DE10197141B4

DE10197141B4 - Verwendung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs für eine Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators

Info

Publication number: DE10197141B4
Application number: DE10197141T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Wako Fujino; Shigeki Wako Oyama; Minoru Wako Noguchi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Kuraray Chemical Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Kuraray Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2021-12-29
Also published as: US20040072688A1; US20070238612A1; WO2002054422A1; JPWO2002054422A1; DE10197141T5

Abstract

Verwendung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs als Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators, wobei der alkali-aktivierte Kohlenstoff eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von D ≤ 2 nm, eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 2 nm < D ≤ 10 nm sowie eine dritte Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 10 nm < D ≤ 300 nm enthält; wobei dann, wenn das Porenvolumen der ersten Porengruppe Pv1 ist, das Porenvolumen der zweiten Porengruppe Pv2 ist, das Porenvolumen der dritten Porengruppe Pv3 ist und die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina Pv0 = Pv1 + Pv2 + Pv3 ist, wobei die Porenvolumina durch eine Stickstoffgas-Adsorptionsmethode erhalten werden, ein Anteil A des Porenvolumens Pv1 der ersten Porengruppe relativ zu der Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina A ≥ 60% ist und ein Anteil B des Porenvolumens Pv2 der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina B ≥ 8% ist, wobei...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs für eine Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Die US 5,880,061 A beschreibt einen aktivierten Kohlenstoff zur Verwendung als Adsorptionsmittel in einer Kläranlage zur Reinigung von Abwasser. Der bekannte Kohlenstoff weist eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser < 1,5 nm sowie eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser zwischen 10 nm und 30 nm auf, wobei die erste Porengruppe ein Porenvolumen von mehr als 40% und die zweite Porengruppe ein Porenvolumen von mehr als 10% jeweils des Gesamtvolumens derjenigen Poren aufweisen, deren Porendurchmesser kleiner als 30 nm ist. Das Porenvolumen der ersten Porengruppe liegt im Bereich von 0,33 ml/g bis 0,35 ml/g.

Ferner offenbart die US 6,118,650 A eine Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators aus einem alkali-aktivierten Kohlenstoff, welcher eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser im Bereich von 0.8 nm bis 3,0 nm sowie eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser im Bereich von 7 nm bis 12 nm aufweist, wobei in einem der in dieser Druckschrift angegebenen Beispiele das Porenvolumen der ersten Porengruppe 0,39 ml/g beträgt und das Porenvolumen der zweiten Porengruppe 0,012 ml/g beträgt.

Ein weiteres Kohlenstoffmaterial für eine Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators ist aus der EP 1 049 116 A1 bekannt. Dieser Kohlenstoff weist eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser im Bereich von 1 nm bis 2 nm, eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser im Bereich von 2 nm bis 20 nm sowie eine dritte Porengruppe mit einem Porendurchmesser größer als 20 nm auf. Unter den in der EP 1 049 116 A1 angegebenen Beispielen findet sich unter anderem ein Beispiel, in welchem ein Anteil des Porenvolumens der ersten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme der Porenvolumina 24% beträgt und ein Anteil des Porenvolumens der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsummer der Porenvolumina 10% beträgt. In diesem Beispiel beträgt das Gesamtporenvolumen 0,73 ml/g.

Der herkömmliche Porendurchmesserbereich und seine Rolle in dem eingangs genannten Typ aktivierten Kohlenstoffs für Elektroden wird z.B. in der Veröffentlichung Journal of Power Sources 60 (1996) P233–P238 beschrieben. Gemäß dieser wird gesagt, dass eine Gruppe von Poren, welche einen Porendurchmesser D im Bereich von D ≥ 2 nm aufweisen, zur Entwicklung von Kapazität, der Diffusion von Ionen und der Tränkung mit elektrolytischer Lösung beitragen.

Als ein Ergebnis verschiedener Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung zur Beziehung der Porenverteilung zur Kapazitätsdichte (F/ml) und zum spezifischen Widerstand (Innenwiderstand) wurde gefunden, dass, um die Kapazitätsdichte (F/ml) eines aktivierten Kohlenstoffs zu steigern und seinen spezifischen Widerstand zu senken, der Mengen von zwei Typen von Porengruppen, nämlich denen, welche einen Porendurchmesser größer oder kleiner als einen Porendurchmesser D von 2 nm aufweisen, oder den Porenvolumina dieser zwei Typen von Porengruppen Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte und dass, um die Porenverteilung und das Porenvolumen zu regulieren, die Anwendung einer alkali-aktivierten Behandlung höchst geeignet ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den oben erwähnten alkali-aktivierten Kohlenstoff bereitzustellen, welcher bestimmte Niveaus und spezifische Porenvolumina der oben erwähnten zwei Typen von Porengruppen aufweist und welcher eine hohe Kapazitätsdichte (F/ml) und einen reduzierten spezifischen Widerstand aufweist.

Um diese Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen alkali-aktivierten Kohlenstoff für eine Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators bereit, wobei der alkali-aktivierte Kohlenstoff eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von D ≤ 2 nm, eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 2 nm < D ≤ 10 nm sowie eine dritte Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 10 nm < D ≤ 300 nm enthält; und wobei dann, wenn das Porenvolumen der ersten Porengruppe Pv1 ist, das Porenvolumen der zweiten Porengruppe Pv2 ist, das Porenvolumen der dritten Porengruppe Pv3 ist und die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina Pv0 = Pv1 + Pv2 + Pv3 ist, wobei die Porenvolumina durch eine Stickstoffgas-Adsorptionsmethode erhalten werden, ein Anteil A des Porenvolumens Pv1 der ersten Porengruppe relativ zu der Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina A ≥ 60% ist und ein Anteil B des Porenvolumens Pv2 der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina B ≥ 8% ist, wobei für das Porenvolumen Pv1 der ersten Porengruppe 0,10 ml/g ≤ Pv1 ≤ 0,44 ml/g gilt und für das Porenvolumen Pv2 der zweiten Porengruppe 0,01 ml/g ≤ Pv2 ≤ 0,20 ml/g gilt.

Diese Anordnung kann einen alkali-aktivierten Kohlenstoff für eine Elektrode bereitstellen, wobei der alkali-aktivierte Kohlenstoff eine hohe Kapazitätsdichte (F/ml) und einen reduzierten spezifischen Widerstand aufweist. Ist der Anteil A jedoch geringer als 60%, sinkt die Kapazitätsdichte (F/ml) und wenn der Anteil B kleiner als 8% ist, steigt der spezifische Widerstand.

Ferner sinkt selbst in dem Fall, dass die erste und zweite Porengruppe vorhanden sind, die Kapazitätsdichte (F/ml), wenn das Porenvolumen Pv1 mehr als 0,44 ml/g beträgt und dasselbe gilt, wenn Pv1 weniger als 0,10 ml/g beträgt. Beträgt das Porenvolumen Pv2 mehr als 0,20 ml/g, so sinkt die Kapazitätsdichte (F/ml) und wenn Pv2 weniger als 0,01 ml/g beträgt, so steigt der spezifische Widerstand.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Schnitt-Vorderansicht eines wesentlichen Teils eines knopfartigen elektrischen Doppelschichtkondensators; 2 ist ein Graph, welcher Beziehungen zwischen Porendurchmesser und Porenvolumen zeigt; 3 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen eines Anteils A eines Porenvolumens Pv1 und der Kapazitätsdichte (F/ml) zeigt; und 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Anteil B eines Porenvolumens Pv2 und dem spezifischen Widerstand zeigt.

BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf 1 weist ein knopfartiger elektrischer Doppelschichtkondensator 1 ein Gehäuse 2, ein Paar polarisierbarer Elektroden 3 und 4, die in dem Gehäuse 2 untergebracht sind, ein Abstandsstück 5, das zwischen den Elektroden 3 und 4 aufgenommen ist, und eine elektrolytische Lösung auf, mit welcher das Gehäuse 2 gefüllt ist. Das Gehäuse 2 ist gebildet aus einem Al-Behälter 7, der eine Öffnung 6 aufweist, und einer Al-Deckplatte 8 zum Verschließen der Öffnung 6. Der Zwischenraum zwischen einem äußeren Randbereich der Deckplatte 8 und einem inneren Randbereich des Behälters 7 ist mittels eines Dichtmaterials 9 abgedichtet. Jede der polarisierbaren Elektroden 3 und 4 ist aus einer Mischung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs, und zwar einem aktivierten Kohlenstoff, einem leitfähigen Füllmaterial sowie einem Bindemittel, gebildet.

Der aktivierte Kohlenstoff für die Elektroden erweist eine erste, zur Entwicklung von Kapazität beitragende Porengruppe, eine zweite, zur Diffusion von Ionen und Tränkung mit einer elektrolytischen Lösung beitragende zweite Porengruppe und eine dritte, zur Tränkung mit einer elektrolytischen Lösung beitragende Porengruppe auf. Der Porendurchmesser D der ersten Porengruppe ist im Bereich von D ≤ 2 nm, der Porendurchmesser D der zweiten Porengruppe ist im Bereich von 2 nm ≤ D ≤ 10 nm und der Porendurchmesser D der dritten Porengruppe ist im Bereich von 10 nm ≤ D ≤ 300 nm.

Wenn das Porenvolumen der ersten Porengruppe Pv1 ist, das Porenvolumen der zweiten Porengruppe Pv2 ist, das Porenvolumen der dritten Porengruppe Pv3 ist und die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina Pv0 = Pv1 + Pv2 + Pv3 ist, wobei die Porenvolumina durch eine Stickstoffgas-Adsorptionsmethode erhalten wurden, so ist ein Anteil A des Porenvolumens Pv1 der ersten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina, d.h. A = (Pv1/Pv0) × 100 (%), so gesetzt, dass A ≥ 60% ist. Ferner ist ein Anteil B des Porenvolumens Pv2 der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina, d.h. B ≤ (Pv2/Pv0) × 100 (%), so gesetzt, dass B ≥ 8% ist.

Das Porenvolumen Pv1 der erste Porengruppe ist so gesetzt, dass 0,10 ml/g ≤ Pv1 ≤ 0,44 ml/g, das Porenvolumen Pv2 der zweiten Porengruppe ist so gesetzt, dass 0,01 ml/g ≤ Pv2 ≤ 0,20 ml/g und das Porenvolumen Pv3 der dritten Porengruppe ist so gesetzt, dass 0,01 ml/g ≤ Pv3 ≤ 0,03 ml/g.

Die Herstellung des alkali-aktivierten Kohlenstoffs für die Elektroden verwendet einen Schritt zum Aussetzen eines Startmaterials, welches ein Aggregat von Betrachtungseinheiten ist, einer Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung, um ein Sauerstoffaddukt zu erhalten, in welchem Sauerstoff im gesamten Inneren der Betrachtungseinheiten verteilt ist, einen Schritt zum Aussetzen jedes Sauerstoffaddukts einer Karbonisierungsbehandlung, um ein Karbidmaterial zu erhalten und einen Schritt zum Aussetzen des Karbidmaterials einer Alkali-Aktivierungsbehandlung unter Verwendung von KOH, um einen alkali-aktivierten Kohlenstoff zu erhalten.

Unter Berücksichtigung, dass die Porenverteilung und das Porenvolumen durch die Alkali-Aktivierungsbehandlung, welches der letzte Schritt ist, bestimmt werden, wird in diesem Fall das Startmaterial ausgewählt, die Sauerstoff-Vernetzungsbedingungen und die Karbonisierungsbedingungen werden gesetzt und die Menge an KOH und die Behandlungstemperatur etc. der Alkali-Aktivierungsbehandlung werden reguliert.

Ist die Karbonisierungstemperatur beispielsweise zu hoch, können Poren durch die Alkali-Aktivierungsbehandlung nicht glatt gebildet werden, da die wahre Dichte des Karbidmaterials hoch ist, und als Ergebnis ist das Porenvolumen des alkali-aktivierten Kohlenstoffs zu klein. Ist die Menge an KOH zu groß, so wird die Porenbildung aufgrund von K₂CO₃ fortgesetzt und das Porenvolumen des alkali-aktivierten Kohlenstoffs wird somit zu groß.

Aus diesen Gesichtspunkten wird als Startmaterial ein Pulver aus beispielsweise Petroleumpech verwendet, welches einen einfachen gravitisierbaren Kohlenstoff, einen Mesophasenpech (einen Kohlenmesophasenpech, ein Petrolmesophasenpech, ein synthetisches Mesophasenpech), ein Polyvinylchrorid, ein Polyimid oder PAN, ein faseriges Aggregat (einschließlich einem Aggregat gesponnenen faserigen Materials) etc ergeben kann. Die Betrachtungseinheit im Pulver bezieht sich auf ein Teilchen und die Betrachtungseinheit in dem faserigen Aggregat bezieht sich auf eine Faser oder ein faseriges Material.

Die Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung wird durch ein Verfahren ausgeführt wie einem, in welchem ein Startmaterial in Luft auf eine vorbestimmte Temperatur bei einer vorbestimmten Rate der Temperaturerhöhung erwärmt wird, oder einem, bei welchem, nachdem die Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, diese Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer beibehalten wird.

Eine Verteilung von Sauerstoff im gesamten Inneren einer Mehrzahl von Betrachtungseinheiten durch eine solche Sauerstoff-Vernetzungsbehand lung kann verursachen, dass die folgende Alkali-Aktivierungsreaktion gleichmäßig im gesamten Sauerstoffaddukt stattfindet, um das Porenvolumen Pv1 der ersten Porengruppe zu steigern und wenn die polarisierbaren Elektroden 3 und 4 unter Verwendung des alkali-aktivierten Kohlenstoffs gebildet werden, kann der Betrag der Ausdehnung der polarisierbaren Elektroden 3 und 4, wenn diese geladen werden, reduziert werden.

Beträgt das Gewicht des Startmaterials W und das Gewicht des Sauerstoffaddukts, d.h. W + die Menge an Sauerstoff, beträgt X, so kann der Grad der Sauerstoffvernetzung Y durch die Sauerstoffvernetzungsbehandlung durch Y = {(X – W)/W} × 100 (%) ausgedrückt werden und der Grad der Sauerstoffvernetzung Y wird so gesetzt, dass 2% ≤ Y ≤ 20%. Beträgt der Grad der Sauerstoffvernetzung Y weniger als 2%, so ist der Effekt des Unterdrückens der Ausdehnung der polarisierbaren Elektroden unzureichend und andererseits, wenn Y mehr als 20% beträgt, verbrennt während des folgenden Karbonisierungsschritts Kohlenstoff und die Ausbeute des Karbidmaterials nimmt ab.

Um den Grad der Sauerstoffvernetzung Y innerhalb des oben erwähnten Bereichs zu beschränken, wird die Rate V der Temperatursteigerung in der Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung so gesetzt, dass 1°C/min ≤ V ≤ 20°C/min, die Erwärmungstemperatur T wird so gesetzt, dass 150°C ≤ T ≤ 350°C und die Verweilzeit t wird so gesetzt, dass 1 min ≤ t ≤ 10 Stunden. Um die Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung zu fördern, ist es außerdem möglich, P₂O₅, Chinon, Hydrochinon, etc. oder Derivate, die hauptsächlich von diesen Materialien abgeleitet sind, zu verwenden.

Die Karbonisierungsbehandlung wird unter bekannten Bedingungen ausgeführt, welche bei diesem Typ von Herstellungsprozessen eingesetzt werden. Das bedeutet, dass sie unter einer Edelgasatmosphäre ausgeführt wird, die Erwärmungstemperatur T so gesetzt wird, dass 600°C ≤ T ≤ 1000°C und die Heizzeit t so gesetzt wird, dass 1 min ≤ t ≤ 10 Stunden. Die wahre Dichte Dt des Karbidmaterials wird so spezifiziert, dass 1,4 g/ml ≤ Dt ≤ 1,8 g/ml um das oben erwähnte Porenvolumen zu erhalten.

Die Alkali-Aktivierungsbehandlung wird unter bekannten Bedingungen ausgetragen, welche bei diesem Typ von Produktionsprozessen eingesetzt werden. Das bedeutet, dass sie in einer Edelgasatmosphäre ausgetragen wird, die Erwärmungstemperatur T so gesetzt wird, dass 500°C ≤ T ≤ 1000°C und die Heizzeit t so gesetzt wird, dass 1 Stunde ≤ t ≤ 10 Stunden. Das Gewichtsverhältnis von KOH zum Karbidmaterial C, KOH/C, wird so spezifiziert, dass 1,0 ≤ KOH/C ≤ 3,0, um das oben erwähnte Porenvolumen zu erhalten.

Spezielle Beispiele werden im Folgenden erläutert.
A. Herstellung alkali-aktiviertem Kohlenstoff
1. Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung
(a) Als Startmaterialien wurden ein erstes Mesophasenpech mit einem Erweichungspunkt von 270°C bis 290°C, ein zweites Mesophasenpech mit einem Erweichungspunkt von 230°C bis 260°C sowie ein drittes Mesophasenpech mit einem Erweichungspunkt von 150°C bis 200°C angesetzt. Ein Zentrifugieren unter Verwendung des ersten Mesophasenpechs ergab ein Aggregat, das aus einem faserigen Material mit einem Durchmesser von 13 μm gebildet war, Verwendung des zweiten Mesophasenpechs ergab ein erstes Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 μm und die Verwendung des dritten Mesophasenpechs ergab ein zweites Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 μm. (b) Das Aggregat des faserigen Materials wurde Sauerstoff-Vernetzungsbehandlungen unter verschiedenen Bedingungen ausgesetzt, um Sauerstoffadduktproben 1 bis 6 und 01 zu erhalten. Außerdem wurden das erste und das zweite Pulver Sauerstoff-Vernetzungsbehandlungen unter verschiedenen Bedingungen ausgesetzt, um Sauerstoffadduktproben 7 bzw. 8 zu erhalten. (c) Der Grad der Sauerstoffvernetzung Y wurde für die Proben 1 bis 8 und 01 bestimmt, sowie für Probe 02, welche unter Verwendung des zweiten Pulvers als Startmaterial ohne Durchführung einer Sauerstoff-Vernetzungsbehandlung erhalten wurde.
Tabelle 1 zeigt die Sauerstoff-Vernetzungsbehandlungsbedingungen und den Grad der Sauerstoffvernetzung Y für Proben 1 bis 8, 01 und 02.
TABELLE 1
In Tabelle 1 bedeutet eine Nichtangabe der Verweilzeit, dass, wenn die Ofentemperatur die Erwärmungstemperatur erreicht hat, das Sauerstoffaddukt zur folgenden Karbonisierungsbehandlung befördert wurde.
2. Karbonisierungsbehandlung
Sauerstoffadduktproben 1 bis 8 und 01 sowie Probe 02 wurden einer Karbonisierungsbehandlung in einem Strom von Stickstoff unterzogen, um leicht gravitisierbare Kohlenstofffaserproben 1 bis 6 und 01 sowie leicht gravitisierbare Kohlenstoffpulverproben 7, 8 und 02 zu erzeugen, welche den Sauerstoffadduktproben 1 bis 8 und 01 und Beispiel 02 entsprachen.
Die Karbonisierungsbedingungen und die wahre Dichte Dt der Proben 1 bis 8, 01 und 02 sind in Tabelle 2 gezeigt. Die wahre Dichte Dt wurde durch eine spezielle Schwerkraftumwandlungsmethode unter Verwendung von Butanol ermittelt.
TABELLE 2
Die Sauerstoffkonzentration in einem Durchmesserteil in jeder der Kohlenstofffasern und Kohlenstoffpulver der Proben 1 bis 8 und 01 wurde durch TEM-EDX-Elektronenstrahl-Schrittscannen bestimmt und es wurde gefunden, dass der Addukt-Sauerstoff im gesamten Inneren verteilt war.
3. Pulverisierungsbehandlung
Kohlenstofffaserproben 1 bis 6 und 01 wurden einer Pulverisierungsbe handlung unterzogen, um Kohlenstoffpulverproben 1 bis 6 und 01 zu erzeugen, welche eine durchschnittliche Teilchengröße von 20 μm aufweisen.
4. Alkali-Aktivierungsbehandlung
Kohlenstoffpulverproben 1 bis 8, 01 und 02 wurden einer Alkali-Aktivierungsbehandlung in einem Strom von Stickstoff unter Verwendung von KOH (Reinheit: 85%) unterzogen, um alkali-aktivierte Kohlenstoffpulver zu erhalten, welche eine durchschnittliche Teilchengröße von 20 μm aufweisen, und zwar als Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 01 und 02, die den obigen Proben 1 bis 8, 01 und 02, entsprechen.
Tabelle 3 zeigt die Alkali-Aktivierungsbedingungen für Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 01 und 02.
TABELLE 3
B. Porenverteilung und Porenvolumen von alkali-aktiviertem Kohlenstoff
Der alkali-aktivierte Kohlenstoff von Beispiel 1 wurde einer Porenverteilungsmessung unter Verwendung einer Stickstoffgasadsorptionsmethode unterzogen. Die Messbedingungen waren wie folgt. Beispiel 1: entgast in Vakuum bei 300°C für ungefähr 6 Stunden unter Verwendung von 0,1 und 0,4g als eine Probe; Porenverteilung-Messapparatur: ASAP2010 (Produktname), hergestellt durch Shimadzu Corporation; die Porenverteilungsbestimmung verwendete die analytische Software V2.0.
Das Porenvolumen wurde durch die folgende Methode berechnet. Zuerst wurde das Volumen der Poren mit einem Porendurchmesser D im Bereich von d ≤ 300 nm, d.h. die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina Pv1, Pv2 und Pv3 der ersten bis dritten Porengruppe, aus Porenverteilungsdaten bestimmt, die durch ein [P/P₀] = 0,986 Einzelpunkte-Messverfahren ermittelt wurden. Das Porenvolumen einer Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 2 nm < D ≤ 300 nm wurde durch eine BJH-Adsorptionsporenverteilung bestimmt. Da dieses Porenvolumen gleich der Summe der Porenvolumina der zweiten und dritten Porengruppen (Pv2 + Pv3) ist, wurde Pv0 – (Pv2 + Pv3) bereichnet, um das Porenvolumen Pv1 der ersten Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von D ≤ 2 nm zu erhalten. In diesem Fall war die untere Grenze für den durch die Stickstoffgasadsorptionsmethode gemessenen Porendurchmesser D 0,4 nm. Die Porenvolumina Pv2 und Pv3 der zweiten und dritten Porengruppe wurden jeweils aus einem Wert bestimmt, der durch die BJH-Adsorptionsporenteilung erhalten wurde.
Auf dieselbe Weise wurden die Porenvolumina Pv1 bis Pv3 für die alkali-aktivierten Kohlenstoffe der Beispiele 2 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 01 und 02 bestimmt. Spezifische Werte für deren Porenvolumina Pv1 bis Pv3 werden später beschrieben.
C. Herstellung eines knopfartigen elektrischen Doppelschichtkondensators
Der alkali-aktivierte Kohlenstoff Beispiel 1, Ruß (leitfähiges Füllmaterial) sowie PTFE (Bindemittel) wurden mit einem Gewichtsverhältnis von 85,6:9,4:5 gewichtet, die gewichteten Materialien wurden dann geknetet und das geknetete Material wurde dann gerollt, um eine Elektrodenschicht mit einer Dicke von 185 μm zu ergeben. Zwei polarisierbare Elektroden 3 und 4 mit einem Durchmesser von 20 mm wurden aus der Elektrodenschicht ausgeschnitten und ein knopfartiger elektrischer Doppelschichtkondensator 1 aus 1 wurde unter Verwendung dieser zwei polarisierbaren Elektroden 3 und 4, einem Glasfaser-Abstandhalter 5 mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Dicke von 0,35 mm, einer elektrolytischen Lösung, etc. hergestellt. Als elektrolytische Lösung wurde eine 1,8 M Propylenkarbonatlösung aus Triethylmethylammonium Tetrafluorborat [(C₂H₅)₃CH₃NBF₄] verwendet.
Außerdem wurden neun Typen von knopfartigen elektrischen Doppelschichtkondensatoren mit demselben Verfahren wie oben unter Verwendung des alkali-aktivierten Kohlenstoffs der Beispiele 2 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 01 und 02 hergestellt.
D. Kapazitätsdichte (F/ml) von alkali-aktivierten Kohlenstoff
Jeder der knopfartigen elektrischen Doppelschichtkondensatoren wurde dem folgenden Ladungs- und Entladungstest unterzogen und die Kapazitätsdichte (F/ml) pro Volumeneinheit alkali-aktivierten Kohlenstoffs der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 01 und 02 wurde durch ein Energieumwandlungsverfahren bestimmt. Der Ladungs- und Entladungstest verwendete ein Verfahren, in welchem ein 90 minütiges Laden und ein 90 minütiges Entladen bei 2,7 V und einer Stromdichte von 5 mA durchgeführt wurde.
E. Diskussion
Tabelle 4 zeigt die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina, die Porenvolumina Pv1 bis Pv3 der ersten bis dritten Porengruppe, die spezifische Ober fläche, die kapazitätsdichte (F/ml) sowie den spezifischen Widerstand des alkali-aktivierten Kohlenstoffs der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 01 und 02. In der Tabelle ist D der Porendurchmesser (nm).
2 ist ein auf Tabelle 4 basierender Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Porendurchmesser und dem Porenvolumen für die Beispiele 1 bis 8 und die Vergleichsbeispiele 01 und 02 zeigt.
Wie aus Tabelle 4 und 2 ersichtlich ist, weisen die Beispiele 1 bis 8, in welchen das Porenvolumen Pv1 der ersten Porengruppe im Bereich von 0,10 ml/g ≤ Pv1 ≤ 0,44 ml/g ist und das Porenvolumen Pv2 der zweiten Porengruppe im Bereich von 0,01 ml/g ≤ Pv2 ≤ 0,20 ml/g ist, eine hohe Kapazitätsdichte (F/ml) und einen geringen spezifischen Widerstand auf. Andererseits ist die Kapazitätsdichte (F/ml) des Vergleichsbeispiels 01 geringer als die der Beispiele 1 bis 8, da die Porenvolumina Pv1 und Pv2 aus den oben erwähnten Bereichen herausfallen, und Vergleichsbeispiel 02 weist einen hohen spezifischen Widerstand auf, da das Porenvolumen Pv2 aus dem oben erwähnten Bereich herausfällt.
Tabelle 5 zeigt die Beziehung zwischen der Kapazitätsdichte (F/ml) und dem Anteil A des Porenvolumens Pv1 der ersten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina.
TABELLE 5
3 ist ein auf Tabelle 5 basierender Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Anteil A des Porenvolumens Pv1 und der Kapazitätsdichte (F/ml) zeigt. Wie aus Tabelle 5 und 3 ersichtlich ist, kann ein Setzen des Anteils A, derart, dass A ≥ 60% ist, die Kapazitätsdichte (F/ml) erhöhen. Tabelle 6 zeigt die Beziehung zwischen den spezifischen Widerstand und dem Anteil B des Porenvolumens Pv2 der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina.
TABELLE 6
4 ist ein auf Tabelle 6 basierender Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Anteil B des Porenvolumens Pv2 und dem spezifischen Widerstand zeigt. Wie aus Tabelle 6 und 4 ersichtlich ist, kann ein Setzen des Anteils B derart, dass B ≥ 8% ist, den spezifischen Widerstand senken.
Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass es sehr schwierig ist, aus der spezifischen Oberfläche eine optimale Porenverteilung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs für einen elektrischen Doppelschichtkondensator vorherzusagen.

Claims

Verwendung eines alkali-aktivierten Kohlenstoffs als Elektrode eines elektrischen Doppelschichtkondensators, wobei der alkali-aktivierte Kohlenstoff eine erste Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von D ≤ 2 nm, eine zweite Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 2 nm < D ≤ 10 nm sowie eine dritte Porengruppe mit einem Porendurchmesser D im Bereich von 10 nm < D ≤ 300 nm enthält; wobei dann, wenn das Porenvolumen der ersten Porengruppe Pv1 ist, das Porenvolumen der zweiten Porengruppe Pv2 ist, das Porenvolumen der dritten Porengruppe Pv3 ist und die Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina Pv0 = Pv1 + Pv2 + Pv3 ist, wobei die Porenvolumina durch eine Stickstoffgas-Adsorptionsmethode erhalten werden, ein Anteil A des Porenvolumens Pv1 der ersten Porengruppe relativ zu der Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina A ≥ 60% ist und ein Anteil B des Porenvolumens Pv2 der zweiten Porengruppe relativ zur Gesamtsumme Pv0 der Porenvolumina B ≥ 8% ist, wobei für das Porenvolumen Pv1 der ersten Porengruppe 0,10 ml/g ≤ Pv1 ≤ 0,44 ml/g gilt und für das Porenvolumen Pv2 der zweiten Porengruppe 0,01 ml/g ≤ Pv2 ≤ 0,20 ml/g gilt.