2. 実験方法
アルミニウム箔として三菱アルミ製(1N99)を使い, 炭素材料のみを含むスラリーを設計した. 設計したスラリーの仕込み組成を表1に示す. 上皿天秤を用いて約5.0mgの増粘剤を量りとり, 約500mgの水, 約10mgのカーボンナノチューブVGCF(以下CNTとする.)を加え, 十分に混練し, さらに20〜30mgのSBR分散液を加えてスラリーを調整した. 調整したスラリーを1.0cm×4.0cmに切り出したアルミニウム箔に塗布･乾燥させて電極とし, そのスラリー塗布性能について評価した.
実際に近いリチウムイオン二次電池で充放電試験を行うと多様な設計が必要となるため, 作成した電極に評価用の電気二重層キャパシター(以下EDLC: Electric Double Layer Capacitorとする.)としてセルにアセンブルした. セルは, 100円ショップで購入した醤油さしに作用極と対極と取り付け, 電解液である0.5wt%アジピン酸アンモニウム水溶液(以下AAaqとする.)を入れた. 以上のようにして下記に示した電池式のEDLC評価用セルを組み立て, サイクリックボルタンメトリー(以下CVとする.)を用いて, 増粘剤が及ぼす静電容量への影響, 分極抵抗を調べた. また, 条件として, CVの掃引範囲は0V〜1.0V, 掃引速度は100mV/secとした.
表1 増粘剤名とスラリーの仕込み組成
|
増粘剤名 |
質量 /mg |
水*2 |
CNT /mg |
SBR分散液*3 /mg |
|
WSCA-90 |
4.0 |
10滴 |
11 |
80 |
|
CMC-Li |
7.0 |
10滴 |
11 |
29 |
|
酢酸セルロースL-50 |
6.0 |
20滴 |
22 |
26 |
|
ジェルナーQH300 |
6.0 |
10滴 |
10 |
1滴 |
|
HECダイセルSE850 |
6.0 |
10滴 |
11 |
1滴 |
|
HECダイセルSE400 |
5.0 |
10滴 |
10 |
1滴 |
|
CMCダイセル1260 |
5.0 |
10滴 |
16 |
29 |
|
CMCダイセル1220 |
6.0 |
10滴 |
10 |
1滴 |
|
CMCダイセル1190 |
5.0 |
10滴 |
10 |
1滴 |
|
CMCダイセル2200 |
7.0 |
10滴 |
10 |
1滴 |
*2水は10滴で約500mgであった.
*3SBR分散液は1滴あたり約20〜30mgであった.
電池式を以下に示す.
Al | CMC, CNT, SBR | 5wt%AAaq | SUS
3. 結果
まず, スラリー調整時およびAlに塗布した時の担当した各CMCの状態, さらにCNTの塗布量について述べる. CMCダイセル1260は, 最初はかなりゆるく, 撹拌していくと次第に粘度が増していったが, 最終的にも比較的ゆるくなった.CNTの塗布量は4.7mgであった. 次にHECダイセルSE850は, 時間が経つと絵の具のように粘度が増していった.CNTの塗布量は2.9mgであった.
乾燥後のすべてのスラリーの塗布状態を観察すると, CMCダイセル1260, ジェルナーQH300, CMC-Li, CMCダイセル1220, HECダイセルSE850, CMCダイセル1190の順で塗りムラが少なかった.
ここで, 表2にCVから求めたすべてのCMCの静電容量C, 分極抵抗, CNT塗布量及びCNT塗布量1mg当たりの静電容量C を示す.
表2 静電容量C, 分極抵抗, CNT塗布量及びCNT塗布量1mg当たりの静電容量C
|
増粘剤名 |
静電容量C/mF |
分極抵抗 /kΩ |
CNT塗布量 /mg |
CNT塗布量1mg当たりの静電容量C mg/mF |
|
CMC-Li |
0.57 |
18 |
4.4 |
0.13 |
|
ジェルナーQH300 |
0.90 |
22 |
3.1 |
0.29 |
|
HECダイセルSE850 |
0.62 |
12 |
2.9 |
0.21 |
|
CMCダイセル1260 |
1.10 |
3 |
4.7 |
0.23 |
|
CMCダイセル1220 |
0.55 |
10 |
4.0 |
0.14 |
|
CMCダイセル1190 |
0.25 |
13 |
8.4 |
0.03 |
|
酢酸セルロースL-50 |
0.95 |
7 |
8.6 |
0.11 |
|
CMCダイセル2200 |
1.08 |
2 |
5.9 |
0.18 |
|
WSCA90 |
0.50 |
8 |
1.3 |
0.38 |
|
HECダイセルSE400 |
0.25 |
38 |
2.7 |
0.09 |
また, 表3に静電容量C, 分極抵抗, CNT塗布量1mg当たりの静電容量Cの各順位を示す.
表3 静電容量C, 分極抵抗, CNT塗布量1mg当たりの静電容量Cの各順位
|
順位 |
静電容量C |
分極抵抗 |
CNT塗布量1mg当たりの静電容量C |
|
1 |
CMCダイセル1260 |
CMCダイセル2200 |
WSCA90 |
|
2 |
CMCダイセル2200 |
CMCダイセル1260 |
ジェルナーQH300 |
|
3 |
酢酸セルロースL-50 |
酢酸セルロースL-50 |
CMCダイセル1260 |
|
4 |
ジェルナーQH300 |
WSCA90 |
HECダイセルSE850 |
|
5 |
HECダイセルSE850 |
CMCダイセル1220 |
CMCダイセル2200 |
|
6 |
CMC-Li |
HECダイセルSE850 |
CMCダイセル1220 |
|
7 |
CMCダイセル1220 |
CMCダイセル1190 |
CMC-Li |
|
8 |
WSCA90 |
CMC-Li |
酢酸セルロースL-50 |
|
9 |
HECダイセルSE400 |
ジェルナーQH300 |
HECダイセルSE400 |
|
10 |
CMCダイセル1190 |
HECダイセルSE400 |
CMCダイセル1190 |
図1に静電容量とCNT塗布量についての相関関係を示した.
図1 静電容量とCNT塗布量の相関
4. 結論
静電容量は, コンデンサーなどの絶縁された導体において, どのくらい電荷が蓄えられるかを表す量である. この数値が大きいほどより優れたキャパシターであると言えるが, 表2を見てみると, 0.25μF〜1.10μFまでと大きな差が生じてしまっている. CMCの性能によってここまでの差がつくのは考えにくいため, まずは他の要素について考察した. スラリーの組成について, 表1に示したとおり, CNT濃度はすべてほぼ等しいため, 結果を覆すような大きな誤差はここでは確認できない. しかし, 表2のCNT塗布量を見てみると, これも各スラリーによってかなりの差が生じている. そこで, 静電容量とCNT塗布量のふたつの数値について相関関係を調べた. すると, 図1に示した通り, 1種類のCMCを除いて相関関係があることが見て取れた. つまり, 静電容量はCNT塗布量にほぼ比例していることがわかる. すなわち, CNT塗布量1mgあたりの静電容量の値が, 各CMCの性能を比較するには相応しい. 表3に示した各順位を確認してみると, 案の定, 実測の静電容量とCNT塗布量1mgあたりの静電容量ではまったく異なる結果になった.
次に, 分極抵抗について述べる. 分極抵抗が小さいということは, 電気が流れやすいということであるが, 金属を錆びつかせやすいという欠点もある. したがって, 工業的にキャパシターを評価する上で, この値が小さければ小さいほど良いとは一概には言えないが, ここではCMCのみの評価を考えるため, 小さいほうが良いとする.
表3から, 色を付けたCMCダイセル2200, CMCダイセル1260, WSCA90の3つのCMCが, 分極抵抗, CNT塗布量1mgあたりの静電容量のいずれの値についても, 比較的良い結果となった.
5. 参考文献
「最新工業化学」講談社(2004) 著：野村正勝, 鈴鹿輝男
「工業技術基礎」実教出版(2005) 著：小林一也, 山下省蔵
「現代の電気化学」新星社(1990) 著：小沢昭弥