JP2017162754A - Electrode for lead-acid battery and lead-acid battery using the same - Google Patents

Electrode for lead-acid battery and lead-acid battery using the same Download PDF

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崇晃 三原
Takaaki Mihara
崇晃 三原
大 近藤
Masaru Kondo
大 近藤
健太郎 田中
Kentaro Tanaka
健太郎 田中
康作 竹内
Kosaku Takeuchi
康作 竹内
堀口 智之
Tomoyuki Horiguchi
智之 堀口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a lead-acid battery and a lead-acid battery, which have a long cycle life even if charging and discharging are performed at a high current density.SOLUTION: An electrode for a lead-acid battery includes a porous carbon material and lead or a lead compound complexed therein, the porous carbon material having a bicontinuous porous structure portion where a carbon portion and a gap form continuous structures, respectively.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鉛蓄電池用電極およびそれを用いた鉛蓄電池に関する。   The present invention relates to a lead storage battery electrode and a lead storage battery using the same.

鉛蓄電池は、大電流を取り出すことが容易で、価格も安いため、自動車用電源や無停電電源など、幅広い分野で使用されている。   Lead storage batteries are used in a wide range of fields such as automobile power supplies and uninterruptible power supplies because they can easily extract large currents and are inexpensive.

しかしながら、特に高い電流密度で充放電を繰り返すと、電極の表面に硫酸鉛の結晶が析出するサルフェーションと呼ばれる現象が発生し、電池容量が低下する、すなわちサイクル寿命が低下するという課題があった。   However, when charging / discharging is repeated at a particularly high current density, a phenomenon called sulfation in which lead sulfate crystals are deposited on the surface of the electrode occurs, resulting in a problem that the battery capacity decreases, that is, the cycle life decreases.

そこで、電極材料へ活性炭を添加してサイクル寿命を延長する試みが例えば特許文献1に示されている。特許文献1によれば、活性炭の添加により電極表面における硫酸鉛の結晶成長が阻害され、また活性炭の大きな表面積により鉛イオンの供給が増大することにより、サイクル寿命特性を向上することができるとされている。   Therefore, for example, Patent Document 1 discloses an attempt to extend the cycle life by adding activated carbon to the electrode material. According to Patent Document 1, the addition of activated carbon inhibits lead sulfate crystal growth on the electrode surface, and the large surface area of activated carbon increases the supply of lead ions, thereby improving cycle life characteristics. ing.

特開2011−70870号公報JP 2011-70870 A

しかしながら、鉛蓄電池においては更なるサイクル寿命特性の向上が課題となっており、特に、電気自動車や燃料電池車等、動力として電力を用いる自動車の実用化に向け、高い電流密度で充放電を行っても電池容量の低下が少ない鉛蓄電池が求められている。本発明は、高い電流密度で充放電を行っても長いサイクル寿命を有する鉛蓄電池用電極および鉛蓄電池を提供することを課題とする。   However, in lead-acid batteries, further improvement in cycle life characteristics is an issue, and in particular, charging and discharging at a high current density is carried out for the practical application of electric vehicles that use electric power as power, such as electric vehicles and fuel cell vehicles. However, there is a need for a lead-acid battery with little battery capacity reduction. This invention makes it a subject to provide the electrode for lead acid batteries and lead acid battery which have a long cycle life, even if it charges / discharges with high current density.

上記課題を解決するための本発明は、炭素部分と空隙とがそれぞれ連続構造をなす共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料と、鉛または鉛化合物とが複合化されてなる鉛蓄電池用電極である。   In order to solve the above problems, the present invention provides an electrode for a lead storage battery in which a porous carbon material having a co-continuous porous structure portion in which a carbon portion and a void each form a continuous structure and lead or a lead compound are combined. It is.

本発明の鉛蓄電池用電極を用いることで、高い電流密度で充放電を行っても長いサイクル寿命を有する鉛蓄電池を提供することができる。   By using the lead-acid battery electrode of the present invention, it is possible to provide a lead-acid battery having a long cycle life even when charging / discharging at a high current density.

本発明の鉛蓄電池用電極に用いる多孔質炭素材料の共連続多孔構造部分の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the co-continuous porous structure part of the porous carbon material used for the electrode for lead acid batteries of this invention.

<鉛蓄電池用電極>
本発明の鉛蓄電池用電極(以下、単に「電極」ということがある。)は、鉛または鉛化合物と、共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料(以下、単に「多孔質炭素材料」ということがある)とが複合化されてなる。
<Electrode for lead acid battery>
The lead-acid battery electrode of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “electrode”) is a porous carbon material having a co-continuous porous structure portion (hereinafter simply referred to as “porous carbon material”). Is sometimes combined).

本発明において、鉛または鉛化合物は従来公知のものを特に限定なく用いることができる。鉛化合物とは、鉛を構成元素に有する化合物の総称であり、一酸化鉛、二酸化鉛、四酸化三鉛等の鉛酸化物および硫酸鉛が好適に用いられる。鉛蓄電池用電極はこれらの鉛化合物を複数種含むものであってもよい。   In the present invention, any conventionally known lead or lead compound can be used without any particular limitation. The lead compound is a general term for compounds having lead as a constituent element, and lead oxides such as lead monoxide, lead dioxide, trilead tetroxide, and lead sulfate are preferably used. The lead-acid battery electrode may contain a plurality of these lead compounds.

鉛蓄電池用の電極として十分な性能を発揮するためには、鉛蓄電池用電極中の鉛元素の含有率は60重量%以上であることが好ましい。鉛含有率は高いほど電池容量を高められるが、低いほど表面積を大きくしやすいため急速充放電に有利となる。このため、鉛蓄電池用電極中の鉛元素の含有率は60重量%〜95重量%であるとより好ましく、65重量%〜90重量%であると更に好ましい。   In order to exhibit sufficient performance as an electrode for a lead storage battery, the content of the lead element in the lead storage battery electrode is preferably 60% by weight or more. The higher the lead content, the higher the battery capacity. However, the lower the lead content, the easier it is to increase the surface area, which is advantageous for rapid charge / discharge. For this reason, the content of the lead element in the lead-acid battery electrode is more preferably 60% by weight to 95% by weight, and still more preferably 65% by weight to 90% by weight.

本発明の鉛蓄電池用電極を負極に用いる場合は、鉛の含有量が60重量%以上であることが好ましい。電極活物質としての鉛が多いほど電池容量を高められる。また鉛の含有量が相対的に少ないと、多孔質炭素材料による効果を増大できる。このことから鉛の含有量は60〜98重量%の範囲であることが好ましく、60〜90重量%の範囲であるとより好ましい。   When the lead storage battery electrode of the present invention is used for the negative electrode, the lead content is preferably 60% by weight or more. The more lead as the electrode active material, the higher the battery capacity. If the lead content is relatively small, the effect of the porous carbon material can be increased. Therefore, the lead content is preferably in the range of 60 to 98% by weight, and more preferably in the range of 60 to 90% by weight.

また本発明の鉛蓄電池用電極を陽極に用いる場合には、鉛化合物の含有量が60重量%以上であることが好ましい。電極活物質としての鉛化合物が多いほど電池容量を高められる。また鉛化合物の含有量が相対的に少ないと、多孔質炭素材料を含むことによる効果を増大できる。このことから鉛化合物の含有量は60〜98重量%の範囲であることが好ましく、60〜90重量%の範囲であるとより好ましい。また特に鉛化合物としては、電気化学反応に直接関与し、電池容量を高める効果を持つ二酸化鉛が特に好ましい。   Moreover, when using the electrode for lead acid batteries of this invention for an anode, it is preferable that content of a lead compound is 60 weight% or more. The more lead compound as the electrode active material, the higher the battery capacity. Moreover, when the content of the lead compound is relatively small, the effect of including the porous carbon material can be increased. Accordingly, the content of the lead compound is preferably in the range of 60 to 98% by weight, and more preferably in the range of 60 to 90% by weight. In particular, as the lead compound, lead dioxide that is directly involved in the electrochemical reaction and has the effect of increasing the battery capacity is particularly preferable.

本発明の電極における、鉛または鉛化合物と多孔質炭素材料との複合化の態様は、電極中において鉛または鉛化合物と多孔質炭素材料の少なくとも一部が接触している限りにおいて、特に限定はない。例えば、多孔質炭素材料が電極の表面に集中して配置されていても、電極の中心部に集中して配置されていても、電極中で層状に配置されていても、または格子状に多孔質炭素材料の存在比率が高い部分と低い部分とが交互に配置されていても良い。   In the electrode of the present invention, the aspect of compounding the lead or lead compound and the porous carbon material is not particularly limited as long as at least a part of the lead or lead compound and the porous carbon material is in contact with the electrode. Absent. For example, the porous carbon material is concentrated on the surface of the electrode, is centrally disposed on the center of the electrode, is disposed in layers in the electrode, or is porous in a lattice shape. The part with a high abundance ratio of a carbonaceous material and the part with a low may be arrange | positioned alternately.

本発明の電極においては、鉛または鉛化合物の一部が、後述する多孔質炭素材料の共連続多孔構造の空隙内に侵入している状態であると、導電性の高い多孔質炭素材料の表面が鉛または鉛化合物に近接していることにより効率よく充放電を行うことが可能になることに加え、充放電反応における硫酸鉛の結晶が粗大になることを防止することができるためサイクル寿命を向上させる効果も期待できるため好ましい。共連続多孔構造内に侵入している鉛または鉛化合物の量は特に限定されないが、共連続多孔構造の空隙の体積に対して90体積%以下の量であると、電解液を十分に浸透させ、かつ前述した効果を発揮できるため好ましい。空隙内に侵入している鉛または鉛化合物の量は、後述する多孔質炭素材料の平均空隙率測定の際に、元素分析によって炭素部分、空隙部分、鉛または鉛化合物部分を特定し、鉛または鉛化合物部分の面積を、空隙部分の面積と鉛または鉛化合物部分の面積の合算で割ることで、比率として求められる。   In the electrode of the present invention, a part of lead or a lead compound is in a state where it penetrates into the voids of the co-continuous porous structure of the porous carbon material described later, the surface of the porous carbon material having high conductivity In addition to being able to charge and discharge efficiently due to the proximity of lead or lead compounds, it is possible to prevent the lead sulfate crystals in the charge and discharge reaction from becoming coarse, thus reducing cycle life. Since the effect to improve can also be anticipated, it is preferable. The amount of lead or lead compound penetrating into the co-continuous porous structure is not particularly limited. However, when the amount is 90% by volume or less with respect to the volume of the voids of the co-continuous porous structure, the electrolyte solution is sufficiently permeated. And since the effect mentioned above can be exhibited, it is preferable. The amount of lead or lead compound penetrating into the void is determined by identifying the carbon portion, void portion, lead or lead compound portion by elemental analysis when measuring the average porosity of the porous carbon material described later. The ratio is obtained by dividing the area of the lead compound portion by the sum of the area of the void portion and the area of the lead or lead compound portion.

多孔質炭素材料としては、粒子状、繊維状またはフィルム状のものが好適に用いられる。   As the porous carbon material, a particulate, fibrous or film-like material is preferably used.

本明細書において「粒子状の多孔質炭素材料」とは、10nm〜10mmの平均粒子径を有する多孔質炭素材料を指し、略球状の材料に限られず、短繊維状、薄片状、塊状、棒状等の形状や、不規則な形状を有する材料も含まれるものとする。例えば、繊維状の多孔質炭素材料を粉砕または切断したものや、フィルム状の多孔質炭素材料を破砕した鱗片状の多孔質炭素材料であって、上記範囲の平均粒子径を有するものは、本発明においては「粒子状の多孔質炭素材料」とみなす。   In this specification, the “particulate porous carbon material” refers to a porous carbon material having an average particle diameter of 10 nm to 10 mm, and is not limited to a substantially spherical material, but a short fiber shape, a flake shape, a lump shape, or a rod shape. Etc., and materials having irregular shapes are also included. For example, a fibrous porous carbon material crushed or cut, or a scale-like porous carbon material obtained by crushing a film-like porous carbon material having an average particle diameter in the above range is In the invention, it is regarded as “particulate porous carbon material”.

粒子径は、多孔質炭素材料を走査型電子顕微鏡で観察し、各粒子の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)を測定し、(長径+短径)/2で求められる数値である。本発明においては、ランダムに多孔質炭素材料50個について測定した粒子径の平均値を多孔質炭素材料の平均粒子径とする。また、電極中に存在する多孔質炭素材料の粒子径および平均粒子径は、クロスセクションポリッシャー法(CP法)により形成した電極の断面を走査型電子顕微鏡で観察し、多孔質炭素材料の構造体の最小単位の大きさを上記と同様の方法で測定して求めることができる。   The particle diameter is determined by observing the porous carbon material with a scanning electron microscope, measuring the length of the longest part (major axis) and the length of the shortest part (minor axis) of each particle, (major axis + minor axis) It is a numerical value obtained by / 2. In this invention, let the average value of the particle diameter measured about 50 porous carbon materials at random be the average particle diameter of a porous carbon material. In addition, the particle diameter and average particle diameter of the porous carbon material present in the electrode were determined by observing the cross section of the electrode formed by the cross section polisher method (CP method) with a scanning electron microscope. The minimum unit size can be measured by the same method as described above.

粒子状の多孔質炭素材料を用いると、電極製造プロセスにおいて、従来の活性炭を含む電極作製工程をそのまま適用できることや、曲げ、引っ張り、圧縮が生じた場合も粒子間で歪みを解消できることから特に好ましい。   It is particularly preferable to use a particulate porous carbon material because, in the electrode manufacturing process, a conventional electrode manufacturing process including activated carbon can be applied as it is, and distortion can be eliminated between particles even when bending, pulling or compression occurs. .

粒子状の多孔質炭素材料を用いる場合、平均粒子径が10μm以下であると、例えば塗工液を形成する固形分として非常に滑らかなものが得られるため、塗布等の電極製造工程における塗工液はがれや割れ等の欠点を防止することが可能であり、好ましい。一方、0.1μm以上であると、粒子に充分な表面積を確保でき、鉛または鉛酸化物と複合させた際に反応界面を充分に持つことができ、充放電特性を向上させられるため好ましい。   When a particulate porous carbon material is used, if the average particle size is 10 μm or less, for example, a very smooth solid can be obtained as a solid component for forming a coating solution. It is possible to prevent defects such as liquid peeling and cracking, which is preferable. On the other hand, when the thickness is 0.1 μm or more, a sufficient surface area can be secured for the particles, a reaction interface can be sufficiently obtained when combined with lead or lead oxide, and charge / discharge characteristics can be improved.

粒子状の多孔質炭素材料を用いる場合、多孔質炭素材料が、鉛または鉛化合物からなるマトリックス中に分散して存在することが好ましい態様である。この場合、粒子状の多孔質炭素材料は、鉛または鉛化合物に対して2〜50重量%含まれていることが好ましい。   When the particulate porous carbon material is used, it is preferable that the porous carbon material is dispersed in a matrix made of lead or a lead compound. In this case, the particulate porous carbon material is preferably contained in an amount of 2 to 50% by weight with respect to lead or a lead compound.

また、粒子状の多孔質炭素材料を含む層が鉛または鉛化合物からなる成形体の表面に形成された態様であると、充放電の初期にイオンが多孔質炭素材料に吸着することで電気二重層を形成することから高速充放電に有利であること、また、放電時に硫酸鉛の結晶化が進行しやすい表面に多孔質炭素材料が存在することにより大きな結晶の形成を防止でき、長寿命化が可能になることから好ましい。   In addition, when the layer containing the particulate porous carbon material is formed on the surface of the molded body made of lead or a lead compound, ions are adsorbed on the porous carbon material at the initial stage of charge and discharge, so that The formation of multiple layers is advantageous for high-speed charge / discharge, and the presence of porous carbon material on the surface where lead crystallization is likely to proceed during discharge prevents the formation of large crystals and prolongs the service life. Is preferable because it becomes possible.

本明細書において「繊維状の多孔質炭素材料」とは、繊維の断面積から同一の面積を持つ円形として換算した直径と、繊維長とから計算されるアスペクト比の平均値が100以上であるものを指す。なお、繊維状であってかつ上記方法で測定した粒子径が10nm〜10mmであるものは、繊維状でもあり粒子状でもあるものと考える。本発明においては、ランダムに多孔質炭素材料50個の多孔質炭素材料について測定した平均値を多孔質炭素材料のアスペクト比の平均値とする。   In the present specification, the “fibrous porous carbon material” means that the average value of the aspect ratio calculated from the diameter converted as a circle having the same area from the cross-sectional area of the fiber and the fiber length is 100 or more. Refers to things. In addition, it is considered that what is fibrous and whose particle diameter measured by the said method is 10 nm-10 mm is both fibrous and particulate. In the present invention, an average value measured for 50 porous carbon materials at random is used as an average aspect ratio of the porous carbon material.

繊維状の多孔質炭素材料を用いる場合、多孔質炭素材料を織布または不織布に形成した上で、鉛または鉛化合物と複合化することが好ましい。なお、10mm以下の短繊維で、前述のように粒子状の多孔質炭素材料とみなせるものは、多孔質炭素材料が鉛または鉛化合物からなるマトリックス中に分散して存在する態様や、多孔質炭素材料を含む層が鉛または鉛化合物からなる成形体の表面に形成された態様で用いることも好ましい。   In the case of using a fibrous porous carbon material, it is preferable that the porous carbon material is formed into a woven or non-woven fabric and then combined with lead or a lead compound. In addition, short fibers of 10 mm or less, which can be regarded as particulate porous carbon material as described above, include an embodiment in which the porous carbon material is dispersed in a matrix made of lead or a lead compound, or porous carbon material. It is also preferable that the layer containing the material is used in a form formed on the surface of a molded body made of lead or a lead compound.

また、「フィルム状の多孔質炭素材料」とは、厚み1000μm以下の平板状に成形された材料を意味するものとする。   The “film-like porous carbon material” means a material formed into a flat plate having a thickness of 1000 μm or less.

繊維状の多孔質炭素材料から形成された厚み1000μm以下の織布または不織布、あるいは前述のフィルム状の多孔質炭素材料(以下、本明細書においてはこれらをまとめて「シート状の多孔質炭素材料」という。)を用いる場合、シート状の多孔質炭素材料が、鉛または鉛化合物からなる層と積層された態様が好ましい。シート状の多孔質炭素材料は1枚であっても複数枚であってもよい。複数枚のシート状の多孔質炭素材料を用いる場合には、鉛蓄電池用電極の厚み方向に、多孔質炭素材料層と、鉛または鉛化合物からなる層が順に積層される形態であると、電解質の移動と導電性を両立させられることから好ましい。   A woven or non-woven fabric having a thickness of 1000 μm or less formed from a fibrous porous carbon material, or the above-described film-like porous carbon material (hereinafter referred to as “sheet-like porous carbon material” in the present specification) In the case where the sheet-like porous carbon material is used, an embodiment in which the sheet-like porous carbon material is laminated with a layer made of lead or a lead compound is preferable. The sheet-like porous carbon material may be a single sheet or a plurality of sheets. In the case where a plurality of sheet-like porous carbon materials are used, an electrolyte is formed in the form in which a porous carbon material layer and a layer made of lead or a lead compound are sequentially laminated in the thickness direction of the lead storage battery electrode. It is preferable because both movement and conductivity can be made compatible.

また、鉛または鉛化合物からなる成形体の表面に、シート状の多孔質炭素材料を接合した態様であると、充放電の初期にイオンが多孔質炭素材料に吸着することで電気二重層を形成することから高速充放電に有利であること、また、放電時に硫酸鉛の結晶化が進行しやすい表面に多孔質炭素材料が存在することにより大きな結晶の形成を防止でき、長寿命化が可能になることから好ましい。   In addition, when a sheet-like porous carbon material is joined to the surface of a molded body made of lead or a lead compound, an electric double layer is formed by adsorption of ions to the porous carbon material at the initial stage of charge and discharge. Therefore, it is advantageous for high-speed charge / discharge, and the presence of a porous carbon material on the surface where lead crystallization is likely to proceed during discharge can prevent the formation of large crystals and extend the life. This is preferable.

また、繊維状の多孔質炭素材料から形成された織布または不織布の空隙部分に、鉛または鉛化合物からなるマトリックスが充填されている態様も好ましい。このときの充填率は、クロスセクションポリッシャー法で形成した電極の断面のうち、鉛または鉛化合物である部分の面積を、観察した断面積で割り返すことで求められる。充填率は高いほど容量を高められるし、低いほど本発明の多孔質炭素材料による効果を発揮しやすいため、高速での充放電に有利となる。充填率は10〜90体積%の範囲であると上記目的を達成できるため好ましく、20〜80体積%の範囲であるとより好ましい。   Moreover, the aspect by which the matrix which consists of lead or a lead compound is filled with the space | gap part of the woven fabric or nonwoven fabric formed from the fibrous porous carbon material is also preferable. The filling rate at this time is calculated | required by dividing the area of the part which is a lead or a lead compound among the cross sections of the electrode formed by the cross section polisher method by the observed cross-sectional area. The higher the filling rate, the higher the capacity, and the lower the filling rate, the more easily the effect of the porous carbon material of the present invention can be achieved, which is advantageous for high-speed charging / discharging. The filling rate is preferably in the range of 10 to 90% by volume, since the above-described object can be achieved, and more preferably in the range of 20 to 80% by volume.

また、本発明の鉛蓄電池用電極は、多孔質炭素材料と、鉛または鉛化合物の他に、導電助剤、バインダー、金属、金属化合物などを含むことができる。   Moreover, the electrode for lead acid batteries of this invention can contain a conductive support agent, a binder, a metal, a metal compound, etc. other than a porous carbon material and lead or a lead compound.

導電助剤としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノウィスカー、グラフェンなどを例示することができ、これらを単独でも、組み合わせて使用しても良い。導電助剤は多いほど鉛蓄電池用電極の抵抗を下げ、大電流での充放電に有利となるし、少ないほど活物質である鉛または鉛化合物の鉛蓄電池用電極中における比率が高くなり、高い容量を得ることができる。これらのことから導電助剤は10重量%以下であることが好ましく、0.5〜8重量%の範囲であると、より好ましい。   Examples of the conductive aid include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanowhiskers, graphene and the like, and these may be used alone or in combination. The more conductive auxiliary, the lower the resistance of the lead-acid battery electrode, which is advantageous for charging / discharging with a large current, and the smaller the conductive auxiliary, the higher the ratio of lead or lead compound as the active material in the lead-acid battery electrode, the higher Capacity can be obtained. For these reasons, the conductive assistant is preferably 10% by weight or less, and more preferably in the range of 0.5 to 8% by weight.

またバインダーは、従来公知の高分子材料を使用することが可能であり、特に耐酸性に優れる材質であることが好ましい。このようなバインダーに用いられる材質としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ソジウムカルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ニトリルゴム、メタクリル酸メチルブタジエンゴム、ブチルグリコールアセテート、およびエチルジグリコールアセテートなどを例示できる。   In addition, a conventionally known polymer material can be used as the binder, and a material excellent in acid resistance is particularly preferable. Materials used for such binders include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, sodium carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyethylene oxide, ethylene propylene rubber. And styrene butadiene rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, nitrile rubber, methyl methacrylate butadiene rubber, butyl glycol acetate, and ethyl diglycol acetate.

バインダーは含有量が多いほど鉛蓄電池用電極の形態を安定させ、また充放電を繰り返しても電極材料の脱落を抑止できることから、耐久性を高められる。またバインダーは少ないほど活物質である鉛または鉛化合物の鉛蓄電池用電極中における比率が高くなり、高い容量を得ることができる。このことからバインダーの含有量は、10重量%以下であることが好ましく、0.5〜8重量%の範囲であると、より好ましい。   The higher the content of the binder, the more stable the form of the lead-acid battery electrode, and even when charging and discharging are repeated, the electrode material can be prevented from falling off, so that the durability can be improved. Further, the smaller the binder, the higher the ratio of lead or lead compound as an active material in the lead-acid battery electrode, and a higher capacity can be obtained. Accordingly, the binder content is preferably 10% by weight or less, and more preferably in the range of 0.5 to 8% by weight.

また、本発明の鉛蓄電池用電極は、本発明の目的、効果を触媒作用等の活用により増進する目的で、アルカリ金属、アルカリ土類金属や遷移金属およびこれらを含む金属化合物を5重量%以下含んでいても良い。   The lead-acid battery electrode of the present invention is 5% by weight or less of an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, and a metal compound containing these for the purpose of enhancing the object and effect of the present invention by utilizing catalytic action or the like. It may be included.

さらに、本発明の鉛蓄電池用電極は、集電体と組み合わされていることも好ましい。集電体としては従来公知の物を用いることができるが、カーボン、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル、鉛などを例示することができる。中でも鉛を用いた集電体であると、電極を構成する材料との親和性が高く、また電解液内に異種金属イオンを混入させず、電気化学反応を安定して行うことができるため好ましい。集電体の形態についても特に限定されないが、フィルム状、格子状などが例示される。   Furthermore, the lead-acid battery electrode of the present invention is preferably combined with a current collector. Conventionally known materials can be used as the current collector, and examples thereof include carbon, aluminum, stainless steel, copper, nickel, lead and the like. Among them, a current collector using lead is preferable because it has a high affinity with the material constituting the electrode, and can stably perform an electrochemical reaction without mixing foreign metal ions in the electrolyte solution. . The shape of the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a film shape and a lattice shape.

集電体がフィルム状である場合には、電極と組み合わせる面に凹凸が形成されていることが好ましい。凹凸が形成されたフィルム状の集電体は、鉛蓄電池用電極との接触面積が大きく、接触抵抗を低減する効果が得られる。凹凸は、粗いほど接触面積を大きくできるし、細かいほど集電体の強度を高く保つことができる。このことから凹凸は、算術平均粗さRaが1μm以上であることが好ましく、2〜50μmの範囲であるとより好ましく、2〜10μmの範囲であると更に好ましい。   When the current collector is in the form of a film, it is preferable that irregularities are formed on the surface combined with the electrode. The film-like current collector on which the irregularities are formed has a large contact area with the lead-acid battery electrode, and the effect of reducing the contact resistance is obtained. The rougher the unevenness, the larger the contact area, and the finer the unevenness, the higher the strength of the current collector. From this, the irregularities preferably have an arithmetic average roughness Ra of 1 μm or more, more preferably in the range of 2 to 50 μm, and even more preferably in the range of 2 to 10 μm.

集電体が格子状である場合には、金属で形成されたネット状であっても、繊維状の金属線材や炭素繊維を織物、編物、組物や不織布などの布帛の形態としたものであっても構わない。   When the current collector is in a lattice shape, even if it is a net shape made of metal, a fibrous metal wire or carbon fiber is used in the form of a fabric such as a woven fabric, a knitted fabric, a braided fabric or a non-woven fabric. It does not matter.

鉛蓄電池用電極の厚みには特に制限はなく、所望の特性に応じて適宜変更することができるが、厚くするほど鉛蓄電池とした場合にスタック数を少なくすることができ、鉛蓄電池用電極の密度を高めて電気容量を高くすることが可能であり、薄くするほど電極の抵抗を下げて高速充放電が可能になるため好ましい。電極厚みの範囲は、1μm〜10mmの範囲で任意に設計できる。   The thickness of the lead-acid battery electrode is not particularly limited and can be appropriately changed according to desired characteristics. However, the thicker the lead-acid battery, the smaller the number of stacks. The density can be increased to increase the electric capacity, and the thinner the thickness, the lower the resistance of the electrode and the faster charge / discharge becomes possible. The range of the electrode thickness can be arbitrarily designed in the range of 1 μm to 10 mm.

〔多孔質炭素材料〕
本発明の鉛蓄電池用電極に用いられる多孔質炭素材料は、炭素部分と空隙とがそれぞれ連続構造をなす共連続多孔構造部分を有する。具体的には、例えば液体窒素中で充分に冷却した試料をピンセット等により割断した断面や、乳鉢等で粉砕して得た粒子の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)等によって表面観察した際に、炭素材料の走査型電子顕微鏡写真(図1)に例示されるように、炭素部分と、炭素部分以外の部分として形成された空隙とがそれぞれ連続しつつ絡み合った構造として観察される部分を有する。
[Porous carbon material]
The porous carbon material used for the lead-acid battery electrode of the present invention has a co-continuous porous structure portion in which the carbon portion and the void each form a continuous structure. Specifically, for example, when the surface of particles obtained by crushing a sample sufficiently cooled in liquid nitrogen with tweezers or the like or pulverizing with a mortar or the like is observed with a scanning electron microscope (SEM) or the like. As shown in the scanning electron micrograph (FIG. 1) of the carbon material, the carbon portion and the void formed as a portion other than the carbon portion have a portion that is observed as a continuous and intertwined structure. .

共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料を用いた電極は、鉛蓄電池用途において共連続多孔構造部分の空隙に電解液や活物質である鉛あるいは鉛化合物の微粒子が効率よく浸入し、電解液、活物質との接触面積が非常に大きくなり、高容量化に寄与できる。また、共連続多孔構造の空隙が狭く、かつ曲面をもって連続しているため、硫酸鉛の結晶が大きく成長することができずに微結晶の集合体として析出する結果、充放電を阻害する粗大な硫酸鉛の結晶化によるサルフェーションを最小限とする効果が期待できる。また、電解質イオンが効率的に移動できるため、電解質イオンの流動抵抗が低減でき、高速充放電も可能となる。また、炭素部分が連続することで、電気伝導性が高くなるため内部抵抗を低減させることができることから、効率のよい充放電が可能になる。加えて炭素部分がお互いに構造体を支えあう効果により、例えば製造工程や使用時において引張、圧縮等の変形に対しても、大きな耐性を有する材料とできる。   Electrodes using a porous carbon material having a co-continuous porous structure portion can be obtained by efficiently infiltrating electrolyte or lead or lead compound fine particles into the voids of the co-continuous porous structure portion in lead-acid battery applications. In addition, the contact area with the active material becomes very large, which can contribute to higher capacity. In addition, since the voids of the co-continuous porous structure are narrow and continuous with a curved surface, lead sulfate crystals cannot grow large and precipitate as aggregates of microcrystals, resulting in coarse particles that inhibit charge / discharge. The effect of minimizing sulfation due to crystallization of lead sulfate can be expected. In addition, since the electrolyte ions can move efficiently, the flow resistance of the electrolyte ions can be reduced, and high-speed charging / discharging is also possible. In addition, since the carbon portion is continuous, the electrical conductivity is increased and the internal resistance can be reduced, so that efficient charge and discharge can be performed. In addition, due to the effect of the carbon parts supporting each other in the structure, for example, a material having great resistance to deformation such as tension and compression during the manufacturing process and use can be obtained.

共連続多孔構造としては、格子状やモノリス状が挙げられ、特に限定するものではないが、上記効果を発揮できる点ではモノリス状であることが好ましい。モノリス状とは、共連続多孔構造において炭素部分が三次元網目構造をなす形態をいい、個別の粒子が凝集・連結した構造や、あるいは逆に、凝集・連結した鋳型粒子を除去することにより生じた空隙とその周囲の骨格により形成された構造のような不規則な構造とは区別される。   Examples of the co-continuous porous structure include a lattice shape and a monolith shape, and are not particularly limited. However, a monolith shape is preferable in that the above effect can be exhibited. Monolithic form refers to a form in which the carbon part forms a three-dimensional network structure in a co-continuous porous structure, and is formed by removing aggregated and connected template particles, or a structure in which individual particles are aggregated and connected. A distinction is made between irregular structures such as those formed by open voids and surrounding skeletons.

また、多孔質炭素材料の共連続多孔構造部分は周期構造を有することが好ましい。周期構造を有することは、多孔質炭素材料に対してX線を入射し、散乱強度がピーク値を持つことにより確認できる。   Further, the co-continuous porous structure portion of the porous carbon material preferably has a periodic structure. Having a periodic structure can be confirmed by the fact that X-rays are incident on the porous carbon material and the scattering intensity has a peak value.

多孔質炭素材料の構造周期は0.002μm〜20μmであることが好ましい。構造周期とは、本発明の電極から取り出した炭素材料に対してX線を入射し、散乱強度がピーク値を持つ位置の散乱角度θより、下記の式で算出されるものである。   The structural period of the porous carbon material is preferably 0.002 μm to 20 μm. The structural period is calculated by the following formula from the scattering angle θ at a position where the X-ray is incident on the carbon material taken out from the electrode of the present invention and the scattering intensity has a peak value.

構造周期:L、λ:入射X線の波長
ただし構造周期が大きくて小角での散乱が観測できない場合がある。その場合はX線コンピュータ断層撮影(X線CT)によって構造周期を得る。具体的には、X線CTによって撮影した三次元画像をフーリエ変換した後に、その二次元スペクトルの円環平均を取り、一次元スペクトルを得る。その一次元スペクトルにおけるピークトップの位置に対応する特性波長を求め、その逆数より構造周期を算出する。
Structure period: L, λ: wavelength of incident X-rays However, there are cases where the structure period is large and scattering at a small angle cannot be observed. In that case, the structural period is obtained by X-ray computed tomography (X-ray CT). Specifically, after performing a Fourier transform on a three-dimensional image photographed by X-ray CT, the two-dimensional spectrum is averaged to obtain a one-dimensional spectrum. The characteristic wavelength corresponding to the position of the peak top in the one-dimensional spectrum is obtained, and the structural period is calculated from the reciprocal thereof.

共連続多孔構造部分の構造周期が0.002μm以上であると、空隙部に電解液が侵入しやすくなり、また流動抵抗も低減することができる。加えて、活物質である鉛または鉛化合物との複合も容易になる。また、炭素部分による電気伝導性の向上効果も大きくなる。構造周期は0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。また、構造周期が20μm以下であると、高い表面積や耐圧性、破壊靱性といった優れた物性を得ることができる。構造周期は10μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。   When the structural period of the co-continuous porous structure portion is 0.002 μm or more, the electrolytic solution easily enters the void portion, and the flow resistance can be reduced. In addition, it can be easily combined with lead or a lead compound as an active material. In addition, the effect of improving electrical conductivity due to the carbon portion is increased. The structural period is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. Further, when the structural period is 20 μm or less, excellent physical properties such as a high surface area, pressure resistance, and fracture toughness can be obtained. The structural period is preferably 10 μm or less, and more preferably 1 μm or less.

さらに、均一な共連続多孔構造を有することで、電解液の流動抵抗を低減できるほか、多孔質炭素材料製造工程、電極作製工程、デバイス組立工程等、製造に関わるあらゆる工程において、引張、圧縮等の変形に対する大きな耐性を有する材料とできる。本発明の炭素材料の共連続多孔構造の均一性は、本発明の炭素材料に対してX線を入射した際の散乱強度のピークの半値幅により決定できる。本発明の炭素材料のX線散乱ピークの半値幅は5°以下であることが好ましく、3°以下であることがさらに好ましく、1°以下であることが特に好ましい。なお、本発明におけるピークの半値幅とは、ピークの頂点を点Aとし、点Aからグラフ縦軸に平行な直線を引き、該直線とスペクトルのベースラインとの交点を点Bとしたとき、点Aと点Bを結ぶ線分の中点(点C)におけるピークの幅である。なお、ここで言うピークの幅とは、ベースラインに平行で、かつ点Cを通る直線上の幅のことである。   In addition to having a uniform co-continuous porous structure, the flow resistance of the electrolyte can be reduced, and in all processes related to manufacturing such as the porous carbon material manufacturing process, electrode manufacturing process, device assembly process, etc., tension, compression, etc. It is possible to use a material having a great resistance to deformation. The uniformity of the co-continuous porous structure of the carbon material of the present invention can be determined by the half width of the peak of the scattering intensity when X-rays are incident on the carbon material of the present invention. The full width at half maximum of the X-ray scattering peak of the carbon material of the present invention is preferably 5 ° or less, more preferably 3 ° or less, and particularly preferably 1 ° or less. The half width of the peak in the present invention is the peak A at the point A, a straight line parallel to the vertical axis of the graph is drawn from the point A, and the intersection of the straight line and the spectrum baseline is the point B. This is the width of the peak at the midpoint (point C) of the line segment connecting points A and B. In addition, the width | variety of the peak said here is a width | variety on the straight line which is parallel to a base line and passes along the point C. FIG.

なお、X線による構造周期の解析に際して、後述する共連続多孔構造を有しない部分については、構造周期が上記範囲外となるため解析には影響なく、上記式で算出される構造周期を以って、共連続多孔構造形成部の構造周期とするものとする。   In the analysis of the structural period by X-rays, the part having no co-continuous porous structure, which will be described later, has a structural period outside the above range, so the analysis is not affected and the structural period calculated by the above formula is used. Thus, the structure period of the co-continuous porous structure forming portion is used.

構造周期は小さいほど構造が細かく、単位体積あるいは単位重量当りの表面積が大きく、電解液との接触効率が高まり特に大電流での充放電効率向上に寄与できる。また、構造周期は大きいほど電解液の流動抵抗を低減し、効率よく電解質イオンの出入りが起こり高レート特性の発現に寄与できる。これらのことから、共連続多孔構造部分の構造周期は目的とする特性や使用条件に応じて適宜調整することができる。   The smaller the structure period, the finer the structure, the larger the surface area per unit volume or unit weight, and the higher the contact efficiency with the electrolyte, which can contribute to the improvement of charge / discharge efficiency at a large current. In addition, the larger the structural period, the lower the flow resistance of the electrolytic solution, and the efficient entry and exit of electrolyte ions can contribute to the expression of high rate characteristics. From these facts, the structural period of the co-continuous porous structure can be appropriately adjusted according to the intended characteristics and use conditions.

また、共連続多孔構造部分は、平均空隙率が10〜80%であることが好ましい。平均空隙率とは、包埋した試料をクロスセクションポリッシャー法(CP法)により精密に形成させた断面を、1±0.1(nm/画素)となるよう調整された拡大率で、70万画素以上の解像度で観察した画像から、計算に必要な着目領域を512画素四方で設定し、着目領域の面積をA、孔部分の面積をBとして、以下の式で算出されたものを言う。   The co-continuous porous structure part preferably has an average porosity of 10 to 80%. The average porosity is an enlargement ratio adjusted to be 1 ± 0.1 (nm / pixel) of a cross section in which an embedded sample is precisely formed by a cross section polisher method (CP method). The image is calculated by the following expression from an image observed at a resolution of at least a pixel, where the area of interest required for calculation is set in 512 pixels square, the area of the area of interest is A, and the area of the hole is B.

平均空隙率(%)=B/A×100
平均空隙率は、高いほど活物質である鉛または鉛化合物との複合の際に充填効率を高められるほか、電解液の流路として圧力損失が小さくなる一方、低いほど圧縮や曲げに強くなるため、取り扱い性や加圧条件、充放電に伴う活物質の体積変化においても破壊されることが少ないため有利となる。これらのことを考慮し、共連続多孔構造部分の平均空隙率は15〜75%の範囲であることが好ましく、18〜70%の範囲がさらに好ましい。また鉛または鉛化合物が多孔質炭素材料の共連続多孔構造の空隙内に含まれる場合があるが、元素分析を行って、鉛または鉛化合物の影響を除外して、平均空隙率を算出する。
Average porosity (%) = B / A × 100
The higher the average porosity, the higher the filling efficiency when combined with lead or lead compounds as the active material, and the lower the pressure loss as the electrolyte flow path, the lower the resistance to compression and bending. In addition, it is advantageous because it is hardly broken even in handling, pressurization conditions, and volume change of the active material accompanying charge / discharge. Considering these, the average porosity of the co-continuous porous structure portion is preferably in the range of 15 to 75%, and more preferably in the range of 18 to 70%. In addition, lead or a lead compound may be contained in the voids of the co-continuous porous structure of the porous carbon material. However, elemental analysis is performed to exclude the influence of lead or the lead compound, and the average porosity is calculated.

さらに、共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料は、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有することが好ましい。表面とは、多孔質炭素材料を巨視的に見た場合の表層のみではなく、多孔質炭素材料の共連続多孔構造部分における炭素部分の表面も含めた炭素材料のあらゆる外部との接触面を指す。細孔は、共連続多孔構造部分における炭素部分の表面および/または後述する共連続多孔構造を実質的に有しない緻密部分に形成することができるが、少なくとも共連続多孔構造を有する部分における炭素部分の表面に形成することが好ましい。つまり、多孔質炭素材料の好ましい態様として、共連続多孔構造を構成する空孔と、共連続多孔構造を構成する空孔とは別の平均直径0.01〜10nmの細孔を有することが挙げられる。   Furthermore, the porous carbon material having a co-continuous porous structure portion preferably has pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm on the surface. The surface means not only the surface layer when the porous carbon material is viewed macroscopically but also the contact surface with any outside of the carbon material including the surface of the carbon portion in the co-continuous porous structure portion of the porous carbon material. . The pores can be formed on the surface of the carbon portion in the bicontinuous porous structure portion and / or in a dense portion that does not substantially have the bicontinuous porous structure described later, but at least the carbon portion in the portion having the bicontinuous porous structure. It is preferable to form on the surface. That is, as a preferred embodiment of the porous carbon material, there are pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm different from the pores constituting the co-continuous porous structure and the pores constituting the co-continuous porous structure. It is done.

このような細孔の平均直径は0.01nm以上であることが好ましく、0.1nm以上であることがさらに好ましい。また、5nm以下であることが好ましく、2nm以下であることがさらに好ましい。細孔の平均直径が0.01nm〜10nmであることにより、多孔質炭素材料の表面で硫酸鉛が析出する際に、微小な空孔内で析出が起こるため、結晶化に必要な大きさの硫酸鉛を生成する可能性が低く、結果充放電特性を向上させることができる。   The average diameter of such pores is preferably 0.01 nm or more, and more preferably 0.1 nm or more. Moreover, it is preferable that it is 5 nm or less, and it is more preferable that it is 2 nm or less. Since the average diameter of the pores is 0.01 nm to 10 nm, when lead sulfate is precipitated on the surface of the porous carbon material, the precipitation occurs in minute pores. The possibility of producing lead sulfate is low, and as a result, charge / discharge characteristics can be improved.

また、多孔質炭素材料は、後述するMP法で解析される細孔容積が0.1ml/g以上であることが好ましく、1.0ml/g以上であることがより好ましく、1.5ml/g以上であることがさらに好ましい。細孔容積が0.1ml/g以上であることにより、充放電向上効果がより向上する。上限は特に限定されないが、10ml/g未満であれば、炭素材料の強度を保ち、かさ密度を適正な範囲として取り扱い性を担保することができ、好ましい。   The porous carbon material preferably has a pore volume analyzed by the MP method described later of 0.1 ml / g or more, more preferably 1.0 ml / g or more, and 1.5 ml / g. More preferably, it is the above. When the pore volume is 0.1 ml / g or more, the charge / discharge improvement effect is further improved. Although an upper limit is not specifically limited, if it is less than 10 ml / g, it can maintain the intensity | strength of a carbon material and can ensure handling property by making a bulk density into an appropriate range, and is preferable.

なお、本明細書において、細孔の平均直径とは、BJH法またはMP法のいずれかの方法による測定値を意味する。すなわち、BJH法またはMP法による測定値のどちらか一方でも0.01〜10nmの範囲に入っていれば、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有するものと判断する。細孔直径の好ましい範囲についても同様である。BJH法やMP法は、細孔径分布解析法として広く用いられている方法であり、多孔質炭素材料に窒素を吸脱着させることにより求めた脱着等温線に基づいて求めることができる。BJH法はBarrett−Joyner−Halendaの標準モデルに従って円筒状と仮定した細孔の直径に対する細孔容積の分布を解析する方法であり、主として2〜200nmの直径を有する細孔に適用することができる(詳細はJ.Amer.Chem.Soc.,73,373,1951等を参照)。また、MP法は吸着等温線の各点での接線の傾きの変化から求められる各区間の外部表面積と吸着層厚み(細孔形状を円筒形とするため細孔半径に相当)を基に細孔容積を求め、吸着層厚みに対してプロットすることにより、細孔径分布を得る方法であり(詳細はJounalof Colloid and Interface Science,26,45,1968等を参照)、主として0.4〜2nmの直径を有する細孔に適用できる。本発明では、いずれも小数第二位を四捨五入して、小数第一位まで求めた値を用いる。   In addition, in this specification, the average diameter of a pore means the measured value by any method of BJH method or MP method. That is, if either one of the measured values by the BJH method or the MP method falls within the range of 0.01 to 10 nm, it is determined that the surface has pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm. The same applies to the preferable range of the pore diameter. The BJH method and the MP method are widely used as a pore size distribution analysis method, and can be obtained based on a desorption isotherm obtained by adsorbing and desorbing nitrogen on a porous carbon material. The BJH method is a method of analyzing the pore volume distribution with respect to the pore diameter assumed to be cylindrical according to the Barrett-Joyner-Halenda standard model, and can be applied mainly to pores having a diameter of 2 to 200 nm. (For details, see J. Amer. Chem. Soc., 73, 373, 1951 etc.). The MP method is based on the external surface area and adsorption layer thickness (corresponding to the pore radius because the pore shape is cylindrical) obtained from the change in the tangential slope at each point of the adsorption isotherm. This is a method for obtaining the pore volume and plotting it against the thickness of the adsorption layer to obtain a pore size distribution (for details, refer to Junealod Colloid and Interface Science, 26, 45, 1968, etc.). Applicable to pores having a diameter. In the present invention, all values obtained by rounding off the second decimal place to the first decimal place are used.

なお、共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料においては、共連続多孔構造部分の空隙がBJH法あるいはMP法により測定される細孔径分布や細孔容積に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、純粋に細孔のみではなく、空隙の存在をも反映した値としてこれらの測定値が得られる可能性があるが、その場合であってもこれらの方法により求めた測定値を本発明における細孔の平均直径および細孔容積と判断するものとする。また、BJH法あるいはMP法により測定される細孔容積が0.05cm/g未満であれば、材料表面に細孔は形成されていないものと判断する。 In a porous carbon material having a co-continuous porous structure portion, voids in the co-continuous porous structure portion may affect the pore size distribution and pore volume measured by the BJH method or the MP method. That is, there is a possibility that these measured values may be obtained as values that reflect not only the pores but also the presence of voids. Even in this case, the measured values obtained by these methods are used in the present invention. Assume that the average diameter and the pore volume of the pores. Moreover, if the pore volume measured by BJH method or MP method is less than 0.05 cm < 3 > / g, it will be judged that the pore is not formed in the material surface.

また、多孔質炭素材料は、BET比表面積が5m/g以上であることが好ましい。BET比表面積は20m/g以上であることがより好ましく、100m/g以上であることがさらに好ましく、1000m/g以上であることが一層好ましい。BET比表面積が5m/g以上であることにより、電解質イオンの吸脱着に作用できる面積が大きくなり、鉛蓄電池用電極としての性能が向上する。上限は特に限定されないが、4500m/g未満であると、多孔質炭素材料の強度を保持し、かさ密度を適正な範囲として取り扱い性を担保できる。なお、本発明におけるBET比表面積は、JISR 1626(1996)に準じ、多孔質炭素材料に窒素を吸脱着させることにより吸着等温線を測定し、測定したデータをBET式に基づいて算出することができる。 The porous carbon material preferably has a BET specific surface area of 5 m 2 / g or more. The BET specific surface area is more preferably 20 m 2 / g or more, further preferably 100 m 2 / g or more, and further preferably 1000 m 2 / g or more. When the BET specific surface area is 5 m 2 / g or more, the area capable of acting on the adsorption and desorption of electrolyte ions is increased, and the performance as an electrode for a lead storage battery is improved. Although an upper limit is not specifically limited, The intensity | strength of a porous carbon material is hold | maintained as it is less than 4500 m < 2 > / g, and handleability can be ensured by making a bulk density into an appropriate range. The BET specific surface area in the present invention can be calculated based on the BET equation by measuring the adsorption isotherm by adsorbing and desorbing nitrogen to and from the porous carbon material according to JISR 1626 (1996). it can.

共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料は、共連続多孔構造を実質的に有しない緻密部分(以下、単に「緻密部分」という場合がある。)を含んでいることも、好ましい態様である。共連続多孔構造を実質的に有しない緻密部分とは、クロスセクションポリッシャー法(CP法)により形成させた断面を、1±0.1(nm/画素)の拡大率で観察した際に、解像度以下であることにより明確な空隙が観察されない部分が、一辺が後述のX線から算出される構造周期Lの3倍に対応する正方形の領域以上の面積で存在することを意味する。   It is also a preferable aspect that the porous carbon material having a co-continuous porous structure part includes a dense part that does not substantially have a co-continuous porous structure (hereinafter, sometimes simply referred to as “dense part”). . The dense part substantially having no co-continuous porous structure is the resolution when a cross section formed by the cross section polisher method (CP method) is observed at an enlargement ratio of 1 ± 0.1 (nm / pixel). This means that a portion where a clear void is not observed due to the following is present in an area equal to or larger than a square region corresponding to three times the structural period L calculated from an X-ray described later.

緻密部分には炭素が緻密に充填されているため電子伝導性が高く、電気抵抗を低くすることが可能である。また、緻密部分が存在することで、特に充放電に伴う活物質の体積変化から受ける圧縮破壊に対する耐性を高めることが可能である。   Since the dense portion is densely filled with carbon, the electron conductivity is high and the electrical resistance can be lowered. In addition, the presence of the dense portion can increase the resistance to compressive fracture that is received from the change in volume of the active material accompanying charging / discharging.

緻密部分の割合は適宜調整することができ、例えば5体積%以上が共連続多孔構造を有しない部分であることで、電気伝導性、熱伝導性を高いレベルで維持したりすることが可能であるため好ましい。   The proportion of the dense part can be adjusted as appropriate. For example, when 5% by volume or more is a part that does not have a co-continuous porous structure, it is possible to maintain electrical conductivity and thermal conductivity at a high level. This is preferable.

なお、粒子状の多孔質炭素材料を用いる場合においては、上述の緻密部分が1個1個の粒子の一部に存在すると、粒子内における電気伝導性を高めることが可能になるほか、粒子自体の圧縮強度を高め、充放電に伴う体積変化から発生する高圧下での性能劣化が少なくなる等の効果が期待できるため、好ましい。   In the case where a particulate porous carbon material is used, if the above-described dense portion is present in a part of each particle, it is possible to increase electrical conductivity in the particle, and the particle itself. This is preferable because the compressive strength of the resin can be increased and performance deterioration under high pressure caused by the volume change associated with charge / discharge can be expected.

また、フィルム状の多孔質炭素材料を粉砕した鱗片状の粒子を電極内に分散させる態様においては、緻密部分が鱗片状の粒子内に存在することで、強度の高い部分が存在するため、いわゆる強化材料としての効果が得られることから電極を取り扱う際や充放電反応における割れや欠けなどを予防することができ、歩留まりの改善のほか、耐久性も向上させることが可能である。   Further, in the aspect in which the scaly particles obtained by pulverizing the film-like porous carbon material are dispersed in the electrode, the dense part is present in the scaly particles, so that there is a part having high strength, so-called Since the effect as a reinforcing material can be obtained, cracks and chips in the electrode handling and charge / discharge reactions can be prevented, and in addition to improving yield, durability can also be improved.

また、繊維状の多孔質炭素材料を用いる場合においては、繊維の外周部分に緻密部分が存在すると、繊維自体の強度を高めることができるため、取り扱い時あるいは充放電時の体積変化に伴う変形に対して耐力を有し、割れや欠けなどによる電極の脱落を予防できることから好ましい。また、緻密部分の存在により、繊維軸方向、あるいは繊維断面方向に対して電気抵抗を低減する効果があることから、充放電の効率を高められる点でも好ましい。   Also, in the case of using a fibrous porous carbon material, the presence of a dense portion in the outer peripheral portion of the fiber can increase the strength of the fiber itself, resulting in deformation due to volume changes during handling or charge / discharge. It is preferable because it has proof strength and can prevent the electrode from falling off due to cracking or chipping. Further, the presence of the dense portion is effective in reducing the electric resistance with respect to the fiber axis direction or the fiber cross-sectional direction, which is also preferable in terms of enhancing the charge / discharge efficiency.

また、フィルム状の多孔質炭素材料を用いる場合においては、内層に共連続多孔構造部分を有し、その片側または両側の外層に緻密部分が存在するよう成形されたフィルムを用いることが好ましい。このようなフィルムは、緻密部分により電気伝導性を高いレベルで維持することができるとともに、緻密部分を、集電体として用いる金属箔との接着に好適な界面として機能させることができるため好ましい。この態様において、緻密部分の厚みは特に限定されるものではないが、厚すぎると多孔質炭素材料として空隙率や比表面積が低下する傾向が見られることから、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることがさらに好ましい。ここで下限についても特に限定されるものではないが、材料の形態を保ち、共連続多孔構造部分と区別された機能を発揮させる観点から0.01μm以上であることが好ましい。   In the case of using a film-like porous carbon material, it is preferable to use a film having a co-continuous porous structure portion in the inner layer and a dense portion in the outer layer on one side or both sides thereof. Such a film is preferable because the dense portion can maintain electrical conductivity at a high level and the dense portion can function as an interface suitable for adhesion to a metal foil used as a current collector. In this embodiment, the thickness of the dense portion is not particularly limited, but if it is too thick, the porosity and specific surface area tend to decrease as the porous carbon material. Therefore, the thickness is preferably 100 μm or less, and 50 μm. More preferably, it is more preferably 20 μm or less. Here, the lower limit is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more from the viewpoint of maintaining the form of the material and exhibiting the function distinguished from the bicontinuous porous structure portion.

緻密部分は、フィルムの一面のみに形成された形態であると、緻密部分が、集電体と接合された場合に接触抵抗を低減でき、鉛蓄電池用電極の抵抗を下げられる効果に加えて、鉛または鉛化合物および/または電解液との接触を共連続多孔構造を有する部分に主に分担させ、接触抵抗の低減と充放電反応効率の向上とを両立することで、非常に効率の良い電極が得られることから好ましい。   In addition to the effect that the dense portion is formed on only one surface of the film, the contact resistance can be reduced when the dense portion is joined to the current collector, and the resistance of the lead-acid battery electrode can be lowered. Highly efficient electrode by mainly sharing the contact with lead or lead compound and / or electrolyte in the part with co-continuous porous structure, and reducing both contact resistance and improving charge / discharge reaction efficiency Is preferable.

<鉛蓄電池>
鉛蓄電池は、本発明の鉛蓄電池用電極を正極または負極の少なくとも一方に用いることで、サイクル寿命特性の向上を図ることができるが、正極、負極共に本発明の鉛蓄電池用電極を用いることがより好ましい。本発明の鉛蓄電池用電極を正極および負極に用いた鉛蓄電池は、大電流での充放電特性に優れるため、繰り返しの充放電を行っても劣化が少なく、長期間にわたって使用が可能になる。
<Lead battery>
The lead-acid battery can improve cycle life characteristics by using the lead-acid battery electrode of the present invention for at least one of the positive electrode and the negative electrode. However, the lead-acid battery electrode of the present invention can be used for both the positive electrode and the negative electrode. More preferred. Since the lead storage battery using the lead storage battery electrode of the present invention for the positive electrode and the negative electrode is excellent in charge / discharge characteristics at a large current, it is hardly deteriorated even if repeated charge / discharge is performed, and can be used for a long period of time.

本発明の鉛蓄電池用電極を用いた鉛電池は、高容量で、高速充放電が可能であるため、たとえば、燃料電池自動車、プラグインハイブリッド車、ハイブリッド車、電気自動車、電車、航空機、各種家電、工作機器、二輪車、フォークリフト、建設機械等に好適である。また、太陽光発電、風力発電、地熱発電、波力発電等の再生エネルギー関連機器や電力供給コントロール基地、さらには病院、工場、データセンター等のバックアップ電源にも好適に利用され得る。   Since the lead battery using the electrode for the lead storage battery of the present invention has a high capacity and can be charged and discharged at high speed, for example, a fuel cell vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, an electric vehicle, a train, an aircraft, various home appliances. It is suitable for machine tools, motorcycles, forklifts, construction machines, etc. Further, it can be suitably used for renewable energy-related devices such as solar power generation, wind power generation, geothermal power generation, wave power generation, and power supply control bases, as well as backup power sources for hospitals, factories, data centers, and the like.

特に、燃料電池自動車、プラグインハイブリッド車、ハイブリッド車、電気自動車等の自動車用途においては、ブレーキ作動時にモータにて発電される電力を本発明の鉛蓄電池に瞬時に貯蓄し、これを発進時等の大きな駆動力が必要な際に供給することができるほか、電装品が必要とする電力を供給することで安定した運転が可能になる。また、内燃機関を搭載した従来の自動車においても、アイドリングストップを実施する自動車は、エンジンの停止、再始動を頻繁に繰り返すことから、始動時の大電流による充放電に優れた本発明の鉛蓄電池の用途として好適である。   In particular, in automobile applications such as fuel cell vehicles, plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, electric vehicles, etc., the electric power generated by the motor when the brake is operated is instantly stored in the lead storage battery of the present invention, and this is started, etc. Can be supplied when a large driving force is required, and stable operation is possible by supplying electric power required by electrical components. Further, even in a conventional automobile equipped with an internal combustion engine, an automobile that performs idling stop frequently repeats stop and restart of the engine. Therefore, the lead storage battery of the present invention that is excellent in charge and discharge due to a large current at start-up It is suitable for use.

また、本発明の鉛蓄電池は、高容量、高速充電特性、長寿命という特徴を活かし、電車搭載用としても好適に利用される。本発明の鉛蓄電池を搭載した電車は、ブレーキによる回生発電を本発明の鉛蓄電池へ充電することで、省エネルギーでの走行が可能となるため好ましい。特に架線からの電力供給に落雷などによる電圧降下などの急激な変動があった場合でも、安定した加速、減速を行うことが可能となり、安定運行に寄与できるため好ましい。   In addition, the lead storage battery of the present invention can be suitably used for mounting on a train, taking advantage of high capacity, high-speed charging characteristics, and long life. A train equipped with the lead storage battery of the present invention is preferable because the regenerative power generation by the brake is charged to the lead storage battery of the present invention, so that traveling with energy saving becomes possible. In particular, even when there is a sudden fluctuation such as a voltage drop due to a lightning strike in the power supply from the overhead line, stable acceleration and deceleration can be performed, which is preferable because it can contribute to stable operation.

更に本発明の鉛蓄電池は、風力発電や太陽光発電と組み合わせることも好ましい。風力発電や太陽光発電は、風力や日照の変動によって発電量が時間で大きく変化してしまうが、本発明の鉛蓄電池の高速充放電特性によって、高効率な蓄電が可能となる。   Furthermore, the lead storage battery of the present invention is preferably combined with wind power generation or solar power generation. In wind power generation and solar power generation, the amount of power generation varies greatly with time due to fluctuations in wind power and sunshine. However, the high-speed charge / discharge characteristics of the lead storage battery of the present invention enable highly efficient power storage.

<多孔質炭素材料の製造方法>
本発明に用いる多孔質炭素材料は、一例として、炭化可能樹脂10〜90重量%と消失樹脂90〜10重量%とを相溶させて樹脂混合物とする工程(工程1)と、相溶した状態の樹脂混合物を相分離させ、固定化する工程(工程2)、加熱焼成により炭化する工程(工程3)を有する製造方法により製造することができる。
<Method for producing porous carbon material>
As an example, the porous carbon material used in the present invention is a state in which 10 to 90% by weight of a carbonizable resin and 90 to 10% by weight of a disappearing resin are mixed to form a resin mixture (step 1) and a compatible state. The resin mixture can be produced by a production method having a step (step 2) for phase separation and immobilization and a step (step 3) for carbonization by heating and baking.

〔工程1〕
工程1は、炭化可能樹脂10〜90重量%と、消失樹脂90〜10重量%と相溶させ、樹脂混合物とする工程である。
[Step 1]
Step 1 is a step in which 10 to 90% by weight of the carbonizable resin and 90 to 10% by weight of the disappearing resin are compatible to form a resin mixture.

ここで炭化可能樹脂とは、焼成により炭化し、炭素材料として残存する樹脂であり、炭化収率が40%以上のものが好ましい。炭化可能樹脂としては、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の双方を用いることができ、熱可塑性樹脂の例としては、ポリフェニレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、全芳香族ポリエステルが挙げられ、熱硬化性樹脂の例としては、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、リグニン樹脂、ウレタン樹脂等を列挙することができる。コスト、生産性の点でポリアクリロニトリル、フェノール樹脂が好ましく、ポリアクリロニトリルがより好ましい。特に本発明では、ポリアクリロニトリルでも高比表面積が得られることから、好ましい態様である。これらは単独で用いても、混合された状態で用いても構わない。ここでいう炭化収率は、熱重量測定(TG)法で、窒素雰囲気下、10℃/分で昇温したときの重量変化を測定し、室温での重量と800℃での重量との差を、室温での重量で除したものをいう。   Here, the carbonizable resin is a resin that is carbonized by firing and remains as a carbon material, and preferably has a carbonization yield of 40% or more. As the carbonizable resin, both a thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used, and examples of the thermoplastic resin include polyphenylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, phenol resin, wholly aromatic polyester, Examples of thermosetting resins include unsaturated polyester resins, alkyd resins, melamine resins, urea resins, polyimide resins, diallyl phthalate resins, lignin resins, urethane resins, and the like. In view of cost and productivity, polyacrylonitrile and phenol resin are preferable, and polyacrylonitrile is more preferable. Particularly in the present invention, polyacrylonitrile is a preferred embodiment because a high specific surface area can be obtained. These may be used alone or in a mixed state. The carbonization yield here is the difference between the weight at room temperature and the weight at 800 ° C. by measuring the change in weight when the temperature is raised at 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere by the thermogravimetry (TG) method. Is divided by the weight at room temperature.

また消失樹脂とは、後述する工程2の後に除去できる樹脂であり、好ましくは不融化処理と同時もしくは不融化処理後または焼成と同時、の少なくともいずれかの段階で除去することのできる樹脂である。除去率は、最終的に多孔質炭素材料となった際に80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましい。消失樹脂を除去する方法については特に限定されるものではなく、薬品を用いて解重合する等して化学的に除去する方法、消失樹脂を溶解する溶媒により除去する方法、加熱して熱分解によって消失樹脂を低分子量化して除去する方法等が好適に用いられる。これらの手法は単独で、もしくは組み合わせて使用することができ、組み合わせて実施する場合にはそれぞれを同時に実施しても別々に実施しても良い。   Further, the disappearing resin is a resin that can be removed after Step 2 described later, and is preferably a resin that can be removed at least in any stage of the infusibilization treatment, the infusibilization treatment, or the firing. . The removal rate is preferably 80% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more when finally becoming a porous carbon material. The method of removing the disappearing resin is not particularly limited, and is a method of chemically removing the polymer by depolymerizing with a chemical, a method of removing the disappearing resin with a solvent, a method of heating and thermal decomposition. A method of removing the lost resin by reducing the molecular weight is preferably used. These methods can be used singly or in combination, and when implemented in combination, each may be performed simultaneously or separately.

化学的に除去する方法としては、酸またはアルカリを用いて加水分解する方法が経済性や取り扱い性の観点から好ましい。酸またはアルカリによる加水分解を受けやすい樹脂としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド等が挙げられる。   As a method of chemically removing, a method of hydrolyzing with an acid or an alkali is preferable from the viewpoints of economy and handleability. Examples of the resin that is susceptible to hydrolysis by acid or alkali include polyester, polycarbonate, and polyamide.

消失樹脂を溶解する溶媒により除去する方法としては、混合された炭化可能樹脂と消失樹脂に対して、連続して溶媒を供給して消失樹脂を溶解、除去する方法や、バッチ式で混合して消失樹脂を溶解、除去する方法等が好適な例として挙げられる。   As a method of removing the disappearing resin with a solvent that dissolves, the mixed carbonizable resin and the disappearing resin are continuously supplied with a solvent to dissolve and remove the disappearing resin, or mixed in a batch system. A suitable example is a method of dissolving and removing the lost resin.

溶媒により除去する方法に適した消失樹脂の具体的な例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリオレフィン、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリビニルピロリドン、脂肪族ポリエステル、ポリカーボネート等が挙げられる。中でも溶媒への溶解性から非晶性の樹脂であることがより好ましく、その例としてはポリスチレン、メタクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリビニルピロリドンが挙げられる。   Specific examples of the disappearing resin suitable for the method of removing with a solvent include polyolefins such as polyethylene, polypropylene and polystyrene, acrylic resins, methacrylic resins, polyvinyl pyrrolidone, aliphatic polyesters, polycarbonates and the like. Among these, an amorphous resin is more preferable because of its solubility in a solvent, and examples thereof include polystyrene, methacrylic resin, polycarbonate, and polyvinylpyrrolidone.

熱分解によって消失樹脂を低分子量化して除去する方法としては、混合された炭化可能樹脂と消失樹脂をバッチ式で加熱して熱分解する方法や、連続して混合された炭化可能樹脂と消失樹脂を加熱源中へ連続的に供給しつつ加熱して熱分解する方法が挙げられる。   As a method of removing the lost resin by reducing the molecular weight by thermal decomposition, a method in which the mixed carbonizable resin and the lost resin are heated in a batch manner to thermally decompose, or a continuously mixed carbonized resin and the lost resin are removed. A method of heating and thermally decomposing while continuously supplying to a heat source.

消失樹脂は、これらのなかでも、後述する工程3において、炭化可能樹脂を焼成により炭化する際に熱分解により消失する樹脂であることが好ましく、後述する炭化可能樹脂の不融化処理の際に大きな化学変化を起こさず、かつ焼成後の炭化収率が10%未満となる樹脂であることが好ましい。このような消失樹脂の具体的な例としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリオレフィン、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリアセタール、ポリビニルピロリドン、脂肪族ポリエステル、芳香族ポリエステル、脂肪族ポリアミド、ポリカーボネート等を列挙することができ、これらは、単独で用いても、混合された状態で用いても構わない。   Among these, the disappearing resin is preferably a resin that disappears by thermal decomposition when carbonizing the carbonizable resin by firing in Step 3 described later, and is large during the infusibilization treatment of the carbonizable resin described later. A resin that does not cause a chemical change and has a carbonization yield after firing of less than 10% is preferable. Specific examples of such disappearing resins include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene, acrylic resins, methacrylic resins, polyacetals, polyvinylpyrrolidones, aliphatic polyesters, aromatic polyesters, aliphatic polyamides, polycarbonates, and the like. These may be used alone or in a mixed state.

工程1においては、炭化可能樹脂と消失樹脂を相溶させ、樹脂混合物(ポリマーアロイ)とする。ここでいう「相溶させ」とは、温度および/または溶媒の条件を適切に選択することにより、光学顕微鏡で炭化可能樹脂と消失樹脂の相分離構造が観察されない状態を作り出すことをいう。   In step 1, the carbonizable resin and the disappearing resin are mixed to form a resin mixture (polymer alloy). “Compatibilized” as used herein refers to creating a state in which the phase separation structure of the carbonizable resin and the disappearing resin is not observed with an optical microscope by appropriately selecting the temperature and / or solvent conditions.

炭化可能樹脂と消失樹脂は、樹脂同士のみの混合により相溶させてもよいし、溶媒等を加えることにより相溶させてもよい。   The carbonizable resin and the disappearing resin may be compatible by mixing only the resins, or may be compatible by adding a solvent or the like.

複数の樹脂が相溶する系としては、低温では相分離状態にあるが高温では1相となる上限臨界共溶温度(UCST)型の相図を示す系や、逆に、高温では相分離状態にあるが低温では1相となる下限臨界共溶温度(LCST)型の相図を示す系等が挙げられる。また特に炭化可能樹脂と消失樹脂の少なくとも一方が溶媒に溶解した系である場合には、非溶媒の浸透によって後述する相分離が誘発されるものも好適な例として挙げられる。   A system in which a plurality of resins are compatible includes a phase diagram of an upper critical eutectic temperature (UCST) type that is in a phase separation state at a low temperature but has one phase at a high temperature, and conversely, a phase separation state at a high temperature. However, there is a system showing a lower critical solution temperature (LCST) type phase diagram that becomes one phase at a low temperature. In particular, when a system in which at least one of the carbonizable resin and the disappearing resin is dissolved in a solvent, those in which phase separation to be described later is induced by permeation of the non-solvent are also preferable examples.

加えられる溶媒については特に限定されるものではないが、溶解性の指標となる炭化可能樹脂と消失樹脂の溶解度パラメーター(SP値)の平均値との差の絶対値が、5.0以内であることが好ましい。SP値の平均値との差の絶対値は、小さいほど溶解性が高いことが知られているため、差がないことが好ましい。またSP値の平均値との差の絶対値は、大きいほど溶解性が低くなり、炭化可能樹脂と消失樹脂との相溶状態を取ることが難しくなる。このことからSP値の平均値からの差の絶対値は、3.0以下であることが好ましく、2.0以下が最も好ましい。   The solvent to be added is not particularly limited, but the absolute value of the difference between the average value of the solubility parameter (SP value) of the carbonizable resin and the disappearing resin, which is a solubility index, is within 5.0. It is preferable. Since it is known that the smaller the absolute value of the difference from the average value of the SP values, the higher the solubility, it is preferable that there is no difference. Further, the larger the absolute value of the difference from the average SP value, the lower the solubility, and it becomes difficult to take a compatible state between the carbonizable resin and the disappearing resin. Therefore, the absolute value of the difference from the average value of SP values is preferably 3.0 or less, and most preferably 2.0 or less.

相溶する系の具体的な炭化可能樹脂と消失樹脂の組み合わせ例としては、溶媒を含まない系であれば、ポリフェニレンオキシド/ポリスチレン、ポリフェニレンオキシド/スチレン−アクリロニトリル共重合体、全芳香族ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート、全芳香族ポリエステル/ポリエチレンナフタレート、全芳香族ポリエステル/ポリカーボネート等が挙げられる。溶媒を含む系の具体的な組合せ例としては、ポリアクリロニトリル/ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル/ポリビニルフェノール、ポリアクリロニトリル/ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル/ポリ乳酸、ポリビニルアルコール/酢酸ビニル−ビニルアルコール共重合体、ポリビニルアルコール/ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール/ポリプロピレングリコール、ポリビニルアルコール/デンプン等を挙げることができる。   Specific examples of combinations of carbonizable resins and disappearance resins that are compatible are polyphenylene oxide / polystyrene, polyphenylene oxide / styrene-acrylonitrile copolymer, wholly aromatic polyester / polyethylene as long as they do not contain solvents. Examples include terephthalate, wholly aromatic polyester / polyethylene naphthalate, wholly aromatic polyester / polycarbonate. Specific examples of combinations of systems containing solvents include polyacrylonitrile / polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile / polyvinylphenol, polyacrylonitrile / polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile / polylactic acid, polyvinyl alcohol / vinyl acetate-vinyl alcohol copolymer, polyvinyl Examples thereof include alcohol / polyethylene glycol, polyvinyl alcohol / polypropylene glycol, and polyvinyl alcohol / starch.

炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する方法については限定されるものではなく、均一に混合できる限りにおいて公知の種々の混合方式を採用できる。具体例としては、攪拌翼を持つロータリー式のミキサーや、スクリューによる混練押出機等が挙げられる。   The method for mixing the carbonizable resin and the disappearing resin is not limited, and various known mixing methods can be adopted as long as they can be mixed uniformly. Specific examples include a rotary mixer having a stirring blade, a kneading extruder using a screw, and the like.

また炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する際の温度(混合温度)を、炭化可能樹脂と消失樹脂が共に軟化する温度以上とすることも好ましい態様である。ここで軟化する温度とは、炭化可能樹脂または消失樹脂が結晶性高分子であれば融点、非晶性樹脂であればガラス転移点温度を適宜選択すればよい。混合温度を炭化可能樹脂と消失樹脂が共に軟化する温度以上とすることで、両者の粘性を下げられるため、より効率の良い攪拌、混合が可能になる。混合温度の上限についても特に限定されるものではないが、熱分解による樹脂の劣化を防止し、品質に優れた多孔質炭素材料の前駆体を得る観点から、400℃以下であることが好ましい。   It is also a preferred aspect that the temperature (mixing temperature) when mixing the carbonizable resin and the disappearing resin is equal to or higher than the temperature at which the carbonizable resin and the disappearing resin are both softened. Here, the softening temperature may be appropriately selected as the melting point if the carbonizable resin or disappearing resin is a crystalline polymer, and the glass transition temperature if it is an amorphous resin. By setting the mixing temperature to be equal to or higher than the temperature at which both the carbonizable resin and the disappearing resin are softened, the viscosity of the both can be lowered, so that more efficient stirring and mixing are possible. Although the upper limit of the mixing temperature is not particularly limited, it is preferably 400 ° C. or lower from the viewpoint of preventing deterioration of the resin due to thermal decomposition and obtaining a precursor of a porous carbon material having excellent quality.

また、工程1においては、炭化可能樹脂10〜90重量%に対し消失樹脂90〜10重量%を混合する。炭化可能樹脂と消失樹脂が前記範囲内であると、最適な空隙サイズや空隙率を任意に設計できるため好ましい。炭化可能樹脂が10重量%以上であれば、炭化後の材料における力学的な強度を保つことが可能になるほか、収率が向上するため好ましい。また炭化可能な材料が90重量%以下であれば、消失樹脂が効率よく空隙を形成できるため好ましい。   Further, in step 1, 90 to 10% by weight of the disappearing resin is mixed with 10 to 90% by weight of the carbonizable resin. It is preferable that the carbonizable resin and the disappearing resin are within the above-mentioned range since an optimum void size and void ratio can be arbitrarily designed. If the carbonizable resin is 10% by weight or more, it is possible to maintain the mechanical strength of the carbonized material and improve the yield. Further, if the carbonizable material is 90% by weight or less, it is preferable because the lost resin can efficiently form voids.

炭化可能樹脂と消失樹脂の混合比については、それぞれの材料の相溶性を考慮して、上記の範囲内で任意に選択することができる。具体的には、一般に樹脂同士の相溶性はその組成比が1対1に近づくにつれて悪化するため、相溶性のあまり高くない系を原料に選択した場合には、炭化可能樹脂の量を増やす、減らす等して、いわゆる偏組成に近づけることで相溶性を改善することも好ましい態様として挙げられる。   The mixing ratio of the carbonizable resin and the disappearing resin can be arbitrarily selected within the above range in consideration of the compatibility of the respective materials. Specifically, in general, the compatibility between resins deteriorates as the composition ratio approaches 1: 1, so when a system that is not very compatible is selected as a raw material, the amount of carbonizable resin is increased. It can also be mentioned as a preferred embodiment that the compatibility is improved by approaching a so-called uneven composition, for example, by reducing it.

また炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する際に、溶媒を添加することも好ましい態様である。溶媒を添加することで炭化可能樹脂と消失樹脂の粘性を下げ、成形を容易にするほか、炭化可能樹脂と消失樹脂を相溶化させやすくなる。ここでいう溶媒も特に限定されるものではなく、炭化可能樹脂、消失樹脂のうち少なくともいずれか一方を溶解、膨潤させることが可能な常温で液体であるものであれば良く、炭化可能樹脂及び消失樹脂をいずれも溶解するものであれば、両者の相溶性を向上させることが可能となるためより好ましい態様である。   It is also a preferred embodiment to add a solvent when mixing the carbonizable resin and the disappearing resin. Addition of a solvent lowers the viscosity of the carbonizable resin and the disappearing resin to facilitate molding, and facilitates compatibilization of the carbonizable resin and the disappearing resin. The solvent here is not particularly limited as long as it is a liquid at room temperature that can dissolve and swell at least one of carbonizable resin and disappearing resin. Any resin that dissolves the resin is more preferable because the compatibility between the two can be improved.

溶媒の添加量は、炭化可能樹脂と消失樹脂の相溶性を向上させ、粘性を下げて流動性を改善する観点から炭化可能樹脂と消失樹脂の合計重量に対して20重量%以上であることが好ましい。また一方で溶媒の回収、再利用に伴うコストの観点から、炭化可能樹脂と消失樹脂の合計重量に対して90重量%以下であることが好ましい。   The addition amount of the solvent should be 20% by weight or more based on the total weight of the carbonizable resin and the disappearing resin from the viewpoint of improving the compatibility between the carbonizable resin and the disappearing resin and reducing the viscosity to improve the fluidity. preferable. On the other hand, from the viewpoint of costs associated with recovery and reuse of the solvent, it is preferably 90% by weight or less based on the total weight of the carbonizable resin and the disappearing resin.

〔工程2〕
工程2は、工程1において相溶させた状態の樹脂混合物を相分離させて微細構造を形成し、固定化する工程である。典型的には、本工程において、相分離構造を固定化するとともに、樹脂混合物を繊維状、フィルム状等任意の形体に成形する。
[Step 2]
Step 2 is a step of phase-separating the resin mixture dissolved in Step 1 to form a fine structure and immobilize it. Typically, in this step, the phase separation structure is fixed and the resin mixture is formed into an arbitrary shape such as a fiber or a film.

混合された炭化可能樹脂と消失樹脂の相分離は、種々の物理・化学的手法により誘発することができ、例えば温度変化によって相分離を誘発する熱誘起相分離法、非溶媒を添加することによって相分離を誘発する非溶媒誘起相分離法、物理的な場によって相分離を誘発する流動誘起相分離法、配向誘起相分離法、電場誘起相分離法、磁場誘起相分離法、圧力誘起相分離法、化学反応を用いて相分離を誘発する反応誘起相分離法等種々挙げられる。これらの中では、熱誘起相分離法や非溶媒誘起相分離法等、相分離の際に化学反応を伴わない方法が、共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料を容易に製造できる点で好ましい。   Phase separation of mixed carbonizable resin and disappearing resin can be induced by various physical and chemical methods, for example, by thermally induced phase separation method that induces phase separation by temperature change, by adding non-solvent Non-solvent induced phase separation to induce phase separation, flow induced phase separation to induce phase separation by physical field, orientation induced phase separation, electric field induced phase separation, magnetic field induced phase separation, pressure induced phase separation There are various methods such as a reaction-induced phase separation method that induces phase separation using a chemical reaction or a chemical reaction. Among these, methods that do not involve a chemical reaction during phase separation, such as thermally induced phase separation and non-solvent induced phase separation, can easily produce porous carbon materials having a co-continuous porous structure. preferable.

これら相分離法は、単独で、もしくは組み合わせて使用することができる。組み合わせて使用する場合の具体的な方法は、例えば凝固浴を通して非溶媒誘起相分離を起こした後、加熱して熱誘起相分離を起こす方法や、凝固浴の温度を制御して非溶媒誘起相分離と熱誘起相分離を同時に起こす方法、口金から吐出された材料を冷却して熱誘起相分離を起こした後に非溶媒と接触させる方法等が挙げられる。   These phase separation methods can be used alone or in combination. Specific methods for use in combination include, for example, a method in which non-solvent induced phase separation is caused through a coagulation bath and then heated to cause heat-induced phase separation, or a temperature in the coagulation bath is controlled to control a non-solvent induced phase. Examples thereof include a method of causing separation and thermally induced phase separation at the same time, a method of bringing the material discharged from the die into cooling and causing thermally induced phase separation, and then contacting with a non-solvent.

上記相分離の際に化学反応を伴わない、とは、混合された炭化可能樹脂もしくは消失樹脂が、混合前後においてその一次構造を変化させないことを言う。一次構造とは、炭化可能樹脂もしくは消失樹脂を構成する化学構造のことを示す。相分離の際に重合等の化学反応を伴わないことで、大幅な弾性率向上等の特性変化を抑制し、繊維やフィルム等の任意の構造体に容易に成形できる。   “No chemical reaction during the phase separation” means that the mixed carbonizable resin or disappearing resin does not change its primary structure before and after mixing. The primary structure refers to a chemical structure that constitutes a carbonizable resin or a disappearing resin. By not involving a chemical reaction such as polymerization during phase separation, it is possible to suppress a change in characteristics such as a significant improvement in elastic modulus and easily form an arbitrary structure such as a fiber or a film.

〔消失樹脂の除去〕
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物は、炭化工程(工程3)に供される前または炭化工程と同時、あるいはその両方で消失樹脂の除去処理を行うことが好ましい。除去処理の方法は特に限定されるものではなく、消失樹脂を除去することが可能であれば良い。具体的には、酸、アルカリや酵素を用いて消失樹脂を化学的に分解、低分子量化して除去する方法や、消失樹脂を溶解する溶媒により溶解除去する方法、電子線、ガンマ線や紫外線、赤外線等の放射線や熱を用いて消失樹脂を分解除去する方法等が好適である。
[Removal of disappearing resin]
It is preferable that the resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in Step 2 is subjected to the removal treatment of the lost resin before being subjected to the carbonization step (Step 3), simultaneously with the carbonization step, or both. The method for the removal treatment is not particularly limited as long as the disappearing resin can be removed. Specifically, the method of removing the lost resin by chemically decomposing and reducing the molecular weight using acid, alkali or enzyme, the method of removing by dissolving with a solvent that dissolves the lost resin, electron beam, gamma ray, ultraviolet ray, infrared ray A method of decomposing and removing the disappearing resin using radiation such as heat or the like is preferable.

特に、熱分解によって消失樹脂を除去処理することができる場合には、予め消失樹脂の80重量%以上が消失する温度で熱処理を行うこともできるし、炭化工程(工程3)もしくは後述の不融化処理において消失樹脂を熱分解、ガス化して除去することもできる。工程数を減じて生産性を高める観点から、炭化工程(工程3)もしくは後述の不融化処理において熱処理と同時に消失樹脂を熱分解、ガス化して除去する方法を選択することが、より好適な態様である。   In particular, when the disappearance resin can be removed by thermal decomposition, a heat treatment can be performed at a temperature at which 80% by weight or more of the disappearance resin disappears in advance, and a carbonization step (step 3) or infusibilization described later. In the treatment, the lost resin can be removed by pyrolysis and gasification. From the viewpoint of increasing the productivity by reducing the number of steps, it is more preferable to select a method in which the lost resin is thermally decomposed and gasified and removed simultaneously with the heat treatment in the carbonization step (step 3) or infusibilization treatment described later. It is.

〔不融化処理〕
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物である前駆体材料は、炭化工程(工程3)に供される前に不融化処理を行うことが好ましい。不融化処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。具体的な方法としては、酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法、電子線、ガンマ線等の高エネルギー線を照射して架橋構造を形成する方法、反応性基を持つ物質を含浸、混合して架橋構造を形成する方法等が挙げられ、中でも酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法が、プロセスが簡便であり製造コストを低く抑えることが可能である点から好ましい。これらの手法は単独もしくは組み合わせて使用しても、それぞれを同時に使用しても別々に使用しても良い。
[Infusibilization]
The precursor material, which is a resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in step 2, is preferably subjected to an infusibilization treatment before being subjected to the carbonization step (step 3). The infusible treatment method is not particularly limited, and a known method can be used. Specific methods include a method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen, a method of forming a crosslinked structure by irradiating high energy rays such as electron beams and gamma rays, and impregnating a substance having a reactive group, Examples thereof include a method of forming a crosslinked structure by mixing, and among them, a method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen is preferable because the process is simple and the production cost can be reduced. These methods may be used singly or in combination, and each may be used simultaneously or separately.

酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法における加熱温度は、架橋反応を効率よく進める観点から150℃以上であることが好ましく、炭化可能樹脂の熱分解、燃焼等による重量ロスからの収率悪化を防ぐ観点から、350℃以下であることが好ましい。   The heating temperature in the method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen is preferably 150 ° C. or higher from the viewpoint of efficiently proceeding with the crosslinking reaction, and it can be recovered from weight loss due to thermal decomposition, combustion, etc. of carbonizable resin. From the viewpoint of preventing rate deterioration, the temperature is preferably 350 ° C. or lower.

また処理中の酸素濃度については特に限定されないが、18%以上の酸素濃度を持つ気体を、特に空気をそのまま供給することが製造コストを低く抑えることが可能となるため好ましい。気体の供給方法については特に限定されないが、空気をそのまま加熱装置内に供給する方法や、ボンベ等を用いて純酸素を加熱装置内に供給する方法等が挙げられる。   Further, the oxygen concentration during the treatment is not particularly limited, but it is preferable to supply a gas having an oxygen concentration of 18% or more, in particular, air as it is because manufacturing costs can be kept low. The method for supplying the gas is not particularly limited, and examples thereof include a method for supplying air directly into the heating device and a method for supplying pure oxygen into the heating device using a cylinder or the like.

電子線、ガンマ線等の高エネルギー線を照射して架橋構造を形成する方法としては、市販の電子線発生装置やガンマ線発生装置等を用いて、炭化可能樹脂へ電子線やガンマ線等を照射することで、架橋を誘発する方法が挙げられる。照射による架橋構造の効率的な導入から照射強度の下限は1kGy以上であると好ましく、主鎖の切断による分子量低下から材料強度が低下するのを防止する観点から1000kGy以下であることが好ましい。   As a method of forming a crosslinked structure by irradiating a high energy beam such as an electron beam or a gamma ray, the carbonizable resin is irradiated with an electron beam or a gamma ray using a commercially available electron beam generator or gamma ray generator. And a method of inducing cross-linking. The lower limit of the irradiation intensity is preferably 1 kGy or more from the efficient introduction of a crosslinked structure by irradiation, and is preferably 1000 kGy or less from the viewpoint of preventing the material strength from being lowered due to the decrease in molecular weight due to cleavage of the main chain.

反応性基を持つ物質を含浸、混合して架橋構造を形成する方法は、反応性基を持つ低分子量化合物を樹脂混合物に含浸して、加熱または高エネルギー線を照射して架橋反応を進める方法、予め反応性基を持つ低分子量化合物を混合しておき、加熱または高エネルギー線を照射して架橋反応を進める方法等が挙げられる。   A method of forming a crosslinked structure by impregnating and mixing a substance having a reactive group is a method in which a low molecular weight compound having a reactive group is impregnated in a resin mixture, and a crosslinking reaction is advanced by irradiation with heat or high energy rays. And a method in which a low molecular weight compound having a reactive group is mixed in advance and the crosslinking reaction is promoted by heating or irradiation with high energy rays.

また不融化処理の際に、消失樹脂の除去を同時に行うことも工程数減少による低コスト化の恩恵が期待できるため好適である。   In addition, it is also preferable to remove the lost resin at the same time during the infusibilization treatment because a cost reduction due to a reduction in the number of steps can be expected.

〔工程3〕
工程3は、工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物、あるいは、消失樹脂を既に除去している場合には炭化可能樹脂からなる残存部分を焼成し、炭化して炭化物を得る工程である。
[Step 3]
In step 3, the resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in step 2 or, if the disappearing resin has already been removed, the remaining portion made of carbonizable resin is fired and carbonized to form the carbide. It is a process to obtain.

焼成は不活性ガス雰囲気において600℃以上に加熱することにより行うことが好ましい。ここで不活性ガスとは、加熱時に化学的に不活性であるものを言い、具体的な例としては、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、二酸化炭素等である。中でも窒素、アルゴンを用いることが、経済的な観点から好ましい。炭化温度を1500℃以上とする場合には、窒化物形成を抑制する観点からアルゴンを用いることが好ましい。   Firing is preferably performed by heating to 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere. Here, the inert gas refers to one that is chemically inert during heating, and specific examples include helium, neon, nitrogen, argon, krypton, xenon, carbon dioxide, and the like. Of these, nitrogen and argon are preferably used from the economical viewpoint. When the carbonization temperature is 1500 ° C. or higher, argon is preferably used from the viewpoint of suppressing nitride formation.

また不活性ガスの流量は、加熱装置内の酸素濃度を充分に低下させられる量であれば良く、加熱装置の大きさ、原料の供給量、加熱温度等によって適宜最適な値を選択することが好ましい。流量の上限についても特に限定されるものではないが、経済性や加熱装置内の温度変化を少なくする観点から、温度分布や加熱装置の設計に合わせて適宜設定することが好ましい。また炭化時に発生するガスを系外へ充分に排出できると、品質に優れた多孔質炭素材料を得ることができるため、より好ましい態様であり、このことから系内の発生ガス濃度が3000ppm以下となるように不活性ガスの流量を決定することが好ましい。   The flow rate of the inert gas may be an amount that can sufficiently reduce the oxygen concentration in the heating device, and an optimal value can be selected appropriately depending on the size of the heating device, the amount of raw material supplied, the heating temperature, and the like. preferable. The upper limit of the flow rate is not particularly limited, but is preferably set appropriately in accordance with the temperature distribution and the design of the heating device, from the viewpoint of economy and the temperature change in the heating device being reduced. Further, if the gas generated during carbonization can be sufficiently discharged out of the system, a porous carbon material excellent in quality can be obtained, which is a more preferable embodiment. From this, the generated gas concentration in the system is 3000 ppm or less. It is preferable to determine the flow rate of the inert gas so that

加熱する温度の上限は限定されないが、3000℃以下であれば設備に特殊な加工が必要ないため経済的な観点からは好ましい。また、BET比表面積を高めるためには1500℃以下であることが好ましく、1000℃以下であることがより好ましい。   Although the upper limit of the temperature to heat is not limited, if it is 3000 degrees C or less, since a special process is not required for an installation, it is preferable from an economical viewpoint. Moreover, in order to raise a BET specific surface area, it is preferable that it is 1500 degrees C or less, and it is more preferable that it is 1000 degrees C or less.

連続的に炭化処理を行う場合の加熱方法については、一定温度に保たれた加熱装置内に、材料をローラーやコンベヤ等を用いて連続的に供給しつつ取り出す方法であることが、生産性を高くすることが可能であるため好ましい。   About the heating method in the case of continuously performing carbonization treatment, it is a method to take out the material while continuously supplying the material using a roller, a conveyor, or the like in a heating device maintained at a constant temperature. It is preferable because it can be increased.

一方加熱装置内にてバッチ式処理を行う場合の昇温速度、降温速度の下限は特に限定されないが、昇温、降温にかかる時間を短縮することで生産性を高めることができるため、1℃/分以上の速度であると好ましい。また昇温速度、降温速度の上限は特に限定されないが、加熱装置を構成する材料の耐熱衝撃特性よりも遅くすることが好ましい。   On the other hand, the lower limit of the rate of temperature rise and the rate of temperature drop when performing batch processing in the heating device is not particularly limited, but productivity can be increased by shortening the time required for temperature rise and temperature drop, and 1 ° C. It is preferable that the speed is at least 1 minute. Moreover, although the upper limit of the temperature increase rate and the temperature decrease rate is not particularly limited, it is preferable to make it slower than the thermal shock resistance of the material constituting the heating device.

〔賦活処理〕
工程3において得た炭化物、あるいは更に後述の粉砕処理を行って得た炭化物は、更に賦活処理を行うことで、表面に細孔を形成することができる。賦活の方法としては、ガス賦活法、薬品賦活法等、特に限定するものではない。ガス賦活法とは、賦活剤として酸素や水蒸気、炭酸ガス、空気等を用い、400〜1500℃、好ましくは500〜900℃にて、数分から数時間、加熱することにより細孔を形成させる方法である。また、薬品賦活法とは、賦活剤として塩化亜鉛、塩化鉄、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、硫酸、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム等を1種または2種以上用いて数分から数時間、加熱処理する方法であり、必要に応じて水や塩酸等による洗浄を行った後、pHを調整して乾燥する。
[Activation treatment]
The carbide obtained in step 3 or the carbide obtained by further pulverizing treatment described later can further form pores on the surface by further activation treatment. The activation method is not particularly limited, such as a gas activation method or a chemical activation method. The gas activation method is a method of forming pores by heating at 400 to 1500 ° C., preferably 500 to 900 ° C. for several minutes to several hours, using oxygen, water vapor, carbon dioxide gas, air or the like as an activator. It is. Also, the chemical activation method is one or two kinds of activator such as zinc chloride, iron chloride, calcium phosphate, calcium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, sulfuric acid, sodium sulfate, potassium sulfate, etc. This is a method of heat treatment for several minutes to several hours using the above, and after washing with water or hydrochloric acid as necessary, the pH is adjusted and dried.

賦活をより進行させたり、賦活剤の混合量を増加させたりすることにより、一般にBET比表面積が増加し、細孔径は拡大する傾向にある。また賦活剤の混合量は、対象とする炭素原料に対し、好ましくは0.5重量部以上、より好ましくは1.0重量部以上、さらに好ましくは4重量部以上とする。上限は特に限定されないが、10重量部以下が一般的である。   Generally, the BET specific surface area increases and the pore diameter tends to increase by further promoting the activation or increasing the mixing amount of the activator. The mixing amount of the activator is preferably 0.5 parts by weight or more, more preferably 1.0 parts by weight or more, and further preferably 4 parts by weight or more with respect to the target carbon raw material. Although an upper limit is not specifically limited, 10 weight part or less is common.

本発明では、細孔径を大きくしたり、BET比表面積を増加させたりできることから、薬品賦活法が好ましく採用される。中でも、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリ性薬剤で賦活する方法が好ましく採用される。   In the present invention, the chemical activation method is preferably employed because the pore diameter can be increased or the BET specific surface area can be increased. Among them, a method of activating with an alkaline agent such as calcium hydroxide, potassium hydroxide, potassium carbonate is preferably employed.

アルカリ性薬剤で賦活した場合、酸性官能基量が増大する傾向にあり、用途によっては好ましくない場合がある。この際には、窒素雰囲気下での加熱処理を行うことにより、低減させることも好適である。   When activated with an alkaline agent, the amount of acidic functional groups tends to increase, which may be undesirable depending on the application. At this time, it is also preferable to reduce by performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere.

〔粉砕処理〕
粒子状の多孔質炭素材料は、典型的には、工程2において成形された成形体を、それ以降のいずれかの段階で粉砕して粒子状にする粉砕処理を行うことにより製造することができる。粉砕処理は、工程3を経て炭化させた炭化物、あるいはさらに賦活処理を行った多孔質炭素材料に対して行うと、粉砕が容易であるため好ましい。
[Crushing treatment]
The particulate porous carbon material can be typically produced by pulverizing the molded body formed in step 2 into a particulate form at any subsequent stage. . The pulverization treatment is preferably performed on the carbide carbonized through the step 3 or the porous carbon material further subjected to the activation treatment because the pulverization is easy.

粉砕処理としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等を用いた粉砕を例示することができる。ボールミル、ビーズミルに用いる粉砕部材は適宜選択されるが、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の金属酸化物からなる部材、ステンレス、鉄等を芯としてナイロン、ポリオレフィン、フッ化ポリオレフィン等をコーティングした部材、あるいはステンレス、ニッケル、鉄等の金属のみからなる部材が挙げられる。   Examples of the pulverization treatment include pulverization using a ball mill, a bead mill, a jet mill or the like. Grinding members used for ball mills and bead mills are appropriately selected. Members made of metal oxides such as alumina, zirconia and titania, members coated with nylon, polyolefin, fluorinated polyolefin, etc. with stainless steel, iron, etc. as the core, or stainless steel , Members made only of metals such as nickel and iron.

また粉砕の際に、粉砕効率を高める点で、粉砕助剤を用いることも好ましい態様である。粉砕助剤は、水、アルコールまたはグリコール、ケトン等から任意に選ばれる。アルコールは、エタノール、メタノールが入手の容易さやコストの観点から好ましく、グリコールである場合には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等が好ましい。ケトンである場合には、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン等が好ましい。   In addition, it is also a preferable aspect to use a grinding aid in terms of increasing grinding efficiency during grinding. The grinding aid is arbitrarily selected from water, alcohol or glycol, ketone and the like. As the alcohol, ethanol and methanol are preferable from the viewpoint of availability and cost, and in the case of glycol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol and the like are preferable. In the case of a ketone, acetone, ethyl methyl ketone, diethyl ketone and the like are preferable.

<鉛蓄電池用電極の製造方法>
本発明の多孔質炭素材料をシート状として用いる場合には、繊維状に成形した多孔質炭素材料を、公知の織機、編機等を用いて織物、編物や組物とすることのほか、抄紙などによって不織布とすることができる。また、あらかじめフィルム状に成形した多孔質炭素材料をそのまま用いることもできる。このようにして得られたシート状の多孔質炭素材料に対して、水や有機溶媒といった液体と、鉛または鉛化合物および必要に応じて他の添加物を加えて混合したペーストを、シート状の多孔質炭素材料に塗布するか、あるいは別途ペーストから板状の成形体を作製してシート状の多孔質炭素材料と貼り合わせることで、シート状の多孔質炭素材料が鉛または鉛化合物からなる層と積層されている電極を作製することができる。また、塗布または貼り合わせを必要に応じ繰り返すことで、シート状の多孔質炭素材料と鉛または鉛化合物からなる層とが複数回積層された電極を作製することができる。
<Method for producing lead-acid battery electrode>
When the porous carbon material of the present invention is used as a sheet, the porous carbon material formed into a fiber is made into a woven fabric, a knitted fabric or a braid using a known loom, knitting machine, etc. It can be made into a non-woven fabric. Moreover, the porous carbon material previously shape | molded in the film form can also be used as it is. A sheet-like porous carbon material thus obtained is mixed with a liquid such as water or an organic solvent and lead or a lead compound and other additives as necessary and mixed. A layer in which the sheet-like porous carbon material is composed of lead or a lead compound by applying to the porous carbon material or by separately preparing a plate-like molded body from a paste and bonding it to the sheet-like porous carbon material Can be produced. Further, by repeating application or bonding as necessary, an electrode in which a sheet-like porous carbon material and a layer made of lead or a lead compound are laminated a plurality of times can be produced.

粒子状の多孔質炭素材料を用いる場合は、多孔質炭素材料と、鉛または鉛化合物を含む電極ペーストを調製し、それを集電体に塗工することで電極を製造することが好ましい。電極ペーストは、大きく分けて乾式法と湿式法の二通りの方法で調製することができる。   When a particulate porous carbon material is used, it is preferable to prepare an electrode by preparing an electrode paste containing the porous carbon material and lead or a lead compound, and applying the paste to a current collector. The electrode paste can be roughly prepared by two methods, a dry method and a wet method.

乾式法にて電極ペーストの調製を行う際、多孔質炭素材料と、鉛または鉛化合物とを混合する方法が挙げられる。電極ペーストには、バインダー、導電助剤等の他の材料を必要に応じて含めてもよい。混合する方法は特に限定されないが、加熱が容易性や生産効率の観点から二軸押出機、ヘンシェルミキサーやローラーミル等で混練する方法が好ましい。乾式法においても溶媒を含むことも可能であるが、この場合の溶媒とはバインダーを溶解させるものではなく、電極ペーストを剪断によって混合する際の効果向上の観点から塗工液全量に対して30重量%以下の添加とすることが好ましい。   When preparing an electrode paste by a dry method, a method of mixing a porous carbon material and lead or a lead compound can be mentioned. The electrode paste may contain other materials such as a binder and a conductive aid as necessary. The method of mixing is not particularly limited, but a method of kneading with a twin screw extruder, a Henschel mixer, a roller mill, or the like is preferable from the viewpoint of easy heating and production efficiency. Although it is possible to include a solvent in the dry method, the solvent in this case does not dissolve the binder, and 30% of the total amount of the coating liquid from the viewpoint of improving the effect when mixing the electrode paste by shearing. It is preferable to add less than wt%.

混合した後には、加熱状態で溶媒を除去しながら、または成形してから加熱して溶媒を除去し、平板状に成形することで、粒子状の多孔質炭素材料が鉛または鉛化合物からなるマトリックス中に分散されている電極を作製することができる。   After mixing, while removing the solvent in the heated state, or after forming and heating, the solvent is removed, and the particulate porous carbon material is a matrix made of lead or a lead compound by forming into a flat plate shape. An electrode dispersed therein can be produced.

湿式法にて電極ペーストの製造を行う際の方法は、多孔質炭素材料と、溶媒と、鉛または鉛化合物とを混合してスラリー状の電極ペーストを調製する方法等が挙げられる。電極ペーストには、バインダー、導電助剤等の他の材料を必要に応じて含めてもよい。混合手順は限定されるものではないが、全ての材料を同時に仕込む方法や、固形分のみを事前に混合しておく方法、溶媒に対し溶解性のある成分のみを溶媒と混合して事前に溶液を調製しておく方法等が考えられる。混合方法は特に限定されるものではないが、混合効率の観点から、密閉回転型の攪拌機が好ましく用いられる。   Examples of the method for producing the electrode paste by a wet method include a method of preparing a slurry-like electrode paste by mixing a porous carbon material, a solvent, and lead or a lead compound. The electrode paste may contain other materials such as a binder and a conductive aid as necessary. The mixing procedure is not limited, but a method in which all materials are charged at the same time, a method in which only solids are mixed in advance, or only a component that is soluble in the solvent is mixed with the solvent in advance. A method of preparing the can be considered. The mixing method is not particularly limited, but from the viewpoint of mixing efficiency, a closed rotary stirrer is preferably used.

このように調製した電極ペーストを集電体に塗工することで、鉛または鉛化合物からなるマトリックス中に分散されている電極を作製することができる。また、電極ペーストの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り等が例として挙げられる。   By applying the electrode paste thus prepared to the current collector, an electrode dispersed in a matrix made of lead or a lead compound can be produced. The method for applying the electrode paste is not particularly limited, and examples thereof include a doctor blade method, a dip method, a reverse roll method, a direct roll method, a gravure method, an extrusion method, and brush coating.

集電体は従来公知のものを用いることができ、箔状、格子状、メッシュ状や布帛状のものを任意に選択することができる。   As the current collector, a conventionally known one can be used, and a foil shape, a lattice shape, a mesh shape, or a fabric shape can be arbitrarily selected.

<鉛蓄電池の製造方法>
本発明の鉛蓄電池のセル組立方法は特に限定するものではなく、一般に用いられる方法で行われるが、好ましくは多孔質炭素材料を用いてなる鉛蓄電池用電極と電解液をセル容器内に入れて、密閉封止することにより製造される。鉛蓄電池用電極を適宜打ち抜き、切り出し等の方法によってセルの形状にあわせた大きさとし、必要に応じて捲回、積層または折る等して容器に入れ、容器に電解液を注入して封口して製造できる。また、あらかじめ鉛蓄電池に電解液を含浸させたものを容器に収納してもよい。またセル組立の際には必要に応じてセパレータやスペーサー、ガスケットを使用することも好ましい態様である。
<Method for producing lead-acid battery>
The cell assembly method of the lead storage battery of the present invention is not particularly limited, and is performed by a generally used method. Preferably, a lead storage battery electrode made of a porous carbon material and an electrolytic solution are placed in a cell container. It is manufactured by hermetically sealing. The lead-acid battery electrode is appropriately punched out, sized according to the shape of the cell by a method such as cutting, put into a container by winding, stacking or folding as necessary, and then injecting the electrolyte into the container and sealing it Can be manufactured. In addition, a lead storage battery impregnated with an electrolyte may be stored in a container. In addition, it is also a preferable aspect to use a separator, a spacer, or a gasket as necessary when assembling the cell.

Claims (13)

炭素部分と空隙とがそれぞれ連続構造をなす共連続多孔構造部分を有する多孔質炭素材料と、鉛または鉛化合物とが複合化されてなる鉛蓄電池用電極。 An electrode for a lead storage battery in which a porous carbon material having a co-continuous porous structure portion in which a carbon portion and a void each form a continuous structure is combined with lead or a lead compound. 前記多孔質炭素材料の共連続多孔構造部分が周期構造を有する、請求項1に記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to claim 1, wherein the co-continuous porous structure portion of the porous carbon material has a periodic structure. 前記共連続多孔構造部分の構造周期が0.002μm〜20μmである、請求項2に記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to claim 2, wherein a structure period of the co-continuous porous structure portion is 0.002 μm to 20 μm. 前記多孔質炭素材料が、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous carbon material has pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm on a surface. MP法で計算される細孔容積が0.1ml/g以上である、請求項4に記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to claim 4, wherein the pore volume calculated by the MP method is 0.1 ml / g or more. 前記多孔質炭素材料が、共連続多孔構造を実質的に有しない緻密部分を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The electrode for a lead storage battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous carbon material has a dense portion substantially having no co-continuous porous structure. 前期鉛または鉛化合物の一部が、前記多孔質炭素材料の共連続多孔構造の空隙内に侵入している、請求項1〜6のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein a part of the lead or lead compound penetrates into the void of the co-continuous porous structure of the porous carbon material. 粒子状の多孔質炭素材料が鉛または鉛化合物からなるマトリックス中に分散されている、請求項1〜7のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein the particulate porous carbon material is dispersed in a matrix made of lead or a lead compound. 粒子状の多孔質炭素材料を含む層が、鉛または鉛化合物からなる成形体の表面に形成されている、請求項1〜7のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The electrode for lead acid batteries in any one of Claims 1-7 in which the layer containing a particulate porous carbon material is formed in the surface of the molded object which consists of lead or a lead compound. フィルム状の多孔質炭素材料が、鉛または鉛化合物からなる層と積層されている、請求項1〜7のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein the film-like porous carbon material is laminated with a layer made of lead or a lead compound. 繊維状の孔質炭素材料から形成された織布または不織布が、鉛または鉛化合物からなる層と積層されている、請求項1〜7のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The lead-acid battery electrode according to any one of claims 1 to 7, wherein a woven fabric or a non-woven fabric formed from a fibrous porous carbon material is laminated with a layer made of lead or a lead compound. 繊維状の多孔質炭素材料から形成された不織布に、鉛または鉛化合物からなるマトリックスが充填されている、請求項1〜7のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極。 The electrode for a lead storage battery according to any one of claims 1 to 7, wherein a non-woven fabric formed from a fibrous porous carbon material is filled with a matrix made of lead or a lead compound. 請求項1〜12のいずれかに記載の鉛蓄電池用電極を用いてなる鉛蓄電池。
The lead acid battery which uses the electrode for lead acid batteries in any one of Claims 1-12.
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