JP2001302226A - Method for producing porous carbon material, porous carbon material and electric double layer capacitor produced by using the material - Google Patents

Method for producing porous carbon material, porous carbon material and electric double layer capacitor produced by using the material

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JP2001302226A
JP2001302226A JP2000117624A JP2000117624A JP2001302226A JP 2001302226 A JP2001302226 A JP 2001302226A JP 2000117624 A JP2000117624 A JP 2000117624A JP 2000117624 A JP2000117624 A JP 2000117624A JP 2001302226 A JP2001302226 A JP 2001302226A
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carbon material
porous carbon
electric double
double layer
layer capacitor
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JP2000117624A
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Japanese (ja)
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Kenichi Uehara
健一 上原
Yoshihisa Murata
芳久 村田
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Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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    • H01G11/22Electrodes
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for the production of a porous carbon material having high electrical capacitance and high energy density and suitable as an electrode material for an electric double layer capacitor by an industrially applicable alkali activation method. SOLUTION: This porous carbon material is produced by activating a soft carbon material with an alkali containing potassium hydroxide and sodium hydroxide at a weight ratio of 99/1 to 30/70. The activation treatment is carried out preferably at a temperature lower than the boiling point of metallic potassium.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、比表面積が大き
く、しかも電気二重層キャパシタ用分極性電極材料とし
て用いたときに充填密度も高く、質量当りだけでなく体
積当りも極めて大きな静電容量が得られる多孔質炭素材
料をアルカリ賦活により工業的に製造しうる多孔質炭素
材料の製造方法、およびこれにより得られるエネルギー
密度が高く、電気二重層キャパシタの高容量・小型炭素
材として好適な多孔質炭素材料、これを含む電気二重層
キャパシタに関する。
The present invention relates to a high specific surface area, high packing density when used as a polarizable electrode material for an electric double layer capacitor, and an extremely large capacitance per volume as well as per mass. A method for producing a porous carbon material capable of industrially producing the obtained porous carbon material by alkali activation, and a porous material having a high energy density obtained thereby and suitable as a high-capacity small-sized carbon material for an electric double layer capacitor The present invention relates to a carbon material and an electric double layer capacitor including the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に異なる二つの相が接触する界面で
は、極めて短い距離を隔てて正・負の電荷が対向して配
列分布する。電荷の配列分布層は電気二重層と称され
る。電解質中に浸漬した一対の分極性電極に直流電圧を
印加すると、正側に分極した電極には電解質中の陰イオ
ンが、また負側に分極した電極には電解質中の陽イオン
が静電的に引き寄せられ、電極と電解液の界面に電気二
重層と呼ばれる空間電荷層が形成される。電気二重層キ
ャパシタは、この電気二重層に蓄積された電荷の持つ電
気エネルギーを利用するように構成された素子である。
2. Description of the Related Art Generally, at an interface where two different phases are in contact with each other, positive and negative charges are arranged and distributed opposite to each other at an extremely short distance. The charge distribution layer is called an electric double layer. When a DC voltage is applied to a pair of polarizable electrodes immersed in the electrolyte, anions in the electrolyte are electrostatically applied to the positively polarized electrode, and cations in the electrolyte are applied to the negatively polarized electrode. To form a space charge layer called an electric double layer at the interface between the electrode and the electrolyte. The electric double layer capacitor is an element configured to use electric energy of the electric charge stored in the electric double layer.

【0003】このような電気二重層キャパシタは、瞬時
充放電特性に優れ、かつ繰返しによる性能低下が少ない
という特性を有しているため、ICメモリーを搭載する
マイクロコンピューターなどの電子機器のバックアップ
電源などに広く利用されつつある。また瞬時充放電特性
に優れる電気二重層キャパシタは、電気自動車用電源と
しても有用である。
[0003] Such electric double layer capacitors have excellent instantaneous charge / discharge characteristics and a characteristic that the performance is less likely to decrease due to repetition. Therefore, such electric double layer capacitors are used as backup power supplies for electronic devices such as microcomputers equipped with IC memories. It is being widely used in An electric double layer capacitor having excellent instantaneous charge / discharge characteristics is also useful as a power supply for electric vehicles.

【0004】上記のように一対の分極性電極と電解質か
ら構成される電気二重層キャパシタでは、分極性電極と
電解質の界面に形成される電気二重層に蓄積される静電
容量Cは式(1)で示される。 C=∫〔ε/(4πδ)〕dS (1) (ここでε:電解液の誘電率、δ:電極表面からイオン
中心までの距離、S:電極界面の表面積である。) したがって比表面積の大きな分極性電極材料を用いれ
ば、単位質量当りの静電容量(F/g)の高い電気二重
層キャパシタを得ることができる。
In an electric double layer capacitor composed of a pair of polarizable electrodes and an electrolyte as described above, the capacitance C stored in the electric double layer formed at the interface between the polarizable electrode and the electrolyte is expressed by the following equation (1). ). C = ∫ [ε / (4πδ)] dS (1) (where ε: the dielectric constant of the electrolytic solution, δ: the distance from the electrode surface to the ion center, and S: the surface area of the electrode interface) If a large polarizable electrode material is used, an electric double layer capacitor having a high capacitance per unit mass (F / g) can be obtained.

【0005】また近年の電子機器、電気自動車などの軽
量小型化傾向に伴い、これに搭載される電気二重層キャ
パシタも軽量小型化が望まれており、分極炭素材料のエ
ネルギー高密度化が要求されている。このため単位質量
当りの静電容量(F/g)の向上だけでなく、単位体積
当りの静電容量(F/cm3 )の向上も要求されてい
る。この単位体積当りの静電容量(F/cm3 )は、単
位質量当りの静電容量(F/g)に充填密度を乗じたも
のであり、具体的に、20F/cm3 以上という極めて
高い値が最近の目標とされている。
[0005] With the recent tendency to reduce the size and weight of electronic devices and electric vehicles, it is desired to reduce the size and weight of electric double-layer capacitors mounted thereon. ing. For this reason, not only is the capacitance per unit mass (F / g) improved, but also the capacitance per unit volume (F / cm 3 ) is required to be improved. The capacitance per unit volume (F / cm 3 ) is obtained by multiplying the capacitance per unit mass (F / g) by the packing density, and specifically, is as extremely high as 20 F / cm 3 or more. Value has been a recent goal.

【0006】上記のような分極性電極材料としては、従
来、樹脂などの有機性廃棄物、パルプ製造残渣、石炭、
石炭コークス、木材、ヤシ殻などの原料を賦活処理する
ことにより、比表面積を大きくした活性炭類が周知であ
るが、近年、充填密度の高い多孔質炭素材料を得るため
に、粒径の揃ったメソカーボンマイクロビーズ(メソフ
ェーズ小球体)を賦活材料として用いることが検討され
ている。
Conventionally, the above-mentioned polarizable electrode materials include organic wastes such as resins, pulp production residues, coal,
Activated carbons whose specific surface area has been increased by activating raw materials such as coal coke, wood, and coconut shells are well known.In recent years, in order to obtain a porous carbon material with a high packing density, the particle size has become uniform. Use of mesocarbon microbeads (mesophase microspheres) as an activator has been studied.

【0007】また賦活方法としては、従来、活性炭製造
方法である水蒸気、空気、酸素、CO2 などの酸化性ガ
スを用いた酸化性ガス賦活法によれば、特別な薬品を使
用せず、また設備腐蝕の問題もなく、コスト面での利点
があるが、この方法では本質的に大きな比表面積を得る
ことが困難である。
As an activation method, according to the conventional oxidizing gas activation method using an oxidizing gas such as steam, air, oxygen or CO 2 which is a method for producing activated carbon, no special chemical is used. Although there is a cost advantage without the problem of equipment corrosion, it is difficult to obtain an essentially large specific surface area by this method.

【0008】またメソフェーズ小球体を、KOH、Na
OH、CsOH、LiOHなどのアルカリ薬品を用いて
賦活すれば、酸化性ガス賦活法に比べて比表面積を大き
くすることが容易で、かつ歩留まりも高いことが知られ
ている(特開平1−230414号、特許第26346
58号、特開平10−199767号など)。アルカリ
賦活では、通常、アルカリ量を増加させれば比表面積を
大きくすることができ、アルカリのうちでもKOHは大
きな比表面積が得られることが知られている。たとえば
メソフェーズ小球体に対し3倍量(質量比)のNaOH
を用いた場合、比表面積は大きくても1500m2 /g
に到達しないが、KOHを同比で用いれば、2000m
2 /g以上の比表面積を容易に得ることができる。また
KOH賦活では60%以上の高い歩留まりも得られる。
[0008] The mesophase microspheres are made of KOH, Na
It is known that, when activated by using an alkali chemical such as OH, CsOH, or LiOH, the specific surface area can be easily increased and the yield is high as compared with the oxidizing gas activation method (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-230414). No., Patent No. 26346
No. 58, JP-A-10-199767, etc.). In the alkali activation, it is generally known that the specific surface area can be increased by increasing the amount of alkali, and among the alkalis, KOH can obtain a large specific surface area. For example, 3 times (mass ratio) NaOH to mesophase microspheres
When using, the specific surface area is at most 1500 m 2 / g
, But if KOH is used in the same ratio, 2000 m
A specific surface area of 2 / g or more can be easily obtained. In addition, a high yield of 60% or more can be obtained by KOH activation.

【0009】反面、アルカリ賦活法では、高表面積を得
るためには薬品価格の高いKOHを原料に対して3倍量
以上使用する必要がある。また好適賦活温度(前記特開
平1−230414号参照)は、KOHの場合800〜
1000℃程度と高く、NaOHの600℃に比べれば
高温である。このためKOHによるアルカリ賦活法を工
業的に実施するには、薬品コストおよび装置腐食の問題
があった。
On the other hand, in the alkali activation method, in order to obtain a high surface area, it is necessary to use more expensive KOH than the raw material in an amount of three times or more. Further, a preferable activation temperature (see JP-A-1-230414) is 800 to 800 KOH.
The temperature is as high as about 1000 ° C., which is higher than the 600 ° C. of NaOH. Therefore, in order to industrially implement the alkali activation method using KOH, there are problems of chemical cost and equipment corrosion.

【0010】さらに表面平滑なメソカーボン小球体をア
ルカリ賦活すると、比表面積が大きくなるほど充填密度
が低下するので、たとえばKOH賦活により比表面積を
増加させ単位質量当りの静電容量(F/g)を大きくす
ることはできても、単位体積当りの静電容量(F/cm
3 )には限度がある。NaOH賦活では、KOHに比
べ、単位質量あるいは単位体積当りともに高い静電容量
は得られない。
Further, when the mesocarbon small spheres having a smooth surface are alkali-activated, the packing density decreases as the specific surface area increases. For example, the specific surface area is increased by activating KOH to increase the capacitance per unit mass (F / g). Although it can be increased, the capacitance per unit volume (F / cm
3 ) There is a limit. With NaOH activation, a higher capacitance per unit mass or per unit volume than KOH cannot be obtained.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、単位質量当
りおよび単位体積当りともに高い静電容量を示す多孔質
炭素材料を得ることができ、工業的レベルでも実施しう
るアルカリ賦活による多孔質炭素材料の製造方法、およ
びこの方法によって得られ、充填密度が高く、高性能・
小型化電気二重層キャパシタ用電極材料として好適な多
孔質炭素材料、この多孔質炭素材料を用いた電気二重層
キャパシタを提供することを目的としている。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides a porous carbon material having a high capacitance per unit mass and per unit volume, and which can be carried out on an industrial level. The method for producing the material and the high packing density obtained by this method,
It is an object of the present invention to provide a porous carbon material suitable as an electrode material for a miniaturized electric double layer capacitor, and an electric double layer capacitor using the porous carbon material.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者は、ソフトカー
ボン系炭素材料のアルカリ賦活について検討したとこ
ろ、KOHとNaOHとを混合して用いることにより、
該混合量と同量の使用において、KOHまたはNaOH
をそれぞれ単一で用いた場合に比べ、高い静電容量、特
に単位体積当り高い静電容量(F/cm3 )を示す多孔
質炭素材料が得られることを見出した。これは、KOH
とNaOHとの混合剤を用いることによって、電解質を
脱吸着しうるのに有効な2nm(20Å)以上で、電気
二重層キャパシタ用電極材料として適切な細孔径が多く
形成されたためと推測されるが、このようにKOHとN
aOHとの混合剤による静電容量の飛躍的な向上効果
は、それぞれを単一で用いたときの効果からは予想でき
ないものであった。
Means for Solving the Problems The present inventor studied the alkali activation of a soft carbon-based carbon material, and found that a mixture of KOH and NaOH was used.
In the use of the same amount as the mixture, KOH or NaOH
It has been found that a porous carbon material having a higher capacitance, particularly a higher capacitance per unit volume (F / cm 3 ), can be obtained as compared with the case where each is used alone. This is KOH
It is presumed that the use of the mixture of NaOH and NaOH formed a large number of pores suitable for use as an electrode material for electric double layer capacitors at 2 nm (20 °) or more effective for desorbing the electrolyte. Like this, KOH and N
The effect of dramatically increasing the capacitance due to the mixture with aOH could not be expected from the effect when each was used alone.

【0013】またKOH−NaOH混合剤を用いれば、
通常850℃で行われるKOH賦活よりも低い温度で上
記効果を得ることができることも見出し、特に金属カリ
ウムの沸点(762℃)よりも低い温度で実施しても所
望効果が得られることを見出した。しかも金属カリウム
の沸点以下で実施すれば金属カリウムの蒸散はほとんど
観察されず、腐食の問題が軽減されることもわかった。
さらに賦活温度が低下すれば昇温時間は短縮できるた
め、エネルギーを低減することができ、工業的に生産性
よく実施も可能であることも見出して本発明を完成する
に至った。
When a KOH-NaOH mixed agent is used,
It has also been found that the above effect can be obtained at a temperature lower than the KOH activation usually performed at 850 ° C., and particularly, that the desired effect can be obtained even when the temperature is lower than the boiling point of metal potassium (762 ° C.). . In addition, it was also found that when carried out at a temperature lower than the boiling point of metallic potassium, evaporation of metallic potassium was hardly observed, and the problem of corrosion was reduced.
In addition, the inventors have found that if the activation temperature is lowered, the heating time can be shortened, the energy can be reduced, and the invention can be carried out with good industrial productivity, and the present invention has been completed.

【0014】すなわち本発明は、水酸化カリウムと水酸
化ナトリウムとを99/1〜30/70(質量比)の量
比で含むアルカリを用いて、ソフトカーボン系炭素材料
をアルカリ賦活する多孔質炭素材料の製造方法である。
上記において、KOHの使用量比を少なくすれば薬品コ
ストを低減することもできる。上記ソフトカーボン系炭
素材料として、メソフェーズ小球体および/またはバル
クメソフェーズを用いることができる。本発明では、金
属カリウムの沸点よりも低い温度で賦活処理することが
好ましい。具体的には、600〜750℃程度で賦活処
理することができる。
That is, the present invention relates to a porous carbon for alkali-activating a soft carbon-based carbon material using an alkali containing potassium hydroxide and sodium hydroxide in a quantitative ratio of 99/1 to 30/70 (mass ratio). It is a method of manufacturing a material.
In the above, if the usage ratio of KOH is reduced, the chemical cost can also be reduced. As the soft carbon-based carbon material, mesophase small spheres and / or bulk mesophase can be used. In the present invention, the activation treatment is preferably performed at a temperature lower than the boiling point of metal potassium. Specifically, the activation treatment can be performed at about 600 to 750 ° C.

【0015】上記のような本発明の多孔質炭素材料の製
造方法によれば、充填密度0.5g/cm3 以上の多孔
質炭素材料を得ることができる。また本発明では、電気
二重層キャパシタ用分極性電極材料として使用したと
き、単位質量当り30F/g以上の高い静電容量を示す
多孔質炭素材料を得ることができる。本発明では、上記
製造方法により得られ、単位体積当りの静電容量が20
F/cm3 以上である多孔質炭素材料も提供される。本
発明では、上記のような多孔質炭素材料を分極性電極材
料とする電気二重層キャパシタも提供される。
According to the method for producing a porous carbon material of the present invention as described above, a porous carbon material having a packing density of 0.5 g / cm 3 or more can be obtained. Further, in the present invention, when used as a polarizable electrode material for an electric double layer capacitor, a porous carbon material having a high capacitance of 30 F / g or more per unit mass can be obtained. In the present invention, the capacitance per unit volume obtained by the above manufacturing method is 20%.
A porous carbon material having F / cm 3 or more is also provided. The present invention also provides an electric double layer capacitor using the above-described porous carbon material as a polarizable electrode material.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下本発明をより具体的に説明す
る。本発明では、ソフトカーボン系炭素材料を、水酸化
カリウムと水酸化ナトリウムとの混合アルカリを用いて
賦活処理し、多孔質炭素材料を製造する。上記ソフトカ
ーボン系炭素材料として、メソフェーズ小球体および/
またはバルクメソフェーズを用いることができる。メソ
フェーズ小球体およびバルクメソフェーズは、公知のも
のを広く用いることができ、特に限定されないが、粒径
が5〜100μm範囲内のものが好ましく、5〜40μ
mのものがより好ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below more specifically. In the present invention, a soft carbon-based carbon material is activated using a mixed alkali of potassium hydroxide and sodium hydroxide to produce a porous carbon material. As the soft carbon-based carbon material, mesophase spherules and / or
Alternatively, a bulk mesophase can be used. Known mesophase spherules and bulk mesophases can be widely used and are not particularly limited, but those having a particle size in a range of 5 to 100 μm are preferable, and 5 to 40 μm
m is more preferred.

【0017】メソフェーズ小球体、バルクメソフェーズ
の製造原料としては、一般的に例えば石炭系タールある
いはピッチ、石油系重質油あるいはピッチなどのピッチ
類が用いられる。これらのピッチ類を好ましくは窒素気
流中で350〜500℃で0.5時間〜10時間加熱処
理を行なえば、加熱の進行に伴ってピッチ中に、先ずメ
ソフェーズ小球体が生成し、次いでメソフェーズ小球体
同士が凝集してバルクメソフェーズが生成してくる。し
たがってメソフェーズ小球体および/またはバルクメソ
フェーズの生成は加熱処理条件を所望に応じて適宜選択
すればよい。上記加熱後のピッチから、例えばキノリン
などを用いた溶剤分離操作でメソフェーズ小球体および
/またはバルクメソフェーズを得ることができる。
As a raw material for producing mesophase small spheres and bulk mesophase, pitches such as coal-based tar or pitch, petroleum heavy oil or pitch are generally used. If these pitches are subjected to a heat treatment at 350 to 500 ° C. for 0.5 hours to 10 hours, preferably in a nitrogen stream, first, mesophase small spheres are formed in the pitch as the heating proceeds, and then the mesophase small spheres are formed. The spheres aggregate to form a bulk mesophase. Therefore, the generation of the mesophase microspheres and / or the bulk mesophase may be performed by appropriately selecting the heat treatment conditions as desired. From the heated pitch, mesophase microspheres and / or bulk mesophase can be obtained by a solvent separation operation using, for example, quinoline.

【0018】本発明で賦活原料に用いるメソフェーズ小
球体およびバルクメソフェーズそのものの詳細は、たと
えば特開平1−230414号、特開平8−85794
号、特許第2950781号などに記載されており、本
明細書にもこれらの記載を引用することができる。本発
明ではこれらの市販品を用いてもよい。メソフェーズ小
球体またはバルクメソフェーズはいずれか一方を用いて
もよく、これらの混合物を用いてもよい。このようなソ
フトカーボン系炭素材料は、黒鉛前駆体であって、賦活
過程でもある程度黒鉛化が進み、黒鉛構造をとりやすい
ため、賦活後に内部抵抗の少ない微細構造体を形成する
ことができて好ましい。
The details of the mesophase microspheres and bulk mesophase used as the starting material in the present invention are described in, for example, JP-A-1-230414 and JP-A-8-85794.
And Japanese Patent No. 2950781. These descriptions can also be cited in the present specification. In the present invention, these commercially available products may be used. Either the mesophase sphere or the bulk mesophase may be used, or a mixture thereof may be used. Such a soft carbon-based carbon material is a graphite precursor, and graphitization proceeds to some extent even in the activation process, so that it is easy to take a graphite structure, so that it is possible to form a microstructure having a small internal resistance after activation, which is preferable. .

【0019】本発明では、上記のようなソフトカーボン
系炭素材料を、水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの
混合物を用いてアルカリ賦活する。水酸化カリウムと水
酸化ナトリウムとは、KOH/NaOH(質量比)が9
9/1〜30/70の量比で用いられ、好ましくは95
/5〜40/60比で用いられる。この範囲内でKOH
量比を少なくすれば、薬品コストを低減化することがで
きる。また本発明の目的を損なわない範囲であれば他の
アルカリを添加してもよい。
In the present invention, the above soft carbon-based carbon material is alkali-activated by using a mixture of potassium hydroxide and sodium hydroxide. Potassium hydroxide and sodium hydroxide have a KOH / NaOH (mass ratio) of 9
It is used in a quantitative ratio of 9/1 to 30/70, preferably 95
/ 5 to 40/60 ratio. KOH within this range
If the amount ratio is reduced, the chemical cost can be reduced. Other alkalis may be added as long as the object of the present invention is not impaired.

【0020】本発明での混合アルカリ使用量は、最終的
に所望する比表面積などによっても異なるが、通常16
00〜2000m2 /g程度の比表面積を得ようとする
ときには、原料(ソフトカーボン系炭素材料)に対し、
1.5〜2.5倍量(質量比)で用いられる。
The amount of the mixed alkali used in the present invention varies depending on the finally desired specific surface area and the like.
When a specific surface area of about 00 to 2000 m 2 / g is to be obtained, the raw material (soft carbon-based carbon material)
It is used in an amount of 1.5 to 2.5 times (mass ratio).

【0021】ソフトカーボン系炭素材料の賦活処理は、
通常、ソフトカーボン系炭素材料、KOH/NaOH混
合物を含むアルカリ、および必要に応じて溶媒などのス
ラリーを形成し、得られたスラリーを乾燥し、乾燥混合
物とした後、加熱することにより行われる。アルカリ賦
活処理は、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性雰囲気
下で実施することが好ましく、これによってより一層の
脱炭効果を得ることができる。
The activation treatment of the soft carbon-based carbon material is as follows:
Usually, the slurry is formed by forming a slurry of a soft carbon-based carbon material, an alkali containing a KOH / NaOH mixture, and if necessary, a solvent and the like, drying the obtained slurry to form a dry mixture, and then heating. The alkali activation treatment is preferably performed in an inert atmosphere such as a nitrogen gas or an argon gas, whereby a further decarburizing effect can be obtained.

【0022】賦活は、300℃〜1500℃で行うこと
ができるが、好ましくは金属カリウムの沸点以下の温度
で行うことが好ましく、具体的に550〜750℃程度
で行うことが望ましい。賦活時には、ロータリーキル
ン、流動床、移動床などの各種加熱装置を用いることが
できる。賦活加熱時間は、通常10分〜24時間程度で
ある。この加熱(賦活)は、温度を一定割合で上昇させ
た後、所望温度で保持してもよく、最終温度に到達する
までに途中で何度か中間保持してもよい。賦活処理の
後、通常、塩酸溶液などで中和後、イオン交換水などで
洗浄して多孔質炭素材料を得る。
The activation can be carried out at a temperature of 300 ° C. to 1500 ° C., preferably at a temperature not higher than the boiling point of metallic potassium, and more preferably at about 550 to 750 ° C. At the time of activation, various heating devices such as a rotary kiln, a fluidized bed, and a moving bed can be used. Activation heating time is usually about 10 minutes to 24 hours. This heating (activation) may be carried out at a predetermined rate and then maintained at a desired temperature, or may be carried out intermediately several times before reaching the final temperature. After the activation treatment, usually, the porous carbon material is obtained by neutralizing with a hydrochloric acid solution or the like and then washing with ion-exchanged water or the like.

【0023】上記のような本発明の多孔質炭素材料の製
造方法によれば、平均細孔径(BET法)2nm以上で
電解質の脱吸着に有効な大きさの細孔を多く有し、後述
するように単位質量当りの静電容量が高い多孔質炭素材
料を得ることができる。このため本発明で得られる多孔
質炭素材料は、KOH賦活で得られるもののように必ず
しも大きな比表面積を有する必要はなく、具体的に比表
面積(BET法)は500〜2000m2 /g程度あれ
ばよく、さらには1000〜2000m 2 /g程度あれ
ばよい。
Production of the porous carbon material of the present invention as described above
According to the manufacturing method, when the average pore diameter (BET method) is 2 nm or more,
Has many pores of a size effective for electrolyte desorption,
Porous carbon material with high capacitance per unit mass
You can get the fee. Therefore, the porosity obtained by the present invention
High-quality carbon materials, such as those obtained by KOH activation
It is not necessary to have a large specific surface area.
Area (BET method) is 500-2000mTwo/ G about that
Good, 1000-2000m Two/ G about that
I just need.

【0024】さらに本発明で得られる多孔質炭素材料を
用いれば高い充填密度が得られ、通常、0.5g/cm
3 以上、好ましくは0.6g/cm3 以上も可能であ
る。したがって単位体積当りの静電容量も高くなり、エ
ネルギー密度の高い分極性電極が得られる。この充填密
度の具体的な測定方法は実施例に後述する。本発明で
は、上記のような所望特性の多孔質炭素材料を60%以
上の歩留まりで得ることができる。なお歩留まりは原料
として用いたソフトカーボン系炭素材料(質量)に対す
る、得られた多孔質炭素材料(質量)の割合である。
Further, if the porous carbon material obtained by the present invention is used, a high packing density can be obtained, and usually 0.5 g / cm
3 or more, preferably 0.6 g / cm 3 or more is possible. Therefore, the capacitance per unit volume is also increased, and a polarizable electrode having a high energy density can be obtained. A specific method for measuring the packing density will be described later in Examples. According to the present invention, a porous carbon material having the above desired characteristics can be obtained with a yield of 60% or more. The yield is the ratio of the obtained porous carbon material (mass) to the soft carbon-based carbon material (mass) used as the raw material.

【0025】上記のように本発明で得られる多孔質炭素
材料は、高い静電容量能力を発現する。したがって電気
二重層キャパシタ用分極性電極材料として好適であり、
本発明ではこの多孔質炭素材料を分極性電極材料とする
電気二重層キャパシタも提供される。
As described above, the porous carbon material obtained by the present invention exhibits a high capacitance capability. Therefore, it is suitable as a polarizable electrode material for electric double layer capacitors,
The present invention also provides an electric double layer capacitor using the porous carbon material as a polarizable electrode material.

【0026】具体的に分極性電極で評価したときの性能
は、従来のアルカリ賦活法よりも比表面積に対する単位
質量当りも高く、30F/g以上の静電容量を得ること
ができる。単位体積当り20F/cm3 以上の静電容量
を得ることもできる。なおたとえば同一原料を、従来の
KOH賦活により比表面積2500m2 /g程度に賦活
すれば単位質量当りでは、25F/g以上の高い静電容
量が得られるが、充填密度が低く、単位体積当り20F
/cm3 以上の静電容量を得ることは困難であるという
のが電気二重層キャパシタにおける一般的な評価であ
る。
The performance when specifically evaluated with a polarizable electrode is higher per unit mass with respect to the specific surface area than the conventional alkali activation method, and a capacitance of 30 F / g or more can be obtained. It is also possible to obtain a capacitance of 20 F / cm 3 or more per unit volume. For example, if the same raw material is activated to a specific surface area of about 2500 m 2 / g by conventional KOH activation, a high capacitance of 25 F / g or more can be obtained per unit mass, but the packing density is low and 20 F / g per unit volume.
It is a general evaluation of electric double layer capacitors that it is difficult to obtain a capacitance of / cm 3 or more.

【0027】上記多孔質炭素材料は、原料のメソフェー
ズ小球体、バルクメソフェーズなどのソフトカーボン系
炭素材料の形状にほぼ相応し、平均粒径5〜100μm
であり、分極性電極は、これら材料を用いた一般的な方
法に準じて製造することができる。一般的には、多孔質
炭素材料に、必要に応じて結合剤、導電剤を適宜加え、
円形あるいは矩形のディスクまたはシート状に成形して
多孔質炭素材料層を形成する。
The above-mentioned porous carbon material almost corresponds to the shape of a soft carbon-based carbon material such as raw material mesophase small spheres and bulk mesophase, and has an average particle size of 5 to 100 μm.
The polarizable electrode can be manufactured according to a general method using these materials. Generally, if necessary, a binder and a conductive agent are appropriately added to the porous carbon material,
The porous carbon material layer is formed by molding into a circular or rectangular disk or sheet.

【0028】上記結合剤としては、通常ポリテトラフル
オロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(P
VDF)などを用いることができる。結合剤は、多孔質
炭素材料に対して、通常、0.1〜20質量%程度の量
で用いることができる。なお上記のような結合剤は、そ
の添加量が多すぎると電池の内部抵抗が大きくなり、少
なすぎると多孔質炭素材料粒子相互および集電体との接
着が不十分となる傾向がある。導電剤としては、通常カ
ーボンブラックなどが必要に応じて用いられる。使用す
る際は、多孔質炭素材料に対して、通常3〜20質量%
程度の量である。
As the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (P
VDF) can be used. The binder can be used usually in an amount of about 0.1 to 20% by mass based on the porous carbon material. When the amount of the above-mentioned binder is too large, the internal resistance of the battery tends to increase, and when too small, the adhesion between the porous carbon material particles and the current collector tends to be insufficient. As the conductive agent, carbon black or the like is usually used as needed. When used, usually 3 to 20% by mass based on the porous carbon material
Of the order of magnitude.

【0029】分極性電極は、上記多孔質炭素材料層の片
面に導電性集電材層を有する構造であるが、導電性集電
材層は、多孔質炭素材料、結合剤および導電剤の混合物
から多孔質炭素材料層を形成する際に同時に圧接成形し
てもよく、また予め、圧縮成形などの方法により成形さ
れた多孔質炭素材料層の片面に集電材を電気的に接続し
てもよい。
The polarizable electrode has a structure in which a conductive current collector layer is provided on one surface of the porous carbon material layer. The conductive current collector layer is made of a porous carbon material, a binder, and a mixture of a conductive agent. When the porous carbon material layer is formed, the current collector may be electrically connected to one surface of the porous carbon material layer formed in advance by a method such as compression molding.

【0030】厚さ10〜200μm程度の薄い多孔質炭
素材料層と金属などからなる集電材とを同時成形するに
は、上記結合剤を用いることが好ましい。具体的にはポ
リフッ化ビニリデンを結合剤とする場合は、これをN−
メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に溶解し、これに多
孔質炭素材料、必要により導電剤を加えペースト状と
し、集電体上に均一に塗布し乾燥する方法が好ましい。
また乾燥後、次いで常温または加熱してプレスすること
によって多孔質炭素材料層の充填密度を大きくすること
も可能である。
In order to simultaneously form a thin porous carbon material layer having a thickness of about 10 to 200 μm and a current collector made of metal or the like, it is preferable to use the above binder. Specifically, when polyvinylidene fluoride is used as the binder, this is
A method of dissolving in a solvent such as methyl-2-pyrrolidone, adding a porous carbon material and, if necessary, a conductive agent to form a paste, uniformly applying the paste on a current collector, and drying the paste is preferred.
After drying, it is also possible to increase the packing density of the porous carbon material layer by pressing at room temperature or by heating.

【0031】ディスクまたは厚いシート状の多孔質炭素
材料成形体を製造する場合は、結合剤にはポリテトラフ
ルオロエチレンなどが好ましく用いられ、多孔質炭素材
料、結合剤、必要により導電剤とを常温または加熱下で
混練し、常温または加熱下で圧縮成形する方法が好まし
い。
In the case of producing a disk or a thick sheet-like molded article of a porous carbon material, polytetrafluoroethylene or the like is preferably used as a binder, and the porous carbon material, the binder and, if necessary, the conductive agent are mixed at room temperature. Alternatively, a method of kneading under heating and compression molding at room temperature or under heating is preferable.

【0032】多孔質炭素材料層に集電体を電気的に接続
する方法としては、アルミニウムなどの金属を溶射して
集電材とする方法、アルミニウムなどの金属箔や金属網
からなる集電材を圧接する方法などが挙げられる。
The current collector can be electrically connected to the porous carbon material layer by spraying a metal such as aluminum to form a current collector, or by pressing a current collector made of a metal foil or a metal net of aluminum or the like. And the like.

【0033】電気二重層キャパシタの単位セルは、一般
に上記のようにして得られる分極性電極を一対用い、必
要に応じて不織布、その他の多孔性材料からなる透液性
セパレータを介して対向させ、電解液中に浸漬すること
により形成する。なお一対の分極性電極は、互いに同じ
であって異なっていてもよい。電気二重層キャパシタの
使用に当たっては、上記単位セルを単独で、または複数
の単位セルを直列および/または並列に接続して使用す
る。
The unit cell of the electric double layer capacitor generally uses a pair of polarizable electrodes obtained as described above, and opposes each other via a liquid-permeable separator made of a nonwoven fabric or another porous material as necessary. It is formed by dipping in an electrolytic solution. Note that the pair of polarizable electrodes may be the same or different. In using the electric double layer capacitor, the unit cells are used alone or a plurality of unit cells are connected in series and / or in parallel.

【0034】電解液は非水溶媒系または水系のいずれも
使用可能である。非水溶媒系電解液は、有機溶媒に電解
質を溶解したものであり、有機溶媒としては、例えばエ
チレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブ
チルラクトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルフォル
ムアミド、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジメ
トキシエタンなどを用いることができる。これらの二種
以上の混合物も使用することができる。
As the electrolytic solution, either a non-aqueous solvent system or an aqueous system can be used. The non-aqueous solvent-based electrolyte is a solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent.Examples of the organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyl lactone, dimethyl sulfoxide, dimethyl formamide, acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, and the like. Can be used. Mixtures of two or more of these can also be used.

【0035】電解質としては、(C2 5 4 PB
4 、(C3 7 4 PBF4 、(C25 4 NBF
4 、(C3 7 4 NBF4 、(C2 5 4 PP
6 、(C25 4 PCF3 SO3 、LiBF4 、L
iClO4 、LiCF3 SO3 などを用いることができ
る。水系電解液の電解質としては、NaCl、NaO
H、HCl、H2 SO4 などを使用することができる。
As the electrolyte, (C 2 H 5 ) 4 PB
F 4 , (C 3 H 7 ) 4 PBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NBF
4 , (C 3 H 7 ) 4 NBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 PP
F 6 , (C 2 H 5 ) 4 PCF 3 SO 3 , LiBF 4 , L
iClO 4 , LiCF 3 SO 3, or the like can be used. The electrolyte of the aqueous electrolyte is NaCl, NaO
H, HCl, H 2 SO 4 and the like can be used.

【0036】[0036]

【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例および比較例で得られた炭素材料の物性は以下の
ように測定した。 (1)充填密度 炭素材料80mgに対し、ポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)を1mg混合し、直径13mmのディスク
状にプレス成形(圧力14.7GPa)し、ディスクの
直径、厚さ、質量から、充填密度(g/cm3 )を算出
した。
EXAMPLES Next, the present invention will be described specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The physical properties of the carbon materials obtained in Examples and Comparative Examples were measured as follows. (1) Filling density 1 mg of polytetrafluoroethylene (PTFE) was mixed with 80 mg of carbon material, and press-formed (pressure 14.7 GPa) into a disk having a diameter of 13 mm, and filled from the diameter, thickness and mass of the disk. The density (g / cm 3 ) was calculated.

【0037】(2)細孔構造 比表面積および細孔径は、窒素吸着BET法により求め
た。比表面積と細孔径は、micrometrics社製ASAP2
400を使用して、77KにおけるN2 吸脱着による吸
着等温線をもとにBET法にて算出した。なお平均細孔
径=4×(細孔容積)/(BET比表面積)MP値であ
る。
(2) Pore Structure The specific surface area and pore diameter were determined by the nitrogen adsorption BET method. The specific surface area and pore size are micrometrics ASAP2
Using BET 400, it was calculated by the BET method based on the adsorption isotherm due to N 2 adsorption and desorption at 77K. The average pore diameter is 4 × (pore volume) / (BET specific surface area) MP value.

【0038】(実施例)平均粒径17μmのメソフェー
ズ小球体(川崎製鉄製商品名KMFC)150gに、K
OH225gとNaOH225gとを加え、均一に混合
してスラリーとし、80℃で3時間、160℃で24時
間乾燥を行った。次いでアルゴン気流下、表1に示す各
温度で3時間熱処理(賦活処理)した。賦活化後の試料
は、塩酸中和後、洗浄液が中性を示すまでイオン交換水
で洗浄を行った。歩留まりは、得られた多孔質炭素材料
の原料に対する質量比(%)として求めた。得られた多
孔質炭素材料の充填密度、細孔構造を表1に示す。
(Example) To 150 g of mesophase microspheres (trade name: KMFC manufactured by Kawasaki Steel) having an average particle size of 17 μm was added K
225 g of OH and 225 g of NaOH were added and uniformly mixed to form a slurry, which was dried at 80 ° C. for 3 hours and at 160 ° C. for 24 hours. Then, heat treatment (activation treatment) was performed for 3 hours at each temperature shown in Table 1 under an argon stream. After the activation, the sample was neutralized with hydrochloric acid and washed with ion-exchanged water until the washing solution became neutral. The yield was determined as a mass ratio (%) to the raw material of the obtained porous carbon material. Table 1 shows the packing density and pore structure of the obtained porous carbon material.

【0039】(比較例)KOHまたはNaOHのいずれ
か単一を、実施例のKOHとNaOHとの合計量(45
0g)と同量で用いた以外は実施例と同様にして、表1
に示す温度で賦活した。結果を表1に示す。
(Comparative Example) Either KOH or NaOH was used in combination with the total amount of KOH and NaOH (45
0g) in the same manner as in Example except that the same amount as in Table 1 was used.
Activated at the temperature indicated. Table 1 shows the results.

【0040】実施例および比較例で得られた各多孔質炭
素材料を用いて、以下のよう電気二重層キャパシタを作
製し、その性能を評価した結果を表1、図2および図3
に示す。 <電極の作製>多孔質炭素材料80gにカーボンブラッ
ク10g、PVDFを10gの割合(質量比)で加え、
乾式混合した後、アルミメッシュを集電体として室温で
直径13mmの円盤状に加圧(9.8GPa/cm2
成形し分極性電極材料とした。これを減圧下(133.
3Pa)、160℃で6時間乾燥した。
Using each of the porous carbon materials obtained in Examples and Comparative Examples, an electric double layer capacitor was produced as follows, and the performance was evaluated. The results are shown in Table 1, FIG. 2 and FIG.
Shown in <Preparation of electrode> To 80 g of the porous carbon material, 10 g of carbon black and 10 g of PVDF were added at a ratio (mass ratio) of 10 g.
After dry mixing, the aluminum mesh is used as a current collector and pressed at room temperature into a disc having a diameter of 13 mm (9.8 GPa / cm 2 ).
It was formed into a polarizable electrode material. This was reduced under reduced pressure (133.
3Pa) and dried at 160 ° C. for 6 hours.

【0041】<電気二重層キャパシタの作製>露点温度
−60℃、高純度アルゴンを流通させているグローブボ
ックス内において、上記で作製された一組の分極性電極
材料の間に多孔質ポリプロピレン(孔径0.20μm)
を挟み込み、宝泉社製の2極式セルに組み込み、電解液
を満たしてセルを作製した。電解液はプロピレンカーボ
ネートに1Mの濃度でテトラエチルアンモニウムテトラ
フルオロボレート((C2 5 4 NBF4 )を溶解し
たものを使用した。
<Preparation of Electric Double Layer Capacitor> In a glove box through which high-purity argon is passed at a dew point of -60 ° C., porous polypropylene (pore diameter) is interposed between the pair of polarizable electrode materials prepared above. 0.20 μm)
Was inserted into a two-electrode cell manufactured by Hosensha, and filled with an electrolyte to prepare a cell. The electrolyte used was a solution of tetraethylammonium tetrafluoroborate ((C 2 H 5 ) 4 NBF 4 ) dissolved in propylene carbonate at a concentration of 1M.

【0042】<静電容量の測定>充放電の測定は、北斗
電工充放電試験装置(HJR−110mSM6)を使用
し、充電0.5mA/cm2 の定電流充電を行い、電位
が2.4Vに達した後、定電圧充電に移行し2時間充電
を行った。0.5mA/cm2 の定電流放電を行い終止
電圧0Vとした。これを10サイクル実施した。静電容
量は次のようにして計算した。3サイクル目の放電曲線
(放電電圧−放電時間)から放電エネルギー(放電電圧
×電流)の時間積分として合計放電エネルギー(W・
s)を求め、静電容量(F)=2×合計放電エネルギー
(W・s )/(放電開始電圧(V))2 の関係式を用い
て静電容量を求め、この静電容量を分極性電極材料の炭
素材質量(正極+負極、単位:g)で除し、単位質量当
たりの静電容量とした。単位質量当たりの静電容量に、
分極性電極材料の充填密度(g/cm3 )を乗じた値を
単位容積当たりの静電容量(F/cm3 )とした。
<Measurement of Capacitance> The charge / discharge measurement was performed using a Hokuto Denko charge / discharge tester (HJR-110mSM6), charging at a constant current of 0.5 mA / cm 2 , and a potential of 2.4 V. After that, the operation was shifted to constant voltage charging, and charging was performed for 2 hours. A constant current discharge of 0.5 mA / cm 2 was performed to make the final voltage 0 V. This was performed for 10 cycles. The capacitance was calculated as follows. From the discharge curve of the third cycle (discharge voltage-discharge time), the total discharge energy (W ·
s) The seek, seeking capacitance using a capacitance (F) = 2 × total discharge energy (W · s) / (a discharge start voltage (V)) 2 relationship, minute the capacitance The capacitance per unit mass was divided by the mass of the carbon material of the polar electrode material (positive electrode + negative electrode, unit: g). To the capacitance per unit mass,
The value multiplied by the packing density (g / cm 3 ) of the polarizable electrode material was defined as the capacitance per unit volume (F / cm 3 ).

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】[0044]

【発明の効果】上記のような本発明の多孔質炭素材料の
製造方法によれば、単位質量当りの静電容量が高い多孔
質炭素材料を得ることができる。また該多孔質炭素材料
は、高い充填密度が得られるので、単位体積当りも高い
静電容量が得られる。また従来のKOH賦活温度に比べ
低い温度でも上記効果が得られ、かつ歩留まりも高いた
め、アルカリ賦活による腐食、生産コストの問題を大き
く改善することができる。このような多孔質炭素材料
は、このような諸特性が求められる種々用途に使用する
ことができるが、特に高密度エネルギーが求められる電
気二重層キャパシタ用電極材料として好適に利用され
る。
According to the method for producing a porous carbon material of the present invention as described above, a porous carbon material having a high capacitance per unit mass can be obtained. Further, since the porous carbon material has a high packing density, a high capacitance per unit volume can be obtained. In addition, the above-mentioned effects can be obtained even at a temperature lower than the conventional KOH activation temperature, and the yield is high, so that the problems of corrosion and production cost due to alkali activation can be greatly improved. Such a porous carbon material can be used for various applications in which such various properties are required, but is particularly suitably used as an electrode material for an electric double layer capacitor requiring high density energy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例および比較例で得られた多孔質炭素材
料の比表面積に対する単位質量当りの静電容量を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing the capacitance per unit mass with respect to the specific surface area of the porous carbon materials obtained in Examples and Comparative Examples.

【図2】 実施例および比較例で得られた多孔質炭素材
料の比表面積に対する単位体積当りの静電容量を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing the capacitance per unit volume with respect to the specific surface area of the porous carbon materials obtained in Examples and Comparative Examples.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとの9
9/1〜30/70(質量比)混合比で含むアルカリを
用いて、ソフトカーボン系炭素材料をアルカリ賦活する
多孔質炭素材料の製造方法。
(1) a method of mixing potassium hydroxide and sodium hydroxide;
A method for producing a porous carbon material in which a soft carbon-based carbon material is alkali-activated by using an alkali containing a mixing ratio of 9/1 to 30/70 (mass ratio).
【請求項2】前記ソフトカーボン系炭素材料がメソフェ
ーズ小球体および/またはバルクメソフェーズである請
求項1に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
2. The method for producing a porous carbon material according to claim 1, wherein the soft carbon-based carbon material is mesophase small spheres and / or bulk mesophase.
【請求項3】金属カリウムの沸点よりも低い温度で賦活
処理する請求項1または2に記載の多孔質炭素材料の製
造方法。
3. The method for producing a porous carbon material according to claim 1, wherein the activation treatment is performed at a temperature lower than the boiling point of metallic potassium.
【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質炭
素材料の製造方法により得られ、電気二重層キャパシタ
用分極性電極材料として使用したとき、単位体積当りの
静電容量が20F/cm3 以上である多孔質炭素材料。
4. A method for producing a porous carbon material according to claim 1, which has a capacitance per unit volume of 20 F when used as a polarizable electrode material for an electric double layer capacitor. / Cm 3 or more.
【請求項5】請求項4の多孔質炭素材料を分極性電極材
料とする電気二重層キャパシタ。
5. An electric double layer capacitor using the porous carbon material according to claim 4 as a polarizable electrode material.
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