JP2017528531A - ゲル化水性ポリマー組成物、該ゲル化水性ポリマー組成物から製造される、スーパーキャパシタ電極用の熱分解炭酸組成物、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
C=ε・S/t
(式中、εは媒体の誘電率、Sは二重層によって占有された表面積、tは二重層の厚さを示す)と同一である。
E=1/2・C・V2(式中、Vはスーパーキャパシタの電位である)に従って定義される。
a)水性媒体中に重縮合物を得るために、好ましくはホルムアルデヒドを用いることなく、水等の水性溶媒W中において、ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)RとヘキサメチレンテトラミンHとを重縮合反応させることと、その後、
b)上記ゲル化水性ポリマー組成物を得るために、上記重縮合物を加熱することによってゲル化させることと、
を含む。
a1)第1の水溶液を得るために、上記ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)Rを第1の水性溶媒Wに溶解させることと、
a2)第2の水溶液を得るために、上記ヘキサメチレンテトラミンHを加熱することによって、第2の水性溶媒Wに溶解させることと、
a3)上記重縮合物を含む第3の均質水溶液が得られるまで、上記第1の水溶液を上記第2の水溶液と接触させることと、
を含む。
a)水性媒体中に重縮合物を得るように、好ましくはアルデヒド前駆体を用いることなく、水等の水性溶媒W中において、ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)RとヘキサメチレンテトラミンHとを重縮合反応させることと、
b)上記ゲル化水性ポリマー組成物を得るように、上記重縮合物を加熱することによってゲル化させることと、
c)上記ゲル化水性ポリマー組成物を乾燥させることと、その後、
d)c)において得られた上記ゲル化及び乾燥させた水性組成物を、通例600℃超にて熱分解させることと、
を含む。
以下の実施例1及び実施例2に対応する、レゾルシノールR(Acros Organics製、純度98%)とヘキサメチレンテトラミンH(Sigma-Aldrichより供給)との重縮合から得られる、本発明による2つのゲル化水性ポリマー組成物G1及びG2、並びに、レゾルシノールRは同じであるが、ヘキサメチレンテトラミンの代わりにホルムアルデヒドF(Acros Organics製、純度37%)との重縮合から得られる「対照」ゲル化水性ポリマー組成物G0を調製した。
R/H:レゾルシノール/ヘキサメチレンテトラミンのモル比、
R/W:レゾルシノール/水の重量比、及び、
%H:各ゲル化組成物G1及びG2中におけるヘキサメチレンテトラミンの重量比、
として、以下の表1に詳細に記載する。
第1の工程では、初めにレゾルシノールを蒸留水の半分に磁気撹拌しながら溶解させた。同時に、組成物G1及びG2ではヘキサメチレンテトラミンを、40℃〜80℃の油浴に浸したリアクタを用いて残りの半分の水に溶解させた。G1及びG2を調製する目的でヘキサメチレンテトラミンを完全に溶解させた後、均質溶液が得られるまで水/レゾルシノール混合物を添加した(組成物G0を調製するためには、ヘキサメチレンテトラミンHの代わりにホルムアルデヒドFを使用した)。
これらの第1及び第2の重縮合及びゲル化、乾燥及び熱分解の工程を行うことによって調製した各組成物C1、C2及びC0は、モノリスの重量/体積比による各多孔質炭素C1、C2及びC0の密度を測定することによって特性評価した。Micromeritics製のASAP 2020装置における77Kでの窒素吸着圧測定によって、以下の表2に提示した結果、すなわち、全比表面積、ミクロ多孔の比表面積及びメソ多孔の比表面積、並びに、全細孔容積及びミクロ多孔の細孔容積それぞれについてこのように測定した値が得られた。
電極E1及びE2はそれぞれ、多孔質炭素C1及びC2から調製した。このため、本出願人の会社名義の仏国特許出願公開第2985598号の実施例1に記載の方法に従って、結合剤、導電性フィラー、様々な添加剤、及び各多孔質炭素を水と混合させた。得られた配合物を金属製集電体に塗布した後、架橋させた。以下の装置及び試験を用いることによって電極E1及びE2の静電容量を電気化学的に測定した。
1M H2SO4をベースとする電解液中における、スーパーキャパシタ用のこれらの電極の性能を挙げる表3に見ることができる。
上述の第3の工程中における炭素C1の活性化の後処理前後における、5M LiNO3をベースとする電解液を含むスーパーキャパシタの電極の性能については、表4に見ることができる。
Claims (15)
- 乾燥及びその後の熱分解によってモノリス多孔質炭素を形成することができるゲル化水性ポリマー組成物であって、該ゲル化水性ポリマー組成物が、水性溶媒W中、ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)RとヘキサメチレンテトラミンHとの重縮合反応の生成物を含み、該H/(R+H+W)重量比が7%〜15%(両端の値を含む)であることを特徴とする、ゲル化水性ポリマー組成物。
- 前記反応に関する前記H/(R+H+W)重量比が10%〜14%(両端の値を含む)であることを特徴とする、請求項1に記載のゲル化水性ポリマー組成物。
- 前記ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)R及び前記ヘキサメチレンテトラミンHを、2〜4(両端の値を含む)のR/Hモル比で前記反応に使用することを特徴とする、請求項1又は2に記載のゲル化水性ポリマー組成物。
- 前記ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)R及び前記水性溶媒Wを、0.07〜1(両端の値を含む)のR/W重量比で前記反応に使用することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のゲル化水性ポリマー組成物。
- いずれの両親媒性ポリマー及び/又はいずれの疎水性化合物も含まないことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のゲル化水性ポリマー組成物。
- 前記水性溶媒Wが水であり、かつホルムアルデヒドを前記反応に使用しないことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のゲル化水性ポリマー組成物。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のゲル化水性ポリマー組成物の乾燥及びその後の熱分解によって得られ、かつ550m2/gより大きい比表面積を有するとともに0.50cm3/g未満の細孔容積を有するモノリス多孔質炭素を形成する熱分解炭素系組成物であって、
前記細孔容積は、50%より大きい体積分率が、2nm未満のポア直径を有するミクロ多孔であり、かつ前記比表面積は、80%以上、好ましくは90%以上、実際には更に95%の表面積分率が、2nm未満のポア直径を有するミクロ多孔であることを特徴とし、前記細孔容積及び前記比表面積が、77Kにおける窒素吸着圧測定によって測定される、熱分解炭素系組成物。 - 前記比表面積が580m2/g以上であり、かつ前記細孔容積が0.40cm3/g以下であることを特徴とする、請求項7に記載の熱分解炭素系組成物。
- 前記細孔容積は、55%より大きい体積分率が、ミクロ多孔であり、前記多孔質炭素が好ましくは、0.15cm3/g〜0.25cm3/gのミクロ細孔容積を示すことを特徴とする、請求項7又は8に記載の熱分解炭素系組成物。
- 前記細孔容積は、70%以上の体積分率が、ミクロ多孔であることを特徴とする、請求項9に記載の熱分解炭素系組成物。
- スーパーキャパシタセルに搭載するのに使用することができる多孔質炭素電極であって、活物質として、請求項7〜10のいずれか一項に記載の熱分解炭素系組成物を含むことを特徴とする、多孔質炭素電極。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のゲル化水性ポリマー組成物を製造する方法であって、
a)水性媒体中に重縮合物を得るように、好ましくはホルムアルデヒドを用いることなく、水等の水性溶媒W中において、ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)RとヘキサメチレンテトラミンHとを重縮合反応させることと、その後、
b)前記ゲル化水性ポリマー組成物を得るように、前記重縮合物を加熱することによってゲル化させることと、
を含むことを特徴とする、方法。 - 工程a)が、
a1)第1の水溶液を得るために、前記ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)Rを第1の水性溶媒Wに溶解させることと、
a2)第2の水溶液を得るために、前記ヘキサメチレンテトラミンHを加熱することによって、第1の水性溶媒Wに溶解させることと、
a3)前記重縮合物を含む第3の均質水溶液が得られるまで、前記第1の水溶液を前記第2の水溶液と接触させることと、
を含むことを特徴とする、請求項12に記載のゲル化水性ポリマー組成物を製造する方法。 - 請求項7〜10のいずれか一項に記載の熱分解炭素系組成物を製造する方法であって、
a)水性媒体中に重縮合物を得るために、好ましくはアルデヒド前駆体を用いることなく、水等の水性溶媒W中において、ポリヒドロキシベンゼン(複数の場合もある)RとヘキサメチレンテトラミンHとを重縮合反応させることと、
b)前記ゲル化水性ポリマー組成物を得るために、前記重縮合物を加熱することによってゲル化させることと、
c)前記ゲル化水性ポリマー組成物を乾燥させることと、その後、
d)c)において得られた前記ゲル化及び乾燥させた水性組成物を熱分解させることと、
を含むことを特徴とする、方法。 - 工程d)後、前記多孔質炭素を活性化させる工程e)を更に含み、前記工程e)は、硫黄を含む強酸を用いた、好ましくは、pHが1未満である溶液の形態で与えられ、かつ硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸及びフルオロスルホン酸から選ばれる酸を用いた、多孔質炭素の含浸を含む、ことを特徴とする、請求項14に記載の熱分解炭素系組成物を製造する方法。
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