DE112016004121T5 - Lithium-ion capacitor and carbon material for a positive electrode active material - Google Patents
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Abstract
Ein Lithium-Ionen-Kondensator mit einer hohen Kapazität und einem geringen Innenwiderstand wird realisiert.Ein Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Aktivmaterial einer positiven Elektrode eines Lithium-Ionen-Kondensators verwendet. Das Kohlenstoffmaterial weist ein Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g für Poren mit einem Durchmesser von 1,7 nm oder mehr; ein Porenvolumen kleiner oder gleich 0,1 ml/g für Poren mit einem Durchmesser von 1,0 nm oder weniger; und einen Gesamtgehalt funktioneller Gruppen von 0,3 bis 0,6 mmol/g auf.A lithium ion capacitor having a high capacity and a low internal resistance is realized. A carbon material according to the present invention is used as a positive electrode active material of a lithium ion capacitor. The carbon material has a pore volume of 1.0 to 1.5 ml / g for pores having a diameter of 1.7 nm or more; a pore volume less than or equal to 0.1 ml / g for pores having a diameter of 1.0 nm or less; and a total content of functional groups of 0.3 to 0.6 mmol / g.
Description
GEBIETTERRITORY
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lithium-Ionen-Kondensator und ein Kohlenstoffmaterial für ein Positivelektroden-Aktivmaterial einer positiven Elektrode.The present invention relates to a lithium ion capacitor and a carbon material for a positive electrode positive electrode active material.
HINTERGRUNDBACKGROUND
In den letzten Jahren erweckte ein Lithium-Ionen-Kondensator als elektrischer Doppelschichtkondensator Aufmerksamkeit. Wie in der
In dem Lithium-Ionen-Kondensator kann die negative Elektrode aufgenommene Lithium-Ionen enthalten oder mit Lithium-Ionen dotiert sein. Dies hält das Potential der negativen Elektrode kleiner als in einem herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensator. Deshalb kann der Lithium-Ionen-Kondensator im Vergleich zu dem herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensator einen großen Arbeitsspannungsbereich erreichen. Zusätzlich kann der Lithium-Ionen-Kondensator im Vergleich mit dem herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensator eine hohe Kapazität erreichen.In the lithium-ion capacitor, the negative electrode may contain lithium ion received or may be doped with lithium ion. This keeps the potential of the negative electrode smaller than in a conventional electric double layer capacitor. Therefore, the lithium ion capacitor can achieve a large working voltage range as compared with the conventional electric double layer capacitor. In addition, the lithium ion capacitor can achieve a high capacity as compared with the conventional electric double layer capacitor.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Generell erfordert der Lithium-Ionen-Kondensator einen Kompromiss zwischen Kapazität und Innenwiderstand. Das heißt, dass ein Lithium-Ionen-Kondensator mit einer hohen Kapazität im Allgemeinen einen hohen Innenwiderstand hat.Generally, the lithium-ion capacitor requires a trade-off between capacitance and internal resistance. That is, a high-capacity lithium-ion capacitor generally has a high internal resistance.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lithium-Ionen-Kondensator mit einer hohen Kapazität und einem geringen Innenwiderstand zu realisieren.An object of the present invention is to realize a lithium ion capacitor having a high capacitance and a low internal resistance.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenstoffmaterial für ein Aktivmaterial einer positiven Elektrode eines Lithium-Ionen-Kondensators bereitgestellt, wobei das Kohlenstoffmaterial aufweist: ein Porenvolumen von 1,0 bis 1,5 ml/g für Poren mit einem Durchmesser von 1,7 nm oder mehr; ein Porenvolumen kleiner oder gleich 0,1 ml/g für Poren mit einem Durchmesser von 1,0 nm oder weniger; und einen Gesamtgehalt funktioneller Gruppen von 0,3 bis 0,6 mmol/g.According to a first aspect of the present invention, there is provided a carbon material for a positive electrode active material of a lithium ion capacitor, the carbon material having: a pore volume of 1.0 to 1.5 ml / g for pores having a diameter of 1, 7 nm or more; a pore volume less than or equal to 0.1 ml / g for pores having a diameter of 1.0 nm or less; and a total content of functional groups of 0.3 to 0.6 mmol / g.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lithium-Ionen-Kondensator bereitgestellt mit:
- einer positiven Elektrode, die einen Positivelektroden-Stromsammler der positiven Elektrode und eine erste polarisierenden Elektrode, die auf dem Positivelektroden-Stromsammler der positiven Elektrode aufgebracht ist,
- wobei die erste polarisierende Elektrode das Kohlenstoffmaterial gemäß dem ersten Aspekt als Positivelektroden-Aktivmaterial enthält;
- einer negativen Elektrode mit einem Negativelektroden-Stromsammler und einer zweiten polarisierenden Elektrode, die auf dem Negativelektroden-Negativelektroden-Stromsammler angeordnet ist, wobei die zweite polarisierende Elektrode Negativelektroden-Aktivmaterial enthält, das Lithium-Ionen aufnehmen kann und abgeben kann und wobei die negative Elektrode ist so angeordnet, dass die zweite polarisierende Elektrode der ersten polarisierenden Elektrode gegenüberliegt;
- einem Separator, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist; und
- einem nichtwässrigen Elektrolyt, der ein Lithiumsalz enthält und zwischen dem Stromsammler der positiven Elektrode und dem Negativelektroden-Stromsammler angeordnet ist.
- a positive electrode comprising a positive electrode positive electrode current collector and a first polarizing electrode mounted on the positive electrode positive electrode current collector;
- wherein the first polarizing electrode contains the carbon material according to the first aspect as the positive electrode active material;
- a negative electrode having a negative electrode current collector and a second polarizing electrode disposed on the negative electrode negative electrode current collector, the second polarizing electrode containing negative electrode active material capable of accepting and discharging lithium ions and being the negative electrode disposed so that the second polarizing electrode faces the first polarizing electrode;
- a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode; and
- a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt and disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector.
Figurenliste list of figures
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1 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch einen Teil des Lithium-Ionen-Kondensators nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.1 Fig. 10 is a sectional view schematically showing a part of the lithium-ion capacitor according to the embodiment of the present invention. -
2 ist ein Graph, der ein Beispiel einer Porenverteilung des Kohlenstoffmaterials zeigt.2 Fig. 10 is a graph showing an example of pore distribution of the carbon material. -
3 ist ein Graph, der ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Innenwiderstand und dem Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr zeigt.3 Fig. 12 is a graph showing an example of a relationship between the internal resistance and the pore volume for pores having diameters of 1.7 nm or more. -
4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Gesamtgehalt funktioneller Gruppen und der Kapazität zeigt.4 Fig. 10 is a graph showing an example of the relationship between the total content of functional groups and the capacity. -
5 ist ein Graph, der ein Beispiel der Beziehung zwischen dem gesamten Porenvolumen und dem Innenwiderstand zeigt.5 Fig. 10 is a graph showing an example of the relationship between the total pore volume and the internal resistance.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen im Detail beschrieben.An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
Vor der Beschreibung eines Lithium-Ionen-Kondensators nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erhalten einer Porenverteilung und eines Gesamtgehaltes funktioneller Gruppen erläutert.Before describing a lithium ion capacitor according to the embodiment of the present invention, a method for obtaining a pore distribution and a total content of functional groups will be explained.
Die Porenverteilung wird erhalten durch ein BJH-Verfahren (Barrett-Joyner-Halenda), das in
Der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen wird durch ein Tritrationsverfahren namens Bohem-Verfahren erhalten (für das Bohem-Verfahren siehe z.B. „fundamentals and applications of activated carbon“ von The Carbon Society of Japan, veröffentlicht von Kondansha Ltd.). Insbesondere wird eine Natriumethanolatlösung mit 0,1 mol/l vorbereitet. Anschließend werden 20 ml dieser Lösung und 2 g eines Kohlenstoffmaterials in einen Kolben gegeben. Diese Dispersionsflüssigkeit wird für drei Minuten bei 2.000 Umdrehungen pro Minute zentrifugiert. Diese Dispersionsflüssigkeit wird dann mittels Ultraschall für 20 Minuten aufgerührt. Hiernach wird die Dispersionsflüssigkeit gefiltert und 5 ml des Filtrats werden mit einer Salzsäurelösung titriert. Basierend auf dem Ergebnis der Titration wird die notwendige Stoffmenge einer Salzsäure pro Masseneinheit Kohlenstoffmaterial erhalten. Der „Gesamtgehalt funktioneller Gruppen“ ist die Stoffmenge und entspricht dem Gesamtgehalt einer phenolischen Hydroxygruppe, einer Carboxylgruppe, einer Carboxylgruppe des Typs Lacton und einer Chinongruppe.The total content of functional groups is obtained by a tritration method called the Bohem method (for the Bohem method, see, for example, "Fundamentals and applications of activated carbon" by The Carbon Society of Japan, published by Kondansha Ltd.). In particular, a sodium ethoxide solution is prepared at 0.1 mol / l. Subsequently, 20 ml of this solution and 2 g of a carbon material are placed in a flask. This dispersion liquid is centrifuged for three minutes at 2,000 rpm. This dispersion liquid is then stirred by means of ultrasound for 20 minutes. After that, the dispersion liquid is filtered and 5 ml of the filtrate are titrated with a hydrochloric acid solution. Based on the result of the titration, the necessary amount of a hydrochloric acid per unit mass of carbon material is obtained. The "total content of functional groups" is the amount of substance and corresponds to the total content of a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, a carboxyl group of the lactone type and a quinone group.
Ein Lithium-Ionen-Kondensator
Dieser Behälter enthält eine positive Elektrode
Die positive Elektrode
Der Positivelektroden-Stromsammler
Die erste polarisierende Elektrode
Die polarisierende Elektrode
Die polarisierende Elektrode
Das Massenverhältnis von Positivelektroden-Aktivmaterial
Die negative Elektrode
Der Negativelektroden-Stromsammler
Die zweite polarisierende Elektrode
Die polarisierende Elektrode
Die polarisierende Elektrode
Das Massenverhältnis von Negativelektroden-Aktivmaterial
Der Separator
Die positive Elektrode
Der nichtwässrige Elektrolyt
Der nichtwässrige Elektrolyt ist beispielsweise ein flüssiger Elektrolyt, d.h. eine Elektrolytlösung. Der nichtwässrige Elektrolyt
Der nichtwässrige Elektrolyt
Das Positivelektroden-Aktivmaterial
Um den Innenwiderstand der polarisierenden Elektrode mit Bezug auf die positive Elektrode des Lithium-Ionen-Kondensators zu verringern, sind Adsorption und Abgabe von Elektrolyt-Ionen zu und von den Poren des Positivelektroden-Aktivmaterials wichtig. Herkömmlicherweise wird die Bewegung der Elektrolyt-Ionen durch Erhöhen der spezifischen Oberfläche oder des Porenvolumens des Positivelektroden-Aktivmaterials beschleunigt.In order to reduce the internal resistance of the polarizing electrode with respect to the positive electrode of the lithium-ion capacitor, adsorption and release of electrolyte ions to and from the pores of the positive electrode active material are important. Conventionally, the movement of the electrolyte ions is accelerated by increasing the specific surface area or the pore volume of the positive electrode active material.
Die Erfinder haben die folgende Tatsache als ein Resultat einer intensiven Studie herausgefunden. Dieser ist, dass eine Pore mit einem Porendurchmesser von 1,0 nm oder weniger die Bewegung der Elektrolyt-Ionen in signifikantem Maße beeinträchtigt. Wenn eine Pore einen Porendurchmesser von 1,7 nm oder mehr aufweist, beeinflusst die Größe des Porendurchmessers die Bewegung der Elektrolyt-Ionen kaum. Der Grund hierfür wird darin vermutet, dass der Porendurchmesser hinreichend größer als die Größe der gelösten Elektrolyt-Ionen ist. Deshalb ist es vorteilhaft, das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger zu verringern und das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr zu erhöhen. Wenn das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr allerdings übermäßig erhöht wird, wird die Kapazität des Lithium-Ionen Kondensators pro Volumeneinheit klein.The inventors have found the following fact as a result of intensive study. This is that a pore having a pore diameter of 1.0 nm or less significantly affects the movement of the electrolyte ions. When a pore has a pore diameter of 1.7 nm or more, the size of the pore diameter hardly affects the movement of the electrolyte ions. The reason for this is assumed to be that the pore diameter is sufficiently larger than the size of the dissolved electrolyte ions. Therefore, it is advantageous to reduce the pore volume for pores having diameters of 1.0 nm or less and to increase the pore volume for pores having diameters of 1.7 nm or more. However, if the pore volume is excessively increased for pores having diameters of 1.7 nm or more, the capacity of the lithium ion capacitor per unit volume becomes small.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gehalt funktioneller Gruppen des Kohlenstoffmaterials mit der obigen Porenverteilung angepasst, um die Fähigkeit des Kohlenstoffmaterials zum Adsorbieren der Elektrolyt-Ionen zu verbessern. Weil allerdings die funktionelle Gruppe an die Randfläche der Kohlenstoff-Kristallite gebunden ist, ist es unmöglich den Gehalt funktioneller Gruppen beliebig zu steigern. Ein überschüssiger Gehalt funktioneller Gruppen verringert die Größe des effektiven Porendurchmessers. Das heißt, dass ein überschüssiger Gehalt funktioneller Gruppen die Bewegung der Ionen beeinträchtigt, wodurch der Innenwiderstand erhöht wird. Um diese Situation zu vermeiden, ist eine obere Grenze für den Gehalt funktioneller Gruppen in dieser Ausführungsform festgelegt.In this embodiment, the content of functional groups of the carbon material having the above pore distribution is adjusted to improve the ability of the carbon material to adsorb the electrolyte ions. However, because the functional group is bonded to the peripheral surface of the carbon crystallites, it is impossible to arbitrarily increase the content of functional groups. An excess content of functional groups reduces the size of the effective pore diameter. This means that an excess content of functional groups impairs the movement of the ions, which increases the internal resistance. In order to avoid this situation, an upper limit for the content of functional groups is set in this embodiment.
Das als Positivelektroden-Aktivmaterial
Weiterhin weist das Kohlenstoffmaterial ein Porenvolumen gleich oder weniger als 0,1 ml/g für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger auf. Poren mit Porendurchmessern von 1,0 nm oder weniger tragen geringfügig zur Adsorption von Ionen bei. Das heißt, dass selbst wenn das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger erhöht wird, die Kapazität kaum steigt. Poren mit Porendurchmessern von 1,0 nm oder weniger beeinträchtigen die Bewegung der Elektrolyt-Ionen. Wenn das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger erhöht wird, steigt deshalb der Innenwiderstand. Deshalb ist das Volumen bevorzugt klein. Furthermore, the carbon material has a pore volume equal to or less than 0.1 ml / g for pores having diameters of 1.0 nm or less. Pores with pore diameters of 1.0 nm or less contribute slightly to the adsorption of ions. That is, even if the pore volume is increased for pores having diameters of 1.0 nm or less, the capacity hardly increases. Pores with pore diameters of 1.0 nm or less affect the movement of the electrolyte ions. Therefore, when the pore volume is increased for pores having diameters of 1.0 nm or less, the internal resistance increases. Therefore, the volume is preferably small.
Das Kohlenstoffmaterial weist einen Gesamtgehalt funktioneller Gruppen von 0,3 bis 0,6 mmol/g auf. Die funktionelle Gruppe des Kohlenstoffmaterials spielt für das Verbessern der lonenadsorptionsleistung des Kohlenstoffmaterials eine Rolle. Deshalb ist der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen bevorzugt groß. Wenn allerdings der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen übermäßig erhöht wird, kann eine initiale Verschlechterung durch Zerfall der funktionellen Gruppe verursacht werden. In diesem Fall kann die funktionelle Gruppe zusätzlich die Bewegung der Elektrolyt-Ionen beeinträchtigen. Der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen des Kohlenstoffmaterials beträgt bevorzugt 0,33 bis 0,56 mmol/g.The carbon material has a total content of functional groups of 0.3 to 0.6 mmol / g. The functional group of the carbon material plays a role in improving the ion adsorption performance of the carbon material. Therefore, the total content of functional groups is preferably large. However, if the total content of functional groups is excessively increased, initial deterioration may be caused by disintegration of the functional group. In this case, the functional group may additionally affect the movement of the electrolyte ions. The total content of functional groups of the carbon material is preferably 0.33 to 0.56 mmol / g.
Das Kohlenstoffmaterial weist ein gesamtes Porenvolumen von beispielsweise 1,3 bis 2,0 ml/g, vorzugsweise von 1,5 bis 2,0 ml/g auf. Wenn das gesamte Porenvolumen gleich oder größer als 1,5 ml/g ist, wird die Bewegung der Elektrolyt-Ionen beschleunigt, wodurch der Innenwiderstand verringert wird. Wenn allerdings das gesamte Porenvolumen übermäßig erhöht wird, verringert sich das Raumgewicht des Kohlenstoffmaterials, was in einer geringen Kapazität des Lithium-Ionen-Kondensators
Außerdem weist das Kohlenstoffmaterial eine spezifische Oberfläche auf, die durch Nutzung einer BET-Adsorptionsisotherme (Brunauer-Emmet-Teller) erhalten wird und beispielsweise 2100 bis 2500 m2/g beträgt. Wenn die spezifische Oberfläche erhöht wird, wird die Bewegung der Elektrolyte-Ionen beschleunigt. Wenn allerdings die spezifische Oberfläche übermäßig erhöht wird, sinkt die Rohdichte des Kohlenstoffmaterials, was in einer geringen Kapazität des Lithium-Ionen-Kondensators
Das Kohlenstoffmaterial weist eine durchschnittliche Porengröße von beispielsweise 2,6 bis 3,3 nm, vorzugsweise von 2,7 bis 3,2 nm auf. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser hinreichend groß ist, wird die Bewegung der Elektrolyte-Ionen beschleunigt, wodurch der Innenwiderstand verringert wird. Wenn allerdings der durchschnittliche Porendurchmesser übermäßig erhöht wird, wird die Kapazität des Lithium-Ionen-Kondensators 1 klein. Es ist zu beachten, dass der durchschnittliche Porendurchmesser ein Wert (4 x V/SSA) ist, der durch Multiplikation eines Wertes mit dem Faktor
Dieses Kohlenstoffmaterial weist vorzugsweise einen Höchstwert des Porendurchmessers von 1,7 nm oder mehr auf. Der Höchstwert des Porendurchmessers gibt den Porendurchmesser an, der erreicht wird, wenn eine Ableitung ΔV/ΔD des gesamten Porenvolumens V nach einem Porendurchmesser D den Maximalwert in der Porenverteilung hat, der durch das oben beschriebene Verfahren erhalten wurde. Wenn der Höchstwert des Porendurchmessers hinreichend groß ist, wird die Bewegung der Elektrolyt-Ionen beschleunigt, wodurch der Innenwiderstand verringert wird. Es existiert keine Obergrenze für den Höchstwert des Porendurchmessers. Wenn allerdings der Höchstwert des Porendurchmessers übermäßig erhöht wird, wird die Kapazität des Lithium-Ionen Kondensators
Ein Kohlenstoffmaterial, das als Positivelektroden-Aktivmaterial
Als erstes wird ein Kohlenstoffmaterial mit der festgelegten Porenverteilung vorbereitet. Beispielsweise wird eine Kokosnusshülsen-Aktivkohle, die auch Kokosnusshülsenkarbid oder Kokosnusshülsen-Kohlenstoffmaterial genannt werden könnte, einer Wasserdampfaktivierung ausgesetzt. Die Aktivierungsatmosphäre, das heißt der Wasserdampf, beinhaltet beispielsweise 2 bis 5 Vol.-Proz. Sauersoff. Dies ermöglicht es, ein Kohlenstoffmaterial mit einer Porenverteilung zu erhalten, die die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt.First, a carbon material having the specified pore distribution is prepared. For example, a coconut shell activated carbon, which could also be called coconut shell carbide or coconut shell carbon material, is subjected to water vapor activation. The activation atmosphere, that is, the water vapor, for example, contains 2 to 5 vol. Sauersoff. This makes it possible to obtain a carbon material having a pore distribution satisfying the above-described conditions.
Als nächstes wird dieses Kohlenstoffmaterial mit einer chemischen Lösung behandelt. Ein Beispiel für die chemische Lösung ist eine wässrige Salzlösung, wie wässrige Salpetersäurelösung oder wässrige Schwefelsäurelösung.Next, this carbon material is treated with a chemical solution. An example of the chemical solution is an aqueous salt solution such as nitric acid aqueous solution or sulfuric acid aqueous solution.
In diesem Verfahren verändert sich beispielsweise das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr entsprechend der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre bei dem Aktivierungsprozess. Insbesondere wenn die Wasserdampfaktivierung in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird, wird das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr klein. Umgekehrt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre erhöht wird, wird das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr groß. Durch Festlegen der Sauerstoffkonzentration zwischen 2 bis 5 Vol.-% wird ein Kohlenstoffmaterial erhalten, dessen Porenverteilung den oben beschriebenen Bedingungen genügt. In this method, for example, the pore volume for pores having diameters of 1.7 nm or more changes according to the oxygen concentration in the atmosphere in the activation process. In particular, when the steam activation is performed in an oxygen-free atmosphere, the pore volume becomes small for pores having diameters of 1.7 nm or more. Conversely, when the oxygen concentration in the atmosphere is increased, the pore volume becomes large for pores having diameters of 1.7 nm or more. By setting the oxygen concentration between 2 to 5% by volume, a carbon material is obtained whose pore distribution satisfies the conditions described above.
Zudem verändert sich das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger entsprechend beispielsweise der Temperatur bei dem Aktivierungsprozess. Insbesondere wenn die Temperatur gesenkt wird, wird das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger klein. Umgekehrt, wenn die Temperatur erhöht wird, wird das Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,0 nm oder weniger groß.In addition, the pore volume for pores having diameters of 1.0 nm or less changes according to, for example, the temperature in the activation process. In particular, when the temperature is lowered, the pore volume becomes small for pores having diameters of 1.0 nm or less. Conversely, when the temperature is raised, the pore volume becomes large for pores having diameters of 1.0 nm or less.
Der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen dieses Kohlenstoffmaterials verändert sich entsprechend beispielsweise der Konzentration einer Säure, die bei der Bearbeitung mit der chemischen Lösung verwendet wird. Genauer gesagt wird, wenn die Konzentration der Säure erhöht wird, der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen hoch. Umgekehrt wird, wenn die Konzentration der Säure verringert wird, der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen klein. Die Konzentration der Säure beträgt beispielsweise 0,005 bis 2 mol/l. Es ist zu beachten, dass der Gesamtgehalt funktioneller Gruppen durch das Durchführen einer Reduktionsbehandlung, beispielsweise Heizen in einer inerten Atmosphäre, gesenkt werden kann.The total content of functional groups of this carbon material varies according to, for example, the concentration of an acid used in processing with the chemical solution. More specifically, as the concentration of the acid is increased, the total content of functional groups becomes high. Conversely, as the concentration of the acid is reduced, the total content of functional groups becomes small. The concentration of the acid is, for example, 0.005 to 2 mol / l. It should be noted that the total content of functional groups can be lowered by performing a reduction treatment, for example, heating in an inert atmosphere.
Das gesamte Porenvolumen verändert sich beispielsweise entsprechend der Zeit in dem Aktivierungsprozess. Insbesondere wenn die Zeit gekürzt wird, wird das gesamte Porenvolumen klein. Umgekehrt, wenn die Zeit verlängert wird, wird das gesamte Porenvolumen groß.The total pore volume changes, for example, according to the time in the activation process. In particular, when the time is shortened, the entire pore volume becomes small. Conversely, if the time is prolonged, the total pore volume becomes large.
BEISPIELEEXAMPLES
Im Folgenden werden Beispiele der Erfindung beschrieben.Hereinafter, examples of the invention will be described.
<Herstellung der Probe S1><Preparation of sample S1>
Eine Kokosnusshülsen-Aktivkohle bzw. ein Kokosnusshülsenkarbid wurde einer Wasserdampfaktivierung ausgesetzt. Genauer gesagt wurde, zu der Zeit der Wasserdampfaktivierung, das Karbid einer Erwärmung in einem Drehofen bei 800°C für zwei Stunden ausgesetzt. Als eine Aktivierungsatmosphäre wurde eine Atmosphäre genutzt, die durch das Einbringen von 3 Vol.-% Sauerstoff in den Wasserdampf erlangt wurde. Als nächstes wurde das Kohlenstoffmaterial mit 0,1 mol/l einer wässrigen Salpetersäurelösung bearbeitet und die funktionelle Gruppe wurde an das Kohlenstoffmaterial vermittelt. Hiernach wurde das Kohlenstoffmaterial vermahlen, wodurch ein Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 µm erhalten wurde. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S1“ bezeichnet.A coconut shell activated carbon or coconut shell carbide was subjected to steam activation. More specifically, at the time of steam activation, the carbide was subjected to heating in a rotary kiln at 800 ° C for two hours. As an activation atmosphere, an atmosphere obtained by introducing 3% by volume of oxygen into the water vapor was used. Next, the carbon material was treated with 0.1 mol / L of a nitric acid aqueous solution and the functional group was transferred to the carbon material. After that, the carbon material was ground, whereby a powder having an average particle size of 5 μm was obtained. This powder is hereinafter referred to as "Sample S1".
<Herstellung der Probe S2><Preparation of Sample S2>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie das für Probe S1 beschriebene Verfahren erlangt, mit dem Unterschied, dass die Konzentration der wässrigen Salpetersäurelösung bei 0,5 mol/l lag. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S2“ bezeichnet.A powder of carbon material was obtained by the same method as that described for Sample S1, except that the concentration of the nitric acid aqueous solution was 0.5 mol / l. This powder is hereinafter referred to as "Sample S2".
<Herstellung der Probe S3><Preparation of sample S3>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie das für Probe S1 beschriebene Verfahren erlangt, mit dem Unterschied, dass die Konzentration der wässrigen Salpetersäurelösung bei 2 mol/l lag. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S3“ bezeichnet.A powder of carbon material was obtained by the same method as that described for Sample S1, except that the concentration of the nitric acid aqueous solution was 2 mol / l. This powder is hereinafter referred to as "sample S3".
<Herstellung der Probe S4><Preparation of Sample S4>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie das für Probe S1 beschriebene Verfahren erlangt, mit dem Unterschied, dass die Erwärmungsdauer bei der Wasserdampfaktivierung
<Herstellung der Probe S5> <Preparation of Sample S5>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie das für Probe S1 beschriebene Verfahren erlangt, mit dem Unterschied, dass die Konzentration der wässrigen Salpetersäurelösung bei 3 mol/l lag. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S5“ bezeichnet.A powder of carbon material was obtained by the same method as that described for Sample S1, except that the concentration of the nitric acid aqueous solution was 3 mol / L. This powder is hereinafter referred to as "sample S5".
<Herstellung der Probe S6><Preparation of Sample S6>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie das für Probe S1 beschriebene Verfahren erlangt, mit dem Unterschied, dass die Behandlung mit wässriger Salpetersäurelösung ausgelassen wurde. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S6“ bezeichnet.A powder of carbon material was obtained by the same method as that described for Sample S1, except that the treatment with aqueous nitric acid solution was omitted. This powder is hereinafter referred to as "Sample S6".
<Herstellung der Probe S7><Preparation of Sample S7>
Eine Kohle mit einem Äquivalentgewicht wurde einer Alkaliaktivierung unter Nutzung von Kaliumhydroxid von 4 Äquivalentgewichten ausgesetzt. Genauer gesagt wurden die 4 Äquivalentgewichte Kaliumhydroxid zu einem Äquivalentgewicht pulverförmiger Kohle hinzugefügt. Nach ausreichendem Vermischen der Mischung wurde die Mischung für 8 Stunden einer Aktivierungsbearbeitung in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C ausgesetzt. Hiernach wurde die Mischung gereinigt, um Kalium zu entfernen. Anschließend wurde das Kohlenstoffmaterial vermahlen, wodurch ein Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 µm erhalten wurde. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S7“ bezeichnet.An equivalent weight carbon was subjected to alkali activation using 4 equivalent weights of potassium hydroxide. Specifically, the 4 equivalent weights of potassium hydroxide were added to an equivalent weight of powdered coal. After sufficiently mixing the mixture, the mixture was subjected to activation processing in a nitrogen atmosphere at 800 ° C for 8 hours. After that, the mixture was purified to remove potassium. Subsequently, the carbon material was ground, whereby a powder having an average particle size of 5 μm was obtained. This powder is hereinafter referred to as "Sample S7".
<Herstellung der Probe S8><Preparation of Sample S8>
Eine Kokosnusshülsen-Aktivkohle wurde einer Wasserdampfaktivierung ausgesetzt. Um genau zu sein, wurde das Karbid für 4 Stunden einer Erwärmung in einem Drehofen bei 950°C ausgesetzt. Als eine Aktivierungsatmosphäre wurde Wasserdampf genutzt. Die Sauerstoffkonzentration des Wasserdampfes ist gleich oder kleiner als 1 Vol.-%. Als nächstes wurde das Kohlenstoffmaterial gemahlen, wodurch ein Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 µm erhalten wurde. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S8“ bezeichnet.A coconut shell activated carbon was subjected to steam activation. To be precise, the carbide was subjected to heating in a rotary kiln at 950 ° C for 4 hours. As an activation atmosphere, water vapor was used. The oxygen concentration of the water vapor is equal to or less than 1 vol.%. Next, the carbon material was ground, whereby a powder having an average particle size of 5 μm was obtained. This powder is hereinafter referred to as "sample S8".
<Herstellung der Probe S9><Preparation of Sample S9>
Eine Kokosnusshülsen-Aktivkohle wurde einer Wasserdampfaktivierung ausgesetzt. Um genau zu sein, wurde die Wasserdampfaktivierung mittels desselben Verfahrens durchgeführt wie für Probe S1 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Erwärmungsdauer
<Herstellung von Probe S10><Preparation of Sample S10>
Ein Pulver aus Kohlenstoffmaterial wurde durch dasselbe Verfahren wie für Probe S1 beschrieben erhalten, mit dem Unterschied, dass die Erwärmungsdauer bei der Wasserdampfaktivierung 1 Stunde betrug. Dieses Pulver wird im Folgenden als „Probe S10“ bezeichnet.A powder of carbon material was obtained by the same method as described for Sample S1, except that the heating time for steam activation was 1 hour. This powder is hereinafter referred to as "Sample S10".
<Auswertung 1><
Die spezifische Oberfläche und die Porenverteilung wurden bei jeder der Proben S1 bis S9 gemessen. Die Messung wurde durch das BJH-Verfahren unter Nutzung einer von Quantachrome hergestellten NOVA-3000 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle 1 und in
In
In
Wie aus dem Vergleich zwischen den Kurven C1 und C2 deutlich wird, hat die Probe S1 ein im Vergleich zu der Probe S8 großes Porenvolumen für Poren mit Durchmessern von 1,7 nm oder mehr.As is clear from the comparison between the curves C1 and C2, the sample S1 has a large pore volume compared to the sample S8 for pores having diameters of 1.7 nm or more.
<Auswertung 2><
Die Probe S1 als Material der positiven Elektrode, das Leitmittel und der Binder wurden in einem Massenverhältnis von 81,8 : 9,1 : 9,1 vermischt. Von Cabot hergestellter Ruß VALCAN XC-72 wurde als das Leitmittel und Polyvinylidenfluorid wurde als Binder benutzt. Ein Beschichtungsfilm aus diesem Gemisch wurde durch ein Beschichtungsverfahren gebildet und durch eine Presswalzenmaschine gepresst. Hiernach wurde der gepresste Beschichtungsfilm in eine Scheibenform mit einer Fläche von 2 cm2 gestanzt und dann für 12 Stunden in einem Vakuum bei 120°C getrocknet.The sample S1 as the positive electrode material, the conductive agent and the binder were mixed in a mass ratio of 81.8: 9.1: 9.1. Cabot made carbon black VALCAN XC-72 was used as the conductive agent and polyvinylidene fluoride was used as the binder. A coating film of this mixture was formed by a coating method and pressed by a press roll machine. After that, the pressed coating film was punched into a disc shape having an area of 2 cm 2 and then dried in a vacuum at 120 ° C for 12 hours.
Diese Scheibe wurde als eine Arbeitselektrode genutzt, um eine dreipolige Knopfzelle zusammenzubauen. Eine Lithiumfolie wurde als eine Gegenelektrode und als Referenzelektrode genutzt. Als eine nichtwässrige Elektrolytlösung wurde eine Lösung benutzt, die durch Auflösen von Lithiumhexafluorphosphat in einer gemischten Flüssigkeit aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat erhalten wurde. Die Konzentration des Lithiumhexafluorphosphates betrug 1 mol/l.This disk was used as a working electrode to assemble a three-pole button cell. A lithium foil was used as a counter electrode and as a reference electrode. As a non-aqueous electrolyte solution, a solution obtained by dissolving lithium hexafluorophosphate in a mixed liquid of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used. The concentration of lithium hexafluorophosphate was 1 mol / l.
Weitere dreipolige Knopfzellen wurden durch dasselbe Verfahren hergestellt, mit dem Unterschied, dass die Proben S2 bis S9 anstelle der Probe S1 verwendet wurden.Additional 3-prong button cells were prepared by the same method except that Samples S2 through S9 were used instead of Sample S1.
Jede der dreipoligen Knopfzellen wurde auf eine Spannung von 3 bis 4,25 V mit einer konstanten Stromstärke von 2 mA/cm2 geladen und bei dieser Spannung für fünf Minuten gehalten. Hiernach wurde jede der dreipoligen Knopfzellen mit einer konstanten Stromstärke von 2 mA/cm2 entladen und die Kapazität und der Innenwiderstand pro Volumeneinheit der dreipoligen Knopfzelle wurden ermittelt. Die Ergebnisse sind oben in Tabelle 1 und in den
Die in
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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„J. Am. Chem. Soc. (1951), 73, S. 373-380 |
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