JPH10158064A - 固形状活性炭及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
的強度と実用的な静電容量を有する活性炭基板を得るこ
とができ、とりわけ電気二重層コンデンサや各種電池の
電極材料等として好適な固形状活性炭とその製造方法を
得る。 【解決手段】活性炭粉末及び/又は活性炭繊維と、PV
A又はPVAより誘導される樹脂の炭化物と、PVA又
はPVAより誘導される樹脂とから成る固形状活性炭で
あり、その製造方法は、活性炭粉末及び/又は活性炭繊
維と、PVA又はPVAより誘導される樹脂、あるいは
PVA又はPVAより誘導される樹脂とメソフェーズと
の混合物から成る成形用材料を周知の成形法で成形した
後、大気中でエージング処理並びに非酸化性雰囲気下で
熱処理するものである。
Description
ンサやリチウムイオン電池をはじめとする小型大容量の
コンデンサや、バックアップ電源、車両用電源、補助電
源等の各種電池に用いられる電極材料、あるいはガス吸
着材や濾材等に用いられる多孔質の活性炭焼結体として
一般に広く適用される固形状活性炭及びその製造方法に
関するものある。
電池の電極材料として炭素材料が取り上げられ、種々検
討されている。
極性電極間に電解質を含有させ、両者の界面で形成され
る電気二重層を利用した、従来のコンデンサに比較して
単位体積当たり数千倍にも及ぶ静電容量を有する電気二
重層コンデンサは、コンデンサと電池の両方の機能を有
することから、バックアップ電源に適用される等、急速
にその需要が伸びている。
適用される多孔質の固形状活性炭が用いられており、か
かる固形状活性炭としては、例えば、活性炭やカーボン
ブラック等の炭素質と、四フッ化エチレン樹脂又は含フ
ッ素重合体等の有機樹脂を混練してロール成形法や圧縮
成形法、押し出し成形法等、あるいはこれらを組み合わ
せた公知の成形手段でシート状に成形したり、アクリル
樹脂やポリカーボネート樹脂等を被覆した活性炭及び導
電性カーボンとバインダー等を混練した後、シート状に
成形したりするもの等が用いられていた。
料としては、とりわけ高い静電容量と低い内部抵抗とい
う性能を満足し、かつ昨今の電子部品の小型化の要求を
満足するために、所定容量に対する体積の極小化、及び
電解液の含浸性を考慮した多孔体構造で亀裂や破損等を
起こし難く、一般の用途としてもより耐久性と機械的特
性に優れたものであること等が要求されるようになって
いた。
性炭微粒子、又はカーボン微粒子とカーボン繊維、又は
活性炭粉末とメソフェーズ系カーボンを混合して加圧焼
結したり、あるいは活性炭粉末と粉末状フェノール樹脂
の混合物を射出成形して熱処理したり、あるいは活性炭
繊維とパルプ繊維、又は炭素繊維、繊維状活性炭及び微
粉末活性炭等にパルプ、分散剤、芳香族ポリイミド樹脂
繊維等を加えて抄造したり、あるいは活性炭粉末とセル
ロース繊維、フェノール樹脂等を主成分とするプリプレ
グシートを作製し、該プリプレグシートを圧着、硬化、
焼成したり、又は活性炭粉末とフェノール樹脂を有機溶
剤に溶解させた混合物を基板状に成膜し、熱硬化後、非
酸化性雰囲気中で熱処理を行ったり、あるいは硬化型球
状フェノール樹脂を炭化して得た球状炭化物と熱反応型
球状フェノール樹脂とを混合し、金型に充填して加圧下
で加熱硬化させ、不活性雰囲気で熱処理した後、賦活処
理する等、各種手段が提案されている(特開平6−69
075号公報、特開平5−129157号公報、特開平
3−201516号公報参照)。
体状活性炭は、電極単位重量当たりの静電容量(F/
g)を増すために、耐久性や機械的強度を損なわない範
囲で比表面積を大きくした多孔質の活性炭と各種有機樹
脂から成る混合物を成形し、該成形体を非酸化性雰囲気
中で炭化して一体化することにより製造されており、前
記活性炭の充填量は全細孔容積との関係から一定範囲に
制約されることになる。
るためには、前記有機樹脂が多量に必要となり、成形性
の良い樹脂は濡れ性が良いために前記多孔質の活性炭の
細孔を埋めてしまう可能性が高く、前述のような範囲に
制約される活性炭の充填量とも相まって、比表面積が更
に減少してしまう。
電極に用いて電気二重層コンデンサを形成した場合、静
電容量が実用範囲外となってしまい、しかも内部抵抗が
極めて大きいものになるという課題があった。
く、濡れ性が悪いために前記活性炭の細孔を埋めること
は無いものの、成形体の強度が低く、炭化熱処理して一
体化した後の機械的強度も低いため、製造工程で電極が
破損して歩留りが低下したり、使用中に電極が破損して
電気二重層コンデンサとしての機能を成さなくなる等、
耐久性に劣るという課題が残る。
諸要求を満足する固形状活性炭の大量生産が困難であ
り、かつ製造コストが高いという課題もあった。
されたもので、その目的は、活性炭の充填量の比率が高
くとも、機械的強度の大きい実用的な静電容量を有する
活性炭基板を得ることができ、とりわけ電気二重層コン
デンサや各種電池の電極材料等として好適な固形状活性
炭とその製造方法を提供することにある。
対して鋭意研究の結果、各種活性炭材料と炭化一体化さ
せる炭化成樹脂を検討し、PVA又はPVAより誘導さ
れる樹脂を熱処理して炭化一体化させるとともに、得ら
れた固形状活性炭に前記PVA又はPVAより誘導され
る樹脂を含有させておくことにより、成形性が良好で機
械的強度に極めて優れ、静電容量も実用範囲の活性炭基
板が得られることを見いだした。
末及び/又は活性炭繊維と、PVA又はPVAより誘導
される樹脂の熱処理による炭化物と、前記活性炭粉末及
び/又は活性炭繊維100重量部に対して5.8〜64
重量部のPVA又はPVAより誘導される樹脂とから成
ることを特徴とするものであり、前記PVAより誘導さ
れる樹脂としてはPVBが好適であり、また、更に前記
炭化物がメソフェーズ系カーボンを含有するものがより
望ましいものである。
デンサの分極性電極に最適なものである。
活性炭粉末及び/又は活性炭繊維100重量部に対し
て、PVA又はPVAより誘導される樹脂を20〜20
0重量部の割合で混合し、該混合物から泥漿又は造粒体
を調製して成形用材料を作製し、次いで、ドクターブレ
ード法やテープ成形法、又は加圧成形法やロール成形
法、あるいはそれらの組み合わせ成形法等の周知の成形
法で成形体を得た後、先ず、前記成形体を大気中、15
0〜300℃の温度でエージング処理を行い、次いで非
酸化性雰囲気中で炭化熱処理して成形体中のPVA又は
PVAより誘導される樹脂を炭化するとともに、前記活
性炭粉末及び/又は活性炭繊維とPVA又はPVAより
誘導される樹脂の炭化物とを焼成一体化することを特徴
とするものである。
る樹脂とともに、メソフェーズを活性炭粉末及び/又は
活性炭繊維100重量部に対して、5〜100重量部の
割合で混合し、エージング処理の後、炭化熱処理してP
VA又はPVAより誘導される樹脂の炭化物とメソフェ
ーズ系カーボンを、前記活性炭粉末及び/又は活性炭繊
維とともに焼成一体化することがより望ましい。
おいては、前記PVAより誘導される樹脂はPVBであ
ることがより望ましいものである。
固形状活性炭が活性炭粉末及び/又は活性炭繊維と、P
VA又はPVAより誘導される樹脂の熱処理による炭化
物と、所定範囲量のPVA又はPVAより誘導される樹
脂とから成ること、及びその製造方法は、活性炭粉末及
び/又は活性炭繊維に混合したPVA又はPVAより誘
導される樹脂を炭化熱処理に先立ち、大気中、150〜
300℃の温度でエージング処理を行い、固形状活性炭
中に所定範囲の炭化未反応のPVA又はPVAより誘導
される樹脂を残存させることから、前記エージング処理
でPVA又はPVAより誘導される樹脂が架橋して高強
度化し、少量で固形状活性炭の強度を高く保持すること
ができるとともに、活性炭自体の細孔を塞ぎ難く、その
表面積を低減しない等、個形状活性炭の特性を最大限に
引き出せ、更にメソフェーズ系カーボンがこれに加わる
と、PVA又はPVAより誘導される樹脂の内部架橋が
一層進行し、強度がより高くなる。
デンサの分極性電極とした場合、前記PVA又はPVA
より誘導される樹脂や、メソフェーズが炭化して最終的
に50重量%以上の活性炭粒子と、これらを結合する5
0重量%以下の炭化物との複合材で構成されることか
ら、活性炭の比率が大きくなり静電容量を高く維持で
き、かつ電極の内部電気抵抗が低くなる。
り誘導される樹脂は成形用のバインダーとして併用する
ことができ、活性炭の比率を50重量%以上と高くして
も成形時の保形性を高くし、良好に各種成形方法に適用
できる。
その製造方法について詳述する。
/又は活性炭繊維と、PVA又はPVAより誘導される
樹脂の炭化物と、PVA又はPVAより誘導される樹脂
とから成るものである。
活性炭粉末及び/又は活性炭繊維と、PVA又はPVA
より誘導される樹脂あるいはPVA又はPVAより誘導
される樹脂とメソフェーズとの混合物から成る成形用材
料を周知の成形法で成形した後、大気中でエージング処
理並びに非酸化性雰囲気下で熱処理する工程から成るも
のである。
A又はPVAより誘導される樹脂は予め低い温度でエー
ジング処理すれば架橋して、続く炭化熱処理を施しても
残存して高い強度を保持するものであればいずれでも良
く、例えば、PVAの他に、PVBやポリビニルホルマ
ール(PVFM)等のポリビニルアセタール、酢酸ビニ
ル等が挙げられるが、とりわけ乾式成形時における造粒
体の圧潰され易さ、及び成形体の柔軟性からはPVBが
最も望ましい。
ないが、重合度が1500を超えると乾式成形時の成形
性が悪くなるため、重合度は1500以下が望ましい。
る樹脂が、熱処理による炭化未反応で残留する等して固
形状活性炭中に存在する量が活性炭粉末及び/又は活性
炭繊維100重量部に対して5.8重量部未満の場合に
は、乾式成形時の保形性が悪く、また、炭化後の固形状
活性炭の強度が極端に低下してしまう。
と、乾式成形時の造粒体の圧潰性及び成形体の離型性が
悪くなる。
樹脂が固形状活性炭中に存在する量は、活性炭粉末及び
/又は活性炭繊維100重量部に対して5.8〜64重
量部に特定され、特に成形性や保形性等の製造工程中の
取扱い易さ、及び固形状活性炭の強度が高く、その静電
容量も大であるという点からは、15〜48重量部が望
ましい。
おいて、PVA又はPVAより誘導される樹脂の配合量
が活性炭粉末及び/又は活性炭繊維100重量部に対し
て20重量部未満の場合には、得られた固形状活性炭の
強度が極端に低下してしまい、200重量部を越えると
エージング処理中に成形体が大きく変形してしまうこと
から、20〜200重量部に限定される。
に述べるものである。一般に、有機化合物である炭素原
料を加熱すると、含有する低分子化合物が100℃から
蒸発し始め、400℃を超えると熱分解反応によりC−
C結合が解裂し、分解低分子量化合物が生成して留出す
る。
解裂により生成したラジカルの再結合、重縮合、環化、
脱水素、脱アルキル、芳香族化などの反応が進行して、
極めて重質の芳香族炭化水素が生成し、該液相の粘度
は、炭化系構成成分の芳香族化、分子量の増加と共に増
大して最終的には液相炭化により固体炭素体となる。
めば、一種の液晶が形成され、このような状態の中間体
をメソフェーズという。
が、固形状活性炭の諸特性の点からは活性炭粉末及び/
又は活性炭繊維100重量部に対して5〜100重量部
であることが最も望ましいものである。
未満の場合には、架橋反応が充分に進行せず、従って非
酸化性雰囲気中で行う炭化熱処理でPVA又はPVAよ
り誘導される樹脂が残留しないことから、得られた固形
状活性炭の強度が低くなり、300℃を越えると前記樹
脂がエージング処理中に全て分解されてしまう。
記樹脂の炭化を充分に進行させるとともに、活性炭粉末
のネック部の焼結を進行させて充分な強度を保持させる
ためには600〜1200℃の温度が望ましく、特に7
00〜900℃の温度が最適である。
ブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成
形して活性炭基板としたり、各種プレス成形法でブロッ
ク状に成形したり、あるいは押出成形法により棒状や筒
状としたり、それらを組み合わせたりしてさまざまな形
状とすることができる。
複数積層した後、非酸化性雰囲気下で熱処理することも
可能であり、複数のシート状成形体を積層し、熱圧着し
たり、あるいは密着液や接着剤等で接合することによ
り、互いの反り方向を相殺して熱処理時の反りの発生を
低減することも可能となる。
静電容量によってその比表面積を選択すれば良く、電気
二重層コンデンサ用の分極性電極に用いる場合には比表
面積が1500〜2500m2 /gであるものが好適で
あり、活性炭繊維を用いる場合には、繊維径が6〜18
μmで比表面積が1000〜2500m2 /gであるも
のが好適である。
下のようにして評価した。
ガラ活性炭粉末100重量部に対して、PVB及びメソ
フェーズを表1に示す組成となるように調合して高速混
合撹拌機にて撹拌し、得られた粉体を40メッシュの篩
いで篩別して成形用原料を作製した。
あるいはロール成形して平板状の成形体を得た。
度と保持時間でエージング処理を行った後、次いで真空
中、表1に示す各温度で炭化熱処理を行い、PVB及び
メソフェーズを炭化させて活性炭とカーボンの複合体で
ある縦70mm、横50mm、厚さ1mmの評価用の活
性炭基板を作製した。
前記同様にして活性炭基板を作製した。
いて、フーリエ変換赤外吸光分析(FT−IR)を行
い、活性炭基板中のPVBの有無を確認するとともに、
熱分析装置により室温から1200℃の間で熱重量分析
と示差熱分析(TG−DTA)を行い、活性炭基板中に
残留したPVBの含有量を求めた。
3点曲げ強度を測定した。
33%硫酸水溶液中で充放電して電極単位重量当たりの
静電容量(F/g)を求めた。
測定したところ、本発明ではいずれも5Ω以下であるの
に対して、比較例の試料番号33やPVBの残留が認め
られなかった試料番号31、32では、いずれも測定不
可であった。
げ強度も静電容量も測定不可となり、また、本発明の請
求範囲外の試料番号1、9、15、32では曲げ強度が
90g/mm2 以下と低く、成形体に層状欠陥を生じる
他、基板強度が弱くて取扱いが困難であり、同じく試料
番号8ではエージング処理で変形してしまい、試料番号
21では静電容量が21.3F/gと低く、いずれも実
用的でない。
度も300g/mm2 以上であり、静電容量も44.8
F/g以上と実用範囲内にあり、固形状活性炭として満
足すべきものであった。
もに、更にメソフェーズカーボンを少量添加すると基板
強度は更に向上することが分かり、求める静電容量、基
板強度にあわせて、メソフェーズカーボンの量を調整す
ることで種々の特性の基板が得られることが明らかとな
った。
性炭及びその製造方法によれば、活性炭の充填量の比率
が高い、機械的強度及び静電容量の大きな活性炭基板を
得ることができ、所定容積に対する体積の小型化が実現
できるとともに、成形や熱処理の製造工程が容易に安定
して実施でき、とりわけ多孔質で耐久性と機械的強度に
優れた電気二重層コンデンサや各種電池の電極材料等と
して好適に用いることができる固形状活性炭を量産する
ことができる。
として使用した場合には、電極として電解液に接する表
面積が増大し、電荷の通過する電路も増加するため、実
用的な静電容量を有する簡単な構造で効率の良い、耐久
性に優れた小型の電気二重層コンデンサを得ることがで
きる。
Claims (7)
- 【請求項1】活性炭粉末及び/又は活性炭繊維と、ポリ
ビニルアルコール(PVA)又はポリビニルアルコール
(PVA)より誘導される樹脂の熱処理による炭化物
と、前記活性炭粉末及び/又は活性炭繊維100重量部
に対して5.8〜64重量部のポリビニルアルコール
(PVA)又はポリビニルアルコール(PVA)より誘
導される樹脂とから成ることを特徴とする固形状活性
炭。 - 【請求項2】前記ポリビニルアルコール(PVA)より
誘導される樹脂がポリビニルブチラール(PVB)であ
ることを特徴とする請求項1記載の固形状活性炭。 - 【請求項3】前記炭化物がメソフェーズ系カーボンを含
有して成ることを特徴とする請求項1又は請求項2のい
ずれかに記載の固形状活性炭。 - 【請求項4】前記固形状活性炭を電気二重層コンデンサ
の分極性電極としたことを特徴とする請求項1乃至請求
項3のいずれかに記載の固形状活性炭。 - 【請求項5】活性炭粉末及び/又は活性炭繊維100重
量部に対して、ポリビニルアルコール(PVA)又はポ
リビニルアルコール(PVA)より誘導される樹脂を2
0〜200重量部の割合で混合し、該混合物から泥漿又
は造粒体を調製した後、ドクターブレード法やテープ成
形法、又は加圧成形法やロール成形法、あるいはそれら
の組み合わせ成形法で成形体を作製し、該成形体を大気
中、150〜300℃の温度でエージング処理を行った
後、非酸化性雰囲気中で炭化熱処理し、前記活性炭粉末
及び/又は活性炭繊維とポリビニルアルコール(PV
A)又はポリビニルアルコール(PVA)より誘導され
る樹脂の炭化物とを焼成一体化することを特徴とする固
形状活性炭の製造方法。 - 【請求項6】前記炭化物が、活性炭粉末及び/又は活性
炭繊維100重量部に対して5〜100重量部の割合で
混合したメソフェーズの熱処理によるメソフェーズ系カ
ーボンを含有して成ることを特徴とする請求項5記載の
固形状活性炭の製造方法。 - 【請求項7】前記ポリビニルアルコール(PVA)より
誘導される樹脂がポリビニルブチラール(PVB)であ
ることを特徴とする請求項5又は請求項6のいずれかに
記載の固形状活性炭の製造方法。
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---|---|---|---|
JP31495596A JP3592863B2 (ja) | 1996-11-26 | 1996-11-26 | 固形状活性炭及びその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH10158064A true JPH10158064A (ja) | 1998-06-16 |
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Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3592863B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11283615A (ja) * | 1998-03-26 | 1999-10-15 | Tdk Corp | 非水電解質電池用電極の製造方法 |
JPH11283614A (ja) * | 1998-03-26 | 1999-10-15 | Tdk Corp | 非水電解質電池用電極の製造方法 |
WO2000056811A1 (en) * | 1999-03-23 | 2000-09-28 | The University Of Melbourne | Improved carbon-containing materials |
JP2014225421A (ja) * | 2012-06-13 | 2014-12-04 | Jfeケミカル株式会社 | 非晶質炭素粒子の製造方法、非晶質炭素粒子、リチウムイオン二次電池用負極材料およびリチウムイオン二次電池 |
-
1996
- 1996-11-26 JP JP31495596A patent/JP3592863B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH11283615A (ja) * | 1998-03-26 | 1999-10-15 | Tdk Corp | 非水電解質電池用電極の製造方法 |
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