JP2008066681A - Electrochemical capacitor and method of manufacturing zinc electrode used in the electrochemical capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水系電解質使用の電気化学キャパシタ及びその亜鉛電極の作製方法に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical capacitor using a water-based electrolyte and a method for producing a zinc electrode thereof.
従来、電気二重層キャパシタ(図及び明細書中ではEDLCと略称する場合あり)は分極性電極とイオン導電体との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄える電気化学的エネルギーデバイスであり、電極/電解液界面での電子の移動を伴わないことが特徴である。また、広い温度範囲で優れた充放電サイクル特性をもつことや、環境に優しい材料を使用していることから、これまでに半導体メモリバックアップ用電源やアクチュエータバックアップ用電源として幅広く用いられてきた。 Conventionally, an electric double layer capacitor (sometimes abbreviated as EDLC in the drawings and specification) is an electrochemical energy device that stores electric charges in an electric double layer formed at the interface between a polarizable electrode and an ionic conductor, It is characterized by no movement of electrons at the electrode / electrolyte interface. In addition, since it has excellent charge / discharge cycle characteristics over a wide temperature range and uses environmentally friendly materials, it has been widely used as a power source for semiconductor memory backup and actuator backup.
EDLCには水系電解液を用いたものと有機系電解液を用いたものの二種類がある。水系電解液としては硫酸水溶液、有機系電解液としてはプロピレンカーボネートのような溶媒に、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートのような電解質を溶解したものが主に用いられる。水系電解液は基本的に誘電率が高く、粘度が低いためにイオン伝導度は有機系電解液に比べて高い。そのため急速充放電に対しては有利な系であるといえる。 There are two types of EDLC: those using aqueous electrolytes and those using organic electrolytes. As the aqueous electrolyte, an aqueous solution of sulfuric acid is used, and as the organic electrolyte, an electrolyte such as tetraethylammonium tetrafluoroborate is dissolved in a solvent such as propylene carbonate. The aqueous electrolyte basically has a high dielectric constant and a low viscosity, so that the ionic conductivity is higher than that of the organic electrolyte. Therefore, it can be said that it is an advantageous system for rapid charge / discharge.
そこで、近年、新しいキャパシタの系として炭素型の電極である活性炭素繊維布と速いファラディックな電子移動過程を伴う電極を組み合わせたハイブリッドキャパシタが提案され、活発に研究が行われている。ハイブリッドキャパシタは、片方の電極が電荷移動過程を伴う大きな擬似容量を持つため、EDLCより大きな静電容量、エネルギー密度、出力密度を有することができる。 Therefore, in recent years, a hybrid capacitor in which an activated carbon fiber cloth, which is a carbon-type electrode, and an electrode with a fast faradic electron transfer process has been proposed as a new capacitor system, and has been actively researched. The hybrid capacitor can have a larger capacitance, energy density, and output density than EDLC because one of the electrodes has a large pseudo capacitance with a charge transfer process.
例えば、集電体と、活性炭を有する分極性電極と、セパレータと、有機系電解液とを具備する電気二重層キャパシタにおいて、前記活性炭を、硫酸水溶液中で標準電極Ag/AgClに対し+1.0V以上+1.4V以下の電圧で酸化した後、−0.3V以上−0.7V以下の電圧で還元した電気二重層キャパシタ用分極性電極(特許文献1を参照)や、電気二重層コンデンサ用炭素材料が、炭素材料に賦活処理を施して製造される黒鉛類似の微結晶炭素を有する電気二重層コンデンサ用炭素材料であって、その微結晶炭素の層間距離が0.365nm〜0.385nmであることを特徴とする方法(特許文献2)、水に可溶でかつ酸性物質又は塩基性物質に対してゲル状を呈する高分子化合物とセパレータと水系電解液とからなるセパレータ複合型のゲル状固体電解質を使用することを特徴とする電気二重層キャパシタ(特許文献3)等が提案されている。 For example, in an electric double layer capacitor comprising a current collector, a polarizable electrode having activated carbon, a separator, and an organic electrolyte, the activated carbon is +1.0 V with respect to the standard electrode Ag / AgCl in a sulfuric acid aqueous solution. Polarizing electrodes for electric double layer capacitors (see Patent Document 1) and carbon for electric double layer capacitors that have been oxidized at a voltage of +1.4 V or less and then reduced at a voltage of -0.3 V or more and -0.7 V or less. The material is a carbon material for electric double layer capacitors having graphite-like microcrystalline carbon produced by subjecting a carbon material to activation treatment, and the interlayer distance of the microcrystalline carbon is 0.365 nm to 0.385 nm. (Patent Document 2), a separator comprising a polymer compound that is soluble in water and gels with an acidic substance or a basic substance, a separator, and an aqueous electrolyte Electric double layer capacitor characterized by using a gel solid electrolyte composite (Patent Document 3) have been proposed.
本発明は、電気化学キャパシタ、即ちハイブリッドキャパシタ(図及び明細書中ではHCと略称する場合あり)において片方の電極が電荷移動過程を伴う大きな擬似容量を持つため、EDLCより大きな静電容量、エネルギー密度、出力密度を有することができるので、その開発として、ニ次電池の電極材料に用いられる亜鉛が一般的に水系電解質への適合性があり、また標準電極電位が標準水素電極に対して−0.76Vと低く、水素過電圧が大きく、高エネルギー密度を有している。そして、資源的に豊富であるため安価であり、軽量で、さらに環境適合性にも優れている材料であることを利用した点にある。 In the present invention, since one electrode of an electrochemical capacitor, that is, a hybrid capacitor (sometimes abbreviated as HC in the figure and specification) has a large pseudocapacitance accompanied by a charge transfer process, the capacitance, energy, and energy of EDLC are larger. As a development, zinc used in secondary battery electrode materials is generally compatible with aqueous electrolytes, and the standard electrode potential is less than the standard hydrogen electrode. It is as low as 0.76 V, has a large hydrogen overvoltage, and has a high energy density. And because it is abundant in resources, it is inexpensive, lightweight, and has excellent environmental compatibility.
本発明の第1の解決手段は、電気化学キャパシタとして活性炭素布電極を正極とし、亜鉛電極を負極とし、電解質として酸化亜鉛を含む水酸化アルカリ水溶液とからなることにある。 The first solution of the present invention is to comprise an activated carbon cloth electrode as a positive electrode as an electrochemical capacitor, a zinc electrode as a negative electrode, and an alkali hydroxide aqueous solution containing zinc oxide as an electrolyte.
前記水酸化アルカリ水溶液が高分子ヒドロゲル電解質中に含有固定されていることである。 The alkali hydroxide aqueous solution is contained and fixed in the polymer hydrogel electrolyte.
前記亜鉛電極は、表面を均一な表面処理した銅箔に亜鉛メッキを施した電極を用いたことにある。 The zinc electrode uses an electrode obtained by galvanizing a copper foil having a uniform surface treatment.
本発明の第2の解決手段は、放電容量を正極規制とした電気化学キャパシタとすることである。 The second solving means of the present invention is to provide an electrochemical capacitor whose discharge capacity is positive electrode regulation.
本発明の活性炭素電極と亜鉛電極を用いたハイブリッドキャパシタは、普通の電気二重層キャパシタの約3倍の静電容量をもち、また、+0.4V〜+1.4Vの広い電圧範囲で安定に作動することに特徴がある。このように、大きなエネルギー密度、出力密度を持つ新たな蓄電デバイスとして期待できる。 The hybrid capacitor using the activated carbon electrode and the zinc electrode of the present invention has a capacitance approximately three times that of an ordinary electric double layer capacitor, and operates stably in a wide voltage range of + 0.4V to + 1.4V. There is a feature in doing. Thus, it can be expected as a new power storage device having a large energy density and output density.
亜鉛電極を使用することに着目し、それがハイブリッドキャパシタの電極として適応するかどうかを実験した。図1は、この実施例に用いた電極作製に関する実施例フローの模型的概略図である。 Focusing on the use of a zinc electrode, we experimented to see if it could be adapted as an electrode for a hybrid capacitor. FIG. 1 is a schematic diagram of an example flow relating to the production of the electrodes used in this example.
図1(a)は、活性炭電極の作製方法であり、活性炭素繊維布1に7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液2を含浸し、布状態の一片にニッケル箔3をスポット溶接により溶接して集電体とした。一方、図1(b)は、亜鉛電極の作製方法を示し、銅(Cu)箔4を基板として四辺形のものを電極とし、細長状態4aはCu集電体とする。次に、前記銅箔を負極とし、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液5中に浸漬し、対極(正極)6にNiOOH/Ni(OH)2を用いて、電流密度30mA cm-2で10分間電析して銅箔に亜鉛を析出させた。このようにして作製した二つ電極を7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液を含浸させたセパレータ7を介して相対峙して支持体8で以って保持して測定セルを形成し(図1(c))、各種試験を実施した。
FIG. 1 (a) shows a method for producing an activated carbon electrode. An activated
図2は、本発明による亜鉛電極の1実施例作製方法概略図であり、四辺形のカーボンペーパーを基板としてこの上辺の一端にリード端子となる長方形のニッケル箔で挟みスポット溶接したものを用意し、電析浴として、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液水溶液、対極にはNiOOH/Ni(OH)2電極電極を用いて、30mA cm-2で10分間、一定の電流で1.5×1.5cmの範囲に亜鉛を電析させた。電析後は、純水にて水洗した後、すぐに用いる。 FIG. 2 is a schematic view of a method for producing one embodiment of a zinc electrode according to the present invention. A quadrilateral carbon paper is used as a substrate, and one end of this upper side is sandwiched between rectangular nickel foils serving as lead terminals and spot-welded is prepared. As an electrodeposition bath, using a 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO aqueous solution and a NiOOH / Ni (OH) 2 electrode electrode as a counter electrode, 10 mA at 30 mA cm −2 for 1.5 minutes at a constant current. Zinc was electrodeposited in the range of 1.5 cm. After electrodeposition, use immediately after washing with pure water.
上記にて作製した亜鉛電極を、7.3M KOH水溶液、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液、7.3M KOH/1.3M ZnO水溶液のそれぞれ20mlに浸し、溶解するまでの電位を測定した。実験装置にはパーソナルコンピューターによって制御された充放電ユニット(北斗電工製,HJ10018M8型)を用いた。 The zinc electrode prepared above was immersed in 20 ml each of a 7.3 M KOH aqueous solution, a 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO aqueous solution, and a 7.3 M KOH / 1.3 M ZnO aqueous solution, and the potential until dissolution was measured. . A charge / discharge unit (Hokuto Denko, HJ10018M8 type) controlled by a personal computer was used as the experimental apparatus.
亜鉛の腐食(溶解)挙動に及ぼす電解液の濃度の影響について実験した結果では、電解液の酸化亜鉛の濃度を変化させた時の亜鉛の腐食挙動を図3の亜鉛電極腐食挙動に示す。 As a result of the experiment on the influence of the concentration of the electrolytic solution on the corrosion (dissolution) behavior of zinc, the corrosion behavior of zinc when the concentration of zinc oxide in the electrolytic solution is changed is shown in the zinc electrode corrosion behavior of FIG.
亜鉛が存在している時は、約−1.37Vを示し、亜鉛の溶解とともに電位は上昇する。亜鉛の電解液への溶解は次のような過程で進行する。
次に、生成した中間生成物が亜鉛錯イオンとなり電解液中へ溶解する(式(3),式(4))。
酸化亜鉛が入っていない電解液と入っている電解液とでは亜鉛が完全に溶解するまでの時間には大きな差が生じた。これは電解液中に酸化亜鉛があらかじめ存在することにより、濃度勾配が緩やかになるため亜鉛の溶解が遅くなるためだと考えられる。また、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液と7.3M KOH/1.3M ZnO水溶液とでは溶解するまでの時間に差はあまり生じていない。即ち、7.3M水酸化アリカリ中のZnOの濃度0.7〜1.3Mでは大差なく、大体同程度であることがわかる。 There was a large difference in the time until the zinc was completely dissolved between the electrolyte containing no zinc oxide and the electrolyte containing it. This is thought to be because the dissolution of zinc slows because the concentration gradient becomes gentle due to the presence of zinc oxide in the electrolyte in advance. Moreover, there is not much difference in the time until dissolution between the 7.3M KOH / 0.7M ZnO aqueous solution and the 7.3M KOH / 1.3M ZnO aqueous solution. That is, it can be seen that the ZnO concentration in the 7.3M ant potassium hydroxide is approximately the same with a large difference between 0.7 and 1.3M.
次に、電解質を固定することについて、高分子ヒドロゲル電解質の利用を考えて、図2における場合で、電析浴を、7.3M KOH/PAAK、7.3M KOH/0.7M ZnO/PAAK、7.3M KOH/1.3M ZnO/PAAK、ヒドロゲル電解質で作製した。PAAKは、架橋型ポリアクリル酸カリウムの略称とする。これに、図2の手順で作製した亜鉛電極をそれぞれの高分子ヒドロゲル中に浸し、5分間真空引きを行って亜鉛と高分子ヒドロゲル電解質を密着させた後、溶解するまでの電位を測定した。 Next, regarding the immobilization of the electrolyte, considering the use of the polymer hydrogel electrolyte, in the case of FIG. 2, the electrodeposition bath was set to 7.3 M KOH / PAAK, 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO / PAAK, Made with 7.3M KOH / 1.3M ZnO / PAAK, hydrogel electrolyte. PAAK is an abbreviation for cross-linked potassium polyacrylate. A zinc electrode produced by the procedure shown in FIG. 2 was immersed in each polymer hydrogel, vacuumed for 5 minutes to bring zinc and polymer hydrogel electrolyte into close contact, and then the potential until dissolution was measured.
高分子ヒドロゲル電解質中での亜鉛の腐食挙動について、酸化亜鉛の濃度が異なる高分子ヒドロゲル電解質中での亜鉛の溶解を図4高分子ヒドロゲル電解質中での亜鉛電極の腐食挙動に示す。電解液の時と同様に酸化亜鉛が入っているものといないものでは亜鉛が完全に溶解するまでの時間に大きな差が生じている。これも電解液のときと同様に亜鉛が電解質中に存在することにより濃度勾配が緩やかになるためであると考えられる。また、完全に溶解するまでの時間は全体的には電解液も高分子ヒドロゲル電解質も同様であることがわかった。 Regarding the corrosion behavior of zinc in the polymer hydrogel electrolyte, the dissolution of zinc in the polymer hydrogel electrolyte having different concentrations of zinc oxide is shown in FIG. 4 showing the corrosion behavior of the zinc electrode in the polymer hydrogel electrolyte. As in the case of the electrolytic solution, there is a large difference in the time until the zinc is completely dissolved between the case where zinc oxide is not contained and the case where zinc oxide is not contained. This is also considered to be because the concentration gradient becomes gentle due to the presence of zinc in the electrolyte as in the case of the electrolytic solution. Moreover, it turned out that the time until complete dissolution is the same for the electrolytic solution and the polymer hydrogel electrolyte as a whole.
(実施例2)
カーボンシート(東レ製 TGP−H−060)、アルミナで研磨し、3分間超音波処理したNi箔(Nilaco製)およびグラッシーカーボン(Nilaco製)を、塩酸で1分間エッチングしたCu箔(Nilaco製)およびCuメッシュ(Nilaco製)を基板とし、図5基板を異にした亜鉛電極の作成概略図に示すように、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液を電析浴に用いて30mA cm-2で10分間、亜鉛を電析させた。
(Example 2)
Carbon foil (TGP-H-060 manufactured by Toray), Ni foil (manufactured by Nilaco) and glassy carbon (manufactured by Nilaco) polished with alumina and sonicated for 3 minutes, and Cu foil (manufactured by Nilaco) etched with hydrochloric acid for 1 minute As shown in the schematic diagram of the preparation of a zinc electrode using Cu mesh (made by Nilaco) as a substrate and FIG. 5 with different substrates, an aqueous solution of 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO was used as an electrodeposition bath, and 30 mA cm −2. For 10 minutes to deposit zinc.
このように作製した亜鉛を、20mlの7.3M KOH/1.3M ZnO水溶液、または、7.3M KOH/0.7M ZnO/PAAKヒドロゲル電解質に浸し、溶解するまでの電位を測定した。図6は、上記作成の亜鉛電極の電解液に対する溶解度及び図7は、高分子ヒドロゲル電解質に対する溶解度を示すものである。 The zinc thus prepared was immersed in 20 ml of a 7.3 M KOH / 1.3 M ZnO aqueous solution or a 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO / PAAK hydrogel electrolyte, and the potential until dissolution was measured. FIG. 6 shows the solubility of the zinc electrode prepared above in the electrolyte solution, and FIG. 7 shows the solubility in the polymer hydrogel electrolyte.
どちらの電解質中においても、亜鉛が完全に溶解するまでの時間は基板の表面形態に依存していることがわかる。即ち、カーボンペーパーやCuメッシュのような表面積が大きく、表面が平坦でない基板上に亜鉛を析出させると溶解速度は大きくなる。しかし、Cu箔やNi箔のように表面が平坦なものではすべて溶解するまでの時間は長くなっている。これは、基板表面が平坦な方が析出の際に亜鉛がより均一に析出することができ、表面積が小さくなることから溶解速度が小さくなるためであると考えられる。 In either electrolyte, it can be seen that the time until zinc is completely dissolved depends on the surface morphology of the substrate. That is, if zinc is deposited on a substrate having a large surface area such as carbon paper or Cu mesh and a non-flat surface, the dissolution rate increases. However, in the case of a flat surface such as Cu foil or Ni foil, the time until dissolution is long. This is considered to be because the flatter substrate surface allows zinc to be deposited more uniformly during the precipitation, and the surface area becomes smaller, resulting in a lower dissolution rate.
また、グラッシーカーボンは表面は平坦であるため比較的溶解しにくい基板であると考えられるが、溶解時に亜鉛が全部溶解し終わる前に基板から剥がれ落ちてしまうため、電解液中では溶解時間は短くなっている。CuとNiでは、Niの方が水素過電圧が小さいにも関わらず、Niの方が溶解するまでの時間は長くなっている。これは表面をアルミナ研磨し、超音波処理を行ったために、Ni表面上に酸化皮膜が形成されたためであると思われる。 Glassy carbon is considered to be a substrate that is relatively difficult to dissolve because its surface is flat, but since it peels off from the substrate before all the zinc is dissolved during dissolution, the dissolution time is short in the electrolyte. It has become. In Cu and Ni, although Ni has a smaller hydrogen overvoltage, the time until Ni dissolves is longer. This seems to be because an oxide film was formed on the Ni surface because the surface was polished with alumina and subjected to ultrasonic treatment.
エメリーペーパーまたはアルミナ研磨・超音波で処理を行ったNiの表面のX線光電子スペクトル(XPS)を図8に示す。アルミナ研磨・超音波で処理を行うことにより、エメリーペーパーで処理を行った時よりも基板自体のNiのピークは小さくなり、またNi酸化物のピークが出現している(図8(a)に示す)。そして、図8(b)では酸素のピークが大きく現れている。したがって、超音波によってNi表面上に酸化皮膜が形成されていることがわかる。 FIG. 8 shows an X-ray photoelectron spectrum (XPS) of Ni surface treated with emery paper or alumina polishing / ultrasonic. By processing with alumina polishing and ultrasonic waves, the Ni peak of the substrate itself becomes smaller than that when processing with emery paper, and the peak of Ni oxide appears (FIG. 8 (a)). Show). In FIG. 8B, a large oxygen peak appears. Therefore, it can be seen that an oxide film is formed on the Ni surface by ultrasonic waves.
また、因みに、エメリーペーパーで研磨したNiおよびアルミナで研磨して超音波処理を行ったNiを用いた時の亜鉛の溶解(腐食)挙動を図9に示す。エメリーペーパーで研磨した時の方が超音波で処理したものより亜鉛がすべて溶解するまでの時間は短くなっている。したがって、ニッケルの場合、超音波処理によって生成した酸化皮膜によって水素過電圧が銅よりも大きくなったため、亜鉛の溶解までの時間が銅に比べて長くなったのではないかと考えられる。 In addition, FIG. 9 shows the dissolution (corrosion) behavior of zinc when using Ni polished with emery paper and Ni subjected to ultrasonic treatment by polishing with alumina. When it is polished with emery paper, the time until all zinc is dissolved is shorter than that processed with ultrasonic waves. Therefore, in the case of nickel, the hydrogen overvoltage is larger than that of copper due to the oxide film generated by ultrasonic treatment, so it is considered that the time until dissolution of zinc is longer than that of copper.
(実施例3)
電気二重層キャパシタ用活性炭素電極の作製については、水系電解液を用いた電気二重層キャパシタの電極はすべて図10活性炭素電極作製方法概略図の手順に従って作製した。1cm×1cmの大きさに切った活性炭素繊維布(株式会社クラレ製)を不純物除去のために、120℃で12時間真空引きを行いながら乾燥させた。乾燥させた活性炭素繊維布を10M KOH水溶液に入れ、真空引きを行うことにより、活性炭素繊維布の細孔内に電解質を含浸させた。
(Example 3)
Regarding the production of the activated carbon electrode for the electric double layer capacitor, all the electrodes of the electric double layer capacitor using the aqueous electrolyte solution were produced according to the procedure shown in FIG. An activated carbon fiber cloth (manufactured by Kuraray Co., Ltd.) cut to a size of 1 cm × 1 cm was dried while evacuating at 120 ° C. for 12 hours to remove impurities. The dried activated carbon fiber cloth was placed in a 10M KOH aqueous solution and evacuated to impregnate the electrolyte in the pores of the activated carbon fiber cloth.
次にカーボンペーストを塗布したニッケル集電体(1cm×1cm:Nilaco製)に電解液を含浸させた活性炭素繊維布を載せ、60℃で1時間加熱することにより貼り付け、電気ニ重層キャパシタ用活性炭素電極を作製した。 Next, an activated carbon fiber cloth impregnated with an electrolytic solution is placed on a nickel current collector (1 cm × 1 cm: manufactured by Nilaco) coated with carbon paste, and is attached by heating at 60 ° C. for 1 hour. An activated carbon electrode was prepared.
(実施例4)
一方、高分子ヒドロゲル電解質を用いた活性炭素電極は、すべて図11高分子ヒドロゲル電解質を含浸した活性炭素電極作製概略図の手順に従って作製した。水溶液系電解液と同様に1cm×1cmの大きさに切った活性炭素維布を不純物除去のために、120℃で12時間真空引きを行いながら乾燥させた。乾燥させた活性炭素繊維布を、10M KOH水溶液に入れ真空引きを行うことにより、活性炭素繊維布の細孔内に電解質を含浸させた。
Example 4
On the other hand, all the activated carbon electrodes using the polymer hydrogel electrolyte were produced according to the procedure of the activated carbon electrode production schematic diagram impregnated with the polymer hydrogel electrolyte in FIG. Similarly to the aqueous electrolyte, the activated carbon cloth cut to a size of 1 cm × 1 cm was dried while evacuating at 120 ° C. for 12 hours to remove impurities. The dried activated carbon fiber cloth was placed in a 10M KOH aqueous solution and evacuated to impregnate the electrolyte in the pores of the activated carbon fiber cloth.
次に電解液を含浸した活性炭素繊維布を50mlの10M KOH中に入れ、架橋型ポリアクリル酸カリウム(PAAK:Aldrich Chemical Company Inc.製)5gを撹拝しながら加えゲル化させた。その後、5分間真空引きを行いゲル内の気泡を除去し、30℃で72時間熟成させた。そして、高分子ヒドロゲルを含浸した活性炭素繊維布を、カーボンペーストを塗布したニッケル集電体に載せ、60℃で1時間加熱することにより貼り付け、電気二重層キャパシタ用活性炭素電極を作製した。 Next, the activated carbon fiber cloth impregnated with the electrolytic solution was placed in 50 ml of 10M KOH, and 5 g of cross-linked potassium polyacrylate (manufactured by PAAK: Aldrich Chemical Company Inc.) was added to the gel while stirring. Thereafter, vacuuming was performed for 5 minutes to remove bubbles in the gel, and aging was performed at 30 ° C. for 72 hours. Then, the activated carbon fiber cloth impregnated with the polymer hydrogel was placed on a nickel current collector coated with a carbon paste and attached by heating at 60 ° C. for 1 hour to produce an activated carbon electrode for an electric double layer capacitor.
(実施例5)
電気二重層キャパシタセルの組み立てについて、高分子ヒドロゲル電解質またはKOH水溶液を含浸させたスルホン化ポリプロピレン製のセパレータ(乾燥厚さ120μm)と活性炭素電極を用いて図1に示すような測定セルを構成した装置としたセパレータに高分子ヒドロゲル電解質を含浸させる場合は、電極作製の際と同様にまずKOH水溶液を真空引きによって含浸させ、架橋型ポリアクリル酸カリウムを加えてゲル化を行い熟成させた。測定には、二極式および三極式のセルを用いた。三極式セルは図12測定セル実験装置に示すようにKOH水溶液をセパレータで介してHg/HgO参照電極を設置した。また、種々の電気化学測定は25℃で行った。
(Example 5)
For the assembly of the electric double layer capacitor cell, a measurement cell as shown in FIG. 1 was constructed using a separator made of sulfonated polypropylene impregnated with a polymer hydrogel electrolyte or a KOH aqueous solution (
ハイブリッドキャパシタ用の活性炭素布電極は、図13他実施例の活性炭素電極作製方法概略図の手順に従って作製した。1cm×1cmの大きさに切った活性炭素繊維布(株式会社クラレ製)を不純物除去のために、120℃で12時間真空引きを行いながら乾燥させた。乾燥させた活性炭素繊維布を7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液に入れ真空引きを行うことにより、活性炭素繊維布の細孔内に電解質を含浸させた。次に、カーボンペーストを塗布したニッケル集電体(1cm×1cm:Nilaco製)に電解液を含浸させた活性炭素繊維布を載せ、60℃で1時間加熱することにより貼り付け、ハイブリッドキャパシタ用活性炭素電極を作製した。 The activated carbon cloth electrode for the hybrid capacitor was produced according to the procedure of the activated carbon electrode production method schematic diagram of FIG. 13 and other examples. An activated carbon fiber cloth (manufactured by Kuraray Co., Ltd.) cut to a size of 1 cm × 1 cm was dried while vacuuming at 120 ° C. for 12 hours to remove impurities. The dried activated carbon fiber cloth was placed in a 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO aqueous solution and evacuated to impregnate the electrolyte in the pores of the activated carbon fiber cloth. Next, an activated carbon fiber cloth impregnated with an electrolytic solution is placed on a nickel current collector (1 cm × 1 cm: manufactured by Nilaco) coated with a carbon paste, and is pasted by heating at 60 ° C. for 1 hour to activate the hybrid capacitor. A carbon electrode was prepared.
ハイブリッドキャパシタ用の亜鉛電極は図14他実施例の亜鉛電極作製方法概略図の手順に従って作製した。塩酸で1分間エッチングした銅箔(1cm×1cm:Nilaco製)を基板として、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液を電析浴に用いて30mA cm-2で10分間亜鉛を電析させた。その後、亜鉛表面を超純水で濯ぎ、乾燥させたものを亜鉛電極として用いた。 The zinc electrode for the hybrid capacitor was produced according to the procedure of the schematic diagram of the zinc electrode production method of FIG. 14 and other examples. Using copper foil (1 cm × 1 cm: manufactured by Nilaco) etched with hydrochloric acid for 1 minute as a substrate, zinc was electrodeposited at 30 mA cm −2 for 10 minutes using a 7.3 M KOH / 0.7 M ZnO aqueous solution as an electrodeposition bath. . Thereafter, the zinc surface was rinsed with ultrapure water and dried to use as a zinc electrode.
(特性試験)
活性炭素電極と亜鉛電極を用いたハイブリッドキャパシタについて、電気化学キャパシタの正極と負極の静電容量とセルの静電容量の間には式(6)のような関係がある。
Regarding the hybrid capacitor using the activated carbon electrode and the zinc electrode, the relationship between the electrostatic capacitance of the positive electrode and the negative electrode of the electrochemical capacitor and the electrostatic capacitance of the cell is as shown in Equation (6).
亜鉛と活性炭素繊維布を組み合わせた本発明によるハイブリッドキャパシタが安定に作動する電圧範囲を決定するため、充放電試験を行った。図15にハイブリッドキャパシタの充放電曲線を示す。図15(a)より、ハイブリッドキャパシタは、上限電圧が+1.4Vと、EDLC(−0.9V)に比べて約1.5倍であり、+0.4V〜+1.4Vの電圧範囲で安定に作動することがわかった。EDLCの作動電圧範囲は0V〜−0.9Vで電圧差が0.9Vであったのに対して、ハイブリッドキャパシタの電圧差は1.0Vとなっている。ハイブリッドキャパシタは電気二重層キャパシタより大きな電圧範囲で安定に作動することがわかった。これは亜鉛の水素過電圧が大きいために高い電圧においても水の電気分解がほとんど起こらず、キャパシタとして安定に作動しているためであると考えられる。また、式(6)を用いて図15の放電曲線から算出した静電容量は1.9Fであり、電気二重層キャパシタの約3倍になっている。 In order to determine the voltage range in which the hybrid capacitor according to the present invention combining zinc and activated carbon fiber cloth operates stably, a charge / discharge test was conducted. FIG. 15 shows a charge / discharge curve of the hybrid capacitor. From FIG. 15A, the hybrid capacitor has an upper limit voltage of +1.4 V, which is about 1.5 times that of EDLC (−0.9 V), and is stable in a voltage range of +0.4 V to +1.4 V. I found it to work. The operating voltage range of the EDLC is 0V to -0.9V and the voltage difference is 0.9V, whereas the voltage difference of the hybrid capacitor is 1.0V. It was found that the hybrid capacitor operates stably over a larger voltage range than the electric double layer capacitor. This is considered to be because the electrolysis of water hardly occurs even at a high voltage because the hydrogen overvoltage of zinc is large, and the capacitor operates stably. Further, the electrostatic capacity calculated from the discharge curve of FIG. 15 using Equation (6) is 1.9 F, which is about three times that of the electric double layer capacitor.
また、図15(b)より、充放電における正極と負極の挙動を見ると負極の電位変化はほとんどないことから、ほぼ正極規制になっていることがわかる。従って、活性炭素電極の静電容量がハイブリッドキャパシタの静電容量を大きく支配していることがわかる。 Further, from FIG. 15B, it can be seen that when the behavior of the positive electrode and the negative electrode during charging / discharging is observed, there is almost no change in potential of the negative electrode, so that the positive electrode is almost regulated. Therefore, it can be seen that the capacitance of the activated carbon electrode largely dominates the capacitance of the hybrid capacitor.
本発明によるハイブリッドキャパシタの高率放電試験の結果を図16に示す。
EDLCの場合は40mA cm-2以上の電流密度になるとIRドロップが生じはじめ、電流密度が大きくなるにつれてIRドロップも大きくなり、100mA cm-2の時、約+0.2Vになった。ハイブリッドキャパシタの場合も40mA cm-2以上の電流密度になると、IRドロップが生じはじめているが、電流密度が大きくなってもIRドロップの大きさはあまり変化しておらず、またIRドロップの大きさも電気二重層キャパシタと比較して小さくなっている。
The result of the high rate discharge test of the hybrid capacitor according to the present invention is shown in FIG.
In the case of EDLC, IR drop starts to occur when the current density is 40 mA cm −2 or more, and the IR drop increases as the current density increases, and becomes about +0.2 V at 100 mA cm −2 . In the case of a hybrid capacitor, when the current density is 40 mA cm −2 or more, IR drop starts to occur, but the size of IR drop does not change much even when the current density increases, and the size of IR drop also increases. It is smaller than the electric double layer capacitor.
各電流密度での放電容量を図17ハイブリッドキャパシタの静電容量曲線図に示す。
本発明によるハイブリッドキャパシタ(●で表示)は100mA cm-2までの静電容量の減少は比較的小さく、静電容量が低下し始める100mA cm-2以上でも、電気ニ重層キャパシタ(○で表示)より大きな静電容量を有している。
The discharge capacity at each current density is shown in the capacitance curve diagram of FIG. 17 hybrid capacitor.
Hybrid capacitor according to the present invention (indicated by ●) decrease in capacitance of up to 100 mA cm -2 is relatively small, even at 100 mA cm -2 or more electrostatic capacitance starts to decrease, electric double layer capacitor (indicated by ○) It has a larger capacitance.
図18には高率放電率(HRD)を示す。ハイブリッドキャパシタ(●で表示)のHRDは100mA cm-2までは電気二重層キャパシタ(○で表示)とほぽ同じになっている。 FIG. 18 shows the high rate discharge rate (HRD). The HRD of the hybrid capacitor (indicated by ●) is almost the same as that of the electric double layer capacitor (indicated by ○) up to 100 mA cm −2 .
エネルギー密度と出力密度について、図16の放電曲線から式(7)および(8)を用いてハイブリッドキャパシタのエネルギー密度と出力密度を算出し、そのRagoneプロットを図19に示す。
V:電圧差(V)、P:出力密度(Wg-1)、Δt:放電時間(h)である。
Regarding the energy density and the power density, the energy density and the power density of the hybrid capacitor are calculated from the discharge curve of FIG. 16 using the equations (7) and (8), and the Ragone plot is shown in FIG.
V: voltage difference (V), P: power density (Wg −1 ), Δt: discharge time (h).
Ragoneプロットは一般的に、エネルギー密度がより大きくかつそのエネルギー密度が高出カ密度になってもあまり低下しないものほど優れているといえる。Ragoneプロットより、ハイブリッドキャパシタのエネルギー密度は、電気二重層キャパシタの約5倍と大きな値になっている。これはハイブリッドキャパシタの作動電圧範囲、上限電圧および静電容量が電気二重層キャパシタより大きいためである。また、高率放電特性が優れているため高出力密度になっても、エネルギー密度の低下は小さく、非常に優れた出力特性を有している。 In general, the Ragone plot is more excellent as it has a higher energy density and does not decrease much even when the energy density becomes a high output density. From the Ragone plot, the energy density of the hybrid capacitor is about five times as large as that of the electric double layer capacitor. This is because the operating voltage range, upper limit voltage and capacitance of the hybrid capacitor are larger than those of the electric double layer capacitor. In addition, since the high rate discharge characteristics are excellent, even when the output density is high, the decrease in energy density is small and the output characteristics are very excellent.
ハイブリッドキャパシタを上限電圧に保持した時に流れる電流の経時変化を測定した結果を図20に示す。 FIG. 20 shows the results of measuring the change over time of the current that flows when the hybrid capacitor is held at the upper limit voltage.
電気二重層キャパシタに比べて全体的にハイブリッドキャパシタのリーク電流は大きくなっている(図20(a)は、リークの初期状態変化(秒単位)を示し、図20(b)は、時間単位の変化を示す)。また、溶出の少ない初期には、リーク電流に振動は見られないが、溶出が進行してくる1〜2時間後では、リーク電流に振動が生じている。これは、負極の亜鉛の電解液への溶出に起因するものと考えられる。 The overall leakage current of the hybrid capacitor is larger than that of the electric double layer capacitor (FIG. 20 (a) shows the initial state change (seconds) of leakage, and FIG. 20 (b) shows the time unit. Showing change). Further, at the initial stage of little elution, no vibration is observed in the leakage current, but the leakage current is oscillated 1-2 hours after elution proceeds. This is considered due to the elution of zinc in the negative electrode into the electrolyte.
KOH水溶液(実線表示)と高分子ヒドロゲル電解質(点線表示)を用いたもので夫々にキャパシタを形成し、それぞれについて充電後、開回路にしたときのセル電圧の経時変化を図21高分子ヒドロゲル電解質とKOH水溶液使用の場合のELDCの電極での自己放電曲線図に示す。 FIG. 21 shows changes in cell voltage over time when capacitors are formed using a KOH aqueous solution (shown by a solid line) and a polymer hydrogel electrolyte (shown by a dotted line), and each is charged and opened to open circuit. And self-discharge curve at ELDC electrode when using KOH aqueous solution.
これから、高分子ヒドロゲルを用いている方(実線)は自己放電が抑制されていることがわかる。図22において、測定中の正極と負極の電位変化を示し、図22(a)は高分子ヒドロゲル電解質使用の場合を示し、図22(b)は、KOH水溶液の場合を示し、KOH水溶液も高分子ヒドロゲル電解質も正極は初期に電圧が低下し、その後はあまり変動していない。 From this, it can be seen that the self-discharge is suppressed in the direction using the polymer hydrogel (solid line). 22 shows the potential change between the positive electrode and the negative electrode during measurement, FIG. 22 (a) shows the case of using the polymer hydrogel electrolyte, FIG. 22 (b) shows the case of the KOH aqueous solution, and the KOH aqueous solution is also high. In the molecular hydrogel electrolyte, the voltage of the positive electrode decreases at the initial stage and does not change much thereafter.
一方、負極とした亜鉛電極は、比較的一定の割合で電圧が上昇している。このことから、負電荷を持つ水酸化物イオンなどは電極表面から離れにくく、一方カリウムイオンなどの正電荷をもつものは離れやすいことがわかる。そして、KOH水溶液に比べて高分子ヒドロゲル電解質の方がイオンが離れにくくなっていると考えられる。 On the other hand, the voltage of the zinc electrode used as the negative electrode rises at a relatively constant rate. From this, it is understood that hydroxide ions having negative charges are difficult to leave from the electrode surface, while those having positive charges such as potassium ions are easily separated. It is considered that the polymer hydrogel electrolyte is less likely to leave ions than the KOH aqueous solution.
次に、本発明によるハイブリッドキャパシタのうち、亜鉛電極KOH系で比較すると、充電後の開回路にしたときのセル電圧の経時変化を図23充電後開回路での電圧経時変化図(図23(a)はセル電圧の変化であり、図23(b)は個々の電極の電位変化)を示すと、普通の電気二重層キャパシタに比べて時間は大幅に長くなっている。 Next, in the hybrid capacitor according to the present invention, when compared with the zinc electrode KOH system, the time-dependent change of the cell voltage when the circuit is opened after charging is shown in FIG. a) is a change in cell voltage, and FIG. 23B shows a change in potential of each electrode). The time is significantly longer than that of a normal electric double layer capacitor.
また、普通の電気二重層キャパシタの場合(図21および図22)は、ほぼ一定の割合で電圧が低下していたのに対して、ハイブリッドキャパシタの場合は、初期に少し低下するもののしばらく一定であり、その後急激に低下している。亜鉛電極における急激な電圧の低下は亜鉛の溶解を表しているものと考えられる。したがって、リーク電流と同様に電圧保持特性にも亜鉛の溶解が大きく影響していると考えられる。 In the case of an ordinary electric double layer capacitor (FIGS. 21 and 22), the voltage has decreased at a substantially constant rate, whereas in the case of a hybrid capacitor, it has decreased for a while, but has remained constant for a while. Yes, after that it has dropped sharply. It is thought that the rapid voltage drop at the zinc electrode represents the dissolution of zinc. Therefore, it is considered that the dissolution of zinc greatly affects the voltage holding characteristics as well as the leakage current.
ハイブリッドキャパシタのサイクル安定性を評価するために充放電サイクルを繰り返した。その結果を図24に示す。 The charge / discharge cycle was repeated to evaluate the cycle stability of the hybrid capacitor. The result is shown in FIG.
100サイクル目までは比較的静電容量は一定であるが、100サイクルを超えると少しずつ低下している。これは時間の経過とともに亜鉛が電解液中へ溶解し、活物質の量が少なくなるためであると考えられる。したがって、亜鉛の溶出を抑制することができればサイクル特性が改善することにつながる。 The capacitance is relatively constant until the 100th cycle, but gradually decreases after the 100th cycle. This is presumably because zinc dissolves into the electrolyte solution over time and the amount of active material decreases. Therefore, cycle characteristics can be improved if elution of zinc can be suppressed.
ハイブリッドキャパシタの界面の抵抗を交流インピーダンス法によって評価した。そのときのNyquistプロットを図25に示す。 The resistance of the hybrid capacitor interface was evaluated by the AC impedance method. The Nyquist plot at that time is shown in FIG.
KOH水溶液を用いた普通の電気二重層キャパシタよりも抵抗値は大きくなっている。これは、ハイブリッドキャパシタが片方の電極にファラディックな電荷蓄積過程を含むものを用いているためであると考えられる。 The resistance value is larger than that of an ordinary electric double layer capacitor using a KOH aqueous solution. This is presumably because the hybrid capacitor uses one that includes a faradic charge accumulation process on one electrode.
高率放電曲線におけるIRドロップから算出した抵抗値を図26に示す。この結果では抵抗値は、20〜120mA cm-2で平均約1.3Ωとなっており、KOH水溶液を用いた普通の電気二重層キャパシタの抵抗値とほぼ一致した。 The resistance value calculated from the IR drop in the high rate discharge curve is shown in FIG. In this result, the resistance value was 20 to 120 mA cm −2 and averaged about 1.3Ω, which almost coincided with the resistance value of a normal electric double layer capacitor using a KOH aqueous solution.
図15よりハイブリッドキャパシタは正極規制になっていることがわかった。そのため、活性炭素繊維布の作動電位範囲が広がればハイブリッドキャパシタとしての作動電圧範囲もより広がることが予想される。そこで、活性炭素繊維布の作動電位範囲を広げてハイブリッドキャパシタに使用することを検討した。 From FIG. 15, it was found that the hybrid capacitor is subject to positive electrode regulation. Therefore, if the operating potential range of the activated carbon fiber cloth is widened, it is expected that the operating voltage range as a hybrid capacitor is further expanded. Therefore, we investigated the use of the activated carbon fiber cloth for hybrid capacitors with an expanded operating potential range.
図27にサイクリックボルタンメトリーを行った後の活性炭素繊維布のサイクリックボルタモグラムを示す。400サイクル後(点線表示)には+0.2V付近の活性炭素繊維布の酸化ピークの立ち上がりが、正電位側にシフトしている。これは、サイクルを重ねることにより活性炭素繊維布の酸化が終わりに近づいているためである。そのため、活性炭素繊維布の作動電圧範囲は少し拡大されたと思われる。 FIG. 27 shows a cyclic voltammogram of the activated carbon fiber cloth after performing cyclic voltammetry. After 400 cycles (indicated by a dotted line), the rising of the oxidation peak of the activated carbon fiber cloth near +0.2 V is shifted to the positive potential side. This is because the oxidation of the activated carbon fiber cloth is approaching the end by repeated cycles. Therefore, it seems that the operating voltage range of the activated carbon fiber cloth is slightly expanded.
次に、この400サイクル後の活性炭素繊維布を用いたハイブリッドキャパシタの充放電試験の結果を図28(図28(a)はセル電圧で、点線は放電電圧曲線、実線は充電電圧曲線を示す。また、図28(b)は個々の電極電位を示している。)に示す。電位範囲は+0.3V〜+1.6Vとなり、以前と比較するとその電圧差は0.3V広がったことになる。しかし、充電過程において+1.5V付近から時間がかかっており、左右対称である典型的な普通のキャパシタの充放電曲線とは少し異なってしまっている。 Next, FIG. 28 shows the results of the charge / discharge test of the hybrid capacitor using the activated carbon fiber cloth after 400 cycles (FIG. 28 (a) is the cell voltage, the dotted line is the discharge voltage curve, and the solid line is the charge voltage curve). 28 (b) shows individual electrode potentials.) The potential range is +0.3 V to +1.6 V, and the voltage difference is expanded by 0.3 V compared to the previous case. However, it takes time from around +1.5 V in the charging process, which is slightly different from a typical ordinary capacitor charge / discharge curve which is symmetrical.
また、式(9)より求めたクーロン効率は約80%であり、不可逆な反応によるものであることが分かり、活性炭素繊維布の酸化が完全には終了していないことが一因として考えられる。
Qc:充電電気量(mA s cm-2)である。
Moreover, the Coulomb efficiency calculated | required from Formula (9) is about 80%, and it turns out that it is based on an irreversible reaction, and it is thought that the oxidation of activated carbon fiber cloth is not complete | finished completely. .
Qc: Charged electricity (mA s cm −2 ).
次に、水系電解液について、上記実施例に用いたKOHに変えて、NaOHを使用して実施した。 Next, the aqueous electrolyte solution was replaced with KOH used in the above examples, and was used with NaOH.
(実施例6)
7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液を活性炭素繊維布に含浸させて活性炭素電極を作製した。次に7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液を電析浴に用いて電析を行い(30mA cm-2の電流を10分間)、銅基板上に亜鉛を析出させて亜鉛電極を作製した。このように作製したハイブリッドキャパシタ(HC)を用いて、各種の特性試験を実施した。比較電極は上記実施例に用いたKOH水溶液で処理したもので、他の条件は同じにして作製したものである。
(Example 6)
An activated carbon fiber cloth was impregnated with a 7.3M NaOH / 0.7M ZnO aqueous solution to produce an activated carbon electrode. Next, electrodeposition was performed using a 7.3 M NaOH / 0.7 M ZnO aqueous solution as an electrodeposition bath (current of 30 mA cm −2 for 10 minutes), and zinc was deposited on a copper substrate to prepare a zinc electrode. Various characteristics tests were performed using the hybrid capacitor (HC) manufactured in this way. The comparative electrode was treated with the KOH aqueous solution used in the above example, and the other conditions were the same.
(イ)亜鉛電極のインピーダンスの測定
インピーダンスの測定は、二極式セルで0.01〜20kHzの周波数領域で±5mVの印加電圧を加えて、そのときの応答インピーダンスを測定した。その結果を図29に示すように、NaOH水溶液(●表示)を用いた方が、KOH(○表示)よりも抵抗は小さくなっていることが分かる。
(I) Measurement of impedance of zinc electrode The impedance was measured by applying an applied voltage of ± 5 mV in a frequency range of 0.01 to 20 kHz in a bipolar cell and measuring the response impedance at that time. As shown in FIG. 29, the results show that the use of an aqueous NaOH solution (indicated by ●) has a smaller resistance than that of KOH (indicated by ○).
(ロ)リーク電流
HCキャパシタに電圧を+1.4Vに保持したときに流れる電流を計測すると、図30(a)に示すKOHの場合と、図30(b)に示すNaOHの場合とは、ほとんどリーク電流は変わらないが、NaOHの場合の方が振動が少ないことが分かる。
(B) Leakage current When the current flowing when the voltage is held at +1.4 V in the HC capacitor is measured, the case of KOH shown in FIG. 30A and the case of NaOH shown in FIG. Although the leak current does not change, it can be seen that there is less vibration in the case of NaOH.
(ハ)エネルギー密度
Ragoneプロット図31に示すように、NaOH(●表示)とKOH(○表示)とでは、エネルギー密度に関してはほとんど変わらず、NaOHの方が若干低下が緩やかである。
(C) Energy Density Ragone plot As shown in FIG. 31, there is almost no change in the energy density between NaOH (indicated by ●) and KOH (indicated by ○), and the decrease in NaOH is slightly slower.
(ニ)電圧保持特性
+1.4Vに充電し、開回路にしたときの電圧経時変化を測定した結果は、図32に示す通り、NaOH(実線表示)はKOH(点線表示)よりも約2倍以上の電圧特性を示した。
(D) Voltage holding characteristics As shown in FIG. 32, the result of measuring the voltage change with time when the battery is charged to +1.4 V and opened is approximately twice as long as NaOH (solid line display) than KOH (dotted line display). The above voltage characteristics were shown.
(ホ)充放電試験
1mA cm-2で充放電特性試験を行った。作動電圧範囲は、+0.4V〜+1.4Vで実施した。図33に示すように、NaOH(実線表示)の場合は、静電容量は1.3Fとなり、KOH(点線表示)の場合よりも減少したが、同じような特性曲線になり、特に大きな変化ではなかった。
(E) Charge / Discharge Test A charge / discharge characteristic test was conducted at 1 mA cm −2 . The operating voltage range was + 0.4V to + 1.4V. As shown in FIG. 33, in the case of NaOH (displayed with a solid line), the capacitance was 1.3 F, which was smaller than that in the case of KOH (displayed with a dotted line). There wasn't.
(ヘ)高率放電試験
1mA cm-2充電後、放電電流密度を変えて、静電容量を図34(a)に、放電効率図34(b)に、KOHとの比較として示した。全体的には静電容量はKOH(●表示)よりも小さいが、NaOH(○表示)は大電流でも静電容量の低下がないことの特性が大きく、高率放電能はKOHの場合とほとんど同じである。
(F) High rate discharge test After charging 1 mA cm -2 , the discharge current density was changed, and the capacitance was shown in Fig. 34 (a) and the discharge efficiency in Fig. 34 (b) as a comparison with KOH. Overall, the capacitance is smaller than KOH (indicated by ●), but NaOH (indicated by ○) has a large characteristic that there is no decrease in capacitance even at a large current, and the high rate discharge capacity is almost the same as that of KOH. The same.
(ト)サイクル特性試験
5mA cm―2で充放電し、サイクル特性を評価したところ、図35に示すように、NaOH(○表示)は、KOH(●表示)に比べて約3倍のサイクル特性があった。
(G) Cycle characteristic test When charging / discharging at 5 mA cm- 2 and evaluating the cycle characteristic, as shown in FIG. 35, NaOH (circled) is approximately three times the cycle characteristic compared to KOH (circled). was there.
このような特性は、NaOH使用による電極作製において、亜鉛電極の亜鉛の溶解の抑制による効果と考えられる。しかし、KOH使用の場合でもハイブリッドキャパシタとして、十分に使用できるものである。 Such a characteristic is considered to be an effect by suppressing the dissolution of zinc in the zinc electrode in the electrode preparation using NaOH. However, even when KOH is used, it can be sufficiently used as a hybrid capacitor.
次に亜鉛電極を電析方法で作製する場合の電流密度について、着目して試験を実施した。その結果を次に述べる。 Next, a test was conducted focusing on the current density when the zinc electrode was produced by the electrodeposition method. The result is described next.
試験用ハイブリッドキャパシタは、実施例6と同じように電極作製する方法で作製し、即ち、7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液を用いて、電流密度30mA cm-2,10分電析(試験電極A)と、15mA cm―2,20分電析(試験電極B)の場合で比較した。亜鉛の析出状態にも着目した。 The test hybrid capacitor was prepared by the same method as in Example 6, ie, using a 7.3 M NaOH / 0.7 M ZnO aqueous solution, and a current density of 30 mA cm −2 , 10 minutes electrodeposition (test A comparison was made between the electrode A) and the case of 15 mA cm- 2 , 20 minute electrodeposition (test electrode B). We also focused on the state of zinc deposition.
(イ)インピーダンス特性試験
上記と同じように、0.01〜20kHzで±5mVの印加電圧で実施した結果を図36で示す。試験電極A(○表示)は抵抗が小さく、試験電極B(●表示)の方が抵抗の大きいことを表している。
(A) Impedance characteristic test The result implemented by the applied voltage of +/- 5mV at 0.01-20kHz like the above is shown in FIG. The test electrode A (indicated by a circle) has a smaller resistance, and the test electrode B (indicated by a black circle) has a larger resistance.
(ロ)電圧保持特性試験
試験電極をハイブリッドキャパシタにして、1mA cm-2で充電し、+1.4Vまで充電した後、休止し、電圧の経時変化を測定した。その結果は図37に示す。電圧保持特性試験では、試験電極A(実線表示)と試験電極B(点線表示)にほとんど差はなく、電圧保持特性は良好である。
(B) Voltage holding characteristic test A test electrode was used as a hybrid capacitor, charged at 1 mA cm -2 , charged to +1.4 V, paused, and a change in voltage with time was measured. The result is shown in FIG. In the voltage holding characteristic test, there is almost no difference between the test electrode A (solid line display) and the test electrode B (dotted line display), and the voltage holding characteristic is good.
(ハ)高率放電試験
試験電極について、ハイブリッドキャパシタとして充電電流1mA cm-2で充電した後、各放電電流で行った結果を図38に示す。1mA cm-2での静電容量は、試験電極A(●表示)使用のものと試験電極B(○表示)使用のものとで、ほとんど同じであるが、大電流では試験電極Bは、静電容量が低下している。高率放電性能としては、図39に示すように、試験電極B(○表示)は高率放電性能が低下するが、試験電極A(●表示)ではあまり低下していない。
(C) High-rate discharge test FIG. 38 shows the results of the test electrode, which was charged at a charge current of 1 mA cm −2 as a hybrid capacitor and then subjected to each discharge current. The capacitance at 1 mA cm -2 is almost the same for the test electrode A (● indication) and the test electrode B (○ indication), but at a large current, the test electrode B is static. The capacity is low. As for the high rate discharge performance, as shown in FIG. 39, the high rate discharge performance is lowered for the test electrode B (◯), but not so much for the test electrode A (●).
(ニ)サイクル特性試験
5mA cm-2で繰り返し充放電した結果を図40で示す。試験電極A(●表示)は比較的に静電容量が安定している。試験電極B(○表示)は緩やかに低下していることを示している。
(D) Cycle characteristic test The results of repeated charge and discharge at 5 mA cm -2 are shown in FIG. The test electrode A (indicated by ●) has a relatively stable capacitance. It shows that the test electrode B (indicated by a circle) is gradually decreasing.
上記試験について、亜鉛電極の挙動と電極の表面状態をみると、試験電極Aは不規則でデンドライトが形成していることが見て取れ、全体的に粗い状態であり、表面積も大きいことが予想される。これに対して、試験電極Bは表面が均一で緻密な結晶構造を形成しており、表面積も小さいことが予想される。このことは、前者の方が後者よりもインピーダンス(界面抵抗)の小さいこと(図36)、ならびに高率放電特性に優れていること(図38.39)からも支持される。したがって、比較的小さい電流密度で時間をかけて作製した方が、キャパシタの特性がよいことがわかる。 Regarding the above test, when the behavior of the zinc electrode and the surface state of the electrode are observed, it can be seen that the test electrode A is irregular and dendrite is formed, and is generally rough and has a large surface area. . In contrast, the test electrode B is expected to have a uniform and dense crystal structure on the surface and a small surface area. This is supported by the former having a smaller impedance (interface resistance) than the latter (FIG. 36) and excellent high-rate discharge characteristics (FIG. 38.39). Therefore, it can be seen that the capacitor characteristics are better when the time is taken with a relatively small current density.
(実施例7)
次に、NaOH水溶液を含むヒドロゲルの特性試験を行う。
7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液100mlに架橋型ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)10gを加えて撹拌し、30℃で3日間熟成させてPAANaゲルを作製した。次にあらかじめ塩酸で処理した銅を基板に、対極に水酸化ニッケルを用いて、7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液中で電析を行い(電流密度15mA cm-2,10分間)亜鉛を析出させた。そして、析出させた亜鉛をPAANaゲル中に浸して(表面、底からそれぞれ5mmずつ離れたところ)、亜鉛が溶解するまでの時間を測定した。
(Example 7)
Next, the characteristic test of the hydrogel containing NaOH aqueous solution is performed.
10 g of cross-linked sodium polyacrylate (PAANA) was added to 100 ml of 7.3 M NaOH / 0.7 M ZnO aqueous solution, stirred and aged at 30 ° C. for 3 days to prepare a PAANA gel. Next, electrodeposition was performed in a 7.3M NaOH / 0.7M ZnO aqueous solution using copper previously treated with hydrochloric acid as a substrate and nickel hydroxide as the counter electrode (
結果は図41に示すように、PAANaゲル中(点線表示)では40時間以上溶解が抑制されるが、水溶液中(実線表示)では、25時間程度であることがわかる。この試験では、NaOH水溶液を吸収させたヒドロゲル電解質とすることで、亜鉛の溶解をさらに抑制できることを示している。 As shown in FIG. 41, the results indicate that dissolution is suppressed for 40 hours or more in the PAANA Na gel (dotted line display), but about 25 hours in the aqueous solution (solid line display). This test shows that dissolution of zinc can be further suppressed by using a hydrogel electrolyte that has absorbed an aqueous NaOH solution.
(実施例8)
セルを用いて、7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液およびPAANaゲルの伝導率を測定した。測定は、10Hz〜10kHzの周波数領域で±5mVの印加電圧を加えて行い、応答インピーダンスを測定することにより伝導率を算出した。
0.1M KClの比電気伝導率(0.012856 S/cm)を用いて式(10)よりセル定数を算出した。
(Example 8)
Using the cell, the conductivity of 7.3M NaOH / 0.7M ZnO aqueous solution and PAANA Na gel was measured. The measurement was performed by applying an applied voltage of ± 5 mV in the frequency range of 10 Hz to 10 kHz, and the conductivity was calculated by measuring the response impedance.
The cell constant was calculated from equation (10) using the specific electrical conductivity (0.012856 S / cm) of 0.1 M KCl.
κ=R-1(l/A) (10)
ただし、l/A=1.23
κ = R −1 (l / A) (10)
However, l / A = 1.23
得られたセル定数より式(10)を用いて7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液とPAANaゲルの伝導率を求めた。
(イ)7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液:0.27S/cm
(ロ)PAANaゲル:0.19S/cm
7.3M NaOH/0.7M ZnO水溶液は、7.3M KOH/0.7M ZnO水溶液に比べて、相当に伝導率は小さいことが分かった。また、同様にPAANaゲルも、PAAKゲルに比べて伝導率は低いことが分かった。
From the obtained cell constant, the conductivity of the 7.3M NaOH / 0.7M ZnO aqueous solution and the PAANA gel was determined using the formula (10).
(A) 7.3 M NaOH / 0.7 M ZnO aqueous solution: 0.27 S / cm
(B) PAANA Na gel: 0.19 S / cm
It was found that the conductivity of the 7.3M NaOH / 0.7M ZnO aqueous solution was considerably smaller than that of the 7.3M KOH / 0.7M ZnO aqueous solution. Similarly, the PAANA Na gel was found to have a lower conductivity than the PAAK gel.
このように、ハイブリッドキャパシタは片方の電極が電荷移動過程を伴う大きな擬似容量を持つことができ、EDLCより大きな静電容量、エネルギー密度、出力密度を有することができ、コンピュータのバックアップ電源やその他の産業にも大きく貢献できる。 In this way, the hybrid capacitor can have a large pseudo capacitance with one of the electrodes accompanied by a charge transfer process, and can have a larger capacitance, energy density, and output density than EDLC, and can be used as a computer backup power source or other It can also contribute greatly to industry.
1 活性炭素繊維布
2 7.3M KOH/0.7MZnO水溶液
3 ニッケル(Ni)集電体
4 銅(Cu)基板
4a 銅(Cu)集電体
5 7.3M KOH/0.7MZnO水溶液
6 NiOOH/Ni(OH)2電極
7 セパレータ
8 支持体
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