JP2014001093A - 多孔質炭素材料およびその製造方法、並びにそれを用いた電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が50%以上である多孔質炭素材料、その製造方法、および電気二重層キャパシタ。
【選択図】なし
Description
分極性電極に用いる活性炭の製造方法としては、有機酸マグネシウム等を原料として、これを焼成することにより炭素と酸化マグネシウム(MgO)の複合体を合成し、その酸処理によってMgOを溶出除去して多孔質炭素を合成する手法が提案されている(特許文献1参照)。この文献では、当該材料をキャパシタ電極に用いた場合でも極低温での動作については知見が得られていなかった。
EDLCの低温での挙動を改善する試みについての先行技術が見られるが、そのほとんどは電解液への添加剤の効果や、電解液あるいは電解質の代替物質の検討であり、炭素材料そのものの検討(例えば、特許文献2〜10参照)は多くないが、いずれの場合もマイナス25℃乃至マイナス30℃での低温試験を行ったものであり、それらの最低試験温度が実用上の使用下限温度に相当している。したがって、マイナス30℃より低温で作動するEDLCは知られていなかった。
EDLCの利用は急速に拡大しており、冬期の寒冷地における自動車等への搭載や、風力発電などと組み合わせて山間地に設置される場合など、マイナス30℃を下回る極低温での動作保証は喫緊の課題である。
(1)全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が50%以上であることを特徴とする多孔質炭素材料。
(2)クエン酸マグネシウムを不活性雰囲気下で500℃以上に加熱した後、冷却し酸洗浄して得られてなることを特徴とする(1)に記載の多孔質炭素材料。
(3)前記(1)または(2)に記載の多孔質炭素材料をバインダ樹脂により結合してなることを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料。
(4)前記(3)に記載の電気二重層キャパシタ用電極材料を電極に用いてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
(5)20℃における電力量に対して、−40℃以下における電力量保持率が90%以上であることを特徴とする(4)に記載の電気二重層キャパシタ。
(6)20℃における電力量に対して、−60℃以下における電力量保持率が70%以上であることを特徴とする(4)または(5)に記載の電気二重層キャパシタ。
(7)全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が50%以上である多孔質炭素材料の製造方法であって、クエン酸マグネシウムを不活性雰囲気下で500℃以上に加熱する加熱工程、冷却して酸洗浄する工程を有することを特徴とする多孔質炭素材料の製造方法。
(8)前記加熱工程が、500℃以上の保持温度までの昇温速度が1〜100℃/分であることを特徴とする(7)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(9)前記加熱工程が、500℃に到達後の500℃以上での保持時間が1〜5000分であることを特徴とする(7)または(8)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(10)前記冷却して酸洗浄する工程の後、表面酸素官能基を取り除く処理を行なうことを特徴とする(7)〜(9)のいずれか1項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
本発明の多孔質炭素材料は、全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合(メソ孔容積率)が50%以上である。
クエン酸マグネシウムを加熱により、炭素マトリックス中に酸化マグネシウム粒子が分散した複合材料を得る工程である。
クエン酸マグネシウムを加熱する加熱温度は、好ましくは500℃以上、より好ましくは800〜1000℃である。このような温度に加熱することにより、原料の熱分解が進行し、メソ孔の由来となるMgOが生成し,炭素骨格中のミクロ孔の形成が進む。また、電気二重層キャパシタ用電極として好適な電気抵抗が得られ、炭素骨格中の細孔の均一化にも有利である。
上記温度への昇温速度は好ましくは1〜100℃/分、より好ましくは5〜20℃/分である。このように昇温速度を調整することで、熱分解が安定に進行し、結晶化がより良好に進行する。
上記昇温後の温度で、好ましくは1〜5000分、より好ましくは30〜300分、さらに好ましくは60〜300分保持する。この保持時間により、炭素マトリックス中の軽元素の脱離が進行するので、結果的に得られる多孔質炭素材料の比表面積と細孔容積をコントロールすることができる。
この間の反応雰囲気は、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気下で行う。
上記で得られた燃焼試料を酸洗浄するために冷却する工程であり、室温(例えば20〜25℃)に冷却する。冷却方法は、特に制限されるものではないが、自然冷却で構わない。
上記の加熱工程で得られた炭素マトリックス中にMgO粒子が分散した複合材料から、MgO粒子を溶解除去し、多孔質炭素材料とする工程である。
MgO粒子の除去は、MgO粒子が溶解する方法、好ましくは酸、例えば硫酸、塩酸で処理することで除去できる。上記の炭素マトリックス中にMgO粒子が分散した複合材料を硫酸または塩酸水溶液に浸漬、洗浄しMgOをこの溶液に溶解する。通常、3時間以上洗浄操作を行なうことで、MgOを除去することができる。
上記の酸処理工程で処理した試料を純水で水洗し、酸の水溶液を完全に除去した後、乾燥する。
上記乾燥で得られた多孔質炭素材料をさらに不活性雰囲気下で、表面酸素官能基を取り除くために加熱による高純度化処理をすることが好ましい。
加熱温度は500℃以上が好ましく、800〜1200℃がより好ましく、900〜1100℃がさらに好ましい。またこのときの昇温速度は5℃/分が好ましく、加熱時間は1時間〜2時間が好ましい。
本発明の多孔質炭素材料の比表面積は、好ましくは200〜3000m2/g、より好ましくは600〜2200m2/g、さらに好ましくは1400〜2000m2/gである。
なお、比表面積はBET法(Brunauer−Emmett−Teller法)で求められる。
本発明の多孔質炭素材料の細孔は2〜50nmのメソ孔の率が高く、このような細孔を多く持つことで、電気二重層キャパシタ用電極としたときの電解液の浸透やイオンの移動に有利であり、レート特性が良好である。また、このメソ孔の率が高いことにより、極低温でも比容量の高いキャパシタ用電極とすることができる。
本発明の電気二重層キャパシタ用電極は、上記多孔質炭素材料をバインダ樹脂で結合してシート等の形状に成形したものである。バインダ樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など通常使用されるものを用いることができる。このとき適量のカーボンブラック等を添加することができる。電極の形状は特に制限はない。
[炭素多孔質材料の細孔特性]
(1)クエン酸マグネシウム〔二クエン酸三マグネシウム九水和物 Mg3(C6H5O7)2・9H2O〕をセラミックス製ボートに充填し、横型管状電気炉中にセットし、プログラム温度調節計によって、毎分10℃の昇温速度で900℃まで加熱した。900℃で1時間保持した後、自然冷却して焼成試料を得た。この間、反応雰囲気は高純度窒素(99.9999%以上)を流通させた。
実施例1では以下の(2)の処理、実施例2では以下の(2)および(3)の処理を行なった。
(3)上述の(2)を行なった試料を窒素気流中1000℃で熱処理し,表面酸素官能基を取り除く高純度化処理を施した。
得られた結果をまとめて表1に示す。
比表面積は、BET法(Brunauer−Emmett−Teller法)、全細孔容積は、相対圧0.95[−]における吸着等温線から得られる吸着容量であり、ミクロ孔容量は、DR法(Dubinin−Radushkevich法)、ミクロ孔容積は、HK法(Horvath_Kawazoe法)で求め、また、メソ孔容積、メソ孔容積率は、下記式によりそれぞれ算出した。
メソ孔容積率(%)=(メソ孔容積)÷(全細孔容積)×100
すなわち、本発明の多孔質炭素材料は、細孔分布中のメソ孔が極めて多い。
上記表1に示した多孔質炭素材料の試料(実施例1、2、比較例1)を10mg秤量し、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)10質量%、カーボンブラック10質量%とともにアセトンを滴下して混練し、圧延ローラーによって厚さ約0.1mmのシートを作成した。このシートから、直径10mmの円盤状に打錠した。成型した円盤状シートを作用極とし、アルミニウム集電材、参照電極として銀線を用いた三極式のラミネート型テストセルを制作した。電解液は、1mol/L テトラエチルアンモニウム四フッ化ホウ素/プロピレンカーボネート(TEABF4/PC)を用いた。電気化学測定は、0.2mA/cm2の電流密度で2.5−0Vの範囲で定電流充放電サイクルを繰り返し、6サイクル目の放電曲線より質量比容量を求めた。測定は、20℃、0℃、−20℃、−40℃、−60℃、−80℃の各温度で10時間保持してから行った。
容量保持率(%)は20℃における容量に対する、各測定温度での容量の比率%である。−40℃において、実施例1は93.7%、実施例2は91.9%の容量保持率であるのに対し、比較例1は75.6%である。−60℃以下ではその差はさらに顕著となり、比較例1では32.1%であるところ、実施例1は86.1%、実施例2は82.9%となり、実施例1、2ともに優れた特性を示している。また、−60℃での容量は、実施例1が24.6F/g、実施例2が22.0F/gであり、いずれも比較例1の20℃(室温)での容量24.1F/gに相当する値であり、実施例1、2が−60℃でも作動可能であることを示している。
このことから、本発明の多孔質炭素材料を電極として用いた場合、北米、欧米などの寒冷地や、航空宇宙、深海、極地などで使用可能となることがわかる。
Claims (10)
- 全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が50%以上であることを特徴とする多孔質炭素材料。
- クエン酸マグネシウムを不活性雰囲気下で500℃以上に加熱した後、冷却し酸洗浄して得られてなることを特徴とする請求項1に記載の多孔質炭素材料。
- 請求項1または2に記載の多孔質炭素材料をバインダ樹脂により結合してなることを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料。
- 請求項3に記載の電気二重層キャパシタ用電極材料を電極に用いてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
- 20℃における電力量に対して、−40℃以下における電力量保持率が90%以上であることを特徴とする請求項4に記載の電気二重層キャパシタ。
- 20℃における電力量に対して、−60℃以下における電力量保持率が70%以上であることを特徴とする請求項4または5に記載の電気二重層キャパシタ。
- 全細孔容積が1ml/g以上で、かつ全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が50%以上である多孔質炭素材料の製造方法であって、クエン酸マグネシウムを不活性雰囲気下で500℃以上に加熱する加熱工程、冷却して酸洗浄する工程を有することを特徴とする多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記加熱工程が、500℃以上の保持温度までの昇温速度が1〜100℃/分であることを特徴とする請求項7に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記加熱工程が、500℃に到達後の500℃以上での保持時間が1〜5000分であることを特徴とする請求項7または8に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記冷却して酸洗浄する工程の後、表面酸素官能基を取り除く処理を行なうことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
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