(57)【要約】電気二重層キャパシタ電極用の活性炭製造用またはニードルコークス製造用の原料油として、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有する原料油組成物が提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有することを特徴とする原料炭用原料油組成物。
【請求項２】
前記石油類が、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、またはこれらの混合油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項３】
前記炭化水素油が、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製した重質油、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、または脱硫減圧軽油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項４】
５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下である原料炭を与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭。
【請求項６】
請求項５に記載の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭。
【請求項７】
請求項６に記載の活性炭を電極材料に用いた電気二重層キャパシタ。
【請求項８】
請求項５に記載の原料炭を８００〜１６００℃でか焼して得られるニードルコークス。
【請求項９】
硫黄分が０．５質量％以下、窒素分が０．１質量％以下であることを特徴とする請求項８に記載のニードルコークス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電用炭素材料用およびニードルコークス用原料油組成物並びに原料炭に関する。特に本発明は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭として残存アルカリ金属を除去し易い活性炭を与える原料油組成物並びに原料炭に関する。また本発明は、ニードルコークス用としても好適な原料油組成物並びに原料炭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素材料は、逐電分野に幅広く利用されている。このような蓄電用炭素材料としては、例えば、比較的表面積の大きな活性炭が電気二重層キャパシタの電極に用いられ、また、比較的表面積の小さなコークスは、リチウムイオン二次電池の負極として用いられている。なかでも、バックアップ電源、補助電源などとして電気二重層キャパシタが注目を集めており、活性炭の電気二重層キャパシタ用の電極としての性能に着目した開発が広くなされている。活性炭を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタは静電容量に優れるため、エレクトロニクス分野の発展と共に、電気デバイス電極用途などの需要も急成長している。さらに、最近では、従来のメモリーバックアップ電源等の小型化に加え、モーター等の補助電源に使われるような大容量製品の開発なども行われている。
これら活性炭の製造方法としては、炭素質材料をガス賦活処理もしくは薬剤賦活処理、例えば賦活助剤としてアルカリ金属水酸化物を用いたアルカリ賦活処理を行い、その後に、賦活処理物からアルカリ金属や重金属を除去するために、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸で中和洗浄することが一般的に行われている。
電気二重層キャパシタの高性能化が要求されるに伴い、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭中の残留アルカリ金属を一層低減するニーズが生じてきている。しかし、特許文献１（特開２００５−１２３４６２号公報）に記載されているように、水洗や酸洗の繰り返しによりある程度の濃度まではアルカリ金属を除去できても、それ以上の除去は困難である。そのため、アルカリ賦活後の炭素材を用いた電気二重層キャパシタは、初期のキャパシタ容量は優れているものの、長時間使用したときにキャパシタ容量の低下が大きいという経時劣化の問題がある。
一方、洗浄操作の観点から見ると、洗浄操作は出来るだけ簡単、すなわち、洗浄回数は出来る限り少ない方がコスト的にも望ましい。特許文献２（国際公開第２００４−０１１３７１号パンフレット）においては、易黒鉛化炭素質材料をアルカリ賦活処理し、得られた賦活処理物を、熱水、炭酸水、熱塩酸、アンモニア水、熱塩酸および熱水の順で洗浄することにより活性炭を得ることが記載されているが、洗浄操作が煩雑であることから、残存アルカリ金属が除去され易い構造をもつ活性炭の開発が強く望まれていた。
一方、電気製鋼用黒鉛電極の骨材に使用されるニードルコークスは、一般的には石油系重質油やコールタールを原料として製造される。黒鉛電極の製造工程においては、まず、コークス粒とバインダーピッチとを所定の割合で配合し、加熱捏合した後、押し出し成型して生電極を製造する。そして、この生電極を焼成し、黒鉛化した後、加工することにより黒鉛電極製品が得られる。
黒鉛電極は高温雰囲気などの過酷な条件で使用されるため、熱膨張係数（ＣＴＥ）が低いことが望まれる。つまり、熱膨張係数が小さいものほど電気製鋼時の電極消耗は小さくなり、電気製鋼のコストを低減することができる。
また、上記の黒鉛化は約３０００℃で熱処理する工程であり、直接通電方式の炉（ＬＷＧ炉）を用いる方法が一般的であるが、ＬＷＧ炉を用いて黒鉛化を行うと、昇温速度が速いためにガスの発生速度が速くなり、パッフィング（ｐｕｆｆｉｎｇ）と呼ばれる異常膨張現象が起こりやすくなる。パッフィングが起こると、電極が低密度化し、場合によっては電極が破損してしまう。
そこで、ニードルコークスの製造時に熱膨張係数及びパッフィングの品質を制御する方法が検討されており、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献３（特開平５−１０５８８１号公報）には、コールタール系原料から、キノリン不溶分を実質的に除去した脱ＱＩピッチに重合度を調整したオリゴマーを添加し、そのままディレードコーキング法によりコークス化する方法が開示されている。また特許文献４（特開平５−１６３４９１号公報）には、コールタール系重質油と石油系重質油とを窒素分１．０重量％以下、硫黄分１．４重量％以下となる範囲の割合に混合して原料油を調整し、この原料油をディレードコーカーに装入して、生コークスを製造し、得られた生コークスを７００〜９００℃の温度範囲でか焼し、一旦冷却した後、再び１２００〜１６００℃の温度範囲でか焼する方法が開示されている。また特許文献５（特開平５−２０２３６２号公報）には、石炭を急速熱分解して石炭タールを製造するに際し、反応炉内の熱分解温度を７５０℃以上に保ち、かつ熱分解生成物の反応炉内滞留時間を５秒以下とすることにより液状生成物を得て、この液状生成物またはこれに含まれるピッチを炭化する方法が開示されている。また特許文献６（特開平７−３２６７号公報）には、石油系重質油単独又は該石油系重質油に予めキノリン不溶分を除去したコールタール系重質油を混合したものを原料油としてディレードコーキングし、ニードルコークスを製造するに際し、石油系重質油として灰分等のパーティクル含有量が０．０５重量％乃至１重量％の範囲になるように予め調整したものを用いる方法が開示されている。
しかし、特許文献３〜６に記載の方法であっても、熱膨張係数の低下又はパッフィングの抑制の効果は必ずしも十分とはいえず、得られるコークスの品質は電気製鋼用黒鉛電極の骨材としての要求レベルに未だ到達していないのが実情である。
【発明の開示】
【０００３】
本発明者らは、活性炭の原料となる原料油の観点から幅広く検討し、特定の原料油を組み合わせ、それらをコーキング処理したのち、得られる原料炭をアルカリ賦活して得られた活性炭は、洗浄時において、洗浄液の出入りが容易となり、その結果、活性炭中の残存アルカリ含有量を低減でき、また洗浄操作も簡略化できることを見出した。
さらに本発明者らは、かかる特定の原料油を組み合わせた原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭を、さらにか焼して得られるニードルコークスが、熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制されるものであることを見出した。
なお、本発明において「原料炭」とは、重質油や残渣油等の原料油をコーキング処理して得られる、活性炭またはニードルコークスの原料となる炭化物をいう。
すなわち、本発明は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有することを特徴とする原料炭用原料油組成物に関する。
また、本発明は、前記の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭に関する。
また、本発明は、前記の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭に関する。
また、本発明は、前記の活性炭を電極材料として用いた電気二重層キャパシタに関する。
さらに、本発明は、前記の原料炭を８００〜１６００℃でか焼して得られるニードルコークスに関する。
［発明の効果］
特定の重質油を混合して得られる本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、洗浄液が出入りし易く、その結果、同じ洗浄操作でも残存アルカリ金属量が少なくなるため、それを電極材料に用いた電気二重層キャパシタのサイクル特性が向上する。また、洗浄操作が簡略化されるため、活性炭をより安価に製造でき、その工業的価値は極めて大きい。また本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭を、さらにか焼して得られるニードルコークスは、熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の原料炭用原料油組成物は、活性炭用またはニードルコークス用の原料炭を製造するために好適な原料油組成物であり、石油類の減圧蒸留により得られる特定性状を有する重質油（以下、第１の重質油という。）と炭化水素油の流動接触分解により得られる特定性状を有する重質油（以下、第２の重質油という。）の混合物からなる。
本発明に係る第１の重質油は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、且つ硫黄分０．３質量％以下の重質油である。
第１の重質油の原料油である石油類としては、例えば、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、及びこれらの混合油等が挙げられる。
上記原料油（石油類）を減圧蒸留するときの処理条件は、得られる第１の重質油の沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす限りにおいて特に制限されないが、圧力は３０ｋＰａ以下が好ましく、温度は４００℃以上が好ましい。
このようにして減圧蒸留したときに残渣油として得られる重質油のうち、沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす重質油が本発明に係る第１の重質油として用いられる。
すなわち、第１の重質油の初留点は３００℃以上であることが必要であり、好ましくは３５０℃以上である。初留点が３００℃未満の場合、原料炭の収率低下が起こり、また、原料炭が非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくない。初留点の上限は４５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは４００℃以下である。
また、第１の重質油のアスファルテン分は１２質量％以下であることが必要であり、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは９質量％以下である。アスファルテン分が１２質量％を超えると、早期コーキングが進行し、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなるため好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。なお、アスファルテン分の下限は０質量％である。
また、第１の重質油の飽和分は５０質量％以上であることが必要であり、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６０質量％以上である。飽和分が５０質量％未満であるとメソフェーズの配向性が悪くなり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。飽和分の上限は８５質量％以下あることが好ましく、より好ましくは８０質量％以下である。
また、第１の重質油の硫黄分は０．３質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．２質量％以下、より好ましくは０．１質量％以下である。硫黄分が０．３質量％を超えると早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができないため好ましくない。
本発明に係る第２の重質油は、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の重質油である。
ここで、「流動接触分解」とは、固体酸触媒などを用いて高沸点留分を分解する処理を意味する。かかる処理に用いられる流動接触分解装置はＦＣＣ（Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）装置とも呼ばれる。
第２の重質油の原料油である炭化水素油としては、流動接触分解により初留点および硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能なものであれば特に制限されないが、１５℃における密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上である炭化水素油が好ましい。
このような炭化水素油としては、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、脱硫減圧軽油、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製したもの、及びこれらの混合物などが挙げられる。本発明においては、減圧軽油及び脱硫減圧軽油が特に好ましく用いられる。
また、流動接触分解の条件は、初留点及び硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能であれば特に制限されないが、例えば、反応温度４８０〜５５０℃、全圧１〜３ｋｇ／ｃｍ２Ｇ（９８〜２９４ｋＰａゲージ圧）、触媒／油比１〜２０ｗｔ／ｗｔ、接触時間１〜１０秒とすることが好ましい。
また、流動接触分解に用いられる触媒としては、例えば、シリカ・アルミナ触媒、ゼオライト触媒、あるいはこれらの触媒に白金などの金属を担持したものなどが挙げられる。これらの触媒は市販品を用いてもよい。
このようにして得られる第２の重質油の初留点は１５０℃以上であることが必要であり、好ましくは２００℃以上であり、より好ましくは２２０℃以上である。なお、初留点が１５０℃未満であると原料炭の収率が低下し、また得られる原料炭は非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。初留点の上限は３５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは３００℃以下である。
また、第２の重質油の硫黄分は０．５質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．４質量％以下、より好ましくは０．３質量％以下である。硫黄分が０．５質量％を超えると、早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができないため好ましくない。
また、第２の重質油の窒素分は特に限定されないが、０．２質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１５質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下である。窒素分が０．２質量％より多いと、ニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができない。
本発明の原料油組成物は、前記した第１の重質油と第２の重質油を混合することにより得られる。
第１の重質油と第２の重質油の混合割合としては、電気二重層キャパシタ用電極材料に用いる活性炭を製造する場合は、第１の重質油の含有割合が、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、さらに好ましくは３０〜６０質量％となるように配合する。また、ニードルコークス用のコークスを製造する場合は、第１の重質油と第２の重質油との混合比は、第１の重質油が１〜５０質量％であることが好ましく、５〜５０質量％であることがより好ましく、１５〜５０質量％であることが更に好ましい。
次に、本発明の原料油組成物をコーキング（炭化）処理する。
原料油組成物をコーキングする方法としては、ディレードコーキング法、ビスブレーキング法、フレキシコーキング法、ユリカプロセス、Ｈ−Ｏｉｌなどが挙げられるが、これらの中でも特にディレードコーキング法が好ましい。
ディレードコーキング法においては、原料油組成物をディレードコーカーに入れ、加圧下で熱処理する。ディレードコーカーの圧力は３００〜８００ｋＰａが好ましい。温度は好ましくは４００〜６００℃、より好ましくは４５０〜５５０℃であり、時間は好ましくは２４〜７２時間、より好ましくは３６〜６０時間である。
かかるコーキング処理により、原料炭となる炭化物（生コークス）が得られる。
本発明において、第１の重質油と第２の重質油とを含有してなる本発明の原料油組成物は、５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下、好ましくは２％以下である原料炭を与えるものであることが望ましい。ここで、原料炭中に１０μｍ以下のモザイク組織の割合が小さいことは、メソフェーズと呼ばれる液晶の成長状態が良好であることを意味する。メソフェーズは、原料油の熱処理に伴い熱分解と重縮合が起こることによって生成する中間生成物であり、同一平面に沿って芳香族環の連なりが発達したものである。
なお、原料炭中のモザイク組織の測定方法については、「炭素化工学の基礎」真田雄三、大谷杉郎（オーム社）１４７頁に記載のとおりである。
従来、原料油中に飽和分、特に脂肪族分が多く含まれると、コーキング時に芳香族成分の重合及び重縮合以外に架橋反応が起こるため、三次元構造の結晶が成長してメソフェーズが十分に成長せず、結晶性の劣る構造となり、その結果、ニードルコークスの熱膨張係数が大きくなると考えられており、また活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなると考えられている。この点を鑑みれば、上記第１の重質油の飽和分が５０質量％以上であっても１０μｍ以下のモザイク組織が５％以下のコークスが得られることは驚くべき結果である。
コーキング処理により得られた原料炭は、次いでアルカリ賦活処理することにより活性炭とすることができる。また、アルカリ賦活処理するにあたり、前記原料炭を不活性雰囲気下、常圧下、５５０〜９００℃、好ましくは６００〜８５０℃で一旦熱処理したのちアルカリ賦活処理することも好ましく採用される。
本発明においては、このようにして得られた活性炭を電気二重層キャパシタ用の電極材料として用いる。
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活方法としては、賦活炉を用いて、窒素ガスや不活性ガス雰囲気中で金属水酸化物と共に、原料炭または原料炭熱処理物を５００〜１２００℃で加熱する方法を挙げることができる。金属水酸化物としては、具体的には、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や、水酸化マグネシウム、水酸化バリウム等のアルカリ土類金属水酸化物を挙げることができる。また、これらを１種のみならず、２種以上を組み合わせて使用することもできる。これらのうち、特に水酸化カリウムが、微細孔を効率よく形成できる点で好ましい。
上記原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の使用量としては、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比で１／０．５〜１／１０とすることができ、好ましくは１／１〜１／５である。
原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／０．５以下とすることにより、活性炭に微孔を十分に形成することができ、十分な表面積を有する活性炭を得ることができる。また、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／１０以上とすることにより、かさ密度が低下することなく、賦活反応を効率よく行うことができる。
また、賦活反応においては、原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の他に、水等が共存していてもよい。
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活において、賦活の温度としては、例えば５００〜１２００℃の範囲を挙げることができ、好ましくは６００〜１０００℃、より好ましくは６００〜８００℃の範囲を挙げることができる。賦活温度が上記範囲であれば、十分な微細孔を有する活性炭を効率よく得ることができる。賦活処理時間としては、温度等の条件との関連において適宜選択することができ、例えば３〜６時間を挙げることができる。
賦活を行う際の不活性ガスとしては、不活性ガスや窒素ガスを挙げることができ、例えば、賦活雰囲気の酸素濃度を１００容量ｐｐｍ以下に保持できるような供給することが好ましい。
賦活物の洗浄は、賦活物を洗浄液により洗浄して固液分離を行う洗浄であり、賦活物を洗浄液に浸漬し、必要に応じて攪拌、加熱などを行い洗浄液と混合した後、洗浄液を除去する方法を挙げることができる。洗浄液としては、水及び酸水溶液を用いることが好ましく、例えば、水による洗浄、酸水溶液による洗浄、更に水による洗浄など、適宜組み合わせて用いることができる。酸水溶液としては、塩酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸などのハロゲン化水素酸、硫酸、炭酸などの無機酸を好ましいものとして挙げることができる。酸水溶液の濃度は、例えば、０．０１〜３Ｎを挙げることができる。これらの洗浄液による洗浄は必要に応じて、複数回反復して行うことができる。
上記洗浄液を用いた洗浄工程の最終の洗浄後、洗浄液から固液分離を行い、適宜加熱、風乾などを行い、水分を除去し乾燥した活性炭を得ることができる。
本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、従来の活性炭に比較して、同じ洗浄操作で洗浄した場合、残存アルカリ金属が少なくなる特徴を有する。残存アルカリ金属が低減する理由としては、本発明に係る原料炭は賦活剤の金属水酸化物が浸入し易く、また抜けやすい結晶構造になっており、さらに、得られた活性炭は洗浄液の浸入および脱出が容易になる結晶構造になっていることによると考えられる。
また、これに加え、本発明による活性炭を電気二重層キャパシタの電極に用いた場合、充放電時の電解質イオンの出入りも容易となり、サイクル特性試験での静電容量保持率が向上する特徴を有する。
本発明の電気二重層キャパシタは、本発明の原料油組成物から得られる原料炭または原料炭熱処理物を賦活処理して得られる活性炭を電極材料として用いたものである。
本発明の電気二重層キャパシタの電極としては、上記活性炭を含むものであれば、特に制限を受けるものではないが、結着剤、導電剤などを含有してもよく、集電体と一体化したものであってもよい。
結着剤としては、公知のものを使用することができ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン／ビニルエーテル共重合体架橋ポリマーなどのフッ素化ポリマー、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどのビニル系ポリマー、ポリアクリル酸などを挙げることができる。結着剤の電極材料中の含有量としては、具体的には、０．１〜３０質量％などとすることができる。
導電剤としては、具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、粉末グラファイトなどの粉末を挙げることができる。導電剤の電極材料中の含有量としては、１〜５０質量％の範囲が好ましく、より好ましくは２〜３０質量％である。
これらの材料を用いて電極を作製するには、例えば、上記結着剤を溶解する溶媒に上記活性炭、結着剤、導電剤を添加しスラリー状としてシート状の集電体に塗布する方法、溶媒を使用せずに上記活性炭、結着剤、導電剤を混練し常温または加熱下で加圧成形する方法などを挙げることができる。
集電体としては、公知の材質、形状のものを使用することができ、具体的には、アルミニウム、チタン、タンタル、ニッケルなどの金属や、ステンレスなどの合金などを挙げることができる。
本発明の電気二重層キャパシタは、上記電極を正極及び負極として１対を、セパレーターを介して対向して設け、電解液中に浸漬した単位セルとして作製することができる。セパレーターとしては、ポリプロピレン繊維製、ガラス繊維製などの不職布や、セルロース紙などを用いることができる。
また、電解液としては、水系電解液、非水系電解液を使用することができるが、非水系電解液を用いることが好ましい。かかる非水系電解液としては、有機溶媒に電解質を溶解したものを挙げることができ、溶媒としては、具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、３−メチルスルホランなどスルホラン誘導体、１，２−ジメトキシエタンなどジメトキシエタン、アセトニトリル、グルタロノトリル、バレロニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、メチルフォルメート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを挙げることができ、これらを１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また電解液の電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土金属塩などの無機イオン塩、４級アンモニウム塩、環状４級アンモニウム塩、４級ホスホニウム塩類などを挙げることができ、具体的には、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＰＢＦ４などを挙げることができる。電解液中の電解質濃度は、０．１〜５ｍｏｌ／Ｌとすることができ、好ましくは０．５〜５ｍｏｌ／Ｌである。
本発明の電気二重層キャパシタの形状としては、例えば、セパレーターを介して厚さ５０〜５００μｍのシート状、またはディスク状の１対の電極を金属製ケースに収納したコイン型、１対の電極をセパレーターを介して捲回した捲回型、セパレーターを介して設けた１対の電極を多層に設けた積層型などを挙げることができる。
本発明の電気二重層キャパシタにおいては、上記活性炭を電極材料に用いたため、サイクル特性を向上させ、優れた耐久性、および優れた容量保持率を示す。
また、上記の第１の重質油と第２の重質油とを含有する原料油組成物をコーキング処理して得られる本発明の原料炭は、さらにロータリーキルン、シャフト炉等でか焼することによりニードルコークスとすることができる。か焼の際の温度は８００〜１６００℃が好ましく、１０００〜１５００℃がより好ましい。か焼時間は通常１〜１０時間であり、好ましくは２〜６時間である。
本発明のニードルコークスは、硫黄分が０．５質量％以下、窒素分が０．１質量％以下であることが好ましい。
本発明のニードルコークスは熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制されたものである。
なお、パッフィングを抑制する方法として、パッフィング防止剤（パッフィングインヒビター）の使用が従来知られているが、この方法ではパッフィング防止剤が不純物となって電極の品質（特に熱膨張係数、密度など）に悪影響を及ぼすことがある。これに対して本発明のニードルコークスは、パッフィング防止剤を使用せずともパッフィングを十分に抑制でき、更にニードルコークスの熱膨張係数を十分に小さくすることができる点で非常に有用である。
本発明のニードルコークスは、電気製鋼用黒鉛電極の骨材として好適に用いられる。本発明のニードルコークスを用いて黒鉛電極製品を製造する方法としては、本発明のニードルコークスにバインダーピッチを適当量添加した原料を加熱捏合した後、押し出し成型して生電極を得、次いでこの生電極を焼成し黒鉛化した後、加工する方法が挙げられる。
なお、本発明において「硫黄分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ２５４１に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「窒素分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ  ２６０９に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「飽和分」及び「アスファルテン分」は薄層クロマトグラフを用いて測定される値を意味する。
【産業上の利用可能性】
【０００５】
本発明の原料炭用原料油組成物は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭製造用として、またニードルコークス製造用としても好適に用いられる。
【実施例】
【０００６】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
（１）原料油組成物の調製
先ず、常圧蒸留残油（密度０．９２ｇ／ｃｍ３、硫黄分０．３５質量％）を、加熱炉出口温度３５０℃、圧力１．３ｋＰａの条件下で減圧蒸留し、初留点４１０℃、アスファルテン分９質量％、飽和分６１質量％、硫黄分０．１質量％、窒素分０．３質量％の減圧蒸留残渣油（以下、「減圧蒸留残渣油Ａ」という。）を得た。
この減圧蒸留残渣油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は１５質量％であった。
また、脱硫減圧軽油（硫黄分５００質量ｐｐｍ、１５℃における密度０．８８ｇ／ｃｍ３）を流動接触分解し、流動接触分解残油（以下、「流動接触分解残油Ａ」という。）を得た。得られた流動接触分解残油Ａの初留点は２１０℃であり、硫黄分は０．１質量％、窒素分は０．１質量％、アスファルテン分は０質量％、飽和分は３４質量％であった。
この流動接触分解残油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織の存在は認められなかった。
（２）原料炭の調製
次に、減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比３：７で混合し、原料油組成物Ａを得た。この原料油組成物Ａを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、コークス（原料炭Ａ）を得た。生成した原料炭Ａを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．５質量％であった。
（３）原料炭の賦活
原料炭Ａを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った。
賦活処理後、反応容器内部の反応混合物を３００℃まで冷却し、窒素に替えて二酸化炭素を流し、金属カリウムを失活させた。この後、反応物２ｋｇに２０ｋｇの水を加え、室温で１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作を２回行った。続いて、０．３Ｎ塩酸を２０ｋｇ加え、３時間攪拌し、加圧ろ過した。さらに２０ｋｇの水を加え、１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作も２回行った。得られた固形物を１３０℃で乾燥して電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。
（４）電気二重層キャパシタの作製
上記で得られた活性炭（０．８ｇ）、ケッチェンブラック（０．１ｇ）、ポリテトラフルオロエチレン（０．１ｇ）を乳鉢にて混合した。この混合物を０．１ｍｍ厚のトリアセテートフィルム２枚の間に挟み、幅１６０ｍｍ、上下ロール間隔０．７ｍｍ、加圧力２３．０ＭＰａとしたニップロールの間に２０回通して圧延した。圧延したシートから直径１６ｍｍの円形を２枚打ち抜き、炭素電極とした。炭素電極は真空乾燥機にて、２時間乾燥した。
電解液（プロピレンカーボネート１リットル中に（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＮＢＦ４を１モル溶解させたもの）を含浸させた２枚の電極間に厚さ５０μｍのセルロース製セパレータを挟み、直径２０ｍｍのＳＵＳ３１６製コインセルの中に封入した。この際、厚さ２０μｍアルミ箔表面に集電体用カーボン塗料を塗布したものを集電体として、炭素電極とセルとの間に、塗料側を炭素電極に面するように挟んだ。
このようにして作製した電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
＜実施例２＞
上記減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比６：４で混合し、原料油組成物Ｂを得た。この原料油組成物Ｂを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し原料炭Ｂを得た。原料炭Ｂを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った以外は、実施例１と同様の操作を行い、電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。また、上記活性炭を用いて、実施例１と同様の操作で電気二重層キャパシタを作製した。電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
＜比較例１＞
実施例１で得られた流動接触分解残油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
＜比較例２＞
実施例１で得られた減圧蒸留残渣油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
表１より明らかなように、減圧蒸留残渣油と流動接触分解残油を混合して得られる本発明の原料油組成物を用いることにより、得られる活性炭中に残存するカリウム量を大幅に低減させることができ、その結果、それを用いた電気二重層キャパシタの静電容量保持率を向上させることができた。
【表１】
2007074938.tif 000002
＜実施例３＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：１で混合して原料油組成物Ｃを調製した。この原料油組成物Ｃを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｃを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．５質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｃを１０００℃で５時間焼成してか焼コークス（ニードルコークス）を得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
また、か焼コークスに石炭系のバインダーピッチを３０質量％加え、押し出し成形器で円柱状のピースを作製した。このピースをマッフル加熱炉を用いて１０００℃で１時間焼成し、焼成後の熱膨張係数を測定した。さらに、ピースを室温から２８００℃まで熱処理し、この過程での膨張の度合いをパッフィングとして測定した。得られた結果を表２に示す。
＜実施例４＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：５で混合して原料油組成物Ｄを調製した。この原料油組成物Ｄを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｄを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は２．５質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｄを１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
＜実施例５＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：３で混合して原料油組成物Ｅを調製した。この原料油組成物Ｅを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｅを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．０質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｅを１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
＜比較例３＞
減圧蒸留残渣油Ａを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
＜比較例４＞
流動接触分解残油Ａを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
＜比較例５＞
硫黄分０．２質量％、窒素分０．３質量％、飽和分４０質量％の低硫黄原油を減圧蒸留し、初留点４１０℃、アスファルテン分１２質量％、飽和分４０質量％、硫黄分０．２質量％、窒素分０．３質量％の減圧蒸留残渣油（以下、「減圧残渣油Ｂ」という。）を得た。この減圧残渣油Ｂを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭を市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は１８％であった。
次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【表２】
2007074938.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月17日(2008.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有することを特徴とする原料炭用原料油組成物。
【請求項２】
前記石油類が、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、またはこれらの混合油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項３】
前記炭化水素油が、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製した重質油、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、または脱硫減圧軽油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項４】
５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下である原料炭を与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭。
【請求項６】
請求項５に記載の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭。    
【請求項７】
請求項６に記載の活性炭を電極材料に用いた電気二重層キャパシタ。
【請求項８】
請求項５に記載の原料炭を８００〜１６００℃でか焼して得られるニードルコークス。
【請求項９】
硫黄分が０.５質量％以下、窒素分が０．１質量％以下であることを特徴とする請求項８に記載のニードルコークス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電用炭素材料用およびニードルコークス用原料油組成物並びに原料炭に関する。特に本発明は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭として残存アルカリ金属を除去し易い活性炭を与える原料油組成物並びに原料炭に関する。また本発明は、ニードルコークス用としても好適な原料油組成物並びに原料炭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素材料は、蓄電分野に幅広く利用されている。このような蓄電用炭素材料としては、例えば、比較的表面積の大きな活性炭が電気二重層キャパシタの電極に用いられ、また、比較的表面積の小さなコークスは、リチウムイオン二次電池の負極として用いられている。なかでも、バックアップ電源、補助電源などとして電気二重層キャパシタが注目を集めており、活性炭の電気二重層キャパシタ用の電極としての性能に着目した開発が広くなされている。活性炭を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタは静電容量に優れるため、エレクトロニクス分野の発展と共に、電気デバイス電極用途などの需要も急成長している。さらに、最近では、従来のメモリーバックアップ電源等の小型化に加え、モーター等の補助電源に使われるような大容量製品の開発なども行われている。
これら活性炭の製造方法としては、炭素質材料をガス賦活処理もしくは薬剤賦活処理、例えば賦活助剤としてアルカリ金属水酸化物を用いたアルカリ賦活処理を行い、その後に、賦活処理物からアルカリ金属や重金属を除去するために、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸で中和洗浄することが一般的に行われている。
電気二重層キャパシタの高性能化が要求されるに伴い、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭中の残留アルカリ金属を一層低減するニーズが生じてきている。しかし、特許文献１（特開２００５−１２３４６２号公報）に記載されているように、水洗や酸洗の繰り返しによりある程度の濃度まではアルカリ金属を除去できても、それ以上の除去は困難である。そのため、アルカリ賦活後の炭素材を用いた電気二重層キャパシタは、初期のキャパシタ容量は優れているものの、長時間使用したときにキャパシタ容量の低下が大きいという経時劣化の問題がある。
【０００３】
一方、洗浄操作の観点から見ると、洗浄操作は出来るだけ簡単、すなわち、洗浄回数は出来る限り少ない方がコスト的にも望ましい。特許文献２（国際公開第２００４−０１１３７１号パンフレット）においては、易黒鉛化炭素質材料をアルカリ賦活処理し、得られた賦活処理物を、熱水、炭酸水、熱塩酸、アンモニア水、熱塩酸および熱水の順で洗浄することにより活性炭を得ることが記載されているが、洗浄操作が煩雑であることから、残存アルカリ金属が除去され易い構造をもつ活性炭の開発が強く望まれていた。
一方、電気製鋼用黒鉛電極の骨材に使用されるニードルコークスは、一般的には石油系重質油やコールタールを原料として製造される。黒鉛電極の製造工程においては、まず、コークス粒とバインダーピッチとを所定の割合で配合し、加熱捏合した後、押し出し成型して生電極を製造する。そして、この生電極を焼成し、黒鉛化した後、加工することにより黒鉛電極製品が得られる。
黒鉛電極は高温雰囲気などの過酷な条件で使用されるため、熱膨張係数（ＣＴＥ）が低いことが望まれる。つまり、熱膨張係数が小さいものほど電気製鋼時の電極消耗は小さくなり、電気製鋼のコストを低減することができる。
また、上記の黒鉛化は約３０００℃で熱処理する工程であり、直接通電方式の炉（ＬＷＧ炉）を用いる方法が一般的であるが、ＬＷＧ炉を用いて黒鉛化を行うと、昇温速度が速いためにガスの発生速度が速くなり、パッフィング（ｐｕｆｆｉｎｇ）と呼ばれる異常膨張現象が起こりやすくなる。パッフィングが起こると、電極が低密度化し、場合によっては電極が破損してしまう。
【０００４】
そこで、ニードルコークスの製造時に熱膨張係数及びパッフィングの品質を制御する方法が検討されており、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献３（特開平５−１０５８８１号公報）には、コールタール系原料から、キノリン不溶分を実質的に除去した脱ＱＩピッチに重合度を調整したオリゴマーを添加し、そのままディレードコーキング法によりコークス化する方法が開示されている。また特許文献４（特開平５−１６３４９１号公報）には、コールタール系重質油と石油系重質油とを窒素分１．０重量％以下、硫黄分１．４重量％以下となる範囲の割合に混合して原料油を調整し、この原料油をディレードコーカーに装入して、生コークスを製造し、得られた生コークスを７００〜９００℃の温度範囲でか焼し、一旦冷却した後、再び１２００〜１６００℃の温度範囲でか焼する方法が開示されている。また特許文献５（特開平５−２０２３６２号公報）には、石炭を急速熱分解して石炭タールを製造するに際し、反応炉内の熱分解温度を７５０℃以上に保ち、かつ熱分解生成物の反応炉内滞留時間を５秒以下とすることにより液状生成物を得て、この液状生成物またはこれに含まれるピッチを炭化する方法が開示されている。また特許文献６（特開平７−３２６７号公報）には、石油系重質油単独又は該石油系重質油に予めキノリン不溶分を除去したコールタール系重質油を混合したものを原料油としてディレードコーキングし、ニードルコークスを製造するに際し、石油系重質油として灰分等のパーティクル含有量が０．０５重量％乃至１重量％の範囲になるように予め調整したものを用いる方法が開示されている。
しかし、特許文献３〜６に記載の方法であっても、熱膨張係数の低下又はパッフィングの抑制の効果は必ずしも十分とはいえず、得られるコークスの品質は電気製鋼用黒鉛電極の骨材としての要求レベルに未だ到達していないのが実情である。
【特許文献１】特開２００５−１２３４６２号公報
【特許文献２】国際公開第２００４−０１１３７１号パンフレット
【特許文献３】特開平５−１０５８８１号公報
【特許文献４】特開平５−１６３４９１号公報
【特許文献５】特開平５−２０２３６２号公報
【特許文献６】特開平７−３２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、活性炭の原料となる原料油の観点から幅広く検討し、特定の原料油を組み合わせ、それらをコーキング処理したのち、得られる原料炭をアルカリ賦活して得られた活性炭は、洗浄時において、洗浄液の出入りが容易となり、その結果、活性炭中の残存アルカリ含有量を低減でき、また洗浄操作も簡略化できることを見出した。
さらに本発明者らは、かかる特定の原料油を組み合わせた原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭を、さらにか焼して得られるニードルコークスが、熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制されるものであることを見出した。
なお、本発明において「原料炭」とは、重質油や残渣油等の原料油をコーキング処理して得られる、活性炭またはニードルコークスの原料となる炭化物をいう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有することを特徴とする原料炭用原料油組成物に関する。
また、本発明は、前記の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭に関する。    
また、本発明は、前記の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭に関する。
また、本発明は、前記の活性炭を電極材料として用いた電気二重層キャパシタに関する。
さらに、本発明は、前記の原料炭を８００〜１６００℃でか焼して得られるニードルコークスに関する。
【発明の効果】
【０００７】
特定の重質油を混合して得られる本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、洗浄液が出入りし易く、その結果、同じ洗浄操作でも残存アルカリ金属量が少なくなるため、それを電極材料に用いた電気二重層キャパシタのサイクル特性が向上する。また、洗浄操作が簡略化されるため、活性炭をより安価に製造でき、その工業的価値は極めて大きい。また本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭を、さらにか焼して得られるニードルコークスは、熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の原料炭用原料油組成物は、活性炭用またはニードルコークス用の原料炭を製造するために好適な原料油組成物であり、石油類の減圧蒸留により得られる特定性状を有する重質油（以下、第１の重質油という。）と炭化水素油の流動接触分解により得られる特定性状を有する重質油（以下、第２の重質油という。）の混合物からなる。
【０００９】
本発明に係る第１の重質油は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、且つ硫黄分０．３質量％以下の重質油である。
第１の重質油の原料油である石油類としては、例えば、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、及びこれらの混合油等が挙げられる。
上記原料油（石油類）を減圧蒸留するときの処理条件は、得られる第１の重質油の沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす限りにおいて特に制限されないが、圧力は３０ｋＰａ以下が好ましく、温度は４００℃以上が好ましい。
このようにして減圧蒸留したときに残渣油として得られる重質油のうち、沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす重質油が本発明に係る第１の重質油として用いられる。
すなわち、第１の重質油の初留点は３００℃以上であることが必要であり、好ましくは３５０℃以上である。初留点が３００℃未満の場合、原料炭の収率低下が起こり、また、原料炭が非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくない。初留点の上限は４５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは４００℃以下である。
【００１０】
また、第１の重質油のアスファルテン分は１２質量％以下であることが必要であり、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは９質量％以下である。アスファルテン分が１２質量％を超えると、早期コーキングが進行し、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなるため好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。なお、アスファルテン分の下限は０質量％である。
また、第１の重質油の飽和分は５０質量％以上であることが必要であり、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６０質量％以上である。飽和分が５０質量％未満であるとメソフェーズの配向性が悪くなり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。飽和分の上限は８５質量％以下あることが好ましく、より好ましくは８０質量％以下である。
また、第１の重質油の硫黄分は０．３質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．２質量％以下、より好ましくは０．１質量％以下である。硫黄分が０．３質量％を超えると早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができないため好ましくない。
【００１１】
本発明に係る第２の重質油は、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の重質油である。
ここで、「流動接触分解」とは、固体酸触媒などを用いて高沸点留分を分解する処理を意味する。かかる処理に用いられる流動接触分解装置はＦＣＣ（Fluidized Catalytic Cracking）装置とも呼ばれる。
第２の重質油の原料油である炭化水素油としては、流動接触分解により初留点および硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能なものであれば特に制限されないが、１５℃における密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上である炭化水素油が好ましい。
このような炭化水素油としては、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、脱硫減圧軽油、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製したもの、及びこれらの混合物などが挙げられる。本発明においては、減圧軽油及び脱硫減圧軽油が特に好ましく用いられる。
また、流動接触分解の条件は、初留点及び硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能であれば特に制限されないが、例えば、反応温度４８０〜５５０℃、全圧１〜３ｋｇ／ｃｍ２Ｇ（９８〜２９４ｋＰａゲージ圧）、触媒／油比１〜２０ｗｔ／ｗｔ、接触時間１〜１０秒とすることが好ましい。        
また、流動接触分解に用いられる触媒としては、例えば、シリカ・アルミナ触媒、ゼオライト触媒、あるいはこれらの触媒に白金などの金属を担持したものなどが挙げられる。これらの触媒は市販品を用いてもよい。
【００１２】
このようにして得られる第２の重質油の初留点は１５０℃以上であることが必要であり、好ましくは２００℃以上であり、より好ましくは２２０℃以上である。なお、初留点が１５０℃未満であると原料炭の収率が低下し、また得られる原料炭は非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスの熱膨張係数が高くなるため好ましくない。初留点の上限は３５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは３００℃以下である。
また、第２の重質油の硫黄分は０．５質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．４質量％以下、より好ましくは０．３質量％以下である。硫黄分が０．５質量％を超えると、早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができないため好ましくない。
また、第２の重質油の窒素分は特に限定されないが、０．２質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１５質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下である。窒素分が０．２質量％より多いと、ニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができない。
【００１３】
本発明の原料油組成物は、前記した第１の重質油と第２の重質油を混合することにより得られる。
第１の重質油と第２の重質油の混合割合としては、電気二重層キャパシタ用電極材料に用いる活性炭を製造する場合は、第１の重質油の含有割合が、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、さらに好ましくは３０〜６０質量％となるように配合する。また、ニードルコークス用のコークスを製造する場合は、第１の重質油と第２の重質油との混合比は、第１の重質油が１〜５０質量％であることが好ましく、５〜５０質量％であることがより好ましく、１５〜５０質量％であることが更に好ましい。
【００１４】
次に、本発明の原料油組成物をコーキング（炭化）処理する。
原料油組成物をコーキングする方法としては、ディレードコーキング法、ビスブレーキング法、フレキシコーキング法、ユリカプロセス、Ｈ−Ｏｉｌなどが挙げられるが、これらの中でも特にディレードコーキング法が好ましい。
ディレードコーキング法においては、原料油組成物をディレードコーカーに入れ、加圧下で熱処理する。ディレードコーカーの圧力は３００〜８００ｋＰａが好ましい。温度は好ましくは４００〜６００℃、より好ましくは４５０〜５５０℃であり、時間は好ましくは２４〜７２時間、より好ましくは３６〜６０時間である。
かかるコーキング処理により、原料炭となる炭化物（生コークス）が得られる。
【００１５】
本発明において、第１の重質油と第２の重質油とを含有してなる本発明の原料油組成物は、５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下、好ましくは２％以下である原料炭を与えるものであることが望ましい。ここで、原料炭中に１０μｍ以下のモザイク組織の割合が小さいことは、メソフェーズと呼ばれる液晶の成長状態が良好であることを意味する。メソフェーズは、原料油の熱処理に伴い熱分解と重縮合が起こることによって生成する中間生成物であり、同一平面に沿って芳香族環の連なりが発達したものである。
なお、原料炭中のモザイク組織の測定方法については、「炭素化工学の基礎」真田雄三、大谷杉郎（オーム社）１４７頁に記載のとおりである。
従来、原料油中に飽和分、特に脂肪族分が多く含まれると、コーキング時に芳香族成分の重合及び重縮合以外に架橋反応が起こるため、三次元構造の結晶が成長してメソフェーズが十分に成長せず、結晶性の劣る構造となり、その結果、ニードルコークスの熱膨張係数が大きくなると考えられており、また活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなると考えられている。この点を鑑みれば、上記第１の重質油の飽和分が５０質量％以上であっても１０μｍ以下のモザイク組織が５％以下のコークスが得られることは驚くべき結果である。
【００１６】
コーキング処理により得られた原料炭は、次いでアルカリ賦活処理することにより活性炭とすることができる。また、アルカリ賦活処理するにあたり、前記原料炭を不活性雰囲気下、常圧下、５５０〜９００℃、好ましくは６００〜８５０℃で一旦熱処理したのちアルカリ賦活処理することも好ましく採用される。
本発明においては、このようにして得られた活性炭を電気二重層キャパシタ用の電極材料として用いる。
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活方法としては、賦活炉を用いて、窒素ガスや不活性ガス雰囲気中で金属水酸化物と共に、原料炭または原料炭熱処理物を５００〜１２００℃で加熱する方法を挙げることができる。金属水酸化物としては、具体的には、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や、水酸化マグネシウム、水酸化バリウム等のアルカリ土類金属水酸化物を挙げることができる。また、これらを１種のみならず、２種以上を組み合わせて使用することもできる。これらのうち、特に水酸化カリウムが、微細孔を効率よく形成できる点で好ましい。
【００１７】
上記原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の使用量としては、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比で１／０．５〜１／１０とすることができ、好ましくは１／１〜１／５である。
原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／０．５以下とすることにより、活性炭に微孔を十分に形成することができ、十分な表面積を有する活性炭を得ることができる。また、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／１０以上とすることにより、かさ密度が低下することなく、賦活反応を効率よく行うことができる。
また、賦活反応においては、原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の他に、水等が共存していてもよい。
【００１８】
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活において、賦活の温度としては、例えば５００〜１２００℃の範囲を挙げることができ、好ましくは６００〜１０００℃、より好ましくは６００〜８００℃の範囲を挙げることができる。賦活温度が上記範囲であれば、十分な微細孔を有する活性炭を効率よく得ることができる。賦活処理時間としては、温度等の条件との関連において適宜選択することができ、例えば３〜６時間を挙げることができる。
賦活を行う際の不活性ガスとしては、不活性ガスや窒素ガスを挙げることができ、例えば、賦活雰囲気の酸素濃度を１００容量ｐｐｍ以下に保持できるような供給することが好ましい。
【００１９】
賦活物の洗浄は、賦活物を洗浄液により洗浄して固液分離を行う洗浄であり、賦活物を洗浄液に浸漬し、必要に応じて攪拌、加熱などを行い洗浄液と混合した後、洗浄液を除去する方法を挙げることができる。洗浄液としては、水及び酸水溶液を用いることが好ましく、例えば、水による洗浄、酸水溶液による洗浄、更に水による洗浄など、適宜組み合わせて用いることができる。酸水溶液としては、塩酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸などのハロゲン化水素酸、硫酸、炭酸などの無機酸を好ましいものとして挙げることができる。酸水溶液の濃度は、例えば、０．０１〜３Ｎを挙げることができる。これらの洗浄液による洗浄は必要に応じて、複数回反復して行うことができる。
上記洗浄液を用いた洗浄工程の最終の洗浄後、洗浄液から固液分離を行い、適宜加熱、風乾などを行い、水分を除去し乾燥した活性炭を得ることができる。
【００２０】
本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、従来の活性炭に比較して、同じ洗浄操作で洗浄した場合、残存アルカリ金属が少なくなる特徴を有する。残存アルカリ金属が低減する理由としては、本発明に係る原料炭は賦活剤の金属水酸化物が浸入し易く、また抜けやすい結晶構造になっており、さらに、得られた活性炭は洗浄液の浸入および脱出が容易になる結晶構造になっていることによると考えられる。
また、これに加え、本発明による活性炭を電気二重層キャパシタの電極に用いた場合、充放電時の電解質イオンの出入りも容易となり、サイクル特性試験での静電容量保持率が向上する特徴を有する。
【００２１】
本発明の電気二重層キャパシタは、本発明の原料油組成物から得られる原料炭または原料炭熱処理物を賦活処理して得られる活性炭を電極材料として用いたものである。  
本発明の電気二重層キャパシタの電極としては、上記活性炭を含むものであれば、特に制限を受けるものではないが、結着剤、導電剤などを含有してもよく、集電体と一体化したものであってもよい。
結着剤としては、公知のものを使用することができ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン／ビニルエーテル共重合体架橋ポリマーなどのフッ素化ポリマー、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどのビニル系ポリマー、ポリアクリル酸などを挙げることができる。結着剤の電極材料中の含有量としては、具体的には、０．１〜３０質量％などとすることができる。
導電剤としては、具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、粉末グラファイトなどの粉末を挙げることができる。導電剤の電極材料中の含有量としては、１〜５０質量％の範囲が好ましく、より好ましくは２〜３０質量％である。
これらの材料を用いて電極を作製するには、例えば、上記結着剤を溶解する溶媒に上記活性炭、結着剤、導電剤を添加しスラリー状としてシート状の集電体に塗布する方法、溶媒を使用せずに上記活性炭、結着剤、導電剤を混練し常温または加熱下で加圧成形する方法などを挙げることができる。
集電体としては、公知の材質、形状のものを使用することができ、具体的には、アルミニウム、チタン、タンタル、ニッケルなどの金属や、ステンレスなどの合金などを挙げることができる。
【００２２】
本発明の電気二重層キャパシタは、上記電極を正極及び負極として１対を、セパレーターを介して対向して設け、電解液中に浸漬した単位セルとして作製することができる。セパレーターとしては、ポリプロピレン繊維製、ガラス繊維製などの不職布や、セルロース紙などを用いることができる。
【００２３】
また、電解液としては、水系電解液、非水系電解液を使用することができるが、非水系電解液を用いることが好ましい。かかる非水系電解液としては、有機溶媒に電解質を溶解したものを挙げることができ、溶媒としては、具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、３−メチルスルホランなどスルホラン誘導体、１，２−ジメトキシエタンなどジメトキシエタン、アセトニトリル、グルタロノトリル、バレロニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、メチルフォルメート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを挙げることができ、これらを１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また電解液の電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土金属塩などの無機イオン塩、４級アンモニウム塩、環状４級アンモニウム塩、４級ホスホニウム塩類などを挙げることができ、具体的には、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＰＢＦ４などを挙げることができる。電解液中の電解質濃度は、０．１〜５ｍｏｌ／Ｌとすることができ、好ましくは０．５〜５ｍｏｌ／Ｌである。
【００２４】
本発明の電気二重層キャパシタの形状としては、例えば、セパレーターを介して厚さ５０〜５００μｍのシート状、またはディスク状の１対の電極を金属製ケースに収納したコイン型、１対の電極をセパレーターを介して捲回した捲回型、セパレーターを介して設けた１対の電極を多層に設けた積層型などを挙げることができる。
本発明の電気二重層キャパシタにおいては、上記活性炭を電極材料に用いたため、サイクル特性を向上させ、優れた耐久性、および優れた容量保持率を示す。
【００２５】
また、上記の第１の重質油と第２の重質油とを含有する原料油組成物をコーキング処理して得られる本発明の原料炭は、さらにロータリーキルン、シャフト炉等でか焼することによりニードルコークスとすることができる。か焼の際の温度は８００〜１６００℃が好ましく、１０００〜１５００℃がより好ましい。か焼時間は通常１〜１０時間であり、好ましくは２〜６時間である。
本発明のニードルコークスは、硫黄分が０.５質量％以下、窒素分が０．１質量％以下であることが好ましい。
本発明のニードルコークスは熱膨張係数が十分に小さく、且つパッフィングが十分に抑制されたものである。
なお、パッフィングを抑制する方法として、パッフィング防止剤（パッフィングインヒビター）の使用が従来知られているが、この方法ではパッフィング防止剤が不純物となって電極の品質（特に熱膨張係数、密度など）に悪影響を及ぼすことがある。これに対して本発明のニードルコークスは、パッフィング防止剤を使用せずともパッフィングを十分に抑制でき、更にニードルコークスの熱膨張係数を十分に小さくすることができる点で非常に有用である。
【００２６】
本発明のニードルコークスは、電気製鋼用黒鉛電極の骨材として好適に用いられる。本発明のニードルコークスを用いて黒鉛電極製品を製造する方法としては、本発明のニードルコークスにバインダーピッチを適当量添加した原料を加熱捏合した後、押し出し成型して生電極を得、次いでこの生電極を焼成し黒鉛化した後、加工する方法が挙げられる。
なお、本発明において「硫黄分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ２５４１に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「窒素分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ  ２６０９に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「飽和分」及び「アスファルテン分」は薄層クロマトグラフを用いて測定される値を意味する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の原料炭用原料油組成物は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭製造用として、またニードルコークス製造用としても好適に用いられる。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。                                                    
【００２９】
＜実施例１＞
（１）原料油組成物の調製
先ず、常圧蒸留残油（密度０．９２ｇ／ｃｍ３、硫黄分０．３５質量％）を、加熱炉出口温度３５０℃、圧力１．３ｋＰａの条件下で減圧蒸留し、初留点４１０℃、アスファルテン分９質量％、飽和分６１質量％、硫黄分０．１質量％、窒素分０．３質量％の減圧蒸留残渣油（以下、「減圧蒸留残渣油Ａ」という。）を得た。
この減圧蒸留残渣油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は１５質量％であった。
また、脱硫減圧軽油（硫黄分５００質量ｐｐｍ、１５℃における密度０．８８ｇ／ｃｍ３）を流動接触分解し、流動接触分解残油（以下、「流動接触分解残油Ａ」という。）を得た。得られた流動接触分解残油Ａの初留点は２１０℃であり、硫黄分は０．１質量％、窒素分は０．１質量％、アスファルテン分は０質量％、飽和分は３４質量％であった。
この流動接触分解残油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織の存在は認められなかった。
【００３０】
（２）原料炭の調製
次に、減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比３：７で混合し、原料油組成物Ａを得た。この原料油組成物Ａを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、コークス（原料炭Ａ）を得た。生成した原料炭Ａを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．５質量％であった。
【００３１】
（３）原料炭の賦活
原料炭Ａを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った。
賦活処理後、反応容器内部の反応混合物を３００℃まで冷却し、窒素に替えて二酸化炭素を流し、金属カリウムを失活させた。この後、反応物２ｋｇに２０ｋｇの水を加え、室温で１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作を２回行った。続いて、０．３Ｎ塩酸を２０ｋｇ加え、３時間攪拌し、加圧ろ過した。さらに２０ｋｇの水を加え、１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作も２回行った。得られた固形物を１３０℃で乾燥して電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。
【００３２】
（４）電気二重層キャパシタの作製
上記で得られた活性炭（０．８ｇ）、ケッチェンブラック（０．１ｇ）、ポリテトラフルオロエチレン（０．１ｇ）を乳鉢にて混合した。この混合物を０．１ｍｍ厚のトリアセテートフィルム２枚の間に挟み、幅１６０ｍｍ、上下ロール間隔０．７ｍｍ、加圧力２３．０ＭＰａとしたニップロールの間に２０回通して圧延した。圧延したシートから直径１６ｍｍの円形を２枚打ち抜き、炭素電極とした。炭素電極は真空乾燥機にて、２時間乾燥した。
電解液（プロピレンカーボネート１リットル中に（Ｃ２Ｈ５)３（ＣＨ３）ＮＢＦ４を１モル溶解させたもの）を含浸させた２枚の電極間に厚さ５０μｍのセルロース製セパレータを挟み、直径２０ｍｍのＳＵＳ３１６製コインセルの中に封入した。この際、厚さ２０μｍアルミ箔表面に集電体用カーボン塗料を塗布したものを集電体として、炭素電極とセルとの間に、塗料側を炭素電極に面するように挟んだ。
このようにして作製した電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３３】
＜実施例２＞
上記減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比６：４で混合し、原料油組成物Ｂを得た。この原料油組成物Ｂを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し原料炭Ｂを得た。原料炭Ｂを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った以外は、実施例１と同様の操作を行い、電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。また、上記活性炭を用いて、実施例１と同様の操作で電気二重層キャパシタを作製した。電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３４】
＜比較例１＞
実施例１で得られた流動接触分解残油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３５】
＜比較例２＞
実施例１で得られた減圧蒸留残渣油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３６】
表１より明らかなように、減圧蒸留残渣油と流動接触分解残油を混合して得られる本発明の原料油組成物を用いることにより、得られる活性炭中に残存するカリウム量を大幅に低減させることができ、その結果、それを用いた電気二重層キャパシタの静電容量保持率を向上させることができた。
【００３７】
【表１】
2007074938.tif 000004
【００３８】
＜実施例３＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：１で混合して原料油組成物Ｃを調製した。この原料油組成物Ｃを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｃを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．５質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｃを１０００℃で５時間焼成してか焼コークス（ニードルコークス）を得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
また、か焼コークスに石炭系のバインダーピッチを３０質量％加え、押し出し成形器で円柱状のピースを作製した。このピースをマッフル加熱炉を用いて１０００℃で１時間焼成し、焼成後の熱膨張係数を測定した。さらに、ピースを室温から２８００℃まで熱処理し、この過程での膨張の度合いをパッフィングとして測定した。得られた結果を表２に示す。
【００３９】
＜実施例４＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：５で混合して原料油組成物Ｄを調製した。この原料油組成物Ｄを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｄを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は２．５質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｄを１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【００４０】
＜実施例５＞
減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比１：３で混合して原料油組成物Ｅを調製した。この原料油組成物Ｅを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭Ｅを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．０質量％であった。
次に、生成した原料炭Ｅを１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【００４１】
＜比較例３＞
減圧蒸留残渣油Ａを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【００４２】
＜比較例４＞
流動接触分解残油Ａを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【００４３】
＜比較例５＞
硫黄分０．２質量％、窒素分０．３質量％、飽和分４０質量％の低硫黄原油を減圧蒸留し、初留点４１０℃、アスファルテン分１２質量％、飽和分４０質量％、硫黄分０．２質量％、窒素分０．３質量％の減圧蒸留残渣油（以下、「減圧残渣油Ｂ」という。）を得た。この減圧残渣油Ｂを試験管に入れ、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化した。生成した原料炭を市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は１８％であった。
次に、生成した原料炭を１０００℃で５時間焼成してか焼コークスを得た。得られたか焼コークスの硫黄分、窒素分及び嵩比重を表２に示す。
このか焼コークスを用いた以外は実施例３と同様の方法で、円柱状のピースを作製して熱膨張係数およびパッフィングを測定した。その結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】
2007074938.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月30日(2008.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油とを含有することを特徴とする活性炭用またはニードルコークス用原料油組成物。
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月22日(2008.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油１０〜８０質量％と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油９０〜２０質量％とを含有することを特徴とする活性炭用の原料炭用原料油組成物。
【請求項２】
前記石油類が、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、またはこれらの混合油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項３】
前記炭化水素油が、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製した重質油、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、または脱硫減圧軽油であることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項４】
５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下である原料炭を与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の原料油組成物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭。
【請求項６】
請求項５に記載の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭。    
【請求項７】
請求項６に記載の活性炭を電極材料に用いた電気二重層キャパシタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電用炭素材料用原料油組成物並びに原料炭に関する。特に本発明は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭として残存アルカリ金属を除去し易い活性炭を与える原料油組成物並びに原料炭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素材料は、蓄電分野に幅広く利用されている。このような蓄電用炭素材料としては、例えば、比較的表面積の大きな活性炭が電気二重層キャパシタの電極に用いられ、また、比較的表面積の小さなコークスは、リチウムイオン二次電池の負極として用いられている。なかでも、バックアップ電源、補助電源などとして電気二重層キャパシタが注目を集めており、活性炭の電気二重層キャパシタ用の電極としての性能に着目した開発が広くなされている。活性炭を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタは静電容量に優れるため、エレクトロニクス分野の発展と共に、電気デバイス電極用途などの需要も急成長している。さらに、最近では、従来のメモリーバックアップ電源等の小型化に加え、モーター等の補助電源に使われるような大容量製品の開発なども行われている。
これら活性炭の製造方法としては、炭素質材料をガス賦活処理もしくは薬剤賦活処理、例えば賦活助剤としてアルカリ金属水酸化物を用いたアルカリ賦活処理を行い、その後に、賦活処理物からアルカリ金属や重金属を除去するために、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸で中和洗浄することが一般的に行われている。
電気二重層キャパシタの高性能化が要求されるに伴い、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭中の残留アルカリ金属を一層低減するニーズが生じてきている。しかし、特許文献１（特開２００５−１２３４６２号公報）に記載されているように、水洗や酸洗の繰り返しによりある程度の濃度まではアルカリ金属を除去できても、それ以上の除去は困難である。そのため、アルカリ賦活後の炭素材を用いた電気二重層キャパシタは、初期のキャパシタ容量は優れているものの、長時間使用したときにキャパシタ容量の低下が大きいという経時劣化の問題がある。
【０００３】
一方、洗浄操作の観点から見ると、洗浄操作は出来るだけ簡単、すなわち、洗浄回数は出来る限り少ない方がコスト的にも望ましい。特許文献２（国際公開第２００４−０１１３７１号パンフレット）においては、易黒鉛化炭素質材料をアルカリ賦活処理し、得られた賦活処理物を、熱水、炭酸水、熱塩酸、アンモニア水、熱塩酸および熱水の順で洗浄することにより活性炭を得ることが記載されているが、洗浄操作が煩雑であることから、残存アルカリ金属が除去され易い構造をもつ活性炭の開発が強く望まれていた。
【特許文献１】特開２００５−１２３４６２号公報
【特許文献２】国際公開第２００４−０１１３７１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、活性炭の原料となる原料油の観点から幅広く検討し、特定の原料油を組み合わせ、それらをコーキング処理したのち、得られる原料炭をアルカリ賦活して得られた活性炭は、洗浄時において、洗浄液の出入りが容易となり、その結果、活性炭中の残存アルカリ含有量を低減でき、また洗浄操作も簡略化できることを見出した。
なお、本発明において「原料炭」とは、重質油や残渣油等の原料油をコーキング処理して得られる、活性炭の原料となる炭化物をいう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、および硫黄分０．３質量％以下の第１の重質油１０〜８０質量％と、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の第２の重質油９０〜２０質量％とを含有することを特徴とする活性炭用の原料炭用原料油組成物に関する。
また、本発明は、前記の原料油組成物を３００〜８００ｋＰａ、４００〜６００℃でコーキング処理して得られる原料炭に関する。    
また、本発明は、前記の原料炭または該原料炭を常圧下、５５０〜９００℃で熱処理して得られる原料炭熱処理物をアルカリ金属水酸化物で賦活して得られる活性炭に関する。
また、本発明は、前記の活性炭を電極材料として用いた電気二重層キャパシタに関する。
【発明の効果】
【０００６】
特定の重質油を混合して得られる本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、洗浄液が出入りし易く、その結果、同じ洗浄操作でも残存アルカリ金属量が少なくなるため、それを電極材料に用いた電気二重層キャパシタのサイクル特性が向上する。また、洗浄操作が簡略化されるため、活性炭をより安価に製造でき、その工業的価値は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の原料炭用原料油組成物は、活性炭用の原料炭を製造するために好適な原料油組成物であり、石油類の減圧蒸留により得られる特定性状を有する重質油（以下、第１の重質油という。）と炭化水素油の流動接触分解により得られる特定性状を有する重質油（以下、第２の重質油という。）の混合物からなる。
【０００８】
本発明に係る第１の重質油は、石油類を減圧蒸留したときに残渣油として得られる初留点３００℃以上、アスファルテン分１２質量％以下、飽和分５０質量％以上、且つ硫黄分０．３質量％以下の重質油である。
第１の重質油の原料油である石油類としては、例えば、原油、原油の蒸留により得られる常圧蒸留残油、及びこれらの混合油等が挙げられる。
上記原料油（石油類）を減圧蒸留するときの処理条件は、得られる第１の重質油の沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす限りにおいて特に制限されないが、圧力は３０ｋＰａ以下が好ましく、温度は４００℃以上が好ましい。
このようにして減圧蒸留したときに残渣油として得られる重質油のうち、沸点、アスファルテン分、飽和分及び硫黄分がそれぞれ上記条件を満たす重質油が本発明に係る第１の重質油として用いられる。
すなわち、第１の重質油の初留点は３００℃以上であることが必要であり、好ましくは３５０℃以上である。初留点が３００℃未満の場合、原料炭の収率低下が起こり、また、原料炭が非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくない。初留点の上限は４５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは４００℃以下である。
【０００９】
また、第１の重質油のアスファルテン分は１２質量％以下であることが必要であり、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは９質量％以下である。アスファルテン分が１２質量％を超えると、早期コーキングが進行し、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなるため好ましくない。なお、アスファルテン分の下限は０質量％である。
また、第１の重質油の飽和分は５０質量％以上であることが必要であり、好ましくは５５質量％以上、より好ましくは６０質量％以上である。飽和分が５０質量％未満であるとメソフェーズの配向性が悪くなり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり好ましくない。飽和分の上限は８５質量％以下あることが好ましく、より好ましくは８０質量％以下である。
また、第１の重質油の硫黄分は０．３質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．２質量％以下、より好ましくは０．１質量％以下である。硫黄分が０．３質量％を超えると早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくない。
【００１０】
本発明に係る第２の重質油は、炭化水素油を流動接触分解して得られる初留点１５０℃以上、および硫黄分０．５質量％以下の重質油である。
ここで、「流動接触分解」とは、固体酸触媒などを用いて高沸点留分を分解する処理を意味する。かかる処理に用いられる流動接触分解装置はＦＣＣ（Fluidized
Catalytic Cracking）装置とも呼ばれる。
第２の重質油の原料油である炭化水素油としては、流動接触分解により初留点および硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能なものであれば特に制限されないが、１５℃における密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上である炭化水素油が好ましい。
このような炭化水素油としては、直留軽油、減圧軽油、脱硫軽油、脱硫減圧軽油、常圧蒸留残油、減圧蒸留残油、シェールオイル、タールサンドビチューメン、オリノコタール、石炭液化油、これらを水素化精製したもの、及びこれらの混合物などが挙げられる。本発明においては、減圧軽油及び脱硫減圧軽油が特に好ましく用いられる。
また、流動接触分解の条件は、初留点及び硫黄分が上記条件を満たす重質油を得ることが可能であれば特に制限されないが、例えば、反応温度４８０〜５５０℃、全圧１〜３ｋｇ／ｃｍ２Ｇ（９８〜２９４ｋＰａゲージ圧）、触媒／油比１〜２０ｗｔ／ｗｔ、接触時間１〜１０秒とすることが好ましい。        
また、流動接触分解に用いられる触媒としては、例えば、シリカ・アルミナ触媒、ゼオライト触媒、あるいはこれらの触媒に白金などの金属を担持したものなどが挙げられる。これらの触媒は市販品を用いてもよい。
【００１１】
このようにして得られる第２の重質油の初留点は１５０℃以上であることが必要であり、好ましくは２００℃以上であり、より好ましくは２２０℃以上である。なお、初留点が１５０℃未満であると原料炭の収率が低下し、また得られる原料炭は非晶質な構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくない。初留点の上限は３５０℃以下であることが好ましく、より好ましくは３００℃以下である。
また、第２の重質油の硫黄分は０．５質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．４質量％以下、より好ましくは０．３質量％以下である。硫黄分が０．５質量％を超えると、早期コーキングを誘引する傾向にあり、得られる原料炭は結晶性の悪いコークス構造となり、該原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなり好ましくなく、また該原料炭をか焼して得られるニードルコークスのパッフィングを十分に抑制することができないため好ましくない。
また、第２の重質油の窒素分は特に限定されないが、０．２質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１５質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下である。    
【００１２】
本発明の原料油組成物は、前記した第１の重質油と第２の重質油を混合することにより得られる。
第１の重質油と第２の重質油の混合割合としては、第１の重質油の含有割合が、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、さらに好ましくは３０〜６０質量％となるように配合する。
【００１３】
次に、本発明の原料油組成物をコーキング（炭化）処理する。
原料油組成物をコーキングする方法としては、ディレードコーキング法、ビスブレーキング法、フレキシコーキング法、ユリカプロセス、Ｈ−Ｏｉｌなどが挙げられるが、これらの中でも特にディレードコーキング法が好ましい。
ディレードコーキング法においては、原料油組成物をディレードコーカーに入れ、加圧下で熱処理する。ディレードコーカーの圧力は３００〜８００ｋＰａが好ましい。温度は好ましくは４００〜６００℃、より好ましくは４５０〜５５０℃であり、時間は好ましくは２４〜７２時間、より好ましくは３６〜６０時間である。
かかるコーキング処理により、原料炭となる炭化物（生コークス）が得られる。
【００１４】
本発明において、第１の重質油と第２の重質油とを含有してなる本発明の原料油組成物は、５００℃で熱処理したときに１０μｍ以下のモザイク組織の割合が５％以下、好ましくは２％以下である原料炭を与えるものであることが望ましい。ここで、原料炭中に１０μｍ以下のモザイク組織の割合が小さいことは、メソフェーズと呼ばれる液晶の成長状態が良好であることを意味する。メソフェーズは、原料油の熱処理に伴い熱分解と重縮合が起こることによって生成する中間生成物であり、同一平面に沿って芳香族環の連なりが発達したものである。
なお、原料炭中のモザイク組織の測定方法については、「炭素化工学の基礎」真田雄三、大谷杉郎（オーム社）１４７頁に記載のとおりである。
従来、原料油中に飽和分、特に脂肪族分が多く含まれると、コーキング時に芳香族成分の重合及び重縮合以外に架橋反応が起こるため、三次元構造の結晶が成長してメソフェーズが十分に成長せず、結晶性の劣る構造となり、その結果、ニードルコークスの熱膨張係数が大きくなると考えられており、また活性炭中の残存アルカリ金属量が多くなると考えられている。この点を鑑みれば、上記第１の重質油の飽和分が５０質量％以上であっても１０μｍ以下のモザイク組織が５％以下のコークスが得られることは驚くべき結果である。
【００１５】
コーキング処理により得られた原料炭は、次いでアルカリ賦活処理することにより活性炭とすることができる。また、アルカリ賦活処理するにあたり、前記原料炭を不活性雰囲気下、常圧下、５５０〜９００℃、好ましくは６００〜８５０℃で一旦熱処理したのちアルカリ賦活処理することも好ましく採用される。
本発明においては、このようにして得られた活性炭を電気二重層キャパシタ用の電極材料として用いる。
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活方法としては、賦活炉を用いて、窒素ガスや不活性ガス雰囲気中で金属水酸化物と共に、原料炭または原料炭熱処理物を５００〜１２００℃で加熱する方法を挙げることができる。金属水酸化物としては、具体的には、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や、水酸化マグネシウム、水酸化バリウム等のアルカリ土類金属水酸化物を挙げることができる。また、これらを１種のみならず、２種以上を組み合わせて使用することもできる。これらのうち、特に水酸化カリウムが、微細孔を効率よく形成できる点で好ましい。
【００１６】
上記原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の使用量としては、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比で１／０．５〜１／１０とすることができ、好ましくは１／１〜１／５である。
原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／０．５以下とすることにより、活性炭に微孔を十分に形成することができ、十分な表面積を有する活性炭を得ることができる。また、原料炭または原料炭熱処理物／金属水酸化物の質量比を１／１０以上とすることにより、かさ密度が低下することなく、賦活反応を効率よく行うことができる。
また、賦活反応においては、原料炭または原料炭熱処理物および金属水酸化物の他に、水等が共存していてもよい。
【００１７】
上記原料炭または原料炭熱処理物の賦活において、賦活の温度としては、例えば５００〜１２００℃の範囲を挙げることができ、好ましくは６００〜１０００℃、より好ましくは６００〜８００℃の範囲を挙げることができる。賦活温度が上記範囲であれば、十分な微細孔を有する活性炭を効率よく得ることができる。賦活処理時間としては、温度等の条件との関連において適宜選択することができ、例えば３〜６時間を挙げることができる。
賦活を行う際の不活性ガスとしては、不活性ガスや窒素ガスを挙げることができ、例えば、賦活雰囲気の酸素濃度を１００容量ｐｐｍ以下に保持できるような供給することが好ましい。
【００１８】
賦活物の洗浄は、賦活物を洗浄液により洗浄して固液分離を行う洗浄であり、賦活物を洗浄液に浸漬し、必要に応じて攪拌、加熱などを行い洗浄液と混合した後、洗浄液を除去する方法を挙げることができる。洗浄液としては、水及び酸水溶液を用いることが好ましく、例えば、水による洗浄、酸水溶液による洗浄、更に水による洗浄など、適宜組み合わせて用いることができる。酸水溶液としては、塩酸、ヨウ化水素酸、臭化水素酸などのハロゲン化水素酸、硫酸、炭酸などの無機酸を好ましいものとして挙げることができる。酸水溶液の濃度は、例えば、０．０１〜３Ｎを挙げることができる。これらの洗浄液による洗浄は必要に応じて、複数回反復して行うことができる。
上記洗浄液を用いた洗浄工程の最終の洗浄後、洗浄液から固液分離を行い、適宜加熱、風乾などを行い、水分を除去し乾燥した活性炭を得ることができる。
【００１９】
本発明の原料油組成物をコーキング処理して得られる原料炭をアルカリ賦活して得られる活性炭は、従来の活性炭に比較して、同じ洗浄操作で洗浄した場合、残存アルカリ金属が少なくなる特徴を有する。残存アルカリ金属が低減する理由としては、本発明に係る原料炭は賦活剤の金属水酸化物が浸入し易く、また抜けやすい結晶構造になっており、さらに、得られた活性炭は洗浄液の浸入および脱出が容易になる結晶構造になっていることによると考えられる。
また、これに加え、本発明による活性炭を電気二重層キャパシタの電極に用いた場合、充放電時の電解質イオンの出入りも容易となり、サイクル特性試験での静電容量保持率が向上する特徴を有する。
【００２０】
本発明の電気二重層キャパシタは、本発明の原料油組成物から得られる原料炭または原料炭熱処理物を賦活処理して得られる活性炭を電極材料として用いたものである。  
本発明の電気二重層キャパシタの電極としては、上記活性炭を含むものであれば、特に制限を受けるものではないが、結着剤、導電剤などを含有してもよく、集電体と一体化したものであってもよい。
結着剤としては、公知のものを使用することができ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン／ビニルエーテル共重合体架橋ポリマーなどのフッ素化ポリマー、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどのビニル系ポリマー、ポリアクリル酸などを挙げることができる。結着剤の電極材料中の含有量としては、具体的には、０．１〜３０質量％などとすることができる。
導電剤としては、具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、粉末グラファイトなどの粉末を挙げることができる。導電剤の電極材料中の含有量としては、１〜５０質量％の範囲が好ましく、より好ましくは２〜３０質量％である。
これらの材料を用いて電極を作製するには、例えば、上記結着剤を溶解する溶媒に上記活性炭、結着剤、導電剤を添加しスラリー状としてシート状の集電体に塗布する方法、溶媒を使用せずに上記活性炭、結着剤、導電剤を混練し常温または加熱下で加圧成形する方法などを挙げることができる。
集電体としては、公知の材質、形状のものを使用することができ、具体的には、アルミニウム、チタン、タンタル、ニッケルなどの金属や、ステンレスなどの合金などを挙げることができる。
【００２１】
本発明の電気二重層キャパシタは、上記電極を正極及び負極として１対を、セパレーターを介して対向して設け、電解液中に浸漬した単位セルとして作製することができる。セパレーターとしては、ポリプロピレン繊維製、ガラス繊維製などの不職布や、セルロース紙などを用いることができる。
【００２２】
また、電解液としては、水系電解液、非水系電解液を使用することができるが、非水系電解液を用いることが好ましい。かかる非水系電解液としては、有機溶媒に電解質を溶解したものを挙げることができ、溶媒としては、具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、３−メチルスルホランなどスルホラン誘導体、１，２−ジメトキシエタンなどジメトキシエタン、アセトニトリル、グルタロノトリル、バレロニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、メチルフォルメート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを挙げることができ、これらを１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また電解液の電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土金属塩などの無機イオン塩、４級アンモニウム塩、環状４級アンモニウム塩、４級ホスホニウム塩類などを挙げることができ、具体的には、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）ＰＢＦ４などを挙げることができる。電解液中の電解質濃度は、０．１〜５ｍｏｌ／Ｌとすることができ、好ましくは０．５〜５ｍｏｌ／Ｌである。
【００２３】
本発明の電気二重層キャパシタの形状としては、例えば、セパレーターを介して厚さ５０〜５００μｍのシート状、またはディスク状の１対の電極を金属製ケースに収納したコイン型、１対の電極をセパレーターを介して捲回した捲回型、セパレーターを介して設けた１対の電極を多層に設けた積層型などを挙げることができる。
本発明の電気二重層キャパシタにおいては、上記活性炭を電極材料に用いたため、サイクル特性を向上させ、優れた耐久性、および優れた容量保持率を示す。
【００２４】
なお、本発明において「硫黄分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ２５４１に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「窒素分」とは、油の場合はＪＩＳ  Ｋ  ２６０９に従い測定される値を、コークスの場合はＪＩＳ  Ｍ  ８８１３に従い測定される値を、それぞれ意味する。また、「飽和分」及び「アスファルテン分」は薄層クロマトグラフを用いて測定される値を意味する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の原料炭用原料油組成物は、電気二重層キャパシタ電極用の活性炭製造用として好適に用いられる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。                                                    
【００２７】
＜実施例１＞
（１）原料油組成物の調製
先ず、常圧蒸留残油（密度０．９２ｇ／ｃｍ３、硫黄分０．３５質量％）を、加熱炉出口温度３５０℃、圧力１．３ｋＰａの条件下で減圧蒸留し、初留点４１０℃、アスファルテン分９質量％、飽和分６１質量％、硫黄分０．１質量％、窒素分０．３質量％の減圧蒸留残渣油（以下、「減圧蒸留残渣油Ａ」という。）を得た。
この減圧蒸留残渣油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は１５質量％であった。
また、脱硫減圧軽油（硫黄分５００質量ｐｐｍ、１５℃における密度０．８８ｇ／ｃｍ３）を流動接触分解し、流動接触分解残油（以下、「流動接触分解残油Ａ」という。）を得た。得られた流動接触分解残油Ａの初留点は２１０℃であり、硫黄分は０．１質量％、窒素分は０．１質量％、アスファルテン分は０質量％、飽和分は３４質量％であった。
この流動接触分解残油Ａを試験管に入れ、常圧、５００℃で３時間熱処理を行いコークス化した。生成したコークスを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織の存在は認められなかった。
【００２８】
（２）原料炭の調製
次に、減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比３：７で混合し、原料油組成物Ａを得た。この原料油組成物Ａを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、コークス（原料炭Ａ）を得た。生成した原料炭Ａを市販の樹脂に埋め込み偏光顕微鏡で観察したところ、１０μｍ以下のモザイク組織は３．５質量％であった。
【００２９】
（３）原料炭の賦活
原料炭Ａを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った。
賦活処理後、反応容器内部の反応混合物を３００℃まで冷却し、窒素に替えて二酸化炭素を流し、金属カリウムを失活させた。この後、反応物２ｋｇに２０ｋｇの水を加え、室温で１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作を２回行った。続いて、０．３Ｎ塩酸を２０ｋｇ加え、３時間攪拌し、加圧ろ過した。さらに２０ｋｇの水を加え、１時間攪拌の後、加圧ろ過した。この操作も２回行った。得られた固形物を１３０℃で乾燥して電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。
【００３０】
（４）電気二重層キャパシタの作製
上記で得られた活性炭（０．８ｇ）、ケッチェンブラック（０．１ｇ）、ポリテトラフルオロエチレン（０．１ｇ）を乳鉢にて混合した。この混合物を０．１ｍｍ厚のトリアセテートフィルム２枚の間に挟み、幅１６０ｍｍ、上下ロール間隔０．７ｍｍ、加圧力２３．０ＭＰａとしたニップロールの間に２０回通して圧延した。圧延したシートから直径１６ｍｍの円形を２枚打ち抜き、炭素電極とした。炭素電極は真空乾燥機にて、２時間乾燥した。
電解液（プロピレンカーボネート１リットル中に（Ｃ２Ｈ５)３（ＣＨ３）ＮＢＦ４を１モル溶解させたもの）を含浸させた２枚の電極間に厚さ５０μｍのセルロース製セパレータを挟み、直径２０ｍｍのＳＵＳ３１６製コインセルの中に封入した。この際、厚さ２０μｍアルミ箔表面に集電体用カーボン塗料を塗布したものを集電体として、炭素電極とセルとの間に、塗料側を炭素電極に面するように挟んだ。
このようにして作製した電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３１】
＜実施例２＞
上記減圧蒸留残渣油Ａと流動接触分解残油Ａとを質量比６：４で混合し、原料油組成物Ｂを得た。この原料油組成物Ｂを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し原料炭Ｂを得た。原料炭Ｂを１質量部と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）２．５質量部とを混合し、ニッケル製反応容器に入れ、窒素下７５０℃で１時間加熱し、賦活処理を行った以外は、実施例１と同様の操作を行い、電気二重層キャパシタ用活性炭を得た。活性炭の比表面積、残存カリウム量および真比重を表１に示す。また、上記活性炭を用いて、実施例１と同様の操作で電気二重層キャパシタを作製した。電気二重層キャパシタセルの静電容量、およびサイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３２】
＜比較例１＞
実施例１で得られた流動接触分解残油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３３】
＜比較例２＞
実施例１で得られた減圧蒸留残渣油Ａのみを、４００ｋＰａ、５００℃で４０時間熱処理を行いコークス化し、しかる後、実施例１と同様の操作で、アルカリ賦活処理を行い、得られた活性炭を用いて電気二重層キャパシタを作製した。活性炭の比表面積、残存カリウム量、真比重、および、電気二重層キャパシタセルの静電容量、サイクル特性（１０００回充放電を繰り返した後の静電容量の保持率）を表１に示す。
【００３４】
表１より明らかなように、減圧蒸留残渣油と流動接触分解残油を混合して得られる本発明の原料油組成物を用いることにより、得られる活性炭中に残存するカリウム量を大幅に低減させることができ、その結果、それを用いた電気二重層キャパシタの静電容量保持率を向上させることができた。
【００３５】
【表１】
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【国際調査報告】
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