JP7406405B2

JP7406405B2 - 蓄電デバイス電極用活性炭

Info

Publication number: JP7406405B2
Application number: JP2020036909A
Authority: JP
Inventors: 孝規塚▲崎▼; 聡奥谷; 徳康赤松
Original assignee: MC EVOLVE TECHNOLOGIES CORPORATION; Kansai Coke and Chemicals Co Ltd
Current assignee: MC EVOLVE TECHNOLOGIES CORPORATION; Kansai Coke and Chemicals Co Ltd
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2023-12-27
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: JP2023169201A; JP2021141168A

Description

本発明は、蓄電デバイス電極用活性炭に関する。

蓄電デバイスとしてリチウムイオンキャパシタ、及び電気二重層キャパシタなどの電気化学キャパシタ；リチウムイオン電池、燃料電池、及び空気電池などの二次電池が知られている。蓄電デバイスの利用分野は多岐にわたっている。例えば電気化学キャパシタは蓄電容量の大容量化に伴って用途が拡大しており、様々な製品の主電源、補助電源、あるいは回生電力貯蔵装置として使用されている。また例えば電気化学キャパシタは太陽光発電などの自然エネルギーバッファとして使用されるなどエネルギーデバイスとして注目されている。

蓄電デバイスは用途の拡大に伴って様々な性能向上が求められている。一例として電気化学キャパシタは温度依存性が高く、低温環境下（－３０℃～－４０℃程度）で使用すると静電容量が低下することが指摘されている。低温環境下における静電容量の改善策として蓄電デバイスの電極材料である活性炭の改良が検討されている。例えば特許文献１には、低温環境下で使用した場合にも十分な容量を維持し得る技術が開示されている。

特開２０１８－０１１０１５号公報

本発明の目的は常温、及び低温での高い静電容量を有し、且つ低温環境下でも高い静電容量を維持できる蓄電デバイスを実現するための電極材料として好適な活性炭を提供することである。

［１］本発明は、メソ孔容積が０．３ｍＬ／ｇ以上、且つ塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が２．０超である蓄電デバイス電極用活性炭である。

［２］本発明には上記［１］の活性炭を用いた蓄電デバイス用電極も好ましい実施態様として含まれる。

［３］本発明には上記［２］の電極を備えた電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタも好ましい実施態様として含まれる。
［４］本発明には上記［２］の電極を備えたリチウム硫黄二次電池も好ましい実施採用として含まれる。

本発明によれば、常温、及び低温で高い静電容量を有し、且つ低温環境下でも高い静電容量を維持できる蓄電デバイスの電極材料として好適な活性炭を提供できる。また本発明の活性炭を用いた蓄電デバイス用電極を備えた蓄電デバイスは、上記効果を奏する。

図１は賦活後の熱処理温度と酸性官能基量との関係を示すグラフである。図２は賦活後の熱処理温度と塩基性官能基量との関係を示すグラフである。図３は賦活後の熱処理温度と酸性・塩基性官能基との合計量の関係を示すグラフである。図４は電気二重層キャパシタの模式図である。

本発明の蓄電デバイス電極用活性炭はメソ孔容積が０．３ｍＬ／ｇ以上、且つ、塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が２．０超である。活性炭のメソ孔容積と、塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比と、を適切に制御することによって、蓄電デバイスは常温（２５℃）で高い静電容量（以下、常温静電容量という）を有するだけでなく、低温環境（－３０℃）下でも高い静電容量（以下、低温静電容量という）を維持できる。なお、本発明の各値は実施例記載の測定方法に基づく値である。

メソ孔容積
本発明の活性炭はメソ孔容積が０．３ｍＬ／ｇ以上である。塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比を満足し、且つメソ孔容積を大きくすると細孔内での電解質イオンの移動速度向上と静電容量増大とをバランス良く両立できる。またメソ孔容積を大きくする程、低温の容量発現が律速にならず、容量維持率も高くできる。その結果、本発明の活性炭は高い常温静電容量、及び、高い低温静電容量の達成に効果を発揮する。更にメソ孔容積、及び酸性官能基のモル比を適切に制御することで、下記維持率（１）および／または下記維持率（２）の低下抑制にも寄与する（以下、（１）、（２）をまとめて「低温静電容量維持率」ということがある）。
（１）低温環境下における体積当たりの静電容量の維持率（＝低温静電容量（Ｆ／ｃｍ^３）／常温静電容量（Ｆ／ｃｍ^３）×１００）
（２）低温環境下における質量当たりの静電容量維持率（＝低温静電容量（Ｆ／ｇ）／常温静電容量（Ｆ／ｇ）×１００）

本発明の活性炭のメソ孔容積は、好ましくは０．５ｍＬ/ｇ以上、より好ましくは０．６ｍＬ／ｇ超、更に好ましくは０．６５ｍＬ／ｇ以上、より更に好ましくは０．７ｍＬ/ｇ以上であって、好ましくは１．５ｍＬ／ｇ以下、より好ましくは１．２５ｍＬ／ｇ以下、更に好ましくは１．０ｍＬ／ｇ以下である。

塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比
本発明の活性炭は塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が２．０超である。上記メソ孔容積を満足しても塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が低くなると低温容量が低下する。一方、塩基性官能基に対する酸性官能基量のモル比を高めると共に、メソ孔容積を適切に制御すると、本発明の活性炭は蓄電デバイスの常温静電容量の増大、及び低温静電容量の低下抑制に寄与する。

本発明の活性炭の塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比（酸性官能基量／塩基性官能基量）は、２．０超、好ましくは２．１以上、より好ましくは２．５以上、更に好ましくは２．８以上であって、好ましくは５．０以下、より好ましくは４．５以下、更に好ましくは４．０以下である。

酸性官能基、塩基性官能基
下記酸性官能基量と塩基性官能基量の少なくとも一方、より好ましくは両方を満足することも本発明の好ましい実施態様である。酸性官能基量、および／または塩基性官能基量が適切な範囲内であると常温静電容量の増加、及び高い低温静電容量の達成により一層、効果を発揮する。

本発明の活性炭の酸性官能基量は、好ましくは０．１ｍｅｑ／ｇ以上、より好ましくは０．３ｍｅｑ／ｇ以上、更に好ましくは０．５ｍｅｑ／ｇ以上であって、好ましくは２．０ｍｅｑ／ｇ以下、より好ましくは１．５ｍｅｑ／ｇ以下、更に好ましくは１．０ｍｅｑ／ｇ以下、より更に好ましくは０．８ｍｅｑ／ｇ以下である。

本発明の活性炭の塩基性官能基量は、好ましくは０．１ｍｅｑ／ｇ以上、より好ましくは０．１５ｍｅｑ／ｇ以上、更に好ましくは０．２ｍｅｑ／ｇ以上であって、好ましくは１．０ｍｅｑ／ｇ以下、より好ましくは０．８ｍｅｑ／ｇ以下、更に好ましくは０．５ｍｅｑ／ｇ以下、より更に好ましくは０．３ｍｅｑ／ｇ以下である。

合計官能基量
下記合計官能基量を満足することも本発明の好ましい実施態様である。酸性官能基と塩基性官能基の合計量が適切な範囲内であると低温静電容量の低下抑制により一層効果を発揮する。

本発明の活性炭の酸性官能基と塩基性官能基の合計量は、好ましくは０．２ｍｅｑ／ｇ以上、より好ましくは０．５ｍｅｑ／ｇ以上、更に好ましくは０．６ｍｅｑ／ｇ以上、より更に好ましくは０．７ｍｅｑ／ｇ以上であって、好ましくは２．０ｍｅｑ／ｇ以下、より好ましくは１．８ｍｅｑ／ｇ以下、更に好ましくは１．５ｍｅｑ／ｇ以下である。

比表面積
下記比表面積を満足することも本発明の好ましい実施態様である。活性炭の比表面積が大きいほど、静電容量の増大と、蓄電デバイスの体積当たり静電容量（Ｆ/ｃｍ^３）の増大に寄与する。

本発明の活性炭の比表面積は好ましくは１５００ｍ^２／ｇ以上、より好ましくは２０００ｍ^２／ｇ以上、更に好ましくは２５００ｍ^２／ｇ以上、より更に好ましくは２８００ｍ^２／ｇ以上であって、好ましくは４０００ｍ^２／ｇ以下、より好ましくは３８００ｍ^２／ｇ以下、更に好ましくは３５００ｍ^２／ｇ以下である。

全細孔容積
下記全細孔容積を満足することも本発明の好ましい実施態様である。活性炭の全細孔容積が大きい程、常温静電容量増大に寄与する。一方、体積当たりの静電容量を確保する観点から全細孔容積の上限を制限してもよい。

本発明の活性炭の全細孔容積は、好ましくは０．５ｍＬ／ｇ以上、より好ましくは１．０ｍＬ／ｇ以上、更に好ましくは１．５ｍＬ／ｇ以上であって、好ましくは５．０ｍＬ／ｇ以下、より好ましくは４．０ｍＬ／ｇ以下、更に好ましくは３．０ｍＬ／ｇ以下である。

ミクロ孔容積
下記ミクロ孔容積を満足することも本発明の好ましい実施態様である。活性炭のミクロ孔容積が大きい程、静電容量の増大に寄与する。一方、ミクロ孔容積とメソ孔容積のバランスを考慮するとミクロ孔容積の上限を制限してもよい。

活性炭のミクロ孔容積は好ましくは０．１ｍＬ/ｇ以上、より好ましくは０．５ｍＬ/ｇ以上、更に好ましくは１．０ｍＬ/ｇ以上であって、好ましくは４．０ｍＬ/ｇ以下、より好ましくは３．０ｍＬ/ｇ以下、更に好ましくは２．０ｍＬ/ｇ以下である。

メソ孔容積の比率
下記メソ孔容積比率を満足することも本発明の好ましい実施態様である。メソ孔容積の比率が大きい程、細孔内での電解質イオンの移動が良好となって低温での容量発現が律速にならず、低温静電容量の低下を抑制し、高い低温容量を維持できる。一方、常温静電容量を十分に確保する観点からはメソ孔容積の比率の上限を制限してもよい。

本発明の活性炭のメソ孔容積の比率（ミクロ孔容積とメソ孔容積の合計に占めるメソ孔容積）は、好ましくは３０％以上、より好ましくは３５％以上、更に好ましくは４０％以上であって、好ましくは７０％以下、より好ましくは６０％以下、更に好ましくは５５％以下である。

平均細孔径
下記平均細孔径を満足することも本発明の好ましい実施態様である。活性炭の平均細孔径を大きくすることで細孔内での電解質イオンの移動が良好となり、低温静電容量の低下抑制、および高い低温容量を維持できる。一方、嵩密度を確保することを考慮すると平均細孔径の上限を制限してもよい。

本発明の活性炭の平均細孔径は好ましくは１．５０ｎｍ以上、より好ましくは１．８０ｎｍ以上、更に好ましくは２．００ｎｍ以上であって、好ましくは２．６０ｎｍ以下、より好ましくは２．５０ｎｍ以下、更に好ましくは２．４０ｎｍ以下である。

平均粒子径
下記平均粒子径を満足することも本発明の好ましい実施態様である。活性炭の平均粒子径を小さくすると電流密度向上に寄与する。一方、取扱性を考慮して平均粒子径の下限を制限してもよい。

本発明の活性炭の平均粒子径（Ｄ_５０）は、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは６.０μｍ以下、更に好ましくは５．５μｍ以下であって、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは１．０μｍ以上、更に好ましくは２．０μｍ以上である。

以下、本発明の活性炭の好適な製造方法を説明する。本発明の活性炭の製造方法は下記製造条件に限定されず、適宜変更して上記所定の要件を満足する活性炭を製造できればよい。

賦活原料
本発明の活性炭は好ましくは炭素質物質、より好ましくは炭素質物質の炭化物を賦活原料とする。賦活原料として、木材、おが屑、木炭、ヤシガラ、セルロース系繊維、合成樹脂 (例えばフェノール樹脂)等の難黒鉛化性炭素;メソフェーズピッチ、石油ピッチコークス、石油コークス、ニードルコークス、ポリアクリロニトリル等の易黒鉛化性炭素;およびこれらの混合物等が例示される。これらの賦活原料は、単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。炭素質物質の炭化処理は、炭素質物質を窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス中で熱処理、例えば４００℃～１０００℃で１時間～３時間保持すればよい。

一次粉砕処理
賦活原料を一次粉砕処理することも本発明の好ましい製造方法である。賦活原料を一次粉砕してからアルカリ賦活処理すると所望の物性を有する活性炭が得られやすくなる。公知の粉砕機を用いて賦活原料を粉砕すればよい。なお、粉砕後の賦活原料の下限は特に限定されない。

一次粉砕後の賦活原料のサイズは、好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下であって、好ましくは０．２０ｍｍ以上、より好ましくは０．３０ｍｍ以上である。

アルカリ賦活処理工程
本発明のアルカリ賦活処理はアルカリ金属化合物を含む賦活剤と、賦活原料とを混合し、不活性ガス中で加熱して活性炭を得る工程である。アルカリ賦活剤は好ましくは水酸化カリウムである。

賦活原料とアルカリ賦活剤との質量比（アルカリ賦活剤／賦活原料）を大きくすると活性炭の賦活促進に寄与する。一方、活性炭の強度を確保する観点から該質量比の上限を制限してもよい。

本発明の製造方法における賦活原料とアルカリ賦活剤との質量比は、好ましくは０．５以上、より好ましくは１．５以上、更に好ましくは２．０以上であって、好ましくは４．５以下、より好ましくは４．０以下、更に好ましくは３．５以下である。

上記所定のメソ孔容積と、上記所定の塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比とを達成する条件として、賦活処理は２段階で加熱・保持することが好ましい。例えば賦活剤と賦活原料との混合物を加熱炉に挿入し、炉内温度を３５０～４５０℃程度まで昇温した後、該温度で１０分～１時間保持し（１段階）、続いて７００℃～９００℃に昇温し、該温度で０．１時間～３．５時間保持（２段階）すればよい。なお、１段階目の加熱保持時間よりも２段階目の加熱保持時間を長くする。賦活処理時の雰囲気はアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気が好ましい。

更に本発明では賦活処理後に、洗浄処理、乾燥処理、熱処理、粉砕処理などを必要に応じて行ってもよい。これらの処理順序は限定されず、例えば洗浄処理、乾燥処理後、粉砕処理してから熱処理をしてもよいし、洗浄処理後、熱処理してから粉砕処理をしてもよい。

洗浄工程
本発明の活性炭の製造方法は、好ましくは下記洗浄処理を実施する。洗浄処理は賦活処理後の活性炭に残存するアルカリ金属化合物を低減乃至除去する工程である。活性炭の洗浄は、水洗浄、及び酸洗浄の少なくとも一方、より好ましくは両方を行うことである。水洗浄と酸洗浄を両方行う場合の順序、洗浄回数は限定されない。酸洗浄後、複数回水洗浄することが好ましい。

水洗浄
水洗浄の方法は特に限定されない。例えば、活性炭を水に投入し、必要に応じて撹拌、分散させた後、濾取することが好ましい。撹拌や分散は、機械的撹拌、気体吹込み、超音波照射、加熱煮沸によって行うことができる。水洗浄時の水温は、特に限定されず、例えば３０℃以上でもよい。また撹拌、分散時間も特に限定されず、例えば０．５時間以上行うことが好ましい。

酸洗浄
酸洗浄は、無機酸、有機酸などを含有する洗浄液を用いて行う洗浄である。酸洗浄によりアルカリ賦活剤として使用した水酸化アルカリ金属などを効率よく活性炭から除去できる。洗浄液の溶媒は限定されず、例えば水が好適である。酸洗浄に使用できる無機酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、炭酸などが例示される。これらの無機酸は単独、または２種以上を併用してもよい。洗浄液中の無機酸濃度は、好ましくは０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、より好ましくは１．０ｍｏｌ／Ｌ以上であって、好ましくは３．５ｍｏｌ／Ｌ以下、より好ましくは３．０ｍｏｌ／Ｌ以下である。酸洗浄の方法は限定されないが、例えば活性炭と、無機酸洗浄液とを混合して、５０℃～１００℃の温度で、３０分間～１２０分間撹拌することが好ましい。

また酸洗浄に使用できる有機酸としては、ギ酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、酢酸、プロピオン酸などが例示される。これらの有機酸は、単独、または２種以上を併用してもよい。洗浄液中の有機酸の濃度は好ましくは１ｖｏｌ％以上、より好ましくは２ｖｏｌ％以上、さらに好ましくは５ｖｏｌ％以上であって、好ましくは１００ｖｏｌ％以下、より好ましくは８０ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは６０ｖｏｌ％以下である。酸洗浄の方法は限定されないが、例えば活性炭と、有機酸洗浄液とを混合して、２０℃～８０℃の温度で、１分間～１２０分間撹拌することにより行うことが好ましい。

乾燥処理
本発明の活性炭の製造方法は、好ましくは下記乾燥処理を実施する。乾燥処理は活性炭を乾燥できればよく、乾燥条件は限定されない。乾燥処理は例えば５０℃～１８０℃、０．５時間～２４時間程度行うことが好ましい。

粉砕処理
本発明の活性炭の製造方法は、好ましくは下記粉砕処理を実施する。活性炭の平均粒子径が上記所定のサイズとなるように適宜粉砕することが好ましい。活性炭の粉砕手段は限定されない。粉砕手段として、ジェットミル、ディスクミル、ボールミル、ビーズミルなどが例示される。

熱処理
本発明の活性炭の製造方法は、下記熱処理を実施することが好ましい。熱処理によって活性炭表面の官能基量を調整できる。熱処理はアルゴン、窒素、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で行う。熱処理温度は限定されないが、熱処理温度が高くなる程、酸性官能基量が低減する。そのため塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が上記所定の値となるように例えば、４００℃以上１２００℃以下の範囲内で熱処理温度を適切に制御することが好ましい。

本発明の活性炭は蓄電デバイス電極用活性炭として好適である。本発明の活性炭は蓄電デバイス用電極材料として用いることができる。したがって本発明は、該活性炭を用いた蓄電デバイス用電極を提供できる。

蓄電デバイス用電極は、本発明の活性炭を含んでいればよく、他の電極用材料は公知の材料を用いることができる。例えば蓄電デバイス用電極は本発明の活性炭とバインダー、好ましくは更に導電性付与剤で構成されていてもよい。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子化合物や、カルボキシメチルセルロース、スチレン－ブタジエンゴム、石油ピッチ、フェノール樹脂などを使用できる。また、導電性付与剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどを使用できる。蓄電デバイス用電極は例えば、活性炭、導電性付与剤、およびバインダーを混練して得られる電極材料に、さらに溶媒を添加してペーストを調製し、このペーストをアルミ箔などの集電板に塗布した後、溶媒を乾燥除去したものが挙げられる。

本発明の活性炭を用いた蓄電デバイス用電極は、特にリチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタなどの電気化学キャパシタ；該電極を備えたリチウム硫黄二次電池などの各種蓄電デバイスに好適である。電気二重層キャパシタは例えば、一般的には、電極、電解液、およびセパレータを主要構成とし、一対の電極間にセパレータを配置した構造となっており、コイン型、巻回型、積層型等いずれの構成もとることができる。電解液としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの有機溶剤に、アミジン塩を溶解した電解液；過塩素酸の４級アンモニウム塩を溶解した電解液；４級アンモニウムやリチウムなどのアルカリ金属の四フッ化ホウ素塩や六フッ化リン塩を溶解した電解液；４級ホスホニウム塩を溶解した電解液などが挙げられる。また、セパレータとしては、例えば、セルロース、ガラス繊維、または、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微孔フィルムが挙げられる。

またリチウム硫黄二次電池は各種公知の構成を採用できる。例えば、硫黄を含む正極活物質を有する正極と、リチウムを含む負極活物質と、正極と負極との間に配置されて電解液を保持するセパレータを備えている。リチウム硫黄二次電池の電解液も特に制限されないが、溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩として例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＮＯ_３などを単独、または複数併用してもよい。電解液の溶媒も特に制限されないが例えば、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、トリグライム、テトラグライム、ジオキソラン（ＤＯＬ）、テトラヒドロフラン、それらの混合物；１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムビス（トリフルオロスルホニル）イミド、１－エチル－３－ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどのイオン液体などを単独、または複数併用してもよい。セパレータは、二次電池に通常用いられる不織布、またはその他の多孔質材料の透過性セパレータを用いることができる。

本発明の活性炭を電極に用いることで、各種蓄電デバイスの常温静電容量の増大と低温静電容量の低下抑制を達成できる。また本発明の蓄電デバイスは、各種携帯機器用電源、家電製品待機電源、光通信ＵＰＳおよび電気自動車動力電源などに利用できる。電源は主電源、補助電源、回生電力貯蔵装置、自然エネルギーバッファが例示される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
賦活原料
賦活原料として６ｍｍ以下に粉砕した石油ピッチコークスを用いた。

賦活処理
この賦活原料と４８％水酸化カリウム水溶液との比（ＫＯＨ／Ｃ）が３．５となるように混合した。次いでこの混合物を窒素雰囲気下で昇温速度１０℃／ｍｉｎで４００℃まで昇温し、４００℃で３０分間保持した後、昇温速度１０℃／ｍｉｎで８００℃まで昇温し、８００℃で２時間保持して活性炭を得た。

洗浄処理
得られた活性炭に純水（６０℃）を２Ｌ加えて１時間煮沸した後、ろ過を行った。ろ過後、純水（６０℃）を用いて活性炭のｐＨが９以下になるまで洗浄と脱水を繰り返し行った。
その後、活性炭に純水（６０℃）１．７Ｌと３５％塩酸０．３Ｌを加えて１時間煮沸した後、ろ過を行った。
ろ過後の活性炭に純水（６０℃）を２Ｌ加えて１時間煮沸した後、ろ過を行った。ろ過後、純水（６０℃）を２Ｌ加えて１時間煮沸した後、ろ過を行った。その後、純水（６０℃）を用いてｐＨが６．５以上となるまで洗浄と脱水を繰り返し行った。

粉砕処理
得られた活性炭をカウンタージェットミル（ホソカワミクロン社製２００ＡＦＧ）で平均粒子径が４～６μｍとなるまで粉砕を行って活性炭Ａを得た。

実施例２
活性炭Ａをマッフル炉（光洋サーモ社製）に入れ、窒素流通下（２Ｌ／ｍｉｎ）、昇温速度１０℃／ｍｉｎで炉内温度４５０℃まで昇温し、４５０℃で２時間保持した。その後、室温まで放冷し活性炭Ｂを得た。

参考例１
炉内温度を８００℃に変更した以外は、実施例２と同様にして活性炭Ｃを得た。

参考例２
活性炭Ａを昇降炉（東洋アドバンテック社製）に入れ、窒素流通下（２Ｌ／ｍｉｎ）、昇温速度（４．２℃／ｍｉｎ）で炉内温度１２００℃まで昇温し、１２００℃で２時間保持し、その後、室温まで放冷し活性炭Ｄを得た。

得られた活性炭を以下の基準で評価した。

細孔特性評価
（比表面積）
試料０．２ｇを２５０℃で真空乾燥させた後、比表面積・細孔径分布測定装置(島津‐マイクロメリティックス社製ＡＳＡＰ－２４２０)を用いて液体窒素雰囲気下（－１９６℃）における窒素ガス吸着の吸着量を測定して窒素吸着等温線を求め、ＢＥＴ法により比表面積（ｍ^２／ｇ）を求めた。
（全細孔容積）
窒素吸着等温線から相対圧（Ｐ／Ｐ_０）＝０．９３における窒素吸着量から全細孔容積（ｍＬ／ｇ）を算出した。

（平均細孔径）
活性炭の細孔をシリンダー状と仮定し、下記式に基づいて平均細孔経を算出した。
平均細孔径（ｎｍ）＝４×全細孔容積（ｍＬ／ｇ）／比表面積（ｍ^２／ｇ）×１０００

ミクロ孔容積、メソ孔容積評価
(ミクロ孔容積)
全細孔容積からＢＪＨ法で解析した２ｎｍ～３０ｎｍまでの細孔容積を差分することによりミクロ孔容積を求めた。
ミクロ孔容積（ｍＬ／ｇ）＝全細孔容積－２ｎｍ～３０ｎｍの細孔容積
ミクロ孔容積比率（％）＝ミクロ孔容積／全細孔容積×１００

（メソ孔容積）
ＢＪＨ法で解析した２ｎｍ～３０ｎｍまでの細孔容積からメソ孔容積を求めた。
メソ孔容積（ｍＬ／ｇ）＝２ｎｍ～３０ｎｍまでの細孔容積
メソ孔容積比率（％）＝メソ孔容積／全細孔容積×１００

酸性官能基量評価
酸性官能基量をＢｏｅｈｍ法によって求めた。
酸性官能基量を求めるに当たっては、先ず、活性炭を１１５℃の温度で１時間以上加熱することにより乾燥させる。次に、乾燥後の活性炭を約２．０００ｇ量り、これを濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液２０ｍＬと混合し、得られた混合液を３０分間に亘って撹拌する。次いで、この混合液から活性炭をろ別して、ろ液を得る。その後、ろ液を５ｍＬ量り取り、これに、指示薬として１ｇ／Ｌの濃度でメチルオレンジを含んだ水溶液を添加し、この混合液の色が変化するまで濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌの塩酸を滴下する。上記の混合液の色が変化するまでに要した塩酸の量から、酸性官能基の量を求める。
酸性官能基量（ｍｍｏｌ／ｇ）＝（ａ－ｂ）×ｃ×ｆ／Ｍ×２０／５
式中、
ａ：空試験滴定量（ｍＬ）
ｂ：サンプル滴定量（ｍＬ）
ｃ：塩酸標準液濃度（ｍｏｌ／Ｌ）
ｆ：塩酸標準液ファクター
Ｍ：試料はかり取り量（ｇ）
２０／５：分取倍率

塩基性官能基評価
塩基性官能基量をＢｏｅｈｍ法によって求めた。
塩基性官能基量を求めるに当たっては、先ず、活性炭を１１５℃の温度で１時間以上加熱することにより乾燥させる。次に、乾燥後の活性炭を２．０００ｇ量り、これを濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌの塩酸２０ｍＬと混合し、得られた混合液を３０分間に亘って撹拌する。次いで、この混合液から活性炭をろ別して、ろ液を得る。その後、ろ液を５ｍＬ量り取り、これに、指示薬として１０ｇ／Ｌの濃度でフェノールフタレインを含んだ水溶液を添加し、この混合液の色が消えるまで濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液を滴下する。上記の混合液の色が消えるまでに要した水酸化ナトリウム水溶液の量から、塩基性官能基の量を求める。
塩基性官能基量（ｍｍｏｌ／ｇ）＝（ａ－ｂ）×ｃ×ｆ／Ｍ×２０／５
式中、
ａ：空試験滴定量（ｍＬ）
ｂ：サンプル滴定量（ｍＬ）
ｃ：水酸化ナトリウム標準液濃度（ｍｏｌ／Ｌ）
ｆ：水酸化ナトリウム標準液ファクター
Ｍ：試料はかり取り量（ｇ）
２０／５：分取倍率

平均粒子径
平均粒子径の測定は、レーザー回折式粒子径分布測定装置（島津製作所社製ＳＡＬＤ－２０００）を用いた。試料の粒度分布測定結果から体積基準の累積頻度曲線を求めた。そして累積頻度１０％（Ｄ_１０）、５０％（Ｄ_５０）、９０％（Ｄ_９０）における粒子径を求め、Ｄ_５０を平均粒子径とした。

電気二重層キャパシタ評価
電気二重層キャパシタの製造
作製した活性炭Ａ～Ｄを用いて電気二重層キャパシタを製造した。具体的には、活性炭に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粉末とアセチレンブラックとを、活性炭：ＰＴＦＥ：アセチレンブラック＝８：１：１（質量比）になるように混合し、ペースト状になるまで混練した。ついで、ミニブレンダーで粉砕し、５００μｍのステンレス鋼製篩で篩って粒度を揃えた。次に、直径２．５４ｃｍの金型を用い、プレス後の厚みが０．５ｍｍになるように仕込み量を調節し、５０．４ＭＰａの圧力でプレス成形して、キャパシタ用電極を作製した。

得られたキャパシタ用電極を真空条件下、２００℃、１時間の条件で乾燥した後、窒素ガスを流通させたグローブボックス内で電解液（１Ｍテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液）を電極に真空含浸させた。この電極を使用して図４に示すように電気二重層キャパシタを組み立てた。図４に示す電気二重層キャパシタは、前記電解液を含浸させたセパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ社製、「セルガード（登録商標）＃３５０１」）１を前記キャパシタ用電極２で挟み、電極をＯリング３で囲繞した後、さらに集電板としてのアルミニウム板４で挟んで作製した。

静電容量
充放電装置（楠本化成社製、「ＥＴＡＣ（登録商標）Ｖｅｒ．４．４」）の充放電端子を電気二重層キャパシタの集電板に接続し、集電板間電圧が２．５Ｖになるまで４０ｍＡの定電流充電を行い、続けて、２．５Ｖの定電圧で３０分間充電を行った。充電後、定電流（放電電流１０ｍＡ）で電気二重層キャパシタの放電を行った。このとき、集電板間電圧がＶ１、Ｖ２となるまでに要した放電時間ｔ１、ｔ２を測定し、下記式（１）を用いて静電容量を求めた。得られた静電容量を、キャパシタ用電極における電極材料層中の活性炭質量で除することにより質量基準静電容量（Ｆ／ｇ）を算出し、キャパシタ用電極における電極材料層の総体積で除することにより体積基準静電容量（Ｆ／ｃｍ³）を算出した。また、下記式（２）を用いて内部抵抗を求めた。なお、静電容量および内部抵抗の測定は、２５℃および－３０℃の温度下で行った。

式中、
Ｉ：１０（ｍＡ）
ｔ１：電気二重層キャパシタ電圧がＶ１となるまでに要した放電時間（ｓｅｃ）
ｔ２：電気二重層キャパシタ電圧がＶ２となるまでに要した放電時間（ｓｅｃ）
Ｖ０：放電開始電圧
Ｖ１：２．０（Ｖ）
Ｖ２：１．５（Ｖ）

表１、表２、及び図１～３から次のことがわかる。図１～図３に示すように賦活処理後の熱処理温度を高くすると活性炭の酸性官能基量が減少するが、塩基性官能基量は増大する傾向を示す。また熱処理温度が高くなるに従って酸性官能基量と塩基性官能基量との合計量が減少する傾向を示す。このことから活性炭の表面官能基を適切に制御するためには熱処理温度の適切な制御が重要であることがわかる。

本発明の要件を全て満足する活性炭Ａ、Ｂは常温静電容量、及び低温静電容量のいずれも大きく、特に活性炭Ｂは体積当たりの静電容量の維持率も高かった。このことから本発明の活性炭を用いれば、電気二重層キャパシタは常温静電容量、及び低温静電容量を高くできることがわかる。
一方、塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比を満足しなかった活性炭Ｃ、Ｄは常温静電容量も低温静電容量も小さかった。

上記結果から、活性炭Ａ～Ｄは質量当たりの静電容量維持率、体積当たりの静電容量維持率（以下、静電容量維持率という）、及びガス発生量のいずれも優れていたが、本発明の要件を全て満足しない活性炭Ｃ、Ｄは、常温静電容量、及び低温静電容量が小さかった。

１：セパレータ
２：キャパシタ用電極
３：Ｏリング
４：アルミニウム板
５：ポリテトラフルオロエチレン板
６：ステンレス鋼板

Claims

メソ孔容積が０．６ｍＬ／ｇ超、且つ
塩基性官能基に対する酸性官能基のモル比が２．０超である蓄電デバイス電極用活性炭。
請求項１に記載の活性炭を用いた蓄電デバイス用電極。
請求項２に記載の電極を備えた電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ。
請求項２に記載の電極を備えたリチウム硫黄二次電池。