双电层电容器电极用活性炭及该活性炭的生产方法技术领域
本发明涉及双电层电容器电极用活性炭及生产此类活性炭
的方法。
背景技术
活性炭由被活化从而具有多孔结构的碳材料如碳化椰子
壳、石油焦炭或煤焦炭制成。作为多孔的并且因此具有大的表
面积的活性炭已经广泛地用作吸收剂、催化剂载体以及用于双
层电容器和锂二次电池的电极材料。特别地,为了增加在可以
用于混合动力车等的双电层电容器中的能量密度,即电容量,
已要求将具有有效地形成于其上的细孔、结晶度高和表面积大
的活性炭用作电容器用电极材料。
对于可用作双电层电容器的电极材料的此类具有有效形成
的细孔的活性炭的工业生产,通常使用活化方法,在所述活化
方法中将碳材料如石油焦炭和碱金属化合物如氢氧化钾在惰性
气体气氛中在600至1200℃的温度下加热,从而使碱金属进入所
得石墨结晶层之间,并与之反应(专利文献1)。在该类型的活化
中,碱金属进入其中将稠和多环烃层压的层状结构,结果形成
细孔。
在通过用碱金属活化剂(alkali activator)活化碳材料来生产
双电层电容器电极用活性炭的方法中,活化剂通常以要与其混
合的碳材料的2至4重量份的量来使用。特别地,当目标比表面
积大到2000至3000m2/g的范围时,必须在大的“活化剂/碳材料”
比下生产活性炭。然而,由于碱金属活化剂占生产成本的比例
大,因此需要使要使用的碱金属活化剂的比例最小化。
在混合碳材料和碱金属活化剂的情况下,碳材料为防水的,
因而在与水溶性的碱金属活化剂的润湿性方面差。这两种材料
的简单混合导致二者之间的接触不充分。因而大部分活化剂未
用于活化反应,所得活化产物(活性炭)的比表面积小。
作为用于使这些材料强有力地接触的方法,已知其中用球
磨机或亨舍尔混合机(Henchel mixer)将材料机械混合和其中将
碱金属活化剂熔融然后与碳材料混合的方法(专利文献2)。然
而,这些方法中的任一种均需要以比理论量大的量使用活化剂,
以有效促进活化反应,但引起生产成本增加。
文献列表
专利文献
专利文献1:日本专利特开2006-059923号
专利文献2:日本专利特开2002-134369号
发明内容
发明要解决的问题
作为深入调查研究的结果,基于以下发现完成了本发明,
即,发现可以以极其有效地方式进行碳材料与碱金属活化剂的
反应的方法,结果能够使碱金属活化剂的量与从前相比减少。
用于解决问题的方案
即,本发明如下:
[1]一种用于生产双电层电容器电极用活性炭的方法,其
包括调整碳材料(包括碳材料的煅烧产物)的粒度,接着将所述
碳材料与碱金属活化剂混合,然后使混合物活化,其中进行所
述混合以使所述碳材料和所述碱金属活化剂的混合物中由
300μm以上大小的颗粒组成的粒度分布为5%以下;
[2]根据上述[1]所述的方法,其中所述碳材料可石墨化;
[3]根据上述[1]或[2]所述的方法,其中用于生产碳材料的
煅烧产物的煅烧温度为500℃以上至700℃以下;
[4]根据上述[1]至[3]任一项所述的方法,其中已调整粒度
的所述碳材料具有1μm以上至15μm以下的平均粒径;
[5]根据上述[1]至[4]任一项所述的方法,其中所述碳材料:
所述碱金属活化剂的混合比为1:1至1:4的质量比;
[6]一种双电层电容器电极用活性炭,其由根据上述[1]至
[5]任一项所述的方法生产;和
[7]一种双电层电容器,其包括根据上述[6]所述的电极用
活性炭。
发明的效果
本发明可以以极其有效地方式进行碳材料与碱金属活化剂
的反应,结果能够使碱金属活化剂的量与从前相比减少,导致
生产成本显著降低。此外,本发明可提供均匀性优良的活性炭,
活性炭用于双电层电容器电极可提供每单位体积的电容量大的
电容器。
附图说明
[图1]示出用于评价碳电极的层叠电池的结构的图。
[图2]示出用于测量电容器的初始特性(电容量、内部电阻)
的方法的图。
具体实施方式
以下将详细描述本发明。
在本发明中,将碳材料和/或其煅烧产物用作起始材料。
碳材料优选可石墨化的碳材料。可石墨化的碳材料的实例
包括石油焦炭和煤焦炭。可石墨化的碳材料还可为中间相沥青
以及通过将中间相沥青纺丝而生产的不熔化并碳化的中间相沥
青纤维。优选使用石油焦炭。
石油焦炭为通过在约500℃的高温下热裂化(焦化)石油的重
馏分而产生的主要含固体碳的产品,并且是指区别于普通煤系
焦炭的石油焦炭。存在通过延迟焦化产生的石油焦炭和通过流
化焦化产生的石油焦炭。目前,前者占多数。在本发明中,优
选使用从焦化器中取出的保持原样的石油生焦炭(生焦炭(green
coke))。通过延迟焦化产生的生焦炭含有6-13质量%的挥发组
分,而通过流化焦化产生的生焦炭含有4-7质量%的挥发组分。
在本发明中,可以使用通过这些方法的任一种生产的生焦炭。
然而,考虑到容易获得性和质量稳定性,通过延迟焦化产生的
生焦炭是特别适合的。
对石油的重馏分没有特别限定。重馏分的实例包括作为当
真空蒸馏石油时产生的残渣的重油、通过将石油流化催化裂化
而产生的重油、通过将石油加氢脱硫而产生的重油及其混合物。
在本发明中,(1)调整上述碳材料的粒度,然后与碱金属活
化剂混合用于活化反应,或者(2)将碳材料煅烧,接着调整粒度,
然后与碱金属活化剂混合用于活化反应。
在煅烧碳材料的情况下,在优选500至700℃、更优选500
至650℃温度的惰性气体中煅烧。在煅烧期间对升温速度没有特
别限定。然而,太慢的速度会导致处理耗时,而太快的升温会
使挥发组分爆发性地挥发,可能导致晶体结构的破坏。因此,
煅烧在30至600℃/小时、优选60至300℃/小时的速度下进行。
一旦达到预期的煅烧温度,则优选将温度保持一定时间。
该时间通常约为10分钟至2小时。
在本发明中,碳材料(包括煅烧产物)必须在与碱金属化合
物混合之前调整粒度。
进行粒度调整以使碳材料的平均粒径为1-15μm,优选
1-10μm,更优选1至8μm。小于1μm的粒径是不优选的,因为其
将招致由于颗粒间的熔合所引起的粒径增加。大于15μm的粒径
也是不优选的,因为其将大于预期粒度。
对调整碳材料的粒径的方法没有特别限定。通常使用其中
将碳材料用粉碎装置如喷射式粉碎机粉碎的方法。
接下来,在与碱金属活化剂混合的混合步骤和进行活化反
应的活化步骤中处理已调整粒度的碳材料。
在本发明中,碳材料和碱金属活化剂的混合状态可由以下
方法改进:使粒度分布中由300μm以上大小的颗粒组成的分布
值为5%以下,从而减少碱金属活化剂与碳材料的比。
为了获得碳材料与碱金属活化剂的混合物的最优粒度分
布,可使用已用于常规混合操作的方法,其中将用球磨机或亨
舍尔混合机粉碎的所得混合物用筛子分级,以除去直径为
300μm以上的颗粒。对粉碎条件没有特别限定,然而粉碎在室
温下进行10分钟至2小时。如必要,可将粉碎期间产生的粒度为
300μm以上的分级产物再次用于混合以生产预期混合物。
还优选使用其中使用兼具粉碎-混合功能和分级功能的粉
碎混合机的方法。该混合机为正规粉碎混合机,所述正规粉碎
混合机进一步装配有将混合物和尺寸比预设粒径大的回收颗粒
(returning particles)分级到粉碎混合机的分级装置,并能够通过
控制用于粉碎和混合的粉碎转子以及用于分级的分级转子的转
数来调整混合物的粒度。用兼具粉碎-混合功能和分级功能的粉
碎混合机粉碎比使用球磨机或亨舍尔混合机的常规粉碎和混合
更加有效,并通常在室温下进行10秒至5分钟。
本发明的发明人已发现,碳材料与碱金属活化剂的混合状
态的好坏与否同粒度分布中300μm以上直径的颗粒的比例相关
联。即,他们发现,当粒度分布中300μm以上粒度的颗粒的分
布值为5%以下时,获得优良的混合状态。
如上所述,当制造具有的比表面积与常规活性炭的比表面
积相同的活性炭时,形成均匀且优良的混合状态能够使活化在
较少活化剂下进行,并还能够生产具有优良的活化均一性的活
性炭。
本发明的特征在于,可通过如下方法来生产预期的活性炭:
将碳材料和碱金属活化剂混合,以致即使碱金属的量小于通常
的量,混合物也具有5%以下的300μm以上粒度分布。即,碳材
料与碱金属活化剂的混合比以二者的质量比(碳材料:碱金属活
化剂)计优选在1:1至1:4、更优选在1:1至1:3、更优选在1:1.2至
1:2.5。
用于活化反应的活化剂的实例包括KOH、NaOH、RbOH和
CsOH。其中,考虑到活化效率优选KOH。
如果反应可充分地进行,则对活化条件没有特别限定。该
反应可在与用于进行常规活性炭生产的常规活化处理的那些相
类似的条件下进行。例如,活化可通过如下来进行:混合碱金
属活化剂与碳材料,然后在优选400℃以上、更优选600℃以上、
更优选700℃以上的高温条件下加热混合物。如果进行活化反应
而没有任何问题,则对温度的上限没有特别限定,然而,优选
900℃以下。
然后使由此生产的活化产物进行洗涤处理。用于洗涤活化
产物的方法优选为其中用洗涤液洗涤活化产物并进行固-液分
离的方法。例如,可采用其中活化产物浸渍于洗涤液中,如必
要搅拌并加热从而与之混合,并除去洗涤液的方法。
洗涤液优选为水或酸的水溶液。例如,可使用,例如用水
洗涤、用酸的水溶液洗涤及再次用水洗涤等的任意组合。
酸的水溶液的实例包括氢卤酸(halogenated hydracid)如盐
酸、氢碘酸和氢溴酸,和无机酸如硫酸和碳酸。酸的水溶液的
浓度可为0.01-3N。必要时用这些洗涤液的洗涤可重复不只一
次。
如果洗涤后残留于活化产物中的碱金属量低于可能不利地
影响所得双电层电容器的水平(优选1000质量ppm以下),则不特
别限定该碱金属量。然而,例如,优选将活化产物洗涤以致清
洁剂排水(drain)的pH为7-8,以及洗涤以致尽可能除去碱金属。
洗涤之后,使活化产物进行常规进行的干燥步骤,从而生产预
期的活性碳。
通过本发明生产的活性碳通常具有1-12μm的平均粒径和
1500-3000m2/g的比表面积。另外,通过氮气吸附法测定的活性
碳中具有直径为0.1-50nm的孔的孔容积为0.5-3ml/g,而通过压
汞技术测定的活性碳中具有直径为0.05-300μm的孔的孔容积为
0.4-5ml/g。残留碱金属含量为200质量ppm以下。
使用本发明的具有上述用于双电层电容器电极的特性的活
性炭可以提供每单位体积的电容量大的双电层电容器。
接下来,将描述本发明的双电层电容器。
本发明的双电层电容器的特征在于,其设置有包含如上所
述制备的活性炭的电极。
所述电极配置有活性炭和粘结剂以及优选另外的导电剂并
且可以是与集电体一体化的电极。
此处使用的粘结剂可以是任何常规的粘结剂。粘结剂的实
例包括聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、氟化聚合物如聚四氟乙烯、
聚偏二氟乙烯和氟化烯烃/乙烯基醚交联的共聚物、纤维素如羧
甲基纤维素、乙烯基聚合物如聚乙烯基吡咯烷酮和聚乙烯醇、
以及聚丙烯酸类。对电极中粘结剂的含量没有特别限定。该含
量基于活性炭和粘结剂的总量通常在0.1-30质量%的范围内选
择。
所述导电剂可以是例如炭黑、粉状石墨、氧化钛和氧化钌
等的粉末状材料。电极中导电材料的共混量依赖于共混的目的
而适当选择。基于活性炭、粘结剂和导电剂的总量,该共混量
通常在1-50质量%、优选2-30质量%的范围内选择。
活性炭、粘结剂和导电剂可以通过常规方法混合。例如,
可以采用以下方法,其中将溶解粘结剂的溶剂添加至这些组分
以制备浆液,然后将浆液均匀地施涂至集电体上,或者其中将
这些组分在不添加该溶剂的情况下捏合并且在常温下或者在被
加热的同时加压。
所述集电体可以是具有常规形状的常规材料的那些中的任
一种。所述材料的实例包括金属如铝、钛、钽和镍以及合金如
不锈钢。
本发明的双电层电容器的单元电池通过以下形成:将用作
正极和负极的一对上述电极经由隔离膜(聚丙烯纤维无纺布、玻
璃纤维织物或合成纤维素纸)彼此相对地放置,然后将电极浸泡
在电解液中。
所述电解液可以是本领域已知的任何水性或有机电解液。
然而,优选使用有机电解液。此类有机电解液的实例包括用于
电化学电解液的那些如碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、
γ-丁内酯、环丁砜、环丁砜衍生物、3-甲基环丁砜、1,2-二甲氧
基乙烷、乙腈、戊二腈、戊腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、四
氢呋喃、二甲氧基乙烷、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、
和碳酸甲乙酯。这些电解液可以组合使用。
对有机电解液中的支持电解质(supporting electrolyte)没有
特别限定。因此,所述支持电解质可以是在电化学领域或电池
领域中通常使用的各种盐、酸和碱中的任一种。此类支持电解
质的实例包括无机离子盐如碱金属盐和碱土金属盐、季铵盐、
环状季铵盐和季鏻盐。优选的实例包括(C2H5)4NBF4、
(C2H5)3(CH3)NBF4、(C2H5)4PBF4、(C2H5)3(CH3)PBF4。电解液中
此类盐的浓度适当地选自通常为0.1-5mol/1、优选0.5-3mol/1的
范围。
对双电层电容器的更具体构造没有特别限定。然而,所述
构造的实例包括在金属盒中容纳厚度为10-500μm的片或盘的形
式的一对电极(正极和负极)以及夹持在电极之间的隔离膜的硬
币型、包括一对电极和设置在其间的隔离膜(它们均为卷绕的)
的卷绕型、以及包括经由隔离膜叠置的电极的层压型。
实施例
将参考以下实施例更详细地描述本发明,但本发明不限于
这些实施例。
比表面积和孔容积由通过BET法,使用自动比表面积测量
装置(BELSOPR-mini II型,由BELL JAPAN INC.制造)通过氮气
吸附获得的吸附等温线来计算。
粒度分布使用激光衍射型粒度分布测量设备(LA-950,由
HORIBA,Ltd.制造)测量。对于碳粉,其粒度分布通过在用水作
为分散介质与少量表面活性剂混合,然后用超声波照射后测量。
对于KOH/碳材料混合物,其粒度分布使用环己烷作为分散介质
测量。在粒度分布中占10%(D 10)、50%(D50,平均粒径)和
90%(D 90)的粒径以及300μm以上颗粒的分布值由基于体积的所
得粒度积分曲线来确定。
(实施例1)
用喷射式粉碎机将具有2mm以下平均粒径的石油生焦炭粉
碎以调整粒度至8μm的平均粒径。相对于100质量份粉碎产物以
140质量份的量添加氢氧化钾(KOH),然后在具有分级功能的粉
碎混合机(ACM混合机,由HOSOKAWA MICRON
CORPORATION制造)中混合。粉碎转子的转数为4500rpm,而
分级转子的转数为2400rpm。所得混合物具有16μm的D 50,
300μm以上的粒度分布值为0%。在氮气气氛下在750℃的温度
下将混合物活化1小时。用水和酸(使用盐酸)反复洗涤混合物以
除去残留在碳材料中的金属钾,并干燥,从而产生活化产物(双
电层电容器电极用碳材料)。所得活化产物(电极用碳材料)通过
氮气吸附法(BET法)测定的比表面积为1788m2/g,孔容积为
0.839cm3/g。
将所得电极碳材料与炭黑和聚四氟乙烯粉末混合,然后加
压,从而产生厚度约为150至200μm的碳电极片。从该片切出预
设尺寸的电极以生产图1所示的层压电池。该电池用于评价电容
器用碳电极材料。电解液为1.5M三乙基甲基四氟硼酸铵
(TEMA·BF4)的碳酸亚丙酯(PC)溶液。
将所述层压电池用于测量电容器的初始特性(电容量、内部
电阻)。图2示出测量方法。
通过测量用于计算的贮存在电容器中的能量总量来确定电
容量(能量换算法)。
电容量:C=2U/Vc2 Vc=Vm-ΔV
U:总放电能量(从满充电(full charge)Vm至0V的放电曲线
的积分值)
Vc:通过从满充电电压减去由于内部电阻导致的电压下降
而获得的实际电压
从开始放电后即刻的IR下降计算内部电阻。
内部电阻:R(Ω)=ΔV/I
其中I是放电电流(A)。
在恒定电流放电值从0.36mA/cm2改变为72mA/cm2之后,通
过测量电容量确定电容器的倍率特性(rate characteristics)。倍率
特性的结果归纳为基于0.36mA/cm2的放电时的电容量,在恒定
电流放电改变时电容量的维持率。结果示于表2。
(实施例2)
除了氢氧化钾与100质量份粉碎产物的比例改为220质量份
(混合物具有19μm的D50,300μm以上的粒度分布值为0%)以外,
在与实施例1相同的条件下生产混合物。活化所得混合物,从而
以与实施例1相同的步骤生产电极用活性炭。所得活化产物(电
极用碳材料)通过氮气吸附法(BET法)测定的比表面积为
2324m2/g,孔容积为1.087cm3/g。
(实施例3)
用喷射式粉碎机将与实施例1中所使用的相同的石油生焦
炭粉碎以具有13μm的平均粒径。用混合机将粉碎产物以100质
量份的量与220质量份KOH混合,其中粉碎转子的转数为
4500rpm,分级转子的转数为2000rpm(混合物具有21μm的D 50,
300μm以上的粒度分布值为0%)。活化所得混合物,所得活化产
物(电极用碳材料)通过氮气吸附法(BET法)测定的比表面积为
2091m2/g,孔容积为1.029cm3/g。
(实施例4)
在氮气气氛下将与实施例1中所使用的相同的石油生焦炭
在550℃的温度下煅烧1小时。煅烧期间的升温速度为200℃/小
时。用喷射式粉碎机将煅烧产物粉碎以具有6μm的平均粒径。
除了粉碎转子的转数为3500rpm以外,以与实施例2相同的方式
将粉碎产物与氢氧化钾混合,然后在700℃的温度下活化1小时、
洗涤并干燥,从而生产活性炭。混合物具有51μm的D 50,300μm
以上的粒度分布值为5%。混合物具有比表面积为2142m2/g,孔
容积为1.027cm3/g。
(实施例5)
除了在球磨机中将氢氧化钾以220质量份的量与100质量份
与实施例4中生产的相同的粉碎产物混合,并将混合物分级为
300μm以下的颗粒以外,用于实施例4相同的步骤生产电极用活
性炭。所得混合物具有69μm的D 50,300μm以上的粒度分布值
为0%,活性炭通过氮气吸附法(BET法)测定的比表面积为
2273m2/g,孔容积为1.050cm3/g。
(比较例1)
除了将粒度调整的碳材料与KOH不用粉碎混合机机混合
和使用常规球磨机在室温下粉碎1小时以外,依照实施例1的步
骤进行。混合物具有625μm的D 50,300μm以上的粒度分布值为
30.3%。以与实施例1相同的方式活化、洗涤并干燥混合物,但
不进行网筛。所得活性炭的比表面积为1465m2/g,孔容积为
0.655cm3/g。
(比较例2)
除了将粉碎产物(平均粒径为8μm,其通过粉碎与实施例1
中所使用的相同的石油生焦炭所产生)的比例从100质量份改为
80质量份以外,在与实施例1相同的条件下生产混合物(混合物
具有15μm的D50,300μm以上的粒度分布值为0%)。以与实施例
1相同的方式活化、洗涤并干燥混合物,从而生产活性炭。活性
炭的比表面积为1359m2/g,孔容积为0.621cm3/g。
(比较例3)
除了粉碎转子的转数改为3000rpm以外,以与实施例2相同
的步骤生产混合物(混合物具有52μm的D50,300μm以上的粒度
分布值为36.3%)。以与实施例2相同的方式活化、洗涤并干燥混
合物。所得活化产物(电极用碳材料)通过氮气吸附法(BET法)
测定的比表面积为1632m2/g,孔容积为0.780cm3/g。
(比较例4)
除了将粉碎转子和分级转子的转数各自改为3000rpm以
外,用与实施例2相同的步骤生产混合物(混合物具有53μm的
D50,300μm以上的粒度分布值为17.8%)。由该混合物生产电极
用活性炭。所得活性炭(电极用碳材料)通过氮气吸附法(BET法)
测定的比表面积为1692m2/g,孔容积为0.981cm3/g。
(比较例5)
除了将粉碎转子和分级转子的转数分别改为4500rpm和
1500rpm以外,用于实施例4相同的步骤生产混合物(混合物具有
80μm的D50,300μm以上的粒度分布值为25.2%)。由该混合物
生产电极用活性炭。所得活性炭(电极用碳材料)通过氮气吸附
法(BET法)测定的比表面积为1727m2/g,孔容积为0.824cm3/g。
(比较例6)
将与实施例5中使用的相同的粉碎产物和KOH用球磨机混
合的混合物具有1314μm的D50,300μm以上的粒度分布值为
59.1%。以与实施例5相同的方式活化、洗涤并干燥混合物,从
而生产活性炭。活性炭具有比表面积为1651m2/g,孔容积为
0.760cm3/g。
产业上的可利用性
本发明具有明显大的工业价值,因为其可以以极其有效的
方式使碳材料与比从前小的量的碱金属活化剂的反应进行,因
而可提供均匀性优良且每单位体积具有大电容量的活性炭。