JP5518828B2 - 活性炭、分極性電極及び電気二重層キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は電気二重層キャパシタ（電気二重層コンデンサともいう）として有用な活性炭に関する。
更に詳しくは高電気容量で高耐久性のキャパシタ用電極材料として好適に使用できる活性炭の製造方法及びその活性炭を用いた電気二重層キャパシタ用電極（分極性電極）、その電極を有する電気二重層キャパシタに関する。

電気二重層キャパシタは急速充放電が可能、過充放電に強い、化学反応を伴わないために長寿命、広い温度範囲で使用可能、重金属を含まないため環境に優しいなどのバッテリーにはない特性を有しており、従来よりメモリーバックアップ電源等に使用されている。さらに近年では、大容量化開発が急激に進み、高性能エネルギーデバイスへの用途開発が進められ、太陽電池や燃料電池と組み合わせた電力貯蔵システム、ハイブリットカーのエンジンアシスト等への活用も検討されている。

電気二重層キャパシタは、活性炭等から作られた１対の正極と負極の分極性電極を、電解質イオンを含む、溶液中でセパレータを介して対向させた構造からなっている。電極に直流電圧を印加すると正（＋）側に分極した電極には溶液中の陰イオンが、負（−）側に分極した電極には溶液中の陽イオンが引き寄せられ、これにより電極と溶液との界面に形成された電気二重層を電気エネルギーとして利用するものである。

従来の電気二重層キャパシタはパワー密度に優れている反面、エネルギー密度が劣っているという欠点があり、エネルギーデバイス用途への活用に際しては、更なる大容量化開発が必要である。電気二重層キャパシタの容量を大きくするには溶液の間で多くの電気二重層を形成する電極材料の開発が不可欠である。

したがって、より多くの電気二重層を形成すべく、比表面積の大きい活性炭の使用が検討されてきたが、このような活性炭は重量当たりの電気容量（Ｆ／ｇ）に優れる反面、電極密度の低下を招く為に体積当たりの電気容量（Ｆ／ｍｌ）がそれほど大きくならないという問題点を有していた。

近年、黒鉛類似の微結晶を有する活性炭を製造し、分極性電極の原料とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。該活性炭を分極性電極の原料とした電気二重層キャパシタは、電気容量が大きいという点で優れた原料であると云える。

しかし、この活性炭にも問題があり、満足すべきものではなかった。即ち、この活性炭は電圧印加時に膨張するため、該特許公報に記載されているように膨張を抑えるために、寸法制限構造体が必要となり、キャパシタの組立操作に大きな問題点がある。また、あらかじめ４Ｖ程度の電圧を印加しなければ電気容量が発現しないため、電解液の分解を招くおそれもあった。

特開平１１−３１７３３３号公報

本発明は、過大な電圧を印加せずとも、電極当たりの電気容量を大きくできる活性炭を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するため鋭意研究した結果なされたものであり、以下の構成からなる。
１）窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇであり、黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
２）窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇであり、黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
３）ラマンスペクトルのＧピーク（１５８０ｃｍ^−１）のピーク高さに対するＤピーク（１３６０ｃｍ^−１）のピーク高さの比が０．８〜１．２である１）または２）に記載の活性炭。
４）活性炭が、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積を１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇの範囲で有し、該活性炭を含む電極において（電極膨張率）／（ＢＥＴ比表面積）の値が０．１２以下である活性炭。

５）活性炭が、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積を１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇの範囲で有し、該活性炭を含む電極の電極膨張率が５０％以下、該電極の密度が０．７０ｇ／ｍｌ以上となる活性炭。
６）窒素吸着法によって求めたＢＪＨ法による２０〜５０オングストロームの細孔容積が０．０２ｍｌ／ｇ以上である１）〜５）のいずれかひとつに記載の活性炭。
７）１）〜６）のいずれかひとつに記載の活性炭を含む分極性電極材料。
８）１）〜６）のいずれかひとつに記載の活性炭と気相法炭素繊維を含む分極性電極材料。
９）気相法炭素繊維が、中空構造を有し、外径２〜５００ｎｍ、アスペクト比１０〜１５０００であることを特徴とする８）に記載の分極性電極材料。
１０）気相法炭素繊維が、分岐構造を有していることを特徴とする８）または９）に記載の分極性電極材料。

１１）気相法炭素繊維が、０．０１ｍｌ／ｇ〜０．４ｍｌ／ｇの細孔容積を有し、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が３０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇであることを特徴とする８）から１０）のいずれかひとつに記載の分極性電極材料。
１２）７）〜１１）のいずれかひとつに記載の分極性電極材料を含む分極性電極シートと集電体との積層体。
１３）集電体がアルミニウム、炭素被覆アルミニウム、ステンレス、チタンから選ばれることを特徴とする１２）に記載の積層体。
１４）７）〜１１）のいずれかひとつに記載の分極性電極材料を含む電極形成用組成物。
１５）１４）の組成物を形成した導電体。
１６）７）〜１１）のいずれかひとつに記載の分極性電極材料を含む電気二重層キャパシタ。

１７）石炭系ピッチを、４００℃〜６００℃及び６００℃〜９００℃の２段階の温度範囲で熱処理する工程、次いで熱処理された石炭系ピッチをアルカリ金属化合物と混合加熱して賦活する工程を含むことを特徴とする活性炭の製造方法。
１８）石炭系ピッチを、アルカリ金属の蒸気中にて４００℃〜６００℃及び６００℃〜９００℃の２段階の温度範囲で熱処理する工程、次いで熱処理された石炭系ピッチをアルカリ金属化合物と混合加熱して賦活する工程を含むことを特徴とする活性炭の製造方法。
１９）アルカリ金属化合物が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化セシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種のアルカリ水酸化物であることを特徴とする１７）または１８）記載の活性炭の製造方法。

２０）アルカリ金属が、カリウム、ナトリウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする１９）記載の活性炭の製造方法。
２１）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇであり、黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
２２）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇであり、黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
２３）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、ラマンスペクトルのＧピーク（１５８０ｃｍ^−１）のピーク高さに対するＤピーク（１３６０ｃｍ^−１）のピーク高さの比が０．８〜１．２であり、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇである黒鉛微結晶を含有しない活性炭。

２４）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、ラマンスペクトルのＧピーク（１５８０ｃｍ^−１）のピーク高さに対するＤピーク（１３６０ｃｍ^−１）のピーク高さの比が０．８〜１．２であり、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇである黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
２５）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇであり、（電極膨張率）／（ＢＥＴ比表面積）の値が０．１２以下である活性炭。
２６）１７）〜２０）のいずれかひとつの製造方法で得られる、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇであり、電極膨張率が５０％以下、分極性電極の密度が０．７０ｇ／ｍｌ以上となる活性炭。

石炭系ピッチを２段階の温度範囲で熱処理しアルカリ賦活する工程を含む本発明によって、過剰な電圧を与えなくとも、電気容量（Ｆ／ｍｌ）が高く、耐久性も良好な活性炭を得ることができた。
特に、本発明の活性炭を含む電極は４Ｖ程度の過剰な電圧を印加しなくても、通常使用される２〜３Ｖ程度の電圧印加によって１サイクルめから十分な容量発現が起こり、重量当たりの電気容量（Ｆ／ｇ）及び体積当たりの電気容量（Ｆ／ｍｌ）がともに高いという特徴を有していた。

また、本発明の活性炭は、ＢＥＴ比表面積が１０〜１５００ｍ^２／ｇの範囲で、（電極膨張率）／（ＢＥＴ比表面積）の値が０．１２以下であり、キャパシタ設計上の問題を生じにくいものであった。
さらに本発明の活性炭に気相法炭素繊維を混合することで、電極強度および耐久性に優れた特性を発揮する分極性電極および電気二重層キャパシタを得ることができた。

電気二重層キャパシタ評価用セルの断面図である。 本発明の実施例１で製造した活性炭のラマンスペクトル曲線である。図２において、縦軸はスペクトル強度（Ｉｎｔ．）、横軸はラマンシフト（測定波長；ｃｍ^−１）である。 本発明の実施例３で製造した活性炭の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（倍率：２百万倍）である。 電極膨張測定用セルの模式図である。

活性炭の電気特性は、活性炭の比表面積・細孔分布・結晶構造といった構造物性に大きく左右される。このような活性炭の構造特性は、原料の構造、炭素化条件、賦活条件で決定される。
そこで、電極材料として有用な活性炭を得るためには、原料の構造、炭素化条件、賦活条件を最適化する必要があるが、本発明者らは、原料として石炭系ピッチを選択することが最適であると判断した。石炭系ピッチは石油系炭素原料と比較して、側鎖が少なく、芳香族化合物の比率が高く、様々な分子構造の多環芳香族化合物が混在しているため、これを原料とした活性炭はこの化合物に由来して、種々の複雑な微結晶構造等を形成し、優れた電気特性を発現するものと考えられるからである。

なお、選択する石炭系ピッチは特に限定されないが、軟化点１００℃以下、さらに好ましくは６０℃から９０℃のものを使用する。
そして、この石炭系ピッチを４００℃〜６００℃及び６００℃〜９００℃、好ましくは４５０℃〜５５０℃及び６５０℃〜８５０℃の温度の二段階での焼成、炭化を含む熱処理を行う。
石炭系ピッチを４００℃〜６００℃の間で加熱すると、熱分解反応が起こり、ガス・軽質留分が脱離し、残渣は重縮合が起こって最終的には固化する。この炭素化工程における第１段階で、炭素原子間のミクロな結合状態がほぼ決定され、この工程で決定された結晶子の構造は最終生成物である活性炭の構造の基礎を決定づけるものである。

この第１段階の炭素化工程は、昇温速度は３℃／ｈｒ〜１０℃／ｈｒ、より好ましくは４℃／ｈｒ〜６℃／ｈｒ、最高温度での保持時間を５時間〜２０時間、より好ましくは８時間〜１２時間として行う。
次に、６００℃〜９００℃の温度にて２段階目の熱処理を行う。この第２段階の炭素化工程も、昇温速度は３℃／ｈｒ〜１０℃／ｈｒ、より好ましくは４℃／ｈｒ〜６℃／ｈｒ、最高温度での保持時間を５時間〜２０時間、より好ましくは８時間〜１２時間とすることで行う。
これらの熱処理（炭素化）工程はアルカリ金属の蒸気中で実施することも有効である。アルカリ金属は、炭素化工程において触媒的な働きをする。即ち、ピッチ中の芳香族間の架橋結合が促進され、炭化反応が進行する。アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、セシウム等の化合物が挙げられる。

アルカリ金属の蒸気中で熱処理を実施する方法としては、例えば、炭素化工程の系内に後述するアルカリ賦活反応系より揮発したアルカリ金属蒸気を導入しながら加熱することにより行なうことができる。また、アルカリ賦活反応の反応容器周囲に原料ピッチを設置して、アルカリ賦活反応系より揮発したアルカリ金属蒸気に曝して同時に加熱することで熱処理（炭素化）工程及びアルカリ賦活工程をそれぞれ平行して行なうことができる。これにより全体としての処理時間が短縮されると共に、加熱のためのエネルギーの省コスト化を図ることができる。

次に、炭材（熱処理された炭素質原料）を１μｍ〜１００μｍ程度の粒度に粉砕して、アルカリ金属化合物と混合して加熱し、炭材に細孔を形成して活性炭とする。
アルカリ賦活剤としてはアルカリ金属を含む化合物であれば特に限定されないが、賦活中に溶融する物質に対して本発明は有効である。カリウム、ナトリウム、カルシウムの水酸化物、炭酸塩、硫化物、硫酸塩が好ましい。例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫化カリウム、硫化ナトリウム、チオシアン酸カリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウムが使用できる。好ましくは水酸化カリウム、水酸化ナトリウムであり、さらに好ましくは水酸化カリウムである。これらの１種類あるいは２種類以上混合して使用してもよい。

炭素質原料に対するアルカリ金属化合物の混合量は炭素質原料の結晶性、表面官能基量、得られる炭素材の用途に合うように決めることができる。炭素質原料の結晶性が高く、表面官能基が少ない場合は必要なアルカリ金属化合物の量は増える傾向にある。例えば、水酸化カリウムを使用した場合は、炭素質原料１に対し水酸化カリウム質量比は０．５〜７程度、より好ましくは１〜５程度、さらに好ましくは２〜４程度である。水酸化カリウム質量比が０．５未満では細孔の発達が悪く、７以上では過賦活となり細孔壁の破壊が進行するなどして細孔（ミクロポアー）が減少するため比表面積が減る傾向にある。

賦活処理温度は、原料の種類及び形状、活性化反応速度（賦活化反応速度）によって異なるが、２５０℃〜１０００℃で行われ、より好ましくは５００℃〜９００℃、さらに好ましくは６００℃〜８００℃で行われる。賦活温度が４００℃以下では賦活の進行が不充分で、活性炭中の細孔が少なく、電気二重層キャパシタの分極性電極材料として使用したとき電気容量が低下する。１０００℃以上では活性炭の細孔が収縮したり、高電流密度での充電特性が著しく低下したり、賦活装置の腐食が激しくなったりする等の問題が起こってくる。

このようにして得られた活性炭は、過剰な電圧を与えなくても、１サイクル目から高い電気容量を発揮し、また、その電気容量の保持率が高いという特徴を有する。
賦活された活性炭を透過型顕微鏡にて観察したところ、図３に示すように黒鉛類似の微結晶を有しない、乱層構造のみからなるものであることが確認された。
ラマンスペクトルのＧピーク（１５８０ｃｍ^−１）高さ（実測曲線におけるベースラインからピーク点までの高さ）に対するＤピーク（１３６０ｃｍ^−１）高さの比は０．８〜１．２であった。

ここで、ラマンスペクトルのＧピークに対するＤピークの強度比は、炭素材料の黒鉛化度を示す指標として用いられているが、この強度比をピーク高さ比として示した場合、黒鉛化度が高いほど小さい値となる。微結晶を有する活性炭の場合には、概ね０．６前後の値になるが、微結晶を有しない当該活性炭の場合には０．８〜１．２の値となった。
さらに、キャパシタ用の電極として使用する活性炭においては容量発現及び電解質の拡散に寄与すると考えられる２０〜５０オングストロームの細孔を一定量以上有することが必要である。

本発明の活性炭は、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積は１０ｍ^２／ｇ〜１５００ｍ^２／ｇ、好ましくは１０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇであり、従来の方法により得られた活性炭のＢＥＴ比表面積より小さくなる（通常２０００ｍ^２／ｇ〜３０００ｍ^２／ｇ）。また、本発明の活性炭のＢＪＨ（Ｂａｒｒｅｔｔ， Ｊｏｙｎｅｒ ａｎｄ Ｈａｌｅｎｄａ）法による２０〜５０オングストローム（オングストローム）の細孔容積は０．０２ｍｌ／ｇ以上である。

以上のような結晶構造及び細孔構造に起因して、賦活された活性炭は過剰な電圧をかけて黒鉛層間にイオンを挿入させるという工程を経なくても、１サイクル目から高い電気容量を発揮できる。さらに、十分な炭化工程を経ているので、炭素表面の官能基量が低減されて、電気容量の劣化が抑えられると考えられる。

また、賦活された活性炭は、タップ密度計（蔵持科学器械製作所製）にてタップ密度を測定したところ、タップ回数５０回で０．３５〜０．７０ｇ／ｍｌであり、粉体抵抗は、１．０ＭＰａで０．４Ωｃｍ以下であった。

この活性炭８０質量部にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）１０質量部、カーボンブラック１０質量部を添加し、混練して圧延成形した電極を分極性電極として使用したところ、電極膨張率とＢＥＴ比表面積との関係は（１）式のようになった。

電極膨張率／ＢＥＴ比表面積≦０．１２ （１）
ここで、電極膨張率（％）＝（２．５Ｖ充電時の電極厚み−充電前の電極厚み）／（充電前の電極厚み）×１００であり、ＢＥＴ比表面積の単位はｍ^２／ｇである。

（１）式を満たす活性炭とすることで、過剰な電圧を与えなくとも、１サイクルめから高い電気容量を発揮することが可能となる。（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）が０．１２を超える場合には、ＢＥＴ比表面積の割に電極膨張率が高い傾向となるが、このような活性炭は過剰な電圧を与えなければ容量発現しなくなる傾向があり、キャパシタの設計上好ましくない。なお、電極膨張が実質的に無い場合は電極膨張率が０となるので、（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の比率は０となる。該比率が０．１２以下、好ましくは０以上０．１２以下、より好ましくは０以上０．１以下であれば、キャパシタ設計上の問題が生じないと考えられるが、０以上０．０６以下とすればキャパシタ設計上さらに好ましい。

また、このときの分極性電極の電極密度を測定したところ０．７０ｇ／ｍｌ以上１．０５ｇ／ｍｌ以下となるが、より好ましくは０．７２ｇ／ｍｌ以上１．０３ｇ／ｍｌ以下、さらに好ましくは０．７４ｇ／ｍｌ以上１．００ｇ／ｍｌ以下である。電極密度が０．７０ｇ／ｍｌより小さいと体積あたりの電気容量（Ｆ／ｍｌ）が小さい活性炭となる。逆に、電極密度が１．０５ｇ／ｍｌより大きいと、電解液の浸透が困難になって、内部抵抗の上昇を招くことになり好ましくない。

この場合の電極膨張率は０％以上５０％以下、より好ましくは０％以上３０％以下、さらに好ましくは０％以上２０％以下となり、電極密度が高い割には充放電に伴う電極膨張の小さい活性炭となる。

活性炭に対して、気相法炭素繊維を添加することで、より一層の特性向上が図られる。気相法炭素繊維は、例えばベンゼンと金属触媒粒子とを水素気流中で約１０００℃で吹き付けることによって製造されたものであり、内部に中空構造を有し、外径２ｎｍ〜５００ｎｍ、アスペクト比１０〜１５０００であることが特徴である。

この気相法炭素繊維を当該活性炭と混合することで、粒子同士の接触抵抗が低減されるとともに、電極強度が向上し、分極性電極としての耐久性が向上する。
この場合に分岐の多い気相法炭素繊維を混合すれば、電極内部におけるクッション材としての役割がさらに増強されるので、充放電の際に活性炭粒子が収縮して、電極強度が低下したり粒子同士の接触抵抗が増加したりすることを防止するのにさらに効果的である。

この気相法炭素繊維としては、製造したものを１０００℃〜１５００℃で焼成したもの、あるいは、さらに黒鉛化処理したものを使用することができる。

また、当該気相法炭素繊維をガス賦活あるいは薬品賦活したものを使用することも可能であるが、この場合にはミクロ孔（２０オングストローム以下の細孔）容積０．０１ｍｌ／ｇ〜０．４ｍｌ／ｇ、ＢＥＴ比表面積３０ｍ^２／ｇ〜１０００ｍ^２／ｇになるように表面構造を制御したものを使用する方がよい。ミクロ孔の多い炭素繊維を混合すると、電極内部でのイオン拡散抵抗が増大してしまう。

なお、この場合の気相法炭素繊維の混合量は、０．０２質量％〜５０質量％が好ましいが、より好ましくは、０．０５質量％〜３０質量％である。０．０２質量％以下だと、活性炭粒子との接点を増加させる効果が少ないために十分な効果が得られない。５０質量％以上だと、分極性電極中の活性炭含有量が低下して電気容量が低下してしまう。

本発明の活性炭から、分極性電極及び電気二重層キャパシタを公知の方法にしたがって製造することができる。すなわち、分極性電極は活性炭に導電剤および結合剤を加えて混練圧延する方法、活性炭に導電剤、結合剤、必要に応じて溶媒を加えてスラリー状塗料にして導電性基材に、所定厚みに塗布し、溶媒を室温または加熱して蒸発させる方法、活性炭に未炭化樹脂類を混合して焼結する方法等で作製される。

この際、導電性基材としては、厚みが１０μｍ〜０．５ｍｍ程度のアルミニウム、炭素被覆アルミニウム、ステンレス、チタン等の箔、板状物、金網状エキスパンド等が用いられる。また、導電性ゴムや耐食金属、黒鉛等も使用される。

例えば、活性炭粉末または活性炭粉末と気相法炭素繊維との混合物に、必要により導電剤としてカーボンブラック等を加え、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン等の結合剤を混練したのち、圧延等することで厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のシートに成形する。この電極シートに集電材である金属板（アルミニウム箔、アルミニウム板、金網状アルミニウムエキスパンド等）を積層して、セパレータを介し、電解液に浸して電気二重層キャパシタとすることができる。

また、活性炭粉末あるいは活性炭粉末と気相法炭素繊維との混合物に、樹脂系バインダ（ポリフッ化ビニリデン等）あるいはヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどの水溶性バインダを混合して分極性電極材層形成用の塗料を作成し、この塗料を集電材（例えばアルミニウム箔、アルミニウム板）上にドクターブレード等の手法を用いて塗布した後、セパレータを介し、電解液に浸して電気二重層キャパシタとすることができる。

この場合、電気二重層キャパシタの電解液としては公知の非水溶媒電解質溶液、水溶性電解質溶液のいずれも使用可能である。

水系（水溶性電解質溶液）のものとしては、硫酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化アンモニウム水溶液、塩化カリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液等が挙げられる。

また、非水系（非水溶媒電解質溶液）のものとしては、Ｒ^１Ｒ^２Ｒ^３Ｒ^４Ｎ^＋またはＲ^１Ｒ^２Ｒ^３Ｒ^４Ｐ^＋で表されるカチオン（Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４は、それぞれ独立に炭素数１〜１０のアルキル基またはアリル基である。）と、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣｌＯ_４ ⁻等のアニオンとからなる４級アンモニウム塩または４級ホスホニウム塩を電解質として、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル等のエーテル；ホルムアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−エチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−エチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホリルアミド等のアミド；ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄化合物；メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のジアルキルケトン；エチレンオキシド、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン、２−メトキシテトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジオキソラン等の環状エーテル；エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート；γ−ブチロラクトン；Ｎ−メチルピロリドン；アセトニトリル、ニトロメタン等の有機溶媒の溶液が好ましい。さらに、好ましくはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系非水溶媒を用いることができる。電解質または溶媒は、それぞれ二種以上用いることもできる。

電極間に必要に応じて介在させるセパレータとしては、イオンを透過する多孔質セパレータであればよく、微孔性ポリエチレンフィルム、微孔性ポリプロピレンフィルム、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ガラス繊維混抄不織布、ガラスマットフィルタ等が好ましく使用できる。

以下に本発明について代表的な例を示し、さらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。下記の例における各特性の測定方法は以下の通りである。

（１）ＢＥＴ比表面積および細孔容積
Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ社製、ＮＯＶＡ１２００を使用し、液体窒素温度における窒素の吸着等温線より、ＢＥＴ法およびＢＪＨ法を用いて算出した。なお、窒素の吸着量は相対圧力（Ｐ／Ｐ０）０．０１〜１．０で測定した。

（２）ラマンスペクトル
励起光としてＡｒレーザー５１４．５ｎｍ、検出器としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用し、スリット５００μｍ、露光６０秒で活性炭の原料としての炭素材料のラマンスペクトルを測定した。

（３）電気容量
平均粒径３０μｍの活性炭８０質量部にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）１０質量部、カーボンブラック１０質量部を添加し、メノウ乳鉢で混練して圧延ローラーで厚さ０．５ｍｍのシート状に圧延したシートを直径２０ｍｍの円板に打抜き、２００℃で一昼夜で真空乾燥して分極性電極として使用した。

前記の電極を、高純度アルゴンを循環させているグローブボックス内において、図１のような評価用セルに組立てて使用した。図１において、１はアルミニウム製の上蓋、２はフッ素ゴム製Ｏリング、３はアルミニウムからなる集電体、４はテフロン（登録商標）からなる絶縁材、５はアルミニウム製容器、６はアルミニウム製バネ、７は分極性電極、８はガラス繊維からなる厚さ１ｍｍのセパレータである。電解液にはＰＣ（プロピレンカーボネート）を溶媒とし、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４を電解質とする富山薬品工業（株）製の商品名ＬＩＰＡＳＴＥ−Ｐ／ＥＡＦＩＮ（１モル／リットル）を使用した。

充放電時の電極膨張率の変化を測定する場合には、図４のような評価用セルを使用し、電極厚み方向の変位をインジケーターを使用して計測する。なお、図４中の電極抑え用コイルばね（６）は、１ｃｍ圧縮するのに０．１〜１．０ｋｇｆ程度の加重を必要とするものが使用可能であるが、本測定のあたっては０．３ｋｇｆの加重を必要とするものを使用した。測定温度は室温（２０℃〜３０℃）とした。

充放電測定は北斗電工（株）製充放電試験装置ＨＪ−１０１ＳＭ６を使用し、充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、５０ｍＡ（１６ｍＡ／ｃｍ^２）、１５０ｍＡ（４８ｍＡ／ｃｍ^２）にて０〜２．５Ｖあるいは０〜３．０Ｖで充放電を行い、２回目の定電流放電によって得られた放電曲線から、電気二重層キャパシタの両極活性炭の質量当たりの電気容量（Ｆ／ｇ）と体積当たりの電気容量（Ｆ／ｍｌ）を算出した。

耐久性は、２回目の充放電後の電気容量に対する２０回の充放電サイクル試験後の電気容量の割合として評価した。

（実施例１）
軟化点８６℃の川崎製鉄（株）製石炭ピッチを５００℃（１段目）、及び７００℃（２段目）で熱処理した。得られた炭素質材料に、質量比で２．５倍量のＫＯＨを混合し、ルツボに充填した。これを７５０℃まで３℃／ｈｒで昇温した後、７５０℃で６０分保持して賦活した。賦活した炭素材料は１Ｎ塩酸で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、残留ＫＯＨ及び金属不純物を除去した。これを２００℃で真空乾燥して活性炭とした。

この活性炭の比表面積は９３０ｍ^２／ｇであった。ＢＪＨ法による２０〜５０オングストロームの細孔容積は、０．０４１６ｍｌ／ｇ、ラマンスペクトルは図２のようになり、Ｇピーク高さに対するＤピーク高さの比は０．９２であった。

電気容量は、充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時には３６．５Ｆ／ｇ、３１．０Ｆ／ｍｌ、であり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９８．４％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時には３７．７Ｆ／ｇ，３２．０Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９６．９％であった。活性炭電極の電極密度は０．８５ｇ／ｍｌであり、（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．０１０８であった。

（実施例２）
実施例１の方法で得られた活性炭に対して、気相法炭素繊維を５質量％混合して分極性電極材料とした。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時の電気容量は３６．４Ｆ／ｇ、３２．４Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９８．９％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時の電気容量は３９．５Ｆ／ｇ、３５．２Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル容量保持率は９７．７％であった。電極密度は０．８９ｇ／ｍｌであり、（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．００８であった。

（実施例３）
軟化点８６℃の川崎製鉄（株）製石炭ピッチを５００℃および８００℃で熱処理処理した以外は実施例１と同様にして活性炭を製造し、分極性電極材料とした。

この活性炭の比表面積は１７３ｍ^２／ｇであり、ＢＪＨ法による２０〜５０オングストロームの細孔容積は０．０２７１ｍｌ／ｇであった。ラマンスペクトルにおけるＧピーク高さに対するＤピーク高さの比は０．９３であった。

また、得られた活性炭は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）（図３）から、表層に含まれる炭素層が結晶の揃った黒鉛構造をほとんど含有しない、概ね乱層構造のみからなる活性炭であることが確認された。

充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時の電気容量は３２．６Ｆ／ｇ、３１．９Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９８．７％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時の電気容量は３５．５Ｆ／ｇ、３４．８Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル容量保持率は９７．２％であった。活性炭電極の電極密度は０．９８ｇ／ｍｌであった。
（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．０１１６であった。

（実施例４）
実施例３の方法で得られた活性炭に対して、気相法炭素繊維をアルカリ賦活したもの（ミクロ孔容積：０．３ｍｌ、ＢＥＴ比表面積５３０ｍ^２／ｇ）５質量％混合して分極性電極材料とした。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時の電気容量は３３．５Ｆ／ｇ、３３．５Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９９．０％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時の電気容量は３４．５Ｆ／ｇ、３４．５Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル容量保持率は９８．０％であった。活性炭電極の電極密度は１．０ｇ／ｍｌであり、（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．００８２であった。

（実施例５）
軟化点８６℃の川崎製鉄（株）製石炭ピッチを５００℃（１段目）、及び７５０℃（２段目）で熱処理した。得られた炭素質材料に、質量比で２．５倍量のＫＯＨを混合し、ルツボに充填した。これを７５０℃まで３℃／ｈｒで昇温した後、７５０℃で６０分保持して賦活した。賦活した炭素材料は１Ｎ塩酸で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、残留ＫＯＨ及び金属不純物を除去した。これを２００℃で真空乾燥して活性炭とした。この活性炭の比表面積は４４４ｍ^２／ｇであった。

電気容量は、充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時には３５．５Ｆ／ｇ、３３．０Ｆ／ｍｌ、であり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９７．８％であった。活性炭電極の電極密度は０．９３ｇ／ｍｌであり、（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．１１であった
（比較例１）
炭素材料として石油コークスを用い、質量比で２．５倍量のＫＯＨを混合し、ルツボに充填した。これを７５０℃で６０分保持して賦活した。賦活した炭素材料は１Ｎ塩酸で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、残存ＫＯＨ及び金属不純物を除去した。これを２００℃で真空乾燥し、活性炭とした。この活性炭の比表面積は１９０５ｍ^２／ｇであり、ラマンスペクトルのＧピーク高さに対するＤピーク高さの比は０．９８であった。

充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時の電気容量は、４４．５Ｆ／ｇ、２４．０Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９６．３％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時の電気容量は４５．０Ｆ／ｇ、２４．３Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル容量保持率は９４．０％であった。分極性電極の電極密度は０．５４ｇ／ｍｌであった。（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．０００５であった。

（比較例２）
炭素材量としてＭＣＭＢ（大阪ガス性メソカーボンマイクロビーズ）を用い、質量比で５倍量のＫＯＨを混合し、ルツボに充填した。これを７５０℃で６０分保持して賦活した。賦活した炭素材料は１Ｎ塩酸で洗浄した後、蒸留水で洗浄し、残存ＫＯＨ及び金属不純物を除去した。これを２００℃で真空乾燥し、活性炭とした。この活性炭の比表面積は１２７ｍ^２／ｇであり、２０〜５０オングストロームの細孔容積は０．０１３ｍｌ／ｇ、ラマンスペクトルのＧピーク高さに対するＤピーク高さの比は０．９２であった。

充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、２．５Ｖ充放電時の電気容量は、１０．２Ｆ／ｇ、９．４Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル充放電後の容量保持率は９９．１％であった。充放電電流５ｍＡ（１．６ｍＡ／ｃｍ^２）、３．０Ｖ充放電時の電気容量は１１．５Ｆ／ｇ、１０．６Ｆ／ｍｌであり、２０サイクル容量保持率は９８．５％であった。分極性電極の電極密度は０．９２ｇ／ｍｌであった。（電極膨張率／ＢＥＴ比表面積）の値は０．３９４であった。

本発明の活性炭は過剰な電圧を与えなくとも、電気容量（Ｆ／ｍｌ）が高く、耐久性も良好であり、また、重量当たりの電気容量（Ｆ／ｇ）及び体積当たりの電気容量（Ｆ／ｍｌ）がともに高いという特徴を有し
ており、分極性電極および電気二重層キャパシタとしての利用性が高い。

１ 上蓋
２ Ｏリング
３ 集電体
４ 絶縁体
５ 容器
６ ばね
７ 電極
８ セパレーター

Claims (4)

1. ラマンスペクトルのＧピーク（１５８０ｃｍ-1）のピーク高さに対するＤピーク（１３６０ｃｍ-1）のピーク高さの比が０．８〜１．２であり、ＢＪＨ法による２０〜５０オングストロームの細孔容積が０．０２ｍｌ／ｇ以上であり、窒素吸着法によって求めたＢＥＴ比表面積が１０ｍ²／ｇ〜１０００ｍ²／ｇである黒鉛微結晶を含有しない活性炭。
2. 電極膨張率が５０％以下である請求項１に記載の活性炭。
3. 請求項１または２に記載の活性炭を含む分極性電極材料。
4. 請求項３に記載の分極性電極材料を含む電気二重層キャパシタ。

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