JP2014212314A - 活性炭を含む電極 - Google Patents

Abstract

【課題】酸やアルカリに対する耐性が高く、イオンを吸着することが可能な新規な電極を提供する。【解決手段】開示される電極は、少なくとも１枚の電極シートを含む。この電極シートは、炭素繊維とバインダとを含む材料によって構成された不織布と、当該不織布内の空隙に保持された活性炭とを含む。活性炭は、活性炭粉末および繊維状活性炭から選ばれる少なくとも１種であってもよい。【選択図】なし

Description

本発明は、活性炭を含む電極に関する。

電気二重層キャパシタは、イオンを可逆的に吸着可能な電極を用いて充放電を行う。電気二重層キャパシタの電極は、主に、活性炭とバインダとを含むペーストをアルミニウム箔（集電体）に塗布する方法によって形成されてきた（たとえば特許文献１）。電気二重層キャパシタでは、一般に、プロピレンカーボネイトなどの非水溶媒を用いた非水電解質が使われている。

また、非水電解質二次電池の分野でも、負極活物質を含むペーストを銅箔（集電体）に塗布して負極を形成する方法が知られている。

上記従来の電極は、非水溶媒系では問題なく用いることができる。しかし、上記従来の電極を水系で用いると、集電体である金属箔が溶解したり腐食したりするという問題がある。特に、酸性やアルカリ性の水系電解液中で上記従来の電極を用いると、集電体の溶解や腐食が激しくなる。そのため、金属箔からなる集電体を用いた従来の電極を水系で用いることができる場合は限られている。

また、上記従来の電極では、集電体に塗布された層が剥離しやすい。そのため、電気二重層キャパシタや電池のように、セパレータを挟んで２枚の電極を巻回するような構成では問題ないが、それ以外の構成では剥離が問題となりやすい。

一方、金属以外の集電体を用いることも提案されている。たとえば特許文献２では、集電体として、カーボンクロスまたはカーボンシートを用いることが提案されている。

特開２００７−２７３５０８号公報 特開２００３−２４２９８８号公報

しかし、カーボンクロスは製造コストが高い。また、カーボンクロスだけでは電気抵抗が高いため、通常は金属製のリード線をカーボンクロスに固定することが必要になるが、その固定は容易ではない。

一方、カーボンシートも製造コストが高い。また、カーボンシートは液体やイオンを通過させないため、電極シートを積層して用いることができない。そのため、カーボンシートを集電体に用いた場合、イオン吸着容量を高めるためには活性炭層を厚くする必要があるが、そうすると電極の内部抵抗が高くなる。また、カーボンシートは厚いため、体積当たりの活性炭量を充分に高くすることが難しい。また、カーボンクロスと同様に、カーボンシートにリード線を固定することは容易ではない。

このような状況において、本発明は、酸やアルカリに対する耐性が高く、イオンを吸着することが可能な新規な電極を提供することを目的の１つとする。

上記目的を達成するために、本発明は１つの電極を提供する。この電極は、少なくとも１枚の電極シートを含む電極であって、前記電極シートは、炭素繊維とバインダとを含む材料によって構成された不織布と、前記不織布内の空隙に保持された活性炭とを含む。

本発明によれば、酸やアルカリに対する耐性が高く、且つ、イオンを吸着できる電極が得られる。また、本発明の電極は、一般的な抄紙工程で製造できるため、安価且つ容易に製造できる。

実施例２で作製した電極シートの特性を示すグラフである。 実施例３で作製した電極シートの特性を示すグラフである。 本発明の電極の一例を模式的に示す（ａ）正面図および（ｂ）断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。

（活性炭を含む電極）
本発明の電極について、以下に一例を説明する。本発明の電極は、少なくとも１枚の電極シートを含む。この電極シートは、炭素繊維とバインダとを含む材料によって構成された不織布と、その不織布内の空隙に保持された活性炭とを含む。不織布は、炭素繊維およびバインダのみで構成されてもよいし、それらとその他の材料との混合物によって構成されてもよい。

不織布内の空隙に保持された活性炭は、イオンを可逆的に吸着する物質として用いられる。活性炭は、活性炭粉末および繊維状活性炭（活性炭繊維）から選ばれる少なくとも１種であってもよい。すなわち、活性炭は、粉末状の活性炭（活性炭粉末）であってもよいし、繊維状の活性炭（繊維状活性炭）であってもよいし、それらの混合物であってもよい（以下の説明においても同様である）。繊維状活性炭の例には、長い活性炭繊維を裁断等で短くしたものも含まれる。

活性炭粉末には、公知の活性炭粉末を用いてもよい。活性炭粉末の体積平均粒子径は、１μｍ〜３００μｍの範囲にあってもよく、たとえば５μｍ〜１００μｍの範囲にあってもよい。ここで、体積平均粒子径は、たとえばレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定できる。活性炭粉末の保持性の観点から、体積平均粒子径は１０μｍ〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。活性炭粉末は、不織布内の空隙を充填するように不織布内に配置される。

活性炭粉末および繊維状活性炭の比表面積は、５００ｍ²／ｇ〜３０００ｍ²／ｇの範囲にあってもよく、たとえば５００ｍ²／ｇ〜２０００ｍ²／ｇの範囲や８００ｍ²／ｇ〜１５００ｍ²／ｇの範囲にあってもよい。比表面積は、たとえばＢＥＴ法によって測定できる。

繊維状活性炭には、公知の繊維状活性炭を用いてもよい。また、公知の繊維状活性炭を短く裁断したものや、公知の繊維状活性炭を押しつぶして断面を扁平にしたものを用いてもよい。繊維状活性炭の繊維長は、たとえば０．０１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲にあってもよく、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲や０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあってもよい。繊維状活性炭の繊維径は、たとえば４μｍ〜３０μｍの範囲にあってもよく、１０μｍ〜２０μｍの範囲にあってもよい。なお、繊維長および／または繊維径が異なる複数種の繊維状活性炭を混合して用いてもよい。

活性炭として活性炭粉末を用いた電極を流水中で用いると、活性炭粉末が脱落しやすくなる場合がある。そのような場合には、活性炭の一部または全部として繊維状活性炭（たとえば長い活性炭繊維を切断することによって得られる短い繊維状活性炭）を用いてもよい。繊維状活性炭を用いることによって、活性炭の脱落を抑制できる。なお、繊維状活性炭は、炭素繊維およびバインダとともに不織布を構成してもよい。

電極シートの形状に特に限定はなく、たとえば矩形状（矩形状のシート）であってもよい。１枚の電極シートの厚さは、たとえば０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にあってもよく、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲や、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲や、０．３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲や、０．７ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあってもよい。１枚の電極の厚さは、それに含まれる電極シートの枚数によって決まり、たとえば、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある。電極を薄くすることによって、電極の応答性（イオンの吸着・放出速度）を高めることができる。

炭素繊維の種類に特に限定はなく、たとえば、ＰＡＮ系やピッチ系やフェノール系の炭素繊維であってもよい。炭素繊維を用いる目的の１つは導電性の付与である。そのため、導電性が高い炭素繊維を用いることが好ましい。なお、この明細書において、炭素繊維には繊維状活性炭は含まれない。繊維状活性炭は、たとえば、炭素繊維を賦活（多孔質化）することによって得ることができる。炭素繊維の比表面積は、繊維状活性炭の比表面積よりも小さく、たとえば５００ｍ²／ｇ未満であり、典型的には１００ｍ²／ｇ以下や１０ｍ²／ｇ以下である。

炭素繊維の繊維長および繊維径は本発明の効果が得られる限り特に限定はない。炭素繊維の繊維長は、たとえば０．１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲にあってもよく、１ｍｍ〜２５ｍｍの範囲や３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあってもよい。炭素繊維の繊維径は、たとえば４μｍ〜３０μｍの範囲にあってもよく、１０μｍ〜２０μｍの範囲にあってもよい。なお、繊維長および／または繊維径が異なる複数種の炭素繊維を混合して用いてもよい。

バインダは、炭素繊維と交絡および／または融着／または固化して電極シートを形成するために用いられる。そのため、バインダには、当該目的を達成できるものが用いられる。バインダの例には、炭素繊維および繊維状活性炭以外の樹脂繊維や、繊維以外の樹脂等（たとえばエマルジョン系バインダ）が含まれる。エマルジョン系バインダの例には、アクリル酸エステル系バインダや、ＮＢＲ系バインダが含まれる。

バインダは熱可塑性樹脂繊維を含んでもよいし、バインダとして熱可塑性樹脂繊維のみを用いてもよい。熱可塑性樹脂繊維を含むバインダを用いた場合、熱プレスによって形状安定性に優れる電極シートを形成できる。また、複数の電極シート同士を熱プレスによって接着することも可能になる。

熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂の例には、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、アクリル系樹脂（たとえばアクリル樹脂やメタクリル樹脂）、ポリエステル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエーテル樹脂などが含まれる。熱可塑性樹脂の融点は、９０℃〜２４０℃の範囲（たとえば１１０℃〜１３５℃の範囲）にあってもよい。熱可塑性樹脂の融点が低い方が、電極シート同士を加熱によって接着することが容易になる。

バインダは親水性であってもよいし疎水性であってもよい。たとえば、バインダは、親水性の熱可塑性樹脂繊維であってもよいし、疎水性の熱可塑性樹脂繊維であってもよい。電極シートが水性溶媒中（たとえば水溶液中）で用いられる場合の一例では、親水性のバインダが好ましく用いられる。親水性のバインダの例には、ポリビニルアルコール樹脂やポリエーテル樹脂や変性ポリエステル樹脂からなる繊維が含まれる。また、電極シートが有機溶媒中で用いられる場合の一例では、疎水性のバインダが好ましく用いられる。疎水性のバインダの例には、ポリオレフィン樹脂からなる繊維などが含まれる。

バインダは、電極シートが使用される環境に応じて選択されることが好ましい。たとえば、酸性および／またはアルカリ性の水溶液中で使用される場合には、それらの環境に対する耐性が高いバインダを用いることが好ましい。そのようなバインダの例には、ポリオレフィン系樹脂繊維やアクリル系樹脂繊維が含まれる。一例のバインダは、アクリル系樹脂繊維を含む。

バインダの好ましい一例は、フィブリル化しやすい繊維である。そのような繊維の例には、易フィブリル化アクリル繊維、ポリオレフィンパルプが含まれる。フィブリル化しやすい繊維を用いることによって、形状安定性および活性炭の保持性に優れる電極シートを形成できる。

本発明の電極シートは、炭素繊維とは別の導電材をさらに含んでもよい。そのような導電材の例には、繊維状導電材や粉末状導電材が含まれ、たとえば、導電性カーボン粉末（活性炭粉末を除く）、インジウム−スズ系酸化物粉末、およびアンチモン−スズ系酸化物粉末、金属粉末などが含まれる。好ましい導電材の一例は導電性カーボン粉末であり、導電性カーボン粉末の例には、カーボンブラック（アセチレンブラックやケッチェンブラックなど）やカーボンナノチューブ粉末が含まれる。これらの導電材には、公知のものを用いてもよい。電極シートに占める、炭素繊維以外の導電材（たとえば導電性カーボン粉末）の割合は、０．１質量％〜１０質量％の範囲（たとえば０．５質量％〜３質量％の範囲）にあってもよい。カーボンブラックなどの微粒子はチェーン構造を形成しやすいため、電極シートから脱落しにくいと考えられる。

本発明の電極は、複数の電極シートを含んでもよく、たとえば、２枚〜１０枚（またはそれ以上）の電極シートを含んでもよい。複数の電極シートは、通常、積層されている。電極シートを積層して用いることによって、イオン吸着容量を容易に変更できる。複数の電極シート同士は、熱融着されていてもよい。たとえば、熱可塑性樹脂を含むバインダを用いた場合、電極シートを重ねて熱を加えることによって電極シート同士を熱融着させることができる。また、電極シート間に熱可塑性樹脂のシート（たとえばネット状のシート）を挟んで熱を加えることによって、電極シート同士を熱融着してもよい。

本発明の電極は、集電体（たとえばリード線などの配線）を含んでもよい。集電体には、線状の配線や、パンチングメタルや、エキスパンドメタルを用いてもよい。これらの集電体は液体やイオンを透過させるため、これらの集電体を用いた電極シートは積層して用いることができる。

集電体の例には、表面が白金あるいは酸化イリジウムでコートされた金属電極（たとえば金属線で構成された電極）が含まれ、たとえば、表面が白金でコートされたチタンからなる電極（たとえば、表面が白金でコートされたチタンワイヤで構成された電極）が含まれる。本発明の電極が集電体を含む場合、液体やイオンを透過させる集電体を用いることが好ましい。

本発明の電極は、複数の電極シートと、複数の電極シートの間に配置された集電体とを含んでもよい。このような電極は、たとえば、集電体を電極シートの間に挟んだ状態で電極シート同士を熱融着することによって形成できる。また、抄紙によって電極シートを形成する際に、集電体が電極シートの内部に配置されるように抄紙してもよい。

本発明の電極の好ましい一例は、複数の電極シートと、その電極シートの間に配置された線状の集電体とを含む。そのような電極の一例を図３に示す。図３（ａ）は電極１０を模式的に示す正面図であり、図３（ｂ）はその断面を模式的に示す図である。図３の電極１０は、積層された複数（図３では４枚）の電極シート１０ａと、それら電極シート１０ａの間に配置された線状の集電体１０ｂとを含む。電極シート１０ａは、バインダとして熱可塑性樹脂を含む。中央に集電体１０ｂが配置されるように集電体１０ｂと４枚の電極シート１０ａとを積層し、ホットプレスすることによって電極１０を形成できる。

従来の電気二重層キャパシタは、主に活性炭とバインダとからなるイオン吸着物質を金属箔（集電体）に塗布する方法で形成されている。従来の電気二重層キャパシタでは金属箔を用いているため、イオン吸着物質の面内方向の抵抗は問題とはならなかった。一方、従来の電気二重層キャパシタで用いられているイオン吸着物質は比較的抵抗が大きいため、線状の集電体を用いることが困難であった。これに対し、本発明の電極シートは、導電材として炭素繊維を含むため、線状の集電体を用いることが可能である。また、線状の集電体と、熱可塑性樹脂とを含む電極シートとを用いることによって、集電体を簡単に電極シートに固定することができる。線状の集電体を用いる場合には、電極シートの面内方向の抵抗が低いことが好ましく、具体的には電極シートの体積抵抗率が１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

電解液やガスの充分な流路を電極シート中に確保するために、電極シートに親水性の流路や疎水性の流路を形成してもよく、複数の穴を形成してもよい。疎水性の流路は、疎水性のバインダを用いて電極シートを形成し、その電極シートに穴を開けることによって形成してもよい。親水性の流路は、親水性のバインダを用いて電極シートを形成し、その電極シートに穴を開けることによって形成してもよい。

電極シート内で発生したガスを効率よく放出するには、電極シート内の通気性が重要になる。流路を確保するために複数の穴を電極シートに形成する場合、穴の直径は０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲（たとえば０．３ｍｍ〜１ｍｍの範囲）にあってもよい。この範囲とすることによって高い効果を得ることができる。複数の穴は、隣接する穴と穴との間隔が電極シートの厚さの２倍〜１００倍の範囲（たとえば４倍〜２０倍の範囲）となるように電極シートの全体に形成されてもよい。この範囲とすることによって高い効果を得ることができる。この倍率が２倍未満であると、穴の形成が難しくなり、且つ、穴を形成することによって電極シートが厚くなってしまう。また、この倍率が１００倍よりも大きくなると、電極シートの一部の特性が低下することがある。

積層された複数の電極シートを電極が含む場合、積層された複数の電極シートからなる電極に穴を形成してもよい。穴は、通常、電極シート（または電極）を貫通するように形成されるが、電極シート（または電極）を貫通していなくてもよい。たとえば、電極シート（または電極）の厚さの半分程度の深さを有する穴を、電極シート（または電極）の両面に形成してもよい。複数の穴を電極シートに形成することによって、電極内で発生したガスを電極外に放出しやすくなる。これによって、ガスによる電極の膨張、および、それによる活性炭の脱落を抑制することができる。穴の形成方法に特に限定はなく、たとえば、パンチング加工という方法で形成してもよい。具体的には、細い針で電極シート（または電極）を突き刺すことによって穴を形成してもよい。

電極シートは、炭素繊維、バインダ、および活性炭で構成されてもよいし、他の成分を含んでもよい。炭素繊維、バインダ、および活性炭が電極シートに占める割合は、通常、９０質量％以上（他の成分が１０質量％以下）であり、たとえば９５質量％以上である。一例の電極シートは、炭素繊維とバインダと活性炭とを以下の範囲で含む。
炭素繊維：５質量％〜５０質量％
バインダ：５質量％〜５０質量％
活性炭：５質量％〜９０質量％（たとえば３０質量％〜９０質量％）

他の一例の電極シートは、炭素繊維とバインダと活性炭とを以下の範囲で含む。
炭素繊維：５質量％〜３０質量％
バインダ：１０質量％〜３０質量％
活性炭：４０質量％〜８５質量％

その他の一例の電極シートは、炭素繊維とバインダと活性炭とを以下の範囲で含む。
炭素繊維：１０質量％〜３０質量％
バインダ：１０質量％〜３０質量％
活性炭：４０質量％〜８０質量％

上記の３つの例の電極シートは、さらに、０．５質量％〜３質量％の範囲で、炭素繊維以外の導電材（たとえば導電性カーボン粉末）を含んでもよい。

なお、電極が複数の電極シートを含む場合、電極を構成する電極シート全体における構成比が、上記３つの例に記載の範囲にあってもよい。その場合、電極は、構成比が異なる複数の電極シートを含んでもよい。たとえば、活性炭を含まない電極シートと活性炭を含む電極シートとを用いて、電極シート全体における構成比が上記範囲となるようにしてもよい。

炭素繊維等の導電材の割合を増やすことによって、電極シートの内部抵抗を低減できる。バインダの割合を増やすことによって、電極シートの形状安定性を向上できる。活性炭の割合を増やすことによって、イオンの吸着容量を増やすことができる。

本発明の電極に含まれる電極シートは、活性炭の表面電荷によってイオンを吸着する。すなわち、電極シートは、電気二重層を形成することによってイオンを吸着する。本発明の電極は、容量性脱イオン（capacitive deionization: ＣＤＩ）の装置の電極として用いることができる。すなわち、本発明の電極は、ＣＤＩの装置において、液体中（たとえば水中）のイオンの吸脱着に用いることができる。別の観点では、本発明は、本発明の電極を用いたＣＤＩの装置に関する。

本発明の電極をＣＤＩの装置の電極として用いる場合、イオンが電極内を移動できることが重要になる。そのため、電極シートの空隙率は、１０％〜７０％の範囲（たとえば２０％〜５０％の範囲）にあることが好ましい。イオンの吸着能力を高めるには、活性炭の充填量を多くして電極シートの空隙率を低くすることが好ましい。一方、電極の応答性を高めるには、電極シートの空隙率を高くしてイオンの移動抵抗を低くすることが好ましい。一方、電極シート１枚あたりの活性炭量を保ったまま空隙率を高くすると、電極シートが厚くなって応答性が低下する場合がある。それらの事情を考慮し、ハイレートのイオン吸着が必要な場合には、電極シートの空隙率を２５％〜６０％の範囲（たとえば３０％〜６０％の範囲）としてもよい。電極シートの空隙率は、たとえば、電極シートの保液量を測定することによって算出できる。なお、現在のノートパソコン用リチウムイオン電池の正極の空隙率は１８％程度である。

電極シートの空隙率の測定方法の一例について説明する。まず、測定する電極シートの厚さとサイズとを測定する。次に、電極シートを塩化ナトリウム水溶液（濃度：３質量％）に浸漬する。そして、充分な時間（たとえば３時間〜１２時間）浸漬した後の電極シートを取り出し、この電極シートを、マグネチックスターラーで撹拌されている２００ｍＬの純水中に浸漬し、電極シートに保持されたイオンを放出させる。そして、放出されたイオンの経時変化を測定し、その結果から、放出されるイオンを、初期に表面部分に付着していたイオンであって初期に放出されるイオンと、電極内部から拡散して放出されるイオンとに分けることができる。そして、その結果から、拡散方程式に乗る部分のイオン量を求めることができる。この方法によって、電極シート中に３質量％の塩水として存在していたイオンの量を求める。そして、求められたイオンの量から、電極シートに保持された塩化ナトリウム水溶液の量（すなわち、空隙に保持された塩化ナトリウム水溶液の量）を算出し、その値と電極シートの体積（厚さ×サイズ）とから、電極シートの空隙率が求められる。なお、電極シートの構成に応じて、塩化ナトリウム水溶液の代わりに、有機溶媒にイオンを溶解させたものを用いてもよい。また、空隙率を測定するための別の方法として、液体（水、電解液、アルコール等）を電極シートに保持させる前後で電極シートの重量を測定し、液体の保液量と電極シートの体積とから電極シートの空隙率を求めてもよい。この場合は、電極シートの表面に付着する液体の量をできるだけ減らすことが重要である。そのためには、以下の方法で測定を行ってもよい。まず、３枚の電極シートを隙間なく重ね、それを長時間液体に浸漬することによって、空隙を液体で飽和させる。次に、重ねた電極シートを取り出し、真ん中の電極シートのみの重量を測定する。液体に浸漬する前後における真ん中の電極シートの重量を測定することによって、表面に付着した液体の影響を減らし、電極シート内部に存在する液体の量をより正確に測定できる。

電極シートの体積抵抗率は、０．０３〜３Ω・ｃｍの範囲（たとえば０．１〜０．５Ω・ｃｍの範囲や０．０５〜０．１４Ω・ｃｍの範囲にあってもよい。体積抵抗率が低いほど、応答性が高くなる。

（電極の製造方法）
電極の製造方法に特に限定はない。電極の製造方法の一例について以下に説明する。まず、炭素繊維、バインダおよび活性炭を含む材料を水に分散させたのち、抄紙する。水に分散させる際には、分散状態を安定化させるための助剤を必要に応じて添加してもよい。分散性を高めて抄紙することによって、炭素繊維とバインダと活性炭とがほぼ均質に混ざり合った電極シートを形成できる。

次に、抄紙されたシートを乾燥させる。このようにして、電極シートを形成できる。なお、乾燥時またはその前後にシートをプレスしてもよい。プレスをすることによって、単位体積あたりの活性炭の量を増やすことができ、また、電極シートの空隙率を低下させることができる。

抄紙の際に用いる材料から活性炭を除くことによって、活性炭を含まない電極シートを形成することもできる。この電極シートは、イオンの吸着を目的としない電極に利用できる。この電極シートは、炭素繊維とバインダとを含み活性炭を含まない材料によって構成される。この電極シートおよびこの電極シートを用いた電極はそれぞれ、活性炭を用いないことを除いて、上述した電極シートおよび電極と同様の構成とすることができる。たとえば、炭素繊維およびバインダには、上述した炭素繊維およびバインダを用いることができる。この電極シートの一例は、炭素繊維とバインダとを以下の割合で含む。
炭素繊維：５０質量％〜８０質量％
バインダ：２０質量％〜５０質量％

以下では、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１では、本発明の電極シートを作製した。まず、炭素繊維とバインダと活性炭粉末とを、水に分散させた。このとき、質量比で、炭素繊維：バインダ：活性炭粉末＝２０：２０：６０となるように分散させた。炭素繊維には、平均繊維長が６ｍｍで平均径が１３μｍのものを用いた。バインダには、アクリルパルプを用いた。活性炭粉末には、平均粒径が５０μｍのものを用いた。

上記の分散液については、助剤を添加することによって分散状態を安定化させる処理を行った。そして、その分散液を抄紙網上に流し込んだ。その後、大量の水で希釈しながら、材料を分散させ、抄紙網上で脱水することによってシートを形成した。その後、プレスロールによってシートを脱水した。その後、多筒式ドラムドライヤーによってシートを乾燥した。このようにして、電極シートを作製した。

なお、表１に示すように条件を変えたことを除いて上記の方法で作製した電極シートについて、評価を行った。評価結果を表１に示す。表１中の体積抵抗率は、電極間距離１ｃｍ、電流値３０ｍＡの条件で４端子法によって測定した値である。また、表１中の活性炭量は、目付および組成比から算出した計算値である。

上記のサンプル１−１〜１−３について、サイクリックボルタンメトリによって電極の応答性を調べた。その結果、体積抵抗率が低いサンプル１−２は、他のサンプルに比べて応答性が高かった。

（実施例２）
実施例２では、電極シートの空隙率を変化させて特性を測定した。実施例２では、活性炭粉末（６０質量％）と炭素繊維（２０質量％）とアクリルパルプ（２０質量％）とを抄紙することによって、シートを作製した。そして、抄紙されたシートに対して加熱・加圧処理をすることによって電極シートを得た。次に、４枚の電極シートを重ねてプレスすることによって、電極を得た。このとき、プレスの条件を変えることによって、空隙率が約３５％である電極（サンプル２−１）２枚と、空隙率が約６５％である電極（サンプル２−２）２枚とを作製した。なお、これらの空隙率は上述した方法（イオンの吸着量を測定する方法）で求めた。サンプル２−１の電極の厚さは０．５９ｍｍおよび０．６２ｍｍであり、サンプル２−２の電極の厚さは０．８４ｍｍおよび０．９０ｍｍであった。サンプル２−１の２枚の電極を正極および負極としてその応答性を、サイクリックボルタンメトリによって評価した。同様に、サンプル２−２の２枚の電極を正極および負極としてその応答性を評価した。

評価結果を図１に示す。図１に示すように、空隙率が約３５％であるサンプル２−１は、空隙率が約６５％であるサンプル２−２よりも応答性が高かった。これは、電極シート（電極）が薄くなって液抵抗が小さくなったためであると考えられる。一方、空隙率を２５％未満とすると、電極シート内のイオンのパスが狭くなって液抵抗が高くなるため、応答性が低下すると考えられる。そのため、応答性が高い電極が求められる場合、電極シートの空隙率を３０％〜５０％の範囲としてもよい。また、応答性が高い電極が求められる場合には電極は薄い方が好ましく、電極の厚さを０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲としてもよい。

（実施例３）
実施例３では、活性炭粉末の割合が異なる２種類の電極シートを作製してその特性を比較した。第１の電極シートの組成比は、活性炭粉末：炭素繊維：アクリルパルプ＝６０質量％、２０質量％：２０質量％とした。第２の電極シートの組成比は、活性炭粉末：炭素繊維：アクリルパルプ＝６４質量％、１７質量％：１９質量％とした。これら２つの電極シートについて、４端子法によって体積抵抗率を求めた。その結果、活性炭粉末の割合が低く炭素繊維の割合が高い第１の電極シートの体積抵抗率は約０．１Ω・ｃｍであった。また、活性炭粉末の割合が高く炭素繊維の割合が低い第２の電極シートの体積抵抗率は約０．１５Ω・ｃｍであった。

上記の電極シートについて、サイクリックボルタンメトリで評価を行った。その結果を図２に示す。図２の縦軸には、電流密度から算出された、活性炭量あたりの容量を示した。

図２に示すように、活性炭粉末の割合が高く導電材（炭素繊維）の割合が低い第２の電極シートは、第１の電極シートよりも応答性が低かった。そのため、測定した条件において、第２の電極シートの積分容量は、第１の電極シートの積分容量よりも小さかった。この結果は、速い応答性が要求される用途では、活性炭と導電材との比率が重要であることを示唆している。たとえば、速い応答性が要求される用途において、電極シートの好ましい一例は、炭素繊維、バインダ、および活性炭を以下の割合で含む。
炭素繊維（導電材）：２０質量％〜３０質量％
バインダ：１０質量％〜３０質量％
活性炭：４０質量％〜７０質量％

なお、上述した電極シートの構成比において、炭素繊維の一部を、炭素繊維以外の導電材（たとえば導電性カーボン粉末など）に置き換えてもよい。また、活性炭はすべて活性炭粉末であってもよいし、活性炭粉末の一部を繊維状活性炭で置き換えてもよい。

本発明は、電極、特にＣＤＩ用の電極に利用できる。本発明の電極は、イオンを可逆的に吸着できる電極として利用できる。

１０ 電極
１０ａ 電極シート
１０ｂ 線状の集電体

Claims (12)

1. 少なくとも１枚の電極シートを含む電極であって、
   前記電極シートは、炭素繊維とバインダとを含む材料によって構成された不織布と、前記不織布内の空隙に保持された活性炭とを含む、電極。
2. 前記活性炭が、活性炭粉末および繊維状活性炭から選ばれる少なくとも１種である、請求項１に記載の電極。
3. 前記バインダが熱可塑性樹脂繊維を含む、請求項１または２に記載の電極。
4. 前記熱可塑性樹脂繊維が親水性の熱可塑性樹脂繊維である、請求項３に記載の電極。
5. 前記バインダがアクリル系樹脂繊維を含む、請求項１または２に記載の電極。
6. 複数の前記電極シートを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極。
7. 複数の前記電極シート同士が熱融着されている、請求項６に記載の電極。
8. 複数の前記電極シートの間に配置された集電体をさらに含む、請求項６または７に記載の電極。
9. 電極内で発生したガスを放出するための複数の穴が前記電極シートに形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電極。
10. 前記電極シートは、
    前記炭素繊維と前記バインダと前記活性炭とを、
    前記炭素繊維：５質量％〜３０質量％
    前記バインダ：１０質量％〜３０質量％
    前記活性炭：４０質量％〜８５質量％
    の範囲で含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極。
11. 導電性カーボン粉末をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電極。
12. 容量性脱イオンの装置において水中のイオンの吸脱着に用いられる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電極。

Images