JP2016111222A - Electric double layer capacitor and electrode material and method of producing the same - Google Patents

Electric double layer capacitor and electrode material and method of producing the same Download PDF

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善行 須田
Yoshiyuki Suda
善行 須田
彰孝 水谷
Akitaka Mizutani
彰孝 水谷
滝川 浩史
Hiroshi Takigawa
浩史 滝川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material capable of increasing the specific capacity compared with active carbon and a production method thereof, and to provide a polarizable electrode of good conductivity, and an electric double layer capacitor using that electrode.SOLUTION: In a method of producing an electrode material, a carbon nanoballoon structure is formed by heat treating carbon black at a temperature of 2000°C or more, and it is furthermore activated by alkali activation. An electrode is manufactured of the activated material, and an electric double layer capacitor using it as a polarizable electrode is manufactured.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、電気二重層キャパシタの分極性電極に使用する電極材料およびその製造方法と、その電極材料によって作製された分極性電極を使用する電気二重層キャパシタに関するものである。   The present invention relates to an electrode material used for a polarizable electrode of an electric double layer capacitor, a manufacturing method thereof, and an electric double layer capacitor using a polarizable electrode made of the electrode material.

近年、ハイブリッド自動車に代表されるように、エネルギーを回生する省エネルギー関連技術が発展している。これは、専ら運動エネルギー(制動エネルギー)を電気エネルギーとして回生し、これを蓄電するものであるが、大電流の充放電が繰り返されることから二次電池等が大電流の充放電を繰り返すと劣化が進行する原因となり得るものであった。そこで、このような負荷をキャパシタによって負担させる方式が案出され、そのキャパシタとして電気二重層キャパシタが注目されつつある。   In recent years, as represented by hybrid vehicles, energy-saving technologies for regenerating energy have been developed. This regenerates kinetic energy (braking energy) as electrical energy and stores it, but it is deteriorated when a secondary battery or the like repeatedly charges and discharges a large current because charging and discharging a large current is repeated. Could be the cause of progress. In view of this, a method of causing such a load to be borne by a capacitor has been devised, and an electric double layer capacitor is drawing attention as the capacitor.

電気二重層キャパシタは、周知のとおり、誘電体を挟んだ分極性電極に電圧を印加することにより、電解液と電極との界面に電気二重層が形成されるものである。これを二次電池と比較すると、電気二重層キャパシタは酸化還元反応を生じさせないことから、大電流においても充放電が可能であること、長寿命であること、などの利点が挙げられる。特に、制動エネルギーを電気エネルギーとして回生する回生ブレーキをキャパシタで行うことにより、バッテリの充放電回数を少なくすることができることから、自動車等において搭載されつつある。   As is well known, an electric double layer capacitor is one in which an electric double layer is formed at the interface between an electrolyte and an electrode by applying a voltage to a polarizable electrode sandwiching a dielectric. Compared with a secondary battery, the electric double layer capacitor does not cause an oxidation-reduction reaction, and therefore has advantages such as being able to charge and discharge even at a large current and having a long life. In particular, a regenerative brake that regenerates braking energy as electric energy is performed by a capacitor, so that the number of times of charging / discharging of the battery can be reduced.

この種の電気二重層キャパシタの分極性電極としては、導電性カーボンブラックに活性炭を混合してなるものがあった(特許文献1)。この技術は、電解質イオンの吸着性能(比容量、すなわちキャパシタとしての静電容量)を考慮して比表面積の大きい活性炭が電極材料として使用されるが、活性炭の抵抗が大きいため導電剤として機能させるための導電性カーボンブラックを混合したものであった。   As a polarizable electrode of this type of electric double layer capacitor, there is one obtained by mixing activated carbon with conductive carbon black (Patent Document 1). In this technology, activated carbon having a large specific surface area is used as an electrode material in consideration of the adsorption performance of electrolyte ions (specific capacity, that is, electrostatic capacity as a capacitor). However, since the resistance of activated carbon is large, it functions as a conductive agent. The conductive carbon black was mixed.

ところが、分極性電極の抵抗を小さくするためには導電性カーボンブラックの混合比率を増大させると活性炭の量が低下し、比容量(静電容量)が低下するという問題を生じることとなっていた。そこで、前記導電性カーボンブラックに代えて、導電性カーボンの一つである、ケッチェンブラック(登録商標)またはファーネスブラック(ファーネス法により製造されるカーボンブラックである。)を使用し、活性炭に対する導電剤の配合利率を低下させることが提案されている(特許文献2)。   However, in order to reduce the resistance of the polarizable electrode, if the mixing ratio of the conductive carbon black is increased, the amount of activated carbon is reduced, and the specific capacity (capacitance) is reduced. . Therefore, in place of the conductive carbon black, Ketjen Black (registered trademark) or furnace black (carbon black produced by the furnace method), which is one of conductive carbons, is used. It has been proposed to reduce the compounding rate of the agent (Patent Document 2).

しかしながら、前記ケッチェンブラック(登録商標)およびファーネスブラックは、導電剤として機能させるためのものであることから、比表面積の大きい活性炭を混合することが必須であり、分極性電極の主たる材料として機能するものではなかった。従って、比容量(静電容量)は専ら活性炭の比表面積に頼らざるを得ず、伝導および比容量を飛躍的に良好にするものとはなり得なかった。   However, since the ketjen black (registered trademark) and furnace black are for functioning as a conductive agent, it is essential to mix activated carbon with a large specific surface area, and function as the main material of the polarizable electrode. It wasn't something to do. Therefore, the specific capacity (capacitance) has to rely exclusively on the specific surface area of the activated carbon, and it has not been possible to dramatically improve conduction and specific capacity.

そこで、さらに、活性炭を使用しない分極性電極構造として、カーボンナノチューブを使用することが提案されている(特許文献3)。この技術は、基板に積層される触媒金属層の表面にCVD法によってカーボンナノチューブを成長させるものであり、カーボンナノチューブを分極性電極として機能させると同時に、基板を集電体として機能させることができるというものである。しかしながら、上記方法で作製された基板を使用した電気二重層キャパシタの静電容量は、安定的な充放電は可能であるが、静電容量は活性炭と同程度でしかない旨の報告がなされており、活性炭よりも効率の良い電極を得ることができるものではなかった。   Therefore, it has been proposed to use carbon nanotubes as a polarizable electrode structure that does not use activated carbon (Patent Document 3). This technique is to grow carbon nanotubes on the surface of the catalytic metal layer laminated on the substrate by the CVD method. The carbon nanotube can function as a polarizable electrode, and at the same time, the substrate can function as a current collector. That's it. However, it has been reported that the capacitance of the electric double layer capacitor using the substrate manufactured by the above method can be stably charged and discharged, but the capacitance is only as high as that of activated carbon. Thus, an electrode more efficient than activated carbon could not be obtained.

一方、本願の発明者は、アーク放電により発生する煤(以下、アークブラックという。)に対し、不活性ガス雰囲気中で高温加熱することにより、カーボンナノバルーン構造体を形成させ得ることを開発した(特許文献4)。ここで作製されるカーボンナノバルーン構造体は、グラファイト層(黒鉛層)が曲面を形成するように配置され、全体としてまたは部分的に、球状、ひょうたん形状などの中空構造(バルーン)を有するものであった。また、前記ケッチェンブラック(登録商標)についても加熱処理したところ、グラファイト層の数8〜14層、直径30〜50nm、空隙率40〜75%のカーボンナノバルーン構造体を得ることが可能であることも判明した。しかしながら、上記技術により作製されるカーボンナノバルーン構造体は、中空構造を有することから、光吸収材、超硬度材料、水素貯蔵体などに期待されているが、電気二重層キャパシタの電極材料としての用途は見出されていなかった。   On the other hand, the inventors of the present application have developed that carbon nanoballoon structures can be formed by heating at high temperature in an inert gas atmosphere against soot generated by arc discharge (hereinafter referred to as arc black). (Patent Document 4). The carbon nanoballoon structure produced here is arranged so that the graphite layer (graphite layer) forms a curved surface, and has a hollow structure (balloon) such as a spherical shape or a gourd shape as a whole or in part. there were. Further, when the ketjen black (registered trademark) is also heat-treated, it is possible to obtain a carbon nanoballoon structure having several to 14 to 14 graphite layers, a diameter of 30 to 50 nm, and a porosity of 40 to 75%. It was also found out. However, since the carbon nanoballoon structure produced by the above technique has a hollow structure, it is expected to be a light absorbing material, a superhard material, a hydrogen storage body, etc. No use has been found.

また、ナノ繊維の外周面から繊維軸方向に放射状の細孔が形成された多孔性繊維状ナノ炭素が、吸着剤、クロマトグラフィー物質および触媒担体などに使用できることが提案されている(特許文献5)。この技術は、多孔度が高く、そのサイズが均一であることに特徴を有するが、抵抗値および比表面積についての分析がなされていないことから、電気二重層キャパシタに使用できるか否かは不明であった。   In addition, it has been proposed that porous fibrous nanocarbon in which radial pores are formed in the fiber axis direction from the outer peripheral surface of the nanofiber can be used as an adsorbent, a chromatographic substance, a catalyst carrier, and the like (Patent Document 5). ). Although this technology is characterized by high porosity and uniform size, it has been unclear whether it can be used for electric double-layer capacitors because it has not been analyzed for resistance and specific surface area. there were.

特開昭63−244839号公報JP-A 63-244839 特開平7−320986号公報JP-A-7-320986 特開2004−284921号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-289421 特開2005−281065号公報JP 2005-281055 A 特表2008−526663号公報JP 2008-526663 A

Y.Okabe, H.Izumi, Y.Suda, H.Tanoue, H.Takikawa, H.Ue, K.Shimizu “Improvement in the Characteristic of Electric Double Layer Capacitor by Using the Mixture of Arc-Black and Carbon Nanoballoon” JPN. J. Appl. Phys., 52(2013) 11NM05Y.Okabe, H.Izumi, Y.Suda, H.Tanoue, H.Takikawa, H.Ue, K.Shimizu “Improvement in the Characteristic of Electric Double Layer Capacitor by Using the Mixture of Arc-Black and Carbon Nanoballoon” JPN J. Appl. Phys., 52 (2013) 11NM05 Y.Okabe, Y.Suda, H.Tanoue, H.Takikawa, H.Ue, K.Shimizu “Improving the characteristic of electric double layer capacitors using oxidized carbon nanoballoon” Electrochimica Acta, 131(2014)207-213Y.Okabe, Y.Suda, H.Tanoue, H.Takikawa, H.Ue, K.Shimizu “Improving the characteristic of electric double layer capacitors using oxidized carbon nanoballoon” Electrochimica Acta, 131 (2014) 207-213

上述のように、従来の電気二重層キャパシタの構成は、活性炭の比表面積によって静電容量を確保するか、またはカーボンナノチューブの構造的特徴による比表面積を利用するものであるが、その静電容量は飛躍的に改善されるものではなかった。   As described above, the structure of the conventional electric double layer capacitor is to secure the capacitance by the specific surface area of the activated carbon or to use the specific surface area due to the structural characteristics of the carbon nanotube. It was not a dramatic improvement.

そこで、本発明者らは、前記アークブラックおよびカーボンナノバルーン構造体について、導電率(内部抵抗)等の電気特性を活性炭と比較したところ、カーボンナノバルーン構造体の導電率が前駆体であるアークブラックよりも優れていることを発見し(非特許文献1を参照)、さらにカーボンナノバルーン構造体を酸化させた酸化カーボンナノバルーン構造体の電気的特性を解析した(非特許文献2を参照)。これらの研究により、アークブラックを用いたカーボンナノバルーン構造体の比容量の大きさから、電気二重層キャパシタの分極性電極としての使用可能性を見出した。しかしながら、活性炭との比較において、導電率は十分に高いとしても比容量を飛躍的に増大させるには至らなかった。   Therefore, the present inventors compared the electric characteristics such as conductivity (internal resistance) of the arc black and the carbon nanoballoon structure with activated carbon, and found that the conductivity of the carbon nanoballoon structure is a precursor. Discovered that it is superior to black (see Non-Patent Document 1), and further analyzed the electrical characteristics of the oxidized carbon nanoballoon structure obtained by oxidizing the carbon nanoballoon structure (see Non-Patent Document 2) . From these studies, we found the possibility of using as a polarizable electrode for electric double layer capacitors from the specific capacity of carbon nanoballoon structures using arc black. However, in comparison with activated carbon, even if the conductivity is sufficiently high, the specific capacity has not been dramatically increased.

本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、活性炭に比較して比容量を大きくすることができる電極材料およびその製造方法を提供し、さらに、同時に導電性の良好な分極性電極を提供するとともに、該電極を使用した電気二重層キャパシタとを提供することである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and an object of the present invention is to provide an electrode material capable of increasing the specific capacity as compared with activated carbon, and a method for producing the same, and at the same time, conductive. And providing an electric double layer capacitor using the electrode.

本発明者らは、前記カーボンナノバルーン構造体をさらに加工することによって比表面積を大きくすることができないかを研究したところ、特定の処理を行うことによって比容量が大きくなり、内部抵抗が減少することを見出し、本発明を完成させたものである。   The present inventors have studied whether the specific surface area can be increased by further processing the carbon nanoballoon structure. As a result of specific treatment, the specific capacity increases and the internal resistance decreases. The present invention has been found and the present invention has been completed.

また、前記ケッチェンブラック(登録商標)は、カーボンブラックの一種で、高い導電性をもつため、電気二重層キャパシタの導電性改良材として使用されている。しかしながら、前記ケッチェンブラック(登録商標)自体を電極材料として使用することはなかった。
前記ケッチェンブラック(登録商標)を活性炭に添加することで、活性炭の高比表面積を生かした電気二重層キャパシタが実用化されている。
これに対して本発明者らは、前記ケッチェンブラック(登録商標)を加熱処理した材料をのみを使用することで,高導電率の電気二重層キャパシタの電極とすることを見出した。
The Ketjen Black (registered trademark) is a kind of carbon black and has high conductivity, and is therefore used as a conductivity improving material for electric double layer capacitors. However, the ketjen black (registered trademark) itself was not used as an electrode material.
An electric double layer capacitor utilizing the high specific surface area of activated carbon has been put into practical use by adding the ketjen black (registered trademark) to the activated carbon.
On the other hand, the present inventors have found that an electrode of an electric double layer capacitor having a high conductivity can be obtained by using only a material obtained by heat-treating the ketjen black (registered trademark).

すなわち、電極材料の製造方法にかかる本発明は、電気二重層キャパシタに使用する電極のための材料の製造方法であって、カーボンブラックを2000℃以上の温度における加熱処理により、カーボンナノバルーン構造体を形成し、さらに、アルカリ賦活法によって賦活化処理することを特徴とするものである。   That is, the present invention relating to a method for producing an electrode material is a method for producing a material for an electrode used in an electric double layer capacitor, wherein the carbon nanoballoon structure is obtained by heat-treating carbon black at a temperature of 2000 ° C. or higher. And is further activated by an alkali activation method.

上記構成によれば、カーボンナノバルーン構造体に形成される中空構造に対し、その一部を開口するとともに、カーボンナノバルーン構造体の表面および中空構造部分の内部表面に細孔を形成することができ、全体としての比表面積を大きくさせることができ、電気二重層キャパシタに使用する電極材料に適するものとなる。   According to the above configuration, a part of the hollow structure formed in the carbon nanoballoon structure can be opened, and pores can be formed on the surface of the carbon nanoballoon structure and the inner surface of the hollow structure part. The specific surface area as a whole can be increased, and it is suitable for the electrode material used for the electric double layer capacitor.

前記構成の発明においては、前記カーボンブラックは、ケッチェンブラック(登録商標)であり、前記加熱処理における加熱温度は2400℃以上であることが好ましい。   In the invention of the above configuration, the carbon black is preferably ketjen black (registered trademark), and the heating temperature in the heat treatment is preferably 2400 ° C. or higher.

前記カーボンブラックを前記ケッチェンブラック(登録商標)とすることにより電気抵抗を小さくしつつ比表面積を大きくする電極材料を得ることができる。また、加熱温度を2400℃以上とすることにより、前記ケッチェンブラック(登録商標)によるカーボンナノバルーン構造体を得ることができる。なお、加熱温度の上限値は、3000℃と想定されるが、2800℃以下であれば好適なカーボンナノバルーン構造体を得ることができる。   By using the ketjen black (registered trademark) as the carbon black, it is possible to obtain an electrode material that increases the specific surface area while reducing the electrical resistance. Moreover, the carbon nanoballoon structure by the said ketjen black (trademark) can be obtained by heating temperature to 2400 degreeC or more. In addition, although the upper limit of heating temperature is assumed to be 3000 degreeC, if it is 2800 degrees C or less, a suitable carbon nanoballoon structure can be obtained.

また、前記各構成の発明における賦活化処理は、1mol/L以上7mol/L以下のモル濃度に調整した水酸化カリウム水溶液を使用するものであることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the activation process in the invention of each configuration uses an aqueous potassium hydroxide solution adjusted to a molar concentration of 1 mol / L or more and 7 mol / L or less.

賦活化処理は、アルカリ賦活法によるところ、使用するアルカリ水溶液を水酸化カリウムとする場合、モル濃度が大きすぎる場合は、カーボンナノバルーン構造体の中空構造に対し開口の程度が大きくなりすぎることから、もはや中空構造を維持しない状態となる可能性がある。そのため、比較的低濃度のアルカリ水溶液を使用することにより、カーボンナノバルーン構造体の中空構造部分を適度に開口させることができるのである。なお、1mol/L〜7mol/Lの範囲内であれば、賦活化前の状態よりも比容量を増加させることができるが、5mol/Lのモル濃度が好ましく、3mol/Lのモル濃度がより好適である。   The activation treatment is based on the alkali activation method. When the alkaline aqueous solution to be used is potassium hydroxide, if the molar concentration is too large, the degree of opening is too large for the hollow structure of the carbon nanoballoon structure. There is a possibility that the hollow structure is no longer maintained. Therefore, the hollow structure portion of the carbon nanoballoon structure can be appropriately opened by using a relatively low concentration alkaline aqueous solution. In addition, if it is in the range of 1 mol / L-7 mol / L, a specific capacity can be increased rather than the state before activation, but the molar concentration of 5 mol / L is preferable and the molar concentration of 3 mol / L is more. Is preferred.

電極材料にかかる本発明は、前記製造方法にかかるいずれかの発明よって製造される電極材料であって、前記カーボンナノバルーン構造体を形成する個々の中空構造部分の一部が開放するとともに、該カーボンナノバルーン構造体の外部表面および該中空構造部分内部表面のそれぞれに細孔が形成された構造であることを特徴とするものである。   The present invention relating to an electrode material is an electrode material produced by any of the inventions relating to the production method, wherein a part of each hollow structure part forming the carbon nanoballoon structure is opened, The carbon nanoballoon structure has a structure in which pores are formed on each of the outer surface and the inner surface of the hollow structure portion.

上記構成によれば、カーボンナノバルーン構造体に形成される個々の中空構造部分の一部が開放する構造となることによって、中空構造部分の内部が表面の一部となり、さらに、カーボンナノバルーン構造体の表面および中空構造部分の内部表面に細孔が形成されることから、全体的に多孔質な構造となるため、比表面積を大きくすることができる。この比表面積の増大により比容量を増大させることができる。なお、グラファイト構造が減少することとなり、これが要因と思われるが内部抵抗が増加し、導電率を低下させることとなるが、前記のように多孔質な構造により比表面積の増加が著しいことにより、導電率の低下を補うだけの比容量を得ることができる。   According to the above configuration, a part of each hollow structure part formed in the carbon nanoballoon structure is open, so that the inside of the hollow structure part becomes a part of the surface. Since pores are formed on the surface of the body and the inner surface of the hollow structure portion, the overall structure is porous, so that the specific surface area can be increased. The specific capacity can be increased by increasing the specific surface area. In addition, the graphite structure will decrease, and this seems to be a factor, but the internal resistance increases and the conductivity decreases, but the increase in specific surface area due to the porous structure as described above, A specific capacity sufficient to compensate for the decrease in conductivity can be obtained.

電気二重層キャパシタにかかる本発明は、前記の電極材料を使用するものであって、前記電極材料により作製された分極性電極を備えることを特徴とするものである。   The present invention relating to an electric double layer capacitor uses the electrode material described above, and is characterized by comprising a polarizable electrode made of the electrode material.

上記構成によれば、分極性電極と電解液との境界に形成される電気二重層において、吸着し得るイオンを増大させることとなり、これによって静電容量の大きい電気二重層キャパシタを得ることができるのである。   According to the above configuration, in the electric double layer formed at the boundary between the polarizable electrode and the electrolytic solution, ions that can be adsorbed are increased, whereby an electric double layer capacitor having a large capacitance can be obtained. It is.

電極材料の製造方法にかかる本発明によれば、比容量が大きい電極を得ることができる。しかも加熱処理の後にアルカリ賦活法によることから、複雑な製造工程を経ることなく製造することができる。また、電極材料にかかる本発明によれば、比表面積が著しく大きいことから、内部抵抗を増大されるものの、それを補う程度の比表面積の増加に伴って比容量を大きくするものあるから、電気二重層キャパシタの分極性電極として使用できるものである。さらに、本発明の電気二重層キャパシタによれば、活性炭と比較しても、より大きい静電容量を有する効果を得ることができ、大電流の充放電が可能であり、自動車における回生エネルギーを想定した高速な充放電を可能にするものである。
According to the present invention relating to the method for producing an electrode material, an electrode having a large specific capacity can be obtained. And since it is based on an alkali activation method after heat processing, it can manufacture without passing through a complicated manufacturing process. Further, according to the present invention relating to the electrode material, since the specific surface area is remarkably large, the internal resistance is increased, but the specific capacity is increased as the specific surface area is increased to compensate for the increase in the electric capacity. It can be used as a polarizable electrode of a double layer capacitor. Furthermore, according to the electric double layer capacitor of the present invention, even when compared with activated carbon, it is possible to obtain an effect of having a larger capacitance, charge / discharge of a large current is possible, and regenerative energy in an automobile is assumed. Thus, high-speed charging / discharging is possible.

カーボンナノバルーン構造体の熱重量分析を行った場合の乾燥空気中における重量減少の賦活化処理条件依存性を示す図である。It is a figure which shows the activation process condition dependence of the weight loss in dry air at the time of performing the thermogravimetric analysis of a carbon nanoballoon structure. サイクリックボルタンメトリ測定から算出した電圧走査速度と比容量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the voltage scanning speed computed from cyclic voltammetry measurement, and a specific capacity. サイクリックボルタンメトリ測定から求めたラゴンプロットである。It is the Ragon plot calculated | required from the cyclic voltammetry measurement. 定電流充放電測定から算出した電流密度と比容量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the current density computed from constant current charge / discharge measurement, and a specific capacity. 定電流充放電測定から求めたラゴンプロットである。It is a Ragon plot calculated | required from the constant current charging / discharging measurement. カーボンナノバルーン構造体を形成させた材料を電極とした場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using the material in which the carbon nanoballoon structure was formed as an electrode. カーボンナノバルーン構造体を形成させた後賦活化処理を行った材料を電極とした場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using as the electrode the material which performed the activation process after forming the carbon nanoballoon structure.

本発明の詳細を実施の形態とともに説明する。まず、電極材料の製造方法について説明する。電極材料の製造方法としては、カーボンブラックを加熱処理することにより、カーボンナノバルーン構造体を形成させ、その後アルカリ賦活法により賦活化処理を行うものである。前記カーボンブラックとしては、前述のアークブラックのほか、アセチレンブラック(アセチレン法により製造されるカーボンブラックである。)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などを使用することができる。使用するカーボンブラックの種類によって加熱処理時における温度設定は異なるが、2000℃以上の加熱温度であれば、前記カーボンブラックに中空構造を形成させることができる。ただし、加熱温度が高くなればグラファイト構造の層が多くなり分厚くなることから、2000℃〜2800℃の範囲が適正な加熱温度と推定される。   Details of the present invention will be described together with embodiments. First, a method for manufacturing an electrode material will be described. As a manufacturing method of an electrode material, a carbon nanoballoon structure is formed by heat-treating carbon black, and then an activation treatment is performed by an alkali activation method. As the carbon black, in addition to the aforementioned arc black, acetylene black (carbon black produced by the acetylene method), furnace black, ketjen black (registered trademark), and the like can be used. Although the temperature setting during the heat treatment varies depending on the type of carbon black used, a hollow structure can be formed in the carbon black at a heating temperature of 2000 ° C. or higher. However, if the heating temperature is increased, the number of layers of the graphite structure is increased and the thickness is increased. Therefore, the range of 2000 ° C. to 2800 ° C. is estimated as an appropriate heating temperature.

そこで、本実施形態としては、ケッチェンブラック(登録商標)を使用し、2400℃の加熱処理を行うこととした。アークブラックよりも加熱温度を高温に設定している。これは、カーボンブラックを形成する炭素粒子の状態によるものである。前記アークブラックは粒径50nm程度のアモルファス成分が支配的な球状微粒子であるのに対し、前記ケッチェンブラック(登録商標)は粒径30nm程度のアモルファス成分が支配的な球状微粒子であるという相違点がある。なお、加熱処理はアルゴンガスの雰囲気中において加熱した。上記加熱条件により前記ケッチェンブラック(登録商標)による好適なカーボンナノバルーン構造体を得ることができる。   Therefore, in this embodiment, Ketjen Black (registered trademark) is used and heat treatment at 2400 ° C. is performed. The heating temperature is set higher than that of Arc Black. This is due to the state of the carbon particles forming the carbon black. The difference is that the arc black is a spherical fine particle in which an amorphous component having a particle size of about 50 nm is dominant, whereas the Ketjen Black (registered trademark) is a spherical fine particle in which an amorphous component having a particle size of about 30 nm is dominant. There is. The heat treatment was performed in an argon gas atmosphere. A suitable carbon nanoballoon structure made of the ketjen black (registered trademark) can be obtained under the above heating conditions.

このようにして作製されたカーボンナノバルーン構造体に対して賦活化処理を行う。賦活化処理はアルカリ賦活法によるものであり、具体的には水酸化カリウム水溶液を使用するものである。適宜濃度の水酸化カリウム水溶液200mLに対し、カーボンナノバルーン構造体(粉末状)1.2gを添加し、60rpmで30分撹拌させることにより、カーボンナノバルーン構造体に対してアルカリ溶液を作用させるのである。なお、その後、濾過し、乾燥した。さらに800℃に設定した加熱炉内で1時間加熱し、希塩酸により中和させて、さらに濾過および洗浄後、真空乾燥機で乾燥させることによって賦活化処理は完了する。   The activation process is performed on the carbon nanoballoon structure thus manufactured. The activation treatment is based on an alkali activation method, and specifically uses an aqueous potassium hydroxide solution. Since 1.2 g of carbon nanoballoon structure (powder) is added to 200 mL of an appropriate concentration potassium hydroxide aqueous solution and stirred at 60 rpm for 30 minutes, an alkaline solution acts on the carbon nanoballoon structure. is there. After that, it was filtered and dried. Further, the activation treatment is completed by heating in a heating furnace set at 800 ° C. for 1 hour, neutralizing with dilute hydrochloric acid, further filtering and washing, and drying with a vacuum dryer.

ここで、賦活化処理に使用するアルカリ溶液の濃度によって、カーボンナノバルーン構造体の中空構造に対し開口の程度が大きくなり、中空構造を維持しない状態となる原因となり得るため、水酸化カリウム水溶液を使用した際の適正な濃度(モル濃度)としては、1mol/L〜7mol/Lの範囲とされる。混合撹拌時間を変化させるという条件も考えられるが、撹拌時間よりも安定的に賦活化処理を行うため濃度条件を設定するものである。   Here, depending on the concentration of the alkaline solution used for the activation treatment, the degree of opening becomes large with respect to the hollow structure of the carbon nanoballoon structure, which may cause a state in which the hollow structure is not maintained. The proper concentration (molar concentration) when used is in the range of 1 mol / L to 7 mol / L. Although the condition of changing the mixing and stirring time is also conceivable, the concentration condition is set in order to perform the activation process more stably than the stirring time.

上記のような工程により賦活化されたカーボンナノバルーン構造体は、中空構造の一部が開放された状態に加え、カーボンナノバルーン構造体の表面および中空構造の内部表面に細孔が形成された状態であることが想定され、全体として多孔質となっていることから、当該構造体の表面および中空構造内部表面を含めた広い表面積を備えた構造となるものである。これが電極材料となるのである。   In the carbon nanoballoon structure activated by the process as described above, pores were formed on the surface of the carbon nanoballoon structure and the inner surface of the hollow structure in addition to a state in which a part of the hollow structure was opened. Since the structure is assumed to be porous as a whole, the structure has a large surface area including the surface of the structure and the inner surface of the hollow structure. This is the electrode material.

そこで、この電極材料を使用して分極性電極を作製する。電極の作製は、結着剤により所望形状に成型する方法がある。例えば、前記電極材料を90mgに対し、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の分散液10mL(PTFEを10mg含有する)を添加し、約15分間混練したものを適量使用し、成型用の型に入れて14MPaの圧力で約10分間常温プレスするのである。なお、このようにして作製した電極は、分極性電極として、セパレータの両側に設けることにより静電容量の大きい電気二重層キャパシタを得ることができる。   Therefore, a polarizable electrode is produced using this electrode material. There is a method of forming an electrode into a desired shape using a binder. For example, 90 mg of the electrode material is added with 10 mL of a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (containing 10 mg of PTFE) as a binder, and kneaded for about 15 minutes. It is put into a mold and pressed at room temperature under a pressure of 14 MPa for about 10 minutes. In addition, the electrode produced in this way can provide an electric double layer capacitor with a large electrostatic capacity by providing it as a polarizable electrode on both sides of the separator.

以下に、本発明の効果を確認するために行った実験の内容について説明する。   Below, the content of the experiment conducted in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.

<カーボンナノバルーン構造体の作製>
本実施例で述べるカーボンナノバルーン構造体の前駆体であるケッチェンブラック(登録商標)との比較のために、アークブラックを前駆体とするカーボンナノバルーン構造体と、前記ケッチェンブラック(登録商標)を前駆体とするカーボンナノバルーン構造体とを作製した。前記アークブラックは、ツイントーチアーク装置を使用して合成した。前記ツイントーチアーク装置は、チャンバ内にほぼ直角に対向(例えば、80度で対向)した2つのアークトーチ状のグラファイト電極が設置される構造であり、蒸発電極と対設電極とが異なる径のものを使用し、蒸発電極には東海カーボン社製G347S(φ6mm×150mm)を、対設電極には東海カーボン社製G348(φ10mm×150mm)をそれぞれ使用した。窒素ガス流量を20L/分とし、チャンバ内の圧力を80kPaとし、アーク電流をAC200Aとした条件下でアークブラックを合成した。
<Production of carbon nanoballoon structure>
For comparison with Ketjen Black (registered trademark), which is a precursor of the carbon nanoballoon structure described in this example, a carbon nanoballoon structure using Arc Black as a precursor, and the Ketjen Black (registered trademark) ) Was used as a precursor. The arc black was synthesized using a twin torch arc apparatus. The twin torch arc device has a structure in which two arc torch-like graphite electrodes facing each other at almost right angles (for example, facing each other at 80 degrees) are installed in the chamber, and the evaporation electrode and the counter electrode have different diameters. G347S (φ6 mm × 150 mm) manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. was used as the evaporation electrode, and G348 (φ10 mm × 150 mm) manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. was used as the counter electrode. Arc black was synthesized under the conditions of a nitrogen gas flow rate of 20 L / min, a pressure in the chamber of 80 kPa, and an arc current of AC 200A.

カーボンナノバルーン構造体の作製には、前記アークブラックに対しては2000℃の温度で加熱処理し、前記ケッチェンブラック(登録商標)に対しては2400℃の温度で加熱処理した。加熱処理は不活性ガス雰囲気中で行った。   For the production of the carbon nanoballoon structure, the arc black was heat-treated at a temperature of 2000 ° C., and the ketjen black (registered trademark) was heat-treated at a temperature of 2400 ° C. The heat treatment was performed in an inert gas atmosphere.

<賦活化処理>
賦活化処理には水酸化カリウム水溶液を使用した。適正濃度を得るためにモル濃度を変化させた3種類の水酸化カリウム水溶液を用意し、前記ケッチェンブラック(登録商標)を前駆体とするカーボンナノバルーン構造体に対し賦活化処理を行った。3種類の水酸化カリウム水溶液は、3mol/L、5mol/L、7mol/Lとした。賦活処理は、これら3種類の水酸化カリウム水溶液をそれぞれ200mL使用し、これに1.2gのカーボンナノバルーン構造体を添加し、60rpmで30分間撹拌した。
<Activation processing>
A potassium hydroxide aqueous solution was used for the activation treatment. In order to obtain an appropriate concentration, three types of aqueous potassium hydroxide solutions having different molar concentrations were prepared, and an activation treatment was performed on the carbon nanoballoon structure having the ketjen black (registered trademark) as a precursor. Three types of potassium hydroxide aqueous solution were 3 mol / L, 5 mol / L, and 7 mol / L. In the activation treatment, 200 mL of each of these three types of potassium hydroxide aqueous solutions was used, 1.2 g of the carbon nanoballoon structure was added thereto, and the mixture was stirred at 60 rpm for 30 minutes.

その後、濾過し、真空乾燥機を使用して100℃で1時間乾燥させた。また、続いて窒素ガス80mL/分の流量で800℃の加熱炉内に1時間加熱して炭化させた。このとき、真空乾燥機による加熱条件は、常温から800℃までの温度上昇に1時間、800℃を維持した状態で1時間とし、その後自然冷却により常温まで冷却した。乾燥後に回収した材料を2mol/Lの濃度の希塩酸200mLを使用し、超音波分散により中和させた。その後、濾過し、蒸留水500mLで洗浄した。洗浄には超音波ホモジナイザにより15分間撹拌することによる方法を採用した。最後に濾過し、真空乾燥機により100℃で1時間乾燥させた。   Then, it filtered and it dried at 100 degreeC for 1 hour using the vacuum dryer. Subsequently, carbonization was performed by heating in a heating furnace at 800 ° C. for 1 hour at a flow rate of nitrogen gas of 80 mL / min. At this time, the heating conditions by the vacuum dryer were 1 hour for the temperature rise from room temperature to 800 ° C., 1 hour while maintaining the temperature at 800 ° C., and then cooled to room temperature by natural cooling. The material collected after drying was neutralized by ultrasonic dispersion using 200 mL of dilute hydrochloric acid having a concentration of 2 mol / L. Then, it filtered and wash | cleaned with distilled water 500mL. For washing, a method of stirring for 15 minutes with an ultrasonic homogenizer was adopted. Finally, it was filtered and dried in a vacuum dryer at 100 ° C. for 1 hour.

なお、説明の都合上、上記により作製した材料を次のような記号により表記することとする。前記アークブラックを前駆体とするカーボンナノバルーン構造体による材料をCNBと称し、前記ケッチェンブラック(登録商標)を前駆体とするカーボンナノバルーン構造体による材料をCNB−CBと称する。また、賦活化処理を施した材料をACNB−CBと称し、賦活化処理において使用した水酸化カリウム水溶液の濃度(3mol/L、5mol/L、7mol/L)に応じて、末尾に−KOH3M、−KOH5M、−KOH7Mを付して区別して表記する。   For convenience of explanation, the material produced as described above is represented by the following symbols. A material made of the carbon nanoballoon structure having the arc black as a precursor is referred to as CNB, and a material having the carbon nanoballoon structure having the ketjen black (registered trademark) as a precursor is referred to as CNB-CB. Moreover, the material which performed the activation process is called ACNB-CB, and depending on the density | concentration (3 mol / L, 5 mol / L, 7 mol / L) of the potassium hydroxide aqueous solution used in the activation process, -KOH3M at the end, -KOH5M and -KOH7M are used for distinction.

<熱重量分析>
熱重量分析(TGA)を用いて、作製したカーボンナノバルーン構造体を分析した。熱重量分析は温度を上昇させた場合の重量変化を測定するものである。図1に乾燥空気中における重量減少の温度依存性を示す。酸化によりカーボンナノバルーン構造体が消失してしまうが、この酸化温度が高いほど、グラファイト構造を多く含むと考えられている。前記ケッチェンブラック(登録商標)を加熱処理したことで、CNB−CBはグラファイト構造を多く含み、導電性が改善される。また、賦活化処理を施すことで、中空構造が壊れ、酸化温度が低下したと考えられる。
<Thermogravimetric analysis>
The produced carbon nanoballoon structure was analyzed using thermogravimetric analysis (TGA). Thermogravimetric analysis measures the change in weight when the temperature is raised. FIG. 1 shows the temperature dependence of weight loss in dry air. Although the carbon nanoballoon structure disappears due to the oxidation, it is considered that the higher the oxidation temperature, the more the graphite structure. By heat-treating the ketjen black (registered trademark), CNB-CB contains a lot of graphite structure, and the conductivity is improved. Moreover, it is thought that by performing the activation treatment, the hollow structure was broken and the oxidation temperature was lowered.

<ラマン分光分析>
ラマン分光法を用いて、作製したカーボンナノバルーン構造体の結晶性を分析した。表1にG/D比を測定した結果を示す。ここで、G/D比はラマン散乱強度比であり、Gバンドは炭素のグラファイト構造に由来するピークであり、Dバンドは炭素のグラファイト構造の欠陥に由来するピークである。
<Raman spectroscopy>
The crystallinity of the produced carbon nanoballoon structure was analyzed using Raman spectroscopy. Table 1 shows the results of measuring the G / D ratio. Here, the G / D ratio is a Raman scattering intensity ratio, the G band is a peak derived from a carbon graphite structure, and the D band is a peak derived from a defect in the carbon graphite structure.

Figure 2016111222
Figure 2016111222

G/D比が高いほど、グラファイト構造が多く、結晶性が高いことを示す。この分析結果によれば、ケッチェンブラック(登録商標)からCNB−CBを作製した段階では、グラファイト構造が多く含まれている。一方で、賦活化処理を行うことでG/D比が低下することから、グラファイト構造が壊れること示している。賦活化処理時のKOH濃度によってG/D比が異なるが、ACNB−CB−KOH3Mでは、最もG/D比が低いために、本条件が最適と考えられる。   A higher G / D ratio indicates more graphite structure and higher crystallinity. According to this analysis result, at the stage where CNB-CB was produced from ketjen black (registered trademark), many graphite structures were included. On the other hand, it shows that the graphite structure is broken because the G / D ratio is lowered by performing the activation treatment. Although the G / D ratio varies depending on the KOH concentration during the activation treatment, ACNB-CB-KOH3M has the lowest G / D ratio, so this condition is considered optimal.

<電極の作製>
上記のように作製したCNB、CNB−CB、ACNB−CB−KOH3M、ACNB−CB−KOH5M、ACNB−CB−KOH7Mの5種類の材料を使用して電極を作製した。電極の作製は、前記各材料をそれぞれ90mg用意し、これに10μLのPTFE分散液(PTFE10mgを含有)を結着剤として使用し、両者を15分間混練した後、その材料を50mgずつ分けて、型に入れ、14MPaの圧力下で10分間常温プレスした。なお、電極形状はコイン型とし、分極性電極として使用できるものとした。
<Production of electrode>
Electrodes were prepared using five types of materials, CNB, CNB-CB, ACNB-CB-KOH3M, ACNB-CB-KOH5M, and ACNB-CB-KOH7M prepared as described above. The electrode was prepared by preparing 90 mg of each of the above materials, using 10 μL of PTFE dispersion (containing 10 mg of PTFE) as a binder, kneading both for 15 minutes, and then dividing the material by 50 mg, The mold was placed and pressed at room temperature under a pressure of 14 MPa for 10 minutes. The electrode shape was a coin type and could be used as a polarizable electrode.

<電気二重層キャパシタの作製>
上記により作製したコイン型電極を2枚使用し、電気二重層キャパシタを作製した。電気二重層キャパシタの作製には、東洋システム社製の電極セルを使用し、窒素ガスを充満させたプローブボックス内で組立を行った。作製には、電極セル内に、1枚目の集電極、1枚目のコイン型分極性電極、セパレータ、2枚目のコイン型分極性電極、2枚目の集電極の順序で入れ、電解液として、有機系電解液である1mol/LのTEMABF/PCを注入したうえ密封した。なお、集電極としては、ニラコ社製SUSメッシュ316−200meshを使用し、セパレータにはニッポン高度紙工業社製TF4030を使用した。
<Production of electric double layer capacitor>
An electric double layer capacitor was produced by using two coin-type electrodes produced as described above. To manufacture the electric double layer capacitor, an electrode cell manufactured by Toyo System Co., Ltd. was used, and assembly was performed in a probe box filled with nitrogen gas. For the production, the first collector electrode, the first coin-type polarizable electrode, the separator, the second coin-type polarizable electrode, and the second collector electrode are placed in the electrode cell in the order of electrolysis. As a liquid, 1 mol / L TEMABF 4 / PC which is an organic electrolyte was injected and sealed. As the collector electrode, SUS mesh 316-200 mesh manufactured by Niraco Co., Ltd. was used, and TF4030 manufactured by Nippon Advanced Paper Industries Co., Ltd. was used as the separator.

<実験条件および実験結果>
上記により作製した5種類の電気二重層キャパシタについて、北斗電工社製の電気化学測定システムHZ−5000により電気化学測定を行った。測定は、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定および電気化学インピーダンス測定を行った。
<Experimental conditions and experimental results>
About five types of electric double layer capacitors produced by the above, the electrochemical measurement was performed with the electrochemical measurement system HZ-5000 by Hokuto Denko. Measurement was performed by cyclic voltammetry (CV) measurement and electrochemical impedance measurement.

CV測定では、電位窓を0V〜2.5Vとし、電圧走査速度を1mV/sと100mV/sで測定した。なお、CV測定により充放電の容量(C)を求める際に次の式を使用した。   In the CV measurement, the potential window was set to 0 V to 2.5 V, and the voltage scanning speed was measured at 1 mV / s and 100 mV / s. In addition, when calculating | requiring the capacity | capacitance (C) of charging / discharging by CV measurement, the following formula was used.

Figure 2016111222
ただし、
I :電流[A]
V :電圧[V]
ΔV:電圧走査速度[V/s]
m :電極1枚分のカーボンナノ材料の質量[g]
Figure 2016111222
However,
I: Current [A]
V: Voltage [V]
ΔV: Voltage scanning speed [V / s]
m: mass of carbon nanomaterial for one electrode [g]

定電流充放電測定では、電流密度を0.1A/g〜2.0A/gで変化させて行った。なお、測定結果に基づいて、キャパシタの比容量(C)と出力密度(P)およびエネルギー密度(E)を次の式によって算出した。   In the constant current charge / discharge measurement, the current density was changed from 0.1 A / g to 2.0 A / g. In addition, based on the measurement result, the specific capacity (C), output density (P), and energy density (E) of the capacitor were calculated by the following equations.

Figure 2016111222

Figure 2016111222

Figure 2016111222

ただし、
I :電流[A]
:満充電電圧の80%[V]
:満充電電圧の40%[V]
,t :V1,V2のときの時間[s]
V :電位窓[V]
(T2−T1) :放電時間[s]
m :電極2枚分のカーボン材料の質量[g]
Figure 2016111222

Figure 2016111222

Figure 2016111222

However,
I: Current [A]
V 1 : 80% of full charge voltage [V]
V 2 : 40% of full charge voltage [V]
t 1 , t 2 : time [s] when V1 and V2
V: Potential window [V]
(T2-T1): Discharge time [s]
m: mass of carbon material for two electrodes [g]

前記のようにCV測定により求めた電圧走査速度による比容量の結果と、ラゴンプロットを図2に示し、定電流充放電測定により求めた各電流密度における比容量の結果と、ラゴンプロットを図3に示す。なお、図3には、比較対象として活性炭(ACと称する)を表示した。   FIG. 2 shows the result of specific capacity based on the voltage scanning speed obtained by CV measurement and the Ragon plot, and FIG. 3 shows the result of specific capacity at each current density obtained by constant current charge / discharge measurement. Shown in In FIG. 3, activated carbon (referred to as AC) is displayed as a comparison target.

図2から明らかなとおり、CV測定より算出された比容量は、CNBよりもCNB−CBのほうが大きくなっており、さらに、CNB−CBよりも賦活処理したACNB−CB−KOHのほうが大きくなっている。特にスキャンレート100(mV/s)について比較すれば、CNBの比容量は、約32(F/g)であり、活性炭が約20(F/g)であることを考慮すれば、約1.6倍の数値であるうえ、CNB−CBを使用すれば、約37(F/g)となり、CNBの約1.2倍(活性炭の約1.85倍)となる。さらに、最も比容量の大きい結果となったACNB−CB−KOH3Mの場合では、約54(F/g)であったことから、活性炭の場合の約2.7倍の比容量となっている。これにより、電気二重層キャパシタの静電容量を飛躍的に増大させることができるものであることが判る。   As is clear from FIG. 2, the specific capacity calculated from the CV measurement is larger for CNB-CB than for CNB, and further, for ACNB-CB-KOH subjected to activation treatment, greater than for CNB-CB. Yes. In particular, when compared with a scan rate of 100 (mV / s), the specific capacity of CNB is about 32 (F / g), and considering that activated carbon is about 20 (F / g), about 1. If it is a numerical value of 6 times and CNB-CB is used, it will be about 37 (F / g), and will be about 1.2 times of CNB (about 1.85 times of activated carbon). Furthermore, in the case of ACNB-CB-KOH3M, which resulted in the largest specific capacity, it was about 54 (F / g), so that the specific capacity was about 2.7 times that of activated carbon. Thereby, it turns out that the electrostatic capacitance of an electric double layer capacitor can be increased dramatically.

また、図3から明らかなとおり、出力密度に対するエネルギー密度の値は増加しており、大容量でありながら高速な充放電を可能にするものであることが判る。   Further, as is apparent from FIG. 3, the value of the energy density with respect to the output density is increased, and it can be seen that high-speed charging / discharging is possible while having a large capacity.

さらに、図4から明らかなとおり、電流密度の大きい範囲における充放電では、活性炭(AC)の場合に比べて、大きな比容量を得ることができる。特に、ACNB−CB−KOH3Mに代表されるように、賦活化処理を施した材料の場合には、賦活化処理を行わない材料に比べて大きい比容量を得ることができることが判る。   Furthermore, as is clear from FIG. 4, a large specific capacity can be obtained in charge / discharge in a range where the current density is large as compared with the case of activated carbon (AC). In particular, as represented by ACNB-CB-KOH3M, in the case of a material that has been subjected to an activation treatment, it can be seen that a larger specific capacity can be obtained than a material that is not subjected to an activation treatment.

図5に示すラゴンプロットによれば、活性炭(AC)との比較において、エネルギー密度を維持しながら出力密度が安定しており、大容量でありながら高速に充放電可能であることが判明した。   According to the Ragon plot shown in FIG. 5, it was found that the output density was stable while maintaining the energy density in comparison with activated carbon (AC), and charge and discharge were possible at high speed while having a large capacity.

なお、上記の結果は、カーボンナノバルーン構造体に形成される中空部分の一部が開口されるのみならず、カーボンナノバルーン構造体の表面および中空構造の内部表面に細孔が形成されることによるものと考えられるが、その状態の模式図を図6に示す。図6は賦活化されていないCNB−CBによる電極の状態を示し、図7は賦活化処理したACNB−CBの電極の状態を示している。図において、黒色部分は電極であり、グレー部分は電解液を示している。この図のように、CNB−CB(図6参照)は、カーボンナノバルーンによる凹凸が表面に存在しており、全体的な比表面積が大きくなっている。この状態であっても比表面積が適度に大きいため、比容量を増大することができるものと考えられる。これに対し、賦活化処理したACNB−CB(図7参照)では、カーボンナノバルーンの内部にも電解質が浸透することとなり、このカーボンナノバルーンの内部表面を合わせた部分によって一層大きい比表面積となるものである。   The above results indicate that not only a part of the hollow part formed in the carbon nanoballoon structure is opened, but also pores are formed on the surface of the carbon nanoballoon structure and the inner surface of the hollow structure. FIG. 6 shows a schematic diagram of the state. FIG. 6 shows the state of the electrode by CNB-CB which is not activated, and FIG. 7 shows the state of the electrode of ACNB-CB which has been activated. In the figure, the black part is an electrode, and the gray part is an electrolyte. As shown in this figure, CNB-CB (see FIG. 6) has unevenness due to the carbon nanoballoons on the surface, and the overall specific surface area is large. Even in this state, since the specific surface area is reasonably large, it is considered that the specific capacity can be increased. On the other hand, in the activated ACNB-CB (see FIG. 7), the electrolyte penetrates into the carbon nanoballoon, and a larger specific surface area is obtained by the combined portion of the inner surfaces of the carbon nanoballoon. Is.

以上のように、本発明の実施の形態および実施例を説明したが、これらは本発明の一例を示すものであって、本発明がこれらに限定される趣旨ではない。従って、前記実施形態の構成について適宜変更することは可能である。例えば、カーボンブラックとしてケッチェンブラック(登録商標)を使用した態様を中心に説明したが、その他のカーボンブラックを使用することも可能である。その場合の加熱処理の温度および賦活化処理に使用するアルカリ溶液の濃度については、適宜調整されることとなる。   As described above, the embodiments and examples of the present invention have been described. However, these are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto. Accordingly, it is possible to appropriately change the configuration of the embodiment. For example, the embodiment using ketjen black (registered trademark) as the carbon black has been mainly described, but other carbon blacks can also be used. In this case, the temperature of the heat treatment and the concentration of the alkali solution used for the activation treatment are appropriately adjusted.

本発明の電極材料による分極性電極を用いた電気二重層キャパシタは、ハイブリッド自動車または電気自動車等の車両に使用する補助電源回路、回生電力貯蔵回路に利用可能であることはもちろんのこと、集積回路等のバックアップ電源や無停電電源装置およびスマートメータにも利用可能である。また、レントゲン撮影システムなどの医療機器にも利用可能である。その他、分散型発電装置(太陽光発電等のエネルギバッファ)や蓄電設備(余剰電力の貯蔵)などにおいても利用可能である。

The electric double layer capacitor using the polarizable electrode of the electrode material of the present invention can be used for an auxiliary power supply circuit and a regenerative power storage circuit used in a vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle, as well as an integrated circuit. It can also be used for backup power supplies, uninterruptible power supplies, and smart meters. It can also be used for medical equipment such as an X-ray imaging system. In addition, it can also be used in distributed power generation devices (energy buffers such as solar power generation) and power storage facilities (storage of surplus power).

Claims (5)

電気二重層キャパシタに使用する電極のための材料の製造方法であって、
カーボンブラックを2000℃以上の温度における加熱処理により、カーボンナノバルーン構造体を形成し、さらに、アルカリ賦活法によって賦活化処理することを特徴とする電極材料の製造方法。
A method for producing a material for an electrode used in an electric double layer capacitor, comprising:
A method for producing an electrode material, comprising: forming a carbon nanoballoon structure by heat treatment of carbon black at a temperature of 2000 ° C. or higher, and further performing an activation treatment by an alkali activation method.
前記カーボンブラックは、ケッチェンブラック(登録商標)であり、前記加熱処理における加熱温度は2400℃以上である請求項1に記載の電極材料の製造方法。   The method for producing an electrode material according to claim 1, wherein the carbon black is Ketjen Black (registered trademark), and a heating temperature in the heat treatment is 2400 ° C or higher. 前記賦活化処理は、1mol/L以上7mol/L以下のモル濃度に調整した水酸化カリウム水溶液を使用するものである請求項1または2に記載の電極材料の製造方法。   The method for producing an electrode material according to claim 1 or 2, wherein the activation treatment uses a potassium hydroxide aqueous solution adjusted to a molar concentration of 1 mol / L or more and 7 mol / L or less. 請求項1ないし3のいずれかに記載の製造方法によって製造される電極材料であって、前記カーボンナノバルーン構造体を形成する個々の中空構造部分の一部が開放するとともに、該カーボンナノバルーン構造体の外部表面および該中空構造部分内部表面のそれぞれに細孔が形成された構造であることを特徴とする電極材料。   An electrode material manufactured by the manufacturing method according to claim 1, wherein a part of each hollow structure part forming the carbon nanoballoon structure is opened, and the carbon nanoballoon structure is formed. An electrode material having a structure in which pores are formed on each of an outer surface of a body and an inner surface of the hollow structure portion. 請求項4に記載の電極材料を使用する電気二重層キャパシタであって、前記電極材料により作製された分極性電極を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。

It is an electrical double layer capacitor using the electrode material of Claim 4, Comprising: The polarizable electrode produced with the said electrode material is provided, The electrical double layer capacitor characterized by the above-mentioned.

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