JP7188693B2 - Electrode using graphene, method for producing same, and power storage device using same - Google Patents

Electrode using graphene, method for producing same, and power storage device using same Download PDF

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Description

本発明は、グラフェンを用いた電極、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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode using graphene, a method for manufacturing the same, and an electric storage device using the same.

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。このような蓄電デバイスの性能は、電極材料に大きく依存し、今もなお、静電容量、エネルギー密度およびパワー密度を向上し得る電極材料の開発が盛んである。 Electricity storage devices such as electric double layer capacitors (supercapacitors) and lithium ion batteries have large capacities and are attracting attention. The performance of such an electric storage device greatly depends on the electrode material, and development of electrode materials capable of improving the capacitance, energy density, and power density is still active.

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。グラフェンの層間にカーボンナノチューブを介在させたグラフェンシートフィルムが開発されている(例えば、特許文献1および特許文献2を参照)。特許文献1によれば、グラフェンの特性に加えてカーボンナノチューブの導電性を利用することにより、290.6F/gの静電容量ならびに62.8Wh/kgのエネルギー密度を達成する。特許文献2は、このようなグラフェンシートフィルムを、高圧処理を用いて量産化する製造方法が提案されている。 It is known to use graphene as an electrode material for electric double layer capacitors. Graphene sheet films in which carbon nanotubes are interposed between graphene layers have been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). According to Patent Document 1, a capacitance of 290.6 F/g and an energy density of 62.8 Wh/kg are achieved by utilizing the electrical conductivity of carbon nanotubes in addition to the properties of graphene. Patent Document 2 proposes a manufacturing method for mass-producing such graphene sheet films using high-pressure processing.

さらに、細孔を導入したグラフェンとカーボンナノチューブとの積層体からなる電極材料が開発されている(例えば、特許文献3を参照)。特許文献3によれば、KOHの吸着および燃焼により細孔をグラフェンに導入し、それをカーボンナノチューブと積層させた電極材料が、エネルギー密度100Wh/kg以上を達成する。 Furthermore, an electrode material composed of a laminate of graphene and carbon nanotubes into which pores are introduced has been developed (see, for example, Patent Document 3). According to Patent Document 3, an electrode material in which pores are introduced into graphene by adsorption and combustion of KOH and laminated with carbon nanotubes achieves an energy density of 100 Wh/kg or more.

しかしながら、これら特許文献1~3に記載の電極材料を使って実際に電気二重層キャパシタを構築する際には、電極材料は、導電材料やバインダ(結着剤)と混合され、膜状に加工される。上述の電極材料は、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、電解質イオンの侵入や拡散に影響を与え、蓄電デバイスのエネルギー特性を低下させる可能性がある。 However, when actually constructing an electric double layer capacitor using the electrode materials described in Patent Documents 1 to 3, the electrode material is mixed with a conductive material and a binder (binder) and processed into a film. be done. When the above-mentioned electrode materials are mixed with such conductive materials and binders, they may adsorb to the surface of graphene, affect the penetration and diffusion of electrolyte ions, and reduce the energy characteristics of the storage device. be.

そこで、導電材料およびバインダと混合しても、特許文献1~3に記載の電極材料の特性が維持される電極の開発が求められている。 Therefore, there is a demand for the development of an electrode that maintains the properties of the electrode materials described in Patent Documents 1 to 3 even when mixed with a conductive material and a binder.

一方で、磁場を印加することによりヒドロゲル中でグラフェンが垂直方向に配向することが報告されている(例えば、非特許文献1を参照)。このような知見を利用したさらなる用途の開拓が望まれている。 On the other hand, it has been reported that graphene is vertically oriented in hydrogels by applying a magnetic field (see, for example, Non-Patent Document 1). Development of further applications using such knowledge is desired.

国際公開第2015/129820号WO2015/129820 国際公開第2017/110295号WO2017/110295 国際公開第2017/163464号WO2017/163464

Wuら,ACS Nano,Vol.8,No.5,4640-4649,2014Wu et al., ACS Nano, Vol. 8, No. 5, 4640-4649, 2014

以上から、本発明の課題は、高速充電および大容量を実現する蓄電デバイスのためのグラフェンを用いた電極、その製造方法およびそれを用いた蓄電デバイスを提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an electrode using graphene for an electricity storage device that realizes high-speed charging and large capacity, a method for manufacturing the same, and an electricity storage device using the same.

本発明による電極は、少なくとも、複数のグラフェンと導電性ポリマーからなるシートとの複合体を含有し、前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向と異なる方向となるように、前記シートを介して位置し、前記複数のグラフェンに対する前記シートの質量比は、0より大きく1以下であり、これにより上記課題を解決する。
前記複数のグラフェンに対する前記シートの質量比は、0.05以上0.5以下であってもよい。
前記複数のグラフェンに対する前記シートの質量比は、0.05以上0.25以下であってもよい。
前記導電性ポリマーは、ポリ(4-スチレンスルホン酸)またはトシラートをドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSSまたはPEDOT:Tos)、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニリン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェンビニレン、ポリペリナフタレン、ポリアントラセン、ポリナフタリン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリ(ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン)、有機ホウ素ポリマー、ポリトリアゾール、ペリレン、カルバゾール、トリアリールアミン、テトラチアフルバレン、これらの誘導体、および、これらの共重合体からなる群から選択されてもよい。
前記複合体の2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性を測定した際に、式(A)および(B)から求められる配向パラメータSは、0.25<S<0.50を満たしてもよい。

Figure 0007188693000001
ここで、Iは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピーク強度であり、Aは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のベースライン強度であり、Bは線形振幅パラメータであり、Cは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピークの分布幅を規定するパラメータであり、Dは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性の最大強度を有するピークの方位角であり、ψは方位角であり、Sは配向パラメータであり、Pは配向秩序パラメータであり、xはcosψである。
前記複合体中の前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向に対して30°以上90°以下の仰角を有する方向に向くように、前記シートを介して位置してもよい。
前記複合体中の前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向に対して45°以上90°以下の仰角を有する方向に向くように、前記シートを介して位置してもよい。
前記複数のグラフェンのそれぞれの長手方向の大きさは、10nm以上10μm以下の範囲であってもよい。
前記複数のグラフェンのそれぞれの厚さは、0.3nm以上100nm以下の範囲であってもよい。
前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、貫通する孔を有してもよい。
前記複数のグラフェンのそれぞれは、互いに1nm以上1μm以下の間隔で位置してもよい。
さらに繊維状物質を含有してもよい。 前記繊維状物質は、カーボンナノチューブ、セルロースナノファイバおよび金属ナノワイヤからなる群から選択されてもよい。
本発明による電極を製造する方法は、複数のグラフェンと導電性ポリマーとを、アルコールと水とを含有する分散媒に分散させるステップであって、前記複数のグラフェンに対する前記導電性ポリマーの質量比は、0より大きく1以下である、ステップと、前記分散媒に磁場を印加し、加熱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。
前記磁場を印加し、加熱するステップは、2テスラ(T)以上50テスラ(T)以下の範囲の磁場を印加してもよい。
前記磁場を印加し、加熱するステップは、6テスラ(T)以上16テスラ(T)以下の範囲の磁場を印加してもよい。
前記磁場を印加し、加熱するステップは、50℃以上100℃以下の範囲の温度に加熱してもよい。
前記アルコールは、メタノール、エタノール、1-プロパノール、1-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-ブタノール、および、2-メチル-2-プロパノールからなる群から選択されてもよい。
本発明による電極と電解質とを備えた蓄電デバイスは、前記電極が上述の電極からなり、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、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタであってもよい。 An electrode according to the present invention contains at least a composite of a plurality of graphenes and a sheet made of a conductive polymer, and at least a portion of the plurality of graphenes is such that the planar direction of the at least a portion of the graphenes is the plane of the sheet. A mass ratio of the sheet to the plurality of graphenes is greater than 0 and less than or equal to 1, thereby solving the above problem.
A mass ratio of the sheet to the plurality of graphenes may be 0.05 or more and 0.5 or less.
A mass ratio of the sheet to the plurality of graphenes may be 0.05 or more and 0.25 or less.
The conductive polymer is poly(4-styrenesulfonic acid) or tosylate-doped poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT:PSS or PEDOT:Tos), polyaniline, polyacetylene, polyphenylene, polyfuran, polyselenophene. , polythiophene, polyacene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene vinylene, polythiophene vinylene, polyperinaphthalene, polyanthracene, polynaphthalene, polypyrene, polyazulene, polypyrrole, polyparaphenylene, poly(benzobisimidazobenzophenanthroline), organic boron It may be selected from the group consisting of polymers, polytriazoles, perylenes, carbazoles, triarylamines, tetrathiafulvalene, derivatives thereof, and copolymers thereof.
When the azimuth angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern of the composite is measured, the orientation parameter S obtained from the formulas (A) and (B) satisfies 0.25<S<0.50. good too.
Figure 0007188693000001
where I is the azimuth-dependent peak intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, A is the azimuth-dependent baseline intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, and B is the linear amplitude. is a parameter, C is a parameter that defines the distribution width of the peak of the azimuth angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern, and D is the maximum intensity of the azimuth dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern. is the azimuth angle of the peak with φ, is the azimuth angle, S is the orientation parameter, P2 is the orientation order parameter, and x is cos φ.
At least some of the plurality of graphenes in the composite are arranged such that the plane direction of the at least some graphenes is oriented in a direction having an elevation angle of 30° or more and 90° or less with respect to the plane direction of the sheet. It may be positioned through the sheet.
At least part of the plurality of graphenes in the composite is arranged such that the planar direction of the at least part of the graphene faces in a direction having an elevation angle of 45° or more and 90° or less with respect to the planar direction of the sheet. It may be positioned through the sheet.
The longitudinal size of each of the plurality of graphenes may be in the range of 10 nm or more and 10 μm or less.
Each thickness of the plurality of graphenes may be in the range of 0.3 nm or more and 100 nm or less.
At least some of the plurality of graphenes may have holes therethrough.
Each of the plurality of graphenes may be positioned at intervals of 1 nm or more and 1 μm or less from each other.
Furthermore, it may contain a fibrous substance. The fibrous material may be selected from the group consisting of carbon nanotubes, cellulose nanofibers and metal nanowires.
A method of manufacturing an electrode according to the present invention comprises dispersing a plurality of graphenes and a conductive polymer in a dispersion medium containing alcohol and water, wherein the mass ratio of the conductive polymer to the plurality of graphenes is , is greater than 0 and less than or equal to 1, and a step of applying a magnetic field to the dispersion medium to heat it, thereby solving the above-mentioned problems.
The step of applying a magnetic field and heating may apply a magnetic field in the range of 2 Tesla (T) to 50 Tesla (T).
The step of applying a magnetic field and heating may apply a magnetic field in the range of 6 Tesla (T) to 16 Tesla (T).
In the step of applying the magnetic field and heating, the temperature may be in the range of 50°C to 100°C.
The alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-butanol and 2-methyl-2-propanol.
A power storage device provided with an electrode and an electrolyte according to the present invention, in which the electrode is the above-described electrode, solves the above problems.
The electric storage device may be an electric double layer capacitor, a lithium ion battery or a lithium ion capacitor.

本発明の電極は、少なくとも、複数のグラフェンと導電性ポリマーからなるシートとの複合体を含有するので、電極の導電性を向上し得る。さらに、複数のグラフェンの少なくとも一部は、その少なくとも一部のグラフェンの平面方向がシートの平面方向と異なる方向となるように、シートを介して位置するので、電解液はグラフェンに容易にアクセスできる。加えて、シートは複数のグラフェンの位置を固定させるとともに、導電性を向上させるので、集電体とグラフェンとの間の電子輸送特性を向上させることができる。特に、複数のグラフェンに対するシートの質量比は、0より大きく1以下とすることにより、このような電極を電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタといった蓄電デバイスに用いれば、高速充電を可能にし、大容量かつ保持特性に優れる。また、シートが導電性ポリマーからなるため、本発明の電極はフレキシビリティに優れる。 Since the electrode of the present invention contains at least a composite of a plurality of graphenes and a sheet made of a conductive polymer, the conductivity of the electrode can be improved. Furthermore, since at least some of the plurality of graphenes are positioned through the sheet such that the plane direction of the at least some graphenes is different from the plane direction of the sheet, the electrolyte can easily access the graphenes. . In addition, the sheet fixes the positions of the graphenes and improves the electrical conductivity, so that the electron transport properties between the current collector and the graphene can be improved. In particular, by setting the mass ratio of the sheet to the plurality of graphenes to be greater than 0 and equal to or less than 1, high-speed charging is possible when such electrodes are used in electric storage devices such as electric double layer capacitors, lithium ion batteries, and lithium ion capacitors. It has a large capacity and excellent retention characteristics. Moreover, since the sheet is made of a conductive polymer, the electrode of the present invention has excellent flexibility.

本発明の上記電極は、複数のグラフェンと導電性ポリマーと(グラフェンに対する導電性ポリマーの質量比は0より大きく1以下である)を、アルコールと水とを含有する分散媒に分散させるステップと、分散媒に磁場を印加し、加熱するステップとを包含する。本発明によれば、磁場を印加することによって、複数のグラフェンの少なくとも一部を磁場の方向に配向させることができる。同時に加熱を行うことにより、分散媒を蒸発させ、導電性ポリマーからなるシートによって配向したグラフェンを固定できる。このようにして上述の電極を容易に製造できる。 The electrode of the present invention comprises a step of dispersing a plurality of graphene and a conductive polymer (the mass ratio of the conductive polymer to graphene is greater than 0 and 1 or less) in a dispersion medium containing alcohol and water; and applying a magnetic field to the dispersion medium to heat it. According to the present invention, by applying a magnetic field, at least some of the plurality of graphenes can be oriented in the direction of the magnetic field. By heating at the same time, the dispersion medium can be evaporated and the oriented graphene can be fixed by the conductive polymer sheet. In this way, the electrodes described above can be easily manufactured.

本発明の電極を模式的に示す図A diagram schematically showing the electrode of the present invention 本発明の電極の製造工程を示すフローチャートFlow chart showing the manufacturing process of the electrode of the present invention 本発明の電極の製造工程を示すプロシージャProcedure showing the manufacturing process of the electrode of the present invention 本発明の電気二重層キャパシタを模式的に示す図A diagram schematically showing an electric double layer capacitor of the present invention. 本発明の電極における様子を模式的に示す図A diagram schematically showing the state of the electrode of the present invention. 例6および例9の試料の様子を示す図FIG. 2 shows the state of the samples of Examples 6 and 9. 例1、例3、例4、例6~例8および例10の試料のXRDパターンを示す図FIG. 1 shows the XRD patterns of the samples of Examples 1, 3, 4, 6-8 and 10. 例2の試料のSEM像を示す1 shows an SEM image of the sample of Example 2. 例12の試料のSEM像を示す図SEM image of the sample of Example 12 例2および例12の試料の2D-SAXS方位角依存性を示す図2D-SAXS azimuth angle dependence of the samples of Examples 2 and 12. 例2および例12の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図FIG. 2 shows electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 2 and 12. 例4および例13の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図FIG. 2 shows electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 4 and 13. 例6および例15の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図FIG. 2 shows electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 6 and 15. 例8および例17の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図FIG. 2 shows electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 8 and 17. 例2、例4、例6、例8、例10~例13、例15、例17および例18の試料を用いたコインセルの比容量の電流密度依存性(a)および比容量の保持特性(b)を示す図Current density dependence of specific capacity (a) and specific capacity retention characteristics ( Figure showing b) 例2および例12の試料を用いたコインセルのナイキストプロットとRagoneプロットとを示す図FIG. 2 shows Nyquist and Ragone plots of coin cells using the samples of Examples 2 and 12. 例6、例8、例15および例17の試料を用いたコインセルのナイキストプロットを示す図FIG. 11 shows Nyquist plots of coin cells using the samples of Examples 6, 8, 15 and 17.

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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is given to the same element, and the description is omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明の電極およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の電極を模式的に示す図である。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 describes an electrode of the present invention and a method for manufacturing the same.
FIG. 1 is a diagram schematically showing an electrode of the present invention.

本発明の電極100は、少なくとも、複数のグラフェン110と導電性ポリマーからなるシート120との複合体を含有する。以降では、簡単のため、導電性ポリマーからなるシートを単にシートと称する。複合体にシート120が含有されることにより、導電性ポリマーに基づき電極100全体の導電性を向上させることができる。なお、本願明細書では、特に注釈のない限り、複数のグラフェンを簡便のため単にグラフェンと称する。 The electrode 100 of the present invention contains at least a composite of multiple graphenes 110 and a sheet 120 made of a conductive polymer. Hereinafter, for the sake of simplicity, a sheet made of a conductive polymer will simply be referred to as a sheet. By including the sheet 120 in the composite, the conductivity of the entire electrode 100 can be improved based on the conductive polymer. Note that in the specification of the present application, a plurality of graphenes is simply referred to as graphene unless otherwise specified.

本発明の電極100では、グラフェン110の少なくとも一部は、その少なくとも一部のグラフェン110の平面方向(図1では紙面の上下方向)が、シート120の平面方向(図1では紙面の水平方向)と異なるように、シート120を介して位置する。すなわち、図1では、グラフェン110の全部が、シート120の平面方向に対して垂直となるように、シート120を介して位置する様子を示すが、これに限らない。これにより、本発明の電極を蓄電デバイスの電極に用いた際に、電解液イオンはグラフェン、さらに集電体に容易にアクセスできるので、電子輸送特性が向上し得る。図1では、本発明の電極100が集電体130上に位置している様子が示される。本願明細書において、「シートを介してグラフェンが位置する」とは、グラフェンが、シートによって保持されている状態を意図しており、グラフェンがシートと接触し、または、グラフェンの一部がシート内に埋没していることを指す。 In the electrode 100 of the present invention, at least a portion of the graphene 110 has a plane direction of the at least portion of the graphene 110 (the vertical direction of the paper in FIG. 1) is the plane direction of the sheet 120 (the horizontal direction of the paper in FIG. 1). are positioned across the sheet 120 so as to be different from . That is, although FIG. 1 shows that the entire graphene 110 is positioned perpendicular to the planar direction of the sheet 120 with the sheet 120 interposed therebetween, the present invention is not limited to this. As a result, when the electrode of the present invention is used as an electrode of an electricity storage device, the electrolyte ions can easily access the graphene and furthermore the current collector, so the electron transport properties can be improved. In FIG. 1, an electrode 100 of the present invention is shown positioned on a current collector 130 . In the present specification, “graphene is positioned through the sheet” means that the graphene is held by the sheet, and the graphene is in contact with the sheet, or part of the graphene is inside the sheet. It means that it is buried in

本発明の電極100では、グラフェン110に対するシート120の質量比は、0より大きく1以下となるよう調整されている。すなわち、シート120の質量は、グラフェン110のそれと同じか、または、小さくなるようにすることで、クラックのない良好な膜状の電極100が得られる。また、電極100全体の高い導電性を維持し、蓄電デバイスに適用した際に、大容量かつ高い保持特性を可能にする。 In the electrode 100 of the present invention, the mass ratio of the sheet 120 to the graphene 110 is adjusted to be greater than 0 and 1 or less. That is, by making the mass of the sheet 120 equal to or smaller than that of the graphene 110, a good film-like electrode 100 without cracks can be obtained. In addition, the electrode 100 as a whole maintains high conductivity, enabling large capacity and high retention characteristics when applied to an electricity storage device.

グラフェン110に対するシート120の質量比は、好ましくは、0.05以上0.5以下となるよう調整されている。これにより、電極100全体のさらに高い導電性を維持し、蓄電デバイスに適用した際に、大容量かつ高い保持特性を可能にする。 The mass ratio of the sheet 120 to the graphene 110 is preferably adjusted to 0.05 or more and 0.5 or less. As a result, the electrode 100 as a whole maintains a higher conductivity, enabling a large capacity and high retention characteristics when applied to an electricity storage device.

グラフェン110に対するシート120の質量比は、より好ましくは、0.05以上0.25以下となるよう調整されている。これにより、電極100全体のさらい高い導電性を維持し、蓄電デバイスに適用した際に、高速充電、大容量かつ高い保持特性を可能にする。 More preferably, the mass ratio of the sheet 120 to the graphene 110 is adjusted to 0.05 or more and 0.25 or less. As a result, the electrode 100 as a whole maintains high conductivity, and when applied to an electricity storage device, enables high-speed charging, large capacity, and high retention characteristics.

複合体中のグラフェン110の少なくとも一部は、好ましくは、グラフェン110の平面方向がシート120の平面方向に対して30°以上90°以下の仰角(図1におけるαを指す)を有する方向に向くように、シート120を介して位置する。この範囲であれば、電解液イオンのグラフェン110へのアクセスを容易にする。複合体中のグラフェン110の少なくとも一部は、より好ましくは、グラフェン110の平面方向がシート120の平面方向に対して45°以上90°以下の仰角を有する方向に向くように、シート120を介して位置する。この範囲であれば、電解液イオンのグラフェン110へのアクセスを容易にし、蓄電デバイスに適用した際に、大容量かつ高い保持特性を可能にする。なお、グラフェン110の向き(すなわち、シート120の平面方向に対する仰角)は、例えば、走査型電子顕微鏡等の画像診断において、300個のグラフェンについて、シートの平面方向に対する仰角(簡便には電極の平面方向に対する仰角でもよい)を測定し、平均すればよい。 At least part of the graphene 110 in the composite preferably faces in a direction in which the plane direction of the graphene 110 has an elevation angle of 30° or more and 90° or less (indicating α in FIG. 1) with respect to the plane direction of the sheet 120. , through the sheet 120. As shown in FIG. This range facilitates access of the electrolyte ions to the graphene 110 . More preferably, at least part of the graphene 110 in the composite is oriented through the sheet 120 so that the planar direction of the graphene 110 faces in a direction having an elevation angle of 45° or more and 90° or less with respect to the planar direction of the sheet 120. located. Within this range, electrolyte ions can easily access the graphene 110, and when applied to an electricity storage device, a large capacity and high retention characteristics can be achieved. Note that the orientation of the graphene 110 (that is, the elevation angle with respect to the planar direction of the sheet 120) is, for example, an elevation angle with respect to the planar direction of the sheet (simply may be the angle of elevation with respect to the direction), and average them.

複合体を2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性を測定した際に、好ましくは、式(A)および(B)から求められる配向パラメータSは、0.25<S<0.50を満たす。これにより、電解液イオンのグラフェン110へのアクセスを容易にし、蓄電デバイスに適用した際に、大容量かつ高い保持特性を可能にする。 When the azimuth angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern of the composite is measured, the orientation parameter S obtained from the formulas (A) and (B) is preferably 0.25<S<0.50. Fulfill. This facilitates the access of the electrolyte ions to the graphene 110, and enables a large capacity and high retention characteristics when applied to an electricity storage device.

Figure 0007188693000002
Figure 0007188693000002

(ここで、Iは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピーク強度であり、Aは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のベースライン強度であり、Bは線形振幅パラメータであり、Cは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピークの分布幅を規定するパラメータであり、Dは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性の最大強度を有するピークの方位角であり、ψは方位角であり、Sは配向パラメータであり、Pは配向秩序パラメータであり、xはcosψである。) (where I is the azimuth-dependent peak intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, A is the azimuth-dependent baseline intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, and B is the linear amplitude parameter). where C is a parameter that defines the distribution width of the azimuth-dependent peaks of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern, and D is the peak having the maximum intensity of the azimuth-dependent two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern. is the azimuthal angle, ψ is the azimuthal angle, S is the orientation parameter, P2 is the orientational order parameter, and x is cos ψ.)

グラフェン110は、sp結合炭素原子のシート状物質であり、改良Hummers法などによって製造される周知の物質である。グラフェン110の長手方向の大きさは、好ましくは、10nm以上10μm以下の範囲である。この範囲であれば、後述する製造方法によって本発明の電極100が得られる。グラフェン110の長手方向の大きさは、より好ましくは、0.5μm以上5μm以下の範囲である。この範囲であれば、グラフェン110の平面方向が、シート120の平面方向と異なるように、グラフェン110の配向を制御しやすい。 Graphene 110 is a sheet-like material of sp2 - bonded carbon atoms and is a well-known material produced by, for example, the modified Hummers method. The longitudinal dimension of the graphene 110 is preferably in the range of 10 nm or more and 10 μm or less. Within this range, the electrode 100 of the present invention can be obtained by the manufacturing method described later. The longitudinal size of the graphene 110 is more preferably in the range of 0.5 μm or more and 5 μm or less. Within this range, it is easy to control the orientation of the graphene 110 such that the planar direction of the graphene 110 is different from the planar direction of the sheet 120 .

グラフェン110の厚さは、好ましくは、0.3nm以上100nm以下の範囲である。この範囲であれば、後述する製造方法によって本発明の電極100が得られる。より好ましくは、グラフェン110の厚さは、0.5nm以上10nm以下の範囲である。この範囲であれば、製造効率がよい。 The thickness of the graphene 110 is preferably in the range of 0.3 nm or more and 100 nm or less. Within this range, the electrode 100 of the present invention can be obtained by the manufacturing method described later. More preferably, the thickness of the graphene 110 ranges from 0.5 nm to 10 nm. Within this range, the manufacturing efficiency is good.

グラフェン110の少なくとも一部は、表面に貫通する孔(図示せず)を有していてもよい。これにより、電解液イオンの侵入および移動が促進されるので、エネルギー密度およびパワー密度の向上につながる。なお、孔径は、電解液イオンの通過の観点から、0.4nm以上10nm以下の範囲、より好ましくは、1nm以上5nm以下の範囲である。このような孔を有するグラフェンは、例えば、国際公開第2014/065241号によって製造される。 At least part of the graphene 110 may have pores (not shown) penetrating the surface. This promotes the penetration and migration of electrolyte ions, leading to improvements in energy density and power density. The pore diameter is in the range of 0.4 nm or more and 10 nm or less, more preferably in the range of 1 nm or more and 5 nm or less, from the viewpoint of passage of electrolyte solution ions. Graphene having such pores is produced, for example, according to WO2014/065241.

グラフェン110は、カルボキシ基、水酸基、カルボニル基等の官能基(図示せず)を有してもよい。このような官能基は、製造時にグラフェン110の表面に残留するものであるが、これら官能基を有していても、電解液イオンの侵入や移動、導電性に遜色はない。 The graphene 110 may have functional groups (not shown) such as carboxy groups, hydroxyl groups, and carbonyl groups. Such functional groups remain on the surface of the graphene 110 during production, but even with these functional groups, the penetration and migration of electrolyte ions and the conductivity are not inferior.

シートを構成する導電性ポリマーは、導電性を有するものであれば特に制限はないが、例示的には、ポリ(4-スチレンスルホン酸)またはトシラートをドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSSまたはPEDOT:Tos)、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニリン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェンビニレン、ポリペリナフタレン、ポリアントラセン、ポリナフタリン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリ(ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン)、有機ホウ素ポリマー、ポリトリアゾール、ペリレン、カルバゾール、トリアリールアミン、テトラチアフルバレン、これらの誘導体、および、これらの共重合体からなる群から選択される。この中でも、PEDOT:PSSまたはPEDOT:Tosは、本発明の電極100の製造に有利である。 The conductive polymer that constitutes the sheet is not particularly limited as long as it has conductivity. Thiophene (PEDOT:PSS or PEDOT:Tos), polyaniline, polyacetylene, polyphenyline, polyfuran, polyselenophene, polythiophene, polyacene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene vinylene, polythiophene vinylene, polyperinaphthalene, polyanthracene, polynaphthalene , polypyrene, polyazulene, polypyrrole, polyparaphenylene, poly(benzobisimidazobenzophenanthroline), organoboron polymer, polytriazole, perylene, carbazole, triarylamine, tetrathiafulvalene, derivatives thereof, and copolymers thereof selected from the group consisting of Among these, PEDOT:PSS or PEDOT:Tos is advantageous for manufacturing the electrode 100 of the present invention.

複合体において、好ましくは、グラフェン110は互いに1nm以上1μm以下の間隔で位置する。これにより、電解液イオンのグラフェン110へのアクセスを容易にする。グラフェン110は、より好ましくは、互いに1nm以上100nm以下、さらに好ましくは、1nm以上20nm以下の間隔で位置する。 In the composite, the graphenes 110 are preferably spaced apart from each other by 1 nm or more and 1 μm or less. This facilitates access of the electrolyte ions to the graphene 110 . The graphenes 110 are more preferably spaced from each other by a distance of 1 nm or more and 100 nm or less, more preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

複合体は、さらに、繊維状物質(図示せず)を含有してもよい。繊維状物質は、グラフェン110間に位置し、スペーサとして機能するため、電解液イオンのグラフェン110へのアクセスを促進する。このような観点から、繊維状物質の外径の平均値を0.4nm以上5.0nm以下の範囲内とすることが好ましく、また、1.0nm以上3.0nm以下の範囲内とすることがより好ましい。 The composite may further contain fibrous material (not shown). The fibrous material is located between the graphenes 110 and functions as a spacer, thus facilitating the access of the electrolyte ions to the graphenes 110 . From this point of view, the average value of the outer diameter of the fibrous substance is preferably in the range of 0.4 nm or more and 5.0 nm or less, and more preferably in the range of 1.0 nm or more and 3.0 nm or less. more preferred.

繊維状物質に対するグラフェンの質量比(グラフェン/繊維状物質)は、好ましくは、1以上50以下、さらに好ましくは、5以上15以下を満たす。これにより、スペーサとしての機能を発揮する。 The mass ratio of graphene to fibrous substance (graphene/fibrous substance) is preferably 1 or more and 50 or less, more preferably 5 or more and 15 or less. Thereby, the function as a spacer is exhibited.

このような繊維状物質は、スペーサの機能に加えて、導電性または半導電性を有することが好ましい。これにより、電極全体の導電性を高めることができる。このような繊維状物質、例示的には、カーボンナノチューブ、セルロースナノファイバ、金属ナノワイヤ等である。中でもカーボンナノチューブは、グラフェン110と整合性に優れる。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWNT)、二層カーボンナノチューブ(DWNT)または多層カーボンナノチューブ(MWNT)であるが、好ましくは、単層カーボンナノチューブである。単層カーボンナノチューブは、10S/cm以上の高い導電率を有しており、電極の導電性が向上するので、キャパシタ性能が向上し得る。 Such a fibrous substance preferably has conductivity or semi-conductivity in addition to the spacer function. Thereby, the conductivity of the entire electrode can be enhanced. Such fibrous substances are exemplified by carbon nanotubes, cellulose nanofibers, metal nanowires, and the like. Among them, carbon nanotubes are highly compatible with the graphene 110 . The carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes (SWNT), double-walled carbon nanotubes (DWNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWNT), preferably single-walled carbon nanotubes. Single-walled carbon nanotubes have a high electrical conductivity of 10 4 S/cm or more, which improves the electrical conductivity of the electrode, which can improve the performance of the capacitor.

次に、本発明の電極100の製造方法について説明する。
図2は、本発明の電極の製造工程を示すフローチャートである。
図3は、本発明の電極の製造工程を示すプロシージャである。
Next, a method for manufacturing the electrode 100 of the present invention will be described.
FIG. 2 is a flow chart showing the manufacturing process of the electrode of the present invention.
FIG. 3 is a procedure showing the manufacturing process of the electrode of the present invention.

ステップS210:複数のグラフェン110と導電性ポリマー310とを、アルコールと水とを含有する分散媒320に分散させる。ここで、グラフェンに対する導電性ポリマーの質量比は、0より大きく1以下となるよう調整される。分散媒320にアルコールと水とを用いることにより、グラフェン110を良好に分散させることができる。ここで、グラフェン110および導電性ポリマー310は、図1を参照して説明したとおりであるため、省略する。 Step S210: A plurality of graphenes 110 and conductive polymers 310 are dispersed in a dispersion medium 320 containing alcohol and water. Here, the mass ratio of the conductive polymer to graphene is adjusted to be greater than 0 and 1 or less. By using alcohol and water for the dispersion medium 320, the graphene 110 can be well dispersed. Here, the graphene 110 and the conductive polymer 310 are omitted because they are as described with reference to FIG.

アルコールは、特に制限はないが、例示的には、メタノール、エタノール、1-プロパノール、1-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-ブタノール、および、2-メチル-2-プロパノールからなる群から選択される。これらのアルコールは、グラフェン110および導電性ポリマー310を良好に分散させる。 Alcohol is not particularly limited, but exemplified by the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-butanol, and 2-methyl-2-propanol is selected from These alcohols disperse graphene 110 and conductive polymer 310 well.

アルコールと水との割合は、好ましくは、20~80:80~20(体積比)である。これにより、グラフェン110および導電性ポリマー310を良好に分散させる。アルコールと水との割合は、好ましくは、40~60:60~40(体積比)である。この範囲であれば分散性に優れる。 The ratio of alcohol and water is preferably 20-80:80-20 (volume ratio). This allows the graphene 110 and the conductive polymer 310 to be well dispersed. The ratio of alcohol and water is preferably 40-60:60-40 (volume ratio). Within this range, the dispersibility is excellent.

ステップS210において、さらに上述の繊維状物質を添加してもよい。この場合、繊維状物質に対するグラフェンの質量比(グラフェン/繊維状物質)が1以上50以下、好ましくは、5以上15以下となるように添加され得る。 In step S210, further fibrous substances as described above may be added. In this case, it may be added so that the mass ratio of graphene to fibrous substance (graphene/fibrous substance) is 1 or more and 50 or less, preferably 5 or more and 15 or less.

ステップS220:分散媒320に磁場を印加し、加熱する。これにより、導電性ポリマー310は軟化・融解し、図1の導電性ポリマーからなるシート120となり、容器底部に位置する。磁場を印加することによって、グラフェン110は、グラフェン110の平面方向が磁場の方向と同じとなるように配向する。図3では、点線の矢印で示すように、紙面に対して上下方向に磁場を印加し、それと同じとなるようにグラフェン110が配向している様子を示す。導電性ポリマー310が軟化し、容器底部にてシート120となることから、鉛直方向に磁場を印加することが好ましい。加熱をさらに続けることにより、分散媒320が蒸発し、配向したグラフェン110はシート120に固定され、本発明の電極100が製造される。 Step S220: A magnetic field is applied to the dispersion medium 320 to heat it. As a result, the conductive polymer 310 is softened and melted to form the conductive polymer sheet 120 shown in FIG. 1, which is positioned at the bottom of the container. By applying a magnetic field, the graphene 110 is oriented such that the planar direction of the graphene 110 is the same as the direction of the magnetic field. FIG. 3 shows how the graphene 110 is oriented in the same manner as when a magnetic field is applied in the vertical direction with respect to the plane of the paper, as indicated by dotted arrows. Since the conductive polymer 310 softens and becomes the sheet 120 at the bottom of the container, it is preferable to apply the magnetic field in the vertical direction. Further heating evaporates the dispersion medium 320 and fixes the oriented graphene 110 to the sheet 120 to produce the electrode 100 of the present invention.

好ましくは、磁場は、2テスラ(T)以上50テスラ(T)以下の範囲で印加される。この範囲であれば、グラフェン110を配向させることができる。より好ましくは、磁場は、6T以上16T以下の範囲で印加される。この範囲であれば、グラフェン110を効率的に配向させることができる。さらに好ましくは、磁場は、10T以上14T以下の範囲で印加される。 Preferably, the magnetic field is applied in the range of 2 Tesla (T) to 50 Tesla (T). Within this range, the graphene 110 can be oriented. More preferably, the magnetic field is applied in the range of 6T or more and 16T or less. Within this range, the graphene 110 can be efficiently oriented. More preferably, the magnetic field is applied in the range of 10T or more and 14T or less.

好ましくは、加熱は、50℃以上100℃以下の範囲の温度で行われる。この範囲であれば、導電性ポリマー310が軟化・融解するとともに、分散媒320を蒸発させることができる。より好ましくは、55℃以上70℃以下の範囲の温度で行われる。この範囲であれば、導電性ポリマー310が軟化・融解するとともに、グラフェン110の配向を維持しながら、分散媒320を蒸発させることができる。 Preferably, the heating is performed at a temperature in the range of 50°C to 100°C. Within this range, the conductive polymer 310 is softened and melted, and the dispersion medium 320 can be evaporated. More preferably, it is carried out at a temperature in the range of 55°C or higher and 70°C or lower. Within this range, the conductive polymer 310 is softened and melted, and the dispersion medium 320 can be evaporated while maintaining the orientation of the graphene 110 .

ステップS220において、加熱および磁場の印加時間は、加熱温度や磁場の大きさによって異なるが、例示的には、30分以上48時間以下の範囲である。30分より短いとグラフェン110が十分に配向しない虞がある。48時間を超えても、反応に変化はなく非効率である。好ましくは、5時間以上12時間以下の範囲である。この範囲であれば、グラフェン110が良好に配向し、シート120によって固定された電極100が得られる。 In step S220, the heating and magnetic field application time varies depending on the heating temperature and the magnitude of the magnetic field, but is illustratively in the range of 30 minutes to 48 hours. If the time is shorter than 30 minutes, the graphene 110 may not be sufficiently oriented. Beyond 48 hours, the reaction is unchanged and inefficient. Preferably, it is in the range of 5 hours or more and 12 hours or less. Within this range, the graphene 110 is satisfactorily oriented, and the electrode 100 fixed by the sheet 120 is obtained.

図2のステップS210では、グラフェンを用いたが、グラフェンに代えて酸化グラフェンを用いてもよい。酸化グラフェンを用いた場合、ステップS220に続いて、還元処理を行えばよい。還元処理は、例示的には、ヒドラジン等の還元剤を用いた化学的還元、あるいは、加熱による熱還元であり、当業者であれば適宜採用する。 Although graphene is used in step S210 in FIG. 2, graphene oxide may be used instead of graphene. When graphene oxide is used, reduction treatment may be performed after step S220. The reduction treatment is exemplified by chemical reduction using a reducing agent such as hydrazine, or thermal reduction by heating, which can be appropriately adopted by those skilled in the art.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明の電極を用いた電気二重層キャパシタについて説明する。
図4は、本発明の電気二重層キャパシタを模式的に示す図である。
図5は、本発明の電極における様子を模式的に示す図である。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 describes an electric double layer capacitor using the electrode of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically showing the electric double layer capacitor of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing the state of the electrode of the present invention.

本発明の電気二重層キャパシタ400は、少なくとも、電極および電解液を備える。図3の電気二重層キャパシタ400は、電極として正極電極410および負極電極420が電解液430に浸漬している。これら正極電極410および負極電極420は、実施の形態1で説明した本発明の電極100からなる。 The electric double layer capacitor 400 of the present invention includes at least electrodes and an electrolytic solution. In the electric double layer capacitor 400 of FIG. 3, a positive electrode 410 and a negative electrode 420 are immersed in an electrolytic solution 430 as electrodes. These positive electrode 410 and negative electrode 420 are made of the electrode 100 of the present invention described in the first embodiment.

電解液430は、電気二重層キャパシタに使用できるものであれば特に制限はないが、例示的には、硫酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化アンモニウム水溶液、塩化カリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、あるいは、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)のイオン液体である。 The electrolytic solution 430 is not particularly limited as long as it can be used for an electric double layer capacitor, but examples include sulfuric acid aqueous solution, sodium sulfate aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, ammonium hydroxide aqueous solution, chloride Potassium aqueous solution, potassium carbonate aqueous solution, or 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) ionic liquid.

電気二重層キャパシタ400は、さらに、正極電極410と負極電極420との間にセパレータ440を有し、これら正極電極410および負極電極420を隔離している。 Electric double layer capacitor 400 further has separator 440 between positive electrode 410 and negative electrode 420 to separate positive electrode 410 and negative electrode 420 .

セパレータ440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。 Materials of the separator 440 include, 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, and polymethacrylonitrile. A material selected from nitrile, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, polyurethane polymers and their derivatives, cellulose, paper, and non-woven fabric.

電気二重層キャパシタ400では、上述の正極電極410、負極電極420、電解質430およびセパレータ440がセル450に収容されている。また、正極電極410および負極電極420は、それぞれ、既存の集電体を有する。 In electric double layer capacitor 400 , positive electrode 410 , negative electrode 420 , electrolyte 430 and separator 440 described above are accommodated in cell 450 . Also, the positive electrode 410 and the negative electrode 420 each have an existing current collector.

このような電気二重層キャパシタ400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 400 may be a chip-type, coin-type, mold-type, pouch-type, laminate-type, cylindrical-type, rectangular-type capacitor, etc., and is used in a module in which a plurality of these are connected. may

次に、図4の電気二重層キャパシタ400の動作を説明する。 Next, the operation of the electric double layer capacitor 400 of FIG. 4 will be described.

電気二重層キャパシタ400に電圧を印加すると、正極電極410には、電解液430の電解液イオン(アニオン)が、負極電極420には、電解液430の電解液イオン(カチオン)が、それぞれ、吸着する。その結果、正極電極410および負極電極420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410および負極電極420は、実施の形態1で説明した電極100から形成されるので、図5に示すように、電解液イオンのグラフェン110、さらには集電体130へのアクセスが容易となり、電気二重層が形成される。その結果、グラフェン110と電解液イオンとの電子のやりとりが増大し、大容量および高い保持特性を達成できる。 When a voltage is applied to the electric double layer capacitor 400, electrolyte ions (anions) of the electrolyte 430 are adsorbed to the positive electrode 410, and electrolyte ions (cations) of the electrolyte 430 are adsorbed to the negative electrode 420. do. As a result, an electric double layer is formed on each of the positive electrode 410 and the negative electrode 420 and charged. Here, since the positive electrode 410 and the negative electrode 420 are formed from the electrode 100 described in Embodiment 1, as shown in FIG. becomes easy, and an electric double layer is formed. As a result, the exchange of electrons between the graphene 110 and electrolyte ions is increased, and a large capacity and high retention characteristics can be achieved.

充電した電気二重層キャパシタ400を抵抗等の回路に接続すると、正極電極410および負極電極420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410および負極電極420は、実施の形態1で説明した電極100から形成されるので、電解液イオンの脱着・拡散が容易となり、高いレート特性および大容量を達成できる。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 400 is connected to a circuit such as a resistor, the anions and cations adsorbed to the positive electrode 410 and the negative electrode 420 are desorbed and discharged. Again, since the positive electrode 410 and the negative electrode 420 are formed from the electrode 100 described in Embodiment 1, the desorption/diffusion of electrolyte solution ions is facilitated, and high rate characteristics and large capacity can be achieved. Moreover, since it is excellent in conductivity, the power density can be improved with the easiness of desorption/diffusion.

このように本発明の電気二重層キャパシタ400は、素早い充電を可能にし、大容量、高い保持特性を達成できる。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400は、風力発電、電気自動車等に利用され得る。 As described above, the electric double layer capacitor 400 of the present invention can be quickly charged, and can achieve large capacity and high retention characteristics. In addition, since the formation of an electric double layer is used for charging and discharging, it is excellent in repeated use. The electric double layer capacitor 400 of the present invention can be used for wind power generation, electric vehicles, and the like.

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、リチウムイオンキャパシタ(LIC)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。例えば、リチウムイオン電池に適用する場合、図4の電気二重層キャパシタ400と同様に、少なくとも電極および電解液とを備えるが、正極電極410が少なくともリチウムイオンを吸脱着可能な活物質を備える点が異なる。リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタとリチウムイオン電池とのハイブリッドとして知られ、例えば、本発明の電極とともに、リチウム塩を含有する電解液(LiBF、LiPF等)が採用される。 Here, the explanation is limited to the electric double layer capacitor, but it goes without saying that the electrode of the present invention can be applied to electric storage devices such as lithium ion batteries and lithium ion capacitors (LIC) in addition to electric double layer capacitors. . For example, when applied to a lithium ion battery, at least electrodes and an electrolytic solution are provided in the same manner as the electric double layer capacitor 400 of FIG. different. A lithium ion capacitor is known as a hybrid of an electric double layer capacitor and a lithium ion battery, and for example, an electrolytic solution containing a lithium salt (LiBF 4 , LiPF 6 , etc.) is employed together with the electrode of the present invention.

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 it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[例1~例18]
例1~例18では、グラフェンおよび導電性ポリマーとしてPEDOT:PSSを、表1に示す種々の質量比で混合し、表1の条件にて磁場および加熱し、電極を製造した。
[Examples 1 to 18]
In Examples 1 to 18, graphene and PEDOT:PSS as a conductive polymer were mixed at various mass ratios shown in Table 1, and subjected to magnetic field and heating under the conditions shown in Table 1 to produce electrodes.

グラフェンは、以下のようにして調製した。Hummers法によりグラファイトから酸化グラフェン(GO)を合成した。GOを0.1mol/Lの塩酸水溶液で希釈し、5回、遠心分離を行った後、脱イオン水で希釈し、上澄み液のpHが7に達するまで高速遠心分離(35,000rpm)を行った。得られたGO分散液を、ヒドラジンを用いて還元し、エタノールで洗浄した後、真空凍結乾燥器(Eyla、FDU-1200)で乾燥させた。このようにして、還元された酸化グラフェン(rGO、すなわちグラフェン)を得た。 Graphene was prepared as follows. Graphene oxide (GO) was synthesized from graphite by the Hummers method. GO was diluted with 0.1 mol/L hydrochloric acid aqueous solution and centrifuged 5 times, then diluted with deionized water and subjected to high speed centrifugation (35,000 rpm) until the pH of the supernatant reached 7. rice field. The resulting GO dispersion was reduced with hydrazine, washed with ethanol and dried in a vacuum freeze dryer (Eyla, FDU-1200). Thus, reduced graphene oxide (rGO, ie graphene) was obtained.

得られたrGOについて、フーリエ変換赤外分光分析(FTIR、株式会社島津製作所製、IRTracer-100)、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子株式会社製、JEM-2100)によって評価したところ、厚さ1nm以上100nm以下、長手方向の大きさ1μm以上5μm以下を有し、ごく微量のカルボニル基を有するグラフェンであることを確認した。このrGOをエタノールに分散させた(0.1mg/mL)。 The obtained rGO was evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, manufactured by Shimadzu Corporation, IRTracer-100) and a transmission electron microscope (TEM, manufactured by JEOL Ltd., JEM-2100). It was confirmed that the graphene had a length of 1 nm or more and 100 nm or less, a longitudinal size of 1 μm or more and 5 μm or less, and had a very small amount of carbonyl groups. The rGO was dispersed in ethanol (0.1 mg/mL).

13mg/mLのPEDOT:PSS水溶液(PEDOT:PSS(PH1000、Clevios)はH.C.Starck Companyより購入)を、表1に示す質量比を満たすように、rGOエタノール分散液と混合し、超音波処理し、rGOとPEDOT:PSSとを含有する混合液を得た(図2のステップS210)。ここで、アルコールと水との割合は、50:50(体積比)であった。この混合液を、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)製の取り外し可能なフィルム底を備えた円筒状の蒸発皿に移した。 A 13 mg/mL PEDOT:PSS aqueous solution (PEDOT:PSS (PH1000, Clevios) was purchased from HC Starck Company) was mixed with the rGO ethanol dispersion so as to satisfy the mass ratio shown in Table 1, and ultrasonically processed to obtain a mixture containing rGO and PEDOT:PSS (step S210 in FIG. 2). Here, the ratio of alcohol and water was 50:50 (volume ratio). The mixture was transferred to a cylindrical evaporating dish with a removable polyvinylidene fluoride (PVDF) film bottom.

この蒸発皿を磁場発生装置に配置し、垂直方向に12テスラ(T)の磁場を印加するとともに、内部を60℃に加熱し、8時間保持した(図2のステップS220)。なお、例11~例18では、磁場を印加しない以外は、例1~例10と同様の条件で加熱した。 This evaporating dish was placed in a magnetic field generator, a magnetic field of 12 tesla (T) was applied in the vertical direction, and the inside was heated to 60° C. and held for 8 hours (step S220 in FIG. 2). In Examples 11 to 18, heating was performed under the same conditions as in Examples 1 to 10 except that no magnetic field was applied.

Figure 0007188693000003
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その後、蒸発皿を取り出し、分散媒が蒸発していることを確認した。この様子を図6に示し、後述する。 After that, the evaporating dish was taken out, and it was confirmed that the dispersion medium had evaporated. This state is shown in FIG. 6 and will be described later.

次に、蒸発皿のフィルム底を除去し、得られた生成物を試料とした。各試料について、デスクトップX線回折装置(株式会社リガク製、MiniFlex600)を用いて、X線回折を測定した。各試料について、走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子株式会社製、JSM-6500F/JSM-7001F)を用いて観察した。これらの結果を図7~図9に示す。2次元小角X線散乱装置(2D-SAXS、Bruker製、Nanostar)を用いて試料内のグラフェンの配向を調べた。結果を図10に示す。各試料のシート抵抗を四端子法によって測定した。結果を表2に示す。 Next, the film bottom of the evaporating dish was removed, and the resulting product was used as a sample. For each sample, X-ray diffraction was measured using a desktop X-ray diffractometer (MiniFlex 600 manufactured by Rigaku Corporation). Each sample was observed using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL Ltd., JSM-6500F/JSM-7001F). These results are shown in FIGS. 7-9. A two-dimensional small-angle X-ray scattering apparatus (2D-SAXS, manufactured by Bruker, Nanostar) was used to investigate the orientation of graphene in the sample. The results are shown in FIG. The sheet resistance of each sample was measured by the four probe method. Table 2 shows the results.

次に、各試料を電極として電気二重層キャパシタ(コインセル)を製造し、その電気的特性を評価した。詳細には、生成物を15mmφにカットし、カーボンコートされたアルミニウム箔集電体上に配置し、正極電極および負極電極とし、これらの間に電解液として1MのNaSO水溶液を入れ、セパレータとしてグラスファイバ製の不織布で正極電極と負極電極との間を仕切り、ステンレス製のコインセルで封止した。 Next, an electric double layer capacitor (coin cell) was manufactured using each sample as an electrode, and its electrical characteristics were evaluated. Specifically, the product was cut to 15 mmφ and placed on a carbon - coated aluminum foil current collector to form a positive electrode and a negative electrode. As a separator, the positive electrode and the negative electrode were partitioned by a glass fiber nonwoven fabric, and sealed with a stainless steel coin cell.

コインセルの電気化学特性を、電気化学ワークステーション(BioLogic製、VSP-300)を用いて測定した。サイクリックボルタンメトリを200mV/s~4V/sの範囲の種々の電圧速度で測定した。充放電サイクル特性を0.5A/g~50A/gの範囲の種々の電流密度で測定した。充放電サイクル特性の結果に基づいて、コインセルの比容量、パワー密度およびエネルギー密度を次式から算出した。 The electrochemical properties of the coin cell were measured using an electrochemical workstation (BioLogic, VSP-300). Cyclic voltammetry was measured at various voltage rates ranging from 200 mV/s to 4 V/s. Charge-discharge cycle characteristics were measured at various current densities ranging from 0.5 A/g to 50 A/g. Based on the results of charge-discharge cycle characteristics, the specific capacity, power density and energy density of the coin cell were calculated from the following equations.

C=4JΔt/ΔU
P=2JΔU
E=JΔtΔU/1.8
ここで、Cは比容量であり、Pはパワー密度であり、Eはエネルギー密度であり、Jは電流密度であり、Δtは放電時間であり、ΔUは電圧変化である。
C=4JΔt/ΔU
P=2JΔU
E=JΔtΔU/1.8
where C is the specific capacity, P is the power density, E is the energy density, J is the current density, Δt is the discharge time and ΔU is the voltage change.

また、電位モード電気化学的インピーダンス分光法(PEIS)測定を行った。これらの結果を図11~図17に示す。 Potential-mode electrochemical impedance spectroscopy (PEIS) measurements were also performed. These results are shown in FIGS. 11-17.

結果をまとめて説明する。
図6は、例6および例9の試料の様子を示す図である。
The results will be summarized and explained.
FIG. 6 is a diagram showing the state of the samples of Examples 6 and 9. FIG.

図6によれば、例6の試料は、クラックもなく均一な膜が得られた。図示しないが、例2~例5の試料も同様の様態であった。一方、例9の試料は、全体にクラックがあり、膜質は悪かった。このことから、良好な膜を得るためには、グラフェンに対する導電性ポリマーからなるシートの質量比は、0より大きく1以下を満たすことが示された。 According to FIG. 6, the sample of Example 6 yielded a uniform film without cracks. Although not shown, the samples of Examples 2 to 5 were in a similar manner. On the other hand, the sample of Example 9 had cracks throughout and was poor in film quality. This indicates that the mass ratio of the conductive polymer sheet to graphene must be greater than 0 and equal to or less than 1 in order to obtain a good film.

図7は、例1、例3、例4、例6~例8および例10の試料のXRDパターンを示す図である。 FIG. 7 shows the XRD patterns of the samples of Examples 1, 3, 4, 6-8 and 10;

図7によれば、いずれの試料も、23.7°付近に明瞭なピークを示した。このピークは、グラフェンの(002)回折ピークに相当する。グラフェンの(002)回折ピークに着目すると、PEDOT:PSSの含有量が増大するにつれて、グラフェンの(002)回折ピークは、PEDOT:PSSの特徴的なピーク(25.88°)側にシフトすることが分かった。このことから、表1の設計組成にしたがい、グラフェンとPEDOT:PSSとの比率の異なる試料が得られたことが示された。 According to FIG. 7, all samples showed a clear peak near 23.7°. This peak corresponds to the (002) diffraction peak of graphene. Focusing on the (002) diffraction peak of graphene, as the content of PEDOT:PSS increases, the (002) diffraction peak of graphene shifts to the characteristic peak (25.88°) of PEDOT:PSS. I found out. This indicates that samples with different ratios of graphene and PEDOT:PSS were obtained according to the design composition in Table 1.

Figure 0007188693000004
Figure 0007188693000004

表2によれば、PEDOT:PSSの含有量が増大するにつれて、シート抵抗が低減することが分かった。このことからも、表1の設計組成にしたがい、グラフェンとPEDOT:PSSとの比率の異なる試料が得られたことが示された。 According to Table 2, it was found that the sheet resistance decreased as the content of PEDOT:PSS increased. This also indicates that samples with different ratios of graphene and PEDOT:PSS were obtained according to the design composition in Table 1.

図8は、例2の試料のSEM像を示す図である。
図9は、例12の試料のSEM像を示す図である。
8 is a SEM image of the sample of Example 2. FIG.
9 is a SEM image of the sample of Example 12. FIG.

図8(a)および(b)は、例2の試料の断面のSEM像であり、図8(c)~(f)は例2の試料の表面のSEM像である。図9(A)は、例12の試料の表面のSEM像であり、図9(B)は、例12の試料の断面のSEM像である。 8(a) and (b) are SEM images of the cross section of the sample of Example 2, and FIGS. 8(c)-(f) are SEM images of the surface of the sample of Example 2. FIG. 9A is a SEM image of the surface of the sample of Example 12, and FIG. 9B is a SEM image of the cross section of the sample of Example 12. FIG.

磁場を印加した例2の試料では、断面中のグラフェンが紙面に対して上下方向に立ち上がっており(図8(a)、(b))、その表面もグラフェンが毛羽だっていることが分かった。図示しないが、例3~例8の試料も同様の様態を示した。特に、図8(b)から、グラフェン300個について調べたところ、グラフェンの平面方向がシートの平面方向に対して45°以上90°以下の仰角を有する方向に向くようにグラフェンが位置することが分かった。 In the sample of Example 2 to which a magnetic field was applied, the graphene in the cross section stood up in the vertical direction with respect to the paper surface (FIGS. 8A and 8B), and it was found that the graphene was also fluffed on the surface. Although not shown, the samples of Examples 3 to 8 exhibited similar behavior. In particular, from FIG. 8B, when 300 pieces of graphene were investigated, it was found that the graphene was positioned so that the plane direction of the graphene was oriented in a direction having an elevation angle of 45° or more and 90° or less with respect to the plane direction of the sheet. Do you get it.

一方、磁場を印加しない例12の試料では、その表面にはグラフェンの毛羽立ちはなく、平滑であり(図9(A))、断面中のグラフェンも紙面に対して水平方向に積層していることが分かった(図9(B))。図示しないが、例1、例11、例13~例17も同様の様態を示した。例1の試料は、磁場を印加したが、PEDOT:PSSがないため、磁場方向に配列したグラフェンを固定できなかったものと考える。 On the other hand, in the sample of Example 12 where no magnetic field was applied, the surface was smooth without fluff of graphene (Fig. 9(A)), and the graphene in the cross section was also laminated in the horizontal direction to the paper surface. was found (FIG. 9(B)). Although not shown, Examples 1, 11, and 13 to 17 also showed similar aspects. In the sample of Example 1, although a magnetic field was applied, the graphene aligned in the direction of the magnetic field could not be fixed because there was no PEDOT:PSS.

これらから、図2および図3に示す方法を実施することにより、少なくとも、複数のグラフェンと導電性ポリマーからなるシートとの複合体であって、グラフェンの少なくとも一部は、その一部のグラフェンの平面方向がシートの平面方向と異なる方向となるように、シートを介して位置した複合体が得られることが示された。 From these, by performing the method shown in FIGS. 2 and 3, at least a composite of a plurality of graphenes and a sheet made of a conductive polymer, wherein at least a part of the graphene is a part of the graphene It has been shown that composites can be obtained that are placed through the sheets such that the planar direction is different from the planar direction of the sheets.

図10は、例2および例12の試料の2D-SAXS方位角依存性を示す図である。 FIG. 10 shows the 2D-SAXS azimuth dependence of the samples of Examples 2 and 12;

例12の試料の2D-SAXSパターンによれば、90°と270°とに明瞭なピークを示した。これは、例12の試料において、グラフェンの平面方向がシートの平面方向(電極の平面方向に同じ)と同じとなるように積層していることを示す。一方、例2の試料の2D-SAXSパターンによれば、例2の試料の90°と270°とのピークの強度は、例12の試料のそれに比べると、顕著に低減した。このことは、例2の試料において、少なくとも一部のグラフェンの平面方向がシートの平面方向と異なるように位置することを示唆し、図8の結果に良好に一致する。 The 2D-SAXS pattern of the sample of Example 12 showed distinct peaks at 90° and 270°. This indicates that in the sample of Example 12, the graphene is laminated so that the plane direction thereof is the same as the plane direction of the sheet (same as the plane direction of the electrode). On the other hand, according to the 2D-SAXS pattern of the sample of Example 2, the intensity of the peaks at 90° and 270° of the sample of Example 2 was significantly reduced compared to that of the sample of Example 12. This suggests that the planar direction of at least a portion of the graphene in the sample of Example 2 is located in a different direction from the planar direction of the sheet, which agrees well with the results in FIG.

さらに、例2および例12の試料について、上述した式(A)および(B)から求められる配向パラメータSを算出した。表3に示すように、例2の試料のS値は0.47であり、例12の試料のS値は0.50であった。なお、S値の算出において、例2の試料については、Iは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピーク強度であり、Aは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のベースライン強度(25.424)であり、Bは線形振幅パラメータ(0.087)であり、Cは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピークの分布幅を規定するパラメータ(3.276)であり、Dは2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性の最大強度を有するピークの方位角(4.573)であり、ψは方位角(0°~360°)であり、Pは配向秩序パラメータ(0.47)であった。例12の試料については、Iは相対値であり、Aは49.6であり、Bは0.171であり、Cは3.470であり、Dは4.782であり、ψは0°~360°であり、Pは0.50であった。例3~例6の試料のS値は、いずれも、0.25<S<0.50を満たした。 Furthermore, for the samples of Examples 2 and 12, the orientation parameter S obtained from the above formulas (A) and (B) was calculated. As shown in Table 3, the S-value of the sample of Example 2 was 0.47 and the S-value of the sample of Example 12 was 0.50. In calculating the S value, for the sample of Example 2, I is the peak intensity of the azimuth dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern, and A is the azimuth dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern. is the baseline intensity (25.424), B is the linear amplitude parameter (0.087), and C is the parameter defining the distribution width of the azimuthally dependent peaks of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern (3. 276), D is the azimuth angle (4.573) of the peak with maximum intensity of the azimuth dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern, ψ is the azimuth angle (0° to 360°), P2 was the orientational order parameter ( 0.47). For the sample of Example 12, I is the relative value, A is 49.6, B is 0.171, C is 3.470, D is 4.782 and ψ is 0°. ~360° and P2 was 0.50. The S values of the samples of Examples 3 to 6 all satisfied 0.25<S<0.50.

Figure 0007188693000005
Figure 0007188693000005

図11は、例2および例12の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図である。
図12は、例4および例13の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図である。
図13は、例6および例15の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図である。
図14は、例8および例17の試料を用いたコインセルの電気化学特性を示す図である。
図15は、例2、例4、例6、例8、例10~例13、例15、例17および例18の試料を用いたコインセルの比容量の電流密度依存性(a)および比容量の保持特性(b)を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing the electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 2 and 12;
FIG. 12 is a diagram showing the electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 4 and 13;
FIG. 13 is a diagram showing the electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 6 and 15;
FIG. 14 is a diagram showing the electrochemical properties of coin cells using the samples of Examples 8 and 17;
FIG. 15 shows the current density dependence (a) of the specific capacity of coin cells using the samples of Examples 2, 4, 6, 8, 10 to 13, 15, 17 and 18 and specific capacity is a diagram showing a retention characteristic (b) of .

図11~図14のサイクリックボルタンメトリプロット(a)および(b)に着目すると、磁場を印加した試料を用いたコインセルは、掃引速度を増大しても、矩形の形状を維持した。特に、PEDOT:PSSの含有量が50%以下、好ましくは、30%以下、さらに好ましくは10%前後においてこの傾向が顕著であった。このことから、本発明の複合体を電極に用いた蓄電デバイスは、レート特性に優れることが示された。 Focusing on the cyclic voltammetry plots (a) and (b) of FIGS. 11-14, the coin cell with the magnetic field applied sample maintained its rectangular shape even with increasing sweep speed. In particular, this tendency was remarkable when the PEDOT:PSS content was 50% or less, preferably 30% or less, and more preferably around 10%. From this, it was shown that the electricity storage device using the composite of the present invention as an electrode has excellent rate characteristics.

図11~図14のガルバノスタット充放電プロット(c)および(d)に着目すると、電流密度が小さい場合には、磁場を印加した試料も磁場を印加しない試料も同様な挙動であり、大きな変化を示さなかったが、電流密度が大きい場合には、磁場を印加した試料は、磁場を印加しない試料に比べて、より長い放電時間を示した。このことから本発明の複合体を電極に用いた蓄電デバイスは、高速充電可能であることが示唆される。これらの充放電プロットから得られた比容量を表4にまとめて示す。 Focusing on the galvanostat charge-discharge plots (c) and (d) in FIGS. 11 to 14, when the current density is small, the behavior of the sample to which the magnetic field is applied and the sample to which the magnetic field is not applied is similar, and there is a large change. However, when the current density was high, the sample with applied magnetic field showed longer discharge time than the sample without applied magnetic field. This suggests that an electricity storage device using the composite of the present invention as an electrode can be charged at high speed. Table 4 summarizes the specific capacities obtained from these charge-discharge plots.

図11~図14の比容量の電流密度依存性(e)および比容量の保持特性(f)、ならびに、図15の比容量の電流密度依存性(a)および比容量の保持特性(b)に着目すると、磁場を印加した試料を用いたコインセルは、高い比容量および高い保持特性を有する傾向を示し、とりわけ、PEDOT:PSSの含有量が50%以下、好ましくは、30%以下、さらに好ましくは10%前後において、この傾向が顕著であった。以上の結果を表4にまとめて示す。 Current density dependence of specific capacitance (e) and specific capacitance retention characteristics (f) in FIGS. 11 to 14, and current density dependence of specific capacitance (a) and specific capacitance retention characteristics (b) in FIG. Focusing on , coin cells using samples to which a magnetic field is applied tend to have high specific capacity and high retention characteristics, and in particular, the content of PEDOT:PSS is 50% or less, preferably 30% or less, more preferably This tendency was remarkable at around 10%. The above results are summarized in Table 4.

Figure 0007188693000006
Figure 0007188693000006

図16は、例2および例12の試料を用いたコインセルのナイキストプロットとRagoneプロットとを示す図である。
図17は、例6、例8、例15および例17の試料を用いたコインセルのナイキストプロットを示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing Nyquist plots and Ragone plots of coin cells using the samples of Examples 2 and 12;
17 is a diagram showing Nyquist plots of coin cells using the samples of Examples 6, 8, 15 and 17. FIG.

図16のナイキストプロット(a)によれば、例2の試料および例12の試料をそれぞれ用いたコインセルの電荷移動抵抗は、0.66Ωおよび1.04Ωであった。磁場を印加した試料を用いたコインセルの電荷移動抵抗は、磁場を印加しない試料を用いたそれよりも、小さかった。また、例2の試料を用いた場合の45°の直線部(0.64Ωに相当)は、例12の試料を用いた場合のそれ(2.49Ωに相当)よりも短く、イオンの拡散抵抗が小さいことが分かった。 According to the Nyquist plot (a) of FIG. 16, the charge transfer resistances of the coin cells using the samples of Example 2 and Example 12, respectively, were 0.66Ω and 1.04Ω. The charge transfer resistance of the coin cells using samples with applied magnetic field was smaller than that using samples without applied magnetic field. In addition, the 45° linear portion (corresponding to 0.64 Ω) when using the sample of Example 2 is shorter than that (corresponding to 2.49 Ω) when using the sample of Example 12, and the ion diffusion resistance was found to be small.

図17(a)によれば、図16(a)と同様の傾向を示したが、図17(b)によれば、電荷移動抵抗およびイオン拡散抵抗に大きな違いが得られなかった。 According to FIG. 17(a), a tendency similar to that of FIG. 16(a) was shown, but according to FIG. 17(b), no significant difference was obtained in charge transfer resistance and ion diffusion resistance.

図16のRagoneプロット(b)によれば、例2の試料を用いたコインセルは、例12の試料を用いたそれよりも、高いパワー密度を取り出しつつ、一定のエネルギー密度を維持できることが分かった。 According to the Ragone plot (b) of FIG. 16, it was found that the coin cell using the sample of Example 2 can maintain a constant energy density while extracting a higher power density than that using the sample of Example 12. .

これらから、磁場を印加した試料を電極に用いたコインセルは、高いパワー密度および小さな拡散抵抗を有する傾向を示し、とりわけ、PEDOT:PSSの含有量が50%以下、好ましくは、30%以下、さらに好ましくは10%前後において、この傾向が顕著であった。 From these, the coin cell using the sample to which the magnetic field is applied as the electrode tends to have a high power density and a small diffusion resistance. Preferably, this tendency was remarkable at around 10%.

本発明の電極は、電解液のグラフェンへのアクセスが容易であり、導電性に優れ、電気二重層キャパシタに適用される。本発明の電極を適用した電気二重層キャパシタは、高速充電、大容量かつ高い保持特性を達成し、風力発電、電気自動車などに有利である。また、本発明の電極は、電気二重層キャパシタに加えて、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタにも適用される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The electrode of the present invention has easy access to the graphene in the electrolyte, excellent conductivity, and is applicable to electric double layer capacitors. An electric double layer capacitor to which the electrode of the present invention is applied achieves high-speed charging, large capacity and high retention characteristics, and is advantageous for wind power generation, electric vehicles, and the like. Further, the electrode of the present invention is applied to lithium ion batteries and lithium ion capacitors in addition to electric double layer capacitors.

100 電極
110 グラフェン
120 導電性ポリマーからなるシート
130 集電体
310 導電性ポリマー
320 分散媒
REFERENCE SIGNS LIST 100 electrode 110 graphene 120 conductive polymer sheet 130 current collector 310 conductive polymer 320 dispersion medium

Claims (19)

少なくとも、複数のグラフェンと導電性ポリマーからなるシートとの複合体を含有する電極であって、
前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向と異なる方向となるように、前記シートを介して位置し、
前記複数のグラフェンに対する前記シートの質量比は、0.05以上0.5以下である、電極。
An electrode containing at least a composite of a plurality of graphene and a sheet made of a conductive polymer,
at least some of the plurality of graphenes are positioned through the sheet such that the planar direction of the at least some graphenes is different from the planar direction of the sheet;
The electrode, wherein a mass ratio of the sheet to the plurality of graphenes is 0.05 or more and 0.5 or less .
前記複数のグラフェンに対する前記シートの質量比は、0.05以上0.25以下である、請求項1に記載の電極。 2. The electrode according to claim 1 , wherein a mass ratio of said sheet to said plurality of graphenes is 0.05 or more and 0.25 or less. 前記導電性ポリマーは、ポリ(4-スチレンスルホン酸)またはトシラートをドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSSまたはPEDOT:Tos)、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニリン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェンビニレン、ポリペリナフタレン、ポリアントラセン、ポリナフタリン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリ(ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン)、有機ホウ素ポリマー、ポリトリアゾール、ペリレン、カルバゾール、トリアリールアミン、テトラチアフルバレン、これらの誘導体、および、これらの共重合体からなる群から選択される、請求項1または2に記載の電極。 The conductive polymer is poly(4-styrenesulfonic acid) or tosylate-doped poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT:PSS or PEDOT:Tos), polyaniline, polyacetylene, polyphenylene, polyfuran, polyselenophene. , polythiophene, polyacene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene vinylene, polythiophene vinylene, polyperinaphthalene, polyanthracene, polynaphthalene, polypyrene, polyazulene, polypyrrole, polyparaphenylene, poly(benzobisimidazobenzophenanthroline), organic boron 3. Electrode according to claim 1 or 2 , selected from the group consisting of polymers, polytriazoles, perylenes, carbazoles, triarylamines, tetrathiafulvalene, derivatives thereof and copolymers thereof. 前記複合体の2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性を測定した際に、式(A)および(B)から求められる配向パラメータSは、0.25<S<0.50を満たす、請求項1~3のいずれかに記載の電極。
Figure 0007188693000007
(ここで、Iは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピーク強度であり、Aは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のベースライン強度であり、Bは線形振幅パラメータであり、Cは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性のピークの分布幅を規定するパラメータであり、Dは前記2次元小角X線散乱パターンの方位角依存性の最大強度を有するピークの方位角であり、ψは方位角であり、Sは配向パラメータであり、Pは配向秩序パラメータであり、xはcosψである。)
When the azimuth angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern of the composite is measured, the orientation parameter S obtained from the formulas (A) and (B) satisfies 0.25<S<0.50. The electrode according to any one of claims 1-3 .
Figure 0007188693000007
(where I is the azimuth-dependent peak intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, A is the azimuth-dependent baseline intensity of the 2D small-angle X-ray scattering pattern, and B is linear). is an amplitude parameter, C is a parameter that defines the distribution width of the peaks of the azimuth angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern, and D is the maximum intensity of the azimuth-angle dependence of the two-dimensional small-angle X-ray scattering pattern. is the azimuth angle of the peak with
前記複合体中の前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向に対して30°以上90°以下の仰角を有する方向に向くように、前記シートを介して位置する、請求項1~4のいずれかに記載の電極。 At least some of the plurality of graphenes in the composite are arranged such that the plane direction of the at least some graphenes is oriented in a direction having an elevation angle of 30° or more and 90° or less with respect to the plane direction of the sheet. 5. The electrode according to any one of claims 1 to 4 , positioned via a sheet. 前記複合体中の前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、前記少なくとも一部のグラフェンの平面方向が前記シートの平面方向に対して45°以上90°以下の仰角を有する方向に向くように、前記シートを介して位置する、請求項5に記載の電極。 At least part of the plurality of graphenes in the composite is arranged such that the planar direction of the at least part of the graphene faces in a direction having an elevation angle of 45° or more and 90° or less with respect to the planar direction of the sheet. 6. Electrode according to claim 5, located through a sheet. 前記複数のグラフェンのそれぞれの長手方向の大きさは、10nm以上10μm以下の範囲である、請求項1~6のいずれかに記載の電極。 7. The electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein each of the plurality of graphenes has a longitudinal size in the range of 10 nm or more and 10 µm or less. 前記複数のグラフェンのそれぞれの厚さは、0.3nm以上100nm以下の範囲である、請求項1~7のいずれかに記載の電極。 8. The electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein each of said plurality of graphenes has a thickness in the range of 0.3 nm or more and 100 nm or less. 前記複数のグラフェンの少なくとも一部は、貫通する孔を有する、請求項1~8のいずれかに記載の電極。 9. The electrode according to any one of claims 1 to 8, wherein at least some of said plurality of graphenes have through holes. 前記複数のグラフェンのそれぞれは、互いに1nm以上1μm以下の間隔で位置する、請求項1~9のいずれかに記載の電極。
10. The electrode according to any one of claims 1 to 9, wherein each of said plurality of graphenes is positioned at intervals of 1 nm or more and 1 µm or less from each other.
さらに繊維状物質を含有する、請求項1~10のいずれかに記載の電極。 The electrode according to any one of claims 1 to 10 , further comprising a fibrous substance. 前記繊維状物質は、カーボンナノチューブ、セルロースナノファイバおよび金属ナノワイヤからなる群から選択される、請求項11に記載の電極。 12. The electrode of claim 11, wherein said fibrous material is selected from the group consisting of carbon nanotubes, cellulose nanofibers and metal nanowires. 複数のグラフェンと導電性ポリマーとを、アルコールと水とを含有する分散媒に分散させるステップであって、前記複数のグラフェンに対する前記導電性ポリマーの質量比は、0.05以上0.5以下である、ステップと、
前記分散媒に磁場を印加し、加熱するステップと
を包含する、請求項1~12のいずれかに記載の電極の製造方法。
A step of dispersing a plurality of graphenes and a conductive polymer in a dispersion medium containing alcohol and water, wherein the mass ratio of the conductive polymer to the plurality of graphenes is 0.05 or more and 0.5 or less . a step that is
and applying a magnetic field to the dispersion medium to heat it.
前記磁場を印加し、加熱するステップは、2テスラ(T)以上50テスラ(T)以下の範囲の磁場を印加する、請求項13に記載の方法。 14. The method of claim 13, wherein the applying a magnetic field and heating step applies a magnetic field in the range of 2 Tesla (T) to 50 Tesla (T). 前記磁場を印加し、加熱するステップは、6テスラ(T)以上16テスラ(T)以下の範囲の磁場を印加する、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14, wherein the applying a magnetic field and heating step applies a magnetic field in the range of 6 Tesla (T) to 16 Tesla (T). 前記磁場を印加し、加熱するステップは、50℃以上100℃以下の範囲の温度に加熱する、請求項13~15のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 13 to 15, wherein said step of applying a magnetic field and heating heats to a temperature in the range of 50°C to 100°C. 前記アルコールは、メタノール、エタノール、1-プロパノール、1-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-ブタノール、および、2-メチル-2-プロパノールからなる群から選択される、請求項13~16のいずれかに記載の方法。 Claims 13-16 , wherein the alcohol is selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-butanol and 2-methyl-2-propanol. The method according to any one of 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1~12のいずれかに記載の電極からなる、蓄電デバイス。
An electricity storage device comprising an electrode and an electrolyte,
An electricity storage device, wherein the electrode comprises the electrode according to any one of claims 1 to 12 .
前記蓄電デバイスは、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタである、請求項18に記載の蓄電デバイス。 19. The electricity storage device according to claim 18, wherein said electricity storage device is an electric double layer capacitor, a lithium ion battery or a lithium ion capacitor.
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