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層状マンガン酸化物が担持された炭素繊維集合体及びその製造方法 NEW

国内特許コード P160013593
整理番号 H26-067
掲載日 2016年12月28日
出願番号 特願2015-037918
公開番号 特開2016-162805
出願日 平成27年2月27日(2015.2.27)
公開日 平成28年9月5日(2016.9.5)
発明者
  • 中山 雅晴
  • 阿部 光
  • 小峰 恭平
出願人
  • 国立大学法人山口大学
発明の名称 層状マンガン酸化物が担持された炭素繊維集合体及びその製造方法 NEW
発明の概要 【課題】本発明の課題は、電気化学キャパシタ等に使用できる、容量が大きく急速充放電が可能であり、機械的な柔軟性と強度に優れる電極材料及びその製造方法、並びに容量が大きく急速充放電が可能であり、機械的な柔軟性と強度に優れる電極及び電気化学キャパシタを提供することにある。
【解決手段】表面に層状マンガン酸化物が担持された炭素繊維集合体であり、前記層状マンガン酸化物がマンガンを含む化合物の電気分解により炭素繊維集合体の表面に担持されたことを特徴とする束状、織布状又は不織布状の炭素繊維集合体。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、二次電池の代替、ハイブリッド自動車等の補助電源、太陽光発電のエネルギーバッファ等に用いるデバイスとして、大容量でありながらパワー密度が高く急速充放電が可能でサイクル安定性が高いとの特徴を有する電気化学キャパシタが注目されている。また、最近では、電子機器等に対するフレキシブル化、ウェアラブル化の要求から、電池のフレキシブル化が求められており、フレキシブルな電極の必要性が高まってきている。このような状況下、上記の特徴を有する電気化学キャパシタをフレキシブル化することが検討され、電気化学キャパシタに用いることができるフレキシブルな電極の開発が要請されている。



電気化学キャパシタは、その蓄電メカニズムによって大きく2つに分けられる。一つは、イオンを物理的に吸脱着させることにより電荷を蓄える電気二重層キャパシタ、もう一つは速く可逆なレドックス反応により電荷を蓄える擬似キャパシタ(レドックスキャパシタ)である。電気二重層キャパシタでは、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素材料が電極活物質として使用されている。そして電極は、これらの電極活物質に導電材とバインダーを混合し、この混合物からなるシートを集電体に接着する方法や、この混合物を含むペーストや分散液を金属箔等の集電体に塗布する方法により作製されている(特許文献1)。しかし、このように作製された電極は、絶縁性物質であるバインダーを含むことによる内部抵抗の増加、電極活物質と集電体の界面抵抗等により速度特性が著しく妨げられ、内部抵抗を下げるためのカーボンブラック等の導電材のために電極活物質の配合割合が低くなりキャパシタ容量の減少を招くなどの問題点があった。さらに、上記の方法では、フレキシブルな電極を作製することは難しかった。



一方、他の炭素材料として、従来から様々な分野で用いられている炭素繊維がある。炭素繊維とは、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られる、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維のことである(JIS L0204-2:2010)。しかし、炭素繊維は、比キャパシタンスが、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェン等に比べて著しく小さいため、電気二重層キャパシタの電極活物質として使用することはできなかった。最近、炭素繊維でできたカーボンクロスを賦活処理して、単位面積あたりのキャパシタンスを高めたことが報告されているが、まだ満足する特性は得られていない(非特許文献1)。



また、電気化学キャパシタのもう一つの方式である擬似キャパシタでは、酸化ルテニウム、酸化マンガン、酸化ニッケル等の金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子などの炭素材料とは異なる材料が電極活物質として検討されている。本発明者らも、二次電池やキャパシタに用いることができる層状マンガン酸化物を電気化学的に製造する方法(特許文献2及び3)や、層状マンガン酸化物を用いた光電極(特許文献4)を提案している。しかしながら、擬似キャパシタにおいても、フレキシブルな電極やデバイスは得られていなかった。

産業上の利用分野


本発明は、表面に層状マンガン酸化物が担持された炭素繊維集合体及びその製造方法並びに前記炭素繊維集合体を備える電極及び該電極を備える電気化学キャパシタに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
表面に層状マンガン酸化物が担持された炭素繊維集合体であり、前記層状マンガン酸化物がマンガンを含む化合物の電気分解により炭素繊維集合体の表面に担持されたことを特徴とする束状、織布状又は不織布状の炭素繊維集合体。

【請求項2】
賦活処理された表面に層状マンガン酸化物が担持されたことを特徴とする請求項1記載の炭素繊維集合体。

【請求項3】
賦活処理が、炭素繊維集合体を酸化処理し、その後還元処理する処理であることを特徴とする請求項2記載の炭素繊維集合体。

【請求項4】
請求項1~3のいずれかに記載の炭素繊維集合体を備えることを特徴とする電極。

【請求項5】
請求項4記載の電極、電解質層及び対極を備えることを特徴とする電気化学キャパシタ。

【請求項6】
束状、織布状又は不織布状の炭素繊維集合体を、2価のマンガンイオン又は過マンガン酸イオンを含む溶液中に浸漬し、前記溶液中の2価のマンガンイオンを電気化学的に酸化することにより、又は過マンガン酸イオンを電気化学的に還元することにより、炭素繊維集合体の表面に層状マンガン酸化物を析出させることを特徴とする表面に層状マンガン酸化物が担持された束状、織布状又は不織布状の炭素繊維集合体の製造方法。

国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2015037918thum.jpg
出願権利状態 公開
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