电化学电容器用电极形成材料

文档序号:144607 发布日期:2021-10-22 浏览:30次 >En<

阅读说明:本技术 电化学电容器用电极形成材料 (Electrode forming material for electrochemical capacitor ) 是由 近藤刚史 东条敏史 汤浅真 宫下健丈 三木亚鸟 西川正浩 郑贵宽 于 2020-02-28 设计创作,主要内容包括:本发明提供对于形成具有高蓄电容量和高能量密度的电化学电容器的电极而言有用的电化学电容器用电极形成材料。本发明的电化学电容器用电极形成材料含有:比表面积为110m~(2)/g以上且20℃下的电导率为5.0×10~(-3)S/cm以上的硼掺杂纳米金刚石(A)、和金属氧化物(B),上述(B)的含量为上述(A)与(B)的合计含量的20~95质量%。(The present invention provides an electrode forming material for an electrochemical capacitor, which is useful for forming an electrode of an electrochemical capacitor having a high storage capacity and a high energy density. The electrode forming material for electrochemical capacitor of the present invention comprises a specific surface area of 110m 2 A specific conductivity of 5.0X 10 at 20 ℃ in a concentration of not less than g ‑3 A boron-doped nanodiamond (A) having an S/cm or higher concentration and a metal oxide (B), wherein the content of the metal oxide (B) is 20 to 95% by mass of the total content of the boron-doped nanodiamond (A) and the metal oxide (B)。)

电化学电容器用电极形成材料

技术领域

本发明涉及电化学电容器用电极形成材料。本申请主张在2019年3月6日向日本提出申请的日本特愿2019-040843号的优先权,将其内容援引于此。

背景技术

已知在绝缘性的金刚石中以高浓度掺杂硼时,会生成空穴(p型半导体),从而被赋予金属性的导电性。进而,已知在金刚石中以高浓度掺杂有硼的硼掺杂金刚石(BDD:BoronDoped Diamond)具有来自于金刚石的高物理稳定性及化学稳定性、以及优异的导电性,因此被用作电极形成材料(例如,专利文献1)。

在具备包含硼掺杂金刚石粒子的电极的电化学电容器中,在电极与电解液接触的界面,正负的电荷在极短的距离内取向而形成双电层。电化学电容器是利用该双电层的正负电荷而存储电荷的蓄电设备,具有由非法拉第反应过程形成的双电层电容。因此,能够以大电流实现高速充放电,即使反复进行充放电也不会发生劣化,寿命长。

然而,电化学电容器与二次电池相比,存在蓄电容量、能量密度小的问题。

另一方面,对于将金属氧化物用于电极而得到的赝双层电容器而言,除了由非法拉第反应过程形成的双电层电容以外,还可以在金属氧化物的表面或表面附近通过伴随着氧化还原反应的法拉第反应过程来存储电荷。因此,与碳系的双电层电容器相比,能够存储更多的电荷。然而,金属氧化物存在可施加的电池电压低的问题。另外,作为金属氧化物,例如氧化钌由于稀少且昂贵,因此也存在成本高的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2008-133173号公报

发明内容

发明所要解决的问题

因此,本发明的目的在于提供对于形成具有高蓄电容量和高能量密度的电化学电容器的电极而言有用的电化学电容器用电极形成材料。

本发明的其它目的在于提供对于形成具有高蓄电容量、高能量密度及高输出密度的电化学电容器的电极而言有用的电化学电容器用电极形成材料。

本发明的其它目的在于提供包含上述电化学电容器用电极形成材料的电化学电容器用电极。

本发明的其它目的在于提供包含上述电化学电容器用电极形成材料的油墨。

本发明的其它目的在于提供具备上述电极的电化学电容器。

本发明的其它目的在于提供具备上述电极的电子设备、电动车辆、或蓄电装置。

解决问题的方法

本发明人等为了解决上述问题而进行了深入研究,结果得知:硼掺杂纳米金刚石(以下有时称为“BDND”)的分散性优异,比表面积大,而且,能够施加接近约2V的电池电压,因此,将其用于电极而得到的双电层电容器与使用粒径大的硼掺杂金刚石粒子的情况相比,在电极与电解液的界面形成的双电层的面积宽大,由非法拉第反应过程形成的双电层电容变大。

而且发现了:如果将以特定的比例含有BDND和金属氧化物的混合物用于电极,则BDND会抑制金属氧化物的凝聚,由此,与单独使用金属氧化物的情况相比,能够在抑制昂贵的金属氧化物的用量的同时,增加金属氧化物的电化学上有效的面积,从而能够提高每单位量的金属氧化物的蓄电容量,提高能量密度。本发明是基于这些见解而完成的。

即,本发明提供一种电化学电容器用电极形成材料,其含有:比表面积为110m2/g以上且20℃下的电导率为5.0×10-3S/cm以上的硼掺杂纳米金刚石(A)、和金属氧化物(B),上述(B)的含量为上述(A)与(B)的合计含量的20~95质量%。

另外,本发明提供上述电化学电容器用电极形成材料,其中,金属氧化物(B)为氧化钌。

另外,本发明提供上述电化学电容器用电极形成材料,其中,硼掺杂纳米金刚石(A)的中值粒径为200nm以下。

另外,本发明提供上述电化学电容器用电极形成材料,其中,金属氧化物(B)的中值粒径为1000nm以下。

另外,本发明提供一种油墨,其含有上述电化学电容器用电极形成材料和粘合剂。

另外,本发明提供一种电化学电容器用电极,其在基材上担载有比表面积为110m2/g以上且20℃下的电导率为5.0×10-3S/cm以上的硼掺杂纳米金刚石(A)、和金属氧化物(B),且上述(B)的担载量为上述(A)与(B)的合计担载量的20~95质量%。

另外,本发明提供上述电化学电容器用电极,其蓄电容量为10F/g以上。

另外,本发明提供一种电化学电容器,其具备上述电极。

另外,本发明提供一种电子设备,其具备上述电化学电容器。

另外,本发明提供一种电动车辆,其具备上述电化学电容器。

另外,本发明提供一种蓄电装置,其具备上述电化学电容器。

发明的效果

本发明的电化学电容器用电极形成材料以特定的比例含有BDND(A)和金属氧化物(B),因此,上述(A)能够抑制上述(B)的凝聚,由此,与(B)单独的情况相比,能够增大(B)的电化学上的有效面积。

因此,具备使用本发明的电化学电容器用电极形成材料而得到的电极的电化学电容器与具备单独担载上述(A)的电极的情况相比,能够提高蓄电容量。另外,与具备单独担载上述(B)的电极的情况相比,能够提高每单位量金属氧化物的蓄电容量。因此,能够提高能量密度,提高输出密度。

进而,具备上述电化学电容器的(例如以电源、辅助电源的形式具备上述电化学电容器的)电子设备、电动车辆的蓄电容量大,能够以大电流实现急速充放电。即,为大容量且高输出。另外,充放电效率高(或者伴随着充放电的电荷的损失小),充放电循环寿命长。

另外,如果将上述的为大容量且高输出、且充放电效率高、循环寿命长的电化学电容器用作可再生能量的蓄电装置,则能够实现大容量的蓄电,可以防止气候引起的发电损失,从而长期稳定地供给电力。另外,还可以削减与维护相关的成本。

附图说明

图1是示出在制备例中得到的BDND(1)的UV拉曼光谱数据的图。

图2是示出使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池在1M的H2SO4中的CV测定(扫描速度:10mV/s)结果的图。

图3是对使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池在1M的H2SO4中的蓄电容量-扫描速度进行作图而得到的图。

图4是示出使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池的拉贡图(RagonePlot)的图。

图5是示出电极中的RuO2纳米粒子担载量相对于BDND与RuO2纳米粒子(=RuO2NP)的合计担载量所占的比例、与单位质量的蓄电容量的关系的图。

具体实施方式

[电化学电容器用电极形成材料]

本发明的电化学电容器用电极形成材料(以下有时简称为“电极形成材料”)含有BDND(A)和金属氧化物(B)。相对于上述(A)与(B)的合计含量,上述(B)的含量为20~95质量%。

从能够提高蓄电容量(优选为每单位量的金属氧化物(B)的蓄电容量、或者每单位量的BDND(A)与金属氧化物(B)的合计含量的蓄电容量)、得到具有高能量密度的电极的方面考虑,上述(B)的含量的下限优选为25质量%、更优选为30质量%、进一步优选为40质量%、特别优选为45质量%。另外,从能够提高蓄电容量(优选为每单位量的金属氧化物(B)的蓄电容量、或者每单位量的BDND(A)与金属氧化物(B)的合计含量的蓄电容量)、得到具有高能量密度的电极、同时削减电极的制造成本的方面考虑,上述(B)的含量的上限优选为80质量%、更优选为70质量%、特别优选为60质量%、最优选为55质量%。

另外,从能够提高电极的能量密度及输出密度的方面考虑,上述(B)的含量相对于上述(A)与(B)的合计含量优选为25~95质量%、更优选为30~95质量%、进一步优选为40~90质量%、特别优选为45~85质量%。

本发明的电极形成材料中除了BDND(A)以外,还可以含有其它碳材料,但从具有高电导率、比表面积大、能够施加高电池电压(电池电压例如为1.4以上、优选为1.5以上)的方面考虑,BDND(A)在电极形成材料所包含的全部碳材料中所占的比例例如优选为60质量%以上、更优选为70质量%以上、特别优选为80质量%以上、最优选为90质量%以上。

本发明的电极形成材料中除上述(A)和(B)以外,还可以含有一种或两种以上其它成分。作为其它成分,可举出例如分散介质。作为上述分散介质,优选为乙醇等醇。

本发明的电极形成材料例如可以通过使BDND(A)和金属氧化物(B)分散于分散介质(例如,乙醇等醇等)中来制造。相对于分散介质1mL,电极形成材料中的BDND(A)与金属氧化物(B)的合计含量例如为1~20mg左右、优选为5~15mg。

使BDND(A)和金属氧化物(B)分散于分散介质中时,可以使用例如:高剪切混合机、高切力混合器(high shear mixer)、均化器、球磨机、珠磨机、高压均化器、超声波均化器、胶体磨等。

(BDND(A))

BDND(A)在纳米金刚石粒子(ND粒子)的表面含有硼。上述BDND优选具有在ND粒子的表面沉积有含有硼的金刚石层和/或碳层的构成。

BDND(A)中的硼含量例如为0.1~100mg/g、优选为0.2~50mg/g、特别优选为0.3~10mg/g、最优选为0.4~5mg/g、尤其优选为0.5~2mg/g。BDND(A)在上述范围内含有硼时,能够发挥出优异的导电性。

BDND(A)的比表面积为110m2/g以上,优选为150m2/g以上,更优选为200m2/g以上,进一步优选为300m2/g以上,进一步优选为400m2/g以上,特别优选为500m2/g以上,最优选为600m2/g以上。需要说明的是,比表面积的上限例如为1500m2/g。

BDND(A)的粒径(D50,中值粒径)例如为200nm以下、优选为150nm以下、特别优选为120nm以下。BDND的粒径的下限例如为1nm。如果粒径高于上述范围,则比表面积降低,存在包含该BDND的电极的蓄电容量降低的倾向。BDND的粒径可以通过动态光散射法来测定。

BDND(A)在20℃下的电导率为5.0×10-3S/cm以上,优选为10×10-3S/cm以上,更优选为15×10-3S/cm以上,进一步优选为20×10-3S/cm以上,特别优选为25×10-3S/cm以上,最优选为30×10-3S/cm以上。需要说明的是,20℃下的电导率的上限例如为1000S/cm左右。

另外,BDND(A)在光源波长325nm的拉曼光谱中于1370~1420cm-1及1580~1620cm-1具有谱带。

BDND(A)可以通过例如热CVD法、等离子体CVD法、光CVD法、激光CVD法等CVD法(Chemical Vapor Deposition:化学气相沉积法)来制造。具体而言,可以根据需要在载气(例如,氢气、氮气等)的存在下对气化状态的成膜材料(硼源和碳源)赋予热、等离子体、紫外光、激光等能量而激发/促进化学反应,使硼附着于作为基材的ND粒子的表面(或者层叠含有硼的金刚石层和/或碳层),由此进行制造。在本发明中,从杂质少、可得到高品质的BDND的观点考虑,优选等离子体CVD法(特别是微波等离子体CVD法)。

作为上述硼源,可以使用硼或硼化合物。作为上述硼化合物,可以列举例如:氧化硼、碳化硼、氮化硼、硼酸、乙硼烷、三乙基硼烷、三甲氧基硼烷、三乙氧基硼烷、三丙氧基硼烷、三(1,1-二甲基乙氧基)硼烷等。它们可以单独使用1种,或者组合使用2种以上。

作为上述碳源,可以列举例如:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷等脂肪族烃;环己烷等脂环式烃;苯、甲苯、二甲苯、乙苯等芳香族烃;甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等醇;丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮等酮;乙醚、二甲氧基乙烷、四氢呋喃、二烷等醚;乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯等酯等。它们可以单独使用1种,或者组合使用2种以上。

作为上述碳源,从易于气化、且上述硼源的溶解性优异的观点考虑,优选使用酮和醇的混合物(例如,丙酮和甲醇混合溶液)。酮与醇的混合比(v/v)例如为95/5~60/40。

另外,作为成膜材料中包含的硼源的浓度,相对于碳源,例如为10000~30000ppm,优选为15000~25000ppm。硼源的浓度超过上述范围时,存在金刚石层和/或碳层的结晶性降低的倾向。另一方面,硼源的浓度低于上述范围时,存在难以获得导电性的倾向。

利用CVD法处理时的压力例如为30~80Torr。

利用CVD法的处理时间(或成膜时间)例如为1~24小时,优选为5~12小时。

在利用CVD法在ND粒子的表面掺杂硼(具体而言,在ND粒子的表面使含有硼的金刚石层和/或碳层生长)之后,对得到的BDND实施加热处理而使该BDND中包含的金刚石层和/或碳层的结构最优化,由此,可以飞跃性地提高BDND的比表面积,可以提高包含该BDND的电极的双电层电容,从该观点出发是优选的。

上述加热处理中的加热温度例如为400~600℃,优选为400~500℃。另外,加热时间例如为1~24小时,优选为5~12小时。

作为基材的ND粒子的粒径(D50、中值粒径)例如为50nm以下,优选为30nm以下,特别优选为20nm以下,最优选为10nm以下。作为基材的ND粒子的粒径的下限例如为1nm。

作为基材的ND粒子,例如可以使用爆轰法ND(即,利用爆轰法生成的ND)、高温高压法ND(即,利用高温高压法生成的ND)。在本发明中,从比表面积更大的观点考虑,其中优选爆轰法ND。

(金属氧化物(B))

金属氧化物是具有导电性、能够通过法拉第反应(即,氧化还原反应)产生赝电容的化合物。即,是赝电容物质。作为这样的金属氧化物,可列举例如:氧化钼、氧化铱、氧化钽、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化钒、氧化铬、氧化锡、氧化铌、氧化钽、氧化钌、氧化铟、氧化钛、氧化锆、氧化镍等。这些金属氧化物可以单独使用一种,或者可以组合使用两种以上。

在本发明中,从具有高电导率、且具有高物理稳定性及化学稳定性的方面考虑,其中优选氧化钌(RuO2)。

从通过使比表面积较大而能够促进氧化还原反应的进行、能够增加赝电容的方面考虑,金属氧化物(B)的粒径(D50,中值粒径)例如优选为1000nm以下、更优选为100nm以下、特别优选为50nm以下。即,金属氧化物(B)优选为纳米粒子。需要说明的是,粒径的下限例如为1nm。金属氧化物(B)的粒径可以通过动态光散射法来测定。

例如,氧化钌纳米粒子可以通过溶胶-凝胶法来制造。作为原料,可利用氯化钌、钌醇盐等。在将氯化钌用作原料的情况下,存在由于水解而解离出氯、导致反应变得不均匀的情况,在该情况下,优选使用水解抑制剂(例如,氢氧化钠、碳酸氢铵等)来将反应体系内的pH保持为6~8的范围。由此能够制造均匀的氧化钌纳米粒子。

通过溶胶-凝胶法得到的氧化钌纳米粒子例如可以通过实施水洗等而进行纯化。

[油墨]

本发明的油墨含有上述的电极形成材料和粘合剂。

作为上述粘合剂,是能够将电极形成材料中所含的BDND(A)和金属氧化物(B)粘接固定于基材上而不会损害它们的导电性的化合物。作为这样的粘合剂,可举出例如:具有高质子导电性的高分子化合物(特别是具有磺酸基的高分子化合物)。在本发明中,可使用例如商品名“Nafion”(SIGMA-ALDRICH公司制)等市售品。

作为上述粘合剂的用量,相对于电极形成材料中所含的BDND(A)与金属氧化物(B)的合计1质量份,例如为0.1~5质量份左右、优选为0.5~2质量份。

本发明的油墨除电极形成材料和粘合剂以外,还可以含有其它成分,但电极形成材料(优选为BDND(A)、金属氧化物(B)及分散介质)与粘合剂的合计含量在油墨总量中所占的比例例如为50质量%以上、优选为70质量%以上、特别优选为80质量%以上、最优选为90质量%以上。需要说明的是,上限为100质量%。即,本发明的油墨可以仅由电极形成材料和粘合剂构成。

本发明的油墨可以通过例如将上述的电极形成材料(含有BDND(A)、金属氧化物(B)及分散介质)及粘合剂混合来制造。需要说明的是,在本发明中,可以预先将上述电极形成材料和粘合剂混合而制造油墨、并将其涂布或浸渗于基材,也可以将上述电极形成材料和粘合剂分阶段涂布或浸渗于基材、并在基材上使上述电极形成材料和粘合剂混合而形成油墨。

本发明的油墨由于具有上述构成,因而能够适宜地用于形成电化学电容器用电极的用途。

[电化学电容器用电极]

本发明的电化学电容器用电极是在基材上担载上述BDND(A)和金属氧化物(B)而成的。

就上述电极中包含的BDND(A)而言,通过施加电压,会通过非法拉第反应过程而产生双电层电容。其中,BDND(A)如上所述,由于比表面积大,因此双电层的蓄电容量大。

另外,上述电极中包含的金属氧化物(B)通过非法拉第反应过程而产生双电层电容。另外,同时会通过法拉第反应过程、即由下述式(1)表示的氧化还原反应而产生赝电容。

[化学式1]

上述电子(e-)由BDND(A)供给,质子(H+)由电解质水溶液供给。

因此,在本发明的电化学电容器用电极中,通过兼具下述[1]~[3],能够促进上述式(1)所示的氧化还原反应的进行,能够以良好的效率产生赝电容,能够提高蓄电容量。

[1]增加金属氧化物(B)的担载量

[2]增大供给质子(H+)的电解液与金属氧化物(B)接触的面积

[3]增大供给电子的BDND(A)与金属氧化物(B)接触的面积

其中,相对于上述(A)与(B)的合计含量,上述(B)的担载量(或担载比例)低于20~95质量%的范围时(换言之,上述(A)的担载量变得过量时),存在因赝电容降低而导致难以提高电荷的蓄电容量的倾向。

另一方面,即使相对于上述(A)与(B)的合计含量,上述(B)的担载量(或担载比例)高于20~95质量%的范围,上述(B)也难以与BDND(A)、电解液有效地接触,因此,无法得到进一步提高赝电容的效果,反而存在由于过量使用昂贵的(B)而导致成本变高的倾向。

另外,存在由于上述(B)的担载量(或者担载比例)的增加而导致电池电力(V)降低的倾向。

因此,从能够进一步提高蓄电容量(C)、提高能量密度(E)的方面考虑,上述(B)的担载量相对于上述(A)与(B)的合计担载量优选为30质量%以上、更优选为40质量%以上、特别优选为45质量%以上。另外,上述(B)的担载量的上限优选为80质量%、更优选为70质量%、特别优选为60质量%、最优选为55质量%。

需要说明的是,能量密度(E)是指,单位质量中所存储的能量,可通过下述式(2)求出。

E(Wh/Kg)=CV2/2 (2)

(式中,C表示蓄电容量,V表示电池电压)

每1cm2电极的上述(A)的担载量例如为0.5~100mg左右、优选为1~50mg、特别优选为2~10mg、最优选为2~5mg。

每1cm2电极的上述(B)的担载量例如为0.5~100mg左右、优选为1~50g、特别优选为2~10mg、最优选为2~5mg。

上述电极如上所述,通过具有高双电层电容和高赝电容而具有非常优异的蓄电容量。上述电极的蓄电容量例如为10F/g以上、优选为15F/g以上、特别优选为20F/g以上、最优选为25F/g以上。需要说明的是,蓄电容量的上限例如为30F/g左右。

另外,在使用活性炭作为电极形成材料的通常的电极中,随着扫描速度变大,蓄电容量会急剧减少,但是根据上述电极,由于BDND(A)与活性炭不同、不具有发达的微孔结构,因此,即使在高速扫描时,电解质离子也容易迁移,能够快速地形成双电层。因此,即使扫描速度变大,也能够抑制蓄电容量的降低,在高速扫描时也能将蓄电容量保持为高水平。

此外,根据上述电极,特别是在(B)的担载量相对于上述(A)与(B)的合计担载量超过20质量%且为95质量%以下(更优选为30~95质量%、特别优选为40~90质量%、最优选为45~85质量%)的情况下,能够提高输出密度(P)。

需要说明的是,输出密度(P)是每单位质量在1秒钟导出的能量,可通过下述式(3)求出。

P(W/Kg)=3600×E/t (3)

[式中,E表示能量密度(单位为Wh/kg),t表示时间(单位为秒)]

上述电极例如可以通过将上述的油墨(含有电极形成材料和粘合剂)涂布或浸渗于基材来制造。

需要说明的是,电极形成材料和粘合剂如上所述,可以使用将它们全部混合而得到的物质(=油墨)并一次性地涂布或浸渗于基材,也可以将它们分阶段涂布或浸渗于基材。例如,可以将上述的电极形成材料(含有(A)、(B)及分散介质)涂布或浸渗于基材,接着涂布或浸渗粘合剂。

优选在将上述(A)、(B)、分散介质及粘合剂一次性地或分阶段地涂布或者浸渗于基材之后实施干燥处理而使分散介质蒸发。

作为上述基材,可使用绝缘性基材、导电性基材。作为绝缘性基材,可列举例如:硅基材、玻璃基材、石英基材、陶瓷基材、金刚石基材等。另外,作为导电性基材,可列举例如:钛、钼、铌、铝、不锈钢等金属基材、玻璃状碳等碳基材等。

上述电极的蓄电容量大,因此,例如也可以适宜用于作为电子设备、电动车辆等的电源或辅助电源、蓄电装置等使用的电化学电容器。

[电化学电容器]

本发明的电化学电容器的特征在于,具备上述电化学电容器用电极。另外,优选在具备上述电化学电容器用电极的同时具备电解液和隔板。

作为上述电解液,可使用水系电解液和非水系电解液。其中,从耐电压特性优异的方面考虑,优选水系电解液。作为水系电解液,可以列举例如:盐酸、硫酸、乙酸、磷酸等酸的水溶液;氢氧化钠、氨等碱的水溶液;高氯酸锂、高氯酸镁、高氯酸钙、高氯酸钡、高氯酸铝、高氯酸钠、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钠等盐的水溶液等。

另外,水系电解液可以在不脱离本发明主旨的范围内分别包含1种或2种以上的添加剂、水溶性有机溶剂。作为上述添加剂,可以举出例如高氯酸四乙铵等盐。另外,作为上述水溶性有机溶剂,可以列举例如:乙二醇、丙二醇、丁二醇、甘油、聚C2-4亚烷基二醇(例如,二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇)等多元醇、内酯类等。

作为上述非水系电解液,可以列举例如包含四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵等季铵盐的、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、乙腈等有机系电解液。

作为上述隔板,可以列举例如:PP、PE等聚烯烃类隔板;无纺布、玻璃纤维等多孔性隔板等。

本发明的电化学电容器可以通过在浸渍在电解液中的两片BDND电极之间连接电源并施加电压来进行充放电。充电时,电解质离子吸附于BDND电极表面。放电时,吸附于BDND电极表面的阳离子及阴离子脱离,再次扩散至电解液中。充放电不会伴有BDND电极的化学变化,因此BDND电极不会因充放电而劣化,可以保持长寿命。

本发明的电化学电容器的蓄电容量大。另外,与通常的二次电池相比,能够实现高速的充放电。即,为大容量且高输出。而且,充放电循环寿命也优异。因此,在例如电子设备、电动车辆等中作为电源或辅助电源是有用的。另外,作为通过太阳能发电、风力发电等自然能发电而得到的电力的蓄电装置、或电动车辆的再生电力储存系统等也是有用的。

[电子设备、电动车辆、蓄电装置]

本发明的电子设备具备上述电化学电容器。

另外,本发明的电动车辆具备上述电化学电容器。

另外,本发明的蓄电装置具备上述电化学电容器。

上述电子设备包括例如:移动设备、AV设备等。

上述电动车辆包括例如:混合动力汽车、电动汽车、电车、建设重型设备等。

本发明的电子设备、电动车辆由于具备上述电化学电容器作为例如电源、辅助电源,因此,不需要频繁地进行充电。另外,能够进行急速充放电。此外,即使反复进行充放电,也不会发生劣化,有助于与维护相关的成本的削减。另外,本发明的电子设备、电动车辆也可以用作备用电源。

本发明的蓄电装置由于具备上述电化学电容器,因此能够长期稳定地以大容量蓄电,能够防止由气候引起的发电损失,从而用于稳定地供给电力的用途。另外,能够进行急速充放电,充放电效率高。此外,充放电循环寿命长。因此,有助于与维护相关的成本的削减。因此,根据本发明的蓄电装置,能够储存太阳能发电、风力发电等自然能发电电力,能够对变动的发电电力平稳化地进行送电、或者使负荷的瞬时大电力平稳化,能够提高自然能发电效率。另外,在将电动车辆减速时以往会以热的形式损失的能量再生而储存的用途中也是有用的。

实施例

以下,通过实施例对本发明更具体地进行说明,但本发明并不限定于这些实施例。

制备例1(BDND的制造)

(生成工序)

首先,将电雷管安装于成型后的炸药并将其设置在爆轰用的耐压性容器(铁制容器、容积:15m3)的内部,将容器密闭。作为炸药,使用了TNT和RDX的混合物(TNT/RDX(质量比)=50/50)0.50kg。接着,使电雷管起爆,在容器内使炸药发生爆轰。接下来,在室温下静置24小时,使容器及其内部降温。在该自然冷却之后,进行用刮刀刮取附着于容器内壁的ND粗产物(包含ND粒子的凝聚体和烟尘)的操作,回收了ND粗产物。ND粗产物的回收量为0.025kg。

(氧化处理工序)

接下来,在具备使50℃的制冷剂循环的冷凝器和连接于上述冷凝器的碱收集器的反应器中,在1atm下,一边加热反应器,一边将生成工序中得到的ND粗产物(3g)、浓硫酸(80.6g)及碳酸铜(催化剂量)加入反应器。

向其中滴加发烟硝酸(20.4g、使上述浓硫酸与硝酸的比例为80/20(前者/后者;质量比)的量)。随着反应的进行而蒸发出的硝酸及生成的H2O在冷凝器中被冷凝而返回反应器内。另一方面,NO、NO2、CO及CO2被连接于冷凝器的碱收集器捕获。此时,反应温度为150℃。

从反应开始经过48小时后,停止反应器的加热,将反应器内冷却至室温。在冷却后,通过倾析进行了固体成分(包含ND凝聚体)的水洗。最初水洗的上清液是着色的,反复通过倾析进行该固体成分的水洗、直至通过肉眼观察上清液变为透明为止。

(破碎工序)

接下来,使用珠磨机(商品名“Ultra Apex Mill UAM-015”、寿工业株式会社制造)对经过上一工序而得到的浆料300mL进行了破碎处理。在本处理中,使用氧化锆珠(直径0.03mm)作为破碎介质,研磨容器内填充的珠的量设为相对于研磨容器的容积为60%,将在研磨容器内旋转的转子销(rotor pin)的圆周速度设为10m/s。另外,将在装置内循环的浆料的流速设为10L/h,进行了90分钟的破碎处理。

(离心分离工序)

接下来,通过利用了离心力作用的分级操作,从含有经过上述破碎工序的ND的溶液中去除粗大粒子(离心分离处理)。在本工序的离心分离处理中,离心力设为20000×g,离心时间设为10分钟。由此,得到了黑色透明的ND水分散液(1)。

(干燥工序)

接着,使用蒸发器从在离心分离工序中得到的ND水分散液(1)中使液体成分蒸发,然后使用干燥用烘箱在120℃下加热残留固体成分,使其干燥。

如上所述,得到了ND(1)(粉体、通过动态光散射法测得的中值粒径(粒径D50):5nm)。

(硼掺杂工序)

以得到的ND(1)作为基材,通过MPCVD法在下述条件下掺杂了硼。作为原料溶液,使用了在作为碳源的丙酮/甲醇混合溶液(9:1,v/v)中以使得相对于碳原子的硼原子浓度达到20000ppm的比例添加三甲氧基硼烷而成的溶液。由此得到了BDND(1)。

<MPCVD条件>

微波输出功率:1300W

压力:50Torr

氢气流量:400sccm

生长时间:8小时

(粒径、比表面积及电导率的测定)

通过动态光散射法对得到的BDND(1)的粒径(D50)进行了测定。其结果是111nm。

另外,通过氮吸附法测定了BET比表面积。其结果是182.0m2/g。

进一步,在20℃下将BDND(1)填充于内径1mm的玻璃毛细管,根据两端的直流电阻计算出电导率。

另外,根据BDND(1)的UV拉曼光谱(光源波长:325nm)测定结果,在BDND(1)中明显观察到了来自sp2碳的D带及G带(图1)。

此外,通过ICP-AES法进行了BDND(1)的元素分析,结果得知了含有620mg/kg的硼。

以上的结果表明,BDND(1)是具有在纳米金刚石粒子的表面沉积有含硼的sp2碳层的结构的复合体。

制备例2(氧化钌纳米粒子的制造)

以0.5mL/分的速度在0.1M的RuCl3100mL中添加了1M的NaOH水溶液30mL。然后搅拌了12小时。

然后,对反应液实施离心分离处理(7500rpm×15分钟),将水分除去,进一步通过抽滤将滤液除去,得到了过滤物。

用水对得到的过滤物进行清洗,实施减压干燥(在0.08MPa、120℃下12小时以上),得到了氧化钌纳米粒子(1)。通过动态光散射法对得到的氧化钌纳米粒子(1)的粒径(D50)进行了测定。其结果是50nm。

实施例1(电极形成材料的制造)

使得到的BDND(1)5mg、和氧化钌纳米粒子(1)5mg分散于0.5mL的30质量%乙醇,得到了电极形成材料(1)(B/(A+B):50%)。

将得到的电极形成材料(1)20μL浇注在作为集电体的玻璃状碳基材上,于60℃进行了加热干燥后,将5质量%Nafion(具有在疏水性特氟龙(注册商标)骨架上键合有具有磺酸基的全氟侧链的构成的全氟化碳)10μL浇注于最表面,得到了电极(1)(每1cm2电极的BDND担载量:2.9mg,氧化钌纳米粒子2.9mg)。

实施例2

使用了BDND(1)8mg、和氧化钌纳米粒子(1)2mg,除此以外,与实施例1同样地得到了电极形成材料(2)(B/(A+B):20%),得到了电极(2)(每1cm2电极的BDND担载量:4.6mg,氧化钌纳米粒子1.1mg)。

实施例3

使用了BDND(1)2mg、和氧化钌纳米粒子(1)8mg,除此以外,与实施例1同样地得到了电极形成材料(3)(B/(A+B):80%),得到了电极(3)(每1cm2电极的BDND担载量:1.1mg,氧化钌纳米粒子4.6mg)。

比较例1

使用了BDND(1)10mg、且未使用氧化钌纳米粒子(1),除此以外,与实施例1同样地得到了电极形成材料(4)(B/(A+B):0%),得到了电极(4)(每1cm2电极的BDND担载量:5.7mg,氧化钌纳米粒子0mg)。

比较例2

使用了氧化钌纳米粒子(1)10mg、且未使用BDND(1),除此以外,与实施例1同样地得到了电极形成材料(5)(B/(A+B):100%),得到了电极(5)(每1cm2电极的BDND担载量:0mg,氧化钌纳米粒子5.7mg)。

[评价1]

利用使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池进行了在1M的H2SO4中的CV测定(cyclic voltammetry、扫描速度:10mV/s)。从0V对电极电位进行了线性扫描,将未产生氧及氢的范围作为电池电压。将结果示于图2。

将电池电压总结示于下表。

[表1]

B/(A+B):% 电池电位(V)
实施例1 50 1.5
实施例2 20 1.4
实施例3 80 1.4
比较例1 0 1.7
比较例2 100 1.5

根据图2,在使RuO2纳米粒子担载于电极时,会在0.7V附近观察到峰,由此可知,发生了RuO2纳米粒子的氧化还原反应,产生了赝电容。因此可知,在使RuO2纳米粒子担载于电极时,电池电压降低,但电流密度增加。

[评价2]

利用使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池(1M的H2SO4),测定了在使扫描速度在10mV/s~10000mV/s的范围内变更的情况下的蓄电容量的变化。将结果示于图3。

根据图3可以确认,对于在实施例中得到的电极而言,如果使RuO2纳米粒子的担载比例从20质量%起增加,则伴随着RuO2纳米粒子的担载比例的增加,蓄电容量增加;在50~80质量%左右出现峰值,与RuO2纳米粒子的担载比例为100质量%的情况相比,蓄电容量提高;即使在高速扫描时,蓄电容量也不易降低。

[评价3]

将使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池(1M的H2SO4)的拉贡图(将输出密度在100W/Kg~10000W/Kg的范围内变更的情况下的能量密度Wh/Kg的变化)示于图4。

根据图4可知,对于在实施例中得到的电极而言,使通过RuO2纳米粒子的担载比例从20质量%起增加,则伴随着RuO2纳米粒子的担载比例的增加,能量密度及输出密度提高;在50~80质量%左右出现峰值,与RuO2纳米粒子的担载比例为100质量%的情况相比,具有高能量密度及输出密度。

[评价4]

将使用了在实施例及比较例中得到的电极的对称双电极电池在1M的H2SO4中、扫描速度10mV/s下的RuO2纳米粒子的担载比例与单位质量的蓄电容量(F/g)的关系示于图5。

根据图5可知,对于在实施例中得到的电极而言,使RuO2纳米粒子的担载比例从20质量%起增加时,随着RuO2纳米粒子的担载比例的增加,单位质量的蓄电容量增加;在50~80质量%左右出现峰值,与RuO2纳米粒子的担载比例为100质量%的情况相比,单位质量的蓄电容量提高。

根据以上内容,利用本发明的电极时,能够以低价制作紧凑且高输出的设备。

作为以上的总结,将本发明的构成及其变形附记于下。

[1]一种组合物,其含有:

比表面积为110m2/g以上且20℃下的电导率为5.0×10-3S/cm以上的硼掺杂纳米金刚石(A)、和

金属氧化物(B),

上述(B)的含量为上述(A)与(B)的合计含量的20~95质量%。

[2]根据[1]所述的组合物,其中,

金属氧化物(B)为氧化钌。

[3]根据[1]或[2]所述的组合物,其中,

硼掺杂纳米金刚石(A)的中值粒径为200nm以下。

[4]根据[1]~[3]中任一项所述的组合物,其中,

金属氧化物(B)的中值粒径为1000nm以下。

[5]根据[1]~[4]中任一项所述的组合物,其中,

硼掺杂纳米金刚石(A)相对于组合物中所含的全部碳材料所占的比例为60质量%以上。

[6]根据[1]~[5]中任一项所述的组合物,其中,

硼掺杂纳米金刚石(A)的硼含量为0.1~100mg/g。

[7]根据[1]~[6]中任一项所述的组合物,其中,

硼掺杂纳米金刚石(A)的中值粒径为200nm以下。

[8]根据[1]~[7]中任一项所述的组合物,其中,

硼掺杂纳米金刚石(A)在光源波长325nm的拉曼光谱中,在1370~1420cm-1及1580~1620cm-1具有谱带。

[9]根据[1]~[8]中任一项所述的组合物,其是电化学电容器用电极形成材料。

[10]上述[1]~[8]中任一项所述的组合物的作为电化学电容器用电极形成材料的用途。

[11]一种电化学电容器用电极形成材料的制造方法,该方法包括:

使用[1]~[8]中任一项所述的组合物制造电化学电容器用电极形成材料。

[12]一种油墨,其含有[1]~[8]中任一项所述的组合物、和粘合剂。

[13]一种油墨的作为电化学电容器用油墨的用途,所述油墨含有[1]~[8]中任一项所述的组合物、和粘合剂。

[14]一种电化学电容器用油墨的制造方法,该方法包括:

使用[1]~[8]中任一项所述的组合物和粘合剂制造电化学电容器用油墨。

[15]一种电化学电容器用电极,其在基材上担载有比表面积为110m2/g以上且20℃下的电导率为5.0×10-3S/cm以上的硼掺杂纳米金刚石(A)、和金属氧化物(B),

上述(B)的担载量为上述(A)与(B)的合计担载量的20~95质量%。

[16]根据[15]所述的电化学电容器用电极,其蓄电容量为10F/g以上。

[17]一种电化学电容器,其具备[15]或[16]所述的电极。

[18]一种电子设备,其具备[17]所述的电化学电容器。

[19]一种电动车辆,其具备[17]所述的电化学电容器。

[20]一种蓄电装置,其具备[17]所述的电化学电容器。

[21]一种电子设备的制造方法,该方法包括:

使用[17]所述的电化学电容器制造电子设备。

[22]一种电动车辆的制造方法,该方法包括:

使用[17]所述的电化学电容器制造电动车辆。

[23]一种蓄电装置的制造方法,该方法包括:

使用[17]所述的电化学电容器制造蓄电装置。

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