JP2003224038A - Electrode material for electric double layer capacitor - Google Patents
Electrode material for electric double layer capacitorInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素材料で構成さ
れた電気二重層キャパシター用電極材に関するものであ
る。特に、炭素材料の細孔半径分布に特異性を有し、そ
の結果、高静電容量を実現しうる電気二重層キャパシタ
ー用電極材に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode material for an electric double layer capacitor made of a carbon material. In particular, the present invention relates to an electrode material for an electric double layer capacitor, which has specificity in the pore radius distribution of a carbon material and as a result can realize a high capacitance.
【0002】[0002]
【従来の技術】電気二重層キャパシーは、正極及び負極
を構成する電極材と、正極及び負極の間に挿入されたセ
パレーターと、電極材及びセパレーター中を自由に移動
する電解液とで構成されている。そして、正極及び負極
間に電圧を印加することによって、電解液中の陰イオン
は正極に、陽イオンは負極に移動し、各イオンの反対電
荷が正極及び負極に蓄電し、電気二重層キャパシターと
して機能するのである。2. Description of the Related Art An electric double layer capacity is composed of an electrode material constituting a positive electrode and a negative electrode, a separator inserted between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution which freely moves in the electrode material and the separator. There is. Then, by applying a voltage between the positive electrode and the negative electrode, the anions in the electrolytic solution move to the positive electrode and the cations move to the negative electrode, and the opposite charges of each ion are stored in the positive electrode and the negative electrode, thereby forming an electric double layer capacitor. It works.
【0003】従来より、電気二重層キャパシター用電極
材として、活性炭が用いられている。活性炭が用いられ
ている理由は、活性炭はその表面に無数の細孔を有して
おり、その比表面積が極めて大きいためである。即ち、
電荷の蓄電が活性炭表面でなされるため、表面積が大き
ければ大きいほど、蓄電量が多くなり、高静電容量の電
気二重層キャパシターが得られるからである。Conventionally, activated carbon has been used as an electrode material for electric double layer capacitors. The reason why activated carbon is used is that activated carbon has innumerable pores on its surface and its specific surface area is extremely large. That is,
Since electric charges are stored on the surface of activated carbon, the larger the surface area, the larger the amount of storage, and the electric double layer capacitor having a high electrostatic capacitance can be obtained.
【0004】しかしながら、比表面積の大きい活性炭を
用いた場合であっても、その比表面積に応じた静電容量
が得られないということがあった。この理由は、活性炭
表面の細孔には種々のサイズ(細孔径)のものがあり、
電解液中の陽イオン又は陰イオンが、サイズの小さい細
孔中に進入しにくいことがあり、細孔内部の表面が、電
荷の蓄電のために用いられないからである。このような
問題点を解決するためには、活性炭に形成されている細
孔のサイズを全体的に大きくすれば良いと考えられる
が、そうすると、活性炭の比表面積が小さくなり、やは
り高静電容量の電気二重層キャパシターが得られないと
いうことになる。However, even when activated carbon having a large specific surface area is used, the electrostatic capacity corresponding to the specific surface area may not be obtained. The reason for this is that there are various sizes (pore diameters) of pores on the surface of activated carbon,
This is because the cations or anions in the electrolytic solution may not easily enter the small-sized pores, and the surface inside the pores is not used for storing electric charges. In order to solve such a problem, it is considered that the size of the pores formed in the activated carbon should be increased as a whole, but then, the specific surface area of the activated carbon will be reduced and the high capacitance This means that the electric double layer capacitor can not be obtained.
【0005】このため、全体の比表面積が少なくなるの
を防止しながら、若干大きめの特定範囲の細孔径を比較
的多くして、高静電容量の電気二重層キャパシターを得
ることが提案されている(国際公開番号WO00/11
688公報)。即ち、細孔直径1nm(細孔半径に換算
すると0.5nm)未満の細孔を少なくして、細孔直径
2.0〜11nmの範囲の細孔容積を、細孔直径2.0
〜50nmの範囲の細孔容積に対して、15%以上とし
た活性炭よりなる電極材が提案されている。このような
活性炭は、ヤシ殻、コークス、木炭、樹脂、竹等の炭素
材料前駆体に、銅、鉄、コバルト、ニッケル等の遷移金
属を吸着させた後、前駆体を炭化及び賦活することによ
って得られるものである。For this reason, it has been proposed to obtain an electric double layer capacitor having a high electrostatic capacity by preventing the total specific surface area from decreasing, and relatively increasing the pore size in a slightly larger specific range. (International publication number WO00 / 11
688 publication). That is, the number of pores having a pore diameter of 1 nm (0.5 nm when converted to a pore radius) is reduced, and the pore volume in the range of pore diameters of 2.0 to 11 nm is set to 2.0.
An electrode material made of activated carbon having a pore volume in the range of up to 50 nm of 15% or more has been proposed. Such activated carbon is obtained by adsorbing a transition metal such as copper, iron, cobalt, or nickel onto a carbon material precursor such as coconut shell, coke, charcoal, resin, or bamboo, and then carbonizing and activating the precursor. Is what you get.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】このような技術状況下
において、本発明者等は、国際公開番号WO00/11
688公報記載の技術(以下、この技術のことを「前記
技術」という。)においては用いられていないセルロー
ス繊維に、特定の遷移金属イオン、即ち銅イオンを吸着
させて、セルロース繊維を炭化及び賦活させたところ、
前記技術で得られたものとは異なる細孔径分布を持つも
のが得られた。即ち、細孔半径0.5nm未満の細孔
が、最も多く存在する炭素材料が得られた。そして、こ
の炭素材料は、前記技術で述べられた理論に反して、高
静電容量の電極材として使用しうることが判明した。本
発明は、このような知見に基づくものである。Under these technical circumstances, the present inventors have found that the international publication number WO00 / 11
Cellulose fibers, which are not used in the technology described in Japanese Patent No. 688 (hereinafter, referred to as “the technology”), adsorb specific transition metal ions, that is, copper ions, to carbonize and activate the cellulose fibers. I made him
What had a pore size distribution different from that obtained by the above technique was obtained. That is, a carbon material having the largest number of pores having a pore radius of less than 0.5 nm was obtained. It was found that this carbon material can be used as an electrode material having a high capacitance, contrary to the theory described in the above-mentioned technology. The present invention is based on such knowledge.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、セルロ
ース繊維に銅イオンを吸着させた後、加熱して該セルロ
ース繊維を炭化させ、その後、賦活させて得られる炭素
材料からなる電気二重層キャパシター用電極材に関する
ものである。そして、この炭素材料は、一般的に、細孔
半径(Rp )と細孔容積(Vp )とが、次の(i)〜
(iv)の各条件を満足するものである。(i)Rp が
0.5nm未満の範囲において、(dVp /dRp )が
極大値を持つこと(以下、この極大値のことを「第1ピ
ーク値」という。)、(ii)Rp が0.5≦Rp<1.
0nmの範囲において、(dVp /dRp )が極大値を
持つこと(以下、この極大値のことを「第2ピーク値」
という。)、(iii )第1ピーク値の方が、第2ピーク
値よりも大きい値を持つこと、(iv)第2ピーク値は、
580mm3/nm・g以上であること、という条件を
全て満足するものである。Means for Solving the Problems That is, the present invention provides an electric double layer comprising a carbon material obtained by adsorbing copper ions on cellulose fibers, heating the carbon fibers to carbonize them, and then activating them. The present invention relates to a capacitor electrode material. In addition, in this carbon material, the pore radius (Rp) and the pore volume (Vp) generally have the following (i) to
It satisfies each condition of (iv). (I) In the range where Rp is less than 0.5 nm, (dVp / dRp) has a maximum value (hereinafter, this maximum value is referred to as "first peak value"), and (ii) Rp is 0. 5 ≦ Rp <1.
In the range of 0 nm, (dVp / dRp) has a maximum value (hereinafter, this maximum value is referred to as "second peak value").
Say. ), (Iii) the first peak value has a larger value than the second peak value, and (iv) the second peak value is
It satisfies all the conditions of 580 mm 3 / nm · g or more.
【0008】まず、本発明においては、セルロース繊維
に銅イオンを吸着させる。セルロース繊維としては、綿
繊維や麻繊維等の天然セルロース繊維、又はレーヨン繊
維やポリノジック繊維等の再生セルロース繊維、又はリ
ヨセル等の溶剤紡糸セルロース繊維を用いることができ
る。特に、天然セルロース繊維を用いるのが好ましく、
更に綿繊維を用いるのが最も好ましい。セルロース繊維
に代えて、前記技術で用いられているヤシ殻、石炭、木
材、樹脂又は竹を用いると、細孔半径0.5nm未満の
細孔が最も多く、且つ本発明で言う第2ピークの存在す
る炭素材料が得られにくくなる。First, in the present invention, copper ions are adsorbed on the cellulose fibers. As the cellulose fibers, natural cellulose fibers such as cotton fibers and hemp fibers, regenerated cellulose fibers such as rayon fibers and polynosic fibers, or solvent-spun cellulose fibers such as Lyocell can be used. In particular, it is preferable to use natural cellulose fiber,
Most preferably, cotton fibers are used. When coconut shell, coal, wood, resin or bamboo used in the above-mentioned technique is used instead of the cellulose fiber, the number of pores having a pore radius of less than 0.5 nm is the most, and the second peak of the present invention is the same. It becomes difficult to obtain the existing carbon material.
【0009】セルロース繊維に銅イオンを吸着させるに
は、セルロース繊維を銅水溶液に浸漬すれば良い。銅水
溶液としては、硫酸銅水溶液や塩化銅水溶液等の銅イオ
ンを含有する水溶液が用いられる。銅水溶液の濃度は、
セルロース繊維に対する銅イオンを吸着量によって適宜
決定しうるが、一般的には銅イオン濃度が2〜20g/
l程度が好ましく、特に3〜17g/l程度が最も好ま
しい。また、セルロース繊維に対する銅水溶液の付与量
は、任意であるが、銅水溶液を保持しえない程度の過剰
量であるのは好ましくなく、一般的には、銅水溶液に浸
漬したのち絞り、セルロース繊維質量に対して60質量
%程度の銅水溶液を付与するのが好ましい。なお、銅水
溶液に浸漬する場合において、セルロース繊維は、単な
る塊状でもよく、また、編織物や不織布等のシート状で
あってもよい。[0009] In order to adsorb copper ions to the cellulose fibers, the cellulose fibers may be dipped in an aqueous copper solution. As the copper aqueous solution, an aqueous solution containing copper ions such as a copper sulfate aqueous solution or a copper chloride aqueous solution is used. The concentration of the copper solution is
The amount of copper ions to be adsorbed on the cellulose fibers can be appropriately determined according to the amount of adsorption, but generally the copper ion concentration is 2 to 20 g /
It is preferably about 1 and most preferably about 3 to 17 g / l. The amount of the aqueous copper solution applied to the cellulose fibers is arbitrary, but it is not preferable that the amount is an excessive amount that cannot hold the aqueous copper solution. Generally, after immersing in the aqueous copper solution and squeezing the cellulose fibers, It is preferable to apply about 60% by mass of the copper aqueous solution to the mass. In the case of immersing in a copper aqueous solution, the cellulose fibers may be in a lump form or in a sheet form such as a knitted woven fabric or a non-woven fabric.
【0010】セルロース繊維に銅水溶液を所定量付与し
た後、乾燥する。これによって、銅水溶液中の水が蒸発
し、セルロース繊維に銅イオンが吸着する。乾燥は、銅
水溶液が付与されたセルロース繊維を、温風乾燥機や赤
外線乾燥機等の乾燥機に導入すればよい。セルロース繊
維に対する銅イオンの吸着量は、任意であるが、一般的
には0.3質量%以上であるのが好ましい。銅イオンが
0.3質量%未満になると、得られる炭素材料表面にお
いて、0.5nm以上で1.0nm未満の細孔半径を持
つ細孔の数が少なくなり、高静電容量の電極材が得られ
にくくなる。また、銅イオンに代えて、鉄イオン、コバ
ルトイオン、ニッケルイオン等の他の金属イオンを吸着
させた場合には、0.5nm未満の細孔半径を持つ細孔
の数が少なくなり、高静電容量の電極材が得られにくく
なるので、好ましくない。A predetermined amount of aqueous copper solution is applied to the cellulose fibers and then dried. As a result, water in the copper aqueous solution evaporates, and copper ions are adsorbed on the cellulose fibers. For drying, the cellulose fiber to which the aqueous copper solution has been applied may be introduced into a dryer such as a warm air dryer or an infrared dryer. The amount of copper ions adsorbed on the cellulose fibers is arbitrary, but is generally preferably 0.3% by mass or more. When the copper ion content is less than 0.3% by mass, the number of pores having a pore radius of 0.5 nm or more and less than 1.0 nm is small on the surface of the obtained carbon material, and an electrode material having a high capacitance is obtained. It becomes difficult to obtain. Further, when other metal ions such as iron ions, cobalt ions, and nickel ions are adsorbed in place of the copper ions, the number of pores having a pore radius of less than 0.5 nm becomes small, and high staticity is achieved. It is not preferable because it is difficult to obtain an electrode material having a capacitance.
【0011】セルロース繊維に銅イオンを吸着させた
後、セルロース繊維を炭化させる。セルロース繊維を炭
化させるには、一般的に、不活性雰囲気下で250〜1
100℃程度に加熱することによって行う。ここで、不
活性雰囲気下というのは、大気の流入を遮断した雰囲気
という程度の意味であり、セルロース繊維が燃焼して消
失してしまわなければ良い。加熱処理によって、セルロ
ース分子から水素原子及び酸素原子が除去され、概ね炭
素原子のみから構成される炭化セルロース繊維が得られ
る。After copper ions are adsorbed on the cellulose fibers, the cellulose fibers are carbonized. To carbonize cellulosic fibers, generally 250 to 1 under an inert atmosphere.
It is performed by heating to about 100 ° C. Here, the term "inert atmosphere" means an atmosphere in which the inflow of air is blocked, and it is sufficient if the cellulose fibers are not burned and disappear. By the heat treatment, hydrogen atoms and oxygen atoms are removed from the cellulose molecule, and a carbonized cellulose fiber composed almost entirely of carbon atoms is obtained.
【0012】セルロース繊維を炭化させた後、賦活を施
す。賦活は、一般的に、水蒸気を供給しながら600〜
1100℃付近の温度に加熱することにより行う。この
賦活により、炭化セルロース繊維の炭素原子を、水蒸気
が捕捉し、炭素原子を除去する。従って、除去された箇
所が、細孔となり、活性炭化セルロース繊維が得られる
のである。この活性炭化セルロース繊維を、そのままの
形態で又は粉砕して、炭素材料とし、これを所定の形状
の電極材とするのである。After carbonizing the cellulose fibers, activation is carried out. The activation is generally 600 to 600 while supplying steam.
It is performed by heating to a temperature near 1100 ° C. By this activation, water vapor captures the carbon atoms of the carbonized cellulose fiber, and the carbon atoms are removed. Therefore, the removed portions become pores, and activated carbonized cellulose fibers are obtained. This activated carbonized cellulose fiber is used as it is or is crushed to obtain a carbon material, which is used as an electrode material having a predetermined shape.
【0013】本発明においては、セルロース繊維に銅イ
オンを吸着させて、炭化及び賦活を行うため、得られた
炭素材料において、その表面に形成された細孔は、一般
的に、以下の(i)〜(iv)の条件を満足する形態とな
っている。まず、(i)Rpが0.5nm未満の範囲に
おいて、(dVp /dRp )が極大値を持っていること
である。ここで、Rp とは細孔半径のことであり、その
単位はnmである。また、Vp とは単位重量当たりの細
孔容積のことであり、その単位はmm3/gである。ま
た、ここでいう極大値のことを、本発明においては第1
ピーク値と称する。なお、Rp が0.5nm未満の範囲
において、極大値が二つ以上ある場合には、最も値の大
きいものを第1ピーク値とする。この(i)は、本発明
における炭素材料が、半径0.5nm未満の細孔を、多
く持っているということである。この(i)の条件が満
たされないと、炭素材料の比表面積が少なくなって、高
静電容量を持つ電極材が得られない傾向となる。In the present invention, since copper ions are adsorbed on the cellulose fibers to carry out carbonization and activation, the pores formed on the surface of the obtained carbon material generally have the following (i) )-(Iv) are satisfied. First, (i) (dVp / dRp) has a maximum value in the range where Rp is less than 0.5 nm. Here, Rp is a pore radius, and its unit is nm. Vp is a pore volume per unit weight, and its unit is mm 3 / g. The maximum value referred to here is the first value in the present invention.
It is called a peak value. In addition, in the range where Rp is less than 0.5 nm, when there are two or more maximum values, the one having the largest value is set as the first peak value. This (i) means that the carbon material of the present invention has many pores having a radius of less than 0.5 nm. If the condition (i) is not satisfied, the specific surface area of the carbon material will be small, and an electrode material having a high electrostatic capacity will not be obtained.
【0014】次に、(ii)Rp が0.5nm以上で1.
0nm未満の範囲において、(dVp /dRp )が極大
値を持っているということである。ここでいう極大値の
ことを、本発明においては第2ピーク値と称する。ま
た、Rp が0.5nm以上で1.0nm未満の範囲にお
いて、極大値が二つ以上ある場合には、最も値の大きい
ものを第2 ピーク値とする。なお、Rp とVp の意味
は、前記したとおりである。この(ii)は、本発明にお
ける炭素材料が、半径0.5nm以上で1.0nm未満
の細孔を、多く持っているということである。この(i
i)の条件が満たされないと、電解液中の比較的サイズ
の大きい陰イオン又は陽イオンが、細孔中に進入しにく
くなり、高静電容量を持つ電極材が得られない傾向とな
る。Next, (ii) when Rp is 0.5 nm or more, 1.
This means that (dVp / dRp) has a maximum value in the range of less than 0 nm. The maximum value here is referred to as a second peak value in the present invention. Further, in the range where Rp is 0.5 nm or more and less than 1.0 nm, when there are two or more maximum values, the one having the largest value is set as the second peak value. The meanings of Rp and Vp are as described above. This (ii) means that the carbon material in the present invention has many pores having a radius of 0.5 nm or more and less than 1.0 nm. This (i
If the condition of i) is not satisfied, anions or cations having a relatively large size in the electrolytic solution are less likely to enter the pores, and an electrode material having a high capacitance tends to be unobtainable.
【0015】第1ピーク値と第2ピーク値との関係は、
第1ピーク値の方が大きいということである(iii )。
即ち、本発明における炭素材料において、半径の小さい
細孔の方が、相対的に多いということである。第2ピー
ク値の方が大きい場合、相対的に比表面積が小さくな
り、高静電容量を持つ電極材が得られにくくなる傾向が
生じる。The relationship between the first peak value and the second peak value is
This means that the first peak value is larger (iii).
That is, in the carbon material of the present invention, the number of pores having a small radius is relatively large. When the second peak value is larger, the specific surface area becomes relatively small, and it tends to be difficult to obtain an electrode material having a high capacitance.
【0016】第1ピーク値は、約1000mm3/nm
・g以上の場合もあり、また3000mm3/nm・g
以上の場合もある。一方、第2ピーク値は、580mm
3/nm・g以上であり(iv)、特に590〜800m
m3/nm・g程度であるのが好ましい。第2ピーク値
が580mm3/nm・g未満であると、半径が比較的
大きい細孔の数が減少し、電解液中の比較的サイズの大
きい陰イオン又は陽イオンが細孔中に進入しにくくな
り、高静電容量を持つ電極材が得られない傾向となる。The first peak value is about 1000 mm 3 / nm
・ In some cases, more than g, 3000 mm 3 / nm ・ g
In some cases, the above may occur. On the other hand, the second peak value is 580 mm
3 / nm · g or more (iv), especially 590 to 800 m
It is preferably about m 3 / nm · g. When the second peak value is less than 580 mm 3 / nm · g, the number of pores having a relatively large radius decreases, and anions or cations having a relatively large size in the electrolytic solution enter the pores. It becomes difficult to obtain an electrode material having a high electrostatic capacity.
【0017】以上示した条件(i)〜(iv)を満足する
細孔を有する炭素材料は、所定の形状にされ、正極及び
負極の電極材として用いられる。そして、この電極材を
用いて、電気二重層キャパシターを作成すると、高静電
容量を持つキャパシターが得られるのである。The carbon material having pores satisfying the above-mentioned conditions (i) to (iv) is formed into a predetermined shape and used as an electrode material for a positive electrode and a negative electrode. When an electric double layer capacitor is produced using this electrode material, a capacitor having a high electrostatic capacity can be obtained.
【0018】[0018]
【実施例】以下、実施例によって本発明を説明するが、
本発明は実施例に限定されるものではない。本発明は、
銅イオンを吸着させたセルロース繊維を、炭化及び賦活
させて得られた炭素材料が、電気二重層キャパシターの
電極材として、優れた静電容量を示すとの知見に基づく
ものであるとして、解釈されるべきである。EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples.
The invention is not limited to the examples. The present invention is
The carbon material obtained by carbonizing and activating the cellulose fiber having copper ions adsorbed is interpreted as being based on the finding that it exhibits excellent capacitance as an electrode material of an electric double layer capacitor. Should be.
【0019】比較例
精練した綿布(綿繊維を用いて織成された布)100g
を、釜内に収納し、大気の流入を遮断した不活性雰囲気
下で、750℃まで1時間かけて昇温させて、綿布を炭
化させた。次いで、釜内に水蒸気を300リットル/h
の割合で導入しながら、750℃を維持しつつ、90分
間、賦活処理を行った。賦活処理後、釜内への大気の流
入を遮断しながら、室温まで冷却し、活性炭化綿7.6
gを得た。なお、この活性炭化綿は、本発明でいう炭素
材料である。Comparative Example 100 g of scoured cotton cloth (cloth woven using cotton fibers)
Was stored in a kettle and heated to 750 ° C. over 1 hour in an inert atmosphere in which the inflow of air was blocked to carbonize the cotton cloth. Next, add 300 liters / h of steam to the pot.
The activation treatment was performed for 90 minutes while maintaining the temperature at 750 ° C. while introducing at a rate of. After the activation treatment, cooling to room temperature while blocking the inflow of air into the kettle, activated carbonized cotton 7.6
g was obtained. This activated carbonized cotton is the carbon material referred to in the present invention.
【0020】実施例1
水に硫酸銅5水和物を溶解させて、硫酸銅5水和物濃度
が13g/lの硫酸銅水溶液を準備した。この硫酸銅水
溶液中における銅イオン濃度は、3.402g/lであ
る。そして、比較例で用いた綿布100gを、この硫酸
銅水溶液に浸漬した後、絞り率60%で搾液し、綿布質
量に対して硫酸銅水溶液を60質量%付与した。その
後、乾燥機で乾燥し、綿布に銅イオンを吸着させた。銅
イオンの吸着量は、原子吸光法で測定したところ、綿布
質量に対して0.2267質量%であった。この後、比
較例と同様の方法で炭化及び賦活を行い、活性炭化綿
(炭素材料)12.4gを得た。Example 1 Copper sulfate pentahydrate was dissolved in water to prepare an aqueous copper sulfate solution having a copper sulfate pentahydrate concentration of 13 g / l. The copper ion concentration in this copper sulfate aqueous solution is 3.402 g / l. Then, after immersing 100 g of the cotton cloth used in the comparative example in this copper sulfate aqueous solution, it was squeezed with a squeezing ratio of 60%, and 60 mass% of the copper sulfate aqueous solution was applied to the weight of the cotton cloth. Then, it dried with the dryer and made copper cloth adsorb copper ion. The amount of copper ions adsorbed was 0.2267% by mass based on the mass of the cotton cloth as measured by an atomic absorption method. After that, carbonization and activation were carried out in the same manner as in Comparative Example to obtain 12.4 g of activated carbonized carbon (carbon material).
【0021】実施例2
使用する硫酸銅水溶液の硫酸銅5水和物濃度を26g/
lとした他は、実施例1と同様の方法で、炭素材料1
2.4gを得た。なお、銅イオンの吸着量は、綿布質量
に対して0.4039質量%であった。Example 2 The copper sulfate pentahydrate concentration of the aqueous copper sulfate solution used was 26 g /
Carbon material 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon material 1 was used.
2.4 g was obtained. The amount of copper ions adsorbed was 0.4039% by mass based on the mass of the cotton cloth.
【0022】実施例3
使用する硫酸銅水溶液の硫酸銅5水和物濃度を39g/
lとした他は、実施例1と同様の方法で、炭素材料1
4.1gを得た。なお、銅イオンの吸着量は、綿布質量
に対して0.5909質量%であった。Example 3 The copper sulfate pentahydrate concentration of the copper sulfate aqueous solution used was 39 g /
Carbon material 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon material 1 was used.
4.1 g was obtained. The amount of copper ions adsorbed was 0.5909% by mass based on the mass of the cotton cloth.
【0023】実施例4
使用する硫酸銅水溶液の硫酸銅5水和物濃度を52g/
lとした他は、実施例1と同様の方法で、炭素材料1
5.5gを得た。なお、銅イオンの吸着量は、綿布質量
に対して0.7423質量%であった。Example 4 The copper sulfate pentahydrate concentration of the copper sulfate aqueous solution used was 52 g /
Carbon material 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon material 1 was used.
5.5 g was obtained. The amount of copper ions adsorbed was 0.7423% by mass based on the mass of the cotton cloth.
【0024】実施例5
使用する硫酸銅水溶液の硫酸銅5水和物濃度を65g/
lとした他は、実施例1と同様の方法で、炭素材料1
6.1gを得た。なお、銅イオンの吸着量は、綿布質量
に対して0.9294質量%であった。Example 5 The copper sulfate pentahydrate concentration of the aqueous copper sulfate solution used was 65 g /
Carbon material 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon material 1 was used.
6.1 g was obtained. The amount of copper ions adsorbed was 0.9294% by mass based on the mass of the cotton cloth.
【0025】〔Rp と(dVp /dRp )との測定〕比
較例及び実施例1〜5で得られた炭素材料から所定質量
の試料を、日本ベル社製の商品名「BELSOAP 2
8 SP」を用いて、窒素ガス吸着等温線を得た。この
等温線を、DH(Dollimore−Heal)法+
MP(Micro−Pore)法から算出し、細孔半径
Rp と(dVp /dRp )との関係を得た。これを図1
〜図6に示した。この図1〜図6を参照すれば、いずれ
も、Rp が0.5nm未満の範囲において第1ピーク値
を持ち、また、Rp が0.5nm以上で1.0nm未満
の範囲において、第2ピーク値を持っていることが分か
る。また、第1ピーク値及び第2ピーク値の具体的な値
は、図1〜6に基づき算出することができる。なお、各
試料の比表面積も、「BELSOAP 28 SP」で
測定することができる。この結果は、以下の表1のとお
りである。[Measurement of Rp and (dVp / dRp)] A sample having a predetermined mass was prepared from the carbon materials obtained in Comparative Examples and Examples 1 to 5 under the trade name "BELSOAP 2" manufactured by Bell Japan.
8 SP ”was used to obtain a nitrogen gas adsorption isotherm. This isotherm is the DH (Dollimore-Heal) method +
The relationship between the pore radius Rp and (dVp / dRp) was obtained by calculation from the MP (Micro-Pore) method. Figure 1
~ Shown in FIG. Referring to FIGS. 1 to 6, all have a first peak value in the range where Rp is less than 0.5 nm, and a second peak value in the range where Rp is 0.5 nm or more and less than 1.0 nm. You can see that it has a value. Further, specific values of the first peak value and the second peak value can be calculated based on FIGS. The specific surface area of each sample can also be measured by "BELSOAP 28 SP". The results are shown in Table 1 below.
【0026】
〔表1〕
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
第1ピーク値 第2ピーク値 比表面積
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
比較例 3600以上 560 1110
実施例1 3200以上 400 1028
実施例2 2700以上 760 1097
実施例3 3000以上 720 1077
実施例4 1070以上 800 1103
実施例5 2000以上 590 1088
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
なお、第1ピーク値及び第2ピーク値の単位は、mm3
/nm・gであり、またその値はおおよその値である。
また、比表面積の単位は、m2/gであり、「BELS
OAP 28 SP」で測定された値である。[Table 1] ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1st peak value 2nd peak value Specific surface area ━ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ Comparative example 3600 or more 560 1110 Example 1 3200 or more 400 1028 Example 2 2700 or more 760 1097 Example 3 3000 or more 720 1077 Example 4 1070 or more 800 1103 Example 5 2000 or more 590 1088 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━ The unit of the first and second peak values is mm 3
/ Nm · g, and the value is an approximate value.
Further, the unit of the specific surface area is m 2 / g, and “BELS
OAP 28 SP ".
【0027】〔静電容量(F/g)の測定〕比較例及び
実施例1〜5で得られた炭素材料を用いて、以下の方法
で静電容量を測定した。まず、比較例及び実施例1〜5
で得られた各炭素材料を、乳鉢で粒径約75μmに粉砕
し、粉砕試料とした。そして、所定量の各粉砕試料に、
30質量%の硫酸水溶液を適量添加して、スラリー状に
なるまで混合した。この後、真空減圧状態で30分間保
持し、硫酸水溶液を各粉砕試料中に含浸させ、電極材と
した。この電極材を、図7に示した簡易電気二重層キャ
パシターに組み込んだ(図7中の3,3’が各々電極材
である。)。そして、30℃に保持した空気恒温槽中で
充放電実験を行い、充放電測定装置(BTS2004:
ナガノ株式会社製)を使用して充放電曲線を得た。充電
曲線は、定電流(0.5mA)操作で充電し、電圧を0
Vから上げてゆき、0.9Vに到達したら、そのままの
状態で30分間電圧を保持して得られたものである。一
方、放電曲線は、充電後、電圧が0Vになるまで定電流
(0.1mA)で放電して得られたものである。この充
放電の繰り返しを100サイクル連続で行い、各サイク
ル毎の静電容量を、放電曲線の0.54Vから0.45
Vにおける曲線の傾きより計算し、100サイクルにお
ける各静電容量を求めた。これらを、使用した粉砕試料
の質量で除して、単位質量当たりの静電容量とし、10
0サイクル目のものを代表値として表2に示した。[Measurement of Capacitance (F / g)] Using the carbon materials obtained in Comparative Examples and Examples 1 to 5, the capacitance was measured by the following method. First, Comparative Examples and Examples 1-5
Each of the carbon materials obtained in 1. was crushed to a particle size of about 75 μm in a mortar and used as a crushed sample. Then, for each crushed sample of a predetermined amount,
An appropriate amount of 30 mass% sulfuric acid aqueous solution was added and mixed until a slurry was formed. Thereafter, the vacuum depressurized state was maintained for 30 minutes, and an aqueous sulfuric acid solution was impregnated into each crushed sample to obtain an electrode material. This electrode material was incorporated into the simple electric double layer capacitor shown in FIG. 7 (3 and 3'in FIG. 7 are electrode materials, respectively). Then, a charge / discharge test was conducted in an air constant temperature bath kept at 30 ° C., and a charge / discharge measuring device (BTS2004:
A charge / discharge curve was obtained by using Nagano Co., Ltd.). The charging curve is 0 at the constant voltage (0.5mA)
It was obtained by increasing the voltage from V and reaching 0.9 V, while maintaining the voltage as it is for 30 minutes. On the other hand, the discharge curve is obtained by discharging at constant current (0.1 mA) until the voltage becomes 0 V after charging. This charging / discharging was repeated 100 cycles continuously, and the electrostatic capacity for each cycle was changed from 0.54 V to 0.45 V of the discharge curve.
It calculated from the inclination of the curve in V, and each capacitance in 100 cycles was calculated | required. These are divided by the mass of the crushed sample used to obtain the capacitance per unit mass of 10
The values at the 0th cycle are shown in Table 2 as a representative value.
【0028】ここで、静電容量の測定に用いた図7に示
す簡易電気二重層キャパシターは、以下の如き、構成よ
りなるものである。即ち、正極集電体1及び負極集電体
1’としては、いずれも、厚さ1mmで外径18mmの
円盤状のプラチナ集電体を用いている。各集電体1,
1’には、厚さ0.5mm、内径3mm、外径18mm
の中空円盤状のシリコンシート2,2’が圧着されてい
る。そして、各シリコンシート2,2’の各中空部に
は、それぞれ電極材3,3’が充填されている。対向し
ている電極材3,3’及びシリコンシート2,2’の間
には、厚さ25μmで外径18mmの円盤状のポリプロ
ピレン製セパレーター5が挿入されている。正極集電体
1及び負極集電体1’には、端子板4,4’が積層され
ており、端子板4,4’間に約385kPaの圧力が負
荷されて、全体として固定されている。このような簡易
電気二重層キャパシターは、粉砕試料に添加した硫酸水
溶液を電解液とするものである。Here, the simple electric double layer capacitor shown in FIG. 7 used for measuring the electrostatic capacitance has the following constitution. That is, as the positive electrode current collector 1 and the negative electrode current collector 1 ', a disc-shaped platinum current collector having a thickness of 1 mm and an outer diameter of 18 mm is used. Each current collector 1,
1 ', thickness 0.5mm, inner diameter 3mm, outer diameter 18mm
The hollow disk-shaped silicon sheets 2 and 2'are pressure-bonded. The electrode material 3, 3 ′ is filled in each hollow portion of each silicon sheet 2, 2 ′. A disc-shaped polypropylene separator 5 having a thickness of 25 μm and an outer diameter of 18 mm is inserted between the opposing electrode materials 3 and 3 ′ and the silicon sheets 2 and 2 ′. Terminal plates 4 and 4'are laminated on the positive electrode current collector 1 and the negative electrode current collector 1 ', and a pressure of about 385 kPa is applied between the terminal plates 4 and 4'and fixed as a whole. . Such a simple electric double layer capacitor uses an aqueous solution of sulfuric acid added to a ground sample as an electrolytic solution.
【0029】 〔表2〕 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 静電容量(F/g) ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 比較例 43 実施例1 82 実施例2 122 実施例3 122 実施例4 150 実施例5 140 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━[0029] [Table 2] ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ Capacitance (F / g) ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ Comparative Example 43 Example 1 82 Example 2 122 Example 3 122 Example 4 150 Example 5 140 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
【0030】以上の結果から明らかなように、実施例1
〜5で得られた炭素材料は、比較例で得られた炭素材料
に比べて、電気二重層キャパシターの電極材としたと
き、高静電容量を示すことが分かる。特に、セルロース
繊維に対する銅イオンの付着量が多い、実施例2〜5で
得られた炭素材料は、より高静電容量を示すことが分か
る。As is clear from the above results, Example 1
It can be seen that the carbon materials obtained in Examples Nos. 5 to 5 exhibit higher capacitance when used as an electrode material of an electric double layer capacitor than the carbon materials obtained in Comparative Examples. In particular, it can be seen that the carbon materials obtained in Examples 2 to 5, in which the amount of copper ions attached to the cellulose fiber is large, show higher capacitance.
【0031】[0031]
【発明の効果】本発明は、銅イオンを吸着させたセルロ
ース繊維を炭化及び賦活して得られた炭素材料を、電気
二重層キャパシター用電極材に用いると、その作用は定
かではないけれども、上記比較例及び実施例からも実証
されているとおり、高静電容量を示す電極材が得られる
という効果を奏するものである。INDUSTRIAL APPLICABILITY In the present invention, when a carbon material obtained by carbonizing and activating a cellulose fiber having copper ions adsorbed is used as an electrode material for an electric double layer capacitor, its action is not clear, but As demonstrated by the comparative examples and the examples, the electrode material exhibiting a high capacitance is obtained.
【図1】比較例で得られた炭素材料のRp と(dVp /
dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 1 shows Rp and (dVp / of a carbon material obtained in a comparative example.
3 is a graph showing the relationship with dRp).
【図2】実施例1で得られた炭素材料のRp と(dVp
/dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 2 shows Rp and (dVp of the carbon material obtained in Example 1.
5 is a graph showing the relationship with / dRp).
【図3】実施例2で得られた炭素材料のRp と(dVp
/dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 3 shows Rp and (dVp of the carbon material obtained in Example 2.
5 is a graph showing the relationship with / dRp).
【図4】実施例3で得られた炭素材料のRp と(dVp
/dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 4 shows Rp and (dVp of the carbon material obtained in Example 3;
5 is a graph showing the relationship with / dRp).
【図5】実施例4で得られた炭素材料のRp と(dVp
/dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 5 shows Rp and (dVp of the carbon material obtained in Example 4.
5 is a graph showing the relationship with / dRp).
【図6】実施例5で得られた炭素材料のRp と(dVp
/dRp )との関係を示したグラフである。FIG. 6 shows Rp and (dVp of the carbon material obtained in Example 5.
5 is a graph showing the relationship with / dRp).
【図7】電極材の静電容量の測定に用いた簡易電気二重
層キャパシターの模式的側面図である。FIG. 7 is a schematic side view of a simple electric double layer capacitor used for measuring the capacitance of an electrode material.
1 正極集電体 1’ 負極集電体 2,2’ シリコンシート 3,3’ 電極材 4,4’ 端子板 5 セパレーター 1 Positive electrode current collector 1'Negative electrode current collector 2,2 'Silicon sheet 3,3 'electrode material 4,4 'terminal board 5 separator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外山 富孝 愛知県西春日井郡西枇杷島町子新田1番地 の2 東海染工株式会社内 (72)発明者 阪田 祐作 岡山県岡山市学南町2丁目3番26号 (72)発明者 武藤 明徳 岡山県岡山市津島中町1番2−RF202号 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Tomitaka Toyama No. 1 Nitta, Nishibiwajima-machi, Nishi-Kasugai-gun, Aichi Prefecture No. 2 Tokai Senkou Co., Ltd. (72) Inventor Yusaku Sakata 2-3-3 Gakunan-cho, Okayama City, Okayama Prefecture (72) Inventor Akinori Muto 1-2, Tsushima-Nakamachi, Okayama City, Okayama Prefecture
Claims (7)
後、加熱して該セルロース繊維を炭化させ、その後、賦
活させて得られる炭素材料からなる電気二重層キャパシ
ター用電極材。1. An electrode material for an electric double layer capacitor comprising a carbon material obtained by adsorbing copper ions on cellulose fibers, heating the carbon fibers to carbonize them, and then activating the carbon fibers.
記載の電気二重層キャパシター用電極材。2. The cellulose fiber is a cotton fiber.
The electrode material for an electric double layer capacitor described.
を0.3質量%以上吸着させた請求項1記載の電気二重
層キャパシター用電極材。3. The electrode material for an electric double layer capacitor according to claim 1, wherein 0.3 mass% or more of copper ion is adsorbed with respect to the mass of cellulose fiber.
気二重層キャパシター用電極材であって、該炭素材料の
細孔半径(Rp )と細孔容積(Vp )との関係が、以下
の(i)〜(iv)の条件を満足することを特徴とする電
気二重層キャパシター用電極材。 (i)Rp が0.5nm未満の範囲において、(dVp
/dRp )が極大値を持つこと(以下、この極大値のこ
とを「第1ピーク値」という。)。 (ii)Rp が0.5≦Rp<1.0nmの範囲におい
て、(dVp /dRp )が極大値を持つこと(以下、こ
の極大値のことを「第2ピーク値」という。)。 (iii )第1ピーク値の方が、第2ピーク値よりも大き
い値を持つこと。 (iv)第2ピーク値は、580mm3/nm・g以上で
あること。4. An electrode material for an electric double layer capacitor comprising a carbon material having pores on its surface, wherein the relationship between the pore radius (Rp) and the pore volume (Vp) of the carbon material is as follows: An electrode material for an electric double layer capacitor, which satisfies the conditions (i) to (iv). (I) When Rp is less than 0.5 nm, (dVp
/ DRp) has a maximum value (hereinafter, this maximum value is referred to as "first peak value"). (Ii) In the range of Rp of 0.5≤Rp <1.0 nm, (dVp / dRp) has a maximum value (hereinafter, this maximum value is referred to as "second peak value"). (Iii) The first peak value has a larger value than the second peak value. (Iv) The second peak value should be 580 mm 3 / nm · g or more.
ロース繊維を炭化及び賦活して得られたものである請求
項4記載の電気二重層キャパシター用電極材。5. The electrode material for an electric double layer capacitor according to claim 4, wherein the carbon material is obtained by carbonizing and activating a cellulose fiber having copper ions adsorbed thereon.
記載の電気二重層キャパシター用電極材。6. The cellulosic fiber is a cotton fiber.
The electrode material for an electric double layer capacitor described.
を0.3質量%以上吸着させた請求項5記載の電気二重
層キャパシター用電極材。7. The electrode material for an electric double layer capacitor according to claim 5, wherein 0.3 mass% or more of copper ions are adsorbed with respect to the mass of cellulose fiber.
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---|---|---|---|
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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