JP4754813B2 - カーボン材料の製造方法及びタブレット状乾燥ゲル - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電気二重層キャパシタ、電池用電極材料等のエネルギー貯蔵用デバイスや、触媒を担持するための担体、クロマトグラフ用材料又は吸着剤等として有用なカーボン材料の製造方法、及び該カーボン材料の原料となるタブレット状乾燥ゲル等に関するものである。

例えば、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出し得る物質として、黒鉛やハードカーボン等の担体に担持されたＳｎ、Ａｌ、Ｓｉ等の元素が非水電解液二次電池用負極活物質として有用であることが公知である。
また、前記黒鉛やハードカーボン等の代わりに、レゾルシンとアルデヒドから得られる樹脂の多孔質ゲルをアルゴン等の不活性ガスや還元性ガス雰囲気下で加熱処理することによって得たカーボン材料にＳｎ、Ａｌ、Ｓｉ等の元素を担持した複合体が、非水電解液二次電池用負極活物質として好適に使用できることが公知である（特許文献１を参照）。
更に、上記の黒鉛やハードカーボン等の担体に担持されたＳｎ、Ａｌ、Ｓｉ等の元素を担持した複合体などの炭素材料を所望の形状に加工して負極が製造される場合は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テフロン（E.I.DuPont社の登録商標）等のバインダーを用いられる。その際、バインダーを溶解させる為に、Ｎ−メチルピロリドン等の溶媒と一緒に混練してペーストを製造し、集電体に該ペーストを塗布、充填又は含浸させ、溶媒を乾燥、除去した後、加圧、切断等が行われることが公知である（以上、特許文献１及び非特許文献１を参照）。

前述したエネルギー貯蔵用デバイス等における貯蔵容量は、多孔体材料の微細構造によって大きく変化するので、微細構造の制御に関する製造技術が求められている。
そして、上記多孔体材料として、ポリヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドを塩基性触媒の存在下に水性媒体中で加熱して得た安定なゲルを有機溶媒で洗浄して、水性媒体を上記有機溶媒に置換した後、上記のゲルを超臨界乾燥して、低密度の有機エアロゲルを製造する方法が公知である（以上、特許文献２を参照）。

特開２００２−１１７８５０号公報［段落番号0013、0019、0025、0026、0039や0040等を参照］

米国特許第４８７３２１８号明細書［カラム４、34-68行を参照］

Journal of Power Sources 74（1998年）［100-101頁の２．３項を参照］

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１の方法では、負極を製造する際にバインダー（ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデン）を用いる必要があり、バインダーを用いる際にはＮ−メチルピロリドン等の溶媒と一緒に混練して製造したペーストを集電体に塗布、充填又は含浸させた後、上記の溶媒を乾燥、除去する必要があった。
また、超臨界乾燥により有機エアロゲルを得る特許文献２の方法では、高価な乾燥用装置が必要であり、カーボン材料の製造コストが高くなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、バインダーなしで成型可能なカーボン材料を安価に製造する方法等を提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物を反応させて得られる樹脂のゲルを脱水し、得られた乾燥ゲルを不活性ガス雰囲気中で焼成すると、上記バインダーを用いなくても、所望の形状にカーボン材料を成型できることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、次の（イ）〜（ホ）を提供するものである。

（イ）水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物を反応させて得られる樹脂のゲルを脱水し、得られた乾燥ゲルを不活性ガス雰囲気中で焼成することを特徴とするカーボン材料の製造方法、

（ロ）水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物を反応させて得られる樹脂のゲルを脱水し、得られた乾燥ゲルを不活性ガス雰囲気中で焼成して得たカーボン材料を、上記の不活性ガスとは異なる酸化性ガス雰囲気下でさらに賦活することを特徴とするカーボン材料の製造方法、

（ハ）水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させることを特徴とするタブレット状湿潤ゲルの製造方法、

（ニ）水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させてタブレット状湿潤ゲルを得、該湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換後、凍結乾燥することを特徴とするタブレット状乾燥ゲルの製造方法、

（ホ）水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させてタブレット状湿潤ゲルを得、該湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換後、凍結乾燥してタブレット状乾燥ゲルを得、該タブレット状乾燥ゲルを不活性雰囲気中で焼成することを特徴とするタブレット状カーボン材料の製造方法。

本発明の（イ）によれば、フェノール化合物とアルデヒド化合物を反応させて得られる樹脂のゲルを脱水し、得られた乾燥ゲルを不活性ガス雰囲気中で焼成するので、カーボン材料を効率良く製造することができる。
また、本発明の（ロ）によれば、電極材料等のエネルギー貯蔵用デバイスを効率良く製造することができる。
さらに、本発明の（ハ）によれば、フェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させるので、カーボン材料をバインダーなしで所望の形状に成型することが可能な、前記カーボン材料の前駆物質であるタブレット状湿潤ゲルを効率良く製造することができる。
本発明の（ニ）によれば、フェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させて得たタブレット状湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換後、凍結乾燥するので、効率良く安価にタブレット状乾燥ゲルを製造することができる。
本発明の（ホ）によれば、フェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させてタブレット状湿潤ゲルを得、該湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換後、凍結乾燥し、次いで乾燥ゲルを不活性雰囲気中で焼成するので、エネルギー貯蔵容量の大きい電極材料等のデバイスを効率よく安価に製造することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の（イ）において、フェノール化合物とアルデヒド化合物の反応は、水及び触媒の存在下に行われる。
フェノール化合物としては、例えば、下式（１）

（式中、Ｒ¹は水素原子、又はハロゲン原子若しくは置換基で置換されていてもよいアルキル基を表す。ｎは２〜５の整数を表し、ｍは０〜３の整数を表すが、ｎ及びｍの和が６以上であることはない。）
で示される化合物が挙げられる。

本発明の（イ）において、上式（１）中のＲ₁は、水素又は置換されていてもよいアルキル基を表す。上記のアルキル基における置換基としては、例えばヒドロキシ、シアノ、アルコキシ、カルバモイル、カルボキシ、アルコキシカルボニル、アルキルカルボニルオキシ、スルホ及びスルファモイル等を挙げることができる。
上記アルキル基や、該アルキル基の置換基であるアルコキシ、アルコキシカルボニル及びアルキルカルボニルオキシは、直鎖状でもよく、分岐状でもよい。

上記Ｒ₁において、ハロゲン原子若しくは置換基で置換されていてもよいアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｉ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉ−ブチル基、ｓ−ブチル基、ｎ−オクチル基、ノニル基、ｐ−ｔ−ブチル基、２−ヒドロキシエチル基、２−ヒドロキシプロピル基、３−ヒドロキシプロピル基、２−ヒドロキシブチル基、３−ヒドロキシブチル基、４−ヒドロキシブチル基、２,３−ジヒドロキシプロピル基、３,４−ジヒドロキシブチル基、シアノメチル基、２−シアノエチル基、３−シアノプロピル基、メトキシメチル基、エトキシメチル基、２−メトキシエチル基、２−エトキシエチル基、３−メトキシプロピル基、３−エトキシプロピル基、２−ヒドロキシ−３−メトキシプロピル基、クロロメチル基、ブロモメチル基、２−クロロエチル基、２−ブロモエチル基、３−クロロプロピル基、３−ブロモプロピル基、４−クロロブチル基、４−ブロモブチル基、カルボキシメチル基、２−カルボキシエチル基、３−カルボキシプロピル基、４−カルボキシブチル基、１,２−ジカルボキシエチル基、カルバモイルメチル基、２−カルバモイルエチル基、３−カルバモイルプロピル基、４−カルバモイルブチル基、メトキシカルボニルメチル基、エトキシカルボニルメチル基、２−メトキシカルボニルエチル基、２−エトキシカルボニルエチル基、３−メトキシカルボニルプロピル基、３−エトキシカルボニルプロピル基、４−メトキシカルボニルブチル基、４−エトキシカルボニルブチル基、メチルカルボニルオキシメチル基、エチルカルボニルオキシメチル基、２−メチルカルボニルオキシエチル基、２−エチルカルボニルオキシエチル基、３−メチルカルボニルオキシプロピル基、３−エチルカルボニルオキシプロピル基、４−メチルカルボニルオキシブチル基、４−エチルカルボニルオキシブチル基、スルホメチル基、２−スルホエチル基、３−スルホプロピル基、４−スルホブチル基、スルファモイルメチル基、２−スルファモイルエチル基、３−スルファモイルプロピル基及び４−スルファモイルブチル基等を挙げることができる。
Ｒ₁としては、水素原子又は無置換のアルキル基がより好ましく、水素、メチル基、エチル基、ｎ−オクチル基が特に好ましい。

式（１）において、ｎとしては、３又は４が好ましく、４が特に好ましい。
ｍとしては、１又は２が好ましく、１が特に好ましい。

式（１）で表される化合物の具体例としては、ｏ−クレゾール、ｍ−クレゾール、ｐ−クレゾール、２，３−キシレノール、２，４−キシレノール、２，５−キシレノール、２，６−キシレノール、３，４−キシレノール、３，５−キシレノール、ｏ−エチルフェノール、ｉ−プロピルフェノール、ブチルフェノール、ｐ−ｔ−ブチルフェノール、ｐ−オクチルフェノール、ｐ−ノニルフェノール、２−クロロフェノール、４−メトキシフェノール、２，４−ジクロロフェノール、３，５−ジクロロフェノール、４−クロロ−３−メチルフェノール、カテコール、３−メチルカテコール、４−ｔ−ブチルカテコール、レゾルシノール、２−メチルレゾルシノール、４−エチルレゾルシノール、４−クロロレゾルシノール、５−メチルレゾルシノール、２，５−ジメチルレゾルシノール、５−メトキシレゾルシノール、５−ペンチルレゾルシノールやピロガロール等を挙げることができる。
本発明の（イ）において、上記フェノール化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上の混合物を用いてもよい。

本発明におけるアルデヒド化合物としては、例えば、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、サリチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等が挙げられる。
アルデヒド化合物としては、ホルムアルデヒドが好ましい。

本発明の（イ）において、フェノール化合物とアルデヒド化合物の使用割合は特に限定されない。
本発明の（イ）において、フェノール化合物に対するアルデヒド化合物のモル比は、通常は１〜３の範囲であり、好ましくは１．２〜２．５の範囲である。

本発明（イ）における反応は、フェノール化合物とアルデヒド化合物を含有する水の存在下に行われる。そして、本発明（イ）の製造方法は、コロイド状の大きさの粒子を含む流動性のある液体中においてコロイド粒子が活発なブラウン運動をしているゾル状態を経て、上記コロイド粒子由来の三次元網目状構造を有するゲル状化合物を得る反応である。本発明におけるゲル状化合物は、三次元の網目構造中に水等の液体又は空気等の気体が含まれていてもよい。
本発明（イ）において、ゾル−ゲル反応における水の使用量は、上記フェノール化合物とアルデヒド化合物の合計量１００重量部当り、通常は５０〜６０００重量部の範囲であり、好ましくは５０〜２０００重量部の範囲であり、より好ましくは、５０〜１０００重量部の範囲である。なお、例えば、原料化合物として、例えばホルマリンのような水溶液を用いる場合は、該水溶液に含まれる水も、上記使用量に含まれる。

本発明におけるゾル−ゲル反応において、触媒としては塩基性触媒が好ましい。かかる塩基性触媒としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、炭酸バリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウムやリン酸カリウム等が挙げられる。
塩基触媒としては、炭酸ナトリウムが好ましい。塩基性触媒の使用量は、フェノール化合物１モル当り、通常は０．００００１〜５モルの範囲であり、好ましくは０．００００１〜２モルの範囲であり、さらに好ましくは０．００００１〜０．１モルの範囲である。

本発明のゾル−ゲル反応において、反応温度は、通常は０〜１００℃の範囲であり、好ましくは３０〜９０℃の範囲である。

本発明のゾル−ゲル反応により得られる樹脂は湿潤ゲルであり、乾燥ゲルは上記湿潤ゲルを脱水することにより製造される。
湿潤ゲルの脱水は、例えば、前記湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換することにより行われる。
上記の親水性有機溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール及びｔ−ブチルアルコール等のアルコール類；アセトニトリル等の脂肪族ニトリル類；アセトン等の脂肪族ケトン類；ジメチルスルホキシド等の脂肪族スルホキシド類；酢酸等の脂肪族カルボン酸類が挙げられる。
これらの親水性有機溶媒のうち、ｔ−ブチルアルコール、ジメチルスルホキシド又は酢酸が好ましく用いられ、ｔ−ブチルアルコールが特に好ましく用いられる。
このようにして得られた親水性有機溶媒で湿潤されたゲルは、好ましくは凍結乾燥され、乾燥ゲルが得られる。
凍結乾燥によって得られた乾燥ゲルは、ゾル−ゲル反応により作られた湿潤ゲルを構成する粒子の三次元の網目状構造を保持することができる。すなわち、形態及び機能的に三次元の網目状構造が有する性状を維持しつつ、湿潤ゲル中の親水性有機溶媒等の液体を除去することができる。

本発明において、凍結乾燥を用いる場合は、湿潤ゲルの三次元網目状構造における親水性有機溶媒等の液体を除去することが可能であり、不均一な乾燥や泡立ち、変質等を防ぎつつ、三次元の網目状構造を維持できるので、上記湿潤ゲルの形状を保った乾燥ゲルが得られる。
さらに、凍結乾燥装置を用いることにより、湿潤ゲルを短時間で乾燥することができると共に、乾燥ゲルの製造コストを低減化することができる。
凍結乾燥における凍結温度は、通常は−７０〜−５℃の範囲であり、好ましくは−３０〜−１０℃の範囲である。

本発明において、凍結乾燥後に得られたカーボン乾燥ゲルは、不活性ガス雰囲気中で焼成（炭化）することにより、カーボン材料を得ることができる。焼成（炭化）時の不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素等が好ましい。焼成（炭化）温度は、通常は２００〜３０００℃の範囲であり、好ましくは６００〜１１００℃の範囲である。焼成時間は、通常は数分間〜数時間の範囲である。

本発明（ロ）におけるカーボン材料は、上記（イ）記載の製造方法により得られたカーボン材料を更にＨ₂Ｏ、ＣＯ₂又はＯ₂を含む酸化性ガス雰囲気において賦活処理してもよい。賦活温度は、通常は７００〜１５００℃の範囲、好ましくは８００〜１３００℃の範囲で行われる。賦活時間は、通常は数分間〜数時間の範囲である。
上記の賦活により、微細構造の割合が多くなり、単位重量当りの表面積の大きなカーボン材料を得ることができる。
また、上記の酸化性ガス雰囲気における賦活処理では、薬品を併用してもよい。即ち、上記（イ）記載の製造方法により得られたカーボン材料に塩化亜鉛、リン酸、硫化カリウムや水酸化カリウム等の化学薬品を添加した後、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂又はＯ₂を含む酸化性ガス雰囲気において賦活処理を行うことができる。

本発明（ハ）において、タブレット状湿潤ゲルは、上記フェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させることにより製造される。
上記フェノール化合物とアルデヒド化合物の反応は、本発明（イ）における反応と同じ条件で行われる。好ましい反応容器はディスク状の鉢型容器である。ディスク状の鉢型容器の厚みは、通常は０．５〜５ｍｍの範囲であり、好ましくは１〜３ｍｍの範囲である。
容器の材質は、鋳型の作製に通常使用される金属や樹脂が好ましい。
本発明（ハ）の方法により製造されるタブレット状湿潤ゲルとしては、本発明（ニ）並びに（ホ）の工程を経た後も、タブレット状湿潤ゲルが、反ったりひび割れたりせずに、形状が保てる厚みが好ましい。タブレット状湿潤ゲルの厚みとしては、３ｍｍ以下のものが好ましく、０．５〜２．８ｍｍ以下のものが特に好ましい。

本発明（ホ）の方法により製造されたタブレット状カーボン材料は、ミクロ孔（直径が20オングストローム未満の微細孔）やメソ孔（直径が20〜50オングストロームの細孔）のような微細構造を有するものである。
そして、上記タブレット状カーボン材料は、例えば上記の微細構造を利用したエネルギー貯蔵用デバイスとして用いることができる。本発明（ホ）の方法によれば、タブレットの形状を維持したままカーボン材料を製造することができる。そして、上記タブレットの厚みを調節することが可能であり、エネルギー貯蔵量を容易に制御することができる。また、本発明（ホ）の方法により製造されたタブレット状カーボン材料は、上記のバインダーを用いなくてもタブレット状に成型でき、且つ成型後に溶媒等のバインダーを除去する操作が不要なので、操作性に優れており、且つ製造コストを低減することができる。
エネルギー貯蔵の例としては、リチウム二次電池、電気二重層キャパシタ及びメタンガスの吸着・貯蔵等を挙げることができる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１
［タブレット状カーボンクライオゲル電極の作製］
厚さ２ｍｍのディスク状反応容器に、レゾルシン５．０ｇ及び３７重量％ホルマリン７．３７ｇを仕込んだ。得られた混合物に炭酸ナトリウム０．００９６ｇ及び蒸留水１０ｇを加え、２５℃で１時間保温後、５０℃で１時間保温させて、タブレット状の湿潤ゲルを得た。
この湿潤ゲルにｔ−ブチルアルコールを加えて洗浄し、上記ゲル中の水をｔ−ブチルアルコールに置換した。ｔ−ブチルアルコールで置換されたゲルを凍結乾燥した。凍結乾燥後のゲルをアルゴン雰囲気下に１０００℃で焼成（炭化）し、タブレット状カーボンクライオゲルを得た。
得られたカーボンクライオゲルを、１０容量％の二酸化炭素を含む雰囲気下に１０００℃で賦活処理して、タブレット状カーボン材料電極を作製した。
賦活処理後の電極の厚みは約０．６０ｍｍであった。

実施例２及び３
厚さ２ｍｍのディスク状反応容器を用いる以外は、実施例１と同様にしてタブレット状カーボン材料電極を作製した。賦活処理後の電極の厚みは約１．３０ｍｍであった。
また、厚さが３ｍｍのディスク状反応容器を用いる以外は、実施例１と同様にしてタブレット状カーボン材料電極を作製した。賦活処理後の電極の厚みは約１．９５ｍｍであった。

実施例４
［細孔特性と電気二重層容量の評価］
実施例１で得たカーボンクライオゲルの７７度（絶対温度）における窒素の吸脱着等温線を測定し、ＢＥＴ式（ブルナウア−エメット−テーラー式）を用いて表面積を求めた。 また、脱着等温線にＤｏｌｌｉｍｏｒｅ−Ｈｅａｌ法を適用してメソ細孔容積とメソ細孔径分布を求めた。
さらに、４Ｍ水酸化カリウムを電解液として、２極式セルを用いた定電流充放電測定（３００ｍＡ／ｇ）により電気二重層容量を求めた。

細孔構造パラメーターと活性カーボンゲルの電気二重層容量（レゾルシノールと炭酸ナトリウムのモル比率＝５００，レゾルシノールと蒸留水の重量比率＝０．５）の関係を下表１に示す。

実験例１〜８
［表面の反り、ひび割れの有無］
表２に記載の厚さのディスク状反応容器を用いる以外は、実施例１と同様にしてタブレット状カーボン材料を作製し、得られたタブレット状湿潤ゲル及びカーボン材料について、厚み、反りの有無及びひび割れの有無を観察した。結果を表２に示した。尚、カーボン材料は賦活前の状態を表す。

本発明の製造方法で得られるカーボン材料は、例えば、メタンガス、リチウム二次電池、電気二重層キャパシタのようなエネルギー源の吸着、貯蔵に利用できる。

Claims (8)

1. 水及び触媒の存在下にフェノール化合物とアルデヒド化合物をディスク状の容器中で反応させるタブレット状湿潤ゲルの製造方法であって、
   触媒が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、炭酸バリウム、リン酸ナトリウム、リン酸リチウム及びリン酸カリウムからなる群から選ばれる１以上の化合物であり、
   フェノール化合物が、下式（１）で表される化合物であり、
   アルデヒド化合物が、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、サリチルアルデヒド及びベンズアルデヒドからなる群から選ばれる１以上の化合物であることを特徴とするタブレット状湿潤ゲルの製造方法。
   

   

   （式中、Ｒ¹は水素原子、又はハロゲン原子若しくは置換基で置換されていてもよいアルキル基を表す。ｎは２〜５の整数を表し、ｍは０〜３の整数を表すが、ｎ及びｍの和が６以上であることはない。）
2. 容器の厚さが０．５〜５ｍｍである請求項１に記載のタブレット状湿潤ゲルの製造方法。
3. 容器の厚さが３ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のタブレット状湿潤ゲルの製造方法。
4. 触媒が、炭酸ナトリウムである請求項１〜３のいずれかに記載のタブレット状湿潤ゲルの製造方法。
5. フェノール化合物が、レゾルシノールである請求項１〜４のいずれかに記載のタブレット状湿潤ゲルの製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のタブレット状湿潤ゲルの製造方法によってタブレット状湿潤ゲルを得、該湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換後、凍結乾燥することを特徴とするタブレット状乾燥ゲルの製造方法。
7. 親水性有機溶媒が、ｔ−ブチルアルコールである請求項６に記載のタブレット状乾燥ゲルの製造方法。
8. 請求項６又は７に記載のタブレット状乾燥ゲルの製造方法によってタブレット状のカーボン乾燥ゲルを得た後、該タブレット状のカーボン乾燥ゲルを不活性ガス雰囲気中で焼成するタブレット状のカーボン材料の製造方法であって、
   不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウム及び水素からなる群から選ばれる１以上の化合物からなるガスであることを特徴とするタブレット状のカーボン材料の製造方法。