro-level fine structure.

以上、本実施形態によって、より高エネルギー化、高出力化を図ることのできるキャパシタ及びその製造方法、及び、これに用いることのできるコバルトナノ構造物の製造方法を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a capacitor capable of achieving higher energy and higher output, a method for manufacturing the capacitor, and a method for manufacturing a cobalt nanostructure that can be used for the capacitor.

ここで、上記実施形態に係るコバルトナノ構造物の製造方法について、実際に実験を行い、その効果を確認した。以下具体的に説明する。   Here, an experiment was actually performed on the method for producing a cobalt nanostructure according to the above embodiment, and the effect was confirmed. This will be specifically described below.

(温度依存性の確認)
まず蒸留、イオン交換を行なった水に下記式で示されるヘキサアンミンコバルト[Co(NH]Clを19mM、硫酸リチウムLiSOを0.1M含む電解液を準備し、ガラスセルの主室にこの電解質を入れ、ITOガラス基板を動作電極、対向電極を白金板として挿入し、40℃、50℃、60℃、70℃又は80℃の温度において上記動作電極に−1.03V vs.SCE(飽和カロメル電極)の電位を印加した。図3に、電気分解において用いた装置の概略を示す。またこの場合において通電電気量は1.5C/cmとした。この結果、電極基板上にコバルトナノ構造物の形成を確認した。なお図4に作製したコバルトナノ構造物のSEM像を示しておく。また図中のスケールバーの長さは50μmである。
(Confirmation of temperature dependence)
First, an electrolytic solution containing 19 mM of hexaamminecobalt [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 represented by the following formula and 0.1 M of lithium sulfate Li 2 SO 4 in water subjected to distillation and ion exchange was prepared. This electrolyte is placed in the main chamber of the glass, and an ITO glass substrate is inserted as a working electrode and a counter electrode is inserted as a platinum plate, and the working electrode is -1.03 V at a temperature of 40 ° C., 50 ° C., 60 ° C., 70 ° C. or 80 ° C. vs. A potential of SCE (saturated calomel electrode) was applied. FIG. 3 shows an outline of the apparatus used in the electrolysis. In this case, the amount of electricity supplied was 1.5 C / cm 2 . As a result, formation of cobalt nanostructures was confirmed on the electrode substrate. In addition, the SEM image of the cobalt nanostructure produced in FIG. 4 is shown. The length of the scale bar in the figure is 50 μm.

この結果によると、形成されたのはコバルトナノワイヤーであって、60℃までは形態にほぼ変化は見受けられなかった一方、70℃以降ではコバルトナノ構造物ワイヤーが短くなる傾向が確認でき、80℃を超えると常温よりもアスペクト比の低いナノワイヤーが形成されていることが確認できた。なおこの原因としては推論の部分もあるが形態制御剤で得あるアンモニアがナノワイヤー側面にうまく吸着せず一次元方向に成長しずらくなったためと考えられる。   According to this result, cobalt nanowires were formed, and almost no change in form was observed up to 60 ° C., while the tendency of the cobalt nanostructure wires to be shortened after 70 ° C. was confirmed. It was confirmed that nanowires having an aspect ratio lower than that at room temperature were formed when the temperature exceeded ℃. The reason for this is thought to be due to the reasoning that ammonia obtained with the shape control agent did not adsorb well on the side surfaces of the nanowires, making it difficult to grow in a one-dimensional direction.

そして次に、上記作成した温度40℃、60℃、80℃で作製した電極に対し、サイクリックボルタンメトリーを行った。この結果を図5に示しておく。なお本サイクリックボルタンメトリーは、これら電極を0.1MのLiOH水溶液に浸し、掃引範囲0.05〜0.55V、掃引速度10mV/sの条件下で行った結果である。   Next, cyclic voltammetry was performed on the electrodes prepared at the temperatures of 40 ° C., 60 ° C., and 80 ° C. The result is shown in FIG. The present cyclic voltammetry is a result obtained by immersing these electrodes in a 0.1 M LiOH aqueous solution under the conditions of a sweep range of 0.05 to 0.55 V and a sweep speed of 10 mV / s.

この結果、電流密度が60℃で最も大きくなり、80℃で低下していることが確認できた。この結果から、電極形成時の溶液温度に依存してキャパシタ特性の向上が期待できることを確認した。   As a result, it was confirmed that the current density was highest at 60 ° C. and decreased at 80 ° C. From this result, it was confirmed that improvement of capacitor characteristics can be expected depending on the solution temperature at the time of electrode formation.

また、上記作製した電極に対し、定電流充放電試験を行った。この結果得られた充放電特性を図6に、本図から得られる容量の推移を下記表1に示しておく。定電流充放電試験はガルバノスタット(HOKUTO DENKI Co.HJ1010mSM8A)、三電極式のガラスセルを用いた。なお対向電極は白金板を、電解液としては水酸化リチウム(0.1M)を用いた。
Moreover, the constant current charging / discharging test was done with respect to the produced electrode. The charge / discharge characteristics obtained as a result are shown in FIG. 6, and the transition of the capacity obtained from this figure is shown in Table 1 below. In the constant current charge / discharge test, a galvanostat (HOKUTO DENKI Co. HJ1010mSM8A), a three-electrode glass cell was used. The counter electrode was a platinum plate, and the electrolyte was lithium hydroxide (0.1M).

この結果、60℃において最も高いキャパシタ特性を示すことを確認した。これは、ワイヤー形態に変化がなかったにもかかわらず、60℃まで温度を上昇させることで充放電容量が増加したため、水酸化コバルト層が増加していると考えられる。コバルトナノワイヤーは表面の水酸化コバルト部分に充放電特性を有するため、電極形成時の温度を上昇させることで水酸化コバルト層が増加し、この水酸化コバルト層の増加がキャパシタ特性の向上につながっていると考えらえる。   As a result, it was confirmed that the highest capacitor characteristics were exhibited at 60 ° C. This is considered that although the wire form did not change, the charge / discharge capacity was increased by raising the temperature to 60 ° C., so that the cobalt hydroxide layer was increased. Cobalt nanowires have charge / discharge characteristics in the cobalt hydroxide part on the surface, so increasing the temperature during electrode formation increases the cobalt hydroxide layer, and this increase in the cobalt hydroxide layer leads to improved capacitor characteristics. It can be thought that.

(磁場依存性の確認)
次に、上記温度依存性の確認の場合と同様であるが、電極形成時の溶液温度を20℃とする一方、ネオジム磁石を配置し、電極に印加される磁場強度を30mT、60mT、90mT又は120mTとして電極を形成した。また、磁石の配置方向も調整し、磁場印加方向も複数調整した。なおこの場合における装置構成及び磁場方向の模式図を図7に示しておく。
(Confirmation of magnetic field dependence)
Next, as in the case of confirming the temperature dependency, the solution temperature at the time of electrode formation is set to 20 ° C., while a neodymium magnet is disposed, and the magnetic field strength applied to the electrode is set to 30 mT, 60 mT, 90 mT or An electrode was formed at 120 mT. Moreover, the arrangement direction of the magnet was also adjusted, and a plurality of magnetic field application directions were also adjusted. A schematic diagram of the device configuration and the magnetic field direction in this case is shown in FIG.

この結果、いずれにおいても、コバルト錯体の還元とともに動作電極上にコバルトナノ構造物の灰黒色の薄膜の形成が確認できた。   As a result, in all cases, formation of a gray-black thin film of cobalt nanostructures on the working electrode was confirmed along with reduction of the cobalt complex.

ここで、上記作製した結果の各電極に対し、サイクリックボルタンメトリーを行った。この結果を図8に示しておく。なお本図では、0mT(無磁場印加)及び120mTの電極に対する結果を示している。この結果、磁場印加によるキャパシタ特性の向上を確認することはできた。   Here, cyclic voltammetry was performed on each of the resulting electrodes. The result is shown in FIG. In this figure, the results for 0 mT (no magnetic field applied) and 120 mT electrodes are shown. As a result, it was confirmed that the capacitor characteristics were improved by applying the magnetic field.

また、上記各作製した電極におけるコバルトナノ構造物のSEM像を図9に示しておく。なお、図中のスケールバーは、(a)及び(b)においては40μm、(c)及び(d)においては10μmである。   Moreover, the SEM image of the cobalt nanostructure in each said produced electrode is shown in FIG. The scale bar in the figure is 40 μm in (a) and (b), and 10 μm in (c) and (d).

また上記作製した各電極に対し、ガルバノスタットを用い、定電流充放電試験を行った。この結果を図10に示しておく。なお本図中、Aは磁場なしの場合を、Bは60mTの磁場をコバルトナノ構造物を電極表側から垂直方向に印加した場合を、Cは60mTの磁場を電極表面に略平行な方向から印加した場合を、Dは60mTの磁場をコバルトナノ構造物を電極裏側から垂直に印加した場合をそれぞれ示している。   Moreover, the constant current charging / discharging test was done with respect to each produced said electrode using a galvanostat. The result is shown in FIG. In this figure, A is when there is no magnetic field, B is when 60 mT magnetic field is applied in the vertical direction from the surface of the electrode to the cobalt nanostructure, and C is when 60 mT magnetic field is applied from the direction substantially parallel to the electrode surface. D represents the case where a cobalt nanostructure was applied vertically from the back side of the electrode with a magnetic field of 60 mT.

この結果、磁場方向による比容量の差はほとんど見られず、磁場方向には大きく依存しないことがわかる。   As a result, it can be seen that there is almost no difference in specific capacity depending on the magnetic field direction, and it does not depend greatly on the magnetic field direction.

そしてさらに、上記作製した各電極に対し、静電容量、放電容量、エネルギー密度、充放電曲線を改めて確認した。この結果を図11に示しておく。なおこの場合の磁場は、上記図10の「C」と同様の磁場方向とした。   Furthermore, the capacitance, discharge capacity, energy density, and charge / discharge curve were confirmed again for each of the electrodes produced. The result is shown in FIG. The magnetic field in this case was set to the same magnetic field direction as “C” in FIG.

この結果、印加磁場強度を増加させていくにつれ各特性は向上していることが確認できる一方、その増加量は小さくなっているため、200mT程度でその特性は飽和してしまうことが予測された。なお140mT程度を超える場合はコバルトナノ構造物がITO面から剥がれてしまうため磁場はこれ以下にしておくことが好ましい。   As a result, it can be confirmed that each characteristic is improved as the applied magnetic field intensity is increased, but since the increase amount is small, it is predicted that the characteristic is saturated at about 200 mT. . In addition, when it exceeds about 140 mT, since the cobalt nanostructure will peel from the ITO surface, it is preferable to keep the magnetic field below this.

また、120mTの場合におけるコバルトナノ構造物の繰り返し特性について測定を行った。この結果を図12に示しておく。50%の容量まで低下する繰り返し回数はレドックスキャパシタで10〜10となっている一方、今回のキャパシタは10においてもこの条件を満たしており、所定の耐久性を備えているものと考えられる。 Moreover, it measured about the repetition characteristic of the cobalt nanostructure in the case of 120 mT. The result is shown in FIG. The number of repetitions of the reduction to the capacity of 50% is 10 3 to 10 5 for the redox capacitor, but this capacitor satisfies this condition even at 10 3 and is considered to have a predetermined durability. It is done.

(磁場印加及び温度調整の効果確認)
またここで上記例と同様とする一方、磁場を120mT、電極形成時の溶液温度を20℃として電極を作製した。図13にこの場合において作製されたコバルトナノ構造物のSEM像を示す。
(Confirmation of effects of magnetic field application and temperature adjustment)
In addition, while the same as in the above example, the electrode was fabricated with a magnetic field of 120 mT and a solution temperature at the time of electrode formation of 20 ° C. FIG. 13 shows an SEM image of the cobalt nanostructure produced in this case.

次に、上記したのと同様の条件にて、ガルバノスタットを用いて定電流充放電を行った。この結果を図14に示しておく。   Next, constant current charge / discharge was performed using a galvanostat under the same conditions as described above. The result is shown in FIG.

この結果、静電容量1510F/gが確認でき、実用電気化学キャパシタの10倍以上の値を確認できた。一方放電容量についても、市販されているリチウムイオン電池(100〜200mAh/g)に匹敵する容量を得ることができた。   As a result, a capacitance of 1510 F / g could be confirmed, and a value more than 10 times that of a practical electrochemical capacitor could be confirmed. On the other hand, the discharge capacity was comparable to that of a commercially available lithium ion battery (100 to 200 mAh / g).

さらに、上記と同様の条件において、繰り返し特性についても確認した。この結果を図15に示しておく。   Furthermore, repeated characteristics were also confirmed under the same conditions as described above. The result is shown in FIG.

この結果、10回充放電を繰り返しを行ったとしても当初の50%以上を維持することができているため、耐久性は十分維持できていることを確認した。 As a result, since the can also maintain the original 50% or more as was repeated 10 3 times of charge and discharge, it was confirmed that the durability is sufficiently maintained.

以上、本実施例により、本発明の効果を確認できた。   As mentioned above, the effect of this invention has been confirmed by the present Example.

本発明は、キャパシタとして産業上の利用可能性がある。   The present invention has industrial applicability as a capacitor.

Claims (2)

コバルト錯体を含む電解液に一対の電極を浸漬し、磁場中において50℃以上70℃以下の温度範囲内で前記電解液を電気分解して一対の電極の一方にコバルトナノ構造物を析出させるコバルトナノ構造物の製造方法。 Cobalt in which a pair of electrodes is immersed in an electrolytic solution containing a cobalt complex, and the electrolytic solution is electrolyzed in a magnetic field within a temperature range of 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower to deposit cobalt nanostructures on one of the pair of electrodes. Manufacturing method of nanostructure. 前記磁場は静磁場であって、1mT以上10T以下の範囲内にある請求項1記載のコバルトナノ構造物の製造方法。

The method for producing a cobalt nanostructure according to claim 1, wherein the magnetic field is a static magnetic field and is in a range of 1 mT to 10 T.

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