JP2013161835A - Electroconductive polymer/porous carbon material complex, and electrode material using the same - Google Patents

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智行 酒井
Tsukasa Maruyama
司 丸山
Yoshimasa Imazaki
善正 今▲崎▼
Koichiro Miyoshi
剛一郎 三好
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric double layer capacitor having high electrostatic capacitance and excellent cycle characteristics, a lithium ion secondary battery, a lithium ion capacitor, an electrode material whereby they can be obtained, and a complex used for the electrode material.SOLUTION: In this complex of an electroconductive polymer having nitrogen atoms and a porous carbon material, the electroconductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material; the total pore volume of a total pore having a diameter of 0.5-100.0 nm when measured by the Horvath-Kawazoe method and the BJH method is 0.3-3.0 cm/g; the ratio of the pore volume of a pore having a diameter of not less than 2.0 nm and less than 20.0 nm when measured by the BJH method is 10-30% to the total pore volume; and the ratio of the pore volume of a pore having a diameter of not less than 0.5 nm and less than 2.0 nm when measured by the Horvath-Kawazoe method and the BJH method is 70-90% to the total pore volume.

Description

本発明は、導電性高分子/多孔質炭素材料複合体およびそれを用いた電極材料ならびに電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池およびリチウムイオンキャパシタに関する。   The present invention relates to a conductive polymer / porous carbon material composite, an electrode material using the same, an electric double layer capacitor, a lithium ion secondary battery, and a lithium ion capacitor.

蓄電装置としてリチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタが知られている。
一般に、リチウムイオン二次電池は、電気二重層キャパシタと比べ、エネルギー密度が高く、また長時間の駆動が可能である。
一方、電気二重層キャパシタは、リチウムイオン二次電池と比べ、急速な充放電が可能であり、また繰り返し使用の寿命が長い。
また近年、このようなリチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタのそれぞれの利点を兼ね備えた蓄電装置として、リチウムイオンキャパシタが開発されている。
Lithium ion secondary batteries and electric double layer capacitors are known as power storage devices.
In general, a lithium ion secondary battery has a higher energy density and can be driven for a long time as compared with an electric double layer capacitor.
On the other hand, the electric double layer capacitor can be rapidly charged / discharged and has a long use life as compared with the lithium ion secondary battery.
In recent years, lithium ion capacitors have been developed as power storage devices that combine the advantages of such lithium ion secondary batteries and electric double layer capacitors.

例えば、電気二重層キャパシタとして、本出願人は、特許文献1において「ポリアニリン又はその誘導体を、活性炭、ケッチェンブラック、アセチレンブラック及びファーネスブラックから選ばれた炭素系材料に複合化させてなるポリアニリン/炭素複合体であって、前記ポリアニリン又はその誘導体が、非極性有機溶媒中に分散した導電性ポリアニリン又はその誘導体を、塩基処理して脱ドープしたものであるポリアニリン/炭素複合体を用いた電気二重層キャパシタ用電極材料。」を提供しており、特許文献2において「非極性有機溶媒中にドープされた状態で分散した導電性ポリアニリン又はその誘導体を多孔性炭素材料に複合化させてなるポリアニリン/多孔性炭素複合体。」を提供している。   For example, as an electric double layer capacitor, the present applicant has disclosed in Patent Document 1 “Polyaniline / polyaniline or a derivative thereof obtained by combining polyaniline or a derivative thereof with a carbon-based material selected from activated carbon, ketjen black, acetylene black, and furnace black. A carbon composite comprising a polyaniline / carbon composite, wherein the polyaniline or a derivative thereof is obtained by dedoping a conductive polyaniline or a derivative thereof dispersed in a nonpolar organic solvent by base treatment. An electrode material for a multilayer capacitor. ”In Patent Document 2,“ Polyaniline / polyaniline obtained by combining conductive polyaniline dispersed in a nonpolar organic solvent or a derivative thereof with a porous carbon material ” Porous carbon composites ".

また、リチウムイオンキャパシタとして、本出願人は、特許文献3において「(i)正極、(ii)リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる活物質を含む負極及び(iii)リチウム塩支持電解質を含む非プロトン性有機溶媒から構成される電解液を含んでなる電気二重層キャパシタにおいて、前記正極が非極性有機溶媒中にドープされた状態で分散した導電性ポリアニリン又はその誘導体を多孔性炭素材料と複合化させてなる導電性ポリアニリン/多孔性炭素複合体を活物質として用いた電極活物質、集電体並びに、必要に応じて、導電補助剤及び結着剤を含んでなる電気二重層キャパシタ。」が提案されている。   In addition, as a lithium ion capacitor, the present applicant, in Patent Document 3, includes (i) a positive electrode, (ii) a negative electrode including an active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, and (iii) a lithium salt supporting electrolyte. In an electric double layer capacitor comprising an electrolyte composed of an aprotic organic solvent, a composite of conductive polyaniline or a derivative thereof dispersed in a state where the positive electrode is doped in a nonpolar organic solvent and a porous carbon material An electrode active material using a conductive polyaniline / porous carbon composite formed as an active material, a current collector, and, if necessary, an electric double layer capacitor comprising a conductive auxiliary agent and a binder. " Has been proposed.

特許第4294067号公報Japanese Patent No. 4294667 特開2008−72079号公報JP 2008-72079 A 特開2008−300639号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-300639

本発明者は、特許文献1〜3に記載の電極材料やポリアニリン/多孔性炭素複合体について検討した結果、ポリアニリンの分子量、複合体を調製するポリアニリン分散液の濃度、脱ドープの有無、脱ドープの手法およびこれらの組み合わせ等によっては、ポリアニリン/炭素複合体の比表面積が小さくなったり、細孔分布が変化したりすることがあり、その結果、静電容量やサイクル特性にばらつきが生じることを明らかとした。   As a result of studying the electrode materials and polyaniline / porous carbon composites described in Patent Documents 1 to 3, the present inventor has found that the molecular weight of polyaniline, the concentration of polyaniline dispersion for preparing the composite, the presence or absence of dedoping, the dedoping The specific surface area of the polyaniline / carbon composite may be reduced or the pore distribution may be changed depending on the above methods and combinations thereof. As a result, the capacitance and cycle characteristics may vary. It was clear.

そこで、本発明は、高い静電容量を有し、サイクル特性に優れた電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池およびリチウムイオンキャパシタ(以下、これらをまとめて「電気二重層キャパシタ等」とも略す。)、ならびに、電気二重層キャパシタ等を得ることができる電極材料およびこの電極材料に用いる複合体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has an electric double layer capacitor, a lithium ion secondary battery, and a lithium ion capacitor (hereinafter collectively referred to as “electric double layer capacitor etc.”) having high capacitance and excellent cycle characteristics. ), And an electrode material from which an electric double layer capacitor or the like can be obtained and a composite used for the electrode material.

本発明者は、鋭意検討した結果、所定の導電性高分子が表面に結合し、かつ、所定の直径を有する細孔の細孔容積が特定の比率となる多孔質炭素材料を電極材料として用いることにより、高い静電容量を有し、サイクル特性に優れた電気二重層キャパシタ等が得られることを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は、下記(1)〜(8)を提供する。   As a result of intensive studies, the inventor uses a porous carbon material in which a predetermined conductive polymer is bonded to the surface and a pore volume having a predetermined diameter is a specific ratio as an electrode material. Thus, the inventors have found that an electric double layer capacitor having a high capacitance and excellent cycle characteristics can be obtained, and the present invention has been completed. That is, the present invention provides the following (1) to (8).

(1)窒素原子を有する導電性高分子と多孔質炭素材料との複合体であって、
前記導電性高分子が、前記多孔質炭素材料の表面に結合しており、
Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5〜100.0nmの直径を有する全細孔の全細孔容積が、0.3〜3.0cm3/gであり、
BJH法で測定した2.0nm以上20.0nm未満の直径を有する細孔の細孔容積の比率が、前記全細孔容積に対して10〜30%であり、
Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5nm以上2.0nm未満の直径を有する細孔の細孔容積の比率が、前記全細孔容積に対して70〜90%である複合体。
(1) A composite of a conductive polymer having a nitrogen atom and a porous carbon material,
The conductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material;
The total pore volume of all the pores having a diameter of 0.5 to 100.0 nm measured by Horvath-Kawazoe method and BJH method is 0.3 to 3.0 cm 3 / g,
The ratio of the pore volume of pores having a diameter of 2.0 nm or more and less than 20.0 nm measured by the BJH method is 10 to 30% with respect to the total pore volume,
The composite_body | complex whose ratio of the pore volume of the pore which has the diameter of 0.5 nm or more and less than 2.0 nm measured by Horvath-Kawazoe method and BJH method is 70 to 90% with respect to the said total pore volume.

(2)全比表面積が、500〜2500m2/gである上記(1)に記載の複合体。 (2) The composite according to (1), wherein the total specific surface area is 500 to 2500 m 2 / g.

(3)上記導電性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリチアゾール、ポリキノキサリンおよびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種である上記(1)または(2)に記載の複合体。   (3) The conductive polymer according to (1) or (2), wherein the conductive polymer is at least one selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polypyridine, polyquinoline, polythiazole, polyquinoxaline, and derivatives thereof. Complex.

(4)上記多孔質炭素材料が、活性炭および/または黒鉛である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の複合体。   (4) The composite according to any one of (1) to (3), wherein the porous carbon material is activated carbon and / or graphite.

(5)上記(1)〜(4)のいずれかに記載の複合体を用いた電極材料。   (5) An electrode material using the composite according to any one of (1) to (4) above.

(6)上記(5)に記載の電極材料を用いた分極性電極を有する電気二重層キャパシタ。   (6) An electric double layer capacitor having a polarizable electrode using the electrode material according to (5).

(7)上記(5)に記載の電極材料を用いた負極を有するリチウムイオン二次電池。   (7) A lithium ion secondary battery having a negative electrode using the electrode material according to (5).

(8)上記(5)に記載の電極材料を用いた正極および/または負極を有するリチウムイオンキャパシタ。   (8) A lithium ion capacitor having a positive electrode and / or a negative electrode using the electrode material according to (5).

以下に説明するように、本発明によれば、高い静電容量を有し、サイクル特性に優れた電気二重層キャパシタ等、ならびに、電気二重層キャパシタ等を得ることができる電極材料およびこの電極材料に用いる複合体を提供することができる。
また、通常、リチウムイオンキャパシタは、負極材料の静電容量が正極材料の静電容量に比べて非常に大きいため、正極材料の静電容量を向上させることができる本発明の電極材料は、デバイス全体の容量を増加させ、また正極材料の質量を少なくすることもできるため、非常に有用である。
As described below, according to the present invention, an electric double layer capacitor having a high capacitance and excellent cycle characteristics, an electrode material capable of obtaining an electric double layer capacitor and the like, and the electrode material A composite used in the above can be provided.
Moreover, since the electrostatic capacity of the negative electrode material is usually very large compared to the electrostatic capacity of the positive electrode material, the lithium ion capacitor has an electrode material of the present invention that can improve the electrostatic capacity of the positive electrode material. This is very useful because the overall capacity can be increased and the mass of the positive electrode material can be reduced.

〔複合体〕
本発明の複合体は、窒素原子を有する導電性高分子と多孔質炭素材料との複合体であって、上記導電性高分子が上記多孔質炭素材料の表面に結合しており、Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5〜100.0nmの直径を有する全細孔の全細孔容積が0.3〜3.0cm3/gであり、BJH法で測定した2.0nm以上20.0nm未満の直径を有する細孔(以下、「メソ細孔」ともいう。)の細孔容積の比率(以下、「細孔容積比率」ともいう。)が上記全細孔容積に対して10〜30%であり、Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5nm以上2.0nm未満の直径を有する細孔(以下、「ミクロ細孔」ともいう。)の細孔容積比率が上記全細孔容積に対して70〜90%である複合体である。
[Composite]
The composite of the present invention is a composite of a conductive polymer having a nitrogen atom and a porous carbon material, wherein the conductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material, and Horvath-Kawazoe. The total pore volume of all the pores having a diameter of 0.5 to 100.0 nm measured by the BJH method is 0.3 to 3.0 cm 3 / g. A pore volume ratio (hereinafter also referred to as “pore volume ratio”) of pores having a diameter of less than 0.0 nm (hereinafter also referred to as “mesopores”) is 10 with respect to the total pore volume. The pore volume ratio of pores having a diameter of 0.5 nm to less than 2.0 nm (hereinafter also referred to as “micropores”) measured by the Horvath-Kawazoe method and the BJH method is -30%. 70-90% of the pore volume That is a composite.

ここで、「導電性高分子が多孔質炭素材料の表面に結合している」とは、導電性高分子が有する窒素原子(アミノ基またはイミノ基)と、多孔質炭素材料の表面が有する水酸基やカルボキシ基等の酸性官能基とが反応(酸塩基反応)し、化学結合が形成されている状態をいう。
また、「Horvath−Kawazoe法」とは、直径0.5nm〜1nmまでの小さな細孔の細孔容積を算出する方法であり(J. Chem. Eng. Jpn., 1983年,16巻,p.470)、「BJH法」とは、Barrett-Joyner-Halendaの標準モデルに従って円筒状の細孔径(直径:1nm〜100.0nm)に対する細孔容積の分布を決定する方法である(J.Amer.Chem.Soc.,1951年,73巻,p.373−377)。
また、「全細孔」とは、0.5〜100.0nmの直径を有する全ての細孔をいい、「全細孔容積」とは、全細孔の細孔容積の合計値をいう。
Here, “the conductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material” means the nitrogen atom (amino group or imino group) of the conductive polymer and the hydroxyl group of the surface of the porous carbon material. A state in which a chemical bond is formed by reaction (acid-base reaction) with an acidic functional group such as carboxy group.
The “Horvath-Kawazoe method” is a method for calculating the pore volume of small pores having a diameter of 0.5 nm to 1 nm (J. Chem. Eng. Jpn., 1983, Vol. 16, p. 470), “BJH method” is a method of determining the pore volume distribution with respect to the cylindrical pore diameter (diameter: 1 nm to 100.0 nm) according to the Barrett-Joyner-Halenda standard model (J. Amer. Chem. Soc., 1951, 73, p.373-377).
Further, “total pore” refers to all pores having a diameter of 0.5 to 100.0 nm, and “total pore volume” refers to a total value of pore volumes of all pores.

本発明においては、上記導電性高分子が上記多孔質炭素材料の表面に結合し、かつ、全細孔容積ならびにメソ細孔およびミクロ細孔の細孔容積比率が上述した範囲を満たすことにより、高い静電容量を有し、サイクル特性に優れた電気二重層キャパシタ等を得ることができる複合体(電極材料)となる。
これは、メソ細孔が、溶媒和したイオンが立体的に阻害されることなく拡散可能なサイズであり、また、イオンが吸着し、静電容量に大きく寄与するミクロ細孔も維持しており、更に、多孔質炭素材料の表面に存在するフリーの酸性官能基を起点とした劣化を抑制することができたためと考えられる。
In the present invention, the conductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material, and the total pore volume and the pore volume ratio of mesopores and micropores satisfy the above-described range. It becomes a composite (electrode material) having a high electrostatic capacity and capable of obtaining an electric double layer capacitor having excellent cycle characteristics.
This is the size that the mesopores can diffuse without sterically hindering the solvated ions, and the micropores that absorb the ions and greatly contribute to the capacitance are maintained. Furthermore, it is considered that deterioration starting from free acidic functional groups present on the surface of the porous carbon material could be suppressed.

また、本発明においては、メソ細孔の細孔容積比率は、電気二重層キャパシタ等の静電容量がより高くなる理由から、全細孔容積に対して10%以上であるのが好ましく、単位体積あたりの静電容量を維持する観点から全細孔容積に対して20%以下であるのが好ましい。   In the present invention, the pore volume ratio of mesopores is preferably 10% or more with respect to the total pore volume because the electrostatic capacity of an electric double layer capacitor or the like is higher. From the viewpoint of maintaining the capacitance per volume, it is preferably 20% or less with respect to the total pore volume.

更に、本発明においては、ミクロ細孔の細孔容積比率は、電気二重層キャパシタ等の静電容量がより高くなる理由から、75〜85%であるのがより好ましい。   Furthermore, in the present invention, the pore volume ratio of micropores is more preferably 75 to 85% because the electrostatic capacity of an electric double layer capacitor or the like becomes higher.

本発明の複合体は、単位質量あたりの静電容量と単位体積あたりの静電容量とのバランスに優れる理由から、全比表面積が500〜2500m2/gであるのが好ましく、1500〜2000m2/gであるのがより好ましい。
ここで、「比表面積」とは、JIS K1477に規定された方法に従い、窒素吸着によるBET法を用いて測定した測定値をいう。
Complexes of the present invention, for reasons of excellent balance between the capacitance per capacitance and unit volume per unit mass, is preferably total specific surface area of 500~2500m 2 / g, 1500~2000m 2 / G is more preferable.
Here, the “specific surface area” refers to a measured value measured using a BET method based on nitrogen adsorption according to a method defined in JIS K1477.

また、本発明の複合体は、サイクル特性がより良好な電気二重層キャパシタ等を得ることができる理由から、X線光電子分光法(以下、「XPS」ともいう。)によるスペクトル(以下、「XPSスペクトル」ともいう。)の窒素由来のピークを、イミン由来のピーク(398.5±0.75ev)とアミン由来のピーク(399.5±0.75ev)と四級窒素(401.0±0.75ev)と酸化物(402.9±0.75ev)の4つに分離した際のイミン由来のピークの比率(以下、単に「イミン比率」ともいう。)が40%以下であるのが好ましい。
これは、多孔質炭素材料の表面に導電性高分子が強く結合することにより、多孔質炭素材料が電気化学的に安定化したためと考えられる。
In addition, the composite of the present invention can obtain an electric double layer capacitor or the like having better cycle characteristics, and therefore a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter also referred to as “XPS”) (hereinafter referred to as “XPS”). The peak derived from nitrogen in the spectrum is also referred to as an imine-derived peak (398.5 ± 0.75 ev), an amine-derived peak (399.5 ± 0.75 ev), and a quaternary nitrogen (401.0 ± 0). .75 ev) and oxide (402.9 ± 0.75 ev) are preferably separated from the imine-derived peak (hereinafter, also simply referred to as “imine ratio”) by 40% or less. .
This is presumably because the porous carbon material was electrochemically stabilized by the strong bonding of the conductive polymer to the surface of the porous carbon material.

ここで、「XPSスペクトル」とは、X線光電子分光法を用いて測定されるスペクトルであり、窒素由来のピークは、以下の条件で測定されるスペクトルから算出されるピーク面積をいい、窒素由来のピークにおけるイミン由来のピーク(398.5±0.75ev)とアミン由来のピーク(399.5±0.75ev)と四級窒素(401.0±0.75ev)と酸化物(402.9±0.75ev)との比率(%)は、窒素由来のピークを4つのピークを頂点とする非対称ガウス−ローレンツ複合関数が混在していると仮定した条件で分離した値をいう。
なお、「イミン由来のピークの比率が40%以下」とは、このピークの比率が40%超のものと比較して、多孔質炭素材料の表面が有する水酸基やカルボキシ基等の酸性官能基により導電性高分子がより多く結合し、窒素原子がより高エネルギーになっていることを示すものである。
・X線源:単色化Al Kα(1486.6eV)
・X線ビーム径:100μm
・X線強度:12.5W、15kV
・パスエネルギー:69eV(各元素共通)
・測定元素:C1s、N1s、O1s
Here, the “XPS spectrum” is a spectrum measured using X-ray photoelectron spectroscopy, and a nitrogen-derived peak is a peak area calculated from a spectrum measured under the following conditions, and is derived from nitrogen. The peak derived from imine (398.5 ± 0.75ev), the peak derived from amine (399.5 ± 0.75ev), quaternary nitrogen (401.0 ± 0.75ev), and oxide (402.9) The ratio (%) to ± 0.75ev) refers to a value obtained by separating nitrogen-derived peaks under the condition that an asymmetric Gauss-Lorentz complex function having four peaks as vertices is mixed.
In addition, “the ratio of imine-derived peaks is 40% or less” means that the surface ratio of the porous carbon material is an acidic functional group such as a hydroxyl group or a carboxy group as compared with a peak ratio exceeding 40%. This shows that more conductive polymers are bonded and nitrogen atoms have higher energy.
X-ray source: Monochromated Al Kα (1486.6 eV)
・ X-ray beam diameter: 100 μm
・ X-ray intensity: 12.5W, 15kV
・ Pass energy: 69eV (common to each element)
・ Measurement elements: C1s, N1s, O1s

次に、本発明の複合体の製造に用いられる導電性高分子および多孔質炭素材料ならびにこれらを用いた本発明の複合体の製造方法等について詳述する。   Next, the conductive polymer and the porous carbon material used for the production of the composite of the present invention, and the production method of the composite of the present invention using these will be described in detail.

<導電性高分子>
本発明の複合体の製造に用いられる導電性高分子は、ドーパントを導入することで導電性を発現する窒素原子を有する高分子であれば特に限定されず、ドーパントによりドープされた高分子であってもよく、それを脱ドープした高分子であってもよく、例えば、電導度が10-9Scm-1以上のP型導電性高分子やN型導電性高分子が挙げられる。
上記P型導電性高分子としては、具体的には、例えば、ポリアニリン、ポリピロールおよびこれらの誘導体等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記N型導電性高分子としては、具体的には、例えば、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリチアゾール、ポリキノキサリンおよびこれらの誘導体等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
これらのうち、ポリアニリン、ポリピリジンおよびこれらの誘導体であるのが、原料が安価であり、合成が容易であるという理由から好ましい。
<Conductive polymer>
The conductive polymer used in the production of the composite of the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer having a nitrogen atom that exhibits conductivity by introducing a dopant, and is a polymer doped with a dopant. Alternatively, a polymer obtained by dedoping it may be used, and examples thereof include a P-type conductive polymer and an N-type conductive polymer having an electric conductivity of 10 −9 Scm −1 or more.
Specific examples of the P-type conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, and derivatives thereof, and these may be used alone or in combination of two or more.
Specific examples of the N-type conductive polymer include polypyridine, polyquinoline, polythiazole, polyquinoxaline, and derivatives thereof. These may be used alone or in combination of two or more. You may use together.
Of these, polyaniline, polypyridine, and derivatives thereof are preferred because they are inexpensive and easy to synthesize.

ここで、ポリアニリンの誘導体としては、例えば、アニリンの4位以外の位置に、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、アルコキシアルキル基を置換基として少なくとも一つ有するアニリン誘導体(モノマー)を高分子量化したものが挙げられる。
同様に、ポリピリジン誘導体としては、例えば、3位、4位、6位の少なくとも1つ以上にアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、アルコキシアルキル基を置換基として有するピリジン誘導体(モノマー)を高分子量化したものが挙げられる。
Here, examples of the polyaniline derivative include, for example, an alkyl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an alkylthio group, an aryl group, an aryloxy group, an alkylaryl group, an arylalkyl group, and an alkoxyalkyl group at positions other than the 4-position of the aniline. And an aniline derivative (monomer) having at least one as a substituent.
Similarly, examples of the polypyridine derivative include an alkyl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an alkylthio group, an aryl group, an aryloxy group, an alkylaryl group, and an arylalkyl group in at least one of the 3-position, 4-position, and 6-position. And a pyridine derivative (monomer) having an alkoxyalkyl group as a substituent having a high molecular weight.

本発明においては、上記導電性高分子は、後述する複合体の製造方法にも示すように、多孔質炭素材料の存在下で、モノマーを非極性溶媒中で化学重合(いわゆるin−situ重合)させることによりにより、多孔質炭素材料の表面に生成させることができる。
具体的には、モノマーとしてポリアニリンを用いた場合は、例えば、多孔質炭素材料とともにドーパントを加えた非極性溶媒中でアニリンを酸化重合させることによって調製することができる。
In the present invention, the conductive polymer is chemically polymerized with a monomer in a nonpolar solvent (so-called in-situ polymerization) in the presence of a porous carbon material, as shown in the method for producing a composite described later. By making it, it can produce | generate on the surface of a porous carbon material.
Specifically, when polyaniline is used as a monomer, it can be prepared, for example, by oxidative polymerization of aniline in a nonpolar solvent to which a dopant is added together with a porous carbon material.

ここで、非極性溶媒中のモノマーの濃度は、0.1〜10質量%であるのが好ましく、0.2〜8質量%であるのがより好ましく、0.3〜6質量%であるのが更に好ましい。
同様に、非極性溶媒中の多孔質炭素材料の濃度は、0.1〜20質量%であるのが好ましく、0.2〜16質量%であるのがより好ましく、0.3〜12質量%であるのが更に好ましい。
一方、上述したドーパントや、化学重合(酸化重合)のための酸化剤、分子量調整剤、相間移動触媒等については、いずれも特許文献1に記載されたものを用いることができる。
Here, the concentration of the monomer in the nonpolar solvent is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 0.2 to 8% by mass, and 0.3 to 6% by mass. Is more preferable.
Similarly, the concentration of the porous carbon material in the nonpolar solvent is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.2 to 16% by mass, and 0.3 to 12% by mass. More preferably.
On the other hand, any of the dopants described above, the oxidizing agent for chemical polymerization (oxidation polymerization), the molecular weight modifier, the phase transfer catalyst, and the like can be those described in Patent Document 1.

また、本発明においては、上記導電性高分子の数平均分子量は、400〜20000であるのが好ましく、1000〜15000であるのがより好ましく、5000〜10000であるのが更に好ましい。
ここで、上記導電性高分子の数平均分子量の調整は、分子量調整剤(末端封止剤)の量によって調整することができ、具体的には、導電性高分子を重合する際に、分子量調整剤(末端封止剤)の量をモノマーに対して0.1〜1当量加えることが好ましい。
なお、上記導電性高分子の数平均分子量は、表面に導電性高分子が結合した多孔質炭素材料(複合体)をN−メチル−2−ピロリドン溶媒に浸漬させ、N−メチル−2−ピロリドンとの交換反応により多孔質炭素材料の表面から解離した導電性高分子の一部を回収した後に、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を用いて測定し、分子量が既知のポリスチレンで換算することができる。
Moreover, in this invention, it is preferable that the number average molecular weights of the said conductive polymer are 400-20000, It is more preferable that it is 1000-15000, It is still more preferable that it is 5000-10000.
Here, the adjustment of the number average molecular weight of the conductive polymer can be adjusted by the amount of the molecular weight modifier (end-capping agent), specifically, when polymerizing the conductive polymer, the molecular weight It is preferable to add 0.1 to 1 equivalent of the amount of the adjusting agent (terminal blocking agent) with respect to the monomer.
The number average molecular weight of the conductive polymer is determined by immersing a porous carbon material (composite) having a conductive polymer bonded to the surface in an N-methyl-2-pyrrolidone solvent, and then N-methyl-2-pyrrolidone. After collecting a part of the conductive polymer dissociated from the surface of the porous carbon material by the exchange reaction with the water, it can be measured by gel permeation chromatography (GPC) and converted to polystyrene having a known molecular weight. .

<多孔質炭素材料>
本発明の複合体の製造に用いられる多孔質炭素材料は、その比表面積は特に限定されないが、本発明の複合体の全細孔容積を0.3〜3.0cm3/gとする観点から、比表面積が1500〜3000m2/gの炭素材料であるのが好ましい。
<Porous carbon material>
The specific surface area of the porous carbon material used for production of the composite of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of setting the total pore volume of the composite of the present invention to 0.3 to 3.0 cm 3 / g. The carbon material preferably has a specific surface area of 1500 to 3000 m 2 / g.

上記多孔質炭素材料としては、具体的には、例えば、活性炭、黒鉛、ホウ素含有多孔質炭素材料、窒素含有多孔質炭素材料等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
これらのうち、入手が容易である理由から活性炭および/または黒鉛であるのが好ましい。
活性炭は、特に限定されず、公知の炭素電極等で用いられる活性炭粒子を使用することができ、その具体例としては、ヤシ殻、木粉、石油ピッチ、フェノール樹脂等を水蒸気、各種薬品、アルカリ等を用いて賦活した活性炭粒子が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、黒鉛は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池の負極活物質等で用いられるものを使用することができ、その具体例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化メソフェーズピッチカーボンファイバー等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
Specific examples of the porous carbon material include activated carbon, graphite, boron-containing porous carbon material, nitrogen-containing porous carbon material, and the like. You may use the above together.
Among these, activated carbon and / or graphite is preferable because of easy availability.
The activated carbon is not particularly limited, and activated carbon particles used in known carbon electrodes and the like can be used. Specific examples thereof include coconut shell, wood powder, petroleum pitch, phenol resin, etc., water vapor, various chemicals, alkali Activated carbon particles activated using the above, etc., and these may be used alone or in combination of two or more.
Further, the graphite is not particularly limited, and those used for negative electrode active materials of known lithium ion secondary batteries can be used. Specific examples thereof include natural graphite, artificial graphite, graphitized mesocarbon micro Examples thereof include beads and graphitized mesophase pitch carbon fibers, and these may be used alone or in combination of two or more.

<複合体の製造方法>
本発明の複合体は、上述したように、上記多孔質炭素材料の存在下で、モノマーを非極性溶媒中で化学重合(いわゆるin−situ重合)させ、上記導電性高分子を上記多孔質炭素材料の表面に生成させることにより製造することができる。
<Method for producing composite>
As described above, the composite of the present invention is obtained by chemically polymerizing a monomer in a nonpolar solvent (so-called in-situ polymerization) in the presence of the porous carbon material, and converting the conductive polymer into the porous carbon material. It can be produced by generating on the surface of the material.

また、本発明の複合体は、電極材料に用いた際の電気化学的な安定性が高くなる理由から、多孔質炭素材料の表面に生成させた導電性高分子が脱ドープ処理によりドーパントが取り除かれているのが好ましい。
ここで、脱ドープする方法は、脱ドープとともにモノマーの化学重合(酸化重合)の停止を同時に行うことができる観点から、ドーパントを中和する塩基処理を施す方法が好ましい。
In addition, the composite of the present invention has high electrochemical stability when used as an electrode material, so that the conductive polymer formed on the surface of the porous carbon material is dedoped to remove the dopant. It is preferable.
Here, the method of dedoping is preferably a method of performing a base treatment for neutralizing the dopant from the viewpoint that the chemical polymerization (oxidation polymerization) of the monomer can be stopped simultaneously with the dedoping.

上記塩基処理としては、具体的には、例えば、複合体に塩基性物質を作用させる方法;複合体と塩基性物質を溶解させた水および/または有機溶媒とを混合する方法;複合体と塩基性物質の気体を接触させる方法;等が挙げられる。
また、上記塩基性物質としては、具体的には、例えば、アンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの金属水酸化物;メチルアミン、エチルアミン、トリエチルアミンなどのアミン;水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウムなどの水酸化アルキルアンモニウム;ヒドラジン、フェニルヒドラジンなどのヒドラジン化合物;ジエチルヒドロキシルアミン、ジベンジルヒドロキシルアミンなどのヒドロキシルアミン化合物;等が挙げられる。
また、上記有機溶媒としては、上記塩基性物質が溶解するものであれば特に限定されず、その具体例としては、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類;ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素類;クロロホルム、ジクロロメタンなどのハロゲン化炭化水素;酢酸エチル、酢酸ブチルなどエステル類;メタノール、エタノールなどのアルコール類;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類;ジメチルホルムアミドなどのアミド類;炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルなどの炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類;アセトニトリル、プロピオノニトリルなどのニトリル類;N−メチル−2−ピロリドン;等が挙げられる。
Specific examples of the base treatment include a method of allowing a basic substance to act on the complex; a method of mixing the complex with water and / or an organic solvent in which the basic substance is dissolved; and a complex and a base. And the like.
Specific examples of the basic substance include metal hydroxides such as ammonia water, sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, magnesium hydroxide, and calcium hydroxide; methylamine, ethylamine, Amines such as triethylamine; alkylammonium hydroxides such as tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide; hydrazine compounds such as hydrazine and phenylhydrazine; hydroxylamine compounds such as diethylhydroxylamine and dibenzylhydroxylamine; and the like.
The organic solvent is not particularly limited as long as it dissolves the basic substance. Specific examples thereof include aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene; aliphatics such as hexane, heptane and cyclohexane. Hydrocarbons; halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloromethane; esters such as ethyl acetate and butyl acetate; alcohols such as methanol and ethanol; sulfoxides such as dimethyl sulfoxide; amides such as dimethylformamide; propylene carbonate and dimethyl carbonate And carbonate esters such as diethyl carbonate; lactones such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; nitriles such as acetonitrile and propiononitrile; N-methyl-2-pyrrolidone; and the like.

〔電極材料〕
本発明の電極材料は、上述した本発明の複合体を活物質として用いる電極材料であり、具体的には、後述する本発明の電気二重層キャパシタの分極性電極の材料、リチウムイオン二次電池の負極の材料、および、リチウムイオンキャパシタの正極および/または負極の材料として用いることができる。
[Electrode material]
The electrode material of the present invention is an electrode material using the composite of the present invention described above as an active material. Specifically, the material of the polarizable electrode of the electric double layer capacitor of the present invention described later, a lithium ion secondary battery It can be used as a negative electrode material and a positive electrode and / or negative electrode material of a lithium ion capacitor.

〔電気二重層キャパシタ〕
本発明の電気二重層キャパシタは、上述した本発明の電極材料を用いて形成した分極性電極を有する電気二重層キャパシタである。
[Electric double layer capacitor]
The electric double layer capacitor of the present invention is an electric double layer capacitor having a polarizable electrode formed using the electrode material of the present invention described above.

〔リチウムイオン二次電池〕
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述した本発明の電極材料を用いて形成した負極を有するリチウムイオン二次電池である。
[Lithium ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery having a negative electrode formed using the electrode material of the present invention described above.

〔リチウムイオンキャパシタ〕
本発明のリチウムイオンキャパシタは、上述した本発明の電極材料を用いて形成した正極および/または負極を有するリチウムイオンキャパシタである。
[Lithium ion capacitor]
The lithium ion capacitor of the present invention is a lithium ion capacitor having a positive electrode and / or a negative electrode formed using the electrode material of the present invention described above.

ここで、本発明の電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池およびリチウムイオンキャパシタ(以下、「本発明の電気二重層キャパシタ等」という。)における分極性電極、正極および負極としては、例えば、本発明の複合体と集電体(例えば、白金、銅、ニッケル、アルミニウム等)とで構成することができる。
また、上記分極性電極は、上述した導電性高分子を含有しているため、結着剤や導電助剤は必ずしも必要ではないが、必要に応じて使用してもよい。なお、結着剤や導電助剤を使用する場合、上述した導電性高分子および多孔質炭素材料とともに結着剤や導電助剤を用いて本発明の電極材料としてもよい。
Here, as the polarizable electrode, the positive electrode and the negative electrode in the electric double layer capacitor, lithium ion secondary battery and lithium ion capacitor of the present invention (hereinafter referred to as “the electric double layer capacitor of the present invention”), for example, It can be comprised with the composite_body | complex of invention and a collector (for example, platinum, copper, nickel, aluminum, etc.).
Moreover, since the polarizable electrode contains the above-described conductive polymer, a binder and a conductive auxiliary agent are not necessarily required, but may be used as necessary. In addition, when using a binder and a conductive support agent, it is good also as an electrode material of this invention using a binder and a conductive support agent with the conductive polymer and porous carbon material which were mentioned above.

上記結着剤としては、具体的には、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロオレフィン共重合体、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
上記導電助剤としては、具体的には、例えば、カーボンブラック(特に、アセチレンブラックやケッチェンブラック)、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、ナノ炭素材料、酸化ルテニウム、金属ファイバー(例えば、アルミニウムやニッケルなど)等が挙げられる。
Specific examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, a fluoroolefin copolymer, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyvinyl pyrrolidone, and polymethyl methacrylate.
Specific examples of the conductive auxiliary include carbon black (especially acetylene black and ketjen black), natural graphite, thermally expanded graphite, carbon fiber, nanocarbon material, ruthenium oxide, metal fiber (for example, aluminum) And nickel).

また、本発明の電気二重層キャパシタ等は、上記分極性電極に上述した本発明の電極材料(複合体)を用いる以外は、従来公知の構成(例えば、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる黒鉛などの活物質を含む負極およびリチウム塩支持電解質を含む非プロトン性有機溶媒から構成される電解液等)を採用することができ、従来公知の製造方法により製造することができる。   Further, the electric double layer capacitor of the present invention can reversibly occlude / release lithium ions except that the above-described electrode material (composite) of the present invention is used for the polarizable electrode. An electrolytic solution composed of a negative electrode containing an active material such as graphite and an aprotic organic solvent containing a lithium salt supporting electrolyte can be employed, and can be produced by a conventionally known production method.

以下、実施例を示して、本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these.

<参考例1:複合体1の作製>
(ポリアニリントルエン分散液の調製)
トルエン200gにアニリン1.2g、ドデシルベンスルホン酸2.6gおよび分子量調整剤(末端封止剤)として2,4,6−トリメチルアニリン0.26g(アニリンに対して0.15当量)を溶解させた後、6N塩酸2.2mLを溶解した蒸留水100gを加えた。
この混合溶液にテトラブチルアンモニウムブロマイド0.36gを添加し、5℃以下に冷却した後、過硫酸アンモニウム3.52gを溶解させた蒸留水80gを加えた。
5℃以下の状態で6時間酸化重合を行なった後、トルエン100g、ついでメタノール水混合溶媒(水/メタノール=2/3(質量比))を加え撹拌を行なった。
撹拌終了後、トルエン層を水層に分離した反応溶液のうち、水層のみを除去することによりポリアニリントルエン分散液1を得た。
ポリアニリントルエン分散液1を一部採取し、トルエンを真空留去したところ分散液中に固形分1.2質量%(ポリアニリン含有量:0.4質量%、ポリアニリン数平均分子量:7800)が含まれていた。
また、この分散液を孔径1.0μmのフィルターでろ過したところ目詰まりすることはなく、分散液中のポリアニリン粒子の粒子径を超音波粒度分布測定器(APS−100、Matec Applied Sciences社製)で解析した結果、粒度分布は単分散(ピーク値:0.19μm、半値幅:0.10μm)であることが分かった。
更に、この分散液は室温1年間経過した後も凝集、沈殿することはなく安定であった。元素分析からドデシルベンゼンスルホン酸のアニリンモノマーユニット当りのモル比は0.45であった。得られたポリアニリンの収率は95%であった。
<Reference Example 1: Production of composite 1>
(Preparation of polyaniline toluene dispersion)
In 200 g of toluene, 1.2 g of aniline, 2.6 g of dodecylbensulfonic acid, and 0.26 g of 2,4,6-trimethylaniline (0.15 equivalent to aniline) as a molecular weight regulator (end-capping agent) are dissolved. Thereafter, 100 g of distilled water in which 2.2 mL of 6N hydrochloric acid was dissolved was added.
After adding 0.36 g of tetrabutylammonium bromide to this mixed solution and cooling to 5 ° C. or lower, 80 g of distilled water in which 3.52 g of ammonium persulfate was dissolved was added.
After oxidative polymerization at 5 ° C. or less for 6 hours, 100 g of toluene and then a methanol / water mixed solvent (water / methanol = 2/3 (mass ratio)) were added and stirred.
After the stirring, polyaniline toluene dispersion 1 was obtained by removing only the aqueous layer from the reaction solution obtained by separating the toluene layer into the aqueous layer.
A part of the polyaniline toluene dispersion 1 was collected and the toluene was distilled off under vacuum. As a result, the dispersion contained 1.2% by mass of solids (polyaniline content: 0.4% by mass, polyaniline number average molecular weight: 7800). It was.
Moreover, when this dispersion was filtered with a filter having a pore size of 1.0 μm, clogging did not occur, and the particle size of the polyaniline particles in the dispersion was measured using an ultrasonic particle size distribution analyzer (APS-100, manufactured by Matec Applied Sciences). As a result, it was found that the particle size distribution was monodisperse (peak value: 0.19 μm, half width: 0.10 μm).
Furthermore, this dispersion was stable without agglomeration and precipitation even after 1 year at room temperature. From the elemental analysis, the molar ratio of dodecylbenzenesulfonic acid per aniline monomer unit was 0.45. The yield of polyaniline obtained was 95%.

(複合体1の作製)
300gのポリアニリントルエン分散液(ポリアニリン含有量:1.2g)に、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)8gを添加することにより混合分散液を得た。
この混合分散液に2モル/リットルのトリエチルアミンメタノール溶液6mLを添加した後、5時間撹拌混合行なった。
撹拌終了後、沈殿物を濾別回収し、メタノールで洗浄した。この時の濾液および洗浄液は、無色透明であった。
洗浄精製された沈殿物を真空乾燥することによりポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体1」という。)を作製した。
(Preparation of composite 1)
Mixing by adding 8 g of activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group content: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) to 300 g of polyaniline toluene dispersion (polyaniline content: 1.2 g) A dispersion was obtained.
6 mL of a 2 mol / liter triethylamine methanol solution was added to the mixed dispersion, and the mixture was stirred and mixed for 5 hours.
After completion of the stirring, the precipitate was collected by filtration and washed with methanol. The filtrate and washing liquid at this time were colorless and transparent.
The washed and purified precipitate was vacuum dried to prepare a polyaniline / activated carbon composite (hereinafter referred to as “composite 1”).

<参考例2:複合体2の作製>
300gのポリアニリントルエン分散液(ポリアニリン含有量:1.2g)に、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)40gを添加した混合分散液を用いた以外は、参考例1と同様の方法により、ポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体2」という。)を作製した。
<Reference Example 2: Production of composite 2>
A mixed dispersion obtained by adding 40 g of activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, amount of acidic functional group: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) to 300 g of polyaniline toluene dispersion (polyaniline content: 1.2 g) A polyaniline / activated carbon composite (hereinafter referred to as “composite 2”) was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that was used.

<比較例1:複合体3の作製>
市販品ポリアニリン粉末(数平均分子量:3800、アルドリッチ社製)1.2gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)298.8gに溶解させることによりポリアニリンNMP溶液(ポリアニリン重含有量0.4質量%)を調製した。
300gのポリアニリンNMP溶液(ポリアニリン含有量:1.2g)に、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)8gを添加することにより混合分散液を得た。
混合分散液からNMPを加熱、真空留去することにより、ポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体3」という。)を作製した。
<Comparative Example 1: Production of composite 3>
By dissolving 1.2 g of commercially available polyaniline powder (number average molecular weight: 3800, manufactured by Aldrich) in 298.8 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), a polyaniline NMP solution (polyaniline heavy content 0.4 mass%) ) Was prepared.
Mixing and dispersing by adding 8 g of activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) to 300 g of polyaniline NMP solution (polyaniline content: 1.2 g) A liquid was obtained.
A polyaniline / activated carbon composite (hereinafter, referred to as “composite 3”) was prepared by heating NMP from the mixed dispersion and vacuum distillation.

<実施例1:複合体4の作製>
トルエン200gに、アニリン1.2g、ドデシルベンスルホン酸2.6gおよび分子量調整剤(末端封止剤)として2,4,6−トリメチルアニリン0.26g(アニリンに対して0.15当量)を溶解させた後、6N塩酸2.2mLを溶解させた蒸留水100gを加えた。
この混合溶液にテトラブチルアンモニウムブロマイド0.36gを添加し、5℃以下に冷却した後、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)8gを加え、更に過硫酸アンモニウム3.52gを溶解させた蒸留水80gを加えた。
5℃以下の状態で6時間酸化重合を行なった後、トルエン100g、ついでメタノール水混合溶媒(水/メタノール=2/3(質量比))を加え撹拌を行なった。
撹拌終了後、トリエチルアミン1gを加えた後、ろ過し、80℃、24時間、真空乾燥することによりポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体4」という。)を作製した。
<Example 1: Production of composite 4>
In 200 g of toluene, 1.2 g of aniline, 2.6 g of dodecylbensulfonic acid and 0.26 g of 2,4,6-trimethylaniline (0.15 equivalents relative to aniline) as a molecular weight regulator (terminal blocking agent) are dissolved. After that, 100 g of distilled water in which 2.2 mL of 6N hydrochloric acid was dissolved was added.
After adding 0.36 g of tetrabutylammonium bromide to this mixed solution and cooling to 5 ° C. or lower, activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) 8 g Further, 80 g of distilled water in which 3.52 g of ammonium persulfate was dissolved was added.
After oxidative polymerization at 5 ° C. or less for 6 hours, 100 g of toluene and then a methanol / water mixed solvent (water / methanol = 2/3 (mass ratio)) were added and stirred.
After completion of the stirring, 1 g of triethylamine was added, followed by filtration and vacuum drying at 80 ° C. for 24 hours to prepare a polyaniline / activated carbon composite (hereinafter referred to as “complex 4”).

<実施例2:複合体5の作製>
活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)を40g加えた以外は、複合体4と同様の方法により、ポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体5」という。)を作製した。
<Example 2: Production of composite 5>
A polyaniline / activated carbon composite (hereinafter, referred to as “composite 4”) was added in the same manner as composite 4 except that 40 g of activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) was added. "Composite 5") was prepared.

<実施例3:複合体6の作製>
トルエン200gに、アニリン1.2g、ドデシルベンスルホン酸2.6gおよび分子量調整剤(末端封止剤)として2,4,6−トリメチルアニリン0.26g(アニリンに対して0.20当量)を溶解させた後、6N塩酸2.2mLを溶解させた蒸留水100gを加えた。
この混合溶液にテトラブチルアンモニウムブロマイド0.36gを添加し、5℃以下に冷却した後、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)8gを加え、更に過硫酸アンモニウム3.52gを溶解させた蒸留水80gを加えた。
5℃以下の状態で6時間酸化重合を行なった後、トルエン100g、ついでメタノール水混合溶媒(水/メタノール=2/3(質量比))を加え撹拌を行なった。
撹拌終了後、トリエチルアミン1gを加えた後、ろ過し、80℃、24時間、真空乾燥することによりポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体6」という。)を作製した。
<Example 3: Production of composite 6>
In 200 g of toluene, 1.2 g of aniline, 2.6 g of dodecylbensulfonic acid and 0.26 g of 2,4,6-trimethylaniline (0.20 equivalent to aniline) as a molecular weight modifier (end-capping agent) are dissolved. After that, 100 g of distilled water in which 2.2 mL of 6N hydrochloric acid was dissolved was added.
After adding 0.36 g of tetrabutylammonium bromide to this mixed solution and cooling to 5 ° C. or lower, activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) 8 g Further, 80 g of distilled water in which 3.52 g of ammonium persulfate was dissolved was added.
After oxidative polymerization at 5 ° C. or less for 6 hours, 100 g of toluene and then a methanol / water mixed solvent (water / methanol = 2/3 (mass ratio)) were added and stirred.
After the completion of stirring, 1 g of triethylamine was added, followed by filtration and vacuum drying at 80 ° C. for 24 hours to prepare a polyaniline / activated carbon composite (hereinafter referred to as “complex 6”).

<比較例2:複合体7の作製>
市販ポリアニリン分散液(キシレン溶液、固形分濃度:2質量%、オルメコン社製NX−B001)50gに、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)8gを添加することにより混合分散液を得た。
この混合分散液に2モル/リットルのトリエチルアミンメタノール溶液6mLを添加した後、5時間撹拌混合した。撹拌終了後、沈殿物を濾別回収し、メタノールで洗浄した。
洗浄精製された沈殿物を真空乾燥することによりポリアニリン/活性炭複合体(以下、「複合体7」という。)を作製した。
<Comparative Example 2: Production of composite 7>
50 g of a commercially available polyaniline dispersion (xylene solution, solid content concentration: 2 mass%, NX-B001 manufactured by Olmecon), activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, Kuraray Chemical Co., Ltd.) A mixed dispersion was obtained by adding 8 g.
6 mL of a 2 mol / liter triethylamine methanol solution was added to the mixed dispersion, and then stirred and mixed for 5 hours. After completion of the stirring, the precipitate was collected by filtration and washed with methanol.
The washed and purified precipitate was vacuum-dried to prepare a polyaniline / activated carbon composite (hereinafter referred to as “complex 7”).

得られた複合体1〜7について、比表面積(BET法)、および、X線光電子分光装置(型番:Quanter SMX、ULVAC−PHI社製)を用いて観測されるXPSスペクトルの窒素由来のピークをイミン由来のピーク(398.5±0.75ev)とアミン由来のピーク(399.5±0.75ev)と四級窒素(401.0±0.75ev)と酸化物(402.9±0.75ev)に分離した際のイミン由来のピークの比率(イミン比率)を算出した。これらの結果を活性炭およびポリアニリンの含有量(仕込み量)とともに下記第1表に示す。
また、得られた複合体1〜7について、高速比表面積/細孔分布測定装置(型番:アサップ2020、島津マイクロメリティック社製)を用いて、細孔容積を測定した。具体的には、150℃で6時間乾燥した後、吸着ガスとして窒素ガス、冷媒として液体窒素を用いて、Horvath-Kawazoe法およびBJH法による全細孔容積、直径2.0nm以上20.0nm未満の細孔の細孔容積および直径0.5nm以上2.0nm未満の細孔の細孔容積を測定し、これらの測定結果から各細孔容積の細孔容積比率を算出した。これらの結果を下記第1表に示す。
なお、複合体3については、直径2.0nm以上20.0nm未満の細孔の細孔容積が小さく、測定不能であったため、下記第1表においては、「−」と表記している。
また、下記第1表には、参考値として、活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)の比表面積(BET法)等についても示す。
About the obtained composites 1-7, the nitrogen-derived peak of the XPS spectrum observed using a specific surface area (BET method) and an X-ray photoelectron spectrometer (model number: Quanta SMX, manufactured by ULVAC-PHI) The peak derived from imine (398.5 ± 0.75 ev), the peak derived from amine (399.5 ± 0.75 ev), quaternary nitrogen (401.0 ± 0.75 ev) and oxide (402.9 ± 0. The ratio of imine-derived peaks (imine ratio) when separated into 75 ev) was calculated. These results are shown in Table 1 below together with the contents (charge amounts) of activated carbon and polyaniline.
Moreover, about the obtained composites 1-7, the pore volume was measured using the high-speed specific surface area / pore distribution measuring apparatus (model number: Asap 2020, Shimadzu Micromeritic Co., Ltd.). Specifically, after drying at 150 ° C. for 6 hours, the total pore volume by the Horvath-Kawazoe method and the BJH method using a nitrogen gas as an adsorption gas and a liquid nitrogen as a refrigerant, a diameter of 2.0 nm or more and less than 20.0 nm The pore volume of each pore and the pore volume of a pore having a diameter of 0.5 nm or more and less than 2.0 nm were measured, and the pore volume ratio of each pore volume was calculated from these measurement results. These results are shown in Table 1 below.
In addition, since the pore volume of the pores having a diameter of 2.0 nm or more and less than 20.0 nm was small for the composite 3 and measurement was impossible, “−” is shown in Table 1 below.
In addition, the following Table 1 also shows the specific surface area (BET method) of activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) and the like as reference values. .

<評価用電極の作製:参考例1−1〜1−4、比較例1−1〜1−2、実施例1−1〜1−3>
上記複合体1〜7または活性炭(NK260、比表面積:2000m2/g、酸性官能基量:0.1mmol、クラレケミカル社製)または黒鉛(バルクメソフェーズ黒鉛、JFEケミカル社製)に対して、導電助剤(アセチレンブラック、電気化学工業社製)、および、結着剤(カルボキシメチルセルロース、アルドリッチ社製)を下記第2表に示す組成比で、混合分散させた後、水を徐々に加えながら更に混合してペースト状にした。
このペーストをアルミニウム集電箔(30μm厚)に、厚さが60μmとなるように塗布した後、150℃で24時間乾燥させた。このシート状の電極を20MPaで加圧処理した後、ディスク状(直径1cm)に切り出し、評価用電極A〜Iを作製した。
<Production of Evaluation Electrodes: Reference Examples 1-1 to 1-4, Comparative Examples 1-1 to 1-2, and Examples 1-1 to 1-3>
Conductivity for the above composites 1 to 7 or activated carbon (NK260, specific surface area: 2000 m 2 / g, acidic functional group amount: 0.1 mmol, manufactured by Kuraray Chemical Co.) or graphite (bulk mesophase graphite, manufactured by JFE Chemical Co., Ltd.) An auxiliary agent (acetylene black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and a binder (carboxymethyl cellulose, manufactured by Aldrich Co., Ltd.) were mixed and dispersed at the composition ratio shown in Table 2 below. Mixed to paste.
This paste was applied to an aluminum current collector foil (30 μm thickness) to a thickness of 60 μm, and then dried at 150 ° C. for 24 hours. This sheet-like electrode was pressure-treated at 20 MPa, and then cut into a disk shape (diameter 1 cm) to prepare evaluation electrodes A to I.

<電気二重層キャパシタ:参考例2−1〜2−3、比較例2−1〜2−2、実施例2−1〜2−3>
参考例2−1は、両極とも活性炭から作製された評価用電極Aを使用した。
また、参考例2−2〜2−3は、それぞれ、正極として複合体1および2から作製された評価用電極CおよびDを使用し、負極として活性炭から作製された評価用電極Aを使用した。
また、比較例2−1は、正極として複合体3から作製された評価用電極Eを使用し、負極として活性炭から作製された評価用電極Aを使用した。
また、比較例2−2は、正極として複合体7から作製された評価用電極Iを使用し、負極として活性炭から作製された評価用電極Aを使用した。
また、実施例2−1〜2−3は、それぞれ、正極として複合体4〜6から作製された評価用電極F〜Hを使用し、負極として活性炭から作製された評価用電極Aを使用した。
なお、正負極は、ガラス繊維製セパレーター(日本板硝子社製)を介して対向させ、1mol/Lテトラエチルアンモニムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を電解液として用いて電気二重層キャパシタを作製した。
<Electric Double Layer Capacitors: Reference Examples 2-1 to 2-3, Comparative Examples 2-1 to 2-2, Examples 2-1 to 2-3>
In Reference Example 2-1, an electrode A for evaluation made of activated carbon was used for both electrodes.
Reference Examples 2-2 to 2-3 used evaluation electrodes C and D prepared from composites 1 and 2 as positive electrodes, respectively, and used evaluation electrodes A prepared from activated carbon as negative electrodes. .
In Comparative Example 2-1, an evaluation electrode E produced from the composite 3 was used as the positive electrode, and an evaluation electrode A produced from activated carbon was used as the negative electrode.
In Comparative Example 2-2, the evaluation electrode I made from the composite 7 was used as the positive electrode, and the evaluation electrode A made from activated carbon was used as the negative electrode.
In addition, Examples 2-1 to 2-3 used evaluation electrodes F to H prepared from the composites 4 to 6 as positive electrodes, and used evaluation electrodes A prepared from activated carbon as the negative electrodes. .
The positive and negative electrodes were opposed to each other through a glass fiber separator (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.), and an electric double layer capacitor was produced using a 1 mol / L tetraethylammonium tetrafluoroborate propylene carbonate solution as an electrolyte.

<リチウムイオンキャパシタ:参考例3−1〜3−3、比較例3−1、実施例3−1〜3−3>
参考例3−1は、正極として活性炭から作製された評価用電極Aを使用し、負極として黒鉛から作製された評価用電極Bを使用した。
また、参考例3−2〜3−3は、それぞれ、正極として複合体1および2から作製された評価用電極CおよびDを使用し、負極として黒鉛から作製された評価用電極Bを使用した。
また、比較例3−1は、正極として複合体3から作製された評価用電極Eを使用し、負極として黒鉛から作製された評価用電極Bを使用した。
また、実施例3−1〜3−3は、それぞれ、正極として複合体4〜6から作製された評価用電極F〜Hを使用し、負極として黒鉛から作製された評価用電極Bを使用した。
具体的には、まず、上述した正極および負極をセパレータを介して積層し、150℃で12時間真空乾燥した。
次いで、両極の外側に1枚ずつセパレータを配置して4辺を密封し、リチウムイオンキャパシタ素子を作製した。
次いで、負極活物質質量に対してドープ量が350mAh/gのイオン供給になるような金属リチウムを、厚さ70μmの銅ラスに圧着し、負極と対向するように上記リチウムイオンキャパシタ素子の最外部に1枚配置した。
金属リチウムを配置したリチウムイオンキャパシタ素子を外装ラミネートフィルムへ挿入させた後、プロピレンカーボネートにLiPF6を1.2M溶解した電解液を真空条件下で含浸させた。
その後、外装ラミネートフィルムを熱融着し、真空条件下で封止し、リチウムイオンキャパシタセルを組立てた。
<Lithium ion capacitor: Reference Examples 3-1 to 3-3, Comparative Example 3-1, Examples 3-1 to 3-3>
In Reference Example 3-1, an evaluation electrode A made from activated carbon was used as the positive electrode, and an evaluation electrode B made from graphite was used as the negative electrode.
Reference Examples 3-2 to 3-3 used evaluation electrodes C and D made from composites 1 and 2 as the positive electrode, and used evaluation electrode B made from graphite as the negative electrode. .
In Comparative Example 3-1, an evaluation electrode E produced from the composite 3 was used as the positive electrode, and an evaluation electrode B produced from graphite was used as the negative electrode.
Examples 3-1 to 3-3 used evaluation electrodes F to H made from the composites 4 to 6 as the positive electrode, and used an evaluation electrode B made from graphite as the negative electrode. .
Specifically, first, the positive electrode and the negative electrode described above were laminated via a separator and vacuum-dried at 150 ° C. for 12 hours.
Next, one separator was placed on the outside of each electrode, and the four sides were sealed to produce a lithium ion capacitor element.
Next, metallic lithium capable of supplying ions with a doping amount of 350 mAh / g with respect to the mass of the negative electrode active material is pressure-bonded to a copper lath having a thickness of 70 μm, and the outermost portion of the lithium ion capacitor element is opposed to the negative electrode. One was placed in the.
After inserting the lithium ion capacitor element in which metallic lithium was arranged into the exterior laminate film, an electrolyte solution in which 1.2 M LiPF 6 was dissolved in propylene carbonate was impregnated under vacuum conditions.
Thereafter, the exterior laminate film was heat-sealed and sealed under vacuum conditions to assemble a lithium ion capacitor cell.

<静電容量およびサイクル特性>
(電気二重層キャパシタ)
作製した電気二重層キャパシタの充放電試験を充放電試験機(HJ1001SM8A、北斗電社工製)を用いて行なった。充電は、60℃下、2mAの定電流で行い、電圧が3.0Vに達した後は定電圧充電で1時間充電を行なった。放電は、60℃下、2mAの定電流で行い、終止電圧を0Vとした。
充放電試験を5000回繰り返し、10回目の放電における正極材料あたりの静電容量を初期静電容量(正極の単位重量当たりの静電容量)とし、初期静電容量に対する静電容量維持率を求めた。この結果を下記第3表に示す。
(リチウムイオンキャパシタ)
リチウムイオンキャパシタセルの充放電試験については、充放電試験機(HJ1001SM8A、北斗電工社製)を用いて行った。
具体的には、まず、2mAの定電流で、セル電圧が3.8Vになるまで充電した後、3.8Vの定電圧を1時間印加して、定電流−定電圧充電を行った。
次いで、2mAの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。
その後、セル電圧3.8V、60℃の条件下にて、10000時間の連続充電試験を行った。10000時間経過した後に電圧印加を止め、25℃で10時間放置した後、3.8V−2.2Vの充放電サイクルを5000回行って静電容量を算出し、1回目の放電における正極材料あたりの静電容量を初期静電容量(正極の単位重量当たりの静電容量)とし、初期静電容量に対する静電容量維持率を求めた。この結果を下記第3表に示す。
<Capacitance and cycle characteristics>
(Electric double layer capacitor)
A charge / discharge test of the produced electric double layer capacitor was performed using a charge / discharge tester (HJ1001SM8A, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.). Charging was performed at 60 ° C. with a constant current of 2 mA. After the voltage reached 3.0 V, charging was performed with constant voltage charging for 1 hour. The discharge was performed at a constant current of 2 mA at 60 ° C., and the final voltage was 0V.
The charge / discharge test is repeated 5000 times, and the capacitance per positive electrode material in the 10th discharge is defined as the initial capacitance (capacitance per unit weight of the positive electrode), and the capacitance maintenance ratio with respect to the initial capacitance is obtained. It was. The results are shown in Table 3 below.
(Lithium ion capacitor)
The charge / discharge test of the lithium ion capacitor cell was performed using a charge / discharge tester (HJ1001SM8A, manufactured by Hokuto Denko).
Specifically, first, charging was performed at a constant current of 2 mA until the cell voltage reached 3.8 V, and then a constant voltage of 3.8 V was applied for 1 hour to perform constant current-constant voltage charging.
Next, the battery was discharged at a constant current of 2 mA until the cell voltage reached 2.2V.
Thereafter, a continuous charge test for 10,000 hours was performed under the conditions of a cell voltage of 3.8 V and 60 ° C. After 10,000 hours have passed, the voltage application was stopped, and the sample was allowed to stand at 25 ° C. for 10 hours. Then, the charge / discharge cycle of 3.8V-2.2V was performed 5000 times to calculate the capacitance, and the positive electrode material per discharge at the first discharge Was determined as an initial capacitance (capacitance per unit weight of the positive electrode), and a capacitance retention ratio with respect to the initial capacitance was determined. The results are shown in Table 3 below.

上記第1表〜第3表に示す結果から、全細孔容積が0.3〜3.0cm3/gの範囲であっても、ミクロ細孔の細孔容積比率が小さい複合体1および2(評価電極CおよびD)は、活性炭(評価電極A)を用いた場合よりも静電容量の維持率は高くなるが、90%を下回っており、改善の余地があることが分かった(参考例2−2、参考例2−3、参考例3−2、参考例3−3)。
また、上述したようにメソ細孔の細孔容積が小さく、測定不能であった複合体3(評価電極E)は、活性炭(評価電極A)を用いた場合よりも、かえって静電容量が低くなり、その維持率も劣ることが分かった(比較例2−1、比較例3−1)。
また、全細孔容積が0.3〜3.0cm3/gの範囲であっても、メソ細孔およびミクロ細孔の細孔容積比率が小さい複合体7(評価電極I)は、活性炭(評価電極A)を用いた場合よりも、かえって静電容量が低くなり、その維持率も劣ることが分かった(比較例2−2)。
これに対し、全細孔容積、ミクロ細孔の細孔容積比率およびメソ細孔の細孔容積比率がいずれも所定の範囲となる複合体4〜6(評価電極F〜H)を用いると、活性炭(評価電極A)を用いた場合よりも、静電容量が高くなり、サイクル特性にも優れることが分かった(実施例2−1〜2−3、実施例3−1〜3−3)。
From the results shown in Tables 1 to 3, the composites 1 and 2 having a small pore volume ratio of micropores even when the total pore volume is in the range of 0.3 to 3.0 cm 3 / g. (Evaluation electrodes C and D) have a higher retention rate of capacitance than when activated carbon (evaluation electrode A) is used, but it is below 90%, indicating that there is room for improvement (reference) Example 2-2, Reference Example 2-3, Reference Example 3-2, Reference Example 3-3).
In addition, as described above, the composite 3 (evaluation electrode E), which has a small mesopore volume and was not measurable, has a lower capacitance than when activated carbon (evaluation electrode A) is used. It turned out that the maintenance rate is also inferior (Comparative Example 2-1 and Comparative Example 3-1).
Even when the total pore volume is in the range of 0.3 to 3.0 cm 3 / g, the composite 7 (evaluation electrode I) having a small pore volume ratio of mesopores and micropores is activated carbon ( It was found that the capacitance was rather lower than the case where the evaluation electrode A) was used, and the maintenance rate was inferior (Comparative Example 2-2).
On the other hand, when composites 4 to 6 (evaluation electrodes F to H) in which the total pore volume, the pore volume ratio of micropores, and the pore volume ratio of mesopores are all in a predetermined range are used, It turned out that an electrostatic capacitance becomes higher than the case where activated carbon (evaluation electrode A) is used, and it is excellent also in cycling characteristics (Examples 2-1 to 2-3, Examples 3-1 to 3-3). .

Claims (8)

窒素原子を有する導電性高分子と多孔質炭素材料との複合体であって、
前記導電性高分子が、前記多孔質炭素材料の表面に結合しており、
Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5〜100.0nmの直径を有する全細孔の全細孔容積が、0.3〜3.0cm3/gであり、
BJH法で測定した2.0nm以上20.0nm未満の直径を有する細孔の細孔容積の比率が、前記全細孔容積に対して10〜30%であり、
Horvath−Kawazoe法およびBJH法で測定した0.5nm以上2.0nm未満の直径を有する細孔の細孔容積の比率が、前記全細孔容積に対して70〜90%である複合体。
A composite of a conductive polymer having a nitrogen atom and a porous carbon material,
The conductive polymer is bonded to the surface of the porous carbon material;
The total pore volume of all the pores having a diameter of 0.5 to 100.0 nm measured by Horvath-Kawazoe method and BJH method is 0.3 to 3.0 cm 3 / g,
The ratio of the pore volume of pores having a diameter of 2.0 nm or more and less than 20.0 nm measured by the BJH method is 10 to 30% with respect to the total pore volume,
The composite_body | complex whose ratio of the pore volume of the pore which has the diameter of 0.5 nm or more and less than 2.0 nm measured by Horvath-Kawazoe method and BJH method is 70 to 90% with respect to the said total pore volume.
全比表面積が、500〜2500m2/gである請求項1に記載の複合体。 The composite according to claim 1, wherein the total specific surface area is 500 to 2500 m 2 / g. 前記導電性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリチアゾール、ポリキノキサリンおよびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種である請求項1または2に記載の複合体。   The composite according to claim 1 or 2, wherein the conductive polymer is at least one selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polypyridine, polyquinoline, polythiazole, polyquinoxaline, and derivatives thereof. 前記多孔質炭素材料が、活性炭および/または黒鉛である請求項1〜3のいずれかに記載の複合体。   The composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous carbon material is activated carbon and / or graphite. 請求項1〜4のいずれかに記載の複合体を用いた電極材料。   The electrode material using the composite_body | complex in any one of Claims 1-4. 請求項5に記載の電極材料を用いた分極性電極を有する電気二重層キャパシタ。   An electric double layer capacitor having a polarizable electrode using the electrode material according to claim 5. 請求項5に記載の電極材料を用いた負極を有するリチウムイオン二次電池。   A lithium ion secondary battery having a negative electrode using the electrode material according to claim 5. 請求項5に記載の電極材料を用いた正極および/または負極を有するリチウムイオンキャパシタ。   A lithium ion capacitor having a positive electrode and / or a negative electrode using the electrode material according to claim 5.
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