JP2008166544A - Non-porous carbon having adjusted ignition loss and electric double-layer capacitor - Google Patents

Non-porous carbon having adjusted ignition loss and electric double-layer capacitor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation method of improving characteristics such as capacitance of an electric double-layer capacitor. <P>SOLUTION: The non-porous carbon having fine crystals similar to graphite having ignition loss of 5-18% is manufactured by a method including: a pre-baking step of baking an easily graphitized carbon at 800-1,000°C for 2-8 hours under an inert atmosphere: an alkali activation step of mixing the baked powder with alkali hydride powder of a quantity of 1-5 times by weight ratio, and baking the powder mixture at 600-900°C for 2-8 hours under an inert atmosphere; a step of cleaning the activated powder mixture to remove the alkali hydride; and a post-baking step of baking the obtained carbon powder at 200-800°C for 2-8 hours under an inert atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は黒鉛類似の微結晶を有する非多孔性炭素及び有機電解液中に分極性電極が浸されてなる電気二重層キャパシタに関する。   The present invention relates to an electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is immersed in non-porous carbon having a crystallite-like microcrystal and an organic electrolyte.

キャパシタは大電流で充電放電を繰り返すことができ、充放電頻度の高い電力蓄積用として有望である。そのため、キャパシタには、エネルギー密度、急速充放電特性、耐久性等の向上が望まれている。   Capacitors can be repeatedly charged and discharged with a large current and are promising for power storage with high charge / discharge frequency. Therefore, the capacitor is desired to improve energy density, rapid charge / discharge characteristics, durability, and the like.

特許文献1には、電気二重層キャパシタに用いる分極性電極として、非多孔性炭素が記載されている。この炭素材料は黒鉛類似の微結晶を有し、比表面積は300m2/g以下であり比較的小さい。非多孔性炭素を含む電極は電圧を印加すると黒鉛類似の微結晶の層間に電解質イオンが溶媒を伴いながら挿入されることにより、電気二重層を形成すると考えられている。 Patent Document 1 describes nonporous carbon as a polarizable electrode used in an electric double layer capacitor. This carbon material has graphite-like microcrystals and a specific surface area of 300 m 2 / g or less, which is relatively small. It is considered that an electrode containing non-porous carbon forms an electric double layer by inserting an electrolyte ion between fine graphite-like microcrystal layers with a solvent when a voltage is applied.

特許文献2には、ニードルコークスや不融化処理したピッチを原料として分極性電極を製造することが記載されている。ニードルコークスとは針状結晶のよく発達した、黒鉛化性のよいか焼コークスをいう。ニードルコークスは高い電気伝導性と極めて低い熱膨張係数を有し、また黒鉛結晶構造に基づく高い異方性を有している。ニードルコークスは、一般に特殊処理したコールタールピッチ又は石油系重質油を原料とし、ディレードコーキング方式で製造される。   Patent Document 2 describes that a polarizable electrode is produced using needle coke or infusibilized pitch as a raw material. Needle coke refers to calcined coke with well-developed acicular crystals and good graphitization. Needle coke has high electrical conductivity, a very low coefficient of thermal expansion, and high anisotropy based on the graphite crystal structure. Needle coke is generally produced by a delayed coking method using a specially treated coal tar pitch or petroleum heavy oil as a raw material.

特許文献3には、有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタが記載されている。有機電解液はイオン伝導性を示す必要があり、溶質はカチオンとアニオンとが結合した塩である。カチオンとしてはテトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、及びトリエチルメチルアンモニウムのような低級脂肪族4級アンモニウム、テトラエチルホスホニウムのような低級脂肪族4級ホスホニウム、及びイミダゾリウム誘導体等が記載されている。アニオンとしては4フッ化ホウ酸及び6フッ化リン酸等が記載されている。有機電解液の溶媒は極性非プロトン性有機溶媒である。具体的にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン及びスルホラン等が記載されている。   Patent Document 3 describes an electric double layer capacitor in which an electrode containing nonporous carbon is immersed in an organic electrolyte. The organic electrolyte must exhibit ionic conductivity, and the solute is a salt in which a cation and an anion are combined. Examples of the cation include lower aliphatic quaternary ammonium such as tetraethylammonium, tetrabutylammonium, and triethylmethylammonium, lower aliphatic quaternary phosphonium such as tetraethylphosphonium, and imidazolium derivatives. As anions, tetrafluoroboric acid and hexafluorophosphoric acid are described. The solvent of the organic electrolyte is a polar aprotic organic solvent. Specifically, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane and the like are described.

有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタは、電極活物質として活性炭を用いた電気二重層キャパシタと比較すると、異質な充放電特性を示す。その充放電特性は、例えば、非特許文献1第77〜81頁に説明されている。図1はこの種の電気二重層キャパシタに対し、定電流充電及び放電を繰り返した場合に電圧が経時的に変化する挙動の例を示したグラフである(非特許文献1第80頁図3−15から引用)。   An electric double layer capacitor obtained by immersing an electrode containing non-porous carbon in an organic electrolyte exhibits different charge / discharge characteristics as compared with an electric double layer capacitor using activated carbon as an electrode active material. The charge / discharge characteristics are described in Non-Patent Document 1, pages 77 to 81, for example. FIG. 1 is a graph showing an example of a behavior in which the voltage changes with time when constant current charging and discharging are repeated for this type of electric double layer capacitor (Non-Patent Document 1, page 80, FIG. 3- (Quoted from 15).

図1の充放電曲線では、0Vから出発している初回の定電流充電時、電圧が短時間のうちに立ち上がり、約2.2Vから急激に電圧上昇が緩慢になっている。換言すると、その傾き(dV/dt)は、約2.2Vより前は実質的に一定であり、約2.2Vで急激に減少し、そして約2.2Vより後は再び実質的に一定になっている。   In the charge / discharge curve of FIG. 1, the voltage rises within a short time during the first constant current charge starting from 0 V, and the voltage rise suddenly slows from about 2.2 V. In other words, the slope (dV / dt) is substantially constant before about 2.2V, decreases sharply at about 2.2V, and becomes substantially constant again after about 2.2V. It has become.

定電流充電曲線において、静電容量は曲線の傾きに対応する。高い傾きの値は低い静電容量を意味し、低い傾きの値は高い静電容量を意味する。そうすると、図1の初回の定電流充電曲線は、充電初期には静電容量が小さく、実質上約2.2Vから静電容量が発現することを示している。   In the constant current charging curve, the capacitance corresponds to the slope of the curve. A high slope value means a low capacitance, and a low slope value means a high capacitance. Then, the first constant current charging curve in FIG. 1 shows that the electrostatic capacity is small at the initial stage of charging, and the electrostatic capacity is substantially developed from about 2.2V.

他方、2回目以降の充電では電圧は単調に増加し、従来の活性炭電極同様充電初期から一定の静電容量が得られている。つまり、この種の電気二重層キャパシタは一度電圧を経験すると静電容量が増え、大容量が得られるのである。   On the other hand, in the second and subsequent charging, the voltage increases monotonously, and a certain capacitance is obtained from the beginning of charging as in the case of the conventional activated carbon electrode. In other words, once this type of electric double layer capacitor experiences a voltage, the capacitance increases and a large capacitance can be obtained.

しかしながら、電気自動車、電池、発電装置等の補助電源として実用に供するために、電気二重層キャパシタには静電容量などの特性を更に向上させることが望まれている。   However, in order to put it into practical use as an auxiliary power source for electric vehicles, batteries, power generators, etc., it is desired that electric double layer capacitors further improve characteristics such as capacitance.

特開2005−286178JP 2005-286178 A 特開2002−25867JP2002-25867 特開2000−77273JP 2000-77273 A 岡村廸夫「電気二重層キャパシタと蓄電システム」第3版、日刊工業新聞社、2005年Ikuo Okamura "Electric Double Layer Capacitor and Power Storage System" 3rd Edition, Nikkan Kogyo Shimbun, 2005

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、その目的とするところは、非多孔性炭素を含む分極性電極が有機電解液に浸漬されてなる電気二重層キャパシタの静電容量などの特性を向上させることにある。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and its object is to provide characteristics such as capacitance of an electric double layer capacitor in which a polarizable electrode containing non-porous carbon is immersed in an organic electrolyte. Is to improve.

本発明は、易黒鉛化炭素を、不活性雰囲気下800〜1000℃で2〜8時間焼成する前焼成工程;
焼成した粉末を、重量比で1〜5倍量の水酸化アルカリ粉末と混合し、粉末混合物を、不活性雰囲気下600〜900℃で2〜8時間焼成するアルカリ賦活工程;
賦活した粉末混合物を洗浄して水酸化アルカリを除去する工程;及び
得られた炭素粉末を、不活性雰囲気下200〜800℃で2〜8時間焼成する後焼成工程;
を包含する方法によって製造され、強熱減量が5〜18%である黒鉛類似の微結晶を有する非多孔性炭素を提供する。
The present invention is a pre-firing step of calcining graphitizable carbon at 800 to 1000 ° C. for 2 to 8 hours in an inert atmosphere;
An alkali activation step in which the calcined powder is mixed with 1 to 5 times the weight of the alkali hydroxide powder and the powder mixture is calcined at 600 to 900 ° C. for 2 to 8 hours in an inert atmosphere;
A step of washing the activated powder mixture to remove alkali hydroxide; and a post-baking step of baking the obtained carbon powder at 200 to 800 ° C. for 2 to 8 hours in an inert atmosphere;
And non-porous carbon having graphite-like microcrystals with a loss on ignition of 5 to 18%.

本発明は、この方法で得られる黒鉛類似の微結晶を有する非多孔性炭素を含む分極性電極を提供する。   The present invention provides a polarizable electrode comprising non-porous carbon having graphite-like microcrystals obtained by this method.

更に、本発明は、この分極性電極が有機電解液に浸漬されてなる電気二重層キャパシタを提供する。   Furthermore, the present invention provides an electric double layer capacitor in which this polarizable electrode is immersed in an organic electrolyte.

本発明の非多孔性炭素は静電容量発現電圧が低い。そのため、イオンサイズが比較的大きい電解質を用いた場合でも、イオンサイズが比較的小さい電解質を用いた場合と同様に、電解賦活によって容量を発現させることができる。また、この非多孔性炭素を用いる電気二重層キャパシタは静電容量が増大し、耐久性や耐電圧性が向上している。   The non-porous carbon of the present invention has a low electrostatic capacity expression voltage. Therefore, even when an electrolyte having a relatively large ion size is used, the capacity can be expressed by electrolytic activation as in the case of using an electrolyte having a relatively small ion size. In addition, the electric double layer capacitor using non-porous carbon has an increased capacitance, and has improved durability and voltage resistance.

本明細書中、「静電容量発現電圧」とは初回の定電流充電時に静電容量が発現する電圧いい、記号「Ve」で表す。Veは非多孔性炭素の容量発現性に関与する重要な特性値である。   In the present specification, the “capacitance expression voltage” refers to a voltage at which an electrostatic capacity develops during the first constant current charge, and is represented by the symbol “Ve”. Ve is an important characteristic value related to the capacity development of non-porous carbon.

静電容量の発現は、初回の定電流充電曲線において、0Vから立ち上がる初期電圧に重なる想像直線から充電曲線が離脱を開始する点として示される。しかしながら、定電流充電曲線の形状によっては、その点を明確に読み取り難い場合もある。   The expression of the electrostatic capacity is shown as the point at which the charging curve starts to depart from the imaginary line that overlaps the initial voltage rising from 0 V in the initial constant current charging curve. However, depending on the shape of the constant current charging curve, it may be difficult to clearly read that point.

そのような場合は、予め定めた充電条件の下で電気二重層キャパシタの定電流定電圧(CCCV)充電を行いながら電圧変化を経時的に記録し、得られた充電曲線の電圧上昇過程で曲率が最大になった場合に、静電容量が発現したこととしてもよい。つまり、CCCV充電曲線が立ち上がっている充電初期に、曲率が最大である点の電圧を静電容量発現電圧(Ve)とみてもよい。予め定めた充電条件は、実施例で行われているような、1mA/cmの充電電流などである。充電初期とは、例えば、充電開始後10000秒まで、好ましくは5000秒まで、より好ましくは3000秒まで、更に好ましくは2000秒までである。Veはあらかじめ予備測定を行い決定してよい。 In such a case, the voltage change is recorded over time while charging the constant current constant voltage (CCCV) of the electric double layer capacitor under a predetermined charging condition, and the curvature is increased in the process of increasing the voltage of the obtained charging curve. It is good also as that the electrostatic capacitance was expressed when became maximum. That is, at the initial stage of charging when the CCCV charging curve is rising, the voltage at the point where the curvature is maximum may be regarded as the electrostatic capacity expression voltage (Ve). The predetermined charging condition is a charging current of 1 mA / cm 2 as in the embodiment. The initial charging period is, for example, up to 10,000 seconds after starting charging, preferably up to 5000 seconds, more preferably up to 3000 seconds, and further preferably up to 2000 seconds. Ve may be determined by performing preliminary measurement in advance.

本発明において、非多孔性炭素を含む電極という文言は、非多孔性炭素を電極活物質(有効成分)として用いて成形された分極性電極を意味する。好ましい非多孔性炭素は、炭素原料を不活性雰囲気下熱処理し、水酸化アルカリ粉末および/またはアルカリ金属の存在下で更に熱処理して得られる炭素粉末である。炭素原料としては、一般にソフトカーボンと呼ばれている易黒鉛化炭素を用いることができる。易黒鉛化炭素は、加熱して黒鉛化する炭素であればよい。例えば、コークスグリーンパウダー、メソフェーズカーボン、及び不融化した塩化ビニル等は易黒鉛化炭素に該当する。   In the present invention, the term “electrode including nonporous carbon” means a polarizable electrode formed using nonporous carbon as an electrode active material (active ingredient). Preferred non-porous carbon is carbon powder obtained by heat-treating a carbon raw material in an inert atmosphere and further heat-treating in the presence of an alkali hydroxide powder and / or an alkali metal. As the carbon raw material, graphitizable carbon generally called soft carbon can be used. The graphitizable carbon may be carbon that is graphitized by heating. For example, coke green powder, mesophase carbon, infusible vinyl chloride and the like correspond to graphitizable carbon.

例えば、石炭の軟ピッチからキノリン不溶分を除去し、精製された原料を用いて炭素化したグラファイト前駆体を炭素原料として使用してよい。理由は明確でないが、かかるグラファイト前駆体には、窒素、硫黄などの微量元素が含まれており、元素組成が適当であると考えられる。   For example, a graphite precursor obtained by removing quinoline insolubles from a soft pitch of coal and carbonizing using a refined raw material may be used as the carbon raw material. Although the reason is not clear, such a graphite precursor contains trace elements such as nitrogen and sulfur, and is considered to have an appropriate elemental composition.

本発明の非多孔性炭素の製造にあたって、例えば、まず、上記易黒鉛化炭素を準備する。易黒鉛化炭素の中心粒子径は10〜5000μm、好ましくは10〜100μmである。また、分極性電極中の灰分は表面官能基の生成に影響し、その低減化が重要である。本発明で用いる易黒鉛化炭素は固定炭素が70〜98%、灰分が0.05〜2%。好ましくは、固定炭素が80〜95%、灰分が1%以下という特性を有しているものである。   In producing the non-porous carbon of the present invention, for example, the graphitizable carbon is first prepared. The center particle diameter of graphitizable carbon is 10 to 5000 μm, preferably 10 to 100 μm. Further, the ash content in the polarizable electrode affects the generation of surface functional groups, and it is important to reduce it. The graphitizable carbon used in the present invention is 70 to 98% fixed carbon and 0.05 to 2% ash. Preferably, it has the characteristics that fixed carbon is 80 to 95% and ash content is 1% or less.

粉末状の易黒鉛化炭素を、まず、不活性雰囲気下、例えば窒素やアルゴンの雰囲気下で2〜8時間焼成する。この焼成工程を前焼成工程とよぶ。前焼成の温度は、炉内温度が800〜1000℃になるように調節する。このときに易黒鉛化炭素に印加される温度及び熱により、本発明特有の炭素組織の結晶構造が形成されると考えられる。前焼成温度が800℃未満であるとアルカリ賦活が過度に進行し、1000℃を越えるとアルカリ賦活の進行が不十分になる。好ましい前焼成温度は840℃〜960℃、より好ましくは900〜950℃である。   The powdery graphitizable carbon is first fired in an inert atmosphere, for example, in an atmosphere of nitrogen or argon for 2 to 8 hours. This firing process is called a pre-baking process. The pre-baking temperature is adjusted so that the furnace temperature is 800 to 1000 ° C. At this time, it is considered that the crystal structure of the carbon structure peculiar to the present invention is formed by the temperature and heat applied to the graphitizable carbon. When the pre-baking temperature is less than 800 ° C., the alkali activation proceeds excessively, and when it exceeds 1000 ° C., the alkali activation proceeds insufficiently. A preferable pre-baking temperature is 840 ° C to 960 ° C, more preferably 900 to 950 ° C.

焼成時間は本質的には反応には関係が無いが、おおむね2時間未満であると反応系全体に熱が伝わらず、均一な非多孔性炭素が形成されない。また8時間を越えても意味を持たない。   The firing time is essentially irrelevant to the reaction, but if it is generally less than 2 hours, heat is not transferred to the entire reaction system, and uniform nonporous carbon is not formed. It doesn't make sense to exceed 8 hours.

前焼成した炭素粉末は、重量比で、1〜5倍、好ましくは1.8〜2.2倍、より好ましくは1.5〜2.0倍程度の水酸化アルカリと混合する。そして粉末混合物を不活性雰囲気下600〜900℃で2〜8時間焼成する。この工程はアルカリ賦活と呼ばれ、アルカリ金属原子の蒸気が炭素組織に浸透して炭素の結晶構造を緩める効果があると考えられている。好ましいアルカリ賦活温度は、700〜800℃、より好ましくは720℃から780℃である。   The pre-fired carbon powder is mixed with an alkali hydroxide having a weight ratio of 1 to 5 times, preferably 1.8 to 2.2 times, more preferably about 1.5 to 2.0 times. The powder mixture is then fired at 600 to 900 ° C. for 2 to 8 hours under an inert atmosphere. This process is called alkali activation, and it is considered that the alkali metal vapor penetrates the carbon structure and has the effect of loosening the crystal structure of carbon. A preferable alkali activation temperature is 700 to 800 ° C, more preferably 720 to 780 ° C.

水酸化アルカリの量が1倍未満であったり、焼成温度が600℃未満であると、十分に賦活が進まず、初回充電時に容量が発現しない。水酸化アルカリの量が5倍を越えたり、焼成温度が900℃を越えると、賦活が進行しすぎて、表面積が増大する傾向になり、通常の活性炭と同様の表面状態となるために、炭素比重が小さくなりエネルギー密度が低下する。水酸化アルカリはKOH、CsOH、RbOH等を用いてよいが、賦活効果に優れ、安価であることから、KOHが好ましい。   When the amount of the alkali hydroxide is less than 1 time or the firing temperature is less than 600 ° C., the activation does not proceed sufficiently, and the capacity does not appear at the first charge. If the amount of the alkali hydroxide exceeds 5 times or the firing temperature exceeds 900 ° C., the activation proceeds too much and the surface area tends to increase. The specific gravity decreases and the energy density decreases. As the alkali hydroxide, KOH, CsOH, RbOH or the like may be used, but KOH is preferable because of its excellent activation effect and low cost.

十分に材料が加温されれば、焼成時間は本質的に関係ないが、焼成時間が2時間未満であると、材料に熱が十分にまわらず、部分的に賦活されない部位が出現する。8時間を越えて焼成しても意味がない。   If the material is sufficiently warmed, the firing time is essentially unrelated, but if the firing time is less than 2 hours, the material does not have sufficient heat and a part that is not partially activated appears. There is no point in firing for more than 8 hours.

次いで、得られた粉末混合物を洗浄して水酸化アルカリを除去する。洗浄は、例えば上記アルカリ処理後の炭素から粒子を回収し、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、乾燥して炭素粉末を得る。   The resulting powder mixture is then washed to remove the alkali hydroxide. In the washing, for example, particles are collected from the carbon after the alkali treatment, filled in a stainless steel column, 120 ° C. to 150 ° C., 10 to 100 kgf, preferably 10 to 50 kgf of pressurized water vapor is introduced into the column, This can be done by continuing to introduce pressurized steam until the pH is 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 carbon powder.

得られた炭素粉末を不活性雰囲気下で2〜8時間焼成する。この焼成工程を後焼成工程とよぶ。後焼成の温度は、炉内温度が200〜800℃になるように調節する。後焼成を行うと炭素表面の官能基が除去されて電気二重層キャパシタの耐電圧が向上する。好ましい後焼成温度は、250〜600℃、より好ましくは300〜500℃である。   The obtained carbon powder is fired for 2 to 8 hours under an inert atmosphere. This firing process is called a post-baking process. The post-baking temperature is adjusted so that the furnace temperature is 200 to 800 ° C. When post-baking is performed, the functional group on the carbon surface is removed, and the withstand voltage of the electric double layer capacitor is improved. A preferable post-baking temperature is 250 to 600 ° C, more preferably 300 to 500 ° C.

焼成時間は本質的には反応には関係が無いが、おおむね2時間未満であると反応系全体に熱が伝わらず、均一な非多孔性炭素が形成されない。また8時間を越えても意味を持たない。   The firing time is essentially irrelevant to the reaction, but if it is generally less than 2 hours, heat is not transferred to the entire reaction system, and uniform nonporous carbon is not formed. It doesn't make sense to exceed 8 hours.

以上の工程を経て得られた炭素粉末は、比表面積が300m/g以下のものであり、各種電解質イオン、溶媒、COガスなどを取り込める程度の細孔が少ない、いわゆる「非多孔性炭素」に分類される。なお、比表面積は、吸着剤としてCOを用いたBET法により決定することができる。 The carbon powder obtained through the above steps has a specific surface area of 300 m 2 / g or less, and has a small number of pores that can take in various electrolyte ions, solvents, CO 2 gas, etc., so-called “non-porous carbon” "are categorized. The specific surface area can be determined by a BET method using CO 2 as an adsorbent.

また、この非多孔性炭素粉末は、強熱減量が低くなっている。強熱減量とは、非多孔性炭素粉末を所定の条件で強熱した場合に、強熱前と比較して減少した質量をいう。強熱減量は非多孔性炭素粉末中に残存する揮発性成分の量を示している。かかる揮発性成分としては、アルカリ賦活の際に炭素組織に浸透したアルカリ金属原子などが考えられる。   Moreover, this non-porous carbon powder has a low ignition loss. The loss on ignition refers to the mass reduced when the non-porous carbon powder is ignited under predetermined conditions as compared to before ignition. The loss on ignition indicates the amount of volatile components remaining in the non-porous carbon powder. As such a volatile component, an alkali metal atom that has penetrated into the carbon structure during alkali activation can be considered.

強熱の条件は、例えば、高純度窒素ガスを流した雰囲気中で、試料を、5℃/分の速度で昇温しながら300℃から800度まで加熱することが適当である。この場合、炭素粉末の強熱減量は20%以下、好ましくは3〜19%、より好ましくは5〜18%である。強熱減量がこれらの範囲外であると電気二重層キャパシタの耐久性や耐電圧性の向上が不十分になる。   For example, it is appropriate to heat the sample from 300 ° C. to 800 ° C. while raising the temperature at a rate of 5 ° C./min in an atmosphere in which high-purity nitrogen gas is passed. In this case, the loss on ignition of the carbon powder is 20% or less, preferably 3 to 19%, more preferably 5 to 18%. If the ignition loss is outside these ranges, the durability and voltage resistance of the electric double layer capacitor will not be improved.

非多孔性炭素の強熱減量は、前焼成温度又は後焼成温度のいずれか、好ましくは前焼成温度、又は前焼成温度及び後焼成温度を共に、適宜調節して、調節することができる。理由は明確でないが、前焼成温度が低いと炭素組織の結晶構造は粗くなり、高いと結晶構造が密になることから、炭素組織に浸透し、その後除去される揮発性成分の量が増減されるのではないかと考えられる。   The ignition loss of non-porous carbon can be adjusted by appropriately adjusting either the pre-calcining temperature or the post-calcining temperature, preferably the pre-calcining temperature, or both the pre-calcining temperature and the post-calcining temperature. The reason is not clear, but if the pre-baking temperature is low, the crystal structure of the carbon structure becomes coarse, and if it is high, the crystal structure becomes dense, so that the amount of volatile components that penetrate into the carbon structure and are subsequently removed is increased or decreased. It is thought that it is.

分極性電極は従来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、上記の方法で得られた非多孔性炭素を5〜100μm程度に粉砕し粒度を整える。その後、炭素粉末に導電性を付与するための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。   A polarizable electrode can be produced by a method similar to the conventional one. For example, in order to produce a sheet-like electrode, the nonporous carbon obtained by the above method is pulverized to about 5 to 100 μm to adjust the particle size. Thereafter, for example, carbon black as a conductive auxiliary agent for imparting conductivity to the carbon powder and, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are added and kneaded, and formed into a sheet by pressure drawing. Mold.

導電性補助剤としては、カーボン・ブラックの他、粉末グラファイトなどを用いることができ、また、結着剤としては、PTFEの他、PVDF、PE、PPなどを使用することができる。この際、非多孔性炭素と導電性補助剤(カーボン・ブラック)と結着剤(PTFE)との配合比は、一般に、10〜1:0.5〜10:0.5〜0.25程度である。   In addition to carbon black, powdered graphite and the like can be used as the conductive auxiliary agent, and as the binder, PVDF, PE, PP and the like can be used in addition to PTFE. At this time, the blending ratio of non-porous carbon, conductive auxiliary agent (carbon black), and binder (PTFE) is generally about 10 to 1: 0.5 to 10: 0.5 to 0.25. It is.

作製した電気二重層キャパシタ用分極性電極は、従来から知られている構造の電気二重層キャパシタに使用することができる。電気二重層キャパシタの構造は、例えば、特許文献1の図1、特許文献2の図6、特許文献3の図1〜図4等に示されている。一般に、このような電気二重層キャパシタは、シート状の炭素電極を、セパレータを介して重ね合わせることにより正極と負極とを形成した後、電解液を含浸させて組み立てることができる。   The produced polarizable electrode for an electric double layer capacitor can be used for an electric double layer capacitor having a conventionally known structure. The structure of the electric double layer capacitor is shown, for example, in FIG. 1 of Patent Document 1, FIG. 6 of Patent Document 2, FIGS. 1 to 4 of Patent Document 3, and the like. In general, such an electric double layer capacitor can be assembled by impregnating an electrolytic solution after forming a positive electrode and a negative electrode by superposing sheet-like carbon electrodes via a separator.

電解液は、電解質を溶質として用いて有機溶媒に溶解して得られる、いわゆる有機電解液を使用することができる。電解質としては、特許文献3に記載されているような、低級脂肪族4級アンモニウム、低級脂肪族4級ホスホニウム又はイミダゾリニウム誘導体と4フッ化ホウ酸又は6フッ化リン酸との塩等、当業者に通常使用されるものが使用できる。   As the electrolytic solution, a so-called organic electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte as an solute in an organic solvent can be used. Examples of the electrolyte include salts of lower aliphatic quaternary ammonium, lower aliphatic quaternary phosphonium or imidazolinium derivatives and tetrafluoroboric acid or hexafluorophosphoric acid, as described in Patent Document 3. Those commonly used by those skilled in the art can be used.

好ましい電解質はピロリジニウム化合物塩である。好ましいピロリジニウム化合物塩は、式   A preferred electrolyte is a pyrrolidinium compound salt. Preferred pyrrolidinium compound salts have the formula

Figure 2008166544
Figure 2008166544

[式中、Rはそれぞれ独立してアルキル基、又は一緒に連結したアルキレン基であり、X-は対アニオンである。]
で示す構造を有する。ピロリジニウム化合物塩は公知であり、当業者に知られた方法で合成されたものであればよい。
[Wherein, each R is independently an alkyl group or an alkylene group linked together, and X is a counter anion. ]
It has the structure shown by. The pyrrolidinium compound salt is known and may be synthesized by a method known to those skilled in the art.

ピロリジニウム化合物塩の陽イオンにつき好ましいものは、上記式中、Rがそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基、又は一緒に連結した炭素数3〜8のアルキレン基であるものである。より好ましいものは、Rが一緒に連結した炭素数4〜5のアルキレン基であるものである。さらに好ましいものは、Rが一緒に連結したブチレン基であるものである。このような陽イオンはスピロビピロリジニウム(SBP)と呼ばれる。   What is preferable about the cation of a pyrrolidinium compound salt is a thing whose R is each independently a C1-C10 alkyl group or a C3-C8 alkylene group connected together in the said formula. More preferred are those wherein R is an alkylene group having 4 to 5 carbon atoms linked together. Further preferred are those in which R is a butylene group linked together. Such a cation is called spirobipyrrolidinium (SBP).

ピロリジニウム化合物、特にスピロビピロリジニウムは分子構造が一見して複雑であり、イオン径は大きいように思われる。しかしながら、この化合物を有機電解液の電解質イオンとして使用すると、負極側の非多孔性炭素を含む電極の膨張を抑制する効果が特に大きく、電気二重層キャパシタのエネルギー密度が大きく向上する。理論的に限定することを意図するものではないが、スピロ環構造によって電子雲の広がりが抑制されるため、ピロリジニウム化合物やスピロビピロリジニウムは実効イオン径が小さいと考えられる。   Pyrrolidinium compounds, especially spirobipyrrolidinium, have a seemingly complex molecular structure and appear to have a large ionic diameter. However, when this compound is used as the electrolyte ion of the organic electrolyte, the effect of suppressing the expansion of the electrode containing nonporous carbon on the negative electrode side is particularly great, and the energy density of the electric double layer capacitor is greatly improved. Although not intended to be limited theoretically, it is thought that the effective ion diameter of pyrrolidinium compounds and spirobipyrrolidinium is small because the spread of the electron cloud is suppressed by the spiro ring structure.

対アニオンX-は従来から有機電解液の電解質イオンとして使用されているものであればよい。例えば、4フッ化ホウ酸アニオン、フッ化ホウ酸アニオン、フッ化リン酸アニオン、6フッ化リン酸アニオン、過塩素酸アニオン、ボロジサリチル酸アニオン、ボロジシュウ酸アニオン、が挙げられる。好ましい対アニオンは4フッ化ホウ酸アニオン及び6フッ化リン酸アニオンである。これらは低分子量で構造が単純であり、正極側の非多孔性炭素を含む電極の膨張が抑制されるからである。 The counter anion X may be any one that has been conventionally used as an electrolyte ion of an organic electrolyte. For example, a tetrafluoroborate anion, a fluoroborate anion, a fluorophosphate anion, a hexafluorophosphate anion, a perchlorate anion, a borodisalicylate anion, and a borodisoxalate anion. Preferred counter anions are tetrafluoroborate anion and hexafluorophosphate anion. This is because these have a low molecular weight and a simple structure, and the expansion of the electrode containing nonporous carbon on the positive electrode side is suppressed.

電解質を溶質として用いて有機溶媒に溶解することにより、電気二重層キャパシタ用有機電解液が得られる。有機電解液中の電解質の濃度は0.8から3.5モル%、好ましくは1.0から2.5モル%に調節される。電解質の濃度が0.8モル%未満であると、含有されるイオンの数が不足し、十分な容量が出ない。また、2.5モル%を越えても、容量に寄与しないので意味が無い。   By dissolving the electrolyte in the organic solvent using the electrolyte as a solute, an organic electrolytic solution for an electric double layer capacitor can be obtained. The concentration of the electrolyte in the organic electrolyte is adjusted to 0.8 to 3.5 mol%, preferably 1.0 to 2.5 mol%. When the concentration of the electrolyte is less than 0.8 mol%, the number of ions contained is insufficient and sufficient capacity cannot be obtained. Moreover, even if it exceeds 2.5 mol%, it does not contribute to the capacity and is meaningless.

電解質は単独で用いてよく、複数種類を混合してもよい。従来から有機電解液に使用されている電解質を併用してもよい。但し、溶質中の電解質の割合は全溶質重量の50重量%以上、好ましくは75重量%以上とする。電解質のうち、例えば、ピロリジニウム化合物塩と併用するのに好ましい電解質には、トリエチルメチルアンモニウム塩、テトラエチルアンモニウム塩等が挙げられる。   The electrolyte may be used alone or a plurality of types may be mixed. You may use together the electrolyte conventionally used for the organic electrolyte solution. However, the ratio of the electrolyte in the solute is 50% by weight or more, preferably 75% by weight or more of the total solute weight. Among electrolytes, for example, preferable electrolytes for use in combination with pyrrolidinium compound salts include triethylmethylammonium salts and tetraethylammonium salts.

有機溶媒は従来から有機系の電気二重層キャパシタに使用されてきたものを使用してよい。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)及びスルホラン(SL)等は電解質の溶解能に優れ、安全性も高いため好ましい。また、これらを主溶媒とし、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)の少なくとも1種を副溶媒としたものも有用である。電気二重層キャパシタの低温特性が改善されるためである。また、有機溶媒としてアセトニトリル(AC)を使用すると電解液の導電率が高まるため特性上好ましいが、用途が限定される場合がある。   As the organic solvent, those conventionally used for organic electric double layer capacitors may be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), sulfolane (SL), and the like are preferable because of their excellent electrolyte solubility and high safety. Also useful are those containing these as a main solvent and at least one of dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) as a sub-solvent. This is because the low temperature characteristics of the electric double layer capacitor are improved. Further, when acetonitrile (AC) is used as the organic solvent, the conductivity of the electrolytic solution is increased, which is preferable in terms of characteristics. However, the use may be limited.

本発明の電気二重層キャパシタは、電界賦活の定電流充電過程で、電圧変化曲線が従来のものとは異なっている。「電界賦活」とは、有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタの最初の充電処理、即ち、分極性電極に対し、最初に電圧を経験させる過程をいう。最初の充電処理が、静電容量を発現させる賦活の役割を果たしていると考えてこのように表現したものである。   The electric double layer capacitor of the present invention has a voltage change curve different from the conventional one in the constant current charging process of electric field activation. “Electric field activation” refers to an initial charging process of an electric double layer capacitor formed by immersing an electrode containing non-porous carbon in an organic electrolyte, that is, a process in which a voltage is first experienced by a polarizable electrode. . It is expressed in this way on the assumption that the first charging process plays the role of activating the electrostatic capacity.

図2は有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタに対し、定電流充電を、初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。このとき、充電電流は1mA/cm、電圧の終点は定格電圧(この場合は3.5V)以上の電圧(3.7V)である。曲線bは本発明の電気二重層キャパシタの電圧変化を示しており、曲線a及びcは従来の電気二重層キャパシタの電圧変化を示している。 FIG. 2 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when an electric double layer capacitor formed by immersing an electrode containing nonporous carbon in an organic electrolyte is subjected to constant current charging for the first time. It is. At this time, the charging current is 1 mA / cm 2 and the end point of the voltage is a voltage (3.7 V) equal to or higher than the rated voltage (3.5 V in this case). Curve b shows the voltage change of the electric double layer capacitor of the present invention, and curves a and c show the voltage change of the conventional electric double layer capacitor.

曲線bでは、電圧上昇が緩慢になり始める静電容量発現電圧が曲線cよりも低い。また、曲線bでは、静電容量の発現を示す屈曲が曲線aよりもシャープである。曲線bのように、静電容量発現電圧が比較的低く、静電容量の発現を示す屈曲がシャープである場合には、容量に寄与する均一な細孔が形成され、主に深さ方向に対する充分な電界賦活が進み、その電気二重層キャパシタの静電容量は大きくなる。また、その電気二重層キャパシタの耐久性も向上する。   In the curve b, the electrostatic capacity expression voltage at which the voltage increase starts to become slow is lower than that in the curve c. Moreover, in the curve b, the bending which shows the expression of an electrostatic capacitance is sharper than the curve a. As shown by the curve b, when the electrostatic capacity expression voltage is relatively low and the bending indicating the expression of the electrostatic capacity is sharp, uniform pores that contribute to the capacity are formed, mainly in the depth direction. Sufficient electric field activation proceeds, and the capacitance of the electric double layer capacitor increases. Further, the durability of the electric double layer capacitor is also improved.

具体的には、1mA/cmにおける定電流充電を、初回に3.7Vまで行った場合に、静電容量発現電圧は3.3V以下、3.2V以下、3.2V未満、好ましくは1.5乃至3.2V未満、1.5〜3.1V、2.0〜3.0V、2.4〜3.0V、2.2〜2.9V、2.4〜2.9Vである。静電容量発現電圧が3.3Vを越えると電解液の劣化が伴い、電気二重層キャパシタの静電容量や耐久性は十分向上しない。 Specifically, when constant current charging at 1 mA / cm 2 is performed up to 3.7 V for the first time, the electrostatic capacity expression voltage is 3.3 V or less, 3.2 V or less, less than 3.2 V, preferably 1 0.5 to less than 3.2 V, 1.5 to 3.1 V, 2.0 to 3.0 V, 2.4 to 3.0 V, 2.2 to 2.9 V, and 2.4 to 2.9 V. When the electrostatic capacity expression voltage exceeds 3.3 V, the electrolytic solution is deteriorated, and the electrostatic capacity and durability of the electric double layer capacitor are not sufficiently improved.

そして、電極間電圧がVeに達するまでの時間内に発現する初期静電容量が12F/cc以下、10F/cc以下、9F/cc以下、好ましくは8.5F/cc以下、より好ましくは8F/cc以下である。また、好ましくは、初期静電容量は、1〜10F/cc、3〜9F/cc、好ましくは4.5〜9F/cc、より好ましくは5〜9F/cc、6〜9F/ccである。初期静電容量が12F/ccを越えると静電容量の発現を示す屈曲が鈍くなり、電気二重層キャパシタの静電容量や耐久性の向上が不十分になる。   The initial capacitance that develops within the time until the voltage between the electrodes reaches Ve is 12 F / cc or less, 10 F / cc or less, 9 F / cc or less, preferably 8.5 F / cc or less, more preferably 8 F / cc. cc or less. Preferably, the initial capacitance is 1 to 10 F / cc, 3 to 9 F / cc, preferably 4.5 to 9 F / cc, more preferably 5 to 9 F / cc, and 6 to 9 F / cc. When the initial capacitance exceeds 12 F / cc, the bending that indicates the development of the capacitance becomes dull, and the capacitance and durability of the electric double layer capacitor are insufficiently improved.

電気二重層キャパシタのVeを明確に発現させ、例えば、1.5〜3.2V、好ましくは2.0〜3.0V、より好ましくは2.2〜2.9Vという低いレベルに調節するためには、前焼成工程において、炉内温度を比較的高めの温度に設定することが好ましい。例えば、前焼成時の炉内温度は、好ましくは840〜960℃、より好ましくは900〜950℃の範囲で適宜設定する。   In order to clearly express Ve of the electric double layer capacitor and adjust it to a low level of, for example, 1.5 to 3.2 V, preferably 2.0 to 3.0 V, more preferably 2.2 to 2.9 V Is preferably set to a relatively high temperature in the furnace in the pre-baking step. For example, the furnace temperature at the time of pre-baking is suitably set within a range of preferably 840 to 960 ° C, more preferably 900 to 950 ° C.

本発明の方法により調製される非多孔性炭素はVeが低く、低電圧で電解賦活を行うことができる。このことは、非多孔性炭素の中で、陽イオンが吸着する部位の細孔径が大きいことを示している。そのため、本発明の電気二重層キャパシタは、比較的イオン径が大きい陽イオンを電解質の成分として用いても、定格電圧(すなわち実使用電圧)の上昇幅が小さく、実用に供することができる。   The non-porous carbon prepared by the method of the present invention has a low Ve and can be electrolytically activated at a low voltage. This indicates that the pore diameter of the portion where the cation is adsorbed is large in the non-porous carbon. For this reason, the electric double layer capacitor of the present invention can be put to practical use even if a cation having a relatively large ion diameter is used as an electrolyte component, with a small increase in rated voltage (that is, actual use voltage).

つまり、本発明の電気二重層キャパシタでは、イオン径が比較的大きな陽イオンを用いた場合でも、SBPのようにイオン径が比較的小さい電解質を用いた場合と同様に、電解賦活によって容量を発現させることができる。また、イオン径が比較的大きな陽イオンを用いた場合でも、電気二重層キャパシタの容量などの性能は、イオン径が比較的小さな陽イオンを用いた場合と同等である。   That is, in the electric double layer capacitor of the present invention, even when a cation having a relatively large ionic diameter is used, the capacity is expressed by electrolytic activation as in the case of using an electrolyte having a relatively small ionic diameter such as SBP. Can be made. Further, even when a cation having a relatively large ion diameter is used, the performance such as the capacity of the electric double layer capacitor is equivalent to that when a cation having a relatively small ion diameter is used.

イオン径が比較的大きな陽イオンとしては、例えば、テトラエチルアンモニウム(TEA)、テトラブチルアンモニウム(TBA)、トリエチルメチルアンモニウム(TEMA)、テトラエチルホスホニウム(TEP)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)などが挙げられる。陽イオンの対アニオンである陰イオンとしては、SBPについて説明したのと同じものを用いうる。 Examples of the cation having a relatively large ion diameter include tetraethylammonium (TEA + ), tetrabutylammonium (TBA + ), triethylmethylammonium (TEMA + ), tetraethylphosphonium (TEP + ), and 1-ethyl-3-methyl. Examples include imidazolium (EMI + ). As the anion which is a counter anion of the cation, the same anion as described for SBP can be used.

以下の実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。尚、実施例中「部」又は「%」で表される量は特にことわりなき限り重量基準である。   The following examples further illustrate the present invention, but the present invention is not limited thereto. In the examples, “part” or “%” is based on weight unless otherwise specified.

実施例1
非多孔性炭素の製造
石炭の軟ピッチからキノリン不溶分を除去し、精製された原料を用いて炭素化したグラファイト前駆体の粉末(日本製鋼社製)をアルミナ製の坩堝に入れ、これをマッフル炉にて窒素を循環させながら、840〜950℃まで3時間かけて昇温して焼成し、自然冷却した。次に、該焼成品を重量比あたり1.5倍の水酸化カリウム粉末と混合した。これをそれぞれアルミナ製の坩堝に入れ同じくアルミナ製の蓋をかぶせて外気を遮断した。
Example 1
Production of non-porous carbon Remove quinoline insolubles from the soft pitch of coal, and put graphite precursor powder (made by Nippon Steel Co., Ltd.) carbonized using the refined raw material into an alumina crucible, which is muffled While circulating nitrogen in a furnace, the temperature was raised to 840 to 950 ° C. over 3 hours, followed by firing and natural cooling. Next, the fired product was mixed with 1.5 times the potassium hydroxide powder per weight ratio. Each was put in an alumina crucible and covered with an alumina lid to shut off the outside air.

この混合物をマッフル炉にて窒素を循環させながら、炉内温度を750℃に調節して保持時間4時間賦活した。本焼成品を取り出し、純水にて軽く洗浄した後、超音波をかけて洗浄した。時間は1分である。次にブフナー漏斗を用いて水分を分離した。同様の洗浄操作を繰り返し、洗浄処理水のペーハーが7付近になるまで行った。そして、洗浄物を真空乾燥機にて乾燥させた。   While this mixture was circulated with nitrogen in a muffle furnace, the temperature in the furnace was adjusted to 750 ° C., and the mixture was activated for 4 hours. The fired product was taken out, washed lightly with pure water, and then washed by applying ultrasonic waves. The time is 1 minute. The water was then separated using a Buchner funnel. The same washing operation was repeated until the pH of the washing water reached around 7. Then, the washed product was dried with a vacuum dryer.

乾燥した炭素粉末をるつぼに入れ、300℃にて10時間後焼成し、その後取り出して、室温になるまで放冷した。   The dried carbon powder was put in a crucible, post-fired at 300 ° C. for 10 hours, then taken out and allowed to cool to room temperature.

キャパシタセルの作製
得られたカーボンを、ボールミル(藤原製作所製AV−1)を用い、10mmΦのアルミナボールにて1時間粉砕した。これをコールターカウンターにて粒度を測定したところ、いずれも中心粒子径10ミクロン程度の粉状となった。
Production of Capacitor Cell The obtained carbon was pulverized with 10 mmφ alumina balls for 1 hour using a ball mill (AV-1 manufactured by Fujiwara Seisakusho). When the particle size was measured with a Coulter counter, all of them became powdery with a center particle diameter of about 10 microns.

粉状のカーボン(CB)をアセチレンブラック(AB)およびポリテトラフルオロエチレン粉(PTFE)の混合比 10:1:1となるように混合し、乳鉢にて練った。10分程度で、PTFEが延伸され、フレーク状となった。これをプレスマシンにてプレスし、300ミクロン厚のカーボンシートを得た。   Powdered carbon (CB) was mixed at a mixing ratio of 10: 1: 1 of acetylene black (AB) and polytetrafluoroethylene powder (PTFE), and kneaded in a mortar. In about 10 minutes, PTFE was stretched and formed into flakes. This was pressed with a press machine to obtain a carbon sheet having a thickness of 300 microns.

このカーボシートを20mmΦのディスクに打ち抜き、図3に示すような、3電極セルに組み立てた。このディスクは83.3%の非多孔性炭素を含有するものである。参照電極は#1711活性炭を上記と同様の方法にてシート化したものを用いた。これらセルを真空中220℃で24時間乾燥し冷却した。スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)を2.0モル%となるようにプロピレンカーボネートに溶解させて電解液を調製した。そして、得られた電解液をセルに注入して電気二重層キャパシタのセルを作製した。 The carbo sheet was punched into a 20 mmφ disk and assembled into a three-electrode cell as shown in FIG. This disk contains 83.3% non-porous carbon. The reference electrode used was a sheet of # 1711 activated carbon formed by the same method as above. These cells were dried in a vacuum at 220 ° C. for 24 hours and cooled. An electrolyte solution was prepared by dissolving spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4 ) in propylene carbonate so as to be 2.0 mol%. Then, the obtained electrolytic solution was injected into the cell to produce an electric double layer capacitor cell.

強熱減量の測定
上述ようにして調整した、分極性電極に成形する前の非多孔性炭素の粉末を約7mg秤量した。この粉末を、エスアイアイ・ナノテクノロジー製示差熱熱重量同時測定装置(TG−DTA)に設置した。測定雰囲気として、高純度窒素ガスを200mL/分の流量で流した。示差熱熱重量同時測定装置の内部温度を300℃に設定し、等温保持した。その後、5℃/分の速度で等速昇温を開始し、質量を記録しながら1000度まで昇温した。800度での減量を強熱減量の値として採用した。結果は18.2%であった。
Measurement of loss on ignition About 7 mg of non-porous carbon powder prepared as described above before being formed into a polarizable electrode was weighed. This powder was set in a differential thermothermal gravimetric simultaneous measurement apparatus (TG-DTA) manufactured by SII Nanotechnology. As a measurement atmosphere, high purity nitrogen gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min. The internal temperature of the differential thermogravimetric simultaneous measurement apparatus was set to 300 ° C. and kept isothermal. Thereafter, constant temperature increase was started at a rate of 5 ° C./min, and the temperature was increased to 1000 ° C. while recording the mass. The weight loss at 800 degrees was adopted as the value of ignition loss. The result was 18.2%.

静電容量発現電圧(Ve)の測定
この3極式セルに対し、定格電圧以上(3.7V)まで、1mA/cmにおける定電流充電を行った。図4の曲線bは充電の過程における経時的な電圧変化を示している。この曲線からVeを決定したところ、2.5Vであった。
Measurement of Capacitance Expression Voltage (Ve) The triode cell was charged at a constant current of 1 mA / cm 2 up to the rated voltage (3.7 V). A curve b in FIG. 4 shows a voltage change with time in the charging process. When Ve was determined from this curve, it was 2.5V.

静電容量の測定
作成したキャパシタセルのうち、Ve測定に用いたのとは別のキャパシタセルにパワーシステム製充放電試験装置「CDT−RD20」を接続し、1mA/cmにおける定電流充電を3.7Vまで行った。電極間電圧が静電容量発現電圧に達するまでの時間内に発現する初期静電容量は8.0F/ccであった。
Capacitance measurement Among the created capacitor cells, a power system charge / discharge test device “CDT-RD20” is connected to a capacitor cell different from that used for Ve measurement, and constant current charging at 1 mA / cm 2 is performed. It went to 3.7V. The initial capacitance developed within the time until the voltage between the electrodes reached the capacitance development voltage was 8.0 F / cc.

25200秒間定電流定電圧充電を行い、1mA/cmにて定電流放電を行った。図5及び図6の曲線bは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。その後、定格電圧の3.5Vにて充放電を3サイクル実施した。 Constant current constant voltage charge was performed for 25200 seconds, and constant current discharge was performed at 1 mA / cm 2 . Curves b in FIGS. 5 and 6 are graphs showing a behavior in which the voltage changes over time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time. Then, 3 cycles of charging / discharging were implemented with the rated voltage of 3.5V.

3サイクル目の静電容量をエネルギー換算法という放電積算電力からもとめる方法で求め、両極の分極性電極の容積の和で割った値を容積密度(F/cc)として採用した。結果を表2に示す。   The capacitance at the third cycle was determined by a method of obtaining from the integrated discharge power called the energy conversion method, and the value divided by the sum of the volumes of the polarizable electrodes of both electrodes was adopted as the volume density (F / cc). The results are shown in Table 2.

耐久性の測定
日本電子機械工業規格EIAJ RC−2377、3.13に記載のとおり、JIS C 5101−1の4.23(耐久性)a)(直流試験)を以下の条件で行った。
Measurement of Durability As described in Japan Electronic Machinery Industry Standard EIAJ RC-2377, 3.13, 4.23 (durability) a) (DC test) of JIS C 5101-1 was performed under the following conditions.

[表1]

Figure 2008166544
[Table 1]
Figure 2008166544

その後、再度キャパシタセルの容積密度をもとめ、その変化率を耐久性として採用した。結果を表2に示す。   Thereafter, the volume density of the capacitor cell was obtained again, and the rate of change was adopted as durability. The results are shown in Table 2.

実施例2
スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)の代わりにトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF)を1.4モル%となる量で用いること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。図6の曲線gは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。
Example 2
Create capacitor cells except be used in an amount of triethyl methyl ammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4) a 1.4 mole% instead of spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4) in the same manner as in Example 1 And tested for properties and performance. The results are shown in Table 2. A curve g in FIG. 6 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

実施例3
前焼成工程における炉内温度を850〜960℃まで3時間かけて昇温するように調節すること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Example 3
A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature in the furnace in the pre-baking step was adjusted to 850 to 960 ° C. over 3 hours, and the characteristics and performance were tested. The results are shown in Table 2.

図4の曲線dは充電の過程における経時的な電圧変化を示している。図5の曲線dは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。   A curve d in FIG. 4 shows a voltage change with time in the charging process. A curve d in FIG. 5 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

実施例4
スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)の代わりにトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF)を1.8モル%となる量で用いること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。図6の曲線hは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。
Example 4
Create capacitor cells except be used in an amount of triethyl methyl ammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4) a 1.8 mole% instead of spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4) in the same manner as in Example 1 And tested for properties and performance. The results are shown in Table 2. A curve h in FIG. 6 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

比較例1
前焼成工程における炉内温度を650℃に調節すること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 1
A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the furnace temperature in the pre-baking step was adjusted to 650 ° C., and the characteristics and performance were tested. The results are shown in Table 2.

図4の曲線aは充電の過程における経時的な電圧変化を示している。図5の曲線aは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。   A curve a in FIG. 4 shows a change in voltage over time during the charging process. A curve a in FIG. 5 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

比較例2
スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)の代わりにトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF)を1.4モル%となる量で用いること以外は比較例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 2
Create capacitor cells except be used in an amount of triethyl methyl ammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4) a 1.4 mole% instead in the same manner as in Comparative Example 1 of spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4) And tested for properties and performance. The results are shown in Table 2.

比較例3
前焼成工程における炉内温度を970℃に調節し、また、アルカリ賦活工程における炉内温度を770℃に調節すること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 3
A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the furnace temperature in the pre-baking process was adjusted to 970 ° C. and the furnace temperature in the alkali activation process was adjusted to 770 ° C., and the characteristics and performance were tested. did. The results are shown in Table 2.

図4の曲線eは充電の過程における経時的な電圧変化を示している。図5の曲線eは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。   A curve e in FIG. 4 shows a voltage change with time in the charging process. A curve e in FIG. 5 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

比較例4
スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)の代わりにトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF)を1.8モル%となる量で用いること以外は比較例3と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 4
Create capacitor cells except be used in an amount of triethyl methyl ammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4) a 1.8 mole% instead of spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4) in the same manner as in Comparative Example 3 And tested for properties and performance. The results are shown in Table 2.

比較例5
前焼成工程における炉内温度を980℃に調節すること以外は実施例1と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 5
A capacitor cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the furnace temperature in the pre-baking step was adjusted to 980 ° C., and the characteristics and performance were tested. The results are shown in Table 2.

図4の曲線fは充電の過程における経時的な電圧変化を示している。図5の曲線fは得られた電気二重層キャパシタに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。   A curve f in FIG. 4 shows a voltage change with time in the charging process. A curve f in FIG. 5 is a graph showing a behavior in which the voltage changes with time when the obtained electric double layer capacitor is charged and discharged for the first time.

比較例6
スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート(SBPBF)の代わりにトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEMABF)を1.8モル%となる量で用いること以外は比較例5と同様にしてキャパシタセルを作成し、特性及び性能を試験した。結果を表2に示す。
Comparative Example 6
Create capacitor cells except be used in an amount of triethyl methyl ammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4) a 1.8 mole% instead of spirobipyrrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF 4) in the same manner as in Comparative Example 5 And tested for properties and performance. The results are shown in Table 2.

Figure 2008166544
Figure 2008166544

有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタに対し、定電流充電及び放電を繰り返した場合に電圧が経時的に変化する挙動の例を示したグラフである。It is the graph which showed the example of the behavior which a voltage changes with time when constant current charge and discharge are repeated to an electric double layer capacitor formed by immersing an electrode containing nonporous carbon in an organic electrolyte. 有機電解液中に非多孔性炭素を含む電極を浸してなる電気二重層キャパシタに対し、定電流充電を、初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。It is the graph which showed the behavior which a voltage changed with time when constant current charge was performed for the first time with respect to the electric double layer capacitor formed by immersing the electrode containing non-porous carbon in organic electrolyte. 実施例の電気二重層キャパシタの構造を示す組み立て図である。It is an assembly drawing which shows the structure of the electric double layer capacitor of an Example. 実施例のキャパシタセルに対し、充電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。It is the graph which showed the behavior in which a voltage changes with time, when charging the capacitor cell of an example for the first time. 実施例のキャパシタセルに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。It is the graph which showed the behavior in which a voltage changes with time when charging / discharging was performed for the capacitor cell of an example for the first time. 実施例のキャパシタセルに対し、充放電を初回に行った場合に、電圧が経時的に変化する挙動を示したグラフである。It is the graph which showed the behavior in which a voltage changes with time when charging / discharging was performed for the capacitor cell of an example for the first time.

符号の説明Explanation of symbols

1、11…絶縁ワッシャ、
2…トップカバー、
3…スプリング、
4、8…集電極、
5、7…分極性電極、
6…セパレータ、
9…ガイド、
10、13…Oリング、
12…本体、
14…押え板、
15…参照電極、
16…ボトムカバー。
1, 11 ... Insulating washer,
2 ... Top cover,
3 ... Spring,
4, 8 ... collector electrode,
5, 7 ... Polarizable electrodes,
6 ... separator,
9 ... Guide,
10, 13 ... O-ring,
12 ... the body,
14 ... Presser plate,
15 ... Reference electrode,
16 ... Bottom cover.

Claims (5)

易黒鉛化炭素を、不活性雰囲気下800〜1000℃で2〜8時間焼成する前焼成工程;
焼成した粉末を、重量比で1〜5倍量の水酸化アルカリ粉末と混合し、粉末混合物を、不活性雰囲気下600〜900℃で2〜8時間焼成するアルカリ賦活工程;
賦活した粉末混合物を洗浄して水酸化アルカリを除去する工程;及び
得られた炭素粉末を、不活性雰囲気下200〜800℃で2〜8時間焼成する後焼成工程;
を包含する方法によって製造され、強熱減量が5〜18%である黒鉛類似の微結晶を有する非多孔性炭素。
A pre-calcination step of calcining graphitizable carbon at 800-1000 ° C. for 2-8 hours under an inert atmosphere;
An alkali activation step in which the calcined powder is mixed with 1 to 5 times the weight of the alkali hydroxide powder and the powder mixture is calcined at 600 to 900 ° C. for 2 to 8 hours in an inert atmosphere;
A step of washing the activated powder mixture to remove alkali hydroxide; and a post-baking step of baking the obtained carbon powder at 200 to 800 ° C. for 2 to 8 hours in an inert atmosphere;
And non-porous carbon having graphite-like microcrystals with a loss on ignition of 5 to 18%.
前記易黒鉛化炭素が石炭の軟ピッチからキノリン不溶分を除去し、精製された原料を用いて炭素化したグラファイト前駆体である請求項1記載の非多孔性炭素。   The non-porous carbon according to claim 1, wherein the graphitizable carbon is a graphite precursor obtained by removing quinoline insolubles from a soft pitch of coal and carbonizing using a refined raw material. 請求項1又は2記載の方法で静電容量発現電圧が調節された黒鉛類似の微結晶を有する非多孔性炭素を含む分極性電極。   A polarizable electrode comprising non-porous carbon having graphite-like microcrystals whose capacitance development voltage is adjusted by the method according to claim 1. 請求項3記載の分極性電極が有機電解液に浸漬されてなる電気二重層キャパシタ。   An electric double layer capacitor comprising the polarizable electrode according to claim 3 immersed in an organic electrolyte. 前記有機電解液が、電解質の陽イオン成分として、スピロビピロリジニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、テトラエチルホスホニウム及び1−エチル−3−メチルイミダゾリウムからなる群から選択される化合物を含有する請求項4記載の電気二重層キャパシタ。   The organic electrolyte is a compound selected from the group consisting of spirobipyrrolidinium, tetraethylammonium, tetrabutylammonium, triethylmethylammonium, tetraethylphosphonium and 1-ethyl-3-methylimidazolium as the cation component of the electrolyte The electric double layer capacitor according to claim 4, comprising:
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