JP6509643B2 - Method of producing activated carbon - Google Patents

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Description

本発明は、活性炭の製造方法及び該方法により製造された活性炭に関する。   The present invention relates to a method of producing activated carbon and activated carbon produced by the method.

従来、活性炭は、高比表面積を有することからキャパシタの分極性電極、吸着材等の用途に用いられている。このような活性炭は、一般にヤシガラ炭化物、フェノール樹脂炭化物、石炭等の原料を、水蒸気賦活又は薬品賦活することにより作製される。   Conventionally, activated carbon is used for applications such as polarizable electrodes of capacitors, adsorbents, etc. because of its high specific surface area. Such activated carbon is generally produced by steam activation or chemical activation of raw materials such as coconut shell carbide, phenol resin carbide, coal and the like.

また、キャパシタは、分極性電極と電解液との界面に生じる電気二重層を蓄電原理とする大容量キャパシタとして知られており、エレクトロニクス分野の進展と共に、高性能化が期待されている。そこで、キャパシタの速い充放電を実現させるために、電解液内のイオンが移動しやすいようメソポア領域の細孔を有する活性炭及びその製造方法が種々開発されている。   Also, the capacitor is known as a large capacity capacitor that uses the electric double layer generated at the interface between the polarizable electrode and the electrolyte as the storage principle, and is expected to have higher performance as the electronics field progresses. Therefore, in order to realize fast charge and discharge of the capacitor, various activated carbons having pores in the mesopore region and various methods for producing the same have been developed so that ions in the electrolytic solution can easily move.

キャパシタ用途の活性炭としては、大きな比表面積を有していることが好ましいとされているが、比表面積をあまり大きくしすぎても体積当たりの放電容量が小さくなることから、比表面積を大きくせずに、比表面積当たりの放電容量を向上させることが重要である。   As activated carbon for capacitors, it is considered preferable to have a large specific surface area, but even if the specific surface area is too large, the discharge capacity per volume decreases, so the specific surface area is not increased. It is important to improve the discharge capacity per specific surface area.

そのためには、所望の大きさ(特に1〜2nm程度)の細孔の量を増加させて、比表面積を維持しつつ、且つ、窒素原子を多く有することが好ましいとされており、例えば、特許文献1には、窒素原子を含ませた多孔質炭素が記載されている。   For that purpose, it is said that it is preferable to have many nitrogen atoms while maintaining the specific surface area by increasing the amount of pores of a desired size (especially about 1 to 2 nm), for example, patent Document 1 describes porous carbon containing a nitrogen atom.

特開2010−135647号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-135647

しかしながら、所望の細孔径(特に1〜2nm程度)の量を増加させると、必然的に他の大きさの細孔も増加することから、所望の細孔のみを増加させることはできていない。そのため、大きい放電容量を得るには比表面積が大きくなってしまい、比表面積当たりの放電容量が十分ではない。   However, when the amount of the desired pore size (particularly, about 1 to 2 nm) is increased, the pores having other sizes are also inevitably increased, and thus it is not possible to increase only the desired pores. Therefore, the specific surface area is increased to obtain a large discharge capacity, and the discharge capacity per specific surface area is not sufficient.

本発明は、一定の比表面積を有しつつも、所望の細孔を多く有することで、比表面積当たりの放電容量を向上させたキャパシタ用活性炭を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an activated carbon for a capacitor in which the discharge capacity per specific surface area is improved by having a large number of desired pores while having a certain specific surface area.

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に炭素質材料を含浸した後に、前記炭素質材料と前記酸化剤との反応により多孔質化することにより、活性炭が得られることを見出すとともに、条件を最適化することにより、キャパシタに使用するのに適切な、一定の比表面積を有しつつも、所望の細孔を多く有し、比表面積当たりの放電容量を向上させた活性炭も得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づき、さらに研究を重ね、完成したものである。すなわち、本発明は、以下の構成を包含する。
項1.活性炭の製造方法であって、
高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料及び/又は樹脂を含浸する含浸工程、並びに
前記炭素質材料及び/又は樹脂と前記酸化剤との反応により多孔質化する多孔質化工程を備える、製造方法。
項2.前記高圧二酸化炭素の圧力が、0.2〜30MPaである。項1に記載の製造方法。
項3.前記多孔質化工程が、300℃以下で行われる、項1又は2に記載の製造方法。
項4.前記炭素質材料及び/又は樹脂の形状が粒子状であり、且つ、前記炭素質材料及び/又は樹脂の平均粒子径が100μm以下で粒径分布が40μmの範囲内にあるか、又は、
前記炭素質材料及び/又は樹脂の形状が繊維状であり、且つ、前記炭素質材料及び/又は樹脂の平均繊維径が50μm以下である項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
項5.前記炭素質材料及び/又は樹脂が、活性炭、木質材料、ヤシガラ、果実殻、熱硬化性樹脂及びその炭化物、熱可塑性樹脂及びその炭化物、石炭ピッチ、並びに石油ピッチよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
項6.前記酸化剤が、酸素、オゾン、二酸化窒素、過酸化水素、二酸化硫黄、過硫酸、過酢酸、過蟻酸、硝酸、濃硝酸、発煙硝酸及びt−ブチルハイドロパーオキサイドよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
項7.前記含浸工程及び前記多孔質化工程が逐次連続的に行われる、項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
項8.前記含浸工程及び多孔質化工程を繰り返す、項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
項9.BET比表面積が200〜2000m/gであり、嵩密度が0.1〜1.2g/mLであり、放電容量が5〜20F/ccであり、比表面積あたりの放電容量(放電容量/比表面積)が1×10−3〜1×10-1F/mである、キャパシタ用活性炭。
項10.表面に、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、アミノ基、ラクトン基、フェニル基、フェノール基、カルボニル基、カルボキシ基、及びスルホン基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を有する、項9に記載のキャパシタ用活性炭。
項11.窒素原子を、炭素原子に対する原子比で0.7〜5%含有する、項9又は10に記載のキャパシタ用活性炭。
項12.酸素原子を、炭素原子に対する原子比で1.2〜30%含有する、項9〜11のいずれかに記載のキャパシタ用活性炭。
項13.項9〜12のいずれかに記載のキャパシタ用活性炭を用いたキャパシタ用電極。
項14.項13に記載のキャパシタ用電極を有する、キャパシタ。
項15.炭素質材料が有する細孔径が1〜2nmの細孔を増加させ、且つ、窒素原子の含有量を増大させる方法であって、
高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料を含浸する含浸工程、及び
前記炭素質材料と前記酸化剤との反応により多孔質化する多孔質化工程
を備える、方法。
As a result of intensive studies, the present inventors have impregnated a carbonaceous material in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and then making the material porous by reacting the carbonaceous material with the oxidizing agent, By finding out that activated carbon can be obtained and optimizing the conditions, while having a certain specific surface area suitable for use in a capacitor, it has a large number of desired pores and a discharge per specific surface area It has been found that activated carbon with improved capacity can also be obtained. The present invention has been completed by further research based on such findings. That is, the present invention includes the following configurations.
Item 1. A method of producing activated carbon,
An impregnating step of impregnating a carbonaceous material and / or a resin in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and a porosifying step of making porous by reaction of the carbonaceous material and / or the resin with the oxidizing agent The manufacturing method.
Item 2. The pressure of the high pressure carbon dioxide is 0.2 to 30 MPa. The manufacturing method according to Item 1.
Item 3. Item 3. The production method according to Item 1 or 2, wherein the porosifying step is performed at 300 ° C. or less.
Item 4. The shape of the carbonaceous material and / or resin is particulate, and the average particle diameter of the carbonaceous material and / or resin is 100 μm or less and the particle size distribution is in the range of 40 μm, or
The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the shape of the carbonaceous material and / or the resin is fibrous, and the average fiber diameter of the carbonaceous material and / or the resin is 50 μm or less.
Item 5. The carbonaceous material and / or resin is at least one selected from the group consisting of activated carbon, wood material, coconut shell, fruit shell, thermosetting resin and its carbide, thermoplastic resin and its carbide, coal pitch, and petroleum pitch The manufacturing method according to any one of Items 1 to 4, which is
Item 6. The oxidizing agent is at least one selected from the group consisting of oxygen, ozone, nitrogen dioxide, hydrogen peroxide, sulfur dioxide, persulfate, peracetic acid, formic acid, nitric acid, nitric acid, concentrated nitric acid, fuming nitric acid and t-butyl hydroperoxide. Item 5. The method according to any one of Items 1 to 5, which is a species.
Item 7. Item 7. The production method according to any one of Items 1 to 6, wherein the impregnating step and the porosifying step are performed sequentially and continuously.
Item 8. Item 8. The production method according to any one of Items 1 to 7, wherein the impregnating step and the porosifying step are repeated.
Item 9. The BET specific surface area is 200 to 2000 m 2 / g, the bulk density is 0.1 to 1.2 g / mL, the discharge capacity is 5 to 20 F / cc, and the discharge capacity per specific surface area (discharge capacity / ratio Activated carbon for capacitors having a surface area of 1 × 10 −3 to 1 × 10 −1 F / m 2 .
Item 10. Item 10, at least one functional group selected from the group consisting of a nitro group, a nitroso group, an azo group, an amino group, a lactone group, a phenyl group, a phenol group, a carbonyl group, a carboxy group, and a sulfone group. The activated carbon for capacitors according to.
Item 11. Item 11. The activated carbon for a capacitor according to item 9 or 10, which contains nitrogen atoms in an atomic ratio of 0.7 to 5% with respect to carbon atoms.
Item 12. Item 12. The activated carbon for a capacitor according to any one of Items 9 to 11, which contains an oxygen atom in an atomic ratio of 1.2 to 30% with respect to a carbon atom.
Item 13. Item 13. An electrode for a capacitor using the activated carbon for a capacitor according to any one of Items 9 to 12.
Item 14. Item 14. A capacitor comprising the capacitor electrode according to item 13.
Item 15. A method of increasing the number of pores having a pore diameter of 1 to 2 nm possessed by a carbonaceous material and increasing the content of nitrogen atoms,
A method comprising the steps of: impregnating a carbonaceous material into a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent; and porosifying the reaction by the reaction of the carbonaceous material with the oxidizing agent.

本発明によれば、高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に炭素質材料を含浸した後に、前記炭素質材料と前記酸化剤との反応により多孔質化することにより、活性炭が得られる。この方法は、従来にはない新規の方法である。   According to the present invention, activated carbon is obtained by impregnating a carbonaceous material in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and then making the material porous by reaction of the carbonaceous material with the oxidizing agent. This method is a novel method which has not been made before.

また、この方法は、従来の水蒸気賦活を用いた方法と比較して、低温且つ短時間で行うことが可能であるため、活性炭の製造コストの低減が可能である。   Moreover, since this method can be performed at a low temperature and in a short time as compared with the conventional method using steam activation, the manufacturing cost of activated carbon can be reduced.

さらに、条件を最適化することにより、キャパシタに使用するのに適切な、一定の比表面積を有しつつも、所望の細孔を多く有し、比表面積当たりの放電容量を向上させた活性炭を得ることも可能である。このようにして得られる活性炭は、窒素原子の含有量を増大させ、さらに比表面積当たりの放電容量を向上させることも可能である。   Furthermore, by optimizing the conditions, activated carbon having a large number of desired pores and improved discharge capacity per specific surface area while having a constant specific surface area suitable for use in a capacitor It is also possible to get. The activated carbon thus obtained can also increase the content of nitrogen atoms and further improve the discharge capacity per specific surface area.

実施例1の細孔分布と特定の大きさの細孔の細孔容積を示すグラフである。It is a graph which shows pore distribution of Example 1, and the pore volume of the pore of a specific magnitude | size. 実施例6の細孔分布を示すグラフである。15 is a graph showing the pore distribution of Example 6. 実施例7の細孔分布を示すグラフである。15 is a graph showing the pore distribution of Example 7. 実施例4及び5の結晶特性分析の結果を示すラマン分光スペクトルである。It is a Raman spectrum which shows the result of the crystal | crystallization characteristic analysis of Example 4 and 5. 実施例2及び3の形状観察の結果を示すFE−SEM像である。It is a FE-SEM image which shows the result of shape observation of Examples 2 and 3. 実施例2の形状観察の結果を示すFE−SEM像である。It is a FE-SEM image which shows the result of shape observation of Example 2. FIG. 実施例で試作した電気二重層キャパシタの構成を示す図面である。It is drawing which shows the structure of the electric double layer capacitor produced as an experiment in the Example.

1.活性炭の製造方法
本発明の活性炭の製造方法は、高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料及び/又は樹脂を含浸する含浸工程、及び前記炭素質材料及び/又は樹脂と前記酸化剤との反応により多孔質化する多孔質化工程を備える。
1. Method for Producing Activated Carbon The method for producing activated carbon according to the present invention comprises an impregnating step of impregnating a carbonaceous material and / or a resin in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and the carbonaceous material and / or the resin and the oxidant. And a process for making porous by reaction with the

<含浸工程>
含浸工程においては、高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料及び/又は樹脂を含浸する。この工程により、原料となる炭素質材料及び/又は樹脂の表面に、酸化剤を収着させることができる。
<Impregnation process>
In the impregnation step, the carbonaceous material and / or the resin is impregnated in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent. By this step, the oxidizing agent can be sorbed on the surface of the carbonaceous material and / or resin as the raw material.

炭素質材料及び/又は樹脂
本発明において、原料として使用される炭素質材料及び/又は樹脂としては、後述の酸化剤と反応して多孔質化し得る材料であれば特に制限されず、活性炭前駆体のみならず、活性炭を原料として使用することもできる。また、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂を原料として使用することもできる。
Carbonaceous Material and / or Resin In the present invention, the carbonaceous material and / or resin used as a raw material is not particularly limited as long as it is a material that can be made porous by reacting with an oxidizing agent described later, an activated carbon precursor Not only activated carbon can also be used as a raw material. In addition, resins such as thermosetting resins and thermoplastic resins can also be used as a raw material.

このような炭素質材料及び/又は樹脂としては、例えば、活性炭、木質材料、ヤシガラ、果実殻、石炭コークス、石炭ピッチ等の炭素質材料の他、熱硬化性樹脂及びその炭化物、熱可塑性樹脂及びその炭化物等の樹脂も使用することができる。   As such a carbonaceous material and / or resin, for example, a carbonaceous material such as activated carbon, wood material, coconut shell, fruit shell, coal coke, coal pitch, thermosetting resin and its carbide, thermoplastic resin, and the like Resins such as carbides can also be used.

活性炭としては、水蒸気賦活等の従来の方法で製造された活性炭(例えば、特開2002−33249号公報等)を使用してもよいし、本発明の製造方法により得た活性炭を再度原料として使用してもよい。   As the activated carbon, activated carbon produced by a conventional method such as steam activation (for example, JP-A-2002-33249 etc.) may be used, or activated carbon obtained by the production method of the present invention is used again as a raw material You may

木質材料としては、用途に応じて適宜選択すればよいが、例えば、木炭(木質チャー等)、板材、チップ、おがくず、木粉、樹皮粉、木質繊維、紙類、布類等のほか、これらを加工した合板、中質繊維板(以下MDFと記すこともある)、パーティクルボード等を挙げることができる。   The wood material may be appropriately selected according to the application, but, for example, charcoal (wood char etc.), plate material, chip, sawdust, wood powder, bark powder, wood fiber, paper, cloth, etc. And processed plywood, medium quality fiber board (hereinafter sometimes referred to as MDF), particle board and the like.

果実殻としては、特に制限されないが、胡桃、桃、梅、アーモンド等の殻が挙げられる。   The fruit shell is not particularly limited, and examples thereof include hut, peach, plum, almond and the like.

熱硬化性樹脂としては、特に制限されないが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド、尿素樹脂、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、架橋ポリマ等が挙げられ、これらの炭化物も好適に使用し得る。   The thermosetting resin is not particularly limited, and examples thereof include epoxy resins, phenol resins, melamine resins, polyimides, urea resins, unsaturated polyesters, polyurethanes, crosslinked polymers and the like, and carbides thereof may also be suitably used.

熱可塑性樹脂としては、特に制限されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルケトン、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、アクリル酸スチレンアクリロニトリル共重合体、ポリスチレンアクリロニトリル共重合体、プラスチック廃棄物、廃棄タイヤ等が挙げられ、これらの炭化物も好適に使用し得る。   The thermoplastic resin is not particularly limited, but polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyester, polycarbonate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyamide, polyamide imide, polysulfone, polyether sulfone, poly Ether imide, polyphenylene oxide, polyether ketone, acrylonitrile butadiene styrene copolymer, styrene acrylonitrile acrylonitrile copolymer, polystyrene acrylonitrile copolymer, plastic waste, waste tire, etc. may be mentioned, and carbides thereof are also suitably used. obtain.

これらのなかでも、比表面積、放電容量、比表面積当たりの放電容量等の観点からは活性炭(特に通常の水蒸気賦活された活性炭(例えば、特開2002−33249号公報等))が好ましい。つまり、キャパシタ用途には活性炭(特に通常の水蒸気賦活された活性炭)が好ましい。また、原料コストの安さと後述の酸化剤との反応性の観点からは木質材料が好ましいが、容積あたりの放電容量の観点からは密度の高い原料が好ましい。   Among these, from the viewpoint of specific surface area, discharge capacity, discharge capacity per specific surface area, etc., activated carbon (in particular, ordinary water vapor activated activated carbon (eg, JP-A-2002-33249 etc.)) is preferable. That is, activated carbon (especially, ordinary steam activated activated carbon) is preferable for capacitor applications. Moreover, although a wood material is preferable from the viewpoint of low raw material cost and reactivity with an oxidizing agent described later, a high density raw material is preferable from the viewpoint of discharge capacity per volume.

炭素質材料及び/又は樹脂の形状が粒子状の場合、平均粒子径は100μm以下が好ましく、45〜75μmがより好ましい。また、炭素質材料及び/又は樹脂の粒径分布は、100μm以下で40μmの範囲内にあることが好ましい。また、炭素質材料及び/又は樹脂が繊維状の場合、平均繊維径は50μm以下が好ましく、10〜20μmがより好ましい。炭素質材料及び/又は樹脂の粒子径や繊維径がそろっていることでより均一な反応ができ、多孔質化の再現性がより高まる。なお、本発明において、炭素質材料及び/又は樹脂の平均粒子径、粒径分布、平均繊維径等は、篩で選別・制御し、且つ、マイクロスコープにより測定するものとする。ただし、炭素質材料及び/又は樹脂が繊維状の場合はマイクロスコープによる測定のみとする。   When the shape of the carbonaceous material and / or the resin is particulate, the average particle diameter is preferably 100 μm or less, and more preferably 45 to 75 μm. Further, the particle size distribution of the carbonaceous material and / or the resin is preferably in the range of 100 μm or less and 40 μm. Moreover, when a carbonaceous material and / or resin are fibrous form, 50 micrometers or less are preferable and, as for an average fiber diameter, 10-20 micrometers is more preferable. The uniform particle diameter and fiber diameter of the carbonaceous material and / or resin enables uniform reaction, and the reproducibility of porosification is further enhanced. In the present invention, the average particle size, particle size distribution, average fiber size and the like of the carbonaceous material and / or resin are selected and controlled with a sieve and measured with a microscope. However, when the carbonaceous material and / or the resin is in the form of fibers, it is only measured by a microscope.

酸化剤
酸化剤としては、前記炭素質材料を多孔質化して活性炭を製造し得るものであれば特に制限はなく、酸素(O)、オゾン(O)、二酸化窒素(NO)、硝酸(HNO)、濃硝酸、発煙硝酸(濃硝酸に気体の二酸化窒素を吹き込んだもの)、過酸化水素(H)、二酸化硫黄(SO)、過硫酸(HSO)等の無機酸化剤;過酢酸(CHCOOOH)、過蟻酸(HCOOOH)等の有機過酸;t−ブチルハイドロパーオキサイド((CHCOOH)等の有機過酸化物等が挙げられ、これらは単独又は2種類以上の組み合わせで用いることができる。
The oxidizing agent is not particularly limited as long as the above-mentioned carbonaceous material can be made porous to produce activated carbon, and oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), nitrogen dioxide (NO 2 ), nitric acid (HNO 3 ), concentrated nitric acid, fuming nitric acid (concentrated nitric acid blown with gaseous nitrogen dioxide), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), sulfur dioxide (SO 2 ), persulfuric acid (H 2 SO 5 ), etc. Organic peroxides such as peracetic acid (CH 3 COOOH) and periodate (HCOOOH); organic peroxides such as t-butyl hydroperoxide ((CH 3 ) 3 COOH) and the like; Can be used alone or in combination of two or more.

これらの酸化剤は、無機酸化剤が好ましいが、用途によって応じて使い分ければよく、酸化剤の種類によって、得られる活性炭表面の官能基や、活性炭中にドープされる異原子等を選択することができる。例えば、電気二重層キャパシタ用途には、上記のとおり、窒素原子を含ませることが好ましいため、酸化剤として、二酸化窒素(NO)、硝酸、濃硝酸、発煙硝酸等を用いることが好ましい。また、活性炭中に硫黄原子を含ませたい場合には、二酸化硫黄(SO)、過硫酸(HSO)等を使用すればよい。 Although these oxidizing agents are preferably inorganic oxidizing agents, they may be used depending on the application, and depending on the type of oxidizing agent, select functional groups on the surface of the activated carbon to be obtained, hetero atoms doped in the activated carbon, etc. Can. For example, the electric double layer capacitor application, as described above, since it is preferable to include a nitrogen atom, as an oxidant, nitrogen dioxide (NO 2), nitric acid, concentrated nitric acid, it is preferable to use fuming nitric acid and the like. Further, when it is desired to include a sulfur atom in the activated carbon, sulfur dioxide (SO 2 ), persulfuric acid (H 2 SO 5 ) or the like may be used.

高圧二酸化炭素
本発明の含浸工程においては、高圧二酸化炭素を使用する。高圧二酸化炭素としては、液体、気体、超臨界状態のいずれでもよい。ただし、液体は物質を溶解することができるが、活性炭のような細孔に入り込みにくい。一方、気体は細孔に入り込みやすいが物質を溶解する能力に欠ける。気体と液体との中間の状態である超臨界二酸化炭素は、液体のように酸化剤を溶解することができ、それらを気体のように細孔に送り込むことができるので、炭素質材料の表面により確実に酸化剤を含浸させることができる点で、最も好ましい。
High Pressure Carbon Dioxide High pressure carbon dioxide is used in the impregnation process of the present invention. The high pressure carbon dioxide may be in a liquid, gas or supercritical state. However, liquid can dissolve substances, but it is difficult for it to get into pores like activated carbon. On the other hand, gases tend to enter the pores but lack the ability to dissolve substances. Supercritical carbon dioxide, which is in a state intermediate between gas and liquid, can dissolve oxidizing agents like liquids and can feed them into pores like gases, so the surface of carbonaceous material It is most preferable in that the oxidizing agent can be surely impregnated.

NOのような強力な酸化剤を炭素質材料及び/又は樹脂に直接加えると、発生する吸着熱が炭素質材料に蓄積し昇温と共に酸化反応に至ることがある。本発明では、高圧二酸化炭素で酸化剤を希釈することで吸着速度を遅くし、発生した吸着熱を拡散させることにより、酸化反応まで至ることなくより安全に酸化剤を供給することが可能である。 When a strong oxidizing agent such as NO 2 is directly added to the carbonaceous material and / or resin, the heat of adsorption generated may accumulate in the carbonaceous material and lead to an oxidation reaction with temperature rise. In the present invention, by diluting the oxidizing agent with high-pressure carbon dioxide, the adsorption rate can be decreased, and the generated heat of adsorption can be diffused to more safely supply the oxidizing agent without reaching the oxidation reaction. .

本発明において、高圧二酸化炭素とは、高圧がかけられた状態の二酸化炭素を意味し、具体的には、圧力が0.2〜30MPaであり、後述の酸化剤供給工程においては1〜6MPaの液体又は液体近傍の二酸化炭素が好ましく、含浸工程においては5〜20MPa(特に7〜10MPa)の範囲の超臨界状態又は超臨界近傍の二酸化炭素が好ましい。   In the present invention, high-pressure carbon dioxide means carbon dioxide in a state where high pressure is applied, and specifically, the pressure is 0.2 to 30 MPa, and in the oxidizing agent supply process described later, 1 to 6 MPa Carbon dioxide in the liquid or near the liquid is preferred, and in the impregnation step, carbon dioxide in a supercritical state in the range of 5 to 20 MPa (especially 7 to 10 MPa) or near supercritical is preferable.

なお、高圧二酸化炭素は、圧力を制御して作製してもよいが、密閉容器中に液体二酸化炭素を投入することによっても作製することができる。   Although high-pressure carbon dioxide may be produced by controlling the pressure, it can also be produced by introducing liquid carbon dioxide into a closed vessel.

本発明の本質的な製造方法は、含浸工程及び多孔質化工程を備えるが、多孔質化工程の前に、後述の酸化剤供給工程も備えることが、安全に製造するうえで好ましい。   The essential manufacturing method of the present invention comprises an impregnating step and a porosifying step, but it is preferable from the viewpoint of safe manufacturing to also include an oxidant supplying step described later prior to the porosifying step.

<酸化剤供給工程>
本発明において、炭素質材料と酸化剤とを混合する際、炭素質材料に酸化剤を加えることが好ましい。この場合、まず密閉容器に炭素質材料を加えることが好ましい。密閉容器に対して炭素質材料を加える量は容器容量に対して0.2〜10w/v%が好ましく、2〜4w/v%であることがさらに好ましい。この中に二酸化炭素を容器容量に対して1〜40w/v%(特に10〜20w/v%)加え、密閉容器を−10〜20℃(特に0〜10℃)に冷却することが好ましい。一方、酸化剤採取管(上記密閉容器とは別の容器)に酸化剤を、上記炭素質材料100重量部に対して50〜300重量部(特に100〜200重量部)採取する。その後、酸化剤の入った酸化剤採取管を、炭素質材料及び/又は樹脂が入った密閉容器に接続し、密閉容器中に酸化剤を導入することが好ましい。
<Oxidizing agent supply process>
In the present invention, when the carbonaceous material and the oxidizing agent are mixed, it is preferable to add the oxidizing agent to the carbonaceous material. In this case, it is preferable to first add the carbonaceous material to the closed vessel. The amount of the carbonaceous material to be added to the closed container is preferably 0.2 to 10 w / v%, more preferably 2 to 4 w / v%, based on the volume of the container. It is preferable to add 1 to 40 w / v% (especially 10 to 20 w / v%) of carbon dioxide with respect to the vessel volume and to cool the closed vessel to -10 to 20 ° C (especially 0 to 10 ° C). On the other hand, 50 to 300 parts by weight (particularly 100 to 200 parts by weight) of the oxidizing agent is collected in 100 parts by weight of the carbonaceous material in an oxidizing agent collection pipe (a container other than the above-mentioned closed container). After that, it is preferable to connect the oxidizing agent collecting pipe containing the oxidizing agent to the closed container containing the carbonaceous material and / or the resin, and introduce the oxidizing agent into the closed container.

<含浸工程>
含浸工程においては、上記の炭素質材料の含浸は、炭素質材料と酸化剤との反応(炭素質材料の多孔質化)を抑制しつつ、含浸量を向上させることが好ましい。
<Impregnation process>
In the impregnation step, it is preferable that the above-mentioned impregnation of the carbonaceous material improve the impregnation amount while suppressing the reaction between the carbonaceous material and the oxidizing agent (porosity of the carbonaceous material).

炭素質材料と酸化剤との反応(炭素質材料の多孔質化)をより抑制するためには、炭素質材料を含浸させる際に攪拌することが好ましい。後述のように、含浸工程と多孔質化工程を逐次連続的(同時)に行ってもよいが、この場合には、より高い温度、例えば、20〜300℃(特に40〜250℃)で行うことも可能である。   In order to further suppress the reaction between the carbonaceous material and the oxidizing agent (porosity of the carbonaceous material), it is preferable to stir when impregnating the carbonaceous material. As described later, the impregnation step and the porosification step may be performed sequentially (simultaneously) sequentially, but in this case, it is performed at a higher temperature, for example, 20 to 300 ° C. (particularly 40 to 250 ° C.) It is also possible.

含浸工程においては、上記の炭素質材料の含浸は、炭素質材料への酸化剤の収着量をより向上させるためには、5分〜40時間行うことが好ましく、1〜20時間行うことがより好ましい。   In the impregnation step, the above-mentioned impregnation of the carbonaceous material is preferably performed for 5 minutes to 40 hours to improve the sorption amount of the oxidizing agent to the carbonaceous material more, and may be performed for 1 to 20 hours. More preferable.

<多孔質化工程>
多孔質化工程においては、前記の含浸工程の後、炭素質材料と酸化剤との反応により、炭素質材料を多孔質化する。
<Porporation process>
In the porosifying step, the carbonaceous material is made porous by the reaction of the carbonaceous material and the oxidizing agent after the above-mentioned impregnation step.

具体的には、炭素質材料と酸化剤とが反応しやすいように、加熱処理を行うことが好ましい。含浸工程の後そのまま加熱してもよいし、密閉容器を冷却した後減圧して二酸化炭素を除いてから加熱してもよい。また、炭素質材料に収着されずに残った酸化剤を除去した後二酸化炭素、窒素、アルゴン等で加圧してから加熱してもよい。さらに、炭素質材料に収着されずに残った酸化剤を除去した後、酸素や過酸化水素水等新たな酸化剤を添加してから加熱してもよい。本発明では、従来の方法と比較して低温で反応を引き起こすことができ、300℃以下、好ましくは20〜250℃、より好ましくは120〜220℃で行うことができる。これにより、炭素質材料と酸化剤とを十分に反応させ、炭素質材料を多孔質化して活性炭を製造することができる。   Specifically, it is preferable to perform heat treatment so that the carbonaceous material and the oxidizing agent easily react. After the impregnation step, heating may be performed as it is, or after the sealed container is cooled, pressure may be reduced to remove carbon dioxide and then heating may be performed. Further, after removing the oxidizing agent remaining without being sorbed by the carbonaceous material, heating may be performed after pressurization with carbon dioxide, nitrogen, argon or the like. Furthermore, after removing the oxidizing agent remaining without being sorbed by the carbonaceous material, heating may be performed after adding a new oxidizing agent such as oxygen or hydrogen peroxide water. In the present invention, the reaction can be triggered at low temperature as compared to the conventional method, and can be performed at 300 ° C. or less, preferably 20 to 250 ° C., more preferably 120 to 220 ° C. Thereby, the carbonaceous material and the oxidizing agent can be sufficiently reacted to make the carbonaceous material porous to produce activated carbon.

反応時間(加熱時間)は、炭素質材料を十分に多孔質化させることができれば特に制限はないが、0.5〜60分が好ましく、2〜10分がより好ましい。   The reaction time (heating time) is not particularly limited as long as the carbonaceous material can be made sufficiently porous, but it is preferably 0.5 to 60 minutes, and more preferably 2 to 10 minutes.

加熱方法は特に制限されるものではなく、従来公知の種々の方法を採用することができ、例えば、油浴中で加熱する方法、パネルヒーター、セラミックヒーター等により接触しつつ加熱する方法、赤外線ランプ、レーザー、温風、マイクロウェーブ等で非接触による加熱方法等が採用できる。なかでも、簡便に短時間で昇温する観点から、油浴中で加熱する方法が好ましい。   The heating method is not particularly limited, and various conventionally known methods can be employed. For example, a method of heating in an oil bath, a method of heating while being in contact with a panel heater, a ceramic heater or the like, an infrared lamp Non-contact heating methods can be adopted such as laser, warm air, microwave and the like. Among them, a method of heating in an oil bath is preferable from the viewpoint of simply raising the temperature in a short time.

<製造方法>
上記の含浸工程及び多孔質化工程は、別工程として行ってもよいし、逐次連続的(同時)に行ってもよい。
<Manufacturing method>
The above-mentioned impregnation step and porosification step may be performed as separate steps or may be performed sequentially (simultaneously).

また、本発明の製造方法においては、含浸工程及び多孔質化工程を行うのは一度のみでもよいし、複数回でもよい。複数回行う場合は、含浸工程及び多孔質化工程を経て得られた活性炭を、再度原料として用いて、含浸工程及び多孔質化工程を行うことができる。   Further, in the production method of the present invention, the impregnation step and the porosification step may be performed only once or plural times. In the case where it is carried out a plurality of times, the impregnating step and the porosifying step can be carried out using the activated carbon obtained through the impregnating step and the porosifying step again as a raw material.

含浸工程及び多孔質化工程を繰り返した場合には、1回のみ行った場合と比較して、得られる活性炭の細孔容積をさらに向上させ、平均細孔径をより上昇させることができる。このため、含浸工程及び多孔質化工程を複数回繰り返すことにより、小さい径を有する細孔を低減することができ、所望の細孔をより多くすることができることから、キャパシタ用途により好適である。好ましい繰り返し回数は、2〜10回程度であり、より好ましい繰り返し回数は2〜5回程度である。   When the impregnation step and the porosification step are repeated, the pore volume of the obtained activated carbon can be further improved and the average pore diameter can be further increased, as compared with the case where it is performed only once. For this reason, by repeating the impregnation step and the porosification step a plurality of times, it is possible to reduce the pores having a small diameter and to increase the number of desired pores, which is more suitable for capacitor applications. The preferred number of repetitions is about 2 to 10, and the more preferred number of repetitions is about 2 to 5.

本発明の製造方法によれば、含浸工程及び多孔質化工程を少なくとも1回経ることで、上記のとおり、細孔容積を上昇させるとともに、細孔径が1nm未満の細孔を低減することができ、所望の細孔をより多くすることができる。このため、炭素質材料が有する細孔径が1〜2nmの細孔を増加させることができる。 According to the production method of the present invention, the pore volume can be increased and the pores with a pore diameter of less than 1 nm can be reduced as described above by passing through the impregnation step and the porosification step at least once. The desired pores can be increased. For this reason, the pore diameter of the carbonaceous material can be increased to 1 to 2 nm.

なお、通常は、細孔径が1〜2nmの細孔径を有する細孔を増加させようとすると、他の大きさの細孔も必然的に増加させることになるため、細孔径が1〜2nmの細孔径を有する細孔のみを増加させることは困難であったが、本発明の製造方法によれば、他の大きさの細孔の数は維持したままで、細孔径が1〜2nmの細孔径を有する細孔のみを増加させることが可能である。   In general, if it is attempted to increase the number of pores having a pore diameter of 1 to 2 nm, pores of other sizes are also inevitably increased. Although it was difficult to increase only the pores having the pore size, according to the production method of the present invention, it is possible to maintain the number of pores of other sizes while maintaining fine pores with a pore size of 1 to 2 nm. It is possible to increase only the pores with pore size.

この後、必要に応じて常圧まで減圧して活性炭が得られるが、過剰の酸化剤を除去するため、高圧二酸化炭素を吹き付けてもよいし、または洗浄工程を設けてもよい。   After that, if necessary, the pressure is reduced to normal pressure to obtain activated carbon, but high pressure carbon dioxide may be sprayed to remove excess oxidant, or a washing step may be provided.

2.活性炭
本発明の活性炭は、上記した本発明の製造方法により得られる。本発明の製造方法を行う際に、適宜条件を設定することにより、キャパシタに用いるのに適切な活性炭を得ることができる。より詳細には、原料として、活性炭(特に、通常の水蒸気賦活された活性炭)を用いることが好ましい。
2. Activated Carbon The activated carbon of the present invention is obtained by the above-mentioned production method of the present invention. When performing the manufacturing method of the present invention, by setting the conditions appropriately, it is possible to obtain activated carbon suitable for use in a capacitor. More specifically, it is preferable to use activated carbon (in particular, ordinary steam activated activated carbon) as a raw material.

このようにして得られる本発明のキャパシタ用活性炭には、細孔径が0.7〜5nm、特に1〜2nmの位置に、細孔分布のピークを有し得る。   The activated carbon for capacitors of the present invention thus obtained may have a pore distribution peak at a pore diameter of 0.7 to 5 nm, particularly 1 to 2 nm.

このようにして得られる本発明のキャパシタ用の活性炭のBET比表面積は、200〜2000m/g、好ましくは600〜1500m/gである。本発明のキャパシタ用活性炭の細孔特性は、ガス吸着分析器(例えば、BELSORP−mini II(日本BEL製))を用いて分析するものとする。たとえば、まず−196℃において、窒素ガスの相対圧力を関数とした窒素ガスの吸着量(これを窒素吸着等温線という)を得る。この窒素吸着等温線から、BET比表面積、全細孔容積を算出する。また、GCMC法を用いて、1〜2nmの細孔容積を算出する。 The BET specific surface area of the activated carbon for a capacitor of the present invention thus obtained is 200 to 2000 m 2 / g, preferably 600 to 1500 m 2 / g. The pore characteristics of the activated carbon for capacitors of the present invention are analyzed using a gas adsorption analyzer (for example, BELSORP-mini II (manufactured by Japan BEL)). For example, first, at -196 ° C, the adsorption amount of nitrogen gas as a function of the relative pressure of nitrogen gas (this is referred to as a nitrogen adsorption isotherm) is obtained. The BET specific surface area and the total pore volume are calculated from this nitrogen adsorption isotherm. Also, a pore volume of 1 to 2 nm is calculated using the GCMC method.

また、このようにして得られる本発明のキャパシタ用の活性炭の嵩密度は、0.1〜1.2g/mL、好ましくは0.2〜1.0g/mLである The bulk density of the activated carbon for a capacitor of the present invention thus obtained is 0.1 to 1.2 g / mL, preferably 0.2 to 1.0 g / mL .

さらに、このようにして得られる本発明のキャパシタ用の活性炭の放電容量は、5〜20F/cc、好ましくは8〜18F/cc、さらに好ましくは10〜16F/ccである。   Furthermore, the discharge capacity of the activated carbon for a capacitor of the present invention thus obtained is 5 to 20 F / cc, preferably 8 to 18 F / cc, more preferably 10 to 16 F / cc.

本発明のキャパシタ用活性炭の放電容量は、活性炭のキャパシタ特性評価:初期性能を用いて、評価するものとする。具体的な評価方法について、以下に述べる。活性炭を主体とする分極性電極は、主に活性炭とバインダから構成されるが、電極に導電性を付与するために、さらに導電性物質を添加してもよい。その混合物に、適宜、溶剤を加え、塗布法、シート成形法等の公知の方法で集電体上に成形するか、適宜、溶剤を加え、基材上に塗布法、シート成形法等の公知の方法で形成した成形体を集電体に接着し電極とする。得られた正極成型体(活性炭/ケッチェンブッラク(導電材)/PTFE(バインダ)=86/7/7;面積:2.8cm)、負極成型体(活性炭/ケッチェンブラック(導電材)/PTFE(バインダ)=86/7/7;面積:2.8cm)を真空中、170℃で10時間乾燥し、乾燥した2枚の成型体をアルゴンガス雰囲気中のドライボックス中に移した後、セルロース系セパレータを介して積層し、TEMA・BF(トリエチルメチルアンモニウムテトラフロオロボレート)を1.4M/Lで溶解したプロピレンカーボネート溶液を電解液としたアルミラミネート外装のキャパシタを作成する。得られたキャパシタに2.5Vの電圧を2時間を印加後(最大電流0.7mA)、放電電流0.7mA の定電流で放電し、得られた放電曲線の傾き(2.5V−0V間)から初期の静電容量(F)を求める。 The discharge capacity of the activated carbon for capacitor of the present invention is evaluated using the capacitor characteristic evaluation of the activated carbon: initial performance. The specific evaluation method is described below. A polarizable electrode mainly composed of activated carbon is mainly composed of activated carbon and a binder, but a conductive material may be further added to impart conductivity to the electrode. A solvent is appropriately added to the mixture, and the mixture is molded on a current collector by a known method such as a coating method or a sheet molding method, or a solvent is appropriately added, and a known method such as a coating method or a sheet molding method The molded body formed by the above method is adhered to a current collector to form an electrode. The obtained positive electrode molded body (activated carbon / Ketjenburuck (conductive material) / PTFE (binder) = 86/7/7; area: 2.8 cm 2 ), negative electrode molded body (activated carbon / Ketjen black (conductive material) / After drying the PTFE (binder) = 86/7/7; area: 2.8 cm 2 ) in vacuum at 170 ° C. for 10 hours and transferring the two dried molded articles into a dry box in an argon gas atmosphere Then, laminating via a cellulose-based separator, a capacitor of an aluminum laminate is prepared by using a propylene carbonate solution in which TEMA · BF 4 (triethyl methyl ammonium tetrafluoro ester) is dissolved at 1.4 M / L as an electrolytic solution. A voltage of 2.5 V is applied to the obtained capacitor for 2 hours (maximum current 0.7 mA) and then discharged with a constant current of 0.7 mA, and the slope of the obtained discharge curve (between 2.5 V and 0 V) Determine the initial capacitance (F) from).

このため、本発明のキャパシタ用活性炭においては、比表面積あたりの放電容量(放電容量/比表面積)を大きくすることができ、具体的には1×10−3〜1×10−1F/m、好ましくは1×10−2〜5×10−2F/mとすることができる。 For this reason, in the activated carbon for capacitors of the present invention, the discharge capacity (discharge capacity / specific surface area) per specific surface area can be increased, and specifically, 1 × 10 −3 to 1 × 10 −1 F / m. It can be 2 preferably 1 × 10 −2 to 5 × 10 −2 F / m 2 .

また、上記した本発明の製造方法によれば、適宜酸化剤を選択することにより、得られる活性炭表面に存在する官能基を設定することができる。これにより、用途に応じて、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、アミノ基、ラクトン基、フェニル基、フェノール基、カルボニル基、カルボキシ基、スルホン基等の少なくとも1種の官能基を活性炭表面に形成することが可能である。なお、本発明の活性炭をキャパシタ用途に使用する場合は、活性炭表面に、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、アミノ基等の少なくとも1種の官能基を有することが好ましい。   Moreover, according to the manufacturing method of this invention mentioned above, the functional group which exists on the surface of the activated carbon obtained can be set by selecting an oxidizing agent suitably. Thereby, depending on the application, at least one functional group such as nitro group, nitroso group, azo group, amino group, lactone group, phenyl group, phenol group, carbonyl group, carboxy group and sulfone group is formed on the activated carbon surface It is possible. In addition, when using the activated carbon of this invention for a capacitor use, it is preferable to have an activated carbon surface at least 1 sort (s) of functional groups, such as a nitro group, a nitroso group, an azo group, an amino group.

また、上記した本発明の製造方法によれば、適宜酸化剤を選択することにより、得られる活性炭に存在する窒素原子や酸素原子等の濃度を設定することができる。例えば、酸化剤として、二酸化窒素を選択することにより、窒素原子を、炭素原子に対する原子比で0.7〜5%、特に1.3〜4%含有させることができる。また、酸素原子を、炭素原子に対する原子比で1.2〜30%、特に1〜3%含有させることができる。このように、従来の活性炭と比較して、多量の窒素原子を含ませる(窒素原子の含有量を増大させる)ことが可能であるため、キャパシタ用途に好適である。   Moreover, according to the manufacturing method of this invention mentioned above, the density | concentration of the nitrogen atom, oxygen atom, etc. which exist in the activated carbon obtained can be set by selecting an oxidizing agent suitably. For example, by selecting nitrogen dioxide as the oxidizing agent, nitrogen atoms can be contained in an atomic ratio to carbon atoms of 0.7 to 5%, particularly 1.3 to 4%. In addition, oxygen atoms can be contained in an atomic ratio of 1.2 to 30%, particularly 1 to 3%, to carbon atoms. As described above, since it is possible to include a large amount of nitrogen atoms (increasing the content of nitrogen atoms) as compared to conventional activated carbon, it is suitable for capacitor applications.

3.キャパシタ用電極
本発明のキャパシタ用電極は、上記した本発明のキャパシタ用活性炭に、導電助剤及びバインダを所定の割合でそれぞれ添加し、必要に応じて混練した後に任意の形状に成形して、製造することができる。
3. Electrodes for Capacitors The electrodes for capacitors according to the present invention are prepared by adding a conductive additive and a binder at a predetermined ratio to the above-mentioned activated carbon for capacitors according to the present invention, kneading as required, and shaping into an arbitrary shape, It can be manufactured.

この際使用される導電助剤としては、特に制限されないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。また、バインダとしては、特に制限されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル等が挙げられる。   The conductive aid used here is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, carbon black and graphite. The binder is not particularly limited, and examples thereof include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, styrene-butadiene rubber, polyacrylonitrile and the like.

本発明のキャパシタ用活性炭、導電助剤及びバインダの混合比率は適宜定めればよい。なお、キャパシタ用活性炭、導電助剤及びバインダの形状は、通常は粒子状又は粉末状であるので、これらを混合する際には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の有機溶媒を混合してペースト状とすることが好ましい。   The mixing ratio of the activated carbon for a capacitor of the present invention, the conductive additive and the binder may be appropriately determined. In addition, since the shapes of activated carbon for capacitors, conductive assistants and binders are usually in the form of particles or powders, when these are mixed, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is mixed. It is preferable to make it paste-like.

4.キャパシタ
本発明のキャパシタは、上述した本発明のキャパシタ用電極を有している。具体的には、本発明のキャパシタは、セパレータの両側面に本発明のキャパシタ用電極がそれぞれ配置されてなるセルの周囲を必要に応じてガスケット状のパッキンで覆い、セル及びパッキンの両側面にアルミ集電箔をそれぞれ配置すると共に、これらアルミ集電箔のそれぞれに接触して集電端子を配置していることが好ましい。パッキン、集電端子等の材料としては、従来より知られている既存の材料を適用することが可能である。
4. Capacitor The capacitor of the present invention has the capacitor electrode of the present invention described above. Specifically, the capacitor of the present invention covers the periphery of the cell in which the electrode for a capacitor of the present invention is disposed on both sides of the separator, as necessary, with gasket-like packings. It is preferable to arrange the aluminum current collector foils and to arrange the current collector terminals in contact with the respective aluminum current collector foils. It is possible to apply the existing material conventionally known as materials, such as packing and a current collection terminal.

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。   Although the present invention will be specifically described based on examples, the present invention is not limited to these.

[実施例1]
<含浸工程>
木質系水蒸気賦活活性炭を原料として使用した。
Example 1
<Impregnation process>
Woody steam activated carbon was used as a raw material.

50mLの圧力容器に、前述の原料と攪拌子を投入して密閉し、COで置換した。次に、NO、COの順に当該容器に高圧注入し、60℃に保温しながら、1時間撹拌した。 The aforementioned raw materials and a stirrer were charged into a 50 mL pressure vessel, sealed, and replaced with CO 2 . Next, high pressure injected into the vessel in the order of NO 2, CO 2, while kept at 60 ° C., and stirred for 1 hour.

<多孔質化工程>
50mLの圧力容器に、上記収着工程で得た回収物を入れて密閉した。その後、当該圧力容器にCOを注入し、180℃の油浴中に10分間反応をさせた。
<Porporation process>
The recovered product obtained in the above sorption step was placed in a 50 mL pressure vessel and sealed. Thereafter, CO 2 was injected into the pressure vessel, and the reaction was carried out in an oil bath of 180 ° C. for 10 minutes.

[実施例2〜17]
原料及び各条件を表1〜2に記載のように変更する他は実施例1と同様に行った。結果を表1〜2(表1は含浸工程、表2は多孔質化工程である)に示す。実施例2、3では、木質チャーを原料として、使用した。実施例4、5では、大阪ガスケミカル(株)製の石炭ピッチ(JC/2J10−17)を使用した。実施例6では、メラミン樹脂(メラミンフォーム、ナカタニ製)として、窒素雰囲気下400℃で30分間炭化処理したメラミン樹脂炭化品を使用した。実施例7では、フェノール樹脂として、カイノール(日本カイノール製)を使用した。実施例8では、大阪ガスケミカル(株)製のポリイミド(JC/2J10−17)を使用した。実施例9では、大阪ガスケミカル(株)製のヤシ殻活性炭を使用した。実施例10では、大阪ガスケミカル(株)製のACF(A15)を使用した。実施例11では、果実殻炭化品を使用した。実施例12では、大阪ガスケミカル(株)製PAN系炭化品を使用した。実施例13では、多孔質化工程はHを追加し、NOとHを酸化剤として使用した。実施例14では、多孔質化工程はOを追加し、NOとOを酸化剤として使用した。実施例15、16では、含浸工程と多孔質化工程は発煙硝酸を酸化剤として使用した。実施例17では、多孔質化工程は、マイクロウエーブ(700W)を用いて、多孔質化を行った。
[Examples 2 to 17]
The procedure of Example 1 was repeated except that the raw materials and the respective conditions were changed as described in Tables 1 and 2. The results are shown in Tables 1 and 2 (Table 1 is the impregnation step and Table 2 is the porosification step). In Examples 2 and 3, woody char was used as a raw material. In Examples 4 and 5, coal pitch (JC / 2J10-17) manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. was used. In Example 6, as a melamine resin (melamine foam, manufactured by Nakatani), a carbonized melamine resin product which was carbonized at 400 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere was used. In Example 7, kainol (manufactured by Nippon Kainol) was used as a phenol resin. In Example 8, polyimide (JC / 2J10-17) manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. was used. In Example 9, coconut shell activated carbon manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. was used. In Example 10, ACF (A15) manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. was used. In Example 11, a fruit shell carbonized product was used. In Example 12, a PAN-based carbonized product manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. was used. In Example 13, porous step adds the H 2 O 2, was used NO 2 and H 2 O 2 as an oxidizing agent. In Example 14, porous step adds the O 2, was used NO 2 and O 2 as an oxidizing agent. In Examples 15 and 16, the impregnation step and the porosification step used fuming nitric acid as an oxidizing agent. In Example 17, the porosifying step was performed using microwave (700 W).

以上の結果をまとめて以下に示す。   The above results are summarized below.

木質チャー、活性炭、ヤシ殻、果実殻等の炭素質材料とフェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂等の樹脂を原料として、超臨界賦活ができることを確認できた。   It has been confirmed that supercritical activation can be performed using carbonaceous materials such as woody char, activated carbon, coconut shells, and fruit shells, and resins such as phenol resins, polyimide resins, and melamine resins as raw materials.

[比表面積]
実施例1〜4、8〜11及び14〜16の比表面積を測定した。結果を表3に示す。
[Specific surface area]
The specific surface areas of Examples 1 to 4, 8 to 11 and 14 to 16 were measured. The results are shown in Table 3.

上記のうち、特に実施例1を例にとって、細孔分布と特定の大きさの細孔の細孔容積を、原料である水蒸気賦活活性炭と比較した結果を図1に示す。   Among the above, taking Example 1 as an example in particular, FIG. 1 shows the results of comparing the pore distribution and the pore volume of pores of a specific size with the steam activated activated carbon as a raw material.

この結果、本発明の方法により細孔容積が増加するとともに、細孔分布のピーク径が右側にシフトし、小さい細孔の細孔容積が低減した。また、電気二重層キャパシタ用途として好ましい細孔径1〜2nm程度の細孔の細孔容積が増大していることが示唆された。   As a result, while the pore volume was increased by the method of the present invention, the peak diameter of the pore distribution was shifted to the right, and the pore volume of small pores was reduced. Moreover, it was suggested that the pore volume of the pore about 1-2 nm of pore diameters preferable as an electric double layer capacitor use is increasing.

また、特定の大きさの細孔の細孔容積の結果からは、電気二重層キャパシタ用途として好ましい細孔径1〜2nm程度の細孔の細孔容積のみを増大させ、他の大きさの細孔の細孔容積はほぼ維持されている。このことから、本発明の方法を採用することで、電気二重層キャパシタ用途として好ましい細孔径1〜2nm程度の細孔のみを増やすことが可能であることが示唆された。なお、図1右図において、各棒グラフは、左から順に、「0〜1nm細孔容積」、「1〜2nm細孔容積」、「2〜50nmメソ孔体積」、「50nm以上マクロ孔体積」、「全細孔積」を示す。   Moreover, from the result of the pore volume of pores of a specific size, it is possible to increase only the pore volume of pores having a pore diameter of about 1 to 2 nm, which is preferable for electric double layer capacitor applications, and to form pores of other sizes. The pore volume of is substantially maintained. From this, it was suggested that by adopting the method of the present invention, it is possible to increase only pores having a diameter of about 1 to 2 nm, which is preferable for electric double layer capacitor applications. In addition, in the right figure of FIG. 1, each bar graph is "from 0 to 1 nm pore volume", "1 to 2 nm pore volume", "2 to 50 nm mesopore volume", "50 nm or more macropore volume" sequentially from the left. , "Total pore product".

メラミン樹脂炭化品を用いた実施例6及び原料であるメラミン樹脂炭化品について、細孔分布を図2に示す。なお、図2において、各グラフは上から順に、実施例6、メラミン樹脂炭化品を示す。また、フェノール樹脂を用いた実施例7について、細孔分布を図3に示す。その結果、出発原料の異なりによって、細孔径や細孔容積等を制御できた。特にメラミン樹脂では2nm以下の細孔を持たず、細孔径2〜10nm程度、フェノール樹脂では1nm以下の細孔を持たず、1〜2nm程度の細孔の細孔容積を保有しており、電気二重層キャパシタ用途に使用できることが示唆されている。同様の結果は、原料として石炭ピッチを用いた実施例4及び5でも見られた。   Pore distribution is shown in FIG. 2 about Example 6 using a melamine resin carbonized product, and the melamine resin carbonized product which is a raw material. In addition, in FIG. 2, each graph shows Example 6, melamine resin carbonization goods in an order from the top. Moreover, pore distribution is shown in FIG. 3 about Example 7 which used the phenol resin. As a result, the pore diameter, pore volume, etc. could be controlled depending on the difference of the starting material. In particular, melamine resin does not have pores of 2 nm or less, pore diameter of about 2 to 10 nm, phenol resin does not have pores of 1 nm or less, and pore volume of pores of about 1 to 2 nm is retained. It has been suggested that it can be used for double layer capacitor applications. Similar results were seen in Examples 4 and 5 where coal pitch was used as the feedstock.

[表面特性]
表面特性評価として、FT−IR測定を行った。FT−IRの結果より、実施例2及び3において、硝酸/亜硝酸イオン、芳香族/アルケン、非共役アルケンの他、Nを含む官能基(アミン、アミド)等も観察された。
[Surface characteristics]
As surface property evaluation, FT-IR measurement was performed. From the results of FT-IR, in Examples 2 and 3, nitrate / nitrite ion, aromatic / alkene, non-conjugated alkene, N-containing functional group (amine, amide) and the like were also observed.

[結晶特性]
結晶特性分析としてラマン分光測定を行った。結果を図4に示す。図4のスペクトルにおいて、結果は、上から順に、実施例4、実施例5、石炭ピッチである。その結果、実施例4及び5において、本発明の方法を施す前の木質チャーと比較して、1360cm−1のSP3や欠陥に帰属するピーク、1580cm−1のSP2に帰属するピークがよりシャープになっており、本発明の製造方法の過程で炭素構造に変化が現れていることが示唆された。
[Crystal properties]
Raman spectroscopy measurement was performed as crystal characteristic analysis. The results are shown in FIG. In the spectrum of FIG. 4, the results are Example 4, Example 5, coal pitch in order from the top. As a result, in Examples 4 and 5, as compared to the wood char before applying the method of the present invention, a peak attributable to SP3 and defects 1360 cm -1, sharper peak attributable to SP2 of 1580 cm -1 It was suggested that a change in carbon structure appeared in the process of the production method of the present invention.

[形状観察]
本発明の方法を施す前後のサンプルの形状観察として、FE−SEM観察を行った。結果を図5及び6に示す。原料の木質チャーと、実施例2及び3を測定した結果、原料の木質チャーは広い範囲の細孔分布を有しているのに対し、実施例2及び3では規則的な円形穴が観察された。この円形穴は、木質チャーと酸化剤であるNOとが反応したことによって生成したことが示唆される。また、実施例2及び3では非常に小さい細孔も観察された。このことから、本発明の方法による多孔質化を視覚的に捉えることもできた。このことは、実施例7でも同様の結果が得られた。
[Shape observation]
FE-SEM observation was performed as shape observation of the sample before and behind applying the method of this invention. The results are shown in FIGS. As a result of measuring the raw wood char and Examples 2 and 3, while the raw wood char has a wide range of pore distribution, regular round holes are observed in Examples 2 and 3. The It is suggested that this circular hole was generated by the reaction of the woody char and NO 2 which is an oxidizing agent. Also, very small pores were also observed in Examples 2 and 3. From this, it was possible to visually grasp the porosification by the method of the present invention. Similar results were obtained in Example 7 as well.

[XPS分析]
C/N/O/S/Si元素のスペクトルから各元素の形態(官能基)を判別するため、比較例1で市販品の水蒸気賦活活性炭(比表面積2853m/g)を用いて、XPS分析を行った。実施例1及び15において、XPS分析を行った。比較例1では、窒素が僅か存在していることに対して、実施例1では、試料から窒素の量が9倍以上検出され、実施例15では窒素の量が11倍以上検出された。酸化剤により、窒素の含有量が変化させることが出来る。窒素元素の由来はシアン化物、アンモニウム塩、硝酸塩等であった。官能基の結果として、いずれの実施例では試料の表面にはカルボキシ基、ラクトン基、フェノール基、シアノ基、及びアンモニウム基、硝酸基が検出された。
[XPS analysis]
In order to determine the form (functional group) of each element from the spectrum of C / N / O / S / Si element, XPS analysis is performed using a commercially available water vapor activated activated carbon (specific surface area: 2853 m 2 / g) in Comparative Example 1 Did. XPS analysis was performed in Examples 1 and 15. In Comparative Example 1, the amount of nitrogen was detected 9 times or more from the sample in Example 1 and 11 times or more in Example 15 with respect to the slight presence of nitrogen. The oxidizing agent can change the nitrogen content. The origin of the nitrogen element was cyanide, ammonium salt, nitrate and the like. As a result of the functional groups, carboxy, lactone, phenol, cyano, ammonium and nitrate groups were detected on the surface of the sample in any of the examples.

[キャパシタ用途]
図7に示したように、実施例1、25、27及び33で得た活性炭を活物質として用いて、評価電極を作製し、これを用いて電気二重層キャパシタを試作した。なお、試作した電気二重層キャパシタの構成部材は、
セルタイプ:単層ラミネートセル
電極タイプ:14×20mm
正極:作製した評価サンプル
負極:作製した評価サンプル
セパレータ:セルロース系
電解液:1.4M−TEMA・BF(PC)
参照極:なし
である。なお、上記の活性炭は遊星ミル(自公転型ボールミル)を用いて5μmレベルにまで粉砕した。
[Capacitor application]
As shown in FIG. 7, using the activated carbons obtained in Examples 1, 25, 27 and 33 as active materials, evaluation electrodes were produced, and an electric double layer capacitor was produced by using this. The components of the prototype electric double layer capacitor are
Cell type: Single layer laminated cell electrode type: 14 × 20 mm 2
Positive electrode: Evaluation sample produced: Negative electrode produced: Evaluation sample separator produced: Cellulose-based electrolyte: 1.4 M-TEMA, BF 4 (PC)
Reference pole: None. In addition, said activated carbon was grind | pulverized to a 5 micrometer level using the planetary mill (revolution type ball mill).

評価の結果を表5に示した。実施例1では放電容量が13.0F/cc(比表面積当たりの放電容量は1.26×10−2)、さらに、実施例15では放電容量が17.9F/cc(比表面積当たりの放電容量は1.47×10−2)と改善することができた。市販品の水蒸気賦活活性炭比較例1より、超臨界賦活活性炭の方が放電容量と比表面積当たりの放電容量が高い値が得られた。特に、実施例15の場合は、市販の活性炭の比較例1に対して、放電容量(F/cc)は1.6倍であり、比表面積当たりの放電容量を3.7倍程度に改善することができたことを示している。比較例1より、実施例1は窒素原子を含有したため、放電容量を向上した。また、比表面積が1000m/g程度に制御したため、比表面積当たりの放電容量が比較例1より約3倍向上できた。そして、実施例15では、1〜2nmの細孔容積がより多く含有し、且つ、窒素原子含有量が更に多く有するため、放電容量と比表面積当たりの放電容量は共にさらに向上できた。 The results of the evaluation are shown in Table 5. Discharge capacity in Example 1 is 13.0F / cc (discharge capacity is 1.26 × 10 -2 per specific surface area), further, the discharge capacity in Example 15, per surface area 17.9F / cc (specific discharge capacity could be improved with 1.47 × 10 -2). As compared with the commercially available steam activated carbon according to Comparative Example 1, higher values were obtained for the supercritical activated carbon in terms of discharge capacity and discharge capacity per specific surface area . Particularly, in the case of Example 15, improved relative to Comparative Example 1 of a commercially available activated carbon, the discharge capacity (F / cc) was 1.6 times, the discharge capacity per specific surface area of about 3.7 times It shows that it was possible. From Comparative Example 1, Example 1 contained a nitrogen atom, so the discharge capacity was improved. Moreover, the specific surface area is controlled to about 1000 m 2 / g, the discharge capacity per specific surface area was increased about 3 times higher than Comparative Example 1. Then, in Example 15, contains more pore volume of 1 to 2 nm, and, because it has many more nitrogen atom content, discharge capacity of the discharge capacity and the specific surface area per could further improve both.



1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 正極集電体
5 負極集電体
6 アルミラミネート外装
20 電気二重層キャパシタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 positive electrode 2 negative electrode 3 separator 4 positive electrode collector 5 negative electrode collector 6 aluminum laminated exterior 20 electric double layer capacitor

Claims (14)

活性炭の製造方法であって、
高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料及び/又は樹脂を含浸する含浸工程、並びに
前記炭素質材料及び/又は樹脂と前記酸化剤との反応により多孔質化する多孔質化工程を備え、前記高圧二酸化炭素の圧力が、0.2〜30MPaである、製造方法。
A method of producing activated carbon,
An impregnating step of impregnating a carbonaceous material and / or a resin in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and a porosifying step of making porous by reaction of the carbonaceous material and / or the resin with the oxidizing agent with the pressure of the high-pressure carbon dioxide, Ru 0.2~30MPa der method.
前記多孔質化工程が、300℃以下で行われる、請求項1に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the porosifying step is performed at 300 ° C. or less. 前記炭素質材料及び/又は樹脂の形状が粒子状であり、且つ、前記炭素質材料及び/又は樹脂の平均粒子径が100μm以下で粒径分布が40μm以上の範囲内にあるか、又は、
前記炭素質材料及び/又は樹脂の形状が繊維状であり、且つ、前記炭素質材料及び/又は
樹脂の平均繊維径が50μm以下である請求項1又は2に記載の製造方法。
The shape of the carbonaceous material and / or resin is particulate, and the average particle diameter of the carbonaceous material and / or resin is 100 μm or less and the particle size distribution is in the range of 40 μm or more , or
The method according to claim 1 or 2 , wherein the shape of the carbonaceous material and / or the resin is fibrous, and the average fiber diameter of the carbonaceous material and / or the resin is 50 μm or less.
前記炭素質材料及び/又は樹脂が、活性炭、木質材料、ヤシガラ、果実殻、熱硬化性樹脂
及びその炭化物、熱可塑性樹脂及びその炭化物、石炭ピッチ、並びに石油ピッチよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜のいずれかに記載の製造方法。
The carbonaceous material and / or resin is at least one selected from the group consisting of activated carbon, wood material, coconut shell, fruit shell, thermosetting resin and its carbide, thermoplastic resin and its carbide, coal pitch, and petroleum pitch The method according to any one of claims 1 to 3 , which is
前記酸化剤が、酸素、オゾン、二酸化窒素、過酸化水素、二酸化硫黄、過硫酸、過酢酸、過蟻酸、硝酸、濃硝酸、発煙硝酸及びt−ブチルハイドロパーオキサイドよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜のいずれかに記載の製造方法。 The oxidizing agent is at least one selected from the group consisting of oxygen, ozone, nitrogen dioxide, hydrogen peroxide, sulfur dioxide, persulfate, peracetic acid, formic acid, nitric acid, nitric acid, concentrated nitric acid, fuming nitric acid and t-butyl hydroperoxide. The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4 , which is a species. 前記含浸工程及び前記多孔質化工程が逐次連続的に行われる、請求項1〜のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 5 in which said impregnation process and said porosification process are performed one by one continuously. 前記含浸工程及び多孔質化工程を繰り返す、請求項1〜のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method in any one of Claims 1-6 which repeat the said impregnation process and porosification process. BET比表面積が200〜1500/gであり
電容量が5〜20F/ccであり、
比表面積あたりの放電容量が1×10−3〜1×10-1F/mである、キャパシタ用活性炭。
The BET specific surface area is 200 to 1,500 m 2 / g ,
Discharge capacity is 5~20F / cc,
Discharge capacity per specific surface area of 1 × 10 -3 ~1 × 10 -1 F / m 2, activated carbon capacitor.
表面に、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、アミノ基、ラクトン基、フェニル基、フェノール基、カルボニル基、カルボキシ基、及びスルホン基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を有する、請求項に記載のキャパシタ用活性炭。 The surface has at least one functional group selected from the group consisting of a nitro group, a nitroso group, an azo group, an amino group, a lactone group, a phenyl group, a phenol group, a carbonyl group, a carboxy group, and a sulfone group. The activated carbon for capacitors according to 8 . 窒素原子を、炭素原子に対する原子比で0.7〜5%含有する、請求項又はに記載のキャパシタ用活性炭。 The nitrogen atom, containing from 0.7 to 5% by atomic ratio to carbon atoms, activated carbon for capacitor according to claim 8 or 9. 酸素原子を、炭素原子に対する原子比で1.2〜30%含有する、請求項10のいずれかに記載のキャパシタ用活性炭。 The activated carbon for a capacitor according to any one of claims 8 to 10 , which contains an oxygen atom in an atomic ratio of 1.2 to 30% with respect to a carbon atom. 請求項11のいずれかに記載のキャパシタ用活性炭を用いたキャパシタ用電極。 Capacitor electrode using activated carbon for capacitor according to any one of claims 8-11. 請求項12に記載のキャパシタ用電極を有する、キャパシタ。 A capacitor comprising the capacitor electrode according to claim 12 . 炭素質材料が有する細孔径が1〜2nmの細孔を増加させ、且つ、窒素原子の含有量を増大させる方法であって、
高圧二酸化炭素及び酸化剤の混合物中に、炭素質材料を含浸する含浸工程、及び
前記炭素質材料と前記酸化剤との反応により多孔質化する多孔質化工程
を備え、前記高圧二酸化炭素の圧力が、0.2〜30MPaである、方法。
A method of increasing the number of pores having a pore diameter of 1 to 2 nm possessed by a carbonaceous material and increasing the content of nitrogen atoms,
The method comprises an impregnating step of impregnating a carbonaceous material in a mixture of high pressure carbon dioxide and an oxidizing agent, and a porosifying step of making porous by reaction of the carbonaceous material with the oxidizing agent, the pressure of the high pressure carbon dioxide There, Ru 0.2~30MPa der, method.
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