JP2017171538A - 活性炭、およびその製造方法、並びに該活性炭を用いた電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の活性炭は、BET比表面積が1450〜1950m2/g、細孔径3nm以上の細孔容積が0.09〜0.35cm3/g、且つ平均細孔径が2.05〜2.60nmである。
【選択図】図5
Description
カルシウム化合物等の添着状態を維持したまま最後の水蒸気賦活を実施して得られた活性炭は、必要に応じてさらに洗浄処理、熱処理、粉砕処理などを行ってもよい。洗浄処理は、水蒸気賦活後の活性炭を、水(常温水、60℃程度の温水含む)や酸溶液またはアルカリ溶液などの公知の溶媒を用いて行う。活性炭を洗浄することにより、金属不純物や灰分などの不純物を除去できる。
原料:ヤシ殻炭化物を室温に保持した0.83%塩化カルシウム(CaCl2)水溶液に浸漬し、1時間撹拌した後、ろ過し、ろ過残渣を110℃で乾燥させて、ヤシ殻炭化物にカルシウム化合物が添着した賦活原料(カルシウム添着量は5034ppm)を得た。次いで賦活原料をロータリーキルン炉に投入し、窒素流通下(1L/分)、900℃まで昇温(昇温速度:10℃/分)した後、水蒸気(水蒸気分圧:50kPa)を窒素と共に供給し、900℃で4.0時間保持し、カルシウム化合物の添着状態を維持したまま水蒸気賦活を行った。水蒸気賦活後、酸洗処理(塩酸濃度5.25%)して水蒸気賦活炭から金属を除去した後、0.25%炭酸水素アンモニウム、および60℃の温水で洗浄を行った。その後、マッフル炉に投入し、窒素流通下(2L/分)、760℃まで昇温(昇温速度:10℃/分)した後、760℃で2時間保持する熱処理を行った。熱処理後、ジェットミル粉砕機で粉砕し、活性炭No.1を作製した。
原料をヤシ殻炭化物からヤシ殻水蒸気賦活炭(MCET社製、「Z10−30」)に変更した以外は、活性炭No.1と同様にしてヤシ殻水蒸気賦活炭にカルシウム化合物が添着した賦活原料を得た(添着量は表1に記載)。水蒸気賦活時の保持時間を2.5時間(活性炭No.2)、3.0時間(活性炭No.3)、4.0時間(活性炭No.4)に変更した以外は、活性炭No.1と同様にして活性炭No.2〜4を作製した。
活性炭No.3と同様にして水蒸気賦活、洗浄、及び熱処理を行った後、ジルコニアボール(直径3mm)と純水と共に粉砕容器(直径13cm×21cm)に入れ、振動ボールミルで平均粒子径(D50)が3.0μmとなるように粉砕した活性炭No.5を作製した。
水蒸気賦活時の保持時間を2.0時間に変更した以外は活性炭No.2と同様にして活性炭No.6を作製した。
原料:ヤシ殻水蒸気賦活炭(MCET社製、「Z10−30」)をロータリーキルン炉に投入し、窒素流通下(1L/分)、900℃まで昇温(昇温速度:10℃/分)した後、水蒸気(水蒸気分圧:50kPa)を窒素と共に供給し、900℃で2.0時間保持して水蒸気賦活を行った。水蒸気賦活後、酸洗処理(塩酸濃度5.25%)して水蒸気賦活炭から金属を除去した後、0.25%炭酸水素アンモニウム、および60℃の温水で洗浄を行った。その後、マッフル炉に投入し、窒素流通下(2L/分)、760℃まで昇温(昇温速度:10℃/分)した後、760℃で2時間保持する熱処理を行った。熱処理後、ジェットミル粉砕機で粉砕し、活性炭No.7を作製した。
水蒸気賦活時の保持時間を2.5時間(活性炭No.8)、3.0時間(活性炭No.9)に変更した以外は活性炭No.7と同様にして活性炭No.8、9を作製した。
特許文献2の製造例2を模擬した活性炭を作製した。具体的には、原料:紙フェノール樹脂積層板炭化物(平均粒子径:5mm〜15mm)100gをロータリーキルン炉に投入し、窒素流通下(1L/分)、900℃まで昇温(昇温速度:10℃/分)した後、水蒸気(水蒸気分圧:71kPa)を窒素とともに供給し、900℃で3.0時間保持して水蒸気賦活を行った。水蒸気賦活後、酸洗処理(塩酸濃度5.25%)して水蒸気賦活炭から金属を除去した後、60℃の温水で洗浄を行った。その後、ジェットミル粉砕機で粉砕し、活性炭No.10を作製した。
水蒸気賦活時の保持時間を3.5時間に変更した以外は、活性炭No.10と同様にして活性炭No.11を作製した。
磁性るつぼに活性炭を約5gを入れ、大気中、815℃で24時間加熱して灰化した後、灰分量を測定すると共に、蛍光X線分析装置(Rigaku社製、「ZSX100e」)を用いて灰分中のカルシウム量を算出し、カルシウム添着量として「Ca添着量」欄に記載した。なお、活性炭No.7〜11はカルシウムを添着していないため、原料由来のカルシウム量である。
活性炭0.2gを250℃にて真空加熱した後、窒素吸着装置(マイクロメリティック社製、「ASAP−2400」)を用いて、窒素吸着等温線を求め、BET法により比表面積(m2/g)を求めた。また窒素吸着等温線から相対圧P/P0(P:吸着平衡にある吸着質の気体圧力、P0:吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧)が0.93における細孔直径30nmまでの窒素吸着量から全細孔容積(cm3/g)を算出した。
吸着等温線をBJH法により解析し、細孔径3nm以上の細孔容積、及び全細孔容積に対する細孔径3nm以上の細孔容積の比率を算出した。
細孔径3nm以上の細孔容積(%)の比率=[3nm以上の細孔容積(cm3/g)/全細孔容積(cm3/g)]×100
なお、全細孔容積とは300nm以下の細孔容積であり、細孔径3nm以上の細孔容積とは、細孔径3〜300nmの細孔容積である。
活性炭の細孔をシリンダー状と仮定し、以下の式に基づいて平均細孔径を算出した。
平均細孔径(nm)=(4×全細孔容積(cm3/g))/比表面積(m2/g)×1,000・・・(6)
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」)を用いて活性炭を測定し、粒度分布の測定結果から体積基準の累積頻度曲線を求め、累積頻度50%における粒子径を平均粒子径とした。
6−1.電気二重層キャパシタの製造
作製した活性炭No.1〜11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成した。
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。
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)
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
細孔径3nm以上の細孔容積(%)の比率=[3nm以上の細孔容積(cm3/g)/全細孔容積(cm3/g)]×100
なお、全細孔容積とは30nm以下の細孔容積であり、細孔径3nm以上の細孔容積とは、細孔径3〜30nmの細孔容積である。
Claims (9)
- BET比表面積が1450〜1950m2/g、
細孔径3nm以上の細孔容積が0.09〜0.35cm3/g、且つ
平均細孔径が2.05〜2.60nmであることを特徴とする活性炭。 - 全細孔容積に対して前記細孔径3nm以上の細孔容積の比率が12〜39%である請求項1に記載の活性炭。
- 平均粒子径が10μm以下である請求項1または2に記載の活性炭。
- 前記活性炭は粒状、または粉状である請求項1〜3のいずれかに記載の活性炭。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の活性炭を含有することを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極材料。
- 請求項5に記載の電極材料を用いたことを特徴とする電気二重層キャパシタ用電極。
- 請求項6に記載の電極を用いたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
- 炭素原料を炭化し、次いで1回以上水蒸気賦活することで炭素原料由来物を順次処理することとし、
最後の水蒸気賦活を実施するまでに炭素原料由来物にカルシウム化合物、およびカリウム化合物の少なくとも一方を添着させておき、添着状態を維持したまま前記最後の水蒸気賦活を実施することを特徴とする活性炭の製造方法。 - 前記炭素原料に前記カルシウム化合物、および前記カリウム化合物の少なくとも一方を添着させ、次いで炭化した後、または
前記炭素原料を炭化し、次いで前記カルシウム化合物、および前記カリウム化合物の少なくとも一方を添着させた後、あるいは
前記炭素原料を炭化した後、水蒸気賦活し、次いで前記カルシウム化合物、および前記カリウム化合物の少なくとも一方を添着させた後、
前記最後の水蒸気賦活する請求項8に記載の活性炭の製造方法。
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