JP2005302950A - Method for refining electrolyte - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for removing impurity such as water in electrolyte affecting the performance of an electric double layer capacitor, and also to provide a method for manufacturing the electric double layer capacitor by using the electrolyte. <P>SOLUTION: This method for refining electrolyte for removing low potential active substances in the electrolyte with moisture in the electrolyte as a subject applies a voltage which is lower than the intercalation start voltage of electrolyte ion between a plurality of carbon electrodes prepared by using non-porous carbon, and brings the carbon electrode into contact with the electrolyte. Also, this method for manufacturing an electric double layer capacitor manufactures an electric double layer capacitor by using the electrolyte obtained by the refining method. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解液中の水分などの不純物を除去する電解液の精製方法、および得られた精製された電解液を用いて電気二重層キャパシタの製造する製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for purifying an electrolytic solution that removes impurities such as moisture in the electrolytic solution, and a manufacturing method for producing an electric double layer capacitor using the obtained purified electrolytic solution.

大電流で充電・放電できる電気二重層キャパシタは、電気自動車、太陽電池補助電源、風力発電補助電源など充放電頻度の高い電力蓄積デバイスとして有望である。そのため、エネルギー密度が高く、急速充放電が可能で、耐久性に優れた電気二重層キャパシタが望まれている(例えば、第4回EV/HEVの先端技術に関するシンポジュウム−キャパシタ技術の現況と今後の課題「電気自動車用電池の先端技術に関する国際シンポジュウム」実行委員会 平成11年11月8日、など)。   An electric double layer capacitor that can be charged and discharged with a large current is promising as a power storage device with a high charge / discharge frequency, such as an electric vehicle, a solar battery auxiliary power source, and a wind power auxiliary power source. For this reason, electric double layer capacitors with high energy density, rapid charge / discharge, and excellent durability are desired (for example, the current status and future of symposium-capacitor technology related to the 4th EV / HEV advanced technology) Issue “International Symposium on Advanced Technology of Electric Vehicle Batteries” Executive Committee November 8, 1999, etc.).

このような電気二重層キャパシタは、1対の分極性電極を電解質溶液中にセパレータを介して対向させて正極および負極を構成したもので、分極性電極と電解液の界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを原理とするものである。従って、電気二重層キャパシタの静電容量は、分極性電極の面積にほぼ比例するとの考え方から、従来、分極性電極の活物質として、細孔径が2nm程度以上の大きな比表面積を有する活性炭が専ら使用されている(例えば、特開2002−15958号公報など)。   Such an electric double layer capacitor comprises a pair of polarizable electrodes opposed to each other in an electrolyte solution via a separator to constitute a positive electrode and a negative electrode, and an electric double layer formed at the interface between the polarizable electrode and the electrolytic solution. The principle is to accumulate charges in the multilayer. Therefore, based on the idea that the capacitance of the electric double layer capacitor is almost proportional to the area of the polarizable electrode, conventionally, activated carbon having a large specific surface area with a pore diameter of about 2 nm or more has been exclusively used as the active material of the polarizable electrode. It is used (for example, Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-15958 etc.).

一方、このような電気二重層キャパシタは、エネルギー密度の観点から有機電解質が用いられ、この有機電解質としては、テトラアルキルアンモニウム塩などを有機溶媒に溶解した電解液や、イミダゾリウム塩のような液体電解質あるいはこれを有機溶媒に溶解した非水系の電解液などが用いられている。なお、有機溶媒としては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、ジメトキシメタン、γ−ブチルラクトン、アセトニトリルなどのような誘電率の高い非プロトン性の有機溶媒が用いられている。   On the other hand, such an electric double layer capacitor uses an organic electrolyte from the viewpoint of energy density. As the organic electrolyte, an electrolytic solution in which a tetraalkylammonium salt or the like is dissolved in an organic solvent or a liquid such as an imidazolium salt is used. An electrolyte or a non-aqueous electrolyte solution in which this is dissolved in an organic solvent is used. As the organic solvent, an aprotic organic solvent having a high dielectric constant, such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxymethane, γ-butyl lactone, and acetonitrile, is used.

このような非水系の電解液を用いた電気二重層キャパシタでは、電解液中に存在する水などの不純物が、電気二重層キャパシタの性能に影響を与えるため、電解液中の水などの不純物は可能な限り除去しておくことが好ましい。このような電解液中の不純物の除去方法としては、吸着脱水用カラムにより電解液中の水分などを除去する方法などが知られている(特許第3394400号公報)。   In such an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte, impurities such as water existing in the electrolyte affect the performance of the electric double layer capacitor, so impurities such as water in the electrolyte are It is preferable to remove as much as possible. As a method for removing impurities in the electrolytic solution, a method of removing moisture and the like in the electrolytic solution using an adsorption dehydration column is known (Japanese Patent No. 3394400).

このような状況の下、電気二重層キャパシタの性能向上のため、電解液中の水分などの不純物をできる限り除去できる簡便な方法が求められている。
特開2002−15958号公報 特許第3394400号公報 第4回EV/HEVの先端技術に関するシンポジュウム−キャパシタ技術の現況と今後の課題「電気自動車用電池の先端技術に関する国際シンポジュウム」実行委員会 平成11年11月8日
Under such circumstances, in order to improve the performance of the electric double layer capacitor, a simple method capable of removing impurities such as moisture in the electrolytic solution as much as possible is required.
JP 2002-15958 A Japanese Patent No. 3394400 The 4th EV / HEV Symposium on Advanced Technology for Capacitors-Current Status of Capacitor Technology and Future Issues "International Symposium on Advanced Technology for Electric Vehicle Batteries" Executive Committee November 8, 1999

本発明は、電気二重層キャパシタの性能に影響を与える電解液中の水など不純物を除去するための新たな方法を提供し、さらに当該方法により水など不純物が除去された電解液を用いて、電気二重層キャパシタを製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a new method for removing impurities such as water in the electrolytic solution that affects the performance of the electric double layer capacitor, and further using the electrolytic solution from which impurities such as water have been removed by the method, An object is to provide a method of manufacturing an electric double layer capacitor.

発明者らは上述の活性炭とは全く異なる特性を有する炭素材を用い、従来用いられてきた電解質を用いて静電容量、耐電圧に優れた電気二重層キャパシタを提案している(特開2000−77273号公報および特開2002−25867号公報)。そして、この電気二重層キャパシタの分極性電極として用いる非多孔性炭、すなわち活性炭とは全く異なる特性を有する炭素材である非多孔性炭が、静電容量発生に寄与する電解質イオンを消費することなしに、電解液中の水分などの不純物を除去することにも極めて有効に機能することを見いだし、本発明を完成させた。   The inventors have proposed an electric double layer capacitor excellent in electrostatic capacity and withstand voltage by using a carbon material having characteristics completely different from those of the above-mentioned activated carbon and using a conventionally used electrolyte (Japanese Patent Laid-Open No. 2000). -77273 and JP 2002-25867). The non-porous charcoal used as the polarizable electrode of this electric double layer capacitor, that is, the non-porous charcoal that is a carbon material having completely different characteristics from activated carbon, consumes electrolyte ions that contribute to the generation of capacitance. In addition, the present invention was found to function extremely effectively in removing impurities such as moisture in the electrolytic solution, and the present invention was completed.

すなわち、本発明は、非多孔性炭を用いて作製された複数の炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、該炭素電極と電解液とを接触させることを特徴とする、電解液中の水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質を除去する電解液の精製方法である。   That is, in the present invention, the carbon electrode and the electrolytic solution are brought into contact with each other while applying a voltage lower than the intercalation start voltage of the electrolyte ions between the plurality of carbon electrodes made using nonporous charcoal. This is a method for purifying an electrolytic solution that removes a low-potential reactive substance in an electrolytic solution mainly composed of moisture in the electrolytic solution.

また、本発明は、有機系電解質を用いる電気二重層キャパシタにおいて、予め非多孔性炭を用いて作製した複数の炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、電解液を接触させ、水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質を除去する方法である。なお、この有機系電解質を用いる電気二重層キャパシタは、分極性電極として本発明で用いる非多孔性炭を用いて作製されたものばかりでなく、従来の活性炭を用いて作製されたもののいずれであってもよく、いわゆる非水系の有機電解液を用いた電気二重層キャパシタの全てが含まれる。   Further, the present invention provides an electric double layer capacitor using an organic electrolyte while applying a voltage lower than the intercalation start voltage of electrolyte ions between a plurality of carbon electrodes prepared using non-porous coal in advance. In this method, the low-potential reactive substance in the electrolytic solution mainly containing moisture is removed by contacting the electrolytic solution. The electric double layer capacitor using the organic electrolyte is not only one made using the non-porous charcoal used in the present invention as the polarizable electrode, but any one made using conventional activated carbon. All of the electric double layer capacitors using a so-called non-aqueous organic electrolyte may be included.

本発明で用いる非多孔性炭とは、特開2002−25867号公報や特開2002−362912号公報に記載されているような、黒鉛類似の微結晶炭素を有する平均層間距離d002が0.350〜0.380nm程度であり、BET法による比表面積が270m/g、好ましくは100m/g以下の、各種電解質イオンや溶媒やNガスなどを取り込める程度の大きさの細孔がない非多孔性の炭素を意味するものである。このような非多孔性炭は、石油コークスあるいは石炭コークスの一種として知られるニードルコークス、または不融化処理した石油系あるいは石炭系のピッチなどをか焼して得られる易黒鉛化炭を活性化処理して得られた活性化非多孔性炭であって、ニードルコークスや不融化処理したピッチなどの多層グラファイト微結晶が発達した易黒鉛化炭を650〜850℃で熱処理(か焼)して得られる炭素(か焼炭)を例えばKOHのような苛性アルカリと共に800〜900℃で処理し、加熱水蒸気により残存アルカリ成分を除き、必要に応じ、Ni、Fe、Coなどのような遷移金属触媒の存在下あるいは触媒を用いることなしに、水素などの還元性気流中で熱処理し、炭素表面に存在する活性酸化水素(例えば、COOH、CHO、OHなど)を除去することにより得ることができる。さらに、非多孔性炭の平均層間距離d002は、原料の炭素材の種類により、また、水素などの還元性気流中での加熱処理の温度により変化し、この加熱処理温度を高くすることにより平均層間距離d002が小さい非多孔性炭が得られる。 The non-porous coal used in the present invention has an average interlayer distance d 002 having graphite-like microcrystalline carbon as described in JP-A No. 2002-25867 and JP-A No. 2002-362912. There are no pores having a size of about 350 to 0.380 nm and a specific surface area according to the BET method of 270 m 2 / g, preferably 100 m 2 / g or less, capable of taking in various electrolyte ions, solvents, N 2 gas, and the like. It means non-porous carbon. Such non-porous coal is activated by treating coke or carbonized carbon obtained by calcining oil coke or needle coke, a kind of coal coke, or infusible petroleum or coal pitch. An activated non-porous charcoal obtained by heat treatment (calcination) at 650 to 850 ° C. with the development of multilayer graphite microcrystals such as needle coke and infusibilized pitch. Carbon (calcined charcoal) is treated with caustic such as KOH at 800 to 900 ° C., and residual alkali components are removed with heated steam, and if necessary, transition metal catalysts such as Ni, Fe, Co, etc. In the presence or without using a catalyst, heat treatment is performed in a reducing gas stream such as hydrogen, and active hydrogen oxide (such as COOH, CHO, OH, etc.) present on the carbon surface ) Can be obtained by removing the. Further, the average interlayer distance d 002 of the non-porous coal varies depending on the type of the carbon material used as a raw material and the temperature of the heat treatment in a reducing gas stream such as hydrogen, and by increasing the heat treatment temperature. Nonporous charcoal having a small average interlayer distance d002 is obtained.

なお、炭素表面に存在する活性酸化水素が除去されたか否かの確認は、粉末炭素のパルスNMR法によるH 共鳴の観測で、短緩和時間成分T=20〜50μsec(Gauss型)として表れる炭素骨格に直接結合した水素の量と、中緩和時間成分T=50〜400μsec(Lorentze型)として表れる例えばCOOHやCHOやOHなどのような化学結合型吸着水として存在する水素の量と、長緩和時間成分T=500〜2000μsecもしくはこれ以上(Lorentze型)として表れる物理吸着水として存在する水素の量とを求め、各状態で炭素中に存在する水素の量によって判断することでき、本発明で用いる非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)は、炭素組織内の残存水素の結合状態の相違を示す、パルスNMR法によるH共鳴で観測されるT=20〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分と、T=50〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分と、T=500〜2000μsec(Lorentze型)の長緩和時間成分とを求めたとき、長緩和時間成分が全く無く、短緩和時間成分に対する中緩和時間成分の比が1/3以下であることが好ましく、さらに1/5以下であることがより好ましいものである。 Confirmation of whether or not the active hydrogen oxide present on the carbon surface has been removed appears as a short relaxation time component T 2 = 20 to 50 μsec (Gauss type) by observing 1 H resonance of powdered carbon by pulse NMR. The amount of hydrogen directly bonded to the carbon skeleton and the amount of hydrogen present as chemically bonded adsorbed water such as COOH, CHO, OH, etc., expressed as a medium relaxation time component T 2 = 50 to 400 μsec (Lorentze type), Long relaxation time component T 2 = 500 to 2000 μsec or more (Lorentze type) and the amount of hydrogen present as physically adsorbed water can be determined and determined by the amount of hydrogen present in carbon in each state. invention as used nonporous carbon or hydrogenated nonporous carbon (hydrogenated nonporous carbon) shows the difference in the bonding state of residual hydrogen in the carbon tissue, 1 by pulse NMR method Short relaxation time component of T 2 = 20 to 50 μsec (Gauss type) observed by H resonance, medium relaxation time component of T 2 = 50 to 400 μsec (Lorentze type), and T 2 = 500 to 2000 μsec (Lorentze type) When the long relaxation time component is determined, the long relaxation time component is completely absent, and the ratio of the medium relaxation time component to the short relaxation time component is preferably 1/3 or less, and more preferably 1/5 or less. It is more preferable.

一方、このような非多孔性炭を電極として作製した電気二重層キャパシタ試験用セルでは、従来のキャパシタにおける活性炭電極と異なり、電気二重層キャパシタの組み立て当初は電気二重層を形成している界面は実質的に無いが、初期充電時に印加電圧がある閾値を越えると電解質イオンが溶媒を伴って炭素組織内に侵入し(溶媒共挿入、solvent co-intercalationと呼ぶ)、この時初めて電気二重層を形成する界面を発生する。そして、以後履歴効果でこの界面は維持され、電気二重層キャパシタとして有効に機能するという現象が認められる。このように非多孔性炭において、電解液中の電解質イオンが、あるいは、電解質イオンが溶媒を伴って非多孔性炭の炭素組織内に侵入し始めるときの電圧を、本発明において「インターカレーション開始電圧」と呼ぶ。   On the other hand, in an electric double layer capacitor test cell prepared using such non-porous charcoal as an electrode, unlike the activated carbon electrode in a conventional capacitor, the interface forming the electric double layer at the beginning of assembly of the electric double layer capacitor is Although there is virtually no, when the applied voltage exceeds a certain threshold during the initial charge, electrolyte ions enter the carbon structure with the solvent (referred to as solvent co-intercalation). Generates an interface to form. Thereafter, this interface is maintained by the hysteresis effect, and a phenomenon that functions effectively as an electric double layer capacitor is recognized. In this way, in the nonporous coal, the voltage at which the electrolyte ions in the electrolytic solution or the electrolyte ions begin to enter the carbon structure of the nonporous coal with the solvent is expressed as “intercalation” in the present invention. Called “starting voltage”.

このインターカレーション開始電圧は、非多孔性炭の平均層間距離d002や電解液を構成する電解質や有機溶媒の種類によって変化し、平均層間距離d002が大きいほど、また電解質イオンの大きさが小さいほど、さらに有機溶剤の分子容(分子量/密度)が小さいものを用いるほど、インターカレーション開始電圧は低くなるが、このインターカレーション開始電圧は一般に1.5 〜3.2V程度のものである。本発明において、炭素電極間に印加する電圧は、このインターカレーション開始電圧よりも低い電圧であり、電解液中に存在する水などの不純物の分解電圧が1.2V程度であることから、分解を完全に行うためには、非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)の有するインターカレーション開始電圧よりも低い電圧で、水の分解電圧よりも高い電圧を印加することが好ましいものであり、一般に1.8〜 3.2V程度、さらに好ましくは2.5〜3.0V程度となるように設定することが望ましい。 The intercalation start voltage will vary with the average interlayer distance d 002 and electrolytes and the type of the organic solvent constituting the electrolytic solution of nonporous carbon, the larger the average interlayer distance d 002, also the size of the electrolyte ions The smaller the molecular weight (molecular weight / density) of the organic solvent, the lower the intercalation start voltage. The intercalation start voltage is generally about 1.5 to 3.2V. is there. In the present invention, the voltage applied between the carbon electrodes is lower than the intercalation start voltage, and the decomposition voltage of impurities such as water present in the electrolyte is about 1.2 V. In order to complete the process, it is preferable to apply a voltage lower than the intercalation start voltage of the carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal and higher than the water decomposition voltage. In general, it is desirable to set the voltage to about 1.8 to 3.2 V, more preferably about 2.5 to 3.0 V.

なお、本発明で除去の対象となる水分を主体とする低電位反応性物質には、水の他、例えば、電解液中の水と電解質の陰イオンである例えばBF との反応により生じたHFやその他の含フッ素酸などのような不純物あるいは電解質や有機溶媒中に元々含まれていた不純物などがあげられる。 The low-potential reactive substance mainly composed of water to be removed in the present invention is caused by, for example, a reaction between water in the electrolyte and BF 4 which is an anion of the electrolyte in addition to water. And impurities such as HF and other fluorinated acids, or impurities originally contained in the electrolyte or organic solvent.

また、本発明は、上記のようにして得られた水分を主体とする低電位反応性物質が除去された電解液を用いることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法であり、非多孔性炭を用いて作製された炭素電極間にインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、該炭素電極と電解液とを接触させる電解液水分除去工程と、電解液水分除去工程で得られた電解液を電気二重層キャパシタの分極性電極間に含浸させる電解液含浸工程とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法である。   Further, the present invention is a method for producing an electric double layer capacitor, characterized by using an electrolytic solution from which a low-potential reactive substance mainly composed of water obtained as described above is removed. It is obtained in an electrolytic solution water removing step in which the carbon electrode is brought into contact with the electrolytic solution while applying a voltage lower than an intercalation start voltage between carbon electrodes made using charcoal, and an electrolytic solution water removing step. And an electrolytic solution impregnation step of impregnating the electrolytic solution between the polarizable electrodes of the electric double layer capacitor.

さらに、本発明は、電気二重層キャパシタを構成する分極性電極とは別に、非多孔性炭を用いて作製した複数の炭素電極を設け、該炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、電解液を接触させ、水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質を除去する工程を含む、電気二重層キャパシタの製造方法であり、本発明で製造される電気二重層キャパシタは、分極性電極として本発明で用いる非多孔性炭を用いて作製されたものばかりでなく、従来の活性炭を用いて作製されたもののいずれであってもよく、いわゆる非水系の有機電解液を用いた電気二重層キャパシタの全てが含まれるものである。   Furthermore, the present invention provides a plurality of carbon electrodes produced using non-porous charcoal separately from the polarizable electrode constituting the electric double layer capacitor, and an intercalation start voltage of electrolyte ions between the carbon electrodes. The method for producing an electric double layer capacitor comprising the step of contacting the electrolyte while applying a lower voltage and removing the low potential reactive substance in the electrolyte mainly composed of moisture. The electric double layer capacitor to be used is not limited to those produced using the non-porous charcoal used in the present invention as the polarizable electrode, but may be any one produced using conventional activated carbon. This includes all electric double layer capacitors using an aqueous organic electrolyte.

本発明の電解液中の水分を除去する方法は、非多孔性炭で構成された炭素電極間に、インターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加するため、電解液中の電解質イオンは非多孔性炭電極中の炭素組織間にほとんどインターカレートせずに、水分などの不純物のみが非多孔性炭電極にインターカレートされ、非多孔性炭電極中に保持される結果、ゼオライトやアルミナなどによる吸着法に比べ、電解液中の水分などの不純物濃度を極めて低くすることができ、電解液の汚染や吸着による損失を防止することができる。また、本発明の水分が除去された電解液を用いて作製した電気二重層キャパシタはサイクル特性が極めて優れたものが得られる。   In the method for removing moisture in the electrolytic solution of the present invention, a voltage lower than the intercalation start voltage is applied between the carbon electrodes made of nonporous charcoal, so that the electrolyte ions in the electrolytic solution are nonporous. Almost no impurities such as moisture are intercalated into the non-porous carbon electrode and retained in the non-porous carbon electrode without intercalating between the carbon structures in the porous carbon electrode. Compared with the adsorption method by the method, the concentration of impurities such as moisture in the electrolytic solution can be made extremely low, and the loss due to contamination and adsorption of the electrolytic solution can be prevented. In addition, an electric double layer capacitor produced using the electrolytic solution from which moisture has been removed according to the present invention has extremely excellent cycle characteristics.

本発明の電解液中の水分の除去方法は、非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)を用いて調製された炭素電極(分極性電極)間に、水の分解電圧(約1.2V)の電圧以上で、インターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加するとともに、この炭素電極(分極性電極)と電解液とを接触させることにより、電解液中の水分などの不純物を炭素電極(分極性電極)内にインターカレートさせることによって電解液中の水分などの不純物を除去するものである。すなわち、電解液中の水分は、HとOHの形で炭素電極(分極性電極)内にインターカレートないしは取り込まれるとともに、電解液中の水と電解質の陰イオンである例えばBF との反応により生じたHFやその他の含フッ素酸などのような不純物、電解質や有機溶媒中に元々含まれていた不純物も、同様に炭素電極(分極性電極)内にインターカレートないしは取り込まれ、その結果として電解液の高純度化が達成されることになる。 The method for removing moisture in the electrolytic solution of the present invention includes non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) between carbon electrodes (polarizable electrodes) prepared using By applying a voltage higher than the water decomposition voltage (about 1.2 V) and lower than the intercalation start voltage, and contacting the carbon electrode (polarizable electrode) with the electrolytic solution, Impurities such as moisture in the electrolyte solution are removed by intercalating impurities such as moisture in the carbon electrode (polarizable electrode). That is, moisture in the electrolytic solution is intercalated or taken into the carbon electrode (polarizable electrode) in the form of H + and OH , and is an anion of water and the electrolyte in the electrolytic solution, for example, BF 4 −. Impurities such as HF and other fluorinated acids generated by the reaction with the benzene, and impurities originally contained in the electrolyte and organic solvent are also intercalated or taken into the carbon electrode (polarizable electrode). As a result, high purity of the electrolytic solution is achieved.

本発明で用いる非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)は、これらの非多孔性炭を用いて電気二重層キャパシタ試験用セルを組み立てたとき、次のような挙動を示す。すなわち、電気二重層キャパシタ試験用セル組立当初は電気二重層を形成している界面は実質的に無いが、初期充電時に印加電圧がある閾値を越えると電解質イオンそれ自体と、これを運ぶ流体(キャリアー)としての有機溶媒やイオン分子(液体電解質単独の場合)とが共に炭素組織内に侵入し(共インターカレーション(Co-intercalation))この時初めて電気二重層を形成する界面が発生する。そして以後履歴効果でこの界面は維持され、ある電圧までは、この界面で電気二重層を形成して電気的エネルギーの蓄積が生じるものである。   The non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) used in the present invention is the following when an electric double layer capacitor test cell is assembled using these non-porous charcoal. Behaves like this. That is, there is substantially no interface forming the electric double layer at the beginning of the cell assembly for the electric double layer capacitor test, but when the applied voltage exceeds a certain threshold at the time of initial charging, the electrolyte ion itself and the fluid that carries this ( The organic solvent as a carrier) and ionic molecules (in the case of a liquid electrolyte alone) enter the carbon structure together (Co-intercalation). At this time, an interface that forms an electric double layer is generated for the first time. Thereafter, this interface is maintained by the hysteresis effect, and until a certain voltage is reached, an electric double layer is formed at this interface, and electrical energy is accumulated.

本発明の電解液中の水などの不純物を除去するために用いる負極および正極となる炭素電極(分極性電極)は、上記のような特性を有する非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)を電極活物質として含有するものである。この非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)は特開2002−25867号公報や特開2002−362912号公報に記載されているような炭素材であり、具体的には、黒鉛類似の微結晶炭素を有する平均層間距離d002が0.350〜0.380nm程度であり、BET法による比表面積が270m/g、好ましくは100m/g以下の、各種電解質イオンや溶媒やNガスなどを取り込める程度の大きさの細孔がない非多孔性の炭素であり、次のような方法により得られるものである。 The carbon electrode (polarizable electrode) used as a negative electrode and a positive electrode used for removing impurities such as water in the electrolyte solution of the present invention is non-porous charcoal or hydrogenated non-porous having the above characteristics. Charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) is contained as an electrode active material. This non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) is a carbon material as described in JP-A-2002-25867 and JP-A-2002-362912, Specifically, the average interlayer distance d 002 having graphite-like microcrystalline carbon is about 0.350 to 0.380 nm, and the specific surface area by the BET method is 270 m 2 / g, preferably 100 m 2 / g or less. Non-porous carbon having no pores large enough to incorporate various electrolyte ions, solvents, N 2 gas, and the like, and is obtained by the following method.

すなわち、このような非多孔性炭あるいは水素化された非多孔性炭(水素化非多孔性炭)は、石油コークス系あるいは石炭コークス系のニードルコークスや不融化処理した石油系あるいは石炭系ピッチなどをか焼して得られる易黒鉛化炭を活性化処理して得られるものであるが、ここで、原料として使用するこれらのニードルコークスや不融化処理したピッチなどは、それ自体が300〜500℃程度の温度範囲で熱処理され、ガス、オイルおよび固形物に分けられた、その固形物、すなわち生コークスであり、これを120μm以下に粉砕して、「原料炭」を得、この「原料炭」を不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、650℃〜850℃、好ましくは700℃〜800℃で、2〜4時間熱処理し、前熱処理を行い「か焼炭」を得る。次いで、得られた「か焼炭」を重量比で、1.8〜2.2倍、好ましくは2倍程度の例えばKOHのような苛性アルカリと混合して、再度不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、800℃〜900℃、好ましくは800℃程度で、2〜4時間加熱し、苛性アルカリによる活性化処理を行い、その後、次のようにして炭素中に残存するアルカリを除去する。   That is, such non-porous coal or hydrogenated non-porous coal (hydrogenated non-porous coal) includes petroleum coke-based or coal coke-based needle coke, infusible petroleum-based or coal-based pitch, etc. These are obtained by activating the graphitized charcoal obtained by calcination, but these needle cokes used as raw materials, infusibilized pitch, etc. are themselves 300 to 500. This solid material, ie, raw coke, which has been heat-treated in a temperature range of about 0 ° C. and divided into gas, oil and solid material, is pulverized to 120 μm or less to obtain “coking coal”. ”In an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere, at 650 ° C. to 850 ° C., preferably 700 ° C. to 800 ° C., for 2 to 4 hours, and pre-heat treated to obtain“ calcined charcoal ”. Next, the obtained “calcined charcoal” is mixed with caustic such as KOH in a weight ratio of 1.8 to 2.2 times, preferably about 2 times, and again in an inert atmosphere, for example, nitrogen. Under an atmosphere, heating is performed at 800 ° C. to 900 ° C., preferably about 800 ° C. for 2 to 4 hours, activation treatment with caustic alkali is performed, and then the alkali remaining in the carbon is removed as follows.

アルカリの除去は、得られたアルカリ活性化後の炭素を洗浄することにより行う。洗浄は、例えば上記アルカリ処理後の炭素から1μm以上の炭素粒子を回収し、ステンレス製のカラムに充填し、120℃〜150℃、10〜100kgf、好ましくは10〜50kgfの加圧水蒸気をカラムに導入し、排水のpHが約7となるまで加圧水蒸気を導入し続けることにより行うことができる(通常6〜10時間)。アルカリ除去工程の終了後、アルゴンや窒素のような不活性ガスをカラムに流し、乾燥して目的の非多孔性炭を得る。   The alkali is removed by washing the carbon after the alkali activation obtained. For washing, for example, carbon particles having a size of 1 μm or more are collected from the carbon after the alkali treatment, filled in a stainless steel column, and pressurized steam of 120 to 150 ° C., 10 to 100 kgf, preferably 10 to 50 kgf is introduced into the column. However, it can be carried out by continuing to introduce pressurized steam until the pH of the drainage reaches about 7 (usually 6 to 10 hours). After completion of the alkali removal step, an inert gas such as argon or nitrogen is passed through the column and dried to obtain the desired non-porous charcoal.

なお、さらに徹底したアルカリ除去をするには、望ましくは加圧可能なソックスレー抽出器を用い、(1)揮発性の酸(例えば、HCl、HNOなど)の水溶液を沸騰(リフラックス)させ、比較的濃度の高い酸加熱水蒸気により、炭素材粉末中から残存アルカリを抽出し、(2)次いで、非揮発性アルカリ水溶液(例えば、NaOH、KOHなど)を沸騰(リフラックス)させ、水蒸気により、残存酸を洗い出し、アルカリで中和トラップし、(3)その後、得られた炭素材を加熱乾燥するというような方法を採ることができる。 For further thorough alkali removal, preferably using a pressurizable Soxhlet extractor, (1) boiling (reflux) an aqueous solution of a volatile acid (eg, HCl, HNO 3, etc.) Residual alkali is extracted from the carbon material powder with acid heating steam having a relatively high concentration. (2) Next, a non-volatile alkaline aqueous solution (for example, NaOH, KOH, etc.) is boiled (refluxed), and with steam, The remaining acid is washed out and neutralized and trapped with an alkali. (3) Thereafter, the obtained carbon material is heated and dried.

必要に応じ、上記のようにして得られた非多孔性炭を、例えば、NHを分解して得られる3H+N混合ガスや水素ガスなどの還元性雰囲気中でさらに、500℃〜900℃、4〜6時間、熱処理するか、あるいは、Fe、Co、Niなどの遷移金属もしくは遷移金属化合物を触媒として、これらの存在下200℃〜850℃、2〜6時間、還元性雰囲気中で熱処理することにより、炭素骨格に直接結合した水素以外の活性酸化水素(COOH、CHO、OHなど)が除去され、水素でブロックされた非多孔性炭(水素化非多孔性炭)とすることもできる。 If necessary, the nonporous charcoal obtained as described above is further reduced to 500 ° C. to 900 ° C. in a reducing atmosphere such as 3H 2 + N 2 mixed gas or hydrogen gas obtained by decomposing NH 3. Heat treatment at 4 ° C. for 4 to 6 hours, or using transition metal or transition metal compound such as Fe, Co, Ni as a catalyst in the presence of these at 200 ° C. to 850 ° C. for 2 to 6 hours in a reducing atmosphere By performing heat treatment, active hydrogen oxide other than hydrogen directly bonded to the carbon skeleton (COOH, CHO, OH, etc.) is removed, and non-porous charcoal (hydrogenated nonporous charcoal) blocked with hydrogen may be obtained. it can.

上記の非多孔性炭の調製法において、活性化処理温度や還元性雰囲気中での熱処理温度などの処理条件は、得られる非多孔性炭の平均層間距離d002に影響を与え、処理温度を高めることにより、例えば、活性化処理温度を900℃程度まで高めることや、還元性気流中での熱処理温度を700〜900℃程度まで高めることで平均層間距離d002が0.350〜0.370nm程度のものを得ることができる。 In the preparation method of the non-porous coal described above, the treatment conditions such as the activation treatment temperature and the heat treatment temperature in a reducing atmosphere affect the average interlayer distance d 002 of the obtained non-porous coal, and the treatment temperature is For example, by increasing the activation treatment temperature to about 900 ° C., or by increasing the heat treatment temperature in the reducing airflow to about 700 to 900 ° C., the average interlayer distance d 002 is 0.350 to 0.370 nm. You can get something about.

水分の除去の対象となる電解液は、通常電気二重層キャパシタに用いられる電解液である非水系の有機電解液であればよく、電解質塩を有機溶媒に溶かしたもの、あるいは液体電解質塩をそのまま用いるものあるいはこの液体電解質塩を有機溶媒に溶かしたものなどがあげられる。電解質塩としては、例えば、四級のアルキルアンモニウムの四フッ化ホウ素塩、六フッ化リン塩もしくは過塩素酸塩などがあげられ、四級のアルキルアンモニウムとしては、例えばMe、EtMe(4−n)、Et、(n−Bu)などが例示される。これらの電解質塩を溶解する有機溶媒としては、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)、ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)、γ−ブチルラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、プロピオニトリル(PN)などがあり、これらの有機溶媒を単独であるいは、二種以上混合して用いられ、電解質塩の濃度は通常、0.5モル/L以上程度に調製されている。 The electrolytic solution that is subject to moisture removal may be any non-aqueous organic electrolytic solution that is usually used in electric double layer capacitors, and the electrolyte salt dissolved in an organic solvent or the liquid electrolyte salt as it is. Examples thereof include those used or those obtained by dissolving the liquid electrolyte salt in an organic solvent. Examples of the electrolyte salt include quaternary alkylammonium boron tetrafluoride, phosphorous hexafluoride or perchlorate. Examples of the quaternary alkylammonium include Me 4 N + , Et n. Examples include Me (4-n) N + , Et 4 N + , (n-Bu) 4 N +, and the like. Examples of organic solvents for dissolving these electrolyte salts include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethoxyethane (DME), diethoxyethane (DEE), γ -Butyllactone (γ-BL), acetonitrile (AN), propionitrile (PN), etc., and these organic solvents are used alone or in combination of two or more. The concentration of the electrolyte salt is usually 0. It is adjusted to about 5 mol / L or more.

一方、液状電解質としては、例えば、直鎖アルキル基で置換された複素5員環や複素6員環構造のカチオンと、例えば、BF 、PF 、AsF 、ClO 、CFSO 、AlCl 、SbF などのアニオンとからなる電解質塩があげられ、このようなものとして、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・BF (EMI・BF)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・PF 、1−メチル−3−n−プロピルイミダゾリウム・BF 、1−メチル−3−n−プロピルイミダゾリウム・PF 、1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウム・BF 、1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウム・PF 、1,3−ジメチル−2−n−プロピルイミダゾリウム・BF 、1,3−ジメチル−2−n−プロピルイミダゾリウム・PF などが例示される。 On the other hand, as the liquid electrolyte, for example, a cation having a hetero 5-membered ring or a hetero 6-membered ring structure substituted with a linear alkyl group, and for example, BF 4 , PF 6 , AsF 6 , ClO 4 , CF Examples thereof include electrolyte salts composed of anions such as 3 SO 3 , AlCl 4 , SbF 6 —, and the like, for example, 1-ethyl-3-methylimidazolium + • BF 4 (EMI • BF 4 ), 1-ethyl-3-methylimidazolium + · PF 6 , 1-methyl-3-n-propylimidazolium + · BF 4 , 1-methyl-3-n-propylimidazolium + · PF 6 -, 1,2-dimethyl -3-n-propyl imidazolium + · BF 4 -, 1,2-dimethyl -3-n-propyl imidazolium + · PF 6 -, 1,3-dimethyl - -N- propyl imidazolium + · BF 4 -, 1,3- dimethyl -2-n-propyl imidazolium + · PF 6 -, etc. are exemplified.

また、上記の液体電解質は常温で液状であるので、そのまま電解液として(いわゆる、ニートで)使用することができるが、融点が高く常温では固形のような場合には、有機溶媒に溶解することによって電解質溶液として使用される。また、常温で液状であるものであっても、有機溶媒に溶解して使用することもできる。使用する有機溶媒としては、一般に炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)、ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)、γ−ブチルラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、プロピオニトリル(PN)などがあり、これらの有機溶媒を単独であるいは、二種以上混合して用いられ、液体電解質塩の濃度は通常、1.0モル/L以上程度に調製されている。   In addition, since the above liquid electrolyte is liquid at room temperature, it can be used as an electrolyte (so-called neat) as it is, but if it has a high melting point and is solid at room temperature, it can be dissolved in an organic solvent. Is used as an electrolyte solution. Moreover, even if it is liquid at normal temperature, it can be used by dissolving in an organic solvent. As the organic solvent to be used, generally propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dimethoxyethane (DME), diethoxyethane (DEE), γ-butyllactone ( γ-BL), acetonitrile (AN), propionitrile (PN), etc., and these organic solvents are used alone or in combination of two or more. The concentration of the liquid electrolyte salt is usually 1.0 mol. / L or more.

非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)における、インターカレーション開始電圧とは、電解質イオンが溶媒(溶媒を用いない液体電解質の場合は、その液体電解質自身)を伴って、炭素電極内に挿入(インターカレート)し始めるときの電圧であり、これは通常の充・放電試験と同様に、非多孔性炭を用いて組み立て直後の炭素電極(分極性電極)を、一定電流で充電し、キャパシタに電荷が蓄積していくに従って電圧が上昇するのをモニターする1サイクル目の充・放電試験結果から求められる。図1〜図3にその例を示した。   The intercalation start voltage in a carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal is a carbon electrode in which electrolyte ions are accompanied by a solvent (in the case of a liquid electrolyte that does not use a solvent, the liquid electrolyte itself). This is the voltage when it starts to be inserted (intercalated), and this is the same as the normal charge / discharge test, with the carbon electrode (polarizable electrode) immediately after assembly using non-porous charcoal at a constant current. It is obtained from the charge / discharge test result of the first cycle in which charging is monitored and the voltage rises as the charge accumulates in the capacitor. Examples thereof are shown in FIGS.

図1は、非多孔性炭として、石油コークス由来のニードルコークス(原料炭B)を750℃、4時間、か焼した「か焼炭」を、2倍量のKOHと共に、800℃、2時間処理し、加熱水蒸気によりpH=7まで洗浄し、加熱真空乾燥した調製した非多孔性炭[B754802(この意味については後述する)]を調製し、これにカーボン・ブラックとPTFEとを配合(非多孔性炭:カーボンブラック:PTFE=10:1:0.5(重量比))し、混練りしシート状に成形した炭素電極(分極性電極)を用いたものである。電極の大きさは、直径20mmφ、厚さ約0.2mmであった。この電極に電解液を真空含浸させ、粗面化処理したアルミ箔を集電極とし、セパレータとしてGA−55ガラス繊維を硬質紙に挟んだ「CTW−GA55−CTW」を介してラミネートポリ袋に真空パックして電気二重層キャパシタ試験用セルを作製し、電解液は、1モル/LのEtN・BFを炭酸プロピレンとアセトニトリルとの等容量混合溶媒に溶解したものを用い、電圧を3.75Vに設定した初期充電(1サイクル目)の結果を示したものである。 Fig. 1 shows that non-porous coal is calcined “coking charcoal” derived from petroleum coke-derived needle coke (coking coal B) at 750 ° C. for 4 hours, at 800 ° C. for 2 hours together with twice the amount of KOH. Prepared non-porous charcoal [B754802 (the meaning of which will be described later)] prepared by treatment, washing with heated steam to pH = 7, and drying under heat and vacuum, and carbon black and PTFE are blended (non- Porous carbon: carbon black: PTFE = 10: 1: 0.5 (weight ratio)), kneaded and formed into a sheet shape (polarizable electrode). The electrode had a diameter of 20 mmφ and a thickness of about 0.2 mm. The electrode is vacuum impregnated with an electrolyte solution, and a roughened aluminum foil is used as a collector electrode, and a vacuum is applied to a laminated plastic bag via “CTW-GA55-CTW” in which GA-55 glass fiber is sandwiched between hard paper as a separator. An electric double layer capacitor test cell was prepared by packing, and the electrolyte was prepared by dissolving 1 mol / L Et 4 N · BF 4 in an equal volume mixed solvent of propylene carbonate and acetonitrile and applying a voltage of 3 The result of the initial charge (1st cycle) set to .75V is shown.

図1によれば、初期充電では当初、電圧が短時間のうちに立ち上がるものの、約2.8V付近から急激に電圧上昇が緩慢になっていることがわかる。この約2.8Vが本発明でいうインターカレーション開始電圧に相当するものである。   As can be seen from FIG. 1, in the initial charging, the voltage rises in a short period of time, but the voltage rise suddenly slows from about 2.8V. This about 2.8 V corresponds to the intercalation start voltage in the present invention.

また、図2は、非多孔性炭として、石油コークス由来のニードルコークス(原料炭B)を700℃、4時間、か焼した「か焼炭」を、2倍量のKOHと共に、800℃、4時間処理し、加熱水蒸気によりpH=7まで洗浄し、さらにソックスレー抽出器を用い塩酸水でアルカリを抽出し、水洗・加熱真空乾燥した後、ニッケル金属触媒の存在下、500℃、4時間水素中で熱処理してニッケル触媒を除き調製した非多孔性炭[B704804S+504H]を用い、上記と同様にして試験用セルを作製し、電解液は、EMI・BFを単独で用い、電圧を3.75Vに設定した初期充電(1サイクル目)の結果を示したものである。得られた非多孔性炭[B704804S+504H]のd002は0.360nmであり、比表面積は約60m/gで、短緩和時間成分に対する中緩和時間成分の比(以下、単に「緩和成分比」という)は0.05以下であった。 In addition, FIG. 2 shows that non-porous charcoal is obtained by calcining petroleum coke-derived needle coke (coking coal B) at 700 ° C. for 4 hours, together with a double amount of KOH at 800 ° C. Treated for 4 hours, washed to pH = 7 with heated steam, further extracted with hydrochloric acid using a Soxhlet extractor, washed with water and dried under heat in vacuum, followed by hydrogenation at 500 ° C. for 4 hours in the presence of a nickel metal catalyst. A non-porous charcoal [B704804S + 504H] prepared by heat-treating in nickel and removing the nickel catalyst was used to prepare a test cell in the same manner as described above, and the electrolyte was EMI • BF 4 alone, and the voltage was 3. The result of the initial charge (1st cycle) set to 75V is shown. The obtained non-porous charcoal [B704804S + 504H] has a d 002 of 0.360 nm, a specific surface area of about 60 m 2 / g, and a ratio of a medium relaxation time component to a short relaxation time component (hereinafter simply referred to as “relaxation component ratio”). Was 0.05 or less.

図2によれば、初期充電では当初、電圧が短時間のうちに立ち上がり、そして約2.9V付近から急激に電圧上昇が緩慢になっていることがわかる。この約2.9Vが本発明でいうインターカレーション開始電圧に相当するものである。   According to FIG. 2, it can be seen that in the initial charging, the voltage initially rises in a short time, and the voltage rise suddenly slows from about 2.9V. This about 2.9V corresponds to the intercalation start voltage in the present invention.

さらに、図3は、非多孔性炭として、不融化処理した石油ピッチ系炭素(原料炭A)を用いて調製した非多孔性炭[A704804+504H]により試験用セルを作製し、電解液として、EMI・BFと有機溶媒とを体積比1:1で混合した電解質溶液を電解液として用い、電圧を3.5Vに設定した初期充電(1サイクル目)の結果を示したものであり、図中の(a)は有機溶媒が炭酸プロピレン(PC)の場合、(b)は有機溶媒がアセトニトリル(AN)の場合をそれぞれ示している。得られた非多孔性炭[A704804+504H]のd002は0.360nmであり、比表面積は約100m/gで、緩和成分比は0.17以下であった。 Further, FIG. 3 shows a test cell made of non-porous coal [A704804 + 504H] prepared using infusible petroleum pitch-based carbon (raw coal A) as non-porous coal, and EMI was used as an electrolyte. The results of initial charging (first cycle) in which an electrolyte solution in which BF 4 and an organic solvent are mixed at a volume ratio of 1: 1 are used as the electrolyte and the voltage is set to 3.5 V are shown in the figure. (A) shows the case where the organic solvent is propylene carbonate (PC), and (b) shows the case where the organic solvent is acetonitrile (AN). The obtained non-porous charcoal [A704804 + 504H] had d 002 of 0.360 nm, a specific surface area of about 100 m 2 / g, and a relaxation component ratio of 0.17 or less.

図3によると、有機溶媒を使用した場合には、(a)および(b)とも、初期充電では当初、電圧が短時間のうちに立ち上がり、それぞれ、約2.4V、約2.2V付近から急激に電圧上昇が緩慢になっていることがわかる。この約2.4V、約2.2Vが本発明でいうインターカレーション開始電圧に相当するものである。   According to FIG. 3, in the case of using an organic solvent, in both (a) and (b), at the initial charging, the voltage initially rises in a short time and starts from about 2.4 V and about 2.2 V, respectively. It can be seen that the voltage rise suddenly slows down. These about 2.4 V and about 2.2 V correspond to the intercalation start voltage in the present invention.

このように、有機溶媒を使用した場合には、分子容の小さな有機溶媒が電解質イオンに伴われて非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)内に挿入(インターカレート)されるため、インターカレーション開始電圧は液体電解質単独の場合に比べて低くなり、また、用いた有機溶媒の結果から、電解質塩とともに使用する有機溶媒の分子容(PC:70.90、AN:52.48)により、インターカレーション開始電圧が変化することがわかる。   Thus, when an organic solvent is used, an organic solvent having a small molecular volume is inserted (intercalated) into a carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal along with electrolyte ions. Therefore, the intercalation start voltage is lower than that in the case of the liquid electrolyte alone, and the molecular volume of the organic solvent used together with the electrolyte salt (PC: 70.90, AN: 52. 48) that the intercalation start voltage changes.

以上のようにして、インターカレーション開始電圧を求めることができるが、このインターカレーション開始電圧は、使用した非多孔性炭の平均層間距離d002と電解液の組成(電解質塩や有機溶媒の種類など)とにより変化するものである。この関係を示したものが図4〜6である。 As described above, the intercalation start voltage can be obtained, and this intercalation start voltage is determined based on the average interlayer distance d 002 of the used non-porous coal and the composition of the electrolyte (electrolyte salt or organic solvent). Depending on the type). This relationship is shown in FIGS.

図4は、種々の石油系ニードルコークスあるいは不融化処理した石油ピッチ系炭素を種々の処理条件(800〜900℃、2〜4時間)で活性化処理を行って得た非多孔性炭ならびに、これらの非多孔性炭を水素中で種々の処理条件(500〜900℃、4〜6時間)で後熱処理して得られた水素化非多孔性炭素を、XRD測定により平均層間距離d002を求めるとともに、これらの非多孔性炭素あるいは水素化非多孔性炭素を用いて試験用セルを組み立てた場合のインターカレーション開始電圧を測定した結果を示したものである。なお、電解液はEtN・BFの1モル/Lの炭酸プロピレン溶液である。図4から明らかなように、平均層間距離d002が狭いほど高い電圧でインターカレーションが開始されることがわかる。 FIG. 4 shows non-porous coal obtained by activating various petroleum-based needle cokes or infusible petroleum pitch-based carbon under various treatment conditions (800 to 900 ° C., 2 to 4 hours), and Hydrogenated non-porous carbon obtained by post-heat-treating these non-porous charcoal in hydrogen under various treatment conditions (500 to 900 ° C., 4 to 6 hours) was subjected to an average interlayer distance d 002 by XRD measurement. The results of measurement of the intercalation start voltage when the test cell is assembled using these non-porous carbons or hydrogenated non-porous carbons are shown. The electrolytic solution is a 1 mol / L propylene carbonate solution of Et 4 N · BF 4 . As is apparent from FIG. 4, it can be seen that the intercalation is started at a higher voltage as the average interlayer distance d002 is narrower.

また、図5は、横軸に有機溶媒の分子容(分子量/比重)をとり、非多孔性炭素あるいは水素化非多孔性炭を用いた試験用セルにおけるインターカレーション開始電圧をプロットしたものである。図5には、非多孔性炭は石油系ニードルコークスFを用いて調製した非多孔性炭[F754804](平均層間距離d002は0.370nm)と、これを水素化処理した非多孔性炭[F754804+654H](平均層間距離d002は0.364nm)とを用い、電解液として、アセトニトリル(AN)、炭酸エチレン/炭酸ジエチル(容量比、1:1)の等容量混合溶媒、γ−ブチロラクトン(GBL)および炭酸プロピレン(PC)の各有機溶媒にEtN・BFの1モル/Lの濃度で溶解した電解液を用いた場合の測定結果を示したものである。図5によれば、インターカレーション開始電圧は同一の平均層間距離を有する電極および同一の電解質イオンでは、用いた溶媒分子の分子容に逆比例し、分子容が小さな有機溶媒を用いるほどインターカレーション開始電圧が低下することがわかる。また、有機溶媒を混合して用いる場合には、炭酸エチレン(EC:分子容68.7)と炭酸ジエチル(DEC:分子容121.2)の容積比1:1の混合溶媒の例からわかるように、分子容の小さな炭酸エチレンの分子容の値でプロットすると直線にのることから、混合溶媒の場合には分子容の小さい有機溶媒がインターカレーション開始電圧を支配することも理解される。 In FIG. 5, the horizontal axis represents the molecular volume of the organic solvent (molecular weight / specific gravity), and the intercalation start voltage in a test cell using nonporous carbon or hydrogenated nonporous carbon is plotted. is there. In FIG. 5, the non-porous charcoal is non-porous charcoal [F754804] (average interlayer distance d 002 is 0.370 nm) prepared using petroleum-based needle coke F, and hydrogenated non-porous charcoal. [F754804 + 654H] (average interlayer distance d 002 is 0.364 nm), and as an electrolyte, an equivalent volume mixed solvent of acetonitrile (AN), ethylene carbonate / diethyl carbonate (volume ratio, 1: 1), γ-butyrolactone ( GBL) and shows the measurement results in the case of using an electrolyte prepared by dissolving at a concentration of 1 mol / L of Et 4 N · BF 4 in the organic solvent of propylene carbonate (PC). According to FIG. 5, the intercalation start voltage is inversely proportional to the molecular volume of the solvent molecules used for the electrodes having the same average interlayer distance and the same electrolyte ions, and the intercalation is increased as the molecular volume is smaller. It can be seen that the start voltage of the operation decreases. In addition, when an organic solvent is mixed and used, it can be understood from an example of a mixed solvent of ethylene carbonate (EC: molecular volume 68.7) and diethyl carbonate (DEC: molecular volume 121.2) in a volume ratio of 1: 1. In addition, it is understood that an organic solvent having a small molecular volume dominates the intercalation onset voltage in the case of a mixed solvent since it is linear when plotted with the molecular volume value of ethylene carbonate having a small molecular volume.

さらに、図6は、液体電解質を用いた場合について示したものである。使用した非多孔性炭は、原料炭として石油コークス由来のニードルコークス(原料炭B)を用いて調製した非多孔性炭[B704804+504H](平均層間距離d002は0.360nm)であり、これを用いて試験用セルを組立て、電解液として、EMI・BFを単独で用いた場合と、EMI・BFを、炭酸プロピレン(PC)、γ−ブチルラクトン(GBL)、炭酸エチレン(EC)およびアセトニトリル(AN)にそれぞれ等容量比で溶解した電解液を用いた場合のインターカレーション開始電圧を求めた結果を示したものである。なお、EMIの分子容は、塩自体の分子容をEMIイオンとBF イオンのファンデルワールス体積(それぞれ、118Åおよび48Å)の比に案分することにより算出したものである。 Further, FIG. 6 shows a case where a liquid electrolyte is used. The non-porous coal used is non-porous coal [B704804 + 504H] (average interlayer distance d 002 is 0.360 nm) prepared using needle coke derived from petroleum coke (coking coal B) as the raw coal. assembling the test cell using, as an electrolytic solution, in the case of using EMI · BF 4 alone, the EMI · BF 4, propylene carbonate (PC), .gamma.-butyrolactone (GBL), ethylene carbonate (EC) and The result of having calculated | required the intercalation start voltage at the time of using the electrolyte solution melt | dissolved in acetonitrile (AN) by the equal volume ratio, respectively is shown. Incidentally, EMI + molecular volume is the molecular volume of the salt itself EMI + ions and BF 4 - and is calculated by prorated to the ratio of the van der Waals volume of ions (respectively, 118A 3 and 48 Å 3) .

図6によれば、液体電解質を用いた場合も、同様に、有機溶媒に溶解することにより、そして有機溶媒の分子容が小さいものほど、インターカレーション開始電圧が低下することがわかる。   According to FIG. 6, it can be seen that, even when a liquid electrolyte is used, the intercalation start voltage decreases in the same manner by dissolving in an organic solvent and the smaller the molecular volume of the organic solvent.

以上のように、インターカレーション開始電圧は、処理すべき電解液の組成が決まれば、非多孔性炭の有する平均層間距離d002により定められるものではあるが、一般的にいえば、インターカレーション開始電圧は1.5〜3.2V程度のものである。 As described above, the intercalation start voltage is determined by the average interlayer distance d 002 of the nonporous coal if the composition of the electrolytic solution to be treated is determined. The start voltage is about 1.5 to 3.2V.

このような非多孔性炭では、有機溶媒中、低電位では、支持電解質として例えば、EtN・BF、EtMeN・BF、EMI・BFなどを用いたとき、特定の電圧(インターカレーション開始電圧)以下の電位では、炭素電極内部にイオンは挿入(インターカレート)されず、電解質イオンは吸着されない。このインターカレーション開始電圧は、使用した原料炭とその熱処理条件により定まる平均層間距離d002と、電解質イオンがキャリヤーとしての溶媒を伴ってインターカレートする際に、電解質イオンに伴われる溶媒(溶媒を用いない液体電解質の場合は、その液体電解質自身)の分子容(分子量/密度)に依存するものである。この際、混合溶媒の場合には、構成する溶媒のうち最も小さな分子容をもつ溶媒が電解質イオンに伴われてインターカレートするため、インターカレーション開始電圧は、混合溶媒中の最も小さな分子容を有する溶媒に依存することになる。 In such non-porous charcoal, when using, for example, Et 4 N · BF 4 , Et 3 MeN · BF 4 , EMI · BF 4 or the like as a supporting electrolyte in an organic solvent at a low potential, a specific voltage ( At a potential equal to or lower than the intercalation start voltage), ions are not inserted (intercalated) into the carbon electrode, and electrolyte ions are not adsorbed. This intercalation start voltage is determined by the average interlayer distance d 002 determined by the raw coal used and its heat treatment conditions, and the solvent (solvent associated with the electrolyte ions when the electrolyte ions intercalate with the solvent as the carrier. In the case of a liquid electrolyte that does not use, it depends on the molecular volume (molecular weight / density) of the liquid electrolyte itself. At this time, in the case of the mixed solvent, the solvent having the smallest molecular volume among the constituent solvents intercalates with the electrolyte ions, so that the intercalation start voltage is the smallest molecular volume in the mixed solvent. Will depend on the solvent having

すなわち、電解液の組成(電解質の種類や有機溶媒の組成)が決まれば、それに応じた平均層間距離d002を有する非多孔性炭を選ぶことができ、インターカレーション開始電圧を、2〜3Vの範囲に設定することができる。 That is, if the composition of the electrolyte (the type of electrolyte and the composition of the organic solvent) is determined, non-porous coal having an average interlayer distance d 002 can be selected, and the intercalation start voltage is set to 2 to 3 V. Can be set in the range.

一方、電解液中の不純物である水は1.2Vが分解電圧であり、これ以上の電圧を印加すると、分解し、炭素電極内部に侵入し、電解液中から除去されることになる。これは、例えば、非多孔性炭を電極とした電気二重層キャパシタ試験用セルを構築し、一定電流で充電を開始し、インターカレーション開始電圧以下の電圧を上限として印加したときの「電流の減衰曲線」から理解できる。図7および図8は、それぞれ、印加電圧をインターカレーション開始電圧以下の電圧である2.5Vおよび1.5Vに設定し、一定電流10mA(電極の直径が20mmであるから電流密度は3.18mA/cmとなる)を流して充電したときの、電圧および電流の変化を経時的に測定した結果を示している。 On the other hand, water, which is an impurity in the electrolytic solution, has a decomposition voltage of 1.2 V. When a voltage higher than this is applied, it decomposes and enters the carbon electrode and is removed from the electrolytic solution. This is because, for example, an electric double layer capacitor test cell using non-porous charcoal as an electrode is constructed, charging is started at a constant current, and a voltage equal to or lower than the intercalation start voltage is applied as the upper limit. It can be understood from the “decay curve”. 7 and 8, respectively, the applied voltage is set to 2.5 V and 1.5 V, which are voltages equal to or lower than the intercalation start voltage, and a constant current of 10 mA (the current density is 3.5 because the electrode diameter is 20 mm). 18 shows the results of measuring changes in voltage and current over time when charged with a current of 18 mA / cm 2 .

図7および図8によれば、一定電流で充電を開始し、設定電圧に達したたとき、その電圧を保持することにより低電圧充電モード(緩和充電)となり電流は減衰するが、この電流の減衰は、漸次減衰するカーブを描いている。全ての電極内炭素組成が理想的に均一に作られていると仮定すると、これは電流を運ぶキャリヤが存在し、このようなキャリアが尽きれば電流が漸次減衰することを示している。このようなキャリアとしては、電解液中に存在する水などの不純物が相当する。そして、電極間には水の分解電圧以上の電圧が印加されているため、水が分解し、ないしは水の状態で非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)中に取り込まれることにより、電解液中の水などの不純物が消尽される結果、電流を運ぶキャリアが無くなり、電流値が減衰し、ほぼ一定の値に落ち着くことになる。なお、実際には、電極内炭素組織が理想的に均一ということはなく、電極の炭素組成は不均一な組成であることから、一部の炭素において、電位(上昇)伝搬がコンデンサ容量を介して行われることから、多段CR系回路の充電過程となり、上記と類似した電流が漸次減衰する特性が生じることになる。したがって、この電流の減衰特性のみからは断定することはできないものの、このような多段CR系回路の充電では必ず電流は0に収束することから、0収束が異常に遅いときには水分等の電気化学反応由来のものがあると判断することができる。   According to FIG. 7 and FIG. 8, when charging is started at a constant current and the set voltage is reached, the voltage is maintained to enter a low voltage charging mode (relaxation charging), and the current is attenuated. The attenuation is a curve that gradually decreases. Assuming that all the carbon composition in the electrode is ideally uniform, this indicates that there are carriers that carry current, and that when such carriers run out, the current gradually decays. Such a carrier corresponds to an impurity such as water present in the electrolytic solution. Since a voltage higher than the decomposition voltage of water is applied between the electrodes, water decomposes or is taken into a carbon electrode (polarizable electrode) using nonporous charcoal in the water state. As a result of the exhaustion of impurities such as water in the electrolyte, there are no carriers carrying current, the current value attenuates, and settles to a substantially constant value. Actually, the carbon structure in the electrode is not ideally uniform, and the carbon composition of the electrode is not uniform. Therefore, in some carbons, the potential (rising) propagation is via the capacitor capacitance. Therefore, the charging process of the multi-stage CR circuit is performed, and a characteristic in which a current similar to the above is gradually attenuated is generated. Therefore, although it cannot be determined only from this current attenuation characteristic, the current always converges to 0 when charging such a multi-stage CR circuit, so that the electrochemical reaction such as moisture occurs when 0 convergence is abnormally slow. It can be judged that there is a source.

なお、印加する電圧は、インターカレーション開始電圧よりも小さいものであるから、電解質イオンが非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)中に挿入(インターカレート)されるような現象は起こらない。   Since the applied voltage is smaller than the intercalation start voltage, a phenomenon in which electrolyte ions are inserted (intercalated) into a carbon electrode (polarizable electrode) using nonporous charcoal. Does not happen.

このようにして、電解液中の水などの不純物が選択的に除去される結果、処理された電解液は水などの不純物が極めて少なく、いわゆる水フリーのものとなる。   In this way, impurities such as water in the electrolytic solution are selectively removed. As a result, the treated electrolytic solution has very little impurities such as water and is so-called water-free.

本発明の電解液中の水分などの不純物を除去する方法は、まず前述の非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭を調製し、これを用いて炭素電極(分極性電極)を作製する。そしてこの炭素電極(分極性電極)間にインターカレーション開始電圧よりも低く、好ましくは水の分解電圧より高い電圧を印加しながら、電解液を接触させることにより達成できる。もちろん、電解液を接触させてから炭素電極間に電圧を印加しても、炭素電極間に電圧を印加した後、電解液を接触させても差し支えない。   In the method of removing impurities such as moisture in the electrolytic solution of the present invention, first, the above-mentioned nonporous charcoal or hydrogenated nonporous charcoal is prepared, and a carbon electrode (polarizable electrode) is produced using this. And it can achieve by making electrolyte solution contact, applying the voltage lower than the intercalation start voltage between this carbon electrode (polarizable electrode), preferably higher than the decomposition voltage of water. Of course, a voltage may be applied between the carbon electrodes after contacting the electrolytic solution, or a voltage may be applied between the carbon electrodes and then the electrolytic solution may be contacted.

非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭は、上述した方法、詳しくは特開2002−25867号公報や特開2002−362912号公報に記載されたようにして調製することができる。また、炭素電極(分極性電極)は、活性炭などを用いた通常の電気二重層キャパシタ用の分極性電極と同様の方法により作製することができる。例えば、シート状の電極を作製するには、非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭を粉砕し、粒度を整えた後、導電性補助剤として例えばカーボン・ブラックと、結着剤として例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを添加して混練りし、圧延伸によりシート状に成形することにより行うことができる。   Non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal can be prepared as described above, specifically as described in JP-A No. 2002-25867 and JP-A No. 2002-362912. Further, the carbon electrode (polarizable electrode) can be produced by the same method as that for a normal polarizable electrode for an electric double layer capacitor using activated carbon or the like. For example, in order to produce a sheet-like electrode, after non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal is pulverized and the particle size is adjusted, for example, carbon black as a conductive auxiliary agent and, eg, Tetrafluoroethylene (PTFE) can be added and kneaded and formed into a sheet by pressure drawing.

図9は、本発明の電解液中の水分などの不純物を除去する方法を実施するための基本的な概念図であり、図中、1は容器、2、3は非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)、4および5はそれぞれ、電解液の注入口、排出口であり、6は容器中における電解液の流れを制御するための流路制御部材を示している。例えば、容器1として簡便なアルミラミネート袋を用い、その中に炭素電極(分極性電極)2、3を設け、炭素電極間には1.2〜2.5V程度の電圧を印加する。そして、電解液注入口4からシリンジにより電解液を注入する。注入された電解液は流路制御部材6(簡便には、アルミラミネート袋を部分的にクランプするか、部分的にヒートシールすることにより達成できる)により、矢印で示すように容器内を炭素電極全域にわたって有効に接触し、排出口5から水分などの不純物が除去された電解液となって取り出されるされる。なお、水分などの不純物が除去されたか否かは、電極間に流れる電流をモニターすることに確認することができる。   FIG. 9 is a basic conceptual diagram for carrying out the method for removing impurities such as moisture in the electrolytic solution of the present invention, in which 1 is a container, 2 and 3 are non-porous charcoal or hydrogenated. Carbon electrodes (polarizable electrodes) using nonporous charcoal, 4 and 5 are an inlet and an outlet for electrolyte solution, respectively, and 6 is a flow path control member for controlling the flow of the electrolyte solution in the container. Is shown. For example, a simple aluminum laminate bag is used as the container 1, carbon electrodes (polarizable electrodes) 2 and 3 are provided therein, and a voltage of about 1.2 to 2.5 V is applied between the carbon electrodes. And electrolyte solution is inject | poured with a syringe from the electrolyte solution injection port 4. FIG. The injected electrolyte is a carbon electrode inside the container as indicated by an arrow by a flow path control member 6 (which can be achieved simply by partially clamping an aluminum laminate bag or partially heat-sealing). Effectively in contact with the entire area, it is taken out from the discharge port 5 as an electrolytic solution from which impurities such as moisture have been removed. Whether or not impurities such as moisture have been removed can be confirmed by monitoring the current flowing between the electrodes.

すなわち、電解液中の水分などの不純物を除去するための装置としては、非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)を備える容器(電解処理槽)と、電解液の送液手段とを有するものであり、送液手段としては、送液ポンプなどもあるが、コンタミネーションの少ない、ドライアルゴンガスやヘリウムガスによる加圧リザーバーを用いることが簡便で好ましい。図10に、一例としてこのようなアルゴンガスを用いた加圧リザーバーを用いて構成した装置の概略を示した。図10において、11はガス乾燥カラム、12は加圧リザーバー、13は逆止弁、14は電解処理槽、15、16は炭素電極(分極性電極)に印加するための端子を示している。アルゴンガスにより加圧リザーバー12中の電解液は、電解処理槽14に導かれ、インターカレーション開始電圧よりも低く、水の分解電圧よりも高い電圧を印加されている非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)により、電解液中の水などの不純物が除去され、いわゆる水フリーの電解液が得られる。   That is, as an apparatus for removing impurities such as moisture in the electrolytic solution, a container (electrolytic treatment tank) including a carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal, The liquid supply means includes a liquid supply pump, but it is simple and preferable to use a pressurized reservoir of dry argon gas or helium gas with little contamination. FIG. 10 shows an outline of an apparatus configured using a pressurized reservoir using such argon gas as an example. In FIG. 10, 11 is a gas drying column, 12 is a pressure reservoir, 13 is a check valve, 14 is an electrolytic treatment tank, and 15 and 16 are terminals for application to a carbon electrode (polarizable electrode). The electrolyte solution in the pressurized reservoir 12 is guided to the electrolytic treatment tank 14 by the argon gas, and is applied to a non-porous charcoal or hydrogenated to which a voltage lower than the intercalation start voltage and higher than the water decomposition voltage is applied. Impurities such as water in the electrolytic solution are removed by a carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal, and a so-called water-free electrolytic solution is obtained.

なお、上記のようにして電解液中の水などの不純物を除去するために用いた炭素電極(分極性電極)は、揮発性溶媒、例えば、アセトニトリル、イソプロパノールのような揮発性溶媒で洗浄し、乾燥することにより再生され、再使用が可能となる。洗浄、乾燥は、例えば、ソックスレー抽出機の原理に従って、アセトニトリルを沸騰させ、上部に設けた冷却コンデンサによって、液化し、中間に設けた、炭素電極(分極性電極)収納容器の上に液化滴下するようにして、常に蒸留精製したアセトニトリルが電極を洗い、電極の炭素組織内に含まれる不純物および電解質を下部容器にドレインすることにより、非揮発成分の不純物を除去することができる。しかる後、分極性電極(炭素電極)を加熱乾燥させ、さらに200〜250℃程度で真空乾燥し、化学吸着水をも取り除くことにより炭素電極(分極性電極)を再生することができる。   In addition, the carbon electrode (polarizable electrode) used for removing impurities such as water in the electrolytic solution as described above is washed with a volatile solvent, for example, a volatile solvent such as acetonitrile or isopropanol, It is regenerated by drying and can be reused. For washing and drying, for example, according to the principle of a Soxhlet extractor, acetonitrile is boiled, liquefied by a cooling capacitor provided at the top, and liquefied and dropped onto a carbon electrode (polarizable electrode) storage container provided in the middle. In this way, it is possible to remove impurities of non-volatile components by constantly washing the electrode with acetonitrile purified by distillation and draining impurities and electrolytes contained in the carbon structure of the electrode into the lower container. Thereafter, the polarizable electrode (carbon electrode) is dried by heating, further vacuum dried at about 200 to 250 ° C., and the chemically adsorbed water is removed to regenerate the carbon electrode (polarizable electrode).

本発明の電気二重層キャパシタの製造方法は、上記のようにして得られた水分などの不純物が除去された電解液を用いることを特徴とするものである。電気二重層キャパシタの製造自体は既に公知の方法が採用でき、また、製造される電気二重層キャパシタもいわゆるボタン型、積層型などいずれの型式のものであってもよい。なお、本発明で得られる水などの不純物が除去された、いわゆる水フリーの電解液は、電気二重層キャパシタに限らず、非水系の電解液を用いる電池などにも適用できることはいうまでもない。   The method for producing an electric double layer capacitor of the present invention is characterized by using the electrolytic solution obtained by removing impurities such as moisture obtained as described above. The electric double layer capacitor itself can be manufactured by a known method, and the electric double layer capacitor to be manufactured may be of any type such as a so-called button type or multilayer type. Needless to say, the so-called water-free electrolyte from which impurities such as water obtained in the present invention have been removed is not limited to an electric double layer capacitor but can be applied to a battery using a non-aqueous electrolyte. .

次に、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1
まず、特開2002−25867号公報や特開2002−362912号公報に記載された方法により、非多孔性炭(水素化非多孔性炭)を調製した。すなわち、10〜240μmに粉砕した石油コークス由来のニードルコークス( 原料炭B )を700℃、4時間、か焼した「か焼炭」を、2倍量のKOHと共に、800℃、2時間処理し、加熱水蒸気によりpH=7まで洗浄し乾燥した後、ニッケル金属触媒の存在下、700℃、4時間水素中で熱処理してニッケル触媒を除き、非多孔性炭(水素化非多孔性炭)[B704802+704H]を調製した。次いで、得られた非多孔性炭(水素化非多孔性炭)にカーボン・ブラックとPTFEとを配合(非多孔性炭:カーボンブラック:PTFE=10:1:0.5(重量比))し、混練りし、約0.2mm厚のシート状に成形してから、パンチング治具で20mmφに切り抜き、炭素電極(分極性電極)を得た。なお、この非多孔性炭(水素化非多孔性炭)の平均層間距離d002は、0.364nmであり、比表面積は、68m/gであり、緩和成分比は0.12であった。また、以下に用いた電解液におけるインターカレーション開始電圧は2.9Vであった。
Example 1
First, non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) was prepared by the method described in JP-A-2002-25867 and JP-A-2002-362912. That is, “coking charcoal” obtained by calcining needle coke (coking coal B) derived from petroleum coke pulverized to 10 to 240 μm at 700 ° C. for 4 hours is treated with double amount of KOH at 800 ° C. for 2 hours. , Washed with heated steam to pH = 7 and dried, then heat treated in hydrogen at 700 ° C. for 4 hours in the presence of a nickel metal catalyst to remove the nickel catalyst, and non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) [ B704802 + 704H] was prepared. Next, carbon black and PTFE were blended with the obtained non-porous charcoal (hydrogenated non-porous charcoal) (non-porous charcoal: carbon black: PTFE = 10: 1: 0.5 (weight ratio)). After being kneaded and formed into a sheet having a thickness of about 0.2 mm, it was cut into 20 mmφ with a punching jig to obtain a carbon electrode (polarizable electrode). The average interlayer distance d 002 of the nonporous carbon (hydrogenated nonporous carbon) is 0.364Nm, specific surface area was 68m 2 / g, relaxation component ratio was 0.12 . Moreover, the intercalation start voltage in the electrolyte solution used below was 2.9V.

次いでこの炭素電極(分極性電極)を、図11に示すように、アルミラミネート袋を用いて「R」と「Pre」の二つの電極部を形成するように、挿入し、ヒートシールして試験用セルを作製した。図11は、電解液中の水分などの不純物を除去するために用いた、試験用セルの概要を示すものであり、図中の「R」は電気二重層キャパシタとなる製品の電極である分極性電極(2′、3′)であり、「Pre」は水などの不純物をトラップするための電極、すなわち本発明の電解液中の水分などの不純物を除去するための炭素電極(分極性電極)(2、3)を示している。電極の挿入は、いずれの電極も粗面化処理したアルミ箔を集電極とし、セパレータとしてGA−55ガラス繊維を硬質紙に挟んだ「CTW−GA55−CTW」を介してラミネートポリ袋に挿入し、その後、アルミラミネート袋の外部より、強力永久磁石と鉄板とで押さえ、「電極の重ね精度」を保たせた上、アルミラミネート袋への電極挿入部を袋の外よりインパルスヒーターによってヒートシールし、密封した。   Next, this carbon electrode (polarizable electrode) was inserted and heat-sealed to form two electrode parts “R” and “Pre” using an aluminum laminate bag as shown in FIG. A cell was prepared. FIG. 11 shows an outline of a test cell used for removing impurities such as moisture in the electrolytic solution, and “R” in the figure is an electrode of a product to be an electric double layer capacitor. Polar electrode (2 ', 3'), "Pre" is an electrode for trapping impurities such as water, that is, a carbon electrode (polarizable electrode) for removing impurities such as moisture in the electrolytic solution of the present invention ) (2, 3). The electrodes are inserted into a laminated plastic bag via “CTW-GA55-CTW” in which each electrode is made of roughened aluminum foil as a collecting electrode and GA-55 glass fiber is sandwiched between hard paper as a separator. After that, hold it with a strong permanent magnet and iron plate from the outside of the aluminum laminate bag to maintain the "electrode stacking accuracy", and heat seal the electrode insertion part to the aluminum laminate bag with an impulse heater from the outside of the bag. And sealed.

次いで、電解液(EMI・BF、1.5ml)を、シリンジにて、注射針を「Pre」部のシール端より挿入して、袋の中に注入し、ヒートシールにて注入口を封じ、アルミラミネート袋内を完全な密封系とした。なお、電解液を注入後は、電解液の「ぬれ」により「電極の重ね精度」は保持されるので、永久磁石と鉄板による押さえは必要なくなる。 Next, the electrolyte (EMI • BF 4 , 1.5 ml) is injected with a syringe through the sealing end of the “Pre” part with a syringe, injected into the bag, and the injection port is sealed with heat sealing. The inside of the aluminum laminate bag was a complete sealing system. After injection of the electrolytic solution, the “electrode stacking accuracy” is maintained by “wetting” of the electrolytic solution, so that pressing with a permanent magnet and an iron plate is not necessary.

そして、上記のアルミラミネート袋を「R」部を上部に、「Pre」部が下部に位置するようにして、アルミラミネート袋内の電解液を「Pre」部に集め、「Pre」部の炭素電極間に2.0Vの電圧を印加しながら、電流がほぼ0に収斂するまで、印加し続けた。これにより、上記の電解液中に存在する水分あるいは電極作製時に不可避的に浸入した水分や、水分と電解質とが反応して生じた、含フッ素酸、あるいは電解されやすい低分子量の有機溶媒や電解質などの不純物が電解液中を泳動し、「Pre」部の炭素電極内に蓄積され、電解液中の水などの不純物が除去される。   Then, the aluminum laminate bag is placed with the “R” part at the top and the “Pre” part at the bottom, and the electrolyte solution in the aluminum laminate bag is collected in the “Pre” part. While applying a voltage of 2.0 V between the electrodes, the application was continued until the current converged to almost zero. As a result, the water present in the above electrolyte solution, the water inevitably infiltrated during electrode preparation, the fluorine-containing acid produced by the reaction between the water and the electrolyte, or a low molecular weight organic solvent or electrolyte that is easily electrolyzed Such impurities migrate in the electrolytic solution and accumulate in the carbon electrode of the “Pre” part, and impurities such as water in the electrolytic solution are removed.

しかる後、「R」部を下にして、アルミラミネート袋内の電解液を「R」部に移動させる。その後、水などの不純物が除去された電解液により、非多孔性炭を用いた電気二重層キャパシタにおいて静電容量を発生させるために初期充電(1サイクル目の充電、4.0V)を行い(この時発生するガスなどがあれば、アルミラミネート袋の上部、「Pre」部に集められる)、その後、アルミラミネートの点線中央部分をヒートシールして、「Pre」部の炭素電極の部分を取り除くことにより、「R」部の分極性電極から構成される電気二重層キャパシタが得られる。初期充電時の静電容量は52.2F/ccであった。   Thereafter, the electrolyte solution in the aluminum laminate bag is moved to the “R” portion with the “R” portion facing downward. Thereafter, an initial charge (charge in the first cycle, 4.0 V) is performed in order to generate capacitance in the electric double layer capacitor using non-porous charcoal by the electrolytic solution from which impurities such as water are removed ( If there is gas etc. generated at this time, it is collected in the upper part of the aluminum laminate bag, “Pre” part), and then the center part of the dotted line of the aluminum laminate is heat sealed to remove the carbon electrode part of the “Pre” part. Thus, an electric double layer capacitor composed of the polarizable electrode of the “R” part is obtained. The electrostatic capacity at the time of initial charge was 52.2 F / cc.

次に得られた電気二重層キャパシタについて、サイクル試験を行った。サイクル試験は、初期充電として、1サイクル目の充電は10mA(電流密度は3.18mA/cm)で、4.0Vまで行い、緩和充電時間を長くとり(約5000秒以上程度)、次に、10mAで0Vまで放電し、初期充電を完了後、10mAで、初期電圧と同じか少し低い電圧まで充電し、適当な緩和充電後(約2000〜3000秒程度)、10mAで0Vまで放電し、これを指定された回数繰り返す自動測定法により行ったもので、2〜10サイクルまでは、設定電圧を3.5Vとし、11〜500サイクルまでは、3.0Vとし、501〜1000サイクルまでは、3.5Vとした場合の結果を図12に示した。なお、静電容量は放電開始から全放電電流の50%までの値を用いて、Q=(1/2)×CVより算出し、正極および負電の乾燥時の体積あたりに換算した値である。 Next, a cycle test was performed on the obtained electric double layer capacitor. In the cycle test, as the initial charge, the charge in the first cycle is 10 mA (current density is 3.18 mA / cm 2 ) up to 4.0 V, the relaxation charge time is increased (about 5000 seconds or more), and then Discharge to 0V at 10mA, complete the initial charge, charge to 10mA at the same or slightly lower voltage than the initial voltage, and after appropriate moderate charge (about 2000 to 3000 seconds), discharge to 0V at 10mA, This is performed by an automatic measurement method that repeats the specified number of times. The set voltage is 3.5 V for 2 to 10 cycles, 3.0 V for 11 to 500 cycles, and 501 to 1000 cycles. The result in the case of 3.5V is shown in FIG. The capacitance is a value calculated from Q = (1/2) × CV 2 using values from the start of discharge to 50% of the total discharge current, and converted per volume when the positive electrode and negative electricity are dried. is there.

図12は、サイクル数に対する、静電容量の変化を示したものであるが、logスケール上でよい直線性が得られていることがわかる。従来のサイクル試験では、このような直線性は得られず、性能の劣化は多因性であり、大きく低下することが多かった。すなわち、電解液中の水分などの不純物が除かれることにより、水と電解液あるいは炭素材との反応が抑制され、性能劣化が少なく、優れたサイクル特性を示す、電気二重層キャパシタが得られることがわかる。   FIG. 12 shows the change in capacitance with respect to the number of cycles, but it can be seen that good linearity on the log scale is obtained. In the conventional cycle test, such linearity was not obtained, and the deterioration in performance was multifactorial and often decreased greatly. That is, by removing impurities such as moisture in the electrolytic solution, the reaction between water and the electrolytic solution or carbon material is suppressed, performance deterioration is small, and an electric double layer capacitor exhibiting excellent cycle characteristics is obtained. I understand.

また、本発明により、電解液中の水などの不純物の影響を排除できるため、性能劣化の本質的な部分の原因究明も可能となるものである。   In addition, according to the present invention, the influence of impurities such as water in the electrolytic solution can be excluded, so that the cause of an essential part of performance deterioration can be investigated.

本発明の電解液中の水などの不純物を除去する方法についてまとめると、次のようになる。本発明で用いる非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭は、それ自体、水を化学吸着して、COOH、CHO、OHなど(活性酸化水素)を形成するものであるから、ある程度の水を吸着する能力を有している。従って、本発明のように電圧を印加しなくてもある程度の水分除去の効果は期待できる。しかしながら、電圧を印加しない場合には、電解液中の水を完全に取り除くことはできなかった。これはイオンを含む電解液が極めて水との親和性が高いことがその理由である。ここで、電界を与えると、水は、まずクーロン力により泳動し、電極面で分解電圧以上の電圧が加わっていると、HとOHとの形で、非多孔性炭中に取り込まれることになる。 The method for removing impurities such as water in the electrolytic solution of the present invention is summarized as follows. The non-porous charcoal or hydrogenated non-porous charcoal used in the present invention itself is one that chemically adsorbs water to form COOH, CHO, OH, etc. (active hydrogen oxide). Has the ability to adsorb. Therefore, a certain degree of moisture removal effect can be expected without applying a voltage as in the present invention. However, when no voltage was applied, water in the electrolyte could not be completely removed. This is because the electrolyte containing ions has a very high affinity with water. Here, when an electric field is applied, water first migrates by Coulomb force, and when a voltage higher than the decomposition voltage is applied to the electrode surface, it is taken into the non-porous coal in the form of H + and OH −. It will be.

このようなことから、本発明は、(1)完全密封系で、使用する電解液が精製されるので、作業過程での汚染のおそれがない、(2)製品に対して、何らの付加物を持ち込むことがないため、性能低下の要因がない、(3)単純な吸着法と異なり、電場による選択性が加味されるので、精製が徹底的になされる、(4)必要な電解質は吸着されないので、無駄がない、(5)水分除去に使用した炭素電極(分極性電極)は揮発性溶剤により洗浄、乾燥することにより再生され、再使用が可能となる、などの優れた特徴を有するものである。   For this reason, the present invention has (1) a completely sealed system, and the electrolyte to be used is purified, so there is no risk of contamination during the work process. (2) Any added products to the product (3) Unlike the simple adsorption method, the selectivity by the electric field is taken into account, so the purification is done thoroughly. (4) The necessary electrolyte is adsorbed. (5) The carbon electrode (polarizable electrode) used for moisture removal is regenerated by being washed and dried with a volatile solvent and can be reused. Is.

電解液として1モル/LのEtN・BF炭酸プロピレン/アセトニトリル等容量混合溶液を用いた場合のインターカレーション開始電圧を示す図である。It is a diagram showing the intercalation start voltage in the case of using 1 mol / L of Et 4 N · BF 4 in propylene carbonate / acetonitrile volume mixture as the electrolyte. 電解液としてEMI・BFを用いて場合のインターカレーション開始電圧を示す図である。Is a diagram showing the intercalation start voltage when using EMI · BF 4 as the electrolyte. 電解液としてEMI・BFと有機溶媒とを体積比1:1で混合した電解質溶液を用いた場合のインターカレーション開始電圧を示す図であり、図中、(a)は有機溶媒が炭酸プロピレン(PC)の場合、(b)は有機溶媒がアセトニトリル(AN)の場合をそれぞれ示している。Volume ratio of the organic solvent EMI · BF 4 as an electrolytic solution 1: a diagram showing the intercalation start voltage in the case of using mixed electrolyte solution in 1, in the drawing, (a) represents the organic solvent is propylene carbonate In the case of (PC), (b) shows the case where the organic solvent is acetonitrile (AN). 非多孔性炭あるいは水素化非多孔性炭の平均層間距離d002とインターカレーション開始電圧との関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the average interlayer distance d 002 and intercalation start voltage of nonporous carbon or hydrogenated nonporous carbon. 電解液として、EtN・BFの1モル/L溶液を用いた場合の、各有機溶媒の分子容とインターカレーション開始電圧との関係を示すグラフである。As the electrolytic solution, in the case of using a 1 mol / L solution of Et 4 N · BF 4, is a graph showing the relationship between the molecular volume and intercalation start voltage of each organic solvent. 電解液として、EMI・BFを単独およびEMI・BFを等容量の有機溶媒に溶解した電解液を用いた場合の、各有機溶媒の分子容とインターカレーション開始電圧との関係を示すグラフである。Graph as an electrolytic solution, in the case of using the electrolyte prepared by dissolving alone and EMI · BF 4 and EMI · BF 4 in an organic solvent equal volume, the relationship between the molecular volume and intercalation start voltage of each organic solvent It is. 非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)に電圧2.5Vを印加したときの、電流および電圧の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of an electric current and a voltage when a voltage of 2.5V is applied to the carbon electrode (polarizable electrode) using non-porous charcoal. 非多孔性炭を用いた炭素電極(分極性電極)に電圧1.5Vを印加したときの、電流および電圧の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of an electric current and a voltage when a voltage of 1.5V is applied to the carbon electrode (polarizable electrode) using nonporous charcoal. 電解液中の水分などの不純物を除去する方法を実施するための基本的な概念図である。It is a basic conceptual diagram for implementing the method of removing impurities, such as a water | moisture content, in electrolyte solution. 電解液中の水分などの不純物を除去する方法を実施するための装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the apparatus for implementing the method of removing impurities, such as a water | moisture content, in electrolyte solution. 実施例において、電解液中の水分の除去および電気二重層キャパシタの作製に用いたアルミラミネート袋の概要を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the outline | summary of the aluminum laminated bag used for the removal of the water | moisture content in electrolyte solution, and preparation of an electrical double layer capacitor. 本発明の電気二重層キャパシタのサイクル試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the cycle test of the electric double layer capacitor of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 容器
2、3 炭素電極(分極性電極)
2′、3′ 分極性電極
4 注入口
5 排出口
6 流路制御部材
11 ガス乾燥カラム
12 加圧リザーバー
13 逆止弁
14 電解処理槽
15、16 端子
1 container 2, 3 carbon electrode (polarizable electrode)
2 ', 3' Polarized electrode 4 Inlet 5 Outlet 6 Flow path control member 11 Gas drying column 12 Pressurized reservoir 13 Check valve 14 Electrolytic treatment tanks 15 and 16 Terminals

Claims (4)

非多孔性炭を用いて作製された複数の炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、該炭素電極と電解液とを接触させることを特徴とする電解液の精製方法。 Electrolysis characterized by bringing the carbon electrode into contact with an electrolytic solution while applying a voltage lower than the intercalation start voltage of electrolyte ions between a plurality of carbon electrodes made of non-porous charcoal. Liquid purification method. 有機系電解質を用いる電気二重層キャパシタにおいて、予め非多孔性炭を用いて作製した複数の炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、電解液を接触させ、水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質を除去する方法。 In an electric double layer capacitor using an organic electrolyte, an electrolyte solution is brought into contact while applying a voltage lower than the intercalation start voltage of the electrolyte ion between a plurality of carbon electrodes previously prepared using nonporous charcoal. A method of removing a low potential reactive substance in an electrolyte mainly composed of moisture. 非多孔性炭を用いて作製された炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、該炭素電極と電解液とを接触させ、水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質が除去された電解液を得、該電解液を電気二重層キャパシタの電解液として用いることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。 While applying a voltage lower than the intercalation start voltage of the electrolyte ions between the carbon electrodes produced using non-porous charcoal, the carbon electrode and the electrolytic solution are brought into contact with each other, and the electrolytic solution mainly composed of moisture A method for producing an electric double layer capacitor, comprising: obtaining an electrolytic solution from which a low potential reactive substance is removed, and using the electrolytic solution as an electrolytic solution of the electric double layer capacitor. 分極性電極とは別に、非多孔性炭を用いて作製した複数の炭素電極を設け、該炭素電極間に、電解質イオンのインターカレーション開始電圧よりも低い電圧を印加しながら、電解液を接触させ、水分を主体とする電解液中の低電位反応性物質を除去する工程を含む、電気二重層キャパシタの製造方法。 Separately from the polarizable electrode, a plurality of carbon electrodes made of non-porous charcoal are provided, and the electrolyte solution is contacted while applying a voltage lower than the electrolyte ion intercalation starting voltage between the carbon electrodes. And a method for producing an electric double layer capacitor, comprising a step of removing a low potential reactive substance in an electrolytic solution mainly containing moisture.
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