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JP7765003B2 - Graphene electrode, its manufacturing method and power storage device using the same - Google Patents
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JP7765003B2 - Graphene electrode, its manufacturing method and power storage device using the same - Google Patents

Graphene electrode, its manufacturing method and power storage device using the same

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Description

本発明は、グラフェン電極、その製造方法およびそれを用いた蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to graphene electrodes, their manufacturing methods, and electricity storage devices using them.

電気二重層キャパシタ(スーパーキャパシタ)やリチウムイオン電池といった蓄電デバイスは、容量が大きく、注目を集めている。また、近年、可搬型(portable)電子機器の開発が急速に進む中、フレキシブル性を有する蓄電システムに対する要求が高まっている。 Electric double-layer capacitors (supercapacitors) and lithium-ion batteries, which offer large capacities, are attracting attention. Furthermore, with the rapid development of portable electronic devices in recent years, there is a growing demand for flexible energy storage systems.

電気二重層キャパシタの電極材料としてグラフェンを使用することが知られている。これまでに、グラフェンを、カーボンナノチューブやポリマー等と複合化し、フレキシブル性を有する電極を作製する試みがなされている。 Graphene is known to be used as an electrode material for electric double layer capacitors. Previously, attempts have been made to combine graphene with carbon nanotubes, polymers, etc. to create flexible electrodes.

例えば、非特許文献1には、活性炭(AC)とカーボンナノチューブ(CNT)と還元型グラフェン酸化物(rGO)とを複合化した、フレキシブル性を有する自己支持性フィルム(AC/CNT/rGO film)を、電気二重層キャパシタの電極として使用することが提案されている。また、非特許文献2には、グラフェン酸化物(GO)の分散液と、グラフェンヒドロゲル(GH)とポリアニリン(PANI)の分散液を用いてインクジェットプリント法で合成した自立性のグラフェンペーパー(GP)が、多孔性のGH-PANIナノコンポジットで支持された構造を有し、電気二重層キャパシタの電極として使用できることが記載されている。 For example, Non-Patent Document 1 proposes the use of a flexible, self-supporting film (AC/CNT/rGO film) made by combining activated carbon (AC), carbon nanotubes (CNT), and reduced graphene oxide (rGO) as an electrode for an electric double layer capacitor. Furthermore, Non-Patent Document 2 describes how free-standing graphene paper (GP) synthesized by inkjet printing using a graphene oxide (GO) dispersion and a graphene hydrogel (GH) and polyaniline (PANI) dispersion has a structure supported by a porous GH-PANI nanocomposite and can be used as an electrode for an electric double layer capacitor.

しかしながら、非特許文献1および非特許文献2に記載されるような物質(ナノ構造体)や金属酸化物等をグラフェンと組み合わせた材料に関し、これを電極に用いた電気二重層キャパシタの性能においては、しばしば、サイクル寿命の短縮、周波数特性の低下、レート特性の劣化などの問題が生じ得ることが報告されている(例えば、非特許文献3を参照)。また、一般的に複合材料の作製はプロセスが複雑であり、原料の価格が高い場合もあるため、大量生産には不向きであることが多いという問題もある。 However, it has been reported that materials combining graphene with substances (nanostructures) or metal oxides, such as those described in Non-Patent Documents 1 and 2, often have performance problems in electric double layer capacitors using these materials as electrodes, such as shortened cycle life, reduced frequency characteristics, and deterioration in rate characteristics (see, for example, Non-Patent Document 3). Furthermore, the process for producing composite materials is generally complex, and the raw materials can be expensive, making them unsuitable for mass production.

加えて、従来の電極材料は、実際に電気二重層キャパシタを構築する際に、導電材料やバインダ(結着剤)と混合され、膜状に加工され得る。このような導電材料やバインダと混合した際に、これらがグラフェンの表面に吸着し、電解質イオンの浸潤や拡散に影響を与え、電気二重層キャパシタのエネルギー特性を低下させる可能性がある。 In addition, when actually constructing an electric double layer capacitor, conventional electrode materials are mixed with conductive materials and binders and processed into a film. When mixed with such conductive materials and binders, these materials may adsorb onto the graphene surface, affecting the infiltration and diffusion of electrolyte ions and potentially reducing the energy characteristics of the electric double layer capacitor.

X. Li et al., Carbon. 129 (2018) 236-244.X. Li et al., Carbon. 129 (2018) 236-244. K. Chi et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (2014) 16312-16319.K. Chi et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (2014) 16312-16319. X. Xiao et al., Energy Storage Mater. 1 (2015) 1-8.X. Xiao et al., Energy Storage Mater. 1 (2015) 1-8.

以上から、本発明の課題は、導電材料やバインダを含まず、フレキシブル性および自己支持性を有する、電極として優れた性質を有するグラフェン電極を提供することである。
また、本発明は、そのようなグラフェン電極を、効率的かつ環境への負荷が少ない手法で製造する方法、および、当該グラフェン電極を用いた蓄電デバイスを提供することも課題とする。
In view of the above, an object of the present invention is to provide a graphene electrode that does not contain a conductive material or a binder, has flexibility and self-supporting properties, and has excellent properties as an electrode.
Another object of the present invention is to provide a method for producing such a graphene electrode efficiently and with a low environmental impact, and an electricity storage device using the graphene electrode.

本発明によるグラフェン電極は、導電材料およびバインダを含まず、実質的にグラフェンのみからなり、密度が0.2/cm~0.7/cmの範囲であり、フレキシブル性および自己支持性を有し、これにより上記課題を解決する。
前記グラフェン電極は、BET法による比表面積が200m/g以上1000m/g以下の範囲であってもよい。
前記グラフェンは熱還元グラフェン酸化物であってもよい。
前記グラフェン電極は、厚さが50μm~80μmの範囲である膜状の試験片を用いるフレキシブル性および機械的強度の試験において、試験片の対向する端部が接触するように湾曲させ、その状態を一定時間保持した際に、試験片の全体の様子の目視観察および試験片の略中央部のSEM観察において試験片の構造的な損傷や破壊が見られず、かつ、前記略中央部が所定の曲率半径を有する滑らかなアーチ状を有してもよい。
The graphene electrode according to the present invention does not contain any conductive material or binder, consists essentially of graphene, has a density in the range of 0.2 g /cm 3 to 0.7 g /cm 3 , and is flexible and self-supporting, thereby solving the above-mentioned problems.
The graphene electrode may have a specific surface area measured by a BET method in the range of 200 m 2 /g or more and 1000 m 2 /g or less.
The graphene may be thermally reduced graphene oxide.
In a flexibility and mechanical strength test using a film-like test piece having a thickness in the range of 50 μm to 80 μm, the graphene electrode is bent so that opposing ends of the test piece are in contact with each other, and when this state is maintained for a certain period of time, no structural damage or destruction of the test piece is observed in visual observation of the overall appearance of the test piece and in SEM observation of an approximate center of the test piece, and the approximate center may have a smooth arch shape with a predetermined radius of curvature.

本発明による上述のグラフェン電極の製造方法は、グラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液を調製するステップと、前記グラフェン酸化物分散液と前記熱還元グラフェン酸化物分散液を混合し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物が分散した混合分散液を調製するステップと、前記混合分散液を基材上で真空濾過し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる中間構造体を作製するステップと、前記中間構造体を乾燥し、前記基材から剥がして自己支持性構造体を得るステップと、前記自己支持性構造体を熱処理し、前記自己支持性構造体中のグラフェン酸化物を還元するステップとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記グラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液を調製するステップは、所定量のグラフェン酸化物を水に分散したグラフェン酸化物水分散液を凍結乾燥させるステップと、得られたグラフェン酸化物の固体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱するステップとをさらに包含してもよい。
前記自己支持性構造体を熱処理するステップは、前記自己支持性構造体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱し、前記自己支持性構造体中のグラフェン酸化物を還元してもよい。
前記混合分散液を調製するステップにおいて、前記グラフェン酸化物分散液と前記熱還元グラフェン酸化物分散液は、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合が質量比で3:1~1:3の範囲を満たすように混合されてもよい。
The above-described graphene electrode manufacturing method according to the present invention includes the steps of preparing a graphene oxide dispersion and a thermally reduced graphene oxide dispersion, mixing the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion to prepare a mixed dispersion in which graphene oxide and thermally reduced graphene oxide are dispersed, vacuum filtering the mixed dispersion onto a substrate to produce an intermediate structure composed of graphene oxide and thermally reduced graphene oxide, drying the intermediate structure and peeling it from the substrate to obtain a self-supporting structure, and heat-treating the self-supporting structure to reduce the graphene oxide in the self-supporting structure, thereby solving the above-described problem.
The step of preparing the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion may further include the steps of freeze-drying a graphene oxide aqueous dispersion in which a predetermined amount of graphene oxide is dispersed in water, and heating the obtained graphene oxide solid in a muffle furnace at 300°C to 700°C for 1 minute or less.
The step of heat-treating the self-supporting structure may involve heating the self-supporting structure in a muffle furnace at 300° C. to 700° C. for one minute or less to reduce graphene oxide in the self-supporting structure.
In the step of preparing the mixed dispersion, the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion may be mixed such that a mass ratio of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion satisfies a range of 3:1 to 1:3.

本発明による蓄電デバイスは、電極と、電解質とを備え、前記電極は、上述のグラフェン電極からなり、これにより上記課題を解決する。
前記蓄電デバイスは電気二重層キャパシタであってもよい。
The electricity storage device according to the present invention includes an electrode and an electrolyte, and the electrode is made of the graphene electrode described above, thereby solving the above-mentioned problems.
The power storage device may be an electric double layer capacitor.

本発明のグラフェン電極は、導電材料およびバインダを含まず、グラフェン以外の物質と組み合わされた複合体ではない、実質的にグラフェンのみからなる電極であり、所定の密度を有し、フレキシブル性および自己支持性を有する。このため、本発明のグラフェン電極は、グラフェンが本来有する電気的特性を効果的に発揮させることができ、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイス用の電極として優れた性質を有する。本発明のグラフェン電極を用いることにより、静電容量およびエネルギー密度等の性能に優れる電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイスを提供することができる。 The graphene electrode of the present invention is an electrode that does not contain a conductive material or binder, and is not a composite combined with substances other than graphene; it is an electrode that consists essentially of graphene alone, has a predetermined density, and is flexible and self-supporting. Therefore, the graphene electrode of the present invention can effectively utilize the electrical properties inherent to graphene, and has excellent properties as an electrode for power storage devices such as electric double layer capacitors and lithium ion batteries. By using the graphene electrode of the present invention, it is possible to provide power storage devices such as electric double layer capacitors and lithium ion batteries that have excellent performance in terms of capacitance, energy density, etc.

本発明のグラフェン電極の製造方法は、グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液を用いて、これらの混合分散液から簡便な手法で膜状の成形体を製造することができる。電極の製造に際し、グラフェン以外の物質との複合化は行わず、導電材料およびバインダは使用しない。また、グラフェン酸化物の還元は、熱還元により、短時間で行うことができる。このような方法は、熟練の技術や高価な装置を不要とし、安価かつ効率的であり、また、環境への負荷が少ないため、大量生産に適している。 The graphene electrode manufacturing method of the present invention uses a graphene oxide dispersion and a thermally reduced graphene oxide dispersion, and can produce a film-shaped molded body from these mixed dispersions using a simple method. When manufacturing the electrode, no composite with substances other than graphene is performed, and no conductive materials or binders are used. Furthermore, graphene oxide can be reduced by thermal reduction in a short time. This method does not require skilled techniques or expensive equipment, is inexpensive and efficient, and has a low environmental impact, making it suitable for mass production.

本発明のグラフェン電極の製造工程を示すフローチャートFlowchart showing the manufacturing process of the graphene electrode of the present invention 本発明の電気二重層キャパシタを示す模式図Schematic diagram showing an electric double layer capacitor of the present invention. (a)~(c)例1の膜B、例5の膜Bおよび例3の膜BのSEM像を示す図(a) to (c) SEM images of Membrane B of Example 1, Membrane B of Example 5, and Membrane B of Example 3. 例1の膜B、例3の膜Bおよび例3の膜の、(a)X線回折パターン、(b)ラマンスペクトル、(c)XPSによるC1sスペクトル、および、(d)FTIRスペクトルを示す図FIG. 1 shows (a) X-ray diffraction patterns, (b) Raman spectra, (c) C1s spectra by XPS, and (d) FTIR spectra of Film B of Example 1, Film B of Example 3, and Film B of Example 3. (a)~(e)例1の膜B、例2の膜B、例3の膜B、例4の膜B、および、例5の膜Bの、断面のSEM像を示す図。(f)例1~例5の膜Bと、例1~例5の膜の、密度を比較したグラフ(a) to (e) are cross-sectional SEM images of the film B of Example 1, the film B of Example 2, the film B of Example 3, the film B of Example 4, and the film B of Example 5. (f) is a graph comparing the density of the film B of Examples 1 to 5 with the density of the films of Examples 1 to 5. (a)例1~例5の膜Bの窒素吸脱着等温線を示す図、(b)例1~例5の膜Bの細孔分布を示す図、(c)例1~例5の膜の窒素吸脱着等温線を示す図、(d)例1~例5の膜の細孔分布を示す図(a) A diagram showing nitrogen adsorption/desorption isotherms of membranes B of Examples 1 to 5, (b) A diagram showing pore size distributions of membranes B of Examples 1 to 5, (c) A diagram showing nitrogen adsorption/desorption isotherms of membranes of Examples 1 to 5, and (d) A diagram showing pore size distributions of membranes of Examples 1 to 5. (a)~(c)例3の膜のフレキシブル性および機械的強度の試験結果を示す図(a) to (c) are diagrams showing the test results of the flexibility and mechanical strength of the membrane of Example 3. 例3の膜および例5の膜を用い、電解質が水系電解液(硫酸水溶液)である場合の、(a)比容量-電圧曲線(CV曲線)、(b)定電流充放電曲線(GCD曲線)、(c)電気化学インピーダンススペクトル(EIS)、および、(d)レート特性を示す図FIG. 1 shows (a) specific capacity-voltage curves (CV curves), (b) constant current charge/discharge curves (GCD curves), (c) electrochemical impedance spectra (EIS), and (d) rate characteristics when the membranes of Example 3 and Example 5 are used and the electrolyte is an aqueous electrolyte solution (aqueous sulfuric acid solution). 例3の膜および例5の膜を用い、電解質がイオン液体(EMI-BF)である場合の、(a)比容量-電圧曲線(CV曲線)、(b)定電流充放電曲線(GCD曲線)、(c)電気化学インピーダンススペクトル(EIS)、および、(d)レート特性を示す図FIG. 1 shows (a) specific capacity-voltage curves (CV curves), (b) constant current charge/discharge curves (GCD curves), (c) electrochemical impedance spectra (EIS), and (d) rate characteristics when the membranes of Examples 3 and 5 are used and the electrolyte is ionic liquid (EMI-BF 4 ).

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that like elements are numbered likewise and their description will be omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明のグラフェン電極およびその製造方法について説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a graphene electrode and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described.

本発明のグラフェン電極は、導電材料およびバインダを含まず、実質的にグラフェンのみからなる。 The graphene electrode of the present invention does not contain any conductive material or binder and consists essentially of graphene alone.

本明細書において、電極が「実質的にグラフェンのみからなる」とは、電極を構成する物質としてグラフェン以外の物質を含まないことを意図する。そのため、本発明のグラフェン電極は、少なくとも、そのSEM像において、グラフェン以外の物質の存在は確認されない。ただし、その製造過程において不可避的に混入もしくは残留する物質の存在は許容され得る。一方、そのような混入物もしくは残留物は、蓄電デバイスのエネルギー特性を損なう要因となる可能性があるため、極力含まないことが望ましい。そのような観点から、本発明のグラフェン電極において、グラフェンは、熱還元グラフェン酸化物であることが好ましい。なお、電極の製造方法が既知である局面においては、そのプロセスにおいて、グラフェン(もしくはグラフェン酸化物)が、それ以外の物質(分散媒を除く)と混合もしくは複合化されず、かつ、導電材料、バインダ、およびその他の添加剤と混合されていなければ、当該電極は、「実質的にグラフェンのみからなる」ものとして取り扱うこととする。本発明のグラフェン電極の製造方法については後述する。 In this specification, the phrase "consisting essentially of graphene" means that the electrode does not contain any other materials than graphene as constituents of the electrode. Therefore, in the graphene electrode of the present invention, the presence of materials other than graphene is not confirmed, at least in its SEM image. However, the presence of materials that are inevitably mixed or remain during the manufacturing process is acceptable. However, since such mixed materials or residues may impair the energy characteristics of the energy storage device, it is desirable to minimize their presence. From this perspective, in the graphene electrode of the present invention, the graphene is preferably thermally reduced graphene oxide. Note that, in situations where a manufacturing method for an electrode is known, an electrode is considered to be "consisting essentially of graphene" if, during that process, graphene (or graphene oxide) is not mixed or composited with other materials (except for the dispersion medium) and is not mixed with conductive materials, binders, or other additives. The manufacturing method for the graphene electrode of the present invention will be described later.

本発明のグラフェン電極は、0.2g/cm以上0.7g/cm以下の範囲の密度を有する。これにより、本発明のグラフェン電極は、所望のフレキシブル性および自己支持性を有し、蓄電デバイス用の電極として使用するのに好適である。また、この範囲の密度であれば、電解質イオンが容易にグラフェン内に到達し、移動できる。本発明のグラフェン電極は、好ましくは、0.4g/cm以上0.6g/cm以下の範囲の密度を有する。 The graphene electrode of the present invention has a density in the range of 0.2 g/cm3 or more and 0.7 g/cm3 or less . As a result, the graphene electrode of the present invention has the desired flexibility and self-supporting properties, and is suitable for use as an electrode for an electricity storage device. Furthermore, a density in this range allows electrolyte ions to easily reach and move within the graphene. The graphene electrode of the present invention preferably has a density in the range of 0.4 g/cm3 or more and 0.6 g/cm3 or less .

本発明のグラフェン電極は、実質的にグラフェンのみからなり、上述した範囲の密度を有することにより、好ましくは、BET法による比表面積が、200m/g以上1000m/g以下の範囲を満たす。これにより、本発明のグラフェン電極は、所要のフレキシブル性および自己支持性を維持しつつ、高い導電性のみならず、電解質イオンの吸着を可能にする。より好ましくは、本発明のグラフェン電極は、BET法による比表面積が、240m/g以上400m/g以下の範囲を満たす。これにより、本発明のグラフェン電極は、さらに電解質イオンの吸着および移動を確実にする。さらに好ましくは、本発明のグラフェン電極は、BET法による比表面積が、240m/g以上350m/g以下の範囲を満たす。 The graphene electrode of the present invention is substantially composed of graphene and has a density within the above-mentioned range, and thus preferably has a specific surface area measured by the BET method in the range of 200 m 2 /g or more and 1000 m 2 /g or less. This allows the graphene electrode of the present invention to have high conductivity and adsorb electrolyte ions while maintaining the required flexibility and self-supporting properties. More preferably, the graphene electrode of the present invention has a specific surface area measured by the BET method in the range of 240 m 2 /g or more and 400 m 2 /g or less. This further ensures the adsorption and migration of electrolyte ions. Even more preferably, the graphene electrode of the present invention has a specific surface area measured by the BET method in the range of 240 m 2 /g or more and 350 m 2 /g or less.

本発明のグラフェン電極は、膜状の形態として用いるのが一般的である。この場合、膜の厚さは、好ましくは、10μm以上100μm以下である。この範囲であれば、本発明のグラフェン電極は、取り扱い性に優れ、集電体への適用が容易であり、各種蓄電デバイスに適用される際に、高いエネルギー密度およびパワー密度を達成する。 The graphene electrode of the present invention is generally used in the form of a film. In this case, the film thickness is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. Within this range, the graphene electrode of the present invention is easy to handle, can be easily applied to current collectors, and achieves high energy density and power density when applied to various electricity storage devices.

当該技術分野において、「フレキシブル性」および「自己支持性」との用語は、一般的に用いられるものであるが、本発明のグラフェン電極が有するフレキシブル性および自己支持性は、例えば、以下に示すようなフレキシブル性および機械的強度の試験によって確認することができる。 The terms "flexibility" and "self-supporting" are commonly used in the technical field, but the flexibility and self-supporting properties of the graphene electrodes of the present invention can be confirmed, for example, by the flexibility and mechanical strength tests described below.

〔フレキシブル性および機械的強度の試験方法〕
試験片としては、厚さが50μm~80μmの範囲である膜状の構造体を使用する。
試験片の対向する端部が接触するように湾曲させ、その状態を任意の固定手段を用いて一定時間保持する。ここで、試験片が、平面視で略矩形である場合には、長手方向の両端部が接触するように湾曲させる。固定手段としては制限されないが、例えば、ピンセット等を使用することができる。
次いで、湾曲状態を保持した試験片の全体の様子を目視観察する。本発明のグラフェン電極は、当該目視観察において、滑らかな曲線を有して湾曲した状態を保持し、試験片の構造的な損傷や破壊は見られない。
さらに、湾曲状態を保持した試験片の略中央部を走査型電子顕微鏡(SEM)観察する。ここで、試験片の略中央部とは、試験片の湾曲によって最も負荷がかかる部分を意図する。本発明のグラフェン電極は、当該SEM観察においても、試験片の構造的な損傷や破壊は見られず、試験片の略中央部が、所定の曲率半径を有する滑らかなアーチ状を有してなる様子が確認される。
[Test method for flexibility and mechanical strength]
The test specimen used is a film-like structure having a thickness in the range of 50 μm to 80 μm.
The test piece is bent so that the opposing ends of the test piece are in contact with each other, and this state is maintained for a certain period of time using any fixing means. Here, if the test piece is approximately rectangular in plan view, it is bent so that both ends in the longitudinal direction are in contact with each other. The fixing means is not limited, but tweezers or the like can be used, for example.
Next, the overall appearance of the test piece that has maintained its curved state is visually observed. The graphene electrode of the present invention maintains its curved state with a smooth curve, and no structural damage or destruction of the test piece is observed.
Furthermore, the approximate center of the test specimen, which was kept in the curved state, was observed using a scanning electron microscope (SEM). Here, the approximate center of the test specimen refers to the portion of the test specimen that is most heavily loaded due to the curve of the test specimen. The graphene electrode of the present invention was observed using the SEM, and no structural damage or destruction was observed in the test specimen. It was confirmed that the approximate center of the test specimen had a smooth arch shape with a predetermined radius of curvature.

次に、本発明のグラフェン電極の製造方法について説明する。
図1は、本発明のグラフェン電極の製造工程を示すフローチャートである。
Next, a method for producing a graphene electrode of the present invention will be described.
FIG. 1 is a flowchart showing the steps of manufacturing a graphene electrode of the present invention.

ステップS110:グラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液を調製する。 Step S110: Prepare a graphene oxide dispersion and a thermally reduced graphene oxide dispersion.

グラフェン酸化物(graphene oxide:GO)および熱還元グラフェン酸化物(thermally-reduced graphene oxide:TRGO)は、一般に入手可能なものを用いてもよく、あるいは、ステップS110において、グラフェン酸化物および/または熱還元グラフェン酸化物を調製するステップをさらに含んでもよい。 Graphene oxide (GO) and thermally reduced graphene oxide (TRGO) may be commercially available, or step S110 may further include a step of preparing graphene oxide and/or thermally reduced graphene oxide.

グラフェン酸化物は、公知の製造方法によって製造されたものであってよい。例えば、改良Hummers法を用いて天然グラファイトから調製されたものを使用することができる。 Graphene oxide may be produced by known production methods. For example, graphene oxide prepared from natural graphite using a modified Hummers method can be used.

熱還元グラフェン酸化物は、グラフェン酸化物を熱処理することによって製造されたものである。グラフェン酸化物を熱処理する条件は特に制限されないが、より短い時間である方が、製造効率および環境への負荷を低減する観点から、好ましい。具体的には、例えば、所定量のグラフェン酸化物を水に分散したグラフェン酸化物水分散液を、凍結乾燥機で数日間(2日間程度)凍結乾燥させ、次いで、得られたグラフェン酸化物の固体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱し、素早く取り出すことで、所望の熱還元グラフェン酸化物を得ることができる。 Thermally reduced graphene oxide is produced by heat-treating graphene oxide. There are no particular restrictions on the conditions for heat-treating graphene oxide, but a shorter heat treatment time is preferable from the perspectives of production efficiency and reducing environmental impact. Specifically, for example, a graphene oxide aqueous dispersion in which a predetermined amount of graphene oxide is dispersed in water is freeze-dried for several days (approximately two days) in a freeze dryer, and the resulting graphene oxide solid is then heated in a muffle furnace at 300°C to 700°C for less than one minute and quickly removed, yielding the desired thermally reduced graphene oxide.

グラフェン酸化物分散液を調製するための分散媒としては特に制限されず、水、エタノール等が挙げられる。当該分散媒は、後述するステップS120において、熱還元グラフェン酸化物分散液との混合分散液を調製する観点から、熱還元グラフェン酸化物分散液の分散媒と同じもしくはそれとの混和性に優れる分散媒であることが好ましい。具体的には、例えば、所定量のグラフェン酸化物を水に分散したグラフェン酸化物水分散液から、分散媒をエタノールに置換し、グラフェン酸化物分散液を調製することができる。 The dispersion medium used to prepare the graphene oxide dispersion is not particularly limited, and examples include water and ethanol. From the perspective of preparing a mixed dispersion with the thermally reduced graphene oxide dispersion in step S120, which will be described later, the dispersion medium is preferably the same as the dispersion medium of the thermally reduced graphene oxide dispersion or a dispersion medium that is highly miscible with it. Specifically, for example, the graphene oxide dispersion can be prepared by replacing the dispersion medium with ethanol from a graphene oxide aqueous dispersion in which a predetermined amount of graphene oxide is dispersed in water.

グラフェン酸化物分散液の濃度としては特に制限されず、分散媒中にグラフェン酸化物が良好に分散し得る濃度を適宜選択すればよい。具体的には、例えば、グラフェン酸化物分散液の濃度は、0.1mg/mL~1.0mg/mLの範囲であってよい。 The concentration of the graphene oxide dispersion is not particularly limited, and can be selected appropriately so that graphene oxide can be well dispersed in the dispersion medium. Specifically, the concentration of the graphene oxide dispersion may be in the range of 0.1 mg/mL to 1.0 mg/mL, for example.

熱還元グラフェン酸化物を調製するための分散媒としては特に制限されず、水、エタノール等が挙げられる。当該分散媒は、後述するステップS120において、グラフェン酸化物分散液との混合分散液を調製する観点から、グラフェン酸化物分散液の分散媒と同じもしくはそれとの混和性に優れる分散媒であることが好ましい。 The dispersion medium used to prepare thermally reduced graphene oxide is not particularly limited, and examples include water, ethanol, etc. From the perspective of preparing a mixed dispersion with the graphene oxide dispersion in step S120, which will be described later, it is preferable that the dispersion medium be the same as the dispersion medium used in the graphene oxide dispersion or be a dispersion medium that is highly miscible with it.

熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度としては特に制限されず、分散媒中に熱還元グラフェン酸化物が良好に分散し得る濃度を適宜選択すればよい。具体的には、例えば、熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度は、0.1mg/mL~1.0mg/mLの範囲であってよい。 There are no particular restrictions on the concentration of the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid, and it is sufficient to select an appropriate concentration that allows the thermally reduced graphene oxide to be well dispersed in the dispersion medium. Specifically, for example, the concentration of the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid may be in the range of 0.1 mg/mL to 1.0 mg/mL.

ステップS120:グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液を混合し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物が分散した混合分散液を調製する。 Step S120: The graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion are mixed to prepare a mixed dispersion in which graphene oxide and thermally reduced graphene oxide are dispersed.

グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液の混合割合は特に制限されず、ステップS110で調製されるグラフェン酸化物分散液の濃度と熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度を考慮し、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)が所望の値となるように調整すればよい。 The mixing ratio of the graphene oxide dispersion liquid and the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid is not particularly limited, and can be adjusted so that the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion liquid is the desired value, taking into account the concentrations of the graphene oxide dispersion liquid prepared in step S110 and the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid.

例えば、グラフェン酸化物分散液の濃度と熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度が同一であると、各分散液の量(体積比)が、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)と同じになる。そのため、各分散液の量(体積比)を変化させることで、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)を簡便に調整することができる。一方、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)が予め定まっている場合には、グラフェン酸化物分散液の濃度と熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度を予め当該割合と同じになるように調整し、両分散液を体積比で同量混合するようにしてもよい。 For example, if the concentrations of the graphene oxide dispersion liquid and the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid are the same, the amount (volume ratio) of each dispersion liquid will be the same as the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion liquid. Therefore, by changing the amount (volume ratio) of each dispersion liquid, the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion liquid can be easily adjusted. On the other hand, if the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion liquid is predetermined, the concentrations of the graphene oxide dispersion liquid and the thermally reduced graphene oxide dispersion liquid may be adjusted in advance to be the same ratio, and the two dispersion liquids may be mixed in equal volumes.

グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液の混合方法は特に制限されないが、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の分散状態を均一にする観点から、超音波ホモジナイザー等の混合・分散装置を用いることが好ましい。 The method for mixing the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion is not particularly limited, but from the perspective of achieving a uniform dispersion state of the graphene oxide and thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion, it is preferable to use a mixing/dispersing device such as an ultrasonic homogenizer.

ステップS130:混合分散液を基材上で真空濾過し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる中間構造体を作製する。 Step S130: The mixed dispersion is vacuum filtered onto the substrate to produce an intermediate structure consisting of graphene oxide and thermally reduced graphene oxide.

基材としては特に制限されず、各種の樹脂製の濾紙など、公知の基材を使用することができる。具体的には、例えば、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製の濾紙が挙げられる。なお、後述するステップS140において、中間構造体は、基材から剥がされるため、この剥離操作の容易性も考慮して基材を選択することが好ましい。 The substrate is not particularly limited, and known substrates such as filter paper made from various resins can be used. Specific examples include filter paper made from polytetrafluoroethylene (PTFE). In step S140, which will be described later, the intermediate structure will be peeled off from the substrate, so it is preferable to select the substrate taking into consideration the ease of this peeling operation.

基材上で混合分散液を真空濾過する方法は特に制限されず、公知の手法を採用することができる。 The method for vacuum filtering the mixed dispersion on the substrate is not particularly limited, and any known method can be used.

ステップS140:中間構造体を乾燥し、基材から剥がして自己支持性構造体を得る。 Step S140: The intermediate structure is dried and peeled off from the substrate to obtain a self-supporting structure.

基材上に形成された中間構造体を乾燥する方法は特に制限されず、大気雰囲気で乾燥してもよく、オーブン等の乾燥装置を用いて乾燥してもよい。 The method for drying the intermediate structure formed on the substrate is not particularly limited; it may be dried in the air or using a drying device such as an oven.

乾燥した中間構造体を基材から剥がす方法は特に制限されず、基材の材質、中間構造体のサイズ(直径)等を考慮して、公知の手法を採用することができる。 The method for peeling the dried intermediate structure from the substrate is not particularly limited, and any known method can be used, taking into consideration the material of the substrate, the size (diameter) of the intermediate structure, etc.

ステップS150:自己支持性構造体を熱処理し、自己支持性構造体中のグラフェン酸化物を還元する。 Step S150: The self-supporting structure is heat-treated to reduce the graphene oxide in the self-supporting structure.

ステップS140で得られた自己支持性構造体(基材から剥がされた中間構造体)中のグラフェン酸化物を還元する際の、熱処理する条件は特に制限されないが、より短い時間である方が、製造効率および環境への負荷を低減する観点から、好ましい。具体的には、例えば、自己支持性構造体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱し、素早く取り出すことで、自己支持性構造体中のグラフェン酸化物が還元された、目的の熱還元されたグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)を得ることができる。このようにして得られるthermally reduced-GO/TRGO膜は、全体が、グラフェン酸化物の熱還元体、すなわち、グラフェンからなる構造体であり、本発明のグラフェン電極である。 The conditions for the heat treatment used to reduce the graphene oxide in the self-supporting structure (intermediate structure peeled from the substrate) obtained in step S140 are not particularly limited, but a shorter heat treatment time is preferable from the perspectives of production efficiency and reducing environmental impact. Specifically, for example, the self-supporting structure can be heated in a muffle furnace at 300°C to 700°C for less than one minute and then quickly removed, thereby reducing the graphene oxide in the self-supporting structure and obtaining a film (thermally reduced-GO/TRGO film) composed of the desired thermally reduced graphene oxide and thermally reduced graphene oxide. The thermally reduced-GO/TRGO film obtained in this manner is a structure composed entirely of thermally reduced graphene oxide, i.e., graphene, and is the graphene electrode of the present invention.

従来、グラフェン酸化物を熱処理して還元もしくは層剥離することで、短時間のうちに(例えば秒単位で)、グラフェン酸化物中の酸素含有官能基を除去し得ることが知られている。しかしながら、急速な熱処理による還元を行って、直接的に自己支持性のグラフェン膜を作製することは困難である。なぜなら、グラフェン酸化物の膜に対して急速な加熱を行って還元処理すると、膜の構造が破壊される恐れがあるからである。実際に、多くの酸素含有官能基が分解すると、その過程で大量の二酸化炭素ガスが生成され、これが膜の内部に大きな圧力を生じさせることが報告されている。一方で、グラフェン酸化物の膜は、その層間において、酸素含有官能基に由来する水素結合によって非常にコンパクトな構造が形成されているため、上述したような大量のガスが膜内に発生した場合の圧力を膜外に放出することができない。このような問題から、これまでに、製造工程あるいは製造装置を改良することで、フレキシブル性を有するグラフェン電極を作製する試みが種々なされているが、いずれも、電気的特性の面で、あるいは、機械的強度の面で、実用に足り得る材料を得ることは困難であった。 It has been known that oxygen-containing functional groups in graphene oxide can be removed in a short time (e.g., within seconds) by heat-treating the graphene oxide to reduce or delaminate it. However, rapid heat-treating reduction is difficult to directly fabricate a self-supporting graphene film. This is because rapid heating of a graphene oxide film can destroy the film's structure. It has been reported that the decomposition of many oxygen-containing functional groups generates large amounts of carbon dioxide gas, which generates significant pressure inside the film. However, because graphene oxide films form a very compact structure between their layers due to hydrogen bonds resulting from the oxygen-containing functional groups, the pressure generated within the film cannot be released. Due to these issues, various attempts have been made to fabricate flexible graphene electrodes by improving the manufacturing process or equipment. However, none of these attempts have yielded a material that is practically viable in terms of electrical properties or mechanical strength.

これに対して、上述したような本発明のグラフェン電極の製造方法では、グラフェン酸化物を出発原料として見た場合、熱還元処理を2度行うことで、目的のグラフェン電極を製造することができる。具体的に、後述する実施例で示す製造工程では、グラフェン酸化物を出発原料として、2回の熱還元処理の合計時間が2分以内である。 In contrast, in the graphene electrode manufacturing method of the present invention described above, when graphene oxide is used as the starting material, the desired graphene electrode can be manufactured by performing thermal reduction treatment twice. Specifically, in the manufacturing process shown in the examples described below, when graphene oxide is used as the starting material, the total time for two thermal reduction treatments is within two minutes.

また、このようにして得られる本発明のグラフェン電極は、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイス用の電極として求められるフレキシブル性および自己支持性を有し、後述する実施例で説明するように、水系電解液および非水系電解液(イオン液体)の両方で、優れた電気的特性を発揮する。 Furthermore, the graphene electrode of the present invention obtained in this manner has the flexibility and self-supporting properties required for electrodes in electricity storage devices such as electric double layer capacitors and lithium ion batteries, and as will be explained in the examples below, it exhibits excellent electrical properties in both aqueous and non-aqueous electrolytes (ionic liquids).

本発明のグラフェン電極の製造方法では、グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液の混合分散液を用いて作製される中間構造体において、グラフェン酸化物の層間に多孔性の熱還元グラフェン酸化物が導入された構造を有することにより、短時間での熱処理でグラフェン酸化物が確実に還元されると共に、多孔性の熱還元グラフェン酸化物が導入されていることにより、グラフェン酸化物が還元される際に発生するガスおよび圧力を膜外に放出するためのチャンネル(経路)が確保され、構造体の破壊が抑制される。そのような観点から、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合は、質量比で3:1~1:3の範囲であることが好ましく、2.5:1~1:2.5の範囲であることがより好ましく、2:1~1:2の範囲であることがさらに好ましく、1.5:1~1:1.5の範囲であることがよりさらに好ましい。 In the graphene electrode manufacturing method of the present invention, the intermediate structure produced using a mixed dispersion of a graphene oxide dispersion and a thermally reduced graphene oxide dispersion has a structure in which porous thermally reduced graphene oxide is introduced between the graphene oxide layers, ensuring that the graphene oxide is reduced by a short heat treatment. Furthermore, the introduction of porous thermally reduced graphene oxide ensures that channels (pathways) are provided for the release of gas and pressure generated during the reduction of graphene oxide to the outside of the film, thereby preventing damage to the structure. From this perspective, the ratio of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion is preferably in the range of 3:1 to 1:3 by mass, more preferably 2.5:1 to 1:2.5, even more preferably 2:1 to 1:2, and even more preferably 1.5:1 to 1:1.5.

さらに、本発明のグラフェン電極の製造方法では、グラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液の濃度および混合割合(体積比)を種々調整することで、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)を所望の範囲に調整することができ、これにより、蓄電デバイスの所望の用途により適した(最適化された)、フレキシブル性および自己支持性を有するグラフェン電極を簡便に製造することができる。 Furthermore, in the graphene electrode manufacturing method of the present invention, the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion can be adjusted to a desired range by adjusting the concentrations and mixing ratios (volume ratios) of the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion, thereby making it possible to easily manufacture flexible, self-supporting graphene electrodes that are more suitable (optimized) for the desired application of electricity storage devices.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明のグラフェン電極を用いた蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタについて説明する。
図2は、本発明の電気二重層キャパシタを示す模式図である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an electric double layer capacitor will be described as an electricity storage device using the graphene electrode of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the electric double layer capacitor of the present invention.

本発明の電気二重層キャパシタは、少なくとも、電極および電解質を備える。図2の電気二重層キャパシタ200は、電極として正極電極210および負極電極220が電解質230に浸漬している。これら正極電極210および負極電極220は、実施の形態1で説明したグラフェン電極からなる。電解質230は、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)、ホウフッ化1-エチル-3-メチルイミダゾリウム(EMI-BF)および1-メチル-1-プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(MPPp-TFSI)からなる群から選択されるイオン液体またはM’OH(M’はアルカリ金属)である。 The electric double layer capacitor of the present invention includes at least electrodes and an electrolyte. Electric double layer capacitor 200 in FIG. 2 includes electrodes, i.e., a positive electrode 210 and a negative electrode 220, immersed in electrolyte 230. Positive electrode 210 and negative electrode 220 are made of the graphene electrodes described in embodiment 1. Electrolyte 230 is, for example, an ionic liquid selected from the group consisting of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI), 1-ethyl-3-methylimidazolium borofluoride (EMI-BF 4 ), and 1-methyl-1-propylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (MPPp-TFSI), or M'OH (M' is an alkali metal).

電気二重層キャパシタ200は、さらに、正極電極210と負極電極220との間にセパレータ240を有し、これら正極電極210および負極電極220を隔離している。 The electric double layer capacitor 200 further has a separator 240 between the positive electrode 210 and the negative electrode 220, isolating the positive electrode 210 and the negative electrode 220.

セパレータ240の材料は、例えば、フッ素系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、ポリウレタン系高分子およびこれらの誘導体、セルロース、紙、および、不織布から選ばれる材料である。 The material of the separator 240 is selected from, for example, fluorine-based polymers, polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyvinyl alcohol, polymethacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, polyurethane-based polymers and their derivatives, cellulose, paper, and nonwoven fabric.

電気二重層キャパシタ200では、上述の正極電極210、負極電極220、電解質230およびセパレータ240がセル250に収容されている。また、正極電極210および負極電極220は、それぞれ、既存の集電体を有する。 In the electric double layer capacitor 200, the above-mentioned positive electrode 210, negative electrode 220, electrolyte 230, and separator 240 are housed in a cell 250. Furthermore, the positive electrode 210 and negative electrode 220 each have an existing current collector.

このような電気二重層キャパシタ200は、チップ型、コイン型、モールド型、パウチ型、ラミネート型、円筒型、角型等のキャパシタであってもよく、さらに、これらを複数接続したモジュールで使用されてもよい。 Such an electric double layer capacitor 200 may be a chip type, coin type, molded type, pouch type, laminate type, cylindrical type, square type, etc. capacitor, and may also be used in a module in which multiple of these are connected together.

次に、図2の電気二重層キャパシタ200の動作を説明する。 Next, the operation of the electric double layer capacitor 200 in Figure 2 will be explained.

電気二重層キャパシタ200に電圧を印加すると、正極電極210には、電解質230の電解質イオン(アニオン)が、負極電極220には、電解質230の電解質イオン(カチオン)が、それぞれ、吸着する。その結果、正極電極210および負極電極220のそれぞれに電気二重層が形成され、充電される。ここで、正極電極210および負極電極220は、実施の形態1で説明したグラフェン電極から形成され、実質的にグラフェンのみからなる電極であるので、グラフェンによるカチオンおよびアニオンの吸着・拡散が容易となり、高いレート特性を達成できる。また、正極電極210および負極電極220は、実施の形態1で説明したグラフェン電極から形成され、実質的にグラフェンのみからなる電極であるので、グラフェンの表面のみならず内部にて多くの電解質イオンが吸着し、電気二重層が形成される。その結果、グラフェンと電解質イオンとの電子のやりとりが増大し、高いエネルギー密度を達成できる。 When a voltage is applied to the electric double layer capacitor 200, electrolyte ions (anions) of the electrolyte 230 are adsorbed to the positive electrode 210, and electrolyte ions (cations) of the electrolyte 230 are adsorbed to the negative electrode 220. As a result, an electric double layer is formed in each of the positive electrode 210 and the negative electrode 220, and charging occurs. The positive electrode 210 and the negative electrode 220 are formed from the graphene electrode described in embodiment 1 and are electrodes consisting essentially of graphene. This facilitates the adsorption and diffusion of cations and anions by the graphene, achieving high rate characteristics. Furthermore, the positive electrode 210 and the negative electrode 220 are formed from the graphene electrode described in embodiment 1 and are electrodes consisting essentially of graphene. Therefore, many electrolyte ions are adsorbed not only on the surface of the graphene but also inside it, forming an electric double layer. As a result, the exchange of electrons between the graphene and the electrolyte ions is increased, achieving high energy density.

充電した電気二重層キャパシタ200を抵抗等の回路に接続すると、正極電極210および負極電極220にそれぞれ吸着していたアニオンおよびカチオンが脱着し、放電する。ここでもやはり、正極電極210および負極電極220は、実施の形態1で説明したグラフェン電極から形成されるので、電解質イオンの脱着・拡散が容易となり、高いレート特性およびエネルギー密度を達成できる。また、導電性に優れるので、脱着・拡散の容易性に伴い、パワー密度も向上し得る。 When the charged electric double layer capacitor 200 is connected to a circuit such as a resistor, the anions and cations adsorbed to the positive electrode 210 and negative electrode 220, respectively, are desorbed and discharged. Again, the positive electrode 210 and negative electrode 220 are formed from the graphene electrodes described in embodiment 1, which facilitates desorption and diffusion of electrolyte ions, achieving high rate characteristics and energy density. Furthermore, because of their excellent conductivity, the ease of desorption and diffusion can also lead to improved power density.

このように本発明の電気二重層キャパシタ200は、電極におけるグラフェンの特性を十分に発揮できるので、素早い充電を可能にし、高エネルギー密度および高パワー密度を達成できる。また、充放電には電気二重層の形成を利用しているので、繰り返し使用に優れている。本発明の電気二重層キャパシタ200は、風力発電、電気自動車等に利用され得る。 In this way, the electric double layer capacitor 200 of the present invention can fully utilize the properties of graphene in the electrodes, enabling rapid charging and achieving high energy density and high power density. Furthermore, because it utilizes the formation of an electric double layer for charging and discharging, it is highly suitable for repeated use. The electric double layer capacitor 200 of the present invention can be used in wind power generation, electric vehicles, etc.

なお、ここでは電気二重層キャパシタに限定して説明したが、本発明のグラフェン電極を電気二重層キャパシタ以外にも、リチウムイオン電池などの蓄電デバイスにも適用できることは言うまでもない。 Note that while the explanation here has been limited to electric double layer capacitors, it goes without saying that the graphene electrodes of the present invention can also be applied to electricity storage devices such as lithium ion batteries in addition to electric double layer capacitors.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.

[グラフェン電極の作製]
(例1~例5)
グラフェン酸化物(GO)は、改良Hummers法を用いて天然グラファイトから調製した。
[Fabrication of graphene electrodes]
(Examples 1 to 5)
Graphene oxide (GO) was prepared from natural graphite using a modified Hummers method.

グラフェン酸化物を水に分散したグラフェン酸化物水分散液から、分散媒をエタノールに置換し、グラフェン酸化物分散液(0.5mg/mL)を調製した。 Graphene oxide dispersion (0.5 mg/mL) was prepared by replacing the dispersion medium from a graphene oxide aqueous dispersion prepared by dispersing graphene oxide in water with ethanol.

熱還元グラフェン酸化物分散液は、以下のようにして調製した。
まず、グラフェン酸化物水分散液を、凍結乾燥機で2日間凍結乾燥させ、次いで、得られたスポンジ状の(sponge-like)グラフェン酸化物の固体をマッフル炉中500℃で1分以内加熱し、素早く取り出した。このようにして、綿状の(cotton-like)黒色固体として熱還元グラフェン酸化物(TRGO)を得た。
得られた熱還元グラフェン酸化物をエタノールに分散させて熱還元グラフェン酸化物分散液(0.5mg/mL)を調製した。(以上、図1のステップS110)
The thermally reduced graphene oxide dispersion was prepared as follows.
First, the graphene oxide aqueous dispersion was freeze-dried for 2 days in a freeze dryer, and then the resulting sponge-like graphene oxide solid was heated at 500°C for 1 minute or less in a muffle furnace and quickly removed. In this way, thermally reduced graphene oxide (TRGO) was obtained as a cotton-like black solid.
The obtained thermally reduced graphene oxide was dispersed in ethanol to prepare a thermally reduced graphene oxide dispersion (0.5 mg/mL) (this corresponds to step S110 in FIG. 1).

グラフェン酸化物分散液と熱還元グラフェン酸化物分散液の混合割合(体積比)を3:1~1:3に変化させ、超音波ホモジナイザーで混合し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物が質量比で3:1~1:3の割合で分散した混合分散液を調製した(図1のステップS120)。 The mixing ratio (volume ratio) of the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion was changed from 3:1 to 1:3, and they were mixed using an ultrasonic homogenizer to prepare a mixed dispersion in which graphene oxide and thermally reduced graphene oxide were dispersed at a mass ratio of 3:1 to 1:3 (step S120 in Figure 1).

次いで、得られた混合分散液を、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製の濾紙上で真空濾過し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる中間構造体である膜(GO/TRGO膜)を作製した(図1のステップS130)。 The resulting mixed dispersion was then vacuum filtered through polytetrafluoroethylene (PTFE) filter paper to produce a membrane (GO/TRGO membrane), an intermediate structure composed of graphene oxide and thermally reduced graphene oxide (step S130 in Figure 1).

次いで、PTFE濾紙上に形成されたGO/TRGO膜を、オーブンで乾燥し、濾紙から剥がして自己支持性構造体である自立膜を得た(図1のステップS140)。 The GO/TRGO membrane formed on the PTFE filter paper was then dried in an oven and peeled off from the filter paper to obtain a self-supporting membrane (step S140 in Figure 1).

次いで、この自立膜(GO/TRGO膜)をマッフル炉中500℃で1分以内加熱(熱処理)し、素早く取り出した。このようにして、GO/TRGO膜中のグラフェン酸化物を熱還元し、熱還元されたグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)を得た(図1のステップS150)。なお、得られた膜の厚さは、約60μm~約70μmの範囲であった。 Next, this free-standing film (GO/TRGO film) was heated (heat treated) at 500°C for less than 1 minute in a muffle furnace and quickly removed. In this way, the graphene oxide in the GO/TRGO film was thermally reduced, yielding a film consisting of thermally reduced graphene oxide and thermally reduced graphene oxide (thermally reduced-GO/TRGO film) (step S150 in Figure 1). The thickness of the resulting film was in the range of approximately 60 μm to approximately 70 μm.

また、比較のために、グラフェン酸化物分散液(0.5mg/mL)のみをPTFE濾紙上で真空濾過し、グラフェン酸化物のみからなる中間構造体である膜(GO膜)を作製し、このGO膜をオーブンで乾燥し、濾紙から剥がして自己支持性構造体である自立膜を得、上述した熱処理を行って熱還元されたグラフェン酸化物のみからなる膜(thermally reduced-GO膜)を得た。
加えて、熱還元グラフェン酸化物分散液(0.5mg/mL)のみをPTFE濾紙上で真空濾過し、中間構造体である膜を作製し、PTFE濾紙上に形成された膜をオーブンで乾燥し、熱還元グラフェン酸化物のみからなる膜(TRGO膜)を得た。
For comparison, a graphene oxide dispersion (0.5 mg/mL) alone was vacuum filtered through PTFE filter paper to prepare a membrane (GO membrane) as an intermediate structure consisting only of graphene oxide. This GO membrane was dried in an oven and peeled off from the filter paper to obtain a free-standing membrane as a self-supporting structure. The above-mentioned heat treatment was then performed to obtain a membrane consisting only of thermally reduced graphene oxide (thermally reduced-GO membrane).
In addition, only the thermally reduced graphene oxide dispersion (0.5 mg/mL) was vacuum filtered on a PTFE filter paper to prepare a membrane as an intermediate structure, and the membrane formed on the PTFE filter paper was dried in an oven to obtain a membrane consisting only of thermally reduced graphene oxide (TRGO membrane).

以下の表1には、上記混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合(質量比)をまとめて示した。 Table 1 below summarizes the ratio (mass ratio) of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the above mixed dispersion.

なお、以下では、最終生成物である膜と、中間構造体である膜を区別するために、前者は単に「膜」と称し、後者は「膜B」と称する場合がある。例えば、例3の場合、「例3の膜」という場合には、上記熱処理を経て得られた「thermally reduced-GO/TRGO膜」を意味し、「例3の膜B」という場合には、上記熱処理を行う前の「GO/TRGO膜」を意味する。ただし、例5については、他の例との比較のために、便宜上、「例5の膜」もしくは「例5の膜B」と称する場合があるが、膜中のGOの含有量がゼロであり、GOの還元を目的とする熱処理は行っていないため、いずれも「TRGO膜」を意味する点に留意されたい。 In the following, to distinguish between the membrane that is the final product and the membrane that is the intermediate structure, the former will sometimes be referred to simply as "membrane" and the latter as "membrane B." For example, in the case of Example 3, "membrane of Example 3" refers to the "thermally reduced-GO/TRGO membrane" obtained through the heat treatment described above, and "membrane B of Example 3" refers to the "GO/TRGO membrane" before the heat treatment described above. However, for the sake of comparison with other examples, Example 5 may sometimes be referred to as "membrane of Example 5" or "membrane B of Example 5" for convenience. However, please note that both terms refer to the "TRGO membrane" because the GO content in the membrane is zero and no heat treatment aimed at reducing GO was performed.

[微細構造の分析]
図3(a)~(c)は、それぞれ、例1の膜B、例5の膜Bおよび例3の膜Bの表面モルフォロジを、走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子株式会社製JSM-6500F)で観察した結果を示す図である。各図中のスケールバーは、10μmである。
[Microstructure analysis]
3(a) to 3(c) are diagrams showing the results of observing the surface morphology of Membrane B of Example 1, Membrane B of Example 5, and Membrane B of Example 3, respectively, using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6500F manufactured by JEOL Ltd.). The scale bar in each figure is 10 μm.

図3(a)によれば、例1の膜B(GO膜)は、細孔が少なく、表面が密になっていることがわかる。
一方、図3(b)によれば、例5の膜B(TRGO膜)は、フレーク状の構造体がランダムに分布しており、高い多孔性を有することがわかる。
また、図3(c)によれば、例3の膜B(GO/TRGO膜)は、多孔性の表面モルフォロジを示しており、自己支持性を有する電極用の膜としての有用性が示唆された。
FIG. 3( a ) shows that Membrane B (GO membrane) of Example 1 has fewer pores and a dense surface.
On the other hand, FIG. 3(b) shows that the flake-like structures are randomly distributed in Membrane B (TRGO membrane) of Example 5, and that the membrane has high porosity.
Furthermore, as shown in FIG. 3(c), Membrane B (GO/TRGO membrane) of Example 3 exhibited a porous surface morphology, suggesting its usefulness as a membrane for a self-supporting electrode.

なお、図3(a)~(c)のSEM像から各膜の密度を算出した結果、例1の膜Bは0.95g/cm、例5の膜Bは0.05g/cm、例3の膜Bは0.76g/cmであった。 The density of each film was calculated from the SEM images of FIGS. 3(a) to 3(c), and was found to be 0.95 g/cm 3 for Film B in Example 1, 0.05 g/cm 3 for Film B in Example 5, and 0.76 g/cm 3 for Film B in Example 3.

図4(a)~(d)は、それぞれ、例1の膜B、例3の膜Bおよび例3の膜の、X線回折パターン、ラマンスペクトル、XPSによるC1sスペクトル、および、FTIRスペクトルを示す図である。
各図中、「GO film」、「GO/TRGO film」、「reduced-GO/TRGO film」とあるのは、それぞれ、例1の膜B、例3の膜B、例3の膜を意味する。
4(a) to (d) are diagrams showing the X-ray diffraction patterns, Raman spectra, C1s spectra by XPS, and FTIR spectra of Film B of Example 1, Film B of Example 3, and Film B of Example 3, respectively.
In each figure, "GO film,""GO/TRGOfilm," and "reduced-GO/TRGO film" refer to film B of Example 1, film B of Example 3, and film B of Example 3, respectively.

なお、各々の分析に用いた装置および測定条件は以下の通りである。
・X線回折装置(XRD):リガク社製SmartLab、X線源:Cu-Kα線(λ=1.5418Å)、走査範囲:2θ=5~60°
・ラマン分光装置:ナノフォトン社製Raman plus、励起波長:λ=532nm
・X線光電子分光分析装置(XPS):アルバック・ファイ社製PHI Quantera SXM、X線源:Al Kα、分析器:半球型アナライザ(エネルギー値は、284.5eVにおける脂肪族炭素のC1sピークに対して補正した。)
・フーリエ変換赤外分光光度計(FTIR):JASCO社製FT/IR―6100
The instruments and measurement conditions used for each analysis are as follows:
・X-ray diffraction device (XRD): SmartLab manufactured by Rigaku, X-ray source: Cu-Kα ray (λ = 1.5418 Å), scanning range: 2θ = 5 to 60°
Raman spectrometer: Nanophoton Raman Plus, excitation wavelength: λ = 532 nm
X-ray photoelectron spectrometer (XPS): PHI Quantera SXM manufactured by ULVAC-PHI, Inc. X-ray source: Al Kα, analyzer: hemispherical analyzer (energy values were corrected against the C1s peak of aliphatic carbon at 284.5 eV).
Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR): JASCO FT/IR-6100

図4(a)に示すX線回折パターンによれば、例1の膜B(GO膜)では、ブラッグの法則に従って2θ=10.6°を中心に鋭いピーク(グラフェン酸化物の(001)面からの回折ピーク)が見られており、これは、GOシートのスタッキング間隔が0.84nmであることを示している(図4(a)下段)。
例3の膜B(GO/TRGO膜)では、2θ=10°付近のピークは、2θ=11°を頂点としてブロードになっており、これは、GOフレークのスタッキングの規則性が低下していることを示している。一方、2θ=24.8°付近に見られるなだらかなピークは、熱還元グラフェン酸化物の(002)面からの回折ピークと同定され、TRGOシートの存在を示唆している(図4(a)中段)。
これに対して、例3の膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)では、GOの還元によって2θ=10°付近のピークは消失し、2θ=24.3°付近に明確なピークが現れ、これは、熱処理に伴うGOの還元プロセスに起因するグラファイト様のドメインが形成されていること、また、当該プロセスにおけるガスの放出がTRGO膜の不規則性を高めていることを示唆している(図4(a)上段)。
According to the X-ray diffraction pattern shown in Figure 4(a), in Film B (GO film) of Example 1, a sharp peak (diffraction peak from the (001) plane of graphene oxide) was observed at 2θ = 10.6° according to Bragg's law, indicating that the stacking spacing of the GO sheets was 0.84 nm (bottom panel of Figure 4(a)).
In the case of Film B (GO/TRGO film) in Example 3, the peak near 2θ = 10° is broadened with a peak at 2θ = 11°, indicating a decrease in the regularity of the stacking of GO flakes. On the other hand, the gentle peak near 2θ = 24.8° is identified as a diffraction peak from the (002) plane of thermally reduced graphene oxide, suggesting the presence of TRGO sheets (Fig. 4(a) middle).
In contrast, in the film of Example 3 (thermally reduced-GO/TRGO film), the peak near 2θ = 10° disappeared due to the reduction of GO, and a clear peak appeared near 2θ = 24.3°. This suggests that graphite-like domains were formed due to the reduction process of GO during the heat treatment, and that the release of gas during this process increased the disorder of the TRGO film (Figure 4(a) top).

図4(b)に示すラマンスペクトルよれば、例1の膜B(GO膜)、例3の膜B(GO/TRGO膜)、および、例3の膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)はいずれも、1360cm-1付近および1580cm-1付近に、それぞれ、典型的なDバンドおよびGバンドが見られる。 According to the Raman spectra shown in FIG. 4(b), the film B of Example 1 (GO film), the film B of Example 3 (GO/TRGO film), and the film of Example 3 (thermally reduced-GO/TRGO film) all exhibit typical D and G bands at around 1360 cm −1 and 1580 cm −1 , respectively.

ここで、炭素質材料のラマンスペクトルにおけるDバンドから、結晶構造的な欠陥(defect)の有無やsp炭素の規則性(不規則性)に関する情報を得ることができ、I/Iの、ガウスフィッティングによる面積比(Area Ratio)、または、強度比(Central Peak Ratio)から、分析対象の炭素質材料における格子欠陥を評価することできる。 Here, from the D band in the Raman spectrum of the carbonaceous material, information regarding the presence or absence of crystal structural defects and the order (disorder) of sp3 carbon can be obtained, and from the area ratio (Area Ratio) or intensity ratio (Central Peak Ratio) of I D /I G by Gaussian fitting, the lattice defects in the carbonaceous material to be analyzed can be evaluated.

以下の表2に示すように、例3の膜では、熱処理に伴うGOの還元プロセスの過程で、GOの剥離が生じ、COとHOの生成におけるC-OおよびC=Oの切断が起こり、これに起因して、より多くの格子欠陥を有する構造であることがわかる。
なお、表2には、ピークの帰属(Peak Index)およびラマンシフト値(cm-1)も示した。
As shown in Table 2 below, in the film of Example 3, during the GO reduction process accompanying the heat treatment, exfoliation of GO occurs, and cleavage of C—O and C═O occurs in the production of CO 2 and H 2 O, resulting in a structure with more lattice defects.
Table 2 also shows the peak index and Raman shift value (cm −1 ).

上述したプロセスにおける炭素質材料中の酸素含有官能基の変化(evolution)は、XPSによる測定結果(図4(c))から、定量的に評価することができる。
以下の表3は、図4(c)に示すXPSによるC1sスペクトルを用いて算出された、各試料中の炭素含有量(C%)、酸素含有量(O%)および炭素と酸素の比(C/O)をまとめたものである。
The evolution of the oxygen-containing functional groups in the carbonaceous material during the above-described process can be quantitatively evaluated from the measurement results by XPS (FIG. 4(c)).
Table 3 below summarizes the carbon content (C%), oxygen content (O%), and carbon to oxygen ratio (C/O) in each sample, calculated using the XPS C1s spectrum shown in FIG. 4(c).

表3によれば、例1の膜B(GO膜)では、C/Oの値が小さく(C/O=2.4)、これは、グラファイトが完全に酸化されており、その酸素含有量が非常に高いこと(29.3%)に起因している(図4(c)下段参照)。
例3の膜B(GO/TRGO膜)では、TRGOが幾らかの官能基が除去された状態であるので、例1の膜Bと比べて酸素含有量は低く(22.0%)なっている(図4(c)中段参照)。
そして、熱処理を経て得られた例3の膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)では、C/Oの値が有意に増加(C/O=5.8)している(図4(c)上段参照)。
According to Table 3, the C/O value of Film B (GO film) in Example 1 was small (C/O = 2.4), which is due to the completely oxidized graphite and its very high oxygen content (29.3%) (see the bottom panel of Figure 4(c)).
In the film B (GO/TRGO film) of Example 3, the TRGO had some of its functional groups removed, so the oxygen content was lower (22.0%) than in the film B of Example 1 (see the middle panel of Figure 4(c)).
In addition, in the film of Example 3 (thermally reduced-GO/TRGO film) obtained through heat treatment, the C/O value significantly increased (C/O = 5.8) (see the upper part of Figure 4(c)).

このように、図4(c)に示す3つのC1sスペクトルでは、下段、中段および上段の順に、C=Cドメインに対するC=OおよびC-Oの相対強度が明らかに低下していることがわかる。 As such, in the three C1s spectra shown in Figure 4(c), it can be seen that the relative intensities of C=O and C-O to the C=C domains clearly decrease in the order of bottom, middle, and top.

さらに、図4(d)に示すFTIRスペクトルによれば、例1の膜B(GO膜)では、-OH基、C=O基、C=C基およびC-O基の振動に対応する特性吸収が検出され、酸素由来の官能基が多く含まれていることがわかる(図4(d)下段)。
これに対して、例3の膜B(GO/TRGO膜)および例3の膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)では、GOの還元に伴って-OH基の特性吸収が減少しており、特に、例3の膜では、-OH基の特性吸収が顕著に減少している(図4(d)中段および上段)。このことは、本願発明に係る製造方法によってグラフェン電極(膜)を作製することが、当該グラフェン電極の構造的安定性を改善するのに有効であることを示している。
一方、図4(d)に示すFTIRスペクトルにおいては、C=O基(カルボニル結合)の特性吸収が見られることから、熱処理の過程で除去されずに残存している官能基の存在が示唆された。酸素含有官能基は、特に水系電解液中におけるイオンの可逆的な吸着と脱着を容易にし得るが、サイクル性能を損なう可能性がある。
Furthermore, according to the FTIR spectrum shown in FIG. 4(d), characteristic absorptions corresponding to the vibrations of —OH, C═O, C═C, and C—O groups were detected in Film B (GO film) of Example 1, indicating that it contains many oxygen-derived functional groups (lower panel of FIG. 4(d)).
In contrast, in the film B of Example 3 (GO/TRGO film) and the film of Example 3 (thermally reduced-GO/TRGO film), the characteristic absorption of the -OH group decreased with the reduction of GO. In particular, the characteristic absorption of the -OH group decreased significantly in the film of Example 3 (middle and top rows of Figure 4(d)). This indicates that producing a graphene electrode (film) by the production method of the present invention is effective in improving the structural stability of the graphene electrode.
On the other hand, the FTIR spectrum shown in Figure 4(d) shows the characteristic absorption of C=O groups (carbonyl bonds), suggesting the presence of functional groups that were not removed during the heat treatment. Oxygen-containing functional groups can facilitate the reversible adsorption and desorption of ions, especially in aqueous electrolytes, but may impair cycle performance.

図5(a)~(e)は、それぞれ、例1の膜B、例2の膜B、例3の膜B、例4の膜B、および、例5の膜Bの、断面のSEM像である。各図のスケールバーは、図5(a)、(c)、(d)が5μmであり、図5(b)が2μmであり、図5(e)が20μmである。また、各図中の右上の数値は、密度(g/cm)である。 Figures 5(a) to (e) are SEM images of the cross sections of Membrane B of Example 1, Membrane B of Example 2, Membrane B of Example 3, Membrane B of Example 4, and Membrane B of Example 5, respectively. The scale bars in each figure are 5 μm for Figures 5(a), (c), and (d), 2 μm for Figure 5(b), and 20 μm for Figure 5(e). The numbers in the upper right corner of each figure are density (g/cm 3 ).

図5(a)によれば、例1の膜B(GO膜)は、密に積層されたシートで構成されていることがわかる。
これに対して、所定の割合でTRGOを含む例3の膜B、例4の膜Bおよび例5の膜Bでは、TRGOが熱還元の過程で多孔質となっているため、TRGOの含有量が増すにつれて、膜全体としての多孔性が高まっていることがわかる。言い換えると、TRGOの含有量が増すにつれて、膜の密度は低くなり、膜中に存在する細孔が互いに連通することでGOの熱処理の際に発生するガスを膜外に放出するためのチャンネル(経路)として機能し得ると言える。また、膜中のTRGOの含有量が多ければ、相対的にGOの含有量が少ないため、GOの熱処理の際に発生するガスの量も少なくなる。
FIG. 5(a) shows that Membrane B (GO membrane) of Example 1 is composed of densely stacked sheets.
In contrast, in the membranes B of Examples 3, 4, and 5, which contain a predetermined proportion of TRGO, TRGO becomes porous during the thermal reduction process, and as the TRGO content increases, the porosity of the entire membrane increases. In other words, as the TRGO content increases, the density of the membrane decreases, and the pores present in the membrane can be connected to each other and function as channels (pathways) for releasing gas generated during the heat treatment of GO to the outside of the membrane. In addition, if the TRGO content in the membrane is high, the GO content is relatively low, and therefore the amount of gas generated during the heat treatment of GO is also reduced.

上述したGOの熱処理前後の、膜の密度の変化を示したものが、図5(f)である。すなわち、図5(f)は、例1~例5の膜Bと、例1~例5の膜の、密度を比較したグラフである。
なお、図5(f)の横軸に示す数値は、混合分散液中のGOとTRGOの割合(質量比)であり(表1参照)、各例について、左側が熱処理前(Before thermal treatment)の密度であり、右側が熱処理後(After thermal treatment)の密度を示している。矢印は、熱処理前後の密度の変化の度合いを視覚的により分かりやすくするためのものである。
The change in film density before and after the heat treatment of GO is shown in Fig. 5(f), which is a graph comparing the density of Film B of Examples 1 to 5 with that of the films of Examples 1 to 5.
The horizontal axis in Figure 5(f) represents the mass ratio of GO to TRGO in the mixed dispersion (see Table 1). For each example, the left side represents the density before thermal treatment, and the right side represents the density after thermal treatment. The arrows are used to visually indicate the degree of change in density before and after thermal treatment.

図5(f)によれば、例1の膜B(GO膜)は、最も高い密度(約1.0g/cm)を有し、密な(コンパクトな)構造体であることがわかる。
また、例2から例5の順に、膜中のTRGOの含有量が増すにつれて、膜の密度は低下し、例5の膜B(TRGO膜)では、0.1g/cm未満となっている(図5(e)参照)。
ここで、例1の膜(thermally reduced-GO膜)においても、GOの熱処理によって密度の値としては大きく低下しているが、膜の構造が崩れ、自立膜としては機能し得ないものであった。
なお、上述したように、例5の膜B(TRGO膜)は、もともとGOの含有量がゼロであるので、熱処理は行っておらず、図5(f)では、例5の膜の密度は例5の膜Bと同じであるものとして扱っている。ただし、例5の膜、すなわち、例5の膜Bをオーブンで乾燥して得たTRGO膜は、基材(PTFE濾紙)上では膜としての形状を保持できるが、自立膜として利用できるほどの強度は有していない。
FIG. 5(f) shows that Film B (GO film) of Example 1 has the highest density (about 1.0 g/cm 3 ) and is a dense (compact) structure.
Furthermore, as the TRGO content in the film increases from Example 2 to Example 5, the density of the film decreases, and in Film B (TRGO film) of Example 5, the density is less than 0.1 g/ cm3 (see Figure 5(e)).
Here, in the film of Example 1 (thermally reduced-GO film), although the density value was significantly reduced by the heat treatment of GO, the film structure was destroyed and it could not function as a free-standing film.
As described above, since Membrane B (TRGO membrane) of Example 5 originally contained zero GO, it was not heat-treated, and in Fig. 5(f) it is treated as having the same density as Membrane B of Example 5. However, although the membrane of Example 5, i.e., the TRGO membrane obtained by drying Membrane B of Example 5 in an oven, can retain its shape as a membrane on the substrate (PTFE filter paper), it does not have enough strength to be used as a free-standing membrane.

また、図5(f)によれば、本実施例で作製した、GOとTRGOの割合(質量比)を3:1~1:3に変化させた膜の中では、例3の膜が、最も高い密度(約0.5g/cm)を有し、例2の膜が、最も低い密度(約0.05g/cm)を有した。 Furthermore, according to FIG. 5(f), among the films produced in this example in which the ratio (mass ratio) of GO to TRGO was changed from 3:1 to 1:3, the film of Example 3 had the highest density (approximately 0.5 g/cm 3 ), and the film of Example 2 had the lowest density (approximately 0.05 g/cm 3 ).

図6(a)および(b)は、それぞれ、例1~例5の膜Bの、窒素吸脱着等温線、および、細孔分布を示す図である。図6(a)および(b)において、「GO film」、「GO/TRGO=3:1 film」、「GO/TRGO=1:1 film」、「GO/TRGO=1:3 film」、「TRGO film」とあるのは、それぞれ、例1の膜B、例2の膜B、例3の膜B、例4の膜B、例5の膜Bを意味する。また、これらのプロット図形は、それぞれ、四角形、丸形、三角形、菱形、星形である。
図6(c)および(d)は、それぞれ、例1~例5の膜の、窒素吸脱着等温線、および、細孔分布を示す図である。図6(c)および(d)において、「Reduced-GO/TRGO(1:0)film」、「Reduced-GO/TRGO(3:1)film」、「Reduced-GO/TRGO(1:1)film」、「Reduced-GO/TRGO(3:1)film」、「Reduced-GO/TRGO(0:1)film」とあるのは、それぞれ、例1の膜、例2の膜、例3の膜、例4の膜、例5の膜を意味する。また、これらのプロット図形は、それぞれ、四角形、丸形、三角形、菱形、星形である。
6(a) and (b) are diagrams showing the nitrogen adsorption/desorption isotherms and pore distributions of Membrane B of Examples 1 to 5, respectively. In Figures 6(a) and (b), "GO film,""GO/TRGO=3:1film,""GO/TRGO=1:1film,""GO/TRGO=1:3film," and "TRGO film" refer to Membrane B of Example 1, Membrane B of Example 2, Membrane B of Example 3, Membrane B of Example 4, and Membrane B of Example 5, respectively. The plots are square, circle, triangle, diamond, and star, respectively.
6(c) and (d) are graphs showing the nitrogen adsorption/desorption isotherms and pore distributions of the films of Examples 1 to 5, respectively. In FIGS. 6(c) and 6(d), "Reduced-GO/TRGO (1:0) film,""Reduced-GO/TRGO (3:1) film,""Reduced-GO/TRGO (1:1) film,""Reduced-GO/TRGO (3:1) film," and "Reduced-GO/TRGO (0:1) film" refer to the films of Examples 1, 2, 3, 4, and 5, respectively. The plots are square, circle, triangle, diamond, and star, respectively.

また、以下の表4には、例1~例5の膜B、および、例1~例5の膜の、比表面積(m/g)をまとめて示した。 Table 4 below shows the specific surface areas (m 2 /g) of Membrane B of Examples 1 to 5 and the membranes of Examples 1 to 5.

図6(a)、(b)および表4によれば、例1の膜B(GO膜)では、孔径が2nm未満の細孔がいくつか存在し、比表面積は、10m/g未満であった。
このことは、図5(a)のSEM像を参照して上述したように、層間および/または各層の面内の官能基同士が水素結合を形成することで、膜の密度が高くなっていることを反映した結果であると理解することができる。
また、例2~例5の膜Bでは、TRGOの含有量が増すにつれて、比表面積は、357m/gまで増加し、このことからも、GO/TRGO膜における細孔が、GOの熱処理の際に発生するガス、および、膜に加わる圧力を放出するチャンネル(経路)として機能し得ることがわかる。
According to FIGS. 6(a) and (b) and Table 4, in Membrane B (GO membrane) of Example 1, there were some pores with a pore diameter of less than 2 nm, and the specific surface area was less than 10 m 2 /g.
This can be understood as a result of the increased density of the film being caused by the formation of hydrogen bonds between functional groups between layers and/or within the plane of each layer, as described above with reference to the SEM image in FIG. 5( a).
Furthermore, in Membrane B of Examples 2 to 5, the specific surface area increased to 357 m 2 /g as the TRGO content increased, which also indicates that the pores in the GO/TRGO membrane can function as channels (pathways) to release gases generated during the heat treatment of GO and pressure applied to the membrane.

一方、図6(c)、(d)および表4によれば、例1~例5の膜の比表面積は、熱処理前(膜B)と比べて増加し、260~360m/gの範囲となっている。
また、例1~例5の膜における細孔分布は、互いに概ね類似した傾向を示し、平均孔径としては4~5nmの範囲であった。
On the other hand, according to FIGS. 6(c) and 6(d) and Table 4, the specific surface areas of the membranes of Examples 1 to 5 increased compared to before the heat treatment (Membrane B) and were in the range of 260 to 360 m 2 /g.
The pore distributions of the membranes of Examples 1 to 5 showed roughly similar trends, with the average pore diameter falling within the range of 4 to 5 nm.

これらの構造分析の結果を総合的に考えると、GOとTRGOが質量比で1:1の割合で分散した混合分散液を用いて作製した例3の膜が、よりコンパクトな構造体であるので、より電気的特性に優れるグラフェン電極として機能し得ることが期待された。 Considering the results of these structural analyses comprehensively, the film of Example 3, which was produced using a mixed dispersion in which GO and TRGO were dispersed in a mass ratio of 1:1, has a more compact structure and is therefore expected to function as a graphene electrode with superior electrical properties.

ここで、例3の膜を用いて、フレキシブル性および機械的強度の試験を行った。
具体的には、例3の膜から、4cm×0.5cmの略矩形の試験片を切り出し、長手方向の両端部が接触するように湾曲させ、その状態をピンセットで一定時間保持し、試験片の全体の様子の目視観察、および、湾曲部の状態のSEM観察を行った。
結果を図7(a)~(c)に示す。
Here, the membrane of Example 3 was used to carry out tests on flexibility and mechanical strength.
Specifically, a roughly rectangular test piece measuring 4 cm x 0.5 cm was cut out from the film of Example 3, bent so that both ends in the longitudinal direction were in contact, and held in this state with tweezers for a certain period of time. The overall appearance of the test piece was then visually observed, and the state of the bent portion was observed using an SEM.
The results are shown in Figures 7(a) to (c).

図7(a)は、試験片を湾曲させた状態で保持した状態を示す写真であり、図7(b)は、図7(a)の点線で囲んだ部分のSEM像であり、図7(c)は、図7(b)の点線で囲んだ部分を拡大したSEM像である。図7(b)および(c)中のスケールバーは、それぞれ、500μmおよび1μmである。 Figure 7(a) is a photograph showing the test specimen held in a curved state, Figure 7(b) is an SEM image of the area surrounded by the dotted line in Figure 7(a), and Figure 7(c) is an enlarged SEM image of the area surrounded by the dotted line in Figure 7(b). The scale bars in Figures 7(b) and (c) are 500 μm and 1 μm, respectively.

図7(a)によれば、試験片は、滑らかな曲線を有して湾曲した状態を保持していることがわかる。また、目視観察によれば、上記試験による試験片の構造的な損傷や破壊は見られなかった。
図7(b)に示すSEM像によれば、試験片の湾曲によって最も負荷がかかる部分(試験片の略中央部)においても、滑らかなアーチ状を有しており、その曲率半径Rは3mmであった。
さらに、図7(c)に示すSEM像によれば、その微細構造においても、上記試験による試験片の構造的な損傷や破壊が生じていないことがわかる。
7(a) shows that the test specimen maintained its curved state with a smooth curve, and visual observation revealed no structural damage or destruction of the test specimen due to the above test.
According to the SEM image shown in FIG. 7(b), even the portion of the test piece subjected to the greatest load due to the curvature (approximately the center of the test piece) had a smooth arch shape, and the radius of curvature R was 3 mm.
Furthermore, the SEM image shown in FIG. 7(c) reveals that the test specimen did not suffer any structural damage or destruction in its microstructure.

以上の試験結果から、例3の膜は、優れたフレキシブル性および機械的強度を有することがわかった。 The above test results demonstrate that the membrane of Example 3 has excellent flexibility and mechanical strength.

[電気的特性の分析]
次に、作製したグラフェン電極の電気的特性を評価するため、これらを電極に用いた電気二重層キャパシタ(CR2032型コインセル)を作製した。
[Analysis of Electrical Characteristics]
Next, in order to evaluate the electrical properties of the fabricated graphene electrodes, electric double layer capacitors (CR2032 type coin cells) were fabricated using these as electrodes.

具体的には、例3の膜(thermally reduced-GO/TRGO膜)および例5の膜(TRGO膜)を直径15mmの円形にカットし、これを電極とした。次に、ステンレス製のセル内に、セパレータをこれら電極の間に配置し、電解質としてイオン液体(EMI-BF)または水系電解液(硫酸水溶液)を充填し、コインセルを作製した。ここで、セパレータにはガラス繊維を用い、集電体(電流コレクタ)には導電物として炭素が塗布されたアルミ箔(ExopackTM 0.5mil 両面塗布)を用いた。なお、コインセルの組み立ては、Arガスで充填されたグローブボックス内で行った。 Specifically, the membrane of Example 3 (thermally reduced-GO/TRGO membrane) and the membrane of Example 5 (TRGO membrane) were cut into circles with a diameter of 15 mm, which were used as electrodes. Next, a separator was placed between these electrodes in a stainless steel cell, and an ionic liquid (EMI-BF 4 ) or an aqueous electrolyte (aqueous sulfuric acid solution) was filled as the electrolyte to prepare a coin cell. Here, glass fiber was used for the separator, and aluminum foil coated with carbon (Exopack 0.5 mil double-sided coating) was used as the current collector (conductive material). The coin cell was assembled in a glove box filled with Ar gas.

コインセルの電気化学測定を、マルチ-チャンネルポテンショスタットガルバノスタット(Bio-Logic製、VMP-300)を用いて行った。比容量-電圧測定(CV測定)、ガルバノスタット充放電測定を、室温において、0V~3.7Vの電位範囲または0V~1.0Vの電位範囲で行った。また、電気化学インピーダンス測定を行った。 Electrochemical measurements of the coin cells were performed using a multi-channel potentiostat/galvanostat (VMP-300, manufactured by Bio-Logic). Specific capacitance-voltage measurements (CV measurements) and galvanostat charge/discharge measurements were performed at room temperature in the potential range of 0 V to 3.7 V or 0 V to 1.0 V. Electrochemical impedance measurements were also performed.

比容量Cs(F/g)を、式Cs=4I/(mdV/dt)にしたがって算出した。ここで、I(A)は定電流であり、m(g)は2つの電極の合計質量であり、dV/dt(V/s)は、Vmax(放電開始時の電圧)と1/2Vmaxとの間の放電曲線を直線フィッティングによって得られる傾きである。エネルギー密度Ecell(Wh/kg)を、式Ecell=CsV/8にしたがって算出した。 The specific capacitance Cs (F/g) was calculated according to the formula Cs = 4I/(mdV/dt), where I (A) is the constant current, m (g) is the total mass of the two electrodes, and dV/dt (V/s) is the slope obtained by linear fitting of the discharge curve between Vmax (the voltage at the start of discharge) and 1/2Vmax. The energy density Ecell (Wh/kg) was calculated according to the formula Ecell = CsV2 /8.

図8(a)~(d)は、それぞれ、電解質が水系電解液(硫酸水溶液)である場合の、比容量-電圧曲線(CV曲線)、定電流充放電曲線(GCD曲線)、電気化学インピーダンススペクトル(EIS)、および、レート特性を示す図である。図8(a)~(d)において、実線は例3の膜であり、破線は例5の膜である。
ここで、図8(a)に示すCV曲線は、0V~1.0Vの電位範囲において、100mV/sの掃引速度で測定した。
図8(b)に示すGCD曲線は、0.2A/gの電流密度で測定した。
図8(c)に示すEISは、等価回路モデルを用いてフィッティングしたものであり、内側には、横軸の値が0Ω~1.5Ωの範囲を拡大したスペクトルを示した。
図8(d)に示すレート特性は、0.2A/g~5A/gの電流密度範囲において得られた結果である。
8(a) to 8(d) are graphs showing the specific capacitance-voltage curve (CV curve), constant current charge/discharge curve (GCD curve), electrochemical impedance spectrum (EIS), and rate characteristics when the electrolyte is an aqueous electrolyte solution (sulfuric acid aqueous solution). In 8(a) to 8(d), the solid line represents the membrane of Example 3, and the dashed line represents the membrane of Example 5.
The CV curve shown in FIG. 8(a) was measured in the potential range of 0 V to 1.0 V at a sweep rate of 100 mV/s.
The GCD curve shown in FIG. 8(b) was measured at a current density of 0.2 A/g.
The EIS shown in FIG. 8(c) was fitted using an equivalent circuit model, and the spectrum shown inside is an expanded range of values on the horizontal axis from 0 Ω to 1.5 Ω.
The rate characteristics shown in FIG. 8(d) are the results obtained in the current density range of 0.2 A/g to 5 A/g.

図8(a)によれば、例3の膜は、理想的な電気二重層キャパシタを表す矩形のCV曲線を示した。また、例3の膜は、例5の膜よりも、CV曲線の面積が大きく、より大きい静電容量を有することがわかる。実際に、図8(b)のGCD曲線から算出された0.2A/gの電流密度での比容量は185F/gであり、例5の膜での165F/gよりも有意に高かった。 Figure 8(a) shows that the membrane of Example 3 exhibits a rectangular CV curve, representing an ideal electric double layer capacitor. Furthermore, the membrane of Example 3 has a larger CV curve area and a larger capacitance than the membrane of Example 5. In fact, the specific capacitance at a current density of 0.2 A/g calculated from the GCD curve in Figure 8(b) was 185 F/g, significantly higher than the 165 F/g for the membrane of Example 5.

図8(c)によれば、例3の膜は、0.33Ω程度の低い等価抵抗を示した。また、電荷移動抵抗は0.2Ωと小さく、このことは高いレート特性を発揮することに寄与し得る。加えて、例3の膜は、より高い電流密度での充放電測定において、0.5A/gで171F/gの比容量を示し、さらに高い20A/gでも111F/gの比容量を保持していた(データは図示せず)。これらの結果は、例3の膜が、例5の膜と比べてコンパクトな構造体であることに起因するものであると考えられる。さらには、例3の膜は、10000サイクル後も99%を超える静電容量保持率を示し、長寿命性にも優れていることがわかった(データは図示せず)。 Figure 8(c) shows that the membrane of Example 3 exhibited a low equivalent resistance of approximately 0.33 Ω. Furthermore, the charge transfer resistance was small at 0.2 Ω, which may contribute to its high rate performance. Additionally, in charge-discharge measurements at higher current densities, the membrane of Example 3 exhibited a specific capacitance of 171 F/g at 0.5 A/g, and maintained a specific capacitance of 111 F/g even at a higher current density of 20 A/g (data not shown). These results are believed to be due to the membrane of Example 3 having a more compact structure than the membrane of Example 5. Furthermore, the membrane of Example 3 exhibited a capacitance retention rate of over 99% even after 10,000 cycles, demonstrating its excellent longevity (data not shown).

図9(a)~(d)は、それぞれ、電解質がイオン液体(EMI-BF)である場合の、比容量-電圧曲線(CV曲線)、定電流充放電曲線(GCD曲線)、電気化学インピーダンススペクトル(EIS)、および、レート特性を示す図である。図9(a)~(d)において、実線は例3の膜であり、破線は例5の膜である。
ここで、図9(a)に示すCV曲線は、0V~3.7Vの電位範囲において、100mV/sの掃引速度で測定した。
図9(b)に示すGCD曲線は、0.2A/gの電流密度で測定した。
図9(c)に示すEISは、等価回路モデルを用いてフィッティングしたものである。
図9(d)に示すレート特性は、0.2A/g~5A/gの電流密度範囲において得られた結果である。
9(a) to (d) are graphs showing the specific capacitance-voltage curve (CV curve), constant current charge/discharge curve (GCD curve), electrochemical impedance spectrum ( EIS ), and rate characteristics when the electrolyte is an ionic liquid (EMI-BF 4 ). In FIG. 9(a) to (d), the solid line represents the membrane of Example 3, and the dashed line represents the membrane of Example 5.
The CV curve shown in FIG. 9(a) was measured in the potential range of 0 V to 3.7 V at a sweep rate of 100 mV/s.
The GCD curve shown in FIG. 9(b) was measured at a current density of 0.2 A/g.
The EIS shown in FIG. 9(c) was fitted using an equivalent circuit model.
The rate characteristics shown in FIG. 9(d) are the results obtained in the current density range of 0.2 A/g to 5 A/g.

図9(a)によれば、例3の膜は、理想的な電気二重層キャパシタを表す矩形のCV曲線を示した。また、電解質が非水系電解液であり、差動電圧を3.7Vまで広げたことに伴い、エネルギー密度は、0.1A/gの電流密度で92Wh/kgに達した。これは、上述した水系電解液を用いた場合の値(6.4Wh/kg)と比べて10倍を超えており、また、非特許文献1などの、従来のグラフェンを含有する複合材料を用いた電極と比べても、それらに匹敵するもしくは上回る性能であると言える。 Figure 9(a) shows that the membrane of Example 3 exhibits a rectangular CV curve representing an ideal electric double layer capacitor. Furthermore, since the electrolyte is a non-aqueous electrolyte and the differential voltage is extended to 3.7 V, the energy density reaches 92 Wh/kg at a current density of 0.1 A/g. This is more than 10 times the value (6.4 Wh/kg) obtained when the aqueous electrolyte described above is used, and it can be said that the performance is comparable to or even superior to that of electrodes using conventional graphene-containing composite materials, such as those described in Non-Patent Document 1.

図9(c)によれば、例3の膜は、3.2Ωの等価抵抗を示した。図8(c)を参照して説明した値(0.33Ω)と比べると高い値であるが、これは、EMI-BF等のイオン液体は、水系電解液よりも導電率が低いためである。なお、例5の膜では、等価抵抗の値は例3の膜よりも高い、5.1Ωであった。加えて、例3の膜は、10000サイクル後も80%以上の静電容量保持率を示し、実用に耐え得るものであることがわかった(データは図示せず)。 According to FIG. 9(c), the membrane of Example 3 exhibited an equivalent resistance of 3.2 Ω. This is a higher value than the value (0.33 Ω) described with reference to FIG. 8(c), but this is because ionic liquids such as EMI- BF4 have lower conductivity than aqueous electrolytes. The membrane of Example 5 exhibited an equivalent resistance value of 5.1 Ω, which was higher than that of the membrane of Example 3. In addition, the membrane of Example 3 exhibited a capacitance retention rate of 80% or more even after 10,000 cycles, indicating that it is suitable for practical use (data not shown).

なお、実用上、可搬型デバイスにおいては、重量比容量よりも体積比容量の値が重視される場合がある。そこで、例2~例5の膜を用い、上述したのと同様のコインセルを作製し、電気化学測定を行った。その結果、例3の膜が、最も高い体積比容量の値(101F/cm)を示し、エネルギー密度は45Wh/cmであり、レート特性も優れていた(データは図示せず)。これは、例3の膜が、0.5/cmの密度を有し、例2~例5の膜の中では最も大きい値であったことによるものであると考えられる。また、図7を参照して説明したように、例3の膜はフレキシブル性および機械的強度にも優れているため、本実施例で作製した膜の中では、例3の膜が、より優れたグラフェン電極であることが示唆された。さらには、グラフェン電極の製造工程において、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合を調整することで、目的物であるグラフェン電極の電気的特性および機械的特性を最適化することができ、所望の用途により適した、フレキシブル性および自己支持性を有するグラフェン電極が得られることが示唆された。 In practical applications, volumetric capacitance may be more important than gravimetric capacitance in portable devices. Therefore, coin cells similar to those described above were fabricated using the films of Examples 2 to 5, and electrochemical measurements were performed. As a result, the film of Example 3 exhibited the highest volumetric capacitance (101 F/cm 3 ), an energy density of 45 Wh/cm 3 , and excellent rate characteristics (data not shown). This is thought to be due to the fact that the film of Example 3 had a density of 0.5 g /cm 3 , the highest among the films of Examples 2 to 5. Furthermore, as described with reference to FIG. 7 , the film of Example 3 also exhibited excellent flexibility and mechanical strength, suggesting that the film of Example 3 was a superior graphene electrode among the films fabricated in this example. Furthermore, by adjusting the ratio of graphene oxide and thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion during the graphene electrode manufacturing process, the electrical and mechanical properties of the target graphene electrode could be optimized, suggesting that a flexible and self-supporting graphene electrode more suitable for the desired application could be obtained.

本発明のグラフェン電極は、実質的にグラフェンのみからなる、いわゆるバインダーフリーの電極であり、フレキシブル性および自己支持性を有し、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイス用の電極に適用して好適である。本発明のグラフェン電極は、グラフェン酸化物を出発原料として見た場合、熱還元処理を2度行うことで製造することができ、大量生産のためのスケールアップが容易である。本発明のグラフェン電極は、グラフェンが本来有する電気的特性を効果的に発揮することができ、蓄電デバイス用の(特に、電気二重層キャパシタ用の)電極として有利であり、フレキシブル性を有する蓄電システムに対する要求に応える電極としての利用が期待される。 The graphene electrode of the present invention is a so-called binder-free electrode consisting essentially of graphene alone. It is flexible and self-supporting, making it suitable for use as an electrode for power storage devices such as electric double-layer capacitors and lithium-ion batteries. When graphene oxide is used as the starting material, the graphene electrode of the present invention can be produced by performing two thermal reduction treatments, facilitating scale-up for mass production. The graphene electrode of the present invention effectively utilizes the electrical properties inherent to graphene and is advantageous as an electrode for power storage devices (particularly for electric double-layer capacitors), and is expected to be used as an electrode that meets the demand for flexible power storage systems.

200 電気二重層キャパシタ
210 正極電極
220 負極電極
230 電解質
240 セパレータ
250 セル
200 Electric double layer capacitor 210 Positive electrode 220 Negative electrode 230 Electrolyte 240 Separator 250 Cell

Claims (10)

導電材料およびバインダを含まず、実質的にグラフェンのみからなり、密度が0.2/cm~0.7/cmの範囲であり、フレキシブル性および自己支持性を有し、BET法による比表面積が240m /g以上400m /g以下の範囲である、グラフェン電極。 A graphene electrode that does not contain a conductive material or a binder and is essentially made of graphene alone, has a density in the range of 0.2 g /cm 3 to 0.7 g /cm 3 , is flexible and self-supporting, and has a specific surface area measured by a BET method in the range of 240 m 2 /g or more and 400 m 2 /g or less. 細孔の平均孔径が4nm~5nmの範囲である、請求項1に記載のグラフェン電極。 The graphene electrode according to claim 1, wherein the average pore diameter of the pores is in the range of 4 nm to 5 nm . 前記グラフェンは熱還元グラフェン酸化物である、請求項1または2に記載のグラフェン電極。 The graphene electrode described in claim 1 or 2, wherein the graphene is thermally reduced graphene oxide. 厚さが50μm~80μmの範囲である膜状の試験片を用いるフレキシブル性および機械的強度の試験において、試験片の対向する端部が接触するように湾曲させ、その状態を一定時間保持した際に、試験片の全体の様子の目視観察および試験片の略中央部のSEM観察において試験片の構造的な損傷や破壊が見られず、かつ、前記略中央部が所定の曲率半径を有する滑らかなアーチ状を有してなる、請求項1~3のいずれか一項に記載のグラフェン電極。 The graphene electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein, in a flexibility and mechanical strength test using a membrane-shaped test piece having a thickness in the range of 50 μm to 80 μm, the test piece is bent so that the opposing ends are in contact and maintained in this state for a certain period of time. Visual observation of the entire test piece and SEM observation of the approximate center of the test piece reveal no structural damage or destruction of the test piece, and the approximate center has a smooth arch shape with a predetermined radius of curvature. ラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液を調製するステップと、
前記グラフェン酸化物分散液と前記熱還元グラフェン酸化物分散液を混合し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物が分散した混合分散液を調製するステップと、
前記混合分散液を基材上で真空濾過し、グラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物からなる中間構造体を作製するステップと、
前記中間構造体を乾燥し、前記基材から剥がして自己支持性構造体を得るステップと、
前記自己支持性構造体を熱処理し、前記自己支持性構造体中のグラフェン酸化物を還元するステップと
を包含することを特徴とする、グラフェン電極を製造する方法。
preparing a graphene oxide dispersion and a thermally reduced graphene oxide dispersion;
mixing the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion to prepare a mixed dispersion in which graphene oxide and thermally reduced graphene oxide are dispersed;
vacuum filtering the mixed dispersion onto a substrate to produce an intermediate structure comprising graphene oxide and thermally reduced graphene oxide;
drying the intermediate structure and peeling it from the substrate to obtain a self-supporting structure;
and heat- treating the self-supporting structure to reduce graphene oxide in the self-supporting structure.
前記グラフェン酸化物分散液および熱還元グラフェン酸化物分散液を調製するステップは、
所定量のグラフェン酸化物を水に分散したグラフェン酸化物水分散液を凍結乾燥させるステップと、
得られたグラフェン酸化物の固体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱するステップと
をさらに包含する、請求項5に記載の方法。
The steps of preparing the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion include:
freeze-drying a graphene oxide aqueous dispersion in which a predetermined amount of graphene oxide is dispersed in water;
6. The method of claim 5, further comprising heating the obtained graphene oxide solid in a muffle furnace at 300°C to 700°C for 1 minute or less.
前記自己支持性構造体を熱処理するステップは、前記自己支持性構造体をマッフル炉中300℃~700℃で1分以内加熱し、前記自己支持性構造体中のグラフェン酸化物を還元する、請求項5または6に記載の方法。 The method of claim 5 or 6, wherein the step of heat-treating the self-supporting structure comprises heating the self-supporting structure in a muffle furnace at 300°C to 700°C for less than 1 minute to reduce the graphene oxide in the self-supporting structure. 前記混合分散液を調製するステップにおいて、前記グラフェン酸化物分散液と前記熱還元グラフェン酸化物分散液は、混合分散液中のグラフェン酸化物と熱還元グラフェン酸化物の割合が質量比で3:1~1:3の範囲を満たすように混合される、請求項5~7のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 5 to 7, wherein, in the step of preparing the mixed dispersion, the graphene oxide dispersion and the thermally reduced graphene oxide dispersion are mixed so that the ratio of graphene oxide to thermally reduced graphene oxide in the mixed dispersion satisfies a mass ratio range of 3:1 to 1:3. 電極と、電解質とを備えた蓄電デバイスであって、
前記電極は、請求項1~4のいずれか一項に記載のグラフェン電極からなる、蓄電デバイス。
An electricity storage device including an electrode and an electrolyte,
The electrode is an electricity storage device comprising the graphene electrode according to any one of claims 1 to 4.
前記蓄電デバイスは電気二重層キャパシタである、請求項9に記載の蓄電デバイス。 The power storage device according to claim 9, wherein the power storage device is an electric double layer capacitor.
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