JPWO2014077229A1 - 分極性電極用炭素材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施例及び比較例で用いた粉末活性炭の粒径はレーザー回折測定法により測定した。すなわち、測定対象である活性炭粉末を界面活性剤と共にイオン交換水中に入れ、超音波振動を与え均一分散液を作製し、米国マイクロトラック社製のMicrotrac MT3200を用いて透過法にて測定した。均一分散液の活性炭濃度は同装置で表示される測定濃度範囲に収まるように調整した。また、均一分散を目的に使用される界面活性剤は株式会社花王製の「Triton−X 100」を用いた。界面活性剤は、均一分散させることが可能であり、測定に影響を与える気泡等が発生しない適当量を添加した。以下、本実施例において、粉末活性炭の粒径D10、D50及びD90は、それぞれ体積積算粒度分布表示における体積率10%、50%及び90%における粒径値を示す。
本実施例及び比較例で用いた粒状活性炭の粒径は金属製網篩および篩振とう機を用い、任意に設定した篩の目開きから規定した。
表面官能基量は、一般的に知られている塩酸滴定法によって測定した(H.P.Boem,Advan.Catal.,1966,16,179)。すなわち、株式会社高純度化学研究所製のナトリウムエトキシドを用いて0.1N規定のエタノール溶液を測定溶液として調整した。この測定溶液25mlに粉末活性炭又は粒状活性炭を0.5g加え、25℃で24時間撹拌した。そして、測定溶液と活性炭とを分離し、当該測定溶液10mlを採取し、0.1Nの塩酸で中和滴定を行い、表面官能基量を算出した。
日本ベル株式会社製のBELSORP−miniを使用し、活性炭又は炭素材料を窒素気流下(窒素流量:50mL/分)にて120℃で3時間加熱した後、77Kにおける活性炭及び炭素材料の窒素吸着等温線を測定した。得られた吸着等温線からBET式により多点法による解析を行い、得られた曲線の相対圧p/p0=0.01〜0.1の領域での直線から比表面積を算出した。
JIS K1474に従い、炭素材料にベンゼンを含む乾燥空気を通し、当該炭素材料に吸着されたベンゼンの質量を測定し、以下の式(1)によってベンゼン吸着能(質量%)を求めた。このとき、飽和濃度の1/10の濃度のベンゼンを含む空気を用いて測定した。
ベンゼン吸着能(質量%)=[{(ベンゼン吸着後の試料質量)−(ベンゼン吸着前の試料質量)}/(ベンゼン吸着前の試料質量)]×100 (1)
1.0質量部のイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を600質量部のイオン交換水に溶解させて、イミダゾール水溶液を調製した。この水溶液に、120℃で16時間真空乾燥させたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭(表面官能基量:0.38meq/g、BET比表面積:1668m2/g、D50:6μm(D10:3μm、D90:10μm))100質量部を浸漬させ、25℃で12時間撹拌した。その後活性炭と水溶液とを濾過分離し、得られた炭素材料を120℃で16時間乾燥し、101.0質量部の炭素材料を得た。表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1584m2/gであり、ベンゼン吸着能は46質量%であった。
ガス発生量(cc)={(耐久試験後の空気中でのセル重量(g)−耐久試験後の水中でのセル重量(g))−(耐久試験前の空気中でのセル重量(g)−耐久試験前の水中でのセル重量(g))}/{(273+耐久試験後の測定温度(℃))/(273+耐久試験前の測定温度(℃))} (2)
これを電極組成物を構成する活性炭質量(g)で割った値を活性炭質量あたりのガス発生量(cc/g)とした。また、静電容量維持率(%)を以下の式(3)で求めた。
静電容量維持率(%)=(耐久試験後の静電容量(F)/耐久試験前の静電容量(F))×100 (3)
結果を表1に示す。
イオン交換水に溶解させるイミダゾールの量を2.0質量部(実施例2)、5.0質量部(実施例3)、10.0質量部(実施例4)又は30.0質量部(実施例5)にそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。実施例2〜5において、濾過、乾燥後の炭素材料の質量はそれぞれ102.0質量部(実施例2)、105.0質量部 (実施例3)、110.0質量部(実施例4)、130.0質量部(実施例5)であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積はそれぞれ1543m2/g(実施例2)、1473m2/g(実施例3)、1221m2/g(実施例4)、791m2/g(実施例5)であった。また、得られた炭素材料のベンゼン吸着能はそれぞれ45質量%(実施例2)、43質量%(実施例3)、39質量%(実施例4)、27質量%(実施例5)であった。
イミダゾールの代わりに5.0質量部の1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1484m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極及6び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1及に示す。また、60℃の恒温槽中にて3.0Vの電圧を印加しながら25時間、50時間、200時間、500時間保持した後の静電容量も求めた。測定結果を表2に示す。表2に示された数値について、横軸を時間(h)、縦軸を静電容量(F/cc)としたグラフを図6に示す。
イミダゾールの代わりに5.0質量部のピラゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1558m2/gであり、ベンゼン吸着能は47質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イミダゾールの代わりに5.0質量部の2−メチルイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1462m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
5.0質量部のイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を、実施例1で用いたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭100質量部と混合した後、窒素雰囲気下、250℃で1時間熱処理した。熱処理後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1527m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。この炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例9と同様にして、炭素材料を得た。熱処理後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1502m2/gであり、ベンゼン吸着能は45質量%であった。この炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
5.0質量部のイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を25質量部のイオン交換水に溶解してイミダゾール水溶液を調製した。クラレケミカル株式会社製の椰子殻粒状活性炭(表面官能基:0.31meq/g、BET比表面積:1650m2/g、粒径:10メッシュのふるいを通過し、60メッシュのふるいを通過しない活性炭が98重量%以上、強熱残分:0.17%)100質量部をコンクリートミキサーで回転させながら、上記イミダゾール水溶液を約10分間ゆっくりと噴霧した。その後、約1時間回転混合した後、乾燥機を用いて120℃で16時間乾燥して105.0質量部の炭素材料を得た。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1421m2/gであり、ベンゼン吸着能は45質量%であった。この炭素材料を中心粒径が6μmになるように微粉砕した後、実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
5.0質量部のイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を、実施例11で用いたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粒状活性炭100質量部と混合した後、窒素雰囲気下、250℃で1時間熱処理した。熱処理後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1504m2/gであり、ベンゼン吸着能は43質量%であった。この炭素材料を中心粒径が6μmになるように微粉砕した後、実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例12と同様にして、炭素材料を得た。熱処理後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1535m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。この炭素材料を中心粒径が6μmになるように微粉砕した後、実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イオン交換水に溶解させるイミダゾールの量を5.0質量部に変更した以外は実施例1と同様にして炭素材料及び分極性電極6を得た。表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1473m2/gであり、ベンゼン吸着能は43質量%であった。そして電解液を富山薬品工業株式会社製の1.0mol/Lのテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートのアセトニトリル溶液「LIPASTE−AN/EAF1」とした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例14と同様にして、炭素材料、分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1484m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
実施例12と同様にして、炭素材料及び分極性電極6を得た。表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1504m2/gであり、ベンゼン吸着能は43質量%であった。そして電解液を富山薬品工業株式会社製の1.0mol/Lのテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートのアセトニトリル溶液「LIPASTE−AN/EAF1」とした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例16と同様にして、炭素材料、分極性電極及6び電気二重層キャパシタ8を作製した。表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1535m2/gであり、ベンゼン吸着能は44質量%であった。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
原料の活性炭を、クラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭(表面官能基量:0.46meq/g、BET比表面積:2283m2/g、中心粒径D50:6μm(D10:4μm、D90:9μm))に変更し、イオン交換水に溶解させるイミダゾールの量を5.0質量部(実施例18)又は10.0質量部(実施例19)に変更した以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。実施例18及び19において、濾過、乾燥後の炭素材料の質量はそれぞれ105.0質量部(実施例18)及び110.0質量部(実施例19)であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積はそれぞれ2012m2/g(実施例18)及び1755m2/g(実施例19)であった。得られた炭素材料のベンゼン吸着能はそれぞれ68質量%(実施例18)及び59質量%(実施例19)であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製し、静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
原料の活性炭を、アルカリ賦活炭(表面官能基量:1.37meq/g、BET比表面積:2170m2/g、中心粒径D50:10μm、(D10:5μm、D90:18μm))に変更し、イオン交換水に溶解させるイミダゾールの量を5.0質量部(実施例20)又は10.0質量部(実施例21)に変更した以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。上記のアルカリ賦活炭は、石炭系重質油を熱処理して得られた異方性コークス(H/C=0.4)をボールミルで粉砕し中心粒径10μmまで粉砕し、KOHでアルカリ賦活した後、90℃、0.5Nの塩酸中で洗浄してから、イオン交換水で脱塩することによって得たものである。実施例20及び21において、濾過、乾燥後の炭素材料の質量はそれぞれ105.0質量部(実施例20)及び110.0質量部(実施例21)であった。また、表1に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積はそれぞれ1943m2/g(実施例20)及び1727m2/g(実施例21)であった。得られた炭素材料のベンゼン吸着能はそれぞれ65質量%(実施例20)及び56質量%(実施例21)であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして、静電容量の測定において到達電圧を2.8Vとした以外は実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表1に示す。
活性炭にイミダゾールを吸着させた炭素材料の代わりに、実施例1で用いたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭をそのまま用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
イオン交換水に溶解させるイミダゾールの量を50.0質量部に変更した以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は150.0質量部であった。また、表3に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は494m2/gであり、ベンゼン吸着能は25質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
イミダゾールの代わりに5.0質量部のピロール(和光純薬工業株式会社製、試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表3に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1506m2/gであり、ベンゼン吸着能は46質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
イミダゾールの代わりに5.0質量部のアニリン(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表3に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1500m2/gであり、炭素材料のベンゼン吸着能は45質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
イミダゾールの代わりに5.0質量部のベンゾイミダゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は実施例1と同様にして炭素材料を得た。濾過、乾燥後の炭素材料の質量は105.0質量部であった。また、表3に示すように、得られた炭素材料のBET比表面積は1510m2/gであり、炭素材料のベンゼン吸着能は44質量%であった。こうして得られた炭素材料を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
実施例1で用いたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭を、横型電気炉を用いて窒素雰囲気下、900℃で3時間熱処理した。熱処理後の表面官能基量は0.13meq/gであり、BET比表面積は1666m2/gであり、炭素材料のベンゼン吸着能は50質量%であった。イミダゾールを吸着させた炭素材料の代わりに、この活性炭を用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
比較例1と同様にして、分極性電極6を得た。この分極性電極6の作製に用いた活性炭に対して5.0質量部の量のイミダゾールを電解液に添加した以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタ8を作製した。試験時に調整した電解液中のイミダゾール濃度は0.36質量%であった。そして、実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。また、60℃の恒温槽中にて3.0Vの電圧を印加しながら25時間、50時間、200時間、500時間保持した後の静電容量も求めた。測定結果を表2に示す。表2に示された数値について、横軸を時間(h)、縦軸を静電容量(F/cc)としたグラフを図6に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は、比較例7と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。試験時に調整した電解液中の1,2,4トリアゾール濃度は0.36質量%であった。そして、実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。また、60℃の恒温槽中にて3.0Vの電圧を印加しながら25時間、50時間、200時間、500時間保持した後の静電容量及び静電容量維持率も求めた。測定結果を表2に示す。表2に示された数値について、横軸を時間(h)、縦軸を静電容量(F/cc)としたグラフを図6に示す。
比較例1と同様にして、分極性電極6を得た。そして電解液を富山薬品工業株式会社製の1.0mol/Lのテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートのアセトニトリル溶液「LIPASTE−AN/EAF1」とした以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
比較例7と同様にして、分極性電極6を得た。そして電解液を富山薬品工業株式会社製の1.0mol/Lのテトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレートのアセトニトリル溶液「LIPASTE−AN/EAF1」とし、活性炭に対して5.0質量部の量のイミダゾールを電解液に添加した以外は実施例1と同様にして電気二重層キャパシタ8を作製した。試験時に調整した電解液中のイミダゾール濃度は0.36質量%であった。そして、実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
イミダゾールの代わりに1,2,4−トリアゾール(和光純薬工業株式会社製:試薬特級)を用いた以外は、比較例10と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。試験時に調整した電解液中のイミダゾール濃度は0.36質量%であった。そして、実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
活性炭にイミダゾールを吸着させた炭素材料の代わりに、実施例18で用いたクラレケミカル株式会社製の椰子殻粉末活性炭をそのまま用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして実施例1と同様の方法で静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
活性炭にイミダゾールを吸着させた炭素材料の代わりに、実施例20で用いたアルカリ賦活炭をそのまま用いて実施例1と同様にして分極性電極6及び電気二重層キャパシタ8を作製した。そして、静電容量の測定において到達電圧を2.8Vとした以外は実施例1と同様にして静電容量、静電容量維持率及びガス発生量を測定した。測定条件及び測定結果を表3に示す。
2 導電性接着剤
3 エッチングアルミニウム箔
4 タブ
5 シーラント
6 分極性電極
7 外装シート
8 電気二重層キャパシタ
Claims (9)
- 活性炭に複素環式芳香族化合物が吸着されてなる分極性電極用炭素材料であって;
前記複素環式芳香族化合物が、環を構成する原子のうち2個以上が窒素原子である5員環又は6員環を有し、
前記複素環式芳香族化合物に含まれる窒素原子と炭素原子の比(N/C)が0.4以上であり、
前記活性炭100質量部に対して、前記複素環式芳香族化合物が1〜35質量部吸着されてなり、かつ
前記分極性電極用炭素材料のベンゼン吸着能が25〜75質量%であることを特徴とする分極性電極用炭素材料。 - 前記複素環式芳香族化合物がイミダゾール環、ピラゾール環、1,2,3−トリアゾール環及び1,2,4−トリアゾール環からなる群から選択される少なくとも1種を有する請求項1に記載の分極性電極用炭素材料。
- 前記複素環式芳香族化合物の分子量が100以下である請求項1又は2に記載の分極性電極用炭素材料。
- 前記活性炭に前記複素環式芳香族化合物を吸着させる請求項1〜3のいずれかに記載の分極性電極用炭素材料の製造方法。
- 前記複素環式芳香族化合物を含む液体に浸漬してから乾燥することによって前記活性炭に該化合物を吸着させる請求項4に記載の分極性電極用炭素材料の製造方法。
- 前記複素環式芳香族化合物を含む液体を散布することによって前記活性炭に該化合物を吸着させる請求項4に記載の分極性電極用炭素材料の製造方法。
- 前記複素環式芳香族化合物の蒸気を接触させることによって前記活性炭に該化合物を吸着させる請求項4に記載の分極性電極用炭素材料の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の炭素材料、バインダー及び導電材を含む電極組成物を集電体に積層してなる分極性電極。
- 請求項8に記載の分極性電極がセパレーターを介して対向して配置され、前記電極組成物が非水系電解液を含むことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
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