(57)【要約】【課題】電気二重層コンデンサのような、高エネルギーデバイスに使用するためのカーボン材料及びカーボン材料作成方法を提供する。【解決手段】発明で得られるカーボン材料で作成される高エネルギーデバイスは高エネルギー密度を有する。カーボン材料作成方法は全体的に、カーボン前駆体及び添加剤を提供する工程、カーボン前駆体の硬化に先立ち、添加剤をカーボン前駆体と混合する工程、カーボン前駆体を炭化する工程及びカーボン材料から添加剤を除去する工程を含む。そのようなカーボン材料は電気二重層コンデンサに用いることができる。【選択図】なし
2009545160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体から形成されるカーボン材料において、前記カーボン材料が電気二重層コンデンサのための電極として組み込まれ、前記電気二重層コンデンサのエネルギー密度が少なくとも約９Ｗ時/リットルであることを特徴とするカーボン材料。
【請求項２】
合成不黒鉛化カーボン前駆体を含むカーボン材料において、前記カーボン材料が、炭化に先立って前記カーボン前駆体と混合され、続いて前記混合後に除去される添加剤のまわりに形成される細孔を有することを特徴とするカーボン材料。
【請求項３】
電気二重層コンデンサにおいて、
少なくとも２つの電極であって、前記電極の少なくとも１つは合成不黒鉛化カーボンを有するカーボン材料を含むものである電極、
それぞれが前記電極の１つと接触している、少なくとも２つの電流コレクタ、及び
前記電極の間に挟み込まれた電解質、
を有し、
前記電気二重層コンデンサのエネルギー密度が少なくとも約９Ｗ時/リットルである
ことを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
電極の作成方法において、
未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体及び添加剤を提供する工程、
前記未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体の硬化に先立ち、前記添加剤を前記カーボン前駆体と混合する工程、
前記カーボン前駆体及び前記添加剤を炭化する工程、
前記添加剤を除去し、カーボン材料を作成する工程、及び
前記カーボン材料から前記電極を形成する工程、
を含み、
前記カーボン材料が有する細孔は、その大半の直径が４０Åより大きく、細孔直径分布が２０〜１２０Åの範囲にあり、前記添加剤が無機塩または無機分子であることを特徴とする方法。
【請求項５】
電気二重層コンデンサの作成方法において、
電極を、
未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体及び添加剤を提供する工程、
前記未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体の硬化に先立ち、前記添加剤を前記カーボン前駆体と混合する工程、
前記カーボン前駆体及び前記添加剤を炭化する工程、
前記添加剤を除去し、カーボン材料を作成する工程、及び
前記カーボン材料から前記電極を形成する工程、
を含む方法によって形成する工程、
前記電極を電解質溶液に浸す工程と、
電流コレクタを提供する工程と、
前記電極、前記電流コレクタ及び前記電解質溶液を前記電気二重層コンデンサに集成する工程と、
を有してなり、
前記電気二重層コンデンサのエネルギー密度が少なくとも約９Ｗ時/リットルであり、
前記添加剤が無機塩または無機分子である、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカーボン材料及びカーボン材料作成方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、電気二重層コンデンサのような、高エネルギー密度貯蔵デバイスに用いられる電極及びその他のコンポーネントのためのカーボン材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサすなわちＥＤＬＣは、一般に（多孔セパレータで隔てられた）カーボン電極、電流コレクタ及び電解質溶液からなる、コンデンサの一タイプである。ＥＬＤＣセルに電圧が印加されると、陽極への陰イオン及び陰極への陽イオンの引きつけによるイオン電流が流れる。有極電極のそれぞれと電解質溶液の間の界面に電荷が貯えられる。
【０００３】
ＥＤＬＣの構造は用途に応じて変り、ＥＤＬＣの構造には、例えば、標準的なゼリーロール構造、柱状構造、ハニカム構造、ハイブリッド構造または技術上既知のその他の構造を含めることができる。ＥＤＬＣのエネルギー密度及び比出力は、用いられる電極及び電解質を含む、ＥＤＬＣの特性によって影響され得る。電極に関しては、大表面積カーボン、カーボンナノチューブ及びその他の形態のカーボン及び複合材がそのようなデバイスの作成に利用されてきた。とりわけ、カーボンベース電極が一般的であり、市販デバイスに広く用いられている。
【０００４】
そのような電極のための従来のカーボンは、木、木炭及びコールタールピッチのような天然材料から、あるいは樹脂のような合成材料から、生成することができる。合成前駆体が利用される場合、前駆体は一般に前駆体を初めに固化するために架橋され、（窒素のような）不活性雰囲気内で炭化され、次いで活性化される。活性化は通常、（二酸化炭素のような）ある程度酸化された雰囲気において高温（８００〜９００℃）でカーボンを加熱することによって行われる。炭化／活性化プロセス中に、カーボン材料の表面に多数の微細孔が形成される。微細孔はカーボンの表面積を増大させ、この結果、容量が増大する。その他の従来の電極用カーボンは、アルカリまたは酸で処理され、次いで細孔を形成するために高温でさらに処理される、硬化合成前駆体から生成することができる。
【０００５】
これまでそのような従来プロセスでつくられたカーボン電極を組み込んでいるＥＤＬＣのエネルギー密度は、通常６〜７Ｗ時/リットルの範囲内にある。しかし、このエネルギー密度範囲は、ハイブリッド車のような高エネルギー用途には十分ではないかまたは実用的ではない。したがって、高エネルギー用途に適するＥＤＬＣに使用するための新しいカーボン材料が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、ＥＤＬＣデバイスに用いられる従来のカーボン材料について、したがってＥＤＬＣデバイス全般について、問題点及び欠点を対処して無くすか、そうではなくとも改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体から生成されるカーボン材料を含み、このカーボン材料が電気二重層コンデンサのための電極として組み込まれた場合の電気二重層コンデンサのエネルギー密度は少なくとも約９Ｗ時/リットルである。
【０００８】
さらに上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は、合成不黒鉛化カーボン前駆体から生成される、電気二重層コンデンサに用いるためのカーボン材料を含み、このカーボン材料は、炭化に先立ってカーボンと混合され、続いて混合後に除去される添加剤のまわりに形成された細孔を有し、カーボン材料が有する細孔は、その大半の直径が４０Åより大きく、細孔径分布は２０〜１２０Åの範囲にある。
【０００９】
さらに上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は、合成不黒鉛化カーボン前駆体から生成されたカーボン材料を有する、電気二重層コンデンサに用いるための電極を含み、このカーボン材料は、炭化に先立ってカーボン前駆体と混合され、続いて混合後に除去される添加剤のまわりに形成された細孔を有し、カーボン材料が有する細孔は、その大半の直径が４０Åより大きく、細孔径分布は２０〜１２０Åの範囲にある。
【００１０】
さらに上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は少なくとも２つの電極、それぞれが電極の１つと接触している少なくとも２つの電流コレクタ及び電極間に配された電解質を有し、電極の内の少なくとも１つは合成不黒鉛化カーボンを含むカーボン材料を有する、電気二重層コンデンサを含み、この電気二重層コンデンサのエネルギー密度は少なくとも約９Ｗ時/リットルである。
【００１１】
さらに上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は、未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体及び添加剤を提供する工程、未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体の硬化に先立って添加剤をカーボン前駆体と混合する工程、カーボン前駆体及び添加剤を炭化する工程、添加剤を除去してカーボン材料を生成する工程及びカーボン材料から電極を形成する工程を含む、電極を作成する方法を含む。
【００１２】
さらに上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は、未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体及び添加剤を提供する工程、未硬化合成不黒鉛化カーボン前駆体の硬化に先立って添加剤をカーボン前駆体と混合する工程、カーボン前駆体及び添加剤を炭化する工程、添加剤を除去してカーボン材料を生成する工程、及びカーボン材料から電極を形成する工程を含む方法によって電極を形成する工程を含む、電気二重層コンデンサを作成する方法を含む。電気二重層コンデンサを作成する方法は、電極を電解質溶液に浸す工程、電流コレクタを提供する工程及び、電極、電流コレクタ及び電解質溶液を電気二重層コンデンサに集成する工程をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態にしたがうカーボン材料の透過電子顕微鏡写真
【図１Ｂ】添加剤（無機分子）除去プロセス途中のカーボンの一例を示す透過電子顕微鏡写真
【図２】本発明の一実施形態にしたがうカーボン材料のＸ線回折測定の結果を示す図
【図３】本発明の一実施形態にしたがって形成されたＥＤＬＣの略図
【図４】実施例１で説明されるプロセスによって得られたカーボン材料のＸ線回折測定の結果を示す図
【図５】実施例２で説明されるプロセスによって得られたカーボン材料のＸ線回折測定の結果を示す図
【図６】実施例３で説明されるプロセスによって得られたカーボン材料のＸ線回折測定の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書は、本発明を詳細に明示し、明瞭に権利を主張する、特許請求の範囲で終るが、本発明は添付図面とともになされる以下の説明からさらによく理解されるであろうと考えられる。
【００１５】
図面に示される実施形態は本質的に説明のためのものであり、特許請求の範囲で定められる本発明の限定を目的とするものではない。さらに、図面及び本発明の個々の特徴は詳細な説明を見ればさらに十分に明らかになり、理解されるであろう。
【００１６】
本発明は、ＥＤＬＣデバイスに用いられる電極及びその他のコンポーネントのための、新しいカーボン材料及びカーボン材料の生成方法を提供する。本明細書に用いられるように、電気二重層コンデンサすなわち「ＥＤＬＣ」は、例えば、標準的なゼリーロール構造、柱状構造、ハニカム構造、ハイブリッド構造、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサとして知られる構造または技術上既知のその他の構造を含む、電荷を貯えるように構成されたいずれかのデバイスを指す。カーボン材料を作成または生成する方法は、（無機分子のような）カーボンを後に残さない添加剤を合成カーボン前駆体と、合成カーボン前駆体の硬化に先立ち、混合する工程を含む。以下でさらに論じられるように、本明細書に説明されるようなカーボン前駆体と添加剤の混合は、添加剤が除去されたときに、多孔度が制御され、細孔直径が拡大されたカーボン材料を得ることができるように、合成カーボン前駆体内の添加剤の分子レベルでの一様分布を生じる。ＥＤＬＣデバイスに組み込まれる電極へのそのようなカーボン材料の配合の結果、優れたエネルギー密度を有し、その他の独特の特性も有する、ＥＤＬＣデバイスが得られる。
【００１７】
本明細書に論じられるカーボン材料を得るため、様々な合成カーボン前駆体を本発明の方法とともに用いることができる。合成カーボン材料は本明細書に説明されるいくつかの用途（すなわちＥＤＬＣ用電極）のために利用されるであろうと考えられる。用途に応じて、（合成カーボンとは対照的に）天然に生じるカーボンはＥＤＬＣの電解質溶液と望ましくない反応をおこす不純物を含むことが多いから、合成カーボン前駆体が好ましいことがあり得る。合成カーボン前駆体には、例えば、炭化時に１０％をこえるカーボン収率が得られる、いかなる不黒鉛化ポリマー材料も含めることができる。したがって、本発明に用いられる「不黒鉛化」ポリマー材料には、カーボンの実質的な部分が炭化時に黒鉛様結晶を形成しない、実質的な不黒鉛化ポリマー材料も含めることができる。対照的に、また以下に論じられるように、添加剤は炭化後にカーボンを後に残さない分子の群から選ばれるべきである。
【００１８】
有用な合成カーボン前駆体の例には、熱硬化樹脂のような、架橋性樹脂がある。カーボン前駆体は添加剤との混合時には未硬化であろうと考えられる。カーボン前駆体を硬化させないことで、前駆体は、前駆体が完全には架橋していないかあるいは可溶反応性オリゴマー段階にあることを意味する、未架橋であろう。本明細書で後に論じられるように、未架橋カーボン前駆体の利用により、カーボン前駆体が既に架橋して不溶性固体になっている従来のプロセスでは不可能な、カーボン前駆体と添加剤の分子レベル複合材料の形成が可能になる。もちろん、本発明の合成カーボン前駆体には、単一の前駆体材料または１つないしさらに多くの前駆体材料の混合物を含めることができる。
【００１９】
合成カーボン前駆体は液体形態または固体形態にあることができる。液体形態カーボン前駆体の特定の例には、フェノール樹脂及びフラン樹脂がある。フェノール樹脂（すなわち、レゾール及びノボラック）の特徴は、低粘度、高カーボン収率、他の前駆体に比較して高い硬化時架橋度、及び比較的低いコストである。米国ニューヨーク州ナイアガラフォールス（Niagara Falls）のOccidental Chemical Corporationから、Plyophen 43290の製品名で入手できるフェノール樹脂を用いることができる。Plyophen 43290は、フェノール、ホルムアルデヒド及び水を含有し、比重が１.２２〜１.２４，沸点が１００℃，１００グラム/リットルにおいてｐＨが７.５〜７.７の、液体一段法フェノール樹脂である。Borden Chemical Co.からDuriteの製品名で入手できる別のフェノール樹脂も同様に用いることができる。この樹脂はPlyophen 43290と化学的に同等であるが、粘度は約３００センチポアズである。論じられるように、QO Chemicals, Inc.からFurcarb（登録商標） LPの名称で入手できるような、フラン樹脂も用いることができる。Furcarb LP樹脂は、フルフリルアルコール内フェノール（最大４％）配合物であり、比重は１.２，沸点は１７０℃である。粘度は３００センチポアズである。
【００２０】
フェノールノボラックのような固体形態樹脂もカーボン前駆体として用いることができる。カーボン前駆体が室温で固体（すなわちフェノールノボラック）であれば、（本明細書で以下に論じられる）添加剤を加えることができる溶液を初めに形成するために、アセトンなどの適する溶剤に溶解させることができる。
【００２１】
先に論じたように、１つないしさらに多くの（無機分子のような）添加剤を、カーボン前駆体の硬化に先立ち、また多孔度が制御され、細孔直径が拡大されたカーボン材料を最終的に得るための炭化に先立って、カーボン前駆体と混合することができる。添加剤として用いることができる無機分子には、例えば、（本明細書で以下に論じられる）樹脂の硬化を可能にする、いずれかのアルカリ塩または非アルカリ塩がある。そのような塩の例には、ＫＯＨ，ＮａＯＨ，ＮａＣｌ及びＫＣｌがある。様々な、その他の無機塩またはその他の無機分子を、同様に本発明の方法及び材料とともに用いることができ、したがって、本発明は本明細書に挙げられる特定の例に限定されるべきではない。
【００２２】
上の議論では、本発明のカーボン材料を生成するために用いることができる、カーボン前駆体及び（無機分子のような）添加剤の例を挙げている。数少ない特定の例が本明細書に論じられるが、高エネルギー密度を示すであろうウルトラコンデンサにおける電極またはその他のコンポーネントとしての使用のために本発明のカーボン材料を生成するために、その他の多くのカーボン前駆体及び／または添加剤を用い得ることは理解されるであろう。
【００２３】
本明細書に論じられるカーボン材料を生成するために用いることができる多くのカーボン前駆体及び添加剤を説明したが、次にカーボン材料を作成または生成する方法を論じる。理論に束縛されず、また本明細書で以下に論じられるように、カーボン前駆体の硬化に先立つ、カーボン前駆体の無機分子との混合により、カーボン内の無機分子の一様分布を与えるためにカーボンがより良く無機分子を受け入れて無機分子と結合することが可能になると考えられる。さらに、硬化に先立ってカーボン前駆体を無機分子と混合することにより、炭化したときに、カーボンが添加剤のまわりで凝縮または架橋して、従来プロセスで作成したカーボンと比較して独特な態様で、多孔度が制御または予期され、細孔直径が拡大されたカーボン材料が最終的に得られるように、添加剤がカーボン前駆体内に一様に分布するであろうと考えられる。
【００２４】
カーボン前駆体は添加剤と、それぞれの成分の混合容器への装填及びこれに続く攪拌を含む、従来方法のいずれかで混合することができる。ＫＯＨのような無機塩及び合成不黒鉛化樹脂がそれぞれ添加剤及びカーボン前駆体として用いられる場合、混合物に加えられるＫＯＨの量と混合物に加えられる樹脂の量の比は、乾燥材料の重量ベースで、２：１とすることができる。しかし、混合物の添加剤／カーボン前駆体比は０.５〜３.０の範囲にあり得ると考えられる。さらに、カーボン前駆体及び／または添加剤は適切な溶剤と混合することができる。例えば、添加剤（すなわちＫＯＨ）は水のような溶剤と、５〜６０重量％，好ましくは２５〜５０重量％の範囲で、混合することができる。この溶液は次いでカーボン前駆体溶液（すなわちレゾール）と混合することができ、カーボン前駆体溶液は水と、５〜８０重量％，好ましくは４０〜８０重量％の範囲で、混合されている。
【００２５】
先に論じたように、この混合工程により、カーボン前駆体全体にわたる添加剤の分子レベル混合及び一様分布が可能になる。一様混合は、（あるとしても）有意な架橋はおこっていないような、未硬化カーボン前駆体の使用の結果である。特に、上で論じたように、フェノール樹脂のようなカーボン前駆体は未架橋前駆体（例えば完全には架橋していないかまたは可溶反応性オリゴマー段階の前駆体）としておくことができる。オリゴマー溶液は添加剤（すなわちアルカリ水溶液）と混合される。このプロセスにより、フェノール−ホルムアルデヒドオリゴマーと添加剤の分子レベル混合が可能になる。この混合物は次いで、熱処理して、前駆体と添加剤の分子複合体を生成することができる。
【００２６】
本明細書に説明されるカーボンは次いで、従来方法のいずれかによって炭化させることができ、よって無機分子の原子レベルの導入が可能になる。炭化中、添加剤の回りにカーボンを生成することができる。詳しくは、炭化中、低分子量有機化合物が樹脂構造から折り取られてカーボン生成が開始される。この炭化段階中、無機添加剤は、添加剤が高レベルで存在するため及び添加剤粒子の表面エネルギーのため、径がより大きく一様な粒子に凝集し始める。炭化プロセス中、カーボン分子が凝集し続けていくと、添加剤分子が相互に接触する。特に、高表面エネルギー及び高温によって、焼結及び添加剤分子凝集に対するエネルギー障壁が低くなる。炭化は一般に、低分子量分子を除去して後にカーボン残渣を残すための、不活性雰囲気内での高温への加熱を含む。窒素をこのプロセスに用いることができ、温度は少なくとも５００℃とするべきであるが、５００〜１１００℃のどこかとすることができる。
【００２７】
無機分子は、溶剤抽出または蒸気抽出のような抽出プロセスによって除去することができる。架橋前に用いられる添加剤（例えば無機分子及び粒子タイプ）に依存して、添加剤除去方法は異なり得る。ナトリウム塩またはカリウム塩のような無機分子については、大気圧または高圧における水または蒸気への曝露によって除去を行うことができる。一実施形態において、３００℃のような低温で添加剤を除去することができる。しかし、本明細書に用いられるような、「添加剤除去」は、炭化プロセス中、その後の抽出プロセス中またはいずれにおいても行うことができ、溶脱プロセスを含むことができる。本発明のカーボン材料を最終的に生成するために、従来のいずれかの溶脱プロセスを用いることができる。
【００２８】
上掲のプロセスの結果、多孔度が制御され、細孔直径が拡大されたカーボン材料が得られる。本明細書に論じられるように、無機分子はカーボン前駆体と一様に混合されるから、前駆体は無機分子のまわりで一様に架橋し、無機分子のまわりに一様に凝縮する。以降の炭化、（必要な場合の）洗浄及び脱溶時に、添加剤は除去され、一様に分布する開放細孔が形成される。また、カーボンへの無機分子の一様混合のため、溶脱時に細孔はカーボン内深くまでも侵入するであろう。例えば、本明細書に説明される方法でカーボン材料を作成すれば、細孔がカーボン材料を完全に貫通している、カーボン材料が得られることがわかった。さらに、無機分子はカーボン前駆体内で凝集し、よって前駆体の架橋の間により大きな空間を残すから、直径がより大きな細孔が形成される。例えば、カーボン材料にわたって分布する細孔の大半（５０％より多く、いくつかの実施形態では７５％）は４０Åより大きい細孔直径を有することがわかった。さらに、カーボン材料にわたって分布する細孔は２０〜１２０Åの範囲の細孔直径（細孔径分布）を有することがわかった。細孔寸法が大きいことから、電解質イオンは全カーボン表面積により容易に接近でき、イオンはより容易に移動できる。接近が容易なことから、イオン抵抗が低くなり、したがって、そのようなカーボン材料を組み込んでいるＥＤＬＣについてはパワー密度が高くなる。
【００２９】
添加剤の一様な分布及び凝集により、さらに、多孔度を有効に制御することが可能になる。特に、上述したプロセスの結果、細孔の直径、分布及び侵入をより良く予測することができる。図１Ａは本発明にしたがって得られたカーボン材料の一例を示す電子顕微鏡写真である。図示されるように、カーボン材料のカーボン材料全体にわたって分布する細孔の直径は２０〜１２０Åの範囲にある。さらに、細孔の大半の直径は４０Åをこえる。既述したように、この特性は、本明細書に説明される方法による添加剤のカーボン前駆体との混合の結果である。特に、図１Ｂは添加剤（有機分子）除去プロセス途中のカーボンの一例を示す電子顕微鏡写真である。図１Ｂの電子顕微鏡写真は、図１Ａのカーボン材料に示される細孔直径及び細孔直径分布を示す、カーボン前駆体内で凝集した無機種の大きさを示す。
【００３０】
さらに、図２は本発明で考えられたプロセスによって得られたカーボン材料のＸ線回折強度についての測定結果を示す。図２において、２θが約１４°，４４°及び６４°の位置にそれぞれピークＰ１，Ｐ２及びＰ３がある。さらに、Ｐ１，Ｐ２及びＰ３はそれぞれ、５.４００２，２.０５５３及び１.４４５９の層間距離（ｄ）を有する。
【００３１】
本発明で考えられたプロセスによって作成されたカーボン材料は、高エネルギーデバイスに使用するための電極またはその他のコンポーネントを作成するために用いることができる。カーボン材料から電極を作成するため、得られたカーボン材料を粉砕して１００μｍより小さい調節された粒径にすることができる。粉砕されたカーボン材料は次いで、カーボンブラック、粉末化黒鉛、金属粉末またはその他の導電助長剤と組み合せることができる。導電助長剤はカーボン材料に導電性を付与する。ＰＴＦＥ，ＰＶＤＦ，ＰＥまたはＰＰのような結合剤あるいは技術上既知の水性溶剤ベース結合剤も加えることができる。シート電極を形成するため、これらの材料を練り合わせ、圧延してシートにすることができる。一実施形態において、カーボン材料、導電助長剤及び結合剤のような３つの成分の配合比は、カーボン材料がほぼ８０重量％ないしそれ以上、導電助長剤が１０重量％まで、結合剤が１０重量％までである。もちろん、本明細書に説明されるカーボン材料を利用する電極の形成には従来のいずれかのプロセスを用いることができる。本発明のプロセスによって形成された電極は、水性電解質において２８０〜３２０Ｆ/ｇもの、また有機電解質において１２０〜２００Ｆ/ｇもの、高い容量を有することがわかった。
【００３２】
本明細書に説明されるカーボン材料で作成された電極はＥＤＬＣに組み込んでエネルギー密度及び比出力を高めることができる。先に論じたように、ＥＤＬＣには、例えば、標準的なゼリーロール構造、柱状構造、ハニカム構造、（例えば、一方の電極がカーボンであり、他方の電極が、金属酸化物、導電性ポリマーまたはその他のような擬容量性材料である）ハイブリッド、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサまたは技術上既知のその他の構造を含む、電荷を貯えるために構成されたいずれかのデバイスを含めることができる。さらに、本明細書に説明されるカーボン材料を利用するＥＤＬＣは様々な従来プロセスのいずれかによって構成することができる。ＥＤＬＣの一実施形態の基本要素の配置が図３に示される。電解質２０が２つの対向する多孔電極３０に接触し、多孔電極３０内に浸透することができる。例えば、電極は陽極及び陰極を形成するためにセパレータを介して重ね合わせることができる。次いで、電極を電解質溶液に浸すことができる。電解質溶液には、（ｉ）有機溶剤（すなわち、アセトニトリル（ＡＮ），プロピレンカーボネート（ＰＣ））に溶解させた、塩（すなわち、Ｍｅ３ＥｔＮ＋，ＭｅＥｔ３Ｎ＋，ＥｔＮ−，ＢＦ４−，ＰＦ６−）または技術上既知のその他の塩、（ii）水性溶剤（すなわち、ＫＯＨまたは、Ｈ２ＳＯ４のような無機酸）中の塩、あるいは（iii）イオン性液体及び技術上既知のその他の電解質を含めることができる。電極３０は２つの金属電流コレクタ４０と接触し、２つの金属電流コレクタ４０の間にあることができる。流体または圧縮性の電解質の場合、短絡を防止するため、電解質が浸透できるセパレータまたはスペーサ５０を電極３０の間に挟み込むことができる。
【００３３】
以下の実施例に表されるように、本発明で考えられたプロセスによって作成されたカーボン材料を有する電極を用いて集成されたＥＤＬＣでは、エネルギー密度が、少なくとも９Ｗ時/リットルで、約１２〜１５Ｗ時/リットルもの高い範囲にある、ＥＬＤＣが得られる。そのようなＥＤＬＣでは比出力も、約４０００Ｗ/ｋｇより大きく、５０００Ｗ/ｋｇをこえることができる。そのようのエネルギー密度及び比出力は従来プロセスではこれまで達成されていなかった。
【実施例】
【００３４】
本発明をさらに十分に説明するため、以下の、非限定的実施例が提示される。分率、割合及び百分比は全て、別に言明されない限り、重量ベースである。
【００３５】
実施例１
４５重量％ＮａＯＨ水溶液３００ｇを、約７０％の樹脂が３０％の水に入れられている、合成フェノールレゾール樹脂１００ｇと混合した。続いて、混合物を１８０℃で乾燥し、硬化させて、スポンジ様塊を形成した。この塊を窒素中で２時間、８００℃に加熱して樹脂を炭化した。続いて、炭化した樹脂を蒸気処理してカーボンからナトリウムを除去した。次いで、このカーボンを粉砕して平均粒径がほぼ１０μｍのカーボン粉末にした。カーボン粉末を１０ｇのカーボンブラック及び１０ｇのＰＴＦＥと混合して、十分に混合された塊を得た。続いて、この混合物を練りロール機で圧延して、ほぼ５０μｍ厚の薄膜を得た。得た薄膜からカーボン電極を型抜きした。
【００３６】
次いで、電極を電解質溶液（アセトニトリル中１ＭのＴＥＡ-ＴＦＢ）に浸した。多孔セパレータも同じ電解質溶液に浸し、間にセパレータを挟み込んだ２つの電極をアルミニウム電流コレクタと集成してボタン型セルにした。このセルの性能を測定するため、標準的な電解電量測定試験を検流測定試験とともに行った。デバイスのエネルギー密度測定値は１５Ｗ時/リットルであり、比出力測定値は５７１３Ｗ/ｋｇであった。このカーボンのＢＥＴ表面積は１６００ｍ２/ｇであった。図４は、実施例１のカーボン材料の小角度Ｘ線回折パターンについての測定結果を示す。２θが約１.５°の位置にピークＰ１'がある。さらに、Ｐ１'は６８.９４の層間距離（ｄ）を有する。
【００３７】
実施例２
実施例１の実験を反復した。ただし、本発明のプロセスで作成したカーボン材料を用いる代りに標準的な従来の市販のカーボンを用いた。詳しくは、ＥＤＬＣ用途のために特に開発された、米国オハイオ州コロンバス（Columbus）のPICA USA Inc.からのカーボンを用いた。セルの性能を測定するために標準的な電解電量測定試験を検流測定試験とともに行った。このデバイスのエネルギー密度測定値は６Ｗ時/リットルであり、比出力測定値は３７０７Ｗ/ｋｇであった。このカーボンのＢＥＴ表面積は１８００ｍ２/ｇであった。図５は、本実施例のカーボンの小角度Ｘ線回折パターンについての測定結果を示す。２θが約１.５°の位置にピークＰ２'がある。さらに重要なことには、Ｐ２'は５７.３２の層間距離（ｄ）を有する。
【００３８】
実施例３
実施例１の実験を反復した。ただし、４５重量％のＮａＯＨ溶液を用いる代りに４５重量％のＫＯＨ溶液を用いた。セルの性能を測定するために標準的な電解電量測定試験を検流測定試験とともに行った。このデバイスのエネルギー密度測定値は１５.６Ｗ時/リットルであり、比出力測定値は６５１８Ｗ/ｋｇであった。図６は、実施例３で得られたカーボンの小角度Ｘ線回折パターンを示す。２θが約１°の位置にピークＰ３'がある。さらに、Ｐ３'は９５.９５の層間距離（ｄ）を有する。
【００３９】
実施例４
実施例３の実験を反復した。ただし、スポンジ様塊を８００℃に加熱するのではなく９００℃に加熱した。セルの性能を測定するために標準的な電解電量測定試験を検流測定試験とともに行った。このデバイスのエネルギー密度測定値は１４Ｗ時/リットルであり、比出力測定値は３７０７Ｗ/ｋｇであった。このカーボンのＢＥＴ表面積は１６００ｍ２/ｇであった。
【００４０】
本発明にしたがう電気二重層コンデンサ、コンデンサ材料及びコンデンサ材料を作成するための方法が上述した実施形態に限定されないことは当然のことである。多くの別形、改変及び変形が上記教示の当業者には明らかであろう。例えば、本発明にしたがうカーボン材料は多くのカーボン前駆体及び添加剤で作成することができる。さらに、本明細書に説明されるカーボン材料を利用する電極及びＥＤＬＣを構成するためには多くのプロセスを用いることができる。したがって、いくつかの別の実施形態を特に説明したが、その他の実施形態が当業者には明らかであるかまたは当業者によって比較的容易に開発されるであろう。したがって、本発明は、本明細書で論じた、また特許請求の精神及び広い範囲内に入るその他の、別形、改変及び変形の全てを包含するとされる。
【符号の説明】
【００４１】
２０    電解質
３０    電極
４０    電流コレクタ
５０    セパレータ
【図１Ａ】
2009545160.tif 000003
【図１Ｂ】
2009545160.tif 000004
【図２】
2009545160.tif 000005
【図３】
2009545160.tif 000006
【図４】
2009545160.tif 000007
【図５】
2009545160.tif 000008
【図６】
2009545160.tif 000009
【国際調査報告】
2009545160.tif 000010
2009545160.tif 000011