[发明专利]蓄电装置的电极用活性炭及其制备方法

说明书

本发明提供一种蓄电装置的电极用活性炭的制备方法。首先向酚醛树脂、聚乙烯醇、气孔生成剂和交联剂中加入固化用催化剂，进行混合、浇铸成形、加热、干燥。由此得到以三维网状形成有平均孔径为3~35μm范围内的连通均匀大孔的板状多孔质酚醛树脂，将该板状多孔质酚醛树脂浸渍在有机溶剂中。接着，将该板状多孔质酚醛树脂(块)取出并加压。将经过这一系列过程的板状多孔质酚醛树脂(块)保持在升温后的温度下，从而进行碳化处理和活化处理，得到板状的蓄电装置的电极用活性炭。

技术领域

本发明涉及用于双电层电容器、锂离子电容器等蓄电装置的电极的活性炭、以及制备该活性炭的方法。

本申请基于2013年9月20日在日本申请的特愿2013-195919号要求优先权，其内容引用于此。

背景技术

可反复充电使用的双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor)是将电荷储存在形成于活性炭等多孔质碳电极内的细孔中的离子吸附层、即双电层中的电容器。该双电层电容器寿命长且输出功率高，作为计算机存储器的备用电源而普及，最近作为搭载于铁路车辆的电力储存系统、混合动力车的辅助电源备受注目。

另外，近年来为了改善双电层电容器的能量密度，除了活性炭电极以外，还开发了将二次电池的活性物质用于电极材料的混合电容器。作为该混合电容器中的一种，有锂离子电容器。该锂离子电容器中，正极采用活性炭，负极采用锂离子电池负极用碳材料，电解液采用锂离子电池用有机系电解液。

如图24所示，双电层电容器通过在浸渍于电解液中的正极、负极各自的活性炭电极间连接电源并施加电压来进行充电。充电时电解质离子吸附于电极表面。具体而言，在正极电解液中的阴离子(-)被空穴(h⁺)吸引，在负极电解液中的阳离子(+)被电子(e^-)吸引，空穴(h⁺)与阴离子(-)、以及电子(e^-)与阳离子(+)隔着大概数Å的极小距离取向而形成双电层。该状态即使取下电源也能维持，无需利用化学反应来维持蓄电状态。放电时吸附的阳离子和阴离子分别从各电极脱离。具体而言，电子(e^-)回到正极，空穴(h⁺)随之消失，阳离子、阴离子随之再度扩散到电解液中。由此，在充放电的整个过程中，电容器材料未发生任何变化，因此没有因化学反应而产生的发热或劣化，能够维持长寿命。

双电层电容器通常具有以下特征：与二次电池相比(1)能够高速充放电，(2)充放电循环的可逆性高，(3)循环寿命长，(4)电极和电解质不使用重金属因此有利于环保。这些特征的产生是因为双电层电容器不使用重金属，而且利用离子的物理吸脱附来工作，未伴随有化学物种(chemical species)的电子转移反应。

存储在双电层电容器中的能量(E)与充电电压(V)的平方和双电层电容(C)之积成比例(E＝CV²/2)，因此电容和充电电压的提高对能量密度的改善有效。双电层电容器的充电电压通常抑制在2.5V左右。其原因被解释为由于若在3V以上的电压下充电则电极和电解液发生电解，从而使电容下降、双电层电容器劣化。

目前，双电层电容器的实用性电极用活性炭如图25所示，通过向1~10μm尺寸的活性炭粒子中适量添加炭黑等导电辅助剂，用聚四氟乙烯系等原纤化粘合剂成形为片状进行制备。对于该双电层电容器在3V以上的电压下充电造成的电容下降，不仅活性炭和电解液的影响，还考虑构成电极用活性炭的粘合剂和导电辅助剂的影响。

迄今为止，虽然目的不是消除上述电容的下降，但为了双电层电容器的进一步高电容化，提出了不含粘合剂、导电材料的电极用活性炭，即活性炭粒子彼此间不存在接触界面的无缝(无接合点)的电极用活性炭(例如参照非专利文献1)。非专利文献1中，利用成形性优异的溶胶-凝胶法的特征，直接制成电极用活性炭而不使用粘合剂。确认了采用不使用该粘合剂制成的活性炭的电极(无粘合剂电极)的电容大于采用使用粘合剂制成的活性炭的电极，电极用活性炭的厚度越大则其差异越显著。