[发明专利]双电层电容器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用碳纳米管等导电性微细纤维的双电层电容器及其制造方法。

背景技术

近年来，纳米线、纳米管、纳米突的微细纤维的研究盛行。作为构成纳米线的材料研讨了银、硅、金、铜、氧化锌、氧化钛、氮化镓等。作为纳米管已知碳纳米管等、作为纳米突已知碳纳米突等。

作为导电性材料而最被期望的碳纳米管具有使石墨片呈圆筒状变圆的构造。而且，是直径为0.7～100nm左右且长度为数μm至数mm的具有中空构造的材料。碳纳米管的电性质依赖于直径和手性，从金属显示半导体的性质。进而，由于不具有悬空键因而化学性稳定。另外由于仅由碳原子构成，所以作为环境负荷低的材料而受到关注。

由于碳纳米管具有如上所述的物性，所以期待着作为平板显示器的电子放出源、锂电池的电极材料、双电层电容器的电极材料、还有向探测探针的应用。

碳纳米管通过使用碳电极的电弧放电法、苯的热分解法、激光蒸镀法等合成得到。但是，在这些方法中，除碳纳米管之外也一同合成石墨。因此，在将碳纳米管应用于上述的电子源、电池的电极、探测探针等的情况下，需要事先除去石墨和碳纳米粒子等杂质。另外，由于各种长度的碳纳米管朝向任意的方向合成，所以在作为电子放出源的特性上产生限制。

近年来，发表了直接合成已取向的碳纳米管的方法。例如，公开了使用等离子体CVD法得到在Si(硅)晶片上密集地垂直取向的单壁纳米管的方法。根据该方法，得到石墨和碳纳米粒子等杂质少，且纤维的方向一致的碳纳米管。由此，将制作出的碳纳米管应用于电子源、电池的电极、探测探针等变得容易。

另外，利用表面积的大小将碳纳米管应用于双电层电容器用电极的研究开发盛行。进而有使用上述的技术将在集电体表面垂直生长的碳纳米管用于电极的例子。

双电层电容器为利用在活物质与电解液之间产生的双电层的电容器，除作为后备用电源使用之外，最近在电动汽车上采用，可预想今后的急速成长。目前，作为双电层电容器的活物质，使用活性碳是众所周知的(例如，参照专利文献1)，但若碳纳米管的外部表面积为2600～3000m²/g则远比活性碳大，由于显示了极强韧的机械特性、优良的电子物性等，因此将碳纳米管作为活物质使用的双电层电容器受到关注。

双电层电容器与利用氧化还原反应的电池相比工作原理不同，为通过在活物质的表面使电解液中的阳离子和阴离子吸脱附来进行充电和放电的蓄电器件。双电层电容器由于不伴随化学反应，所以寿命长，容易进行残存电荷的测量，环境负荷小等，与电池相比优点较多。

图11表示用于表示一般的双电层电容器的电工作原理的构造的一个例子。双电层电容器1100由正极1111和负极1112构成。正极1111由集电体1107和设置在集电体上的活物质层1108构成。负极1112由集电体1104和设置在集电体上的活物质层1105构成。正极1111和负极1112位于电解液1106内。通过由电源1101对正极1111和负极1112施加电压，在正极1111和负极1112之间产生电场。通过该电场效应在正极1111的活物质层1108的内部产生正电荷1109，将阴离子1110拉近正极1111。另外，在负极1112的活物质层1105的内部产生负电荷1103，将阳离子1102拉近负极1112。像这样进行蓄电。通过施加在正极1111和负极1112之间而产生的电场，由于阴离子1110吸附到正极1111，阳离子1102吸附到负极1112，在正极1111和负极1112之间的电场消失。取而代之地，在正极1111和阴离子1110之间，在负极1112和阳离子1102之间生成双电层。该两个双电层的电位差合计为两级的电位差。

图12表示与图11相对应的电的等效电路。如图12所示，双电层电容器为两个电容器1202、1203串联连接的构造。

蓄积在电容器中的电荷Q，在设电容器的电容为C、电压差为V时，一般表示为Q＝CV。蓄积在电容器中的能量E表示为E＝1/2CV²。因此，活物质每单位体积的蓄积能量和活物质每单位体积的电容器的电容成比例。因此，在使离子吸附的面积减少的程度下通过提高活物质层的密度，能够使活物质每单位体积的蓄积能量增加。

在非专利文献1中，公开了作为碳纳米管的高密度化技术，通过单纯的高压施压(1～10t/cm²(98～980MPa))，几乎不使表面积和电容减小地实现最大超过0.6g/cm³的高密度化的技术。

专利文献1：日本特公平2-847号公报