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JP2004224665A - Method of continuously removing residual active hydrogen oxide - Google Patents

Method of continuously removing residual active hydrogen oxide Download PDF

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JP2004224665A JP2003017139A JP2003017139A JP2004224665A JP 2004224665 A JP2004224665 A JP 2004224665A JP 2003017139 A JP2003017139 A JP 2003017139A JP 2003017139 A JP2003017139 A JP 2003017139A JP 2004224665 A JP2004224665 A JP 2004224665A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an easy method of continuously removing active hydrogen oxide existing in a carbon material (existing as hetero element-containing functional groups, such as, for example, COOH, CHO and OH) at a relatively low temperature, and to provide a removing device used therefor. <P>SOLUTION: In the method where a carbon material is heat-treated in a reducing gas current, so that residual active hydrogen oxide existing in the carbon material is continuously removed, the carbon material is successively sieved off from the upper stage of a sieve made of transition metal and layered in a multistage way in a vertical direction to the lower stage. Further, in the device where a carbon material is heat-treated in a reducing gas current, so that residual active hydrogen oxide existing in the carbon material is continuously removed, a sieve made of transition metal and layered in a multistage way in a vertical direction, a carbon material feed port of feeding the raw material carbon material to the sieve in the highest stage, and a reducing gas feed port of feeding reducing gas to the sieve in the lowest stage are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池の負極や電気二重層キャパシタの分極性電極の活物質として用いる炭素材料の連続製造方法および連続製造装置に関するもので、詳しくは、これらの炭素材料により電極を形成した場合に高い電圧で稼働させることができない原因のひとつである、炭素材料の表面あるいは細孔中に存在する活性酸化水素(酸素と結合した状態で存在する水素で、例えばCOOH、CHO、フェノール性OHなどの含ヘテロ元素官能基として存在する水素をいう)を比較的低温で、連続的かつ効率的に除去する方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、電気二重層キャパシタは、1対の分極性電極を電解質溶液中にセパレータを介して対向させて正極および負極を構成したもので、分極性電極と電解質溶液の界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを原理とするものである。従って、電気二重層キャパシタの静電容量は、分極性電極の面積にほぼ比例するとの考え方から、分極性電極の活物質として、BET法による比表面積が1,000〜2,000m/gの多孔性炭素・活性炭がこれまで多用されてきた(例えば、平塚和也ら、DENKI KAGAKU, Vol.59, No.7, pp.607−613 (1991))。
【0003】
これに対して比表面積が100m/g以下しかない非多孔性炭が提案されている(M.Takeuchiら、DENK1 KAGAKU, Vol.66, No.12, pp.1311−1317 (1998))。このような炭素材料では、多孔性炭素や活性炭であれ、非多孔性炭であれ、いずれの場合も活性化処理によって炭素の表面には多くの残存官能基が残っている。これらの炭素材料を用いて分極性電極とするとき、有機溶媒系電解質溶液を用い、2.5V以上の電圧を対向する電極間に与えて用いると、炭素電極表面に残されている残存官能基、特に含へテロ元素官能基と電解質溶液とが反応し、ガスが発生したり、あるいは非電気伝導性の皮膜が成形されるなどにより、内部抵抗が増大して機能不全が生じたり、あるいは寿命を縮めるなどの不都合が生じる。このような残存官能基を取り除く手段として高温処理が考えられて来たが、充分なものではなかった。
【0004】
すなわち、この高温処理は、炭素に関する参考書(「カーボンブラック便覧−新版」、pp.11, 図9 カーボンブラックの揮発分組成)に示されているように不活性気流中でHO、COOH、CHO、C=Oなどが高温になるにしたがって、CO、HO、COの形で離脱することを基本とするものである。800℃を超えるあたりよりHとしての離脱が始まる。従って、200℃以上800℃以下の温度で熱処理すると残存官能基の除去に何らかの寄与があり、温度が高いほど脱離官能基の種類は多くなる。すなわち、800℃では、大方の含へテロ元素官能基は一旦取り除かれる。しかしながら、同時に遊離基(Free Radical)が炭素表面に発生する。この生じた遊離基は反応性に富み、炭素が空気中に取り出されると速やかに、あるいは緩慢に空気中のHOやOと反応し、再び活性酸化水素(例えば、COOH、CHO、OHなど)を生じる。このことは人為的に水蒸気を添加した炭素材料を後述するパルスNMR(Pulse NMR)法で観測することにより容易に確認されることである。
【0005】
上記の問題点に対して、本発明者は、上述の高温処理を改良して、発生した遊離基を水素で終端することを期待して、水素気流中(又は工業的にはNHガスをFe触媒を用いて分解した3H+N混合ガス中)で熱処理する方法を提案した(例えば、特許文献1参照。)。
【0006】
この水素気流中での高温処理では、温度が高いほど効果があるという結果が出ている。
【0007】
しかしながら、電気二重層キャパシタなどの分極性電極として用いた場合、活性炭とは異なり、初期段階でミクロ孔をほとんど持たず、電気化学的インターカレーション(Intercalation)によって、電気二重層を形成し、履歴効果で以後高容量が保持されるようになる非多孔性炭では、後熱処理の温度によって炭素組織内に発達している黒鉛状層の層問距離d002が図1の様に変化し、処理温度が高温になるほど層間距離d002は減少する傾向がある。層間距離d002が狭くなるとインターカレーション開始電圧も高くなり、初期充電後の履歴効果が少なくなり、低い電圧で稼働させるときの静電容量が低下する傾向がみられ(図2)、電気二重層キャパシタの設計するうえでの自由度(例えば、分子容の小さい電解質溶液の溶媒選択など)が制限されることになる。
【0008】
また、電極間に印加する電圧は3.75〜4.0Vを最大として、これ以上の電圧を加えると内部抵抗が急激に増大し、その後電圧を下げても内部抵抗が下がらないという事態が起こりやすい。このため、印加電圧の最大を3.75Vもしくは4.0Vとせざるを得ない。実稼働電圧はこの最大電圧より低い電圧、例えば2.7Vとか3.5V以下で用いることになるが、図2に見られるとおり、低温で処理した、層間距離d002の広い、インターカレーション開始電圧の低い材料が高温で処理したものに比べその履歴効果が大きく、低い電庄での静電容量が大きくなることがわかる。
【0009】
従って、なるべく低い温度で、且つ残存官能基をできるだけ完壁に取り除くことが要求される。
【0010】
また、工業的に活性炭・多孔質炭や非多孔性炭などの炭素材を水素気流中で熱処理する場合、空気中の酸素と漏洩水素ガス(あるいは水素気流中に外部より酸素が漏洩する場合)との混合ガスが550℃以上に加熱されるか、引火すると爆発的に反応する、いわゆる、「酸水素爆鳴気反応」をおこすため、注意が必要である。従って、550℃より充分余裕のある低い温度で実施し得るならば、安全性は高まり、過剰の設備コストを必要としないですむ。
【0011】
上記問題点に対して、本発明者は、酸水素爆鳴気反応を起こすことのない550℃以下の、なるべく低い温度で、非多孔性炭ばかりでなく活性炭・多孔質炭などを含む分極性炭素電極の原料炭素の活性酸化水素、言い換えれば、COOH、CHO、OHなどのような残存する官能基を、遷移金属あるいは遷移金属化合物を用いることにより、できるだけ安く、安全に、しかも完壁に取り除く手段を提案した(例えば、特許文献2参照。)。
【0012】
【特許文献1】
特開2002−25867号公報
【特許文献2】
特開2002−362912号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記手段においては、原料炭素を粉末状等の遷移金属あるいは遷移金属化合物とを混合し、還元性雰囲気下で熱処理を行うことから、熱処理終了後、炭素材と遷移金属あるいは遷移金属化合物とを完全に分離することが必要となる。遷移金属および遷移金属化合物の分離除去が不充分であると、炭素材を電気二重層キャパシタの分極性電極の炭素活性物質に用いるような場合には、長期に使用していると、静電容量の低下や、内部抵抗の増加、無効電流の増加による充・放電効率の低下が見られることがあり、従って、炭素材中には、Fe、Ni、Co等の遷移金属が残留していないことが望ましい。
【0014】
熱処理後、炭素材と遷移金属あるいは遷移金属化合物を分離する方法は、「Dry法」および「Wet法」に大別される。「Dry法」とは、熱処理後の炭素の粉体と遷移金属あるいは遷移金属化合物との混合物から後述するような方法により炭素の粉体と遷移金属あるいは遷移金属化合物とを直接分離する分離方法をいい、また、「Wet法」とは、熱処理後の炭素の粉体と遷移金属あるいは遷移金属化合物との混合物を一旦、溶媒中に分散してから、後述するような方法により炭素の粉体と遷移金属あるいは遷移金属化合物とを分離した後、溶媒を除去し乾燥する一連の工程からなる分離方法や、熱処理後の炭素の粉体と遷移金属あるいは遷移金属化合物との混合物から、遷移金属あるいは遷移金属化合物を酸または塩基の溶液のような化学薬品を用いて処理し、可溶性の塩に変えて溶出除去するような液媒体を用いて分離する方法を意味している。しかしながら、いずれの方法においても、その方法は煩雑であり大量処理には適さない。
【0015】
従って、本発明は、炭素材に残存する活性酸化水素の除去を比較的低温で、簡便に、連続的に行う工業的方法およびこれに用いる装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
非水系電解質溶液を用いる二次電池や電気二重層キャパシタにおいて、その分極性電極の活物質として用いられる活性炭や非多孔性炭は、活性化処理によって表面にCOOH、CHO、フェノール性OH等の含へテロ元素官能基を多く残している。このような活性炭や非多孔性炭を用いて、電極を組み立て動作極間電圧を2.5Vより高い電圧で稼働させると、電解質溶液がこれらの含へテロ元素官能基と電気化学的に反応するので、活性炭や非多孔性炭に存在するこれらの含へテロ元素官能基は取り除くことが必要とされる。
【0017】
このような除去の方法の一つとして、還元性ガス気流中で500〜800℃で加熱処理する方法がある。還元性ガスである水素気流中での熱処理において、温度が高いほど脱離官能基の種類が増え、効果的に除去することができる。このような高温による処理は、活性炭の場合何ら問題を生じることはないが、黒鉛類似の微結晶炭素を有し、比表面積が小さな非多孔性炭では、高温による処理により微結晶炭素中の層間距離d002の縮小が起こることも同時に観察された。
【0018】
本発明者は、上記の還元性ガス気流中での加熱処理に際し、遷移金属を用いることにより、処理温度を低下させることができることを、さらには、後述する除去装置を用いることにより、連続的に効率よく加熱処理をすることができることを見出し、本発明を完成させた。
【0019】
本発明は、上記の含ヘテロ元素官能基として存在し、電圧印加時に電解液と反応してしまうような炭素材中に残存する酸素などと結合した状態の水素である(いわゆる化学吸着した状態の水とも呼べる)「活性酸化水素」を除去する方法であって、まず、処理すべき炭素材を還元性ガス気流中において、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落しながら熱処理することにより行われる。この処理により原料の炭素材中の含ヘテロ元素官能基が、HO、COあるいはCOとして除去され、活性酸化水素が残存しない精製された形の炭素材である精製炭素材が得られる。このようにして得られた精製炭素材は、電気二重層キャパシタなどの分極性電極の炭素活物質として用いることができる。
【0020】
また、処理される炭素材には特に制限はなく、炭素材が活性炭、多孔性炭のような細孔を有するもの、あるいは細孔をもたないような非多孔性炭であって差し支えないが、比較的低温で活性酸化水素の除去が可能となる本発明の効果を最大に享受するためには、炭素材として非多孔性炭を用いることが好ましい。なお、炭素材の形状に関しては、粉状、顆粒状、繊維状、ウイスカー状のようないずれの形状のものであっても処理する対象の炭素材として用いることができる。なかでも、粉状の炭素材を用いることが望ましい。
【0021】
本発明は、処理すべき炭素材を還元雰囲気下、好ましくは還元性ガス気流中において、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落しながら熱処理することを特徴とする。還元性ガスとして、水素あるいはアンモニアをFe触媒などを用いて接触分解して得られる水素と窒素の混合ガス(3H+N混合ガス)を用いることができる。
【0022】
また、本発明は、上記のように炭素材を連続的に熱処理し、残存活性酸化水素を効率的に除去するという方法に適した残存活性酸化水素の連続除去装置も包含し、この連続除去装置は、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩と、最上段の篩に原料炭素材を供給する炭素材供給口と、最下段の篩に還元性ガスを供給する還元性ガス供給口とを備えたことを特徴とする。
【0023】
さらに、上記装置は、処理すべき炭素材と遷移金属を充分に接触させるという観点から、篩が円筒状であり、円筒状篩の中央に穴が設けられ、当該穴を貫く回転柱を有し、篩内部には当該回転柱に固定された櫛状回転子が設けられ、当該櫛状回転子が回転柱の回転に伴い回転するものであることが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明において、処理すべき炭素材には、活性炭のような多孔性炭素や非多孔性炭など電気二重層キャパシタの分極性電極用の活物質として用いるものがあげられるが、本発明の活性酸化水素の連続除去方法の出発原料となる炭素材としては、いずれの場合も活性化(賦活)処理済みの乾燥品を用いることになる。まず、これらの出発原料となる炭素材としての非多孔性炭について簡単に説明する。なお、ここでいう「非多孔性炭」とは、特許願2000−201849号においても説明しているように、黒鉛類似の微結晶炭素を有し、細孔が少なく従って比表面積が小さな(例えば、BET法による測定で比表面積が270m/g以下、好ましくは層間距離d002が0.36〜0.38nm程度の)炭素を意味するものである。
【0025】
図3は非多孔性炭およびこれを出発原料とする残存活性酸化水素の連続除去方法の概略を示したものである。本発明で出発原料となる炭素材(非多孔性炭)は、ニードルコークスや不融化処理したピッチ(300℃〜400℃で乾留して揮発成分が除去された易黒鉛化炭)を120μm以下に粉砕して「原料炭」を得、この「原料炭」を不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、650℃〜900℃、好ましくは700℃〜800℃で、2〜4時間熱処理し、前熱処理を行い「か焼炭」を得る。次いで、得られた「か焼炭」を重量比で、1.8〜2.2倍、好ましくは2倍程度の苛性アルカリ(例えば、KOH)と混合して、再度不活性雰囲気下、例えば窒素雰囲気下で、800℃〜900℃、好ましくは800℃程度で、2〜4時間加熱し、苛性アルカリによる活性化処理を行い、その後、次のようにして炭素中に残存するアルカリを除去する。
【0026】
アルカリの除去は、得られたアルカリ活性化後の炭素を洗浄することにより行う。洗浄は、例えば上記アルカリ処理後の炭素から1μm以上の炭素粒子を回収し、ステンレス製のカラムに充填し、120℃〜150℃、10〜100kgf、好ましくは10〜50kgfの加圧水蒸気をカラムに導入し、排水のpHが〜7となるまで加圧水蒸気を導入し続けることにより行うことができる(通常6〜10時間)。アルカリ除去工程の終了後、アルゴンや窒素のような不活性ガスをカラムに流し、乾燥して目的の非多孔性炭を得る。
【0027】
一方、活性炭を製造するには、上記の原料炭を直接KOHと共に800℃で熱処理すると、細孔ができて活性炭となり、上記と同様にしてアルカリを除去した後、アルゴンや窒素のような不活性ガスをカラムに流し、乾燥して目的の活性炭を得る。
【0028】
このようにして得られた非多孔性炭や活性炭は、炭素表面にCOOH、CHO、フェノール性OHなどの含ヘテロ元素官能基を有しており、本発明ではこれらの含ヘテロ元素官能基として含有されている活性酸化水素を除去するものである。すなわち、この活性酸化水素の除去方法は、図3で例示するように、出発原料となる非多孔性炭を還元性ガス気流中で熱処理することにより非多孔性炭中に存在する残存活性酸化水素を連続的に除去する方法であって、非多孔性炭を、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落すことにより精製非多孔性炭を得るものである。
【0029】
本発明で出発原料として使用する非多孔性炭や活性炭のような炭素材は、一般に、粒子径1μm〜100μmの範囲にあり、望ましくは20μm〜60μm程度の範囲にあることが好ましい。
【0030】
本発明の残存活性酸化水素の除去方法は、炭素材を還元性ガス気流中で熱処理することにより炭素材中に存在する残存活性酸化水素を連続的に除去する方法であって、炭素材を、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落すことを特徴とする。
【0031】
篩に使用する遷移金属としては、周期表の3〜11の各属の金属元素があげられるが、特に、Fe、Ni、Co、Cu、Mo、Cr、Mn、Thであることが好ましい。
【0032】
また、使用する遷移金属はこれらの単体金属でもよいし、これらの金属元素を含む合金、例えば、パーマロイ(Fe−Ni系)、鉄コバルト(Fe−Co系)のようなものであってもよい。
【0033】
炭素材を、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落しながら、還元性の雰囲気下で熱処理を行うが、熱処理は200〜850℃、好ましくは400〜500℃の温度で行う。熱処理終了後、活性酸化水素が除去された炭素材(精製炭素材)を得る。なお、上記の熱処理は還元性雰囲気下で行うが、還元性雰囲気の条件としては、水素ガスあるいは水素を不活性ガスで希釈した混合ガス流通下が好ましく、このような混合ガスとして、工業的に実施する場合には、NHガスをFe触媒を用いて分解した3H+N混合ガスが利用できる。なお、水素ガスの流通速度としては、炭素100g当たり0.2〜0.5リットル/min程度あれば充分である。
【0034】
ここで、従来の残存活性酸化水素の除去方法について説明する。
従来の残存活性酸化水素の除去方法は、炭素材と、粉末状等の遷移金属粉末または遷移金属化合物とを混合し、充分に分散させた後、還元性の雰囲気下で熱処理を行うものであり、熱処理終了後、炭素材と遷移金属粉末とを分離し、遷移金属粉末を回収すると共に、活性酸化水素が除去された炭素材(精製炭素材)を得ていた。
【0035】
遷移金属および遷移金属化合物を、熱処理後の炭素材から分離することは必ずしも必要ではないが、電気二重層キャパシタの分極性電極の炭素活物質に用いるような場合には、組み立てられた分極性電極の信頼性を確保するために、残存する遷移金属あるいは遷移金属化合物を炭素材から分離することが好ましい。
【0036】
すなわち、Fe、Ni、Coなどの遷移金属が炭素材中に金属状態で存在したとしても、理想的電解質溶液で作られた電気二重層キャパシタであれば、特別な不具合は生じない。事実、遷移金属が残存する炭素材で作られた電気二重層キャパシタであっても、充電・放電試験の初期では何の不具合も認められない。しかし、長期に使用していると、静電容量の低下や、内部抵抗の増加、無効電流の増加による充・放電効率の低下が見られることがある。この原因としては、電解質イオンBF は、水が存在するとゆっくりと反応し、HFを含む各種のフッ素含有酸を形成することが知られていることから、これらの反応により生じたフッ素含有酸が遷移金属と反応し、電解質溶液中に遷移金属イオンを発生させ、さまざまな電気化学反応を惹起するためではないかと、考えられる。
【0037】
また、電気二重層キャパシタやLiイオン電池などの構成物では、極力水を含まないように工夫されているものであるが、完全に水を排除することは困難である。一方、Freeの水ではなくとも、形態を変えた水、すなわちCOOH、CHO、OHに含まれる水素が存在する場合、比較的高い電圧(例えば、2.5V以上)で作動させると、電気化学反応がおこり、この結果としてFreeの水が徐々に発生してくることも考えられる。このように、電気二重層キャパシタやLiイオン電池などの構成物中に、僅かの水が存在するということは避けられないものである。従って、この僅かに存在する水によりBF からフッ素含有酸が生じたとしても、このフッ素含有酸と反応する遷移金属がなければ不具合は生じないことになる。従って、炭素材中には、Fe、Ni、Coなどの遷移金属が残留していないことが望ましい。
【0038】
なお、炭素材中に、Fe、Ni、Coなどの強磁性体の微粒子が残留すると、後述するパルスNMRにより横緩和時間を測定した場合、これらの強磁性体の微粒子が近傍の磁場均一度を乱すため、パルスNMRで測定される水素核の横緩和時間Tが本来の値よりも短い横緩和時間として観測される。
【0039】
遷移金属粉末の分離回収は、炭素と遷移金属との顕著な物理的性質の違いによって分ける方法が考えられる。一般的には、密度の違いを利用することができる。また、遷移金属がFe、Ni、Coの強磁性体やこれらの強磁性体合金であれば、磁性の違いによって分離することができる。
【0040】
さらに、遷移金属化合物を使用する場合、遷移金属化合物は、一般には熱処理中に還元され大部分が遷移金属の状態となり作用しているものと推定される。熱処理後における遷移金属化合物の分離は、遷移金属の場合と同様強磁性体の場合は磁石によって分離できるが、この他に酸やアルカリによって可溶化して、洗浄などによっても炭素材から分離除去することができる。
【0041】
つまり、従来の遷移金属粉末あるいは遷移金属化合物を混合する方法においては、熱処理後に炭素材と遷移金属粉末あるいは遷移金属化合物を分離するための煩雑な工程を経る必要があった。
【0042】
本発明の残存活性酸化水素の連続除去方法においては、遷移金属あるいは遷移金属化合物を炭素材から分離除去する工程を要しない。本発明においては、還元性ガス中での熱処理において、遷移金属粉末を用いることに換え遷移金属製の篩を用いることを特徴とするものである。
【0043】
これまでの事例で、Fe、Ni、Coの金属微粉末、あるいはこれらの化合物で高温処理時分解して金属が析出するような場合は、いわゆるスピルオーバー(Spill over)の効果があることがわかった。スピルオーバー効果とは、活性炭触媒の領域において、遷移金属元素Co、Ni、Fe、Cu、Mo、Cr、Mn、Thなどの金属またはこれらの硫化物が炭素を担体として用いられた場合に、生じる現象であって、気相の分子状のHが金属界面で可逆的に解離し、原子状のHとなり、炭素の上に流れ出すという現象である(例えば、理科学辞典、「スピルオーバー」;真田雄三ら編、「新版 活性炭 基礎と応用」、pp.162 (1995);K. Fujimoto, S. Toyoshi, Proceeding of the 7th International Congress on Catalysis Tokyo, pp.235(1980)など)。
【0044】
そもそも、スピルオーバーとは、遷移金属の表面にある分子状水素が活性な原子状水素になる解離反応活性点からの「溢れ出し」を意味するものである。従って、同一重量の遷移金属粉末であれば、その遷移金属がよりよく分散されていれば、粒子径が小さいほど、活性点は多くなり、炭素へのスピルオーバーの広がりは狭くてすみ、この結果炭素は近くの活性点から高濃度の活性水素の供給を受けることができるようになる。そして、この活性水素が炭素と結合して、後述する短緩和時間成分量で表される「炭素骨格に直接結合した水素」となる。
【0045】
スピルオーバーの広がりについて、遷移金属粉末として直径dが3μmのニッケル微粒子を用いた場合を例に説明する。ニッケル微粒子と炭素材の混合割合は重量比で1:100とした。なお、この条件において熱処理を行った場合、炭素材中の残存活性酸化水素は、ほぼ完全に除去可能であることが確認されている。
【0046】
ニッケル微粒子1g中の微粒子数nは下記式(1)よりn=1.01×1010個である。
1=(πd/6)×ρNi×n ・・・(1)
(ρNi=7g/cm、d=3×10−4cm)
また、炭素材100gの体積Vは下記式よりV=143cmである。
V=100/ρ ・・・(2)
(ρ=0.7g/cm
【0047】
以上より、1個のニッケル微粒子から流れ出す活性水素の供給を受けることができる炭素材は、炭素材の体積vにしてv=V/n=1.41×10−8cmとなる。
【0048】
これよりニッケル微粒子からスピルオーバーする原子状Hの到達範囲Lは、L=v1/3=24.1μmと推定される。ただし、実際にはニッケル微粒子が炭素材中に100%単分散したとは考え難く、また、直径100μm程度の炭素材が処理されることも考え合わせると、到達範囲Lはこれより一桁以上大きいものと思われる。
【0049】
上記式(1)からわかるように、従来の活性酸化水素の除去においては、炭素材と遷移金属を混合する際に、遷移金属をできるだけ細かく均一に分散させることにより、使用する遷移金属の量を減少させることが可能であった。このことからいえば、本発明の実験例で使用した遷移金属については、遷移金属自体の活性よりも、むしろ遷移金属の粒子径の影響を受けている可能性が推定される。
【0050】
つまり、従来の炭素材と遷移金属粉末とを混合する方法においては、より多くのスピルオーバー活性点を得るために、言わば遷移金属を炭素材中に空間的に分散させる必要があった。一方、本発明の連続除去方法においては、炭素材が縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次移動することにより、換言すれば、炭素材が遷移金属製の篩に充分に接触することにより、多くのスピルオーバー活性点を得るとの目的を達成しているのである。これは、遷移金属粉末を用いた空間的分散に対し、遷移金属を時間的に分散させるものと解することができる。炭素材の全量に対して均質的にスピルオーバー現象を生じさせる、つまり、炭素材の全量において均質的に残存活性酸化水素を除去するためには、炭素材と遷移金属との接触頻度を極力高め、かつ、炭素材の全量が均等に遷移金属と接触するような方法を用いることが望ましい。
【0051】
次に、炭素上に存在する活性酸化水素の量を定量的に評価するために用いたパルスNMR法によるH共鳴の測定について説明する。測定により得られた横緩和時間T=10〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分と、横緩和時間T=55〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分との量から活性酸化水素の量を以下のようにして求めることができる。
【0052】
図4は、パルスNMR法を用いて各緩和時間成分を求めるための炭素試料の調製法の概要を示したものである。すなわち、露点温度−80℃程度のグローブボックスに隣接した、真空加熱焼出し炉で、試料を深底ガラス試料ビンに少量採取し、これをSUS製深底バットに入れ、軽く蓋をのせてゆっくりと焼き出す。
【0053】
焼出し処理を行った後、グローブボックスの内側扉から、上記試料を取り出し、図4に示したように、10mmφのNMR試料管に試料を詰め、PTFE製内栓で固定する。内栓の中心にはガラスフィルター繊維を詰め、挿入時内部ガスの気流により試料粉が出てこないようにする。
【0054】
専用試料キャップで栓をし、これをラミネートポリ袋に入れ、クランプする。
【0055】
グローボックスの外に取り出し、熱シールする。
【0056】
以上の状態で保存し、測定寸前にシールをあけて試料を取り出し測定する。試料充填長さ(L)と炭素正味重量(W)は試料充填補正に用いる。
【0057】
パルスNMR法によるH共鳴の測定は次のようにして行う。
測定周波数:25MHz、パルス幅Pwl:2.0μsec、パルス間隔Pil:8.0μsecで90°位相差の第2パルスを与え、パルス間隔2Pil後のエコー信号を観測する。この操作を、繰返し時間Rep:2.0secで繰返し数Scans:128〜512だけ行い積算し、データを集積する。
【0058】
以上のようにして粉末状態でパルスNMR装置で、H核共鳴を行うと、緩和時間の異なる多くは2つないし3つの成分を重ね合わせた減衰信号が観測される。一つは横緩和時間Tが10〜50μsecという短い成分で、Gauss型分布を示す共鳴線で近似できる成分である。この成分はたとえこの炭素を800℃で焼成しても変化しない成分であって、炭素骨格に直接結合した水素からなる成分である。この他に、横緩和時間Tが55〜400μsecのLorentze型分布をした中緩和時間成分があり、これは単に加熱真空乾燥してもなかなか無くならない成分である。これは化学吸着水に相当し、COOH、CHO、OHなど酸素と水素との官能基に起因するものである。また、さらに長い緩和時間をもつ成分T=500〜2000μsecの物理吸着水による水素も観測されるが、これは上記加熱真空乾燥によって大方取り除かれるものである。
【0059】
本発明では、上記の「炭素骨格に直接結合した水素」を「T=10〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分」と、「COOH、CHO、OHなど酸素と水素とを含む含へテロ元素官能基に起因する水素」、すなわち、活性酸化水素を「T=55〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分」として定義した。
【0060】
すなわち、本発明の連続除去方法により「T=55〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分」が減少するとともに、還元雰囲気中(水素気流中など)で熱処理されることにより、炭素中の活性部位が水素でターミネートあるいはブロックされて、「炭素骨格に直接結合した水素」が生成されることから、「T=10〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分」が増加すると推定される。従って、本発明で得られる活性酸化水素が除去された精製炭素材としては、T=10〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分に対するT=55〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分の比、すなわち、「[T=55〜400μsec(Lorentze型)の中緩和時間成分]/[T=10〜50μsec(Gauss型)の短緩和時間成分]」の値が1/3以下、好ましくは1/5以下であることが電気二重層キャパシタなどの分極性電極の炭素活物質として使用した場合、ガスの発生や非電気伝導性の皮膜が成形されることがなく、内部抵抗の増大がない安定したものが得られるという点で望ましいものである。
【0061】
なお、炭素中の活性部位が水素でターミネートあるいはブロックされて生じる炭素に直接結合した水素は、処理終了後に精製炭素材が空気中に取り出されたとき、空気中の酸素や水により炭素中の活性部位が再びCOOH、CHO、OH等に変換されるのを防止している。
【0062】
次に上述の残存活性酸化水素の連続除去方法に適するものとして好ましく用いることができる残存活性酸化水素の連続除去装置を以下に説明する。
【0063】
図5は、本発明の一実施態様としての残存活性酸化水素の連続除去装置の概要を示す図である。本発明の連続除去装置は、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩2と、最上段の篩に原料炭素材を供給する炭素材供給口3と、最下段の篩に還元性ガスを供給する還元性ガス供給口4とを備えたことを特徴とする。処理すべき炭素材は、原料炭素材供給口3より最上段の篩に供給され、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩2により、上段から下段へと順次篩い落されていく。最下段の篩から篩い落された精製炭素材は、精製炭素材排出口8より処理装置外部へと排出される。
【0064】
また、還元性ガスは、還元性ガス供給口4より装置内部に供給され、最下段の篩から最上段の篩へと流れ、最終的には装置上部に設けた還元性ガス排出口5より排出される。還元性ガス排出口5からは、H等の還元性ガスと共に、処理すべき炭素材から離脱したCO、COOH、CO等の排ガスも排出される。
【0065】
篩2は、遷移金属からなり、具体的には前述した周期表の3〜11の各属の金属元素があげられるが、特に、Fe、Ni、Co、Cu、Mo、Cr、Mn、Thであることが好ましい。また、使用する遷移金属はこれらの単体金属でもよいし、これらの金属元素を含む合金、例えば、パーマロイ(Fe−Ni系)、鉄コバルト(Fe−Co系)のようなものであってもよい。
【0066】
また、篩2は縦方向に多段に積層されている。篩2を積層する数量について特に制限はないが、炭素材と遷移金属との接触頻度を極力高める観点から、10〜15段であることが好ましい。多段に積層された篩2の外部にはヒーター6が設けられている。
【0067】
篩2は円筒状であることが好ましく、円筒状篩の中央には穴が設けられ、当該穴を貫く回転柱7を有し、篩内部には当該回転柱7に固定された櫛状回転子10が設けられていることが好ましい。当該櫛状回転子10は回転柱7の回転に伴い回転する。図6は、篩2の一実施態様の概要を示す平面図であり、図7は、櫛状回転子10の一実施態様の概要を示す断面図である。
【0068】
篩2の底面はメッシュにより構成されている。底面全体がメッシュであっても良いが、炭素材と遷移金属との接触頻度を充分に確保する観点から、炭素材が遷移金属からなる篩と充分に接触するよう、底面の一部分のみがメッシュにより構成され、他の部分は平面であることが好ましい。例えば、図6に示すように篩2の底面において、回転柱を中心点とした扇形部分をメッシュにより構成する等である。この場合、扇形メッシュ部9の中心角は15度〜90度であることが好ましく、メッシュは粒子径125μm以下の炭素材が通過する程度の網の目であることが好ましい。メッシュ部9も遷移金属製であることが好ましく、具体的には篩2と同様の元素を挙げることができる。
【0069】
各篩内部には、櫛状回転子10が回転柱7に固定され、櫛の刃が円筒状篩2の底面に向くよう設けられていること好ましい。櫛状回転子10は、各篩内部に複数設けることができる。さらに、櫛状回転子10の櫛の刃と噛み合うよう、円筒状篩2の底面には櫛状突起11を設けることもできる。各段の円筒状篩2の内部に設けられた櫛状回転子10は、回転柱7の回転に伴い回転する。各段の櫛状回転子10は全て一方向に同時に回転し、櫛状回転子10が回転する速度は、0.05rpm〜0.2rpmであることが好ましい。櫛状回転子10および櫛状突起11も遷移金属製であることが好ましく、具体的には篩2と同様の元素を挙げることがでる。
【0070】
この円筒状篩2を多段に設けるに際し、各円筒状篩2のメッシュの位置はその上下に隣接する円筒状篩2のメッシュの位置と重なり合わないよう設けることが好ましい。このような構成とすることにより、上段から篩い落された炭素材は、そのままさらに下段へと篩い落されることなく、櫛状回転子10の回転に伴い、少なくともある程度は各段の篩内部を、篩2の底面と接触しながら移動することとなる。
【0071】
炭素材と遷移金属との接触頻度は、篩2の段数、篩2を構成するメッシュの面積、メッシュ(網の目)の径、原料炭素材の粒子径、櫛状回転子10の回転速度等によって制御することが可能である。熱処理の最適温度を保つための電力、水素ガスの送風量等を勘案して経済的運転条件を定めればよい。原料炭素材の投入を連続して行えば、活性酸化水素の連続除去が実現できる。また、精製後の炭素材の活性酸化水素の量をパルスNMR法により定量した結果、残存活性酸化水素の除去が不充分であれば、除去装置内に再投入し、引き続いて除去処理を行うことも可能である。
【0072】
以上において、本発明の残存活性酸化水素の連続除去装置の一実施態様を示したが、本発明の連続除去装置はこれに限定されるものではなく、例えば、各篩においてメッシュ(網の目)に変え、篩の底面に小口径の多数の穴を設けることにより炭素材を篩い落すことも可能であり、また、櫛状回転子の回転に変え、篩を振動させることにより炭素材を篩い落すことも可能である。いずれの装置においても、遷移金属の炭素材への時間的分散、つまり、遷移金属製の篩と炭素材とが充分に接触し、スピルオーバー活性点が充分に確保されることが重要である。さらに、遷移金属の炭素材への時間的分散が充分にされるならば、篩を横方向に多段に設けることも可能である。
【0073】
次に図5〜7に示す活性酸化水素の連続除去装置を用いた具体例を挙げる。
処理すべき炭素材の粒子径は100μm、篩はニッケル製であり、その段数は13段、メッシュ(網の目)の径は125μm、扇形メッシュ部の中心角は60度、櫛状回転子の回転速度は0.1rpmの条件で処理を行った場合、原料投入口に投入した原料炭素材の全量が精製炭素材排出口より排出されるまでに要した時間は約21時間であった。これは、遷移金属の炭素材の時間的分散として充分な時間である。
【0074】
本発明の方法に従って得られた活性酸化水素が除去された処理後の炭素材(精製炭素材)は電気二重層キャパシタなどの分極性電極用の炭素活物質として用いることができる。このような分極性電極は従来の電気二重層キャパシタ用の分極性電極と同様の方法により作製することができる。例えば、シート状の電極を作製するには、得られた精製炭素材を5〜100μm程度に粉砕し粒度を整えた後、炭素粉末に導電性を付与するための導電性補助剤として例えばカーボン・ブラックと、結着剤として例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを添加して混練りし、圧延伸によりシート状に成形することにより行う。導電性補助剤としては、カーボン・ブラック(例えば、アセチレンブラック)の他、粉末グラファイトなどを用いることができ、また、結着剤としては、PTFEの他、PVDF、PE、PPなどを使用することができる。この際、非多孔性炭素と導電性補助剤(カーボン・ブラック)と結着剤(PTFE)との配合比は、一般に、10:0.5〜1.0:0.25〜0.5程度である。
【0075】
このようにして得られた分極性電極に集電体を取り付け、セパレータを介して重ね合わせることにより正極と負極とを形成した後、電解質を含む有機溶媒を含浸させて電気二重層キャパシタに組み立てることができる。
【0076】
なお、炭素活物質として非多孔性炭を用いた場合には、得られる電気二重層キャパシタは、キャパシタの組み立て当初は電気二重層を形成している界面は実質的に無いが、初期充電時に印加電圧がある閾値を越えると電解質イオンが溶媒を伴って炭素組織内に侵入することによって、初めて電気二重層を形成する界面を発生し、以後履歴効果でこの界面が維持され、電気二重層キャパシタとして有効に機能するというものであるため、最初に定格電圧の10ないし20%高い電圧(通常、3.5〜3.75V程度)を印加し充電することが必要である。しかし、炭素活物質として活性炭を用いる場合には、組み立てられた時点で直ちに電気二重層を形成することができ、初期充電のような操作を必ずしも必要とすることなく、そのまま電気二重層キャパシタとして使用することができる。
【0077】
【発明の効果】
本発明の残存活性酸化水素の除去方法によれば、遷移金属および遷移金属酸化物と炭素材とを分離する必要がなく簡便かつ効率よく精製炭素材を得ることが可能となる。また、原料炭素材を連続的に処理することが可能となり、炭素材の大量処理の自動化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】各種非多孔性炭の後熱処理による層間距離d002の変化を示すグラフである。縦軸にX線回折(XRD)で得られた層間距離d002の値を、横軸に熱処理温度を示した。なお、横軸の初めの部分に、か焼炭、およびKOH活性化処理の時点での層間距離d002も示した。図から、KOH活性化処理後が最も大きい層間距離を示し、その後の熱処理によって狭くなっていることがわかる。一般的傾向としては温度が高い程、層間距離d002は小さい値を示している。なお、各プロットは次の炭素材を示している。▼:不融化石油ピッチを原料炭として調製した非多孔性炭D、▽:石油系ニードルコークスを原料炭として調製した非多孔性炭A、■:石油系ニードルコークスを原料炭として調製した非多孔性炭C、□、▲および●:石油系ニードルコークスを原料炭として調製した非多孔性炭Bであって、前熱処理条件および活性化処理条件がそれぞれ異なるものである。
【図2】熱処理温度を変えたときの非多孔性炭の初期充電特性を示すグラフである。印加電圧を0.5V〜3.75Vまで0.5Vないし0.25V単位で漸次上昇させながら充・放電特性を測定し、同様に3.75V〜0.5Vまで同様に漸次減少させながら測定した結果を示したものである。測定した試料は石油系ニードルコークスを原料炭として調製した非多孔性炭Bについて還元雰囲気下で熱処理したもので、測定対象とした試料に付記してある「+504H」などの意味は500℃で4時間、水素中で熱処理をしたことを表す。図によると、各試料ともそれぞれ履歴効果により印加電圧減少時に、印加電圧増加時に比べて高い静電容量を示すが、高い温度で熱処理したものほど、立ち上がりの電圧が高く、静電容量も小さいことがわかる。これは層間距離d002に起因するものである。
【図3】非多孔性炭および精製炭素材の調製方法の概略を示す図である。
【図4】パルスNMR測定のための試料の調製の概要を示す図である。
【図5】本発明の一実施態様としての残存活性酸化水素の連続除去装置の概要を示す図である。
【図6】篩2の一実施態様の概要を示す平面図である。
【図7】櫛状回転子10の一実施態様の概要を示す断面図である。
【符号の説明】
1 残存活性酸化水素の連続除去装置
2 円筒状篩
3 原料炭素材投入口
4 還元性ガス供給口
5 還元性ガス排出口
6 ヒーター
7 回転柱
8 精製炭素材排出口
9 メッシュ部
10 櫛状回転子
11 櫛状突起
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a continuous production method and a continuous production apparatus for a carbon material used as an active material of a negative electrode of a lithium ion secondary battery or a polarizable electrode of an electric double layer capacitor, and more specifically, to form an electrode using these carbon materials. One of the causes of the inability to operate at a high voltage in the case of activated hydrogen oxide is active hydrogen oxide (hydrogen existing in a state bonded to oxygen, such as COOH, CHO, The present invention relates to a method and an apparatus for continuously and efficiently removing hydrogen existing as a hetero element-containing functional group such as OH at a relatively low temperature.
[0002]
[Prior art]
For example, an electric double layer capacitor has a pair of polarizable electrodes opposed to each other in an electrolyte solution via a separator to form a positive electrode and a negative electrode, and an electric double layer formed at an interface between the polarizable electrode and the electrolyte solution. The principle is to accumulate electric charges in the memory. Accordingly, from the idea that the capacitance of the electric double layer capacitor is almost proportional to the area of the polarizable electrode, the specific surface area by the BET method is 1,000 to 2,000 m as the active material of the polarizable electrode.2/ G of porous carbon / activated carbon has been widely used (for example, Kazuya Hiratsuka et al., DENKI KAGAKU, Vol. 59, No. 7, pp. 607-613 (1991)).
[0003]
On the other hand, the specific surface area is 100m2Non-porous coals of no more than 1 g / g have been proposed (M. Takeuchi et al., DENK1 KAGAKU, Vol. 66, No. 12, pp. 1311-1317 (1998)). In such a carbon material, whether it is porous carbon, activated carbon, or non-porous carbon, in any case, many residual functional groups remain on the carbon surface due to the activation treatment. When a polarizable electrode is formed by using these carbon materials, when an organic solvent-based electrolyte solution is used and a voltage of 2.5 V or more is applied between the facing electrodes, the remaining functional groups remaining on the carbon electrode surface are used. In particular, the reaction between the hetero element-containing functional groups and the electrolyte solution reacts to generate gas or form a non-electrically conductive film. Inconveniences such as shrinking occur. High temperature treatment has been considered as a means for removing such residual functional groups, but it has not been sufficient.
[0004]
That is, this high-temperature treatment is carried out in an inert gas stream as shown in the reference book on carbon (“Carbon Black Handbook-New Edition”, pp. 11, FIG. 9 volatile composition of carbon black).2As O, COOH, CHO, C = O, etc. become hotter, CO2, H2It is based on leaving in the form of O and CO. More than 800 ℃2Withdrawal begins. Therefore, heat treatment at a temperature of 200 ° C. or more and 800 ° C. or less contributes to the removal of residual functional groups, and the higher the temperature, the more kinds of functional groups to be eliminated. That is, at 800 ° C., most of the hetero element-containing functional groups are once removed. However, at the same time, free radicals are generated on the carbon surface. The resulting free radicals are highly reactive, and as soon as carbon is taken out into the air, H2O or O2Reacting with to form active hydrogen oxide (eg, COOH, CHO, OH, etc.) again. This is easily confirmed by observing the carbon material artificially added with water vapor by a pulse NMR (Pulse NMR) method described later.
[0005]
In view of the above problems, the present inventor hopes that the above-mentioned high-temperature treatment will be improved to terminate the generated free radicals with hydrogen.3Fe gas2O33H decomposed with catalyst2+ N2A heat treatment method (in a mixed gas) has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0006]
In the high-temperature treatment in the hydrogen stream, the higher the temperature is, the more effective it is.
[0007]
However, when used as a polarizable electrode such as an electric double layer capacitor, unlike activated carbon, it has almost no micropores at the initial stage, and forms an electric double layer by electrochemical intercalation (history). In the case of non-porous charcoal whose effect is to maintain a high capacity thereafter, the inter-layer distance d of the graphitic layer developed in the carbon structure by the temperature of the post heat treatment002Changes as shown in FIG. 1, and as the processing temperature becomes higher, the interlayer distance d increases.002Tends to decrease. Interlayer distance d002, The intercalation starting voltage increases, the hysteresis effect after initial charging decreases, and the capacitance when operating at a low voltage tends to decrease (FIG. 2). This limits the degree of freedom (eg, selection of a solvent for an electrolyte solution having a small molecular volume) in the process.
[0008]
In addition, the voltage applied between the electrodes is set to a maximum of 3.75 to 4.0 V. When a voltage higher than that is applied, the internal resistance rapidly increases, and thereafter, the internal resistance does not decrease even if the voltage is reduced. Cheap. For this reason, the maximum applied voltage must be set to 3.75 V or 4.0 V. The actual operating voltage is a voltage lower than the maximum voltage, for example, 2.7 V or 3.5 V or less, but as shown in FIG.002It can be seen that the hysteresis effect is larger than that of a material having a wide intercalation start voltage and a low intercalation start voltage, and the capacitance at a low voltage is large.
[0009]
Therefore, it is required to remove the remaining functional groups as completely as possible at a temperature as low as possible.
[0010]
Also, when carbon materials such as activated carbon, porous carbon and non-porous carbon are industrially heat-treated in a hydrogen stream, oxygen in the air and leaked hydrogen gas (or when oxygen leaks from the outside into the hydrogen stream) Care must be taken to cause a so-called "oxy-hydrogen explosive reaction", in which a mixed gas containing oxyhydrogen is heated to 550 ° C. or more or reacts explosively when ignited. Thus, if it can be carried out at a low temperature, which is well above 550 ° C., the safety will be increased and no excessive equipment costs will be required.
[0011]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has proposed that polarizable materials including not only non-porous charcoal but also activated carbon and porous charcoal can be obtained at a temperature as low as 550 ° C. or less, which does not cause an oxyhydrogen detonation reaction. Active hydrogen oxide of the raw material carbon of the carbon electrode, in other words, remaining functional groups such as COOH, CHO, and OH are removed as cheaply, safely and completely as possible by using transition metals or transition metal compounds. Means have been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-25867
[Patent Document 2]
JP-A-2002-362912
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described means, the raw material carbon is mixed with a transition metal or a transition metal compound in a powder form or the like, and the heat treatment is performed in a reducing atmosphere. Need to be completely separated. If the separation and removal of the transition metal and the transition metal compound are not sufficient, when the carbon material is used for the carbon active material of the polarizable electrode of the electric double layer capacitor, if the carbon material is used for a long period of time, the capacitance will be increased. , The internal resistance, and the reactive current increase, the charge / discharge efficiency may decrease. Therefore, no transition metals such as Fe, Ni, and Co remain in the carbon material. Is desirable.
[0014]
After the heat treatment, the method of separating the transition metal or the transition metal compound from the carbon material is roughly classified into a “Dry method” and a “Wet method”. The “Dry method” is a separation method of directly separating a carbon powder and a transition metal or a transition metal compound from a mixture of a carbon powder after the heat treatment and a transition metal or a transition metal compound by a method described below. In addition, the “Wet method” means that a mixture of a carbon powder after heat treatment and a transition metal or a transition metal compound is once dispersed in a solvent, and then mixed with a carbon powder by a method described later. After separating a transition metal or a transition metal compound, a separation method comprising a series of steps of removing a solvent and drying, or a transition metal or a transition metal from a mixture of a carbon powder after heat treatment and a transition metal or a transition metal compound. It means a method in which a metal compound is treated with a chemical such as an acid or base solution, and is separated using a liquid medium which is converted into a soluble salt and eluted and removed. However, any of these methods is complicated and is not suitable for mass processing.
[0015]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an industrial method for easily and continuously removing active hydrogen oxide remaining on a carbon material at a relatively low temperature and an apparatus used for the method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In a secondary battery or an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte solution, activated carbon or non-porous carbon used as the active material of the polarizable electrode contains COOH, CHO, phenolic OH, etc. on the surface by an activation treatment. Many hetero element functional groups remain. When an electrode is assembled using such activated carbon or non-porous carbon and the operating electrode voltage is operated at a voltage higher than 2.5 V, the electrolyte solution electrochemically reacts with these hetero element-containing functional groups. Therefore, it is necessary to remove these hetero element-containing functional groups present in activated carbon and non-porous carbon.
[0017]
As one of such removal methods, there is a method of performing heat treatment at 500 to 800 ° C. in a reducing gas stream. In the heat treatment in a hydrogen gas stream, which is a reducing gas, the higher the temperature is, the more kinds of desorbed functional groups are increased, and the functional groups can be effectively removed. Such high-temperature treatment does not cause any problem in the case of activated carbon, but non-porous carbon having microcrystalline carbon similar to graphite and having a small specific surface area is treated by high-temperature treatment to form an interlayer in the microcrystalline carbon. Distance d002Was observed at the same time.
[0018]
The present inventor has made it possible to reduce the processing temperature by using a transition metal during the heat treatment in the reducing gas stream, and further, by using a removing device described later, continuously. The present inventors have found that heat treatment can be performed efficiently, and have completed the present invention.
[0019]
The present invention is a hydrogen which exists as the above-mentioned hetero element-containing functional group and is combined with oxygen or the like remaining in a carbon material which reacts with an electrolytic solution when a voltage is applied (so-called chemically adsorbed state). This is a method of removing "active hydrogen oxide". First, the carbon material to be treated is sequentially reduced from the upper stage to the lower stage of a transition metal sieve in which a plurality of layers are vertically stacked in a reducing gas stream. This is performed by heat treatment while sieving. By this treatment, the hetero element-containing functional group in the raw carbon material becomes H2O, CO2Alternatively, a purified carbon material, which is a purified carbon material that is removed as CO and has no remaining active hydrogen oxide, is obtained. The purified carbon material thus obtained can be used as a carbon active material for a polarizable electrode such as an electric double layer capacitor.
[0020]
The carbon material to be treated is not particularly limited, and the carbon material may be activated carbon, one having pores such as porous carbon, or non-porous carbon having no pores. In order to maximize the effect of the present invention that enables active hydrogen oxide to be removed at a relatively low temperature, it is preferable to use non-porous carbon as the carbon material. Regarding the shape of the carbon material, any shape such as powder, granule, fiber and whisker can be used as the carbon material to be treated. Especially, it is desirable to use a powdery carbon material.
[0021]
The present invention is characterized in that the carbon material to be treated is subjected to a heat treatment under a reducing atmosphere, preferably in a reducing gas stream, while sequentially sifting from the upper stage to the lower stage of a transition metal sieve stacked in multiple stages in the vertical direction. I do. Hydrogen or ammonia is used as reducing gas2O3Mixed gas of hydrogen and nitrogen (3H2+ N2Mixed gas) can be used.
[0022]
Further, the present invention also includes a continuous removal apparatus for residual active hydrogen oxide suitable for a method of continuously heat-treating a carbon material as described above to efficiently remove residual active hydrogen oxide. Is a transition metal sieve stacked in multiple stages in the vertical direction, a carbon material supply port that supplies the raw material carbon material to the uppermost screen, and a reducing gas supply port that supplies the reducing gas to the lowermost screen. It is characterized by having.
[0023]
Furthermore, from the viewpoint of sufficiently bringing the carbon material to be treated and the transition metal into contact with each other, the above-described apparatus has a cylindrical sieve, a hole is provided in the center of the cylindrical sieve, and a rotating column having a hole therethrough. Preferably, a comb-shaped rotor fixed to the rotating column is provided inside the sieve, and the comb-shaped rotor rotates with the rotation of the rotating column.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, the carbon material to be treated includes those used as an active material for a polarizable electrode of an electric double layer capacitor, such as porous carbon such as activated carbon and non-porous carbon. As a carbon material as a starting material in the method for continuously removing hydrogen, a dried product that has been activated (activated) is used in any case. First, non-porous carbon as a carbon material serving as a starting material will be briefly described. In addition, the “non-porous coal” referred to here has microcrystalline carbon similar to graphite, has few pores, and therefore has a small specific surface area (for example, as described in Japanese Patent Application No. 2000-201849). 270m specific surface area measured by BET method2/ G or less, preferably the interlayer distance d002Means about 0.36 to 0.38 nm) carbon.
[0025]
FIG. 3 schematically shows a non-porous coal and a method for continuously removing residual active hydrogen oxide using the same as a starting material. The carbon material (non-porous carbon) used as a starting material in the present invention has a needle coke or infusibilized pitch (easily graphitized carbon from which volatile components have been removed by dry distillation at 300 ° C. to 400 ° C.) of 120 μm or less. Pulverization is performed to obtain “coking coal”, and this “coking coal” is heat-treated at 650 ° C. to 900 ° C., preferably 700 ° C. to 800 ° C. for 2 to 4 hours under an inert atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere. Heat treatment to obtain "calcined charcoal". Next, the obtained “calcined charcoal” is mixed with caustic alkali (for example, KOH) in a weight ratio of 1.8 to 2.2 times, and preferably about 2 times, and again in an inert atmosphere, for example, nitrogen. In an atmosphere, heating is performed at 800 ° C. to 900 ° C., preferably about 800 ° C., for 2 to 4 hours to perform an activation treatment with a caustic alkali. Thereafter, the alkali remaining in the carbon is removed as follows.
[0026]
The removal of alkali is performed by washing the obtained carbon after alkali activation. For washing, for example, carbon particles having a size of 1 μm or more are collected from the carbon after the alkali treatment, packed in a stainless steel column, and pressurized steam at 120 ° C. to 150 ° C. and 10 to 100 kgf, preferably 10 to 50 kgf is introduced into the column. Then, it can be carried out by continuously introducing pressurized steam until the pH of the wastewater becomes 〜7 (normally 6 to 10 hours). After the completion of the alkali removing step, an inert gas such as argon or nitrogen is passed through the column and dried to obtain the desired non-porous carbon.
[0027]
On the other hand, in order to produce activated carbon, the above-mentioned raw coal is heat-treated directly with KOH at 800 ° C., and pores are formed into activated carbon. After removing alkali in the same manner as above, an inert gas such as argon or nitrogen is produced. The gas is passed through the column and dried to obtain the desired activated carbon.
[0028]
The non-porous carbon or activated carbon thus obtained has a hetero element-containing functional group such as COOH, CHO, or phenolic OH on the carbon surface. The active hydrogen oxide is removed. That is, as shown in FIG. 3, this method for removing active hydrogen oxide is performed by heat-treating non-porous carbon as a starting material in a reducing gas stream to remove residual active hydrogen oxide present in the non-porous carbon. Is obtained by successively sifting the non-porous carbon from the upper stage to the lower stage of a transition metal sieve, which is vertically laminated in multiple stages, to obtain a purified non-porous carbon.
[0029]
The carbon material such as non-porous carbon or activated carbon used as a starting material in the present invention generally has a particle size in the range of 1 μm to 100 μm, preferably in the range of about 20 μm to 60 μm.
[0030]
The method for removing residual active hydrogen oxide of the present invention is a method for continuously removing residual active hydrogen oxide present in a carbon material by heat-treating the carbon material in a reducing gas stream, and removing the carbon material. It is characterized in that the sieve is sequentially sifted down from the upper stage to the lower stage of a transition metal sieve stacked in multiple stages in the vertical direction.
[0031]
Examples of the transition metal used for the sieve include metal elements belonging to each of the groups 3 to 11 in the periodic table, and particularly, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Cr, Mn, and Th are preferable.
[0032]
The transition metal used may be any of these simple metals, or an alloy containing these metal elements, for example, a material such as permalloy (Fe—Ni) or iron cobalt (Fe—Co). .
[0033]
While the carbon material is sequentially sieved from the upper stage to the lower stage of a transition metal sieve stacked in multiple stages in the vertical direction, heat treatment is performed in a reducing atmosphere, and the heat treatment is performed at 200 to 850 ° C, preferably 400 to 500 ° C. At a temperature of After the heat treatment, a carbon material (purified carbon material) from which active hydrogen oxide has been removed is obtained. Note that the above heat treatment is performed in a reducing atmosphere, but the conditions of the reducing atmosphere are preferably a hydrogen gas or a mixed gas obtained by diluting hydrogen with an inert gas, and such a mixed gas is industrially used. If implemented, NH3Fe gas2O33H decomposed with catalyst2+ N2Mixed gas is available. It is sufficient that the flow rate of the hydrogen gas is about 0.2 to 0.5 liter / min per 100 g of carbon.
[0034]
Here, a conventional method for removing residual active hydrogen oxide will be described.
A conventional method for removing residual active hydrogen oxide is to mix a carbon material and a transition metal powder or a transition metal compound in a powder form, sufficiently disperse the mixture, and then perform a heat treatment in a reducing atmosphere. After the heat treatment, the carbon material and the transition metal powder are separated, the transition metal powder is recovered, and a carbon material from which active hydrogen oxide has been removed (refined carbon material) has been obtained.
[0035]
It is not necessary to separate the transition metal and the transition metal compound from the carbon material after the heat treatment. However, in the case where the transition metal and the transition metal compound are used as the carbon active material of the polarizable electrode of the electric double layer capacitor, the assembled polarizable electrode is used. In order to ensure the reliability of the above, it is preferable to separate the remaining transition metal or transition metal compound from the carbon material.
[0036]
That is, even if transition metals such as Fe, Ni, and Co exist in the carbon material in a metal state, no special problem occurs if the electric double layer capacitor is made of an ideal electrolyte solution. In fact, even in the case of an electric double layer capacitor made of a carbon material in which a transition metal remains, no defect is recognized at the beginning of the charge / discharge test. However, when used for a long period of time, a decrease in capacitance, an increase in internal resistance, and a decrease in charge / discharge efficiency due to an increase in reactive current may be observed. This is because electrolyte ions BF4 Is known to react slowly in the presence of water to form various fluorine-containing acids including HF. Therefore, the fluorine-containing acid generated by these reactions reacts with the transition metal, and To generate various kinds of electrochemical reactions.
[0037]
In addition, components such as an electric double layer capacitor and a Li-ion battery are designed so as not to contain water as much as possible, but it is difficult to completely remove water. On the other hand, in the case where water that has changed its form, that is, hydrogen contained in COOH, CHO, and OH, is present instead of Free water, an electrochemical reaction occurs when the apparatus is operated at a relatively high voltage (for example, 2.5 V or more). May occur, and as a result, free water may be gradually generated. As described above, it is inevitable that a small amount of water exists in components such as an electric double layer capacitor and a Li-ion battery. Therefore, this small amount of water causes BF4 Even if a fluorine-containing acid is generated from, no problem occurs without a transition metal that reacts with the fluorine-containing acid. Therefore, it is desirable that no transition metals such as Fe, Ni, and Co remain in the carbon material.
[0038]
When fine particles of a ferromagnetic material such as Fe, Ni, and Co remain in the carbon material, when the transverse relaxation time is measured by pulse NMR described later, these fine particles of the ferromagnetic material reduce the magnetic field uniformity in the vicinity. Transverse relaxation time T measured by pulsed NMR2Is observed as a transverse relaxation time shorter than the original value.
[0039]
A method of separating and recovering the transition metal powder may be a method in which the transition metal powder is separated according to a remarkable difference in physical properties between carbon and the transition metal. Generally, differences in density can be exploited. If the transition metal is a ferromagnetic material of Fe, Ni, or Co or an alloy of these ferromagnetic materials, they can be separated by a difference in magnetism.
[0040]
Furthermore, when a transition metal compound is used, it is generally assumed that the transition metal compound is reduced during the heat treatment and is mostly in the state of a transition metal and acts. After the heat treatment, the transition metal compound can be separated by a magnet in the case of a ferromagnetic material as in the case of the transition metal. be able to.
[0041]
That is, in the conventional method of mixing the transition metal powder or the transition metal compound, it is necessary to go through a complicated process for separating the carbon material from the transition metal powder or the transition metal compound after the heat treatment.
[0042]
In the method for continuously removing residual active hydrogen oxide of the present invention, a step of separating and removing a transition metal or a transition metal compound from a carbon material is not required. The present invention is characterized in that in the heat treatment in a reducing gas, a transition metal sieve is used instead of using transition metal powder.
[0043]
In the past cases, it has been found that in the case where fine metal powders of Fe, Ni, and Co, or these compounds are decomposed during high-temperature treatment to precipitate a metal, there is a so-called spill over effect. . The spillover effect is a phenomenon that occurs when a metal such as a transition metal element Co, Ni, Fe, Cu, Mo, Cr, Mn, or a sulfide thereof is used as a carrier in a region of an activated carbon catalyst. And the gaseous molecular H2Is reversibly dissociated at the metal interface, becomes atomic H, and flows out onto carbon (for example, Science Dictionary, "Spillover"; edited by Yuzo Sanada et al., "New Edition Activated Carbon Basics and Applications", pp. 162 (1995); K. Fujimoto, S. Tokyo, Proceeding of the 7th International Congress on Catalysis Tokyo, pp. 235 (1980)).
[0044]
In the first place, spillover means "spillover" from a dissociation reaction active site where molecular hydrogen on the surface of a transition metal becomes active atomic hydrogen. Thus, for a transition metal powder of the same weight, if the transition metal is better dispersed, the smaller the particle size, the greater the number of active sites and the smaller the spread of spillover to carbon, and consequently the smaller the carbon. Can be supplied with a high concentration of active hydrogen from nearby active points. Then, this active hydrogen is bonded to carbon, and becomes “hydrogen directly bonded to the carbon skeleton” represented by a short relaxation time component amount described later.
[0045]
The spread of the spillover will be described by taking as an example a case where nickel fine particles having a diameter d of 3 μm are used as the transition metal powder. The mixing ratio between the nickel fine particles and the carbon material was 1: 100 by weight. It has been confirmed that when the heat treatment is performed under these conditions, the remaining active hydrogen oxide in the carbon material can be almost completely removed.
[0046]
From the following formula (1), n = 1.01 × 1010Individual.
1 = (πd3/ 6) × ρNi× n (1)
Ni= 7g / cm3, D = 3 × 10-4cm)
The volume V of 100 g of the carbon material is V = 143 cm from the following equation.3It is.
V = 100 / ρC      ... (2)
C= 0.7g / cm3)
[0047]
From the above, the carbon material capable of receiving the supply of the active hydrogen flowing out from one nickel fine particle is v = V / n = 1.41 × 10-8cm3Becomes
[0048]
Thus, the reach L of the atomic H that spills over from the nickel fine particles is L = v1/3= 24.1 μm. However, it is difficult to consider that the nickel fine particles are actually 100% monodispersed in the carbon material. Further, considering that the carbon material having a diameter of about 100 μm is treated, the reaching range L is at least one order of magnitude larger. It seems to be.
[0049]
As can be seen from the above formula (1), in the conventional removal of active hydrogen oxide, the amount of transition metal used is reduced by dispersing the transition metal as finely and uniformly as possible when mixing the carbon material and the transition metal. It was possible to reduce it. From this fact, it is presumed that the transition metal used in the experimental examples of the present invention may be influenced by the particle diameter of the transition metal rather than the activity of the transition metal itself.
[0050]
That is, in the conventional method of mixing the carbon material and the transition metal powder, it was necessary to spatially disperse the transition metal in the carbon material in order to obtain more spillover active sites. On the other hand, in the continuous removal method of the present invention, the carbon material sequentially moves from the upper stage to the lower stage of the transition metal sieve in which the carbon material is stacked in multiple layers in the vertical direction, in other words, the carbon material is moved to the transition metal sieve. By sufficient contact, the purpose of obtaining many spillover active sites has been achieved. This can be interpreted as temporally dispersing the transition metal with respect to the spatial dispersion using the transition metal powder. In order to uniformly generate the spillover phenomenon with respect to the entire amount of the carbon material, that is, to remove the remaining active hydrogen oxide uniformly in the entire amount of the carbon material, increase the contact frequency between the carbon material and the transition metal as much as possible, In addition, it is desirable to use a method in which the entire amount of the carbon material uniformly contacts the transition metal.
[0051]
Next, a pulse NMR method was used to quantitatively evaluate the amount of active hydrogen oxide present on carbon.1The measurement of H resonance will be described. Lateral relaxation time T obtained by measurement2= 10 to 50 μsec (Gauss type) short relaxation time component and transverse relaxation time T2= 55 to 400 µsec (Lorentze type) The amount of active hydrogen oxide can be determined from the amount of the medium relaxation time component as follows.
[0052]
FIG. 4 shows an outline of a method of preparing a carbon sample for obtaining each relaxation time component using the pulse NMR method. That is, in a vacuum heating and baking furnace adjacent to a glove box having a dew point temperature of about -80 ° C, a small amount of a sample is collected in a deep-bottom glass sample bottle, put in a SUS deep-bottom bat, and gently put a lid on and slowly put it. And bake out.
[0053]
After the baking process, the sample is taken out from the inner door of the glove box, and as shown in FIG. 4, the sample is packed in a 10 mmφ NMR sample tube and fixed with a PTFE inner stopper. The center of the inner plug is filled with glass filter fibers to prevent the sample powder from coming out due to the flow of the internal gas during insertion.
[0054]
Plug with a special sample cap, put it in a laminated plastic bag, and clamp.
[0055]
Take out of the glow box and heat seal.
[0056]
Store in the above state, open the seal just before the measurement, take out the sample, and measure. The sample filling length (L) and the net carbon weight (W) are used for sample filling correction.
[0057]
By pulse NMR method1The measurement of H resonance is performed as follows.
A second pulse having a phase difference of 90 ° is given at a measurement frequency of 25 MHz, a pulse width Pwl: 2.0 μsec, and a pulse interval Pil: 8.0 μsec, and an echo signal after a pulse interval of 2 Pil is observed. This operation is repeated for the number of repetitions Scans: 128 to 512 at a repetition time Rep: 2.0 sec, and the data is accumulated.
[0058]
With the pulsed NMR device in the powder state as described above,1When H nuclear resonance is performed, an attenuation signal in which two or three components having different relaxation times are superimposed is observed. One is the lateral relaxation time T2Is a short component of 10 to 50 μsec, which can be approximated by a resonance line showing a Gaussian distribution. This component is a component which does not change even if this carbon is fired at 800 ° C., and is a component consisting of hydrogen directly bonded to the carbon skeleton. In addition, the lateral relaxation time T2Has a medium relaxation time component having a Lorentze-type distribution of 55 to 400 μsec, which is a component that does not easily disappear even if it is simply dried by heating under vacuum. This corresponds to chemically adsorbed water and is caused by a functional group of oxygen and hydrogen such as COOH, CHO, and OH. Also, the component T having a longer relaxation time3Hydrogen due to physically adsorbed water of 500 to 2000 μsec is also observed, but is largely removed by the above-mentioned heating and vacuum drying.
[0059]
In the present invention, the above “hydrogen directly bonded to the carbon skeleton” is referred to as “T2= 10 to 50 μsec (Gauss type) short relaxation time component ”and“ hydrogen attributable to a hetero element-containing functional group containing oxygen and hydrogen such as COOH, CHO, and OH ”, that is, active hydrogen oxide is referred to as“ T2= Medium relaxation time component of 55 to 400 µsec (Lorentze type) ”.
[0060]
That is, “T2= 55 to 400 μsec (Lorentze type), and the active site in carbon is terminated or blocked by hydrogen by heat treatment in a reducing atmosphere (such as in a stream of hydrogen). Since “hydrogen directly bonded to the carbon skeleton” is generated, “T2= 10 to 50 μsec (Gauss type) short relaxation time component ”is estimated to increase. Therefore, as a purified carbon material from which active hydrogen oxide has been removed obtained by the present invention, T2= 10 to 50 μsec (Gauss type) for a short relaxation time component2= 55 to 400 μsec (Lorentze type), the ratio of the medium relaxation time components, ie, “[T2= 55-400 μsec (Lorentze type) medium relaxation time component] / [T2= 10 to 50 μsec (Gaussian type short relaxation time component)] when it is used as a carbon active material for a polarizable electrode such as an electric double layer capacitor. This is desirable in that a stable product can be obtained without generating gas or forming a non-electrically conductive film and without increasing the internal resistance.
[0061]
In addition, the hydrogen directly bonded to the carbon generated when the active site in the carbon is terminated or blocked by hydrogen is converted into the active carbon in the carbon by oxygen or water in the air when the purified carbon material is taken out into the air after the treatment. The site is prevented from being converted into COOH, CHO, OH, etc. again.
[0062]
Next, an apparatus for continuously removing residual active hydrogen oxide which can be preferably used as a method suitable for the above-described method for continuously removing residual active hydrogen oxide will be described below.
[0063]
FIG. 5 is a diagram showing an outline of an apparatus for continuously removing residual active hydrogen oxide as one embodiment of the present invention. The continuous removal device of the present invention includes a transition metal sieve 2 stacked in multiple stages in the vertical direction, a carbon material supply port 3 for supplying a raw carbon material to the uppermost sieve, and a reducing gas to the lowermost sieve. And a reducing gas supply port 4 for supplying. The carbon material to be treated is supplied from the raw material carbon material supply port 3 to the uppermost sieve, and is sequentially sifted down from the upper stage to the lower stage by the transition metal sieve 2 stacked in multiple stages in the vertical direction. The refined carbon material sieved from the lowermost sieve is discharged from the refined carbon material discharge port 8 to the outside of the processing apparatus.
[0064]
The reducing gas is supplied to the inside of the apparatus from the reducing gas supply port 4, flows from the lowermost screen to the uppermost screen, and finally discharged from the reducing gas discharge port 5 provided at the upper part of the apparatus. Is done. From the reducing gas outlet 5, H2Together with reducing gas such as CO2, COOH, CO and the like are also discharged.
[0065]
The sieve 2 is made of a transition metal, and specifically includes metal elements of each of the groups 3 to 11 in the periodic table described above. In particular, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Cr, Mn, and Th Preferably, there is. The transition metal used may be any of these simple metals, or an alloy containing these metal elements, for example, a material such as permalloy (Fe—Ni) or iron cobalt (Fe—Co). .
[0066]
Further, the sieves 2 are vertically stacked in multiple stages. The number of the screens 2 to be stacked is not particularly limited, but is preferably 10 to 15 steps from the viewpoint of maximizing the contact frequency between the carbon material and the transition metal. A heater 6 is provided outside the multi-layered sieve 2.
[0067]
The sieve 2 is preferably cylindrical, and a hole is provided in the center of the cylindrical sieve, and a rotary column 7 penetrating the hole is provided. Inside the sieve, a comb-shaped rotor fixed to the rotary column 7 Preferably, 10 is provided. The comb-shaped rotator 10 rotates with the rotation of the rotating column 7. FIG. 6 is a plan view showing an outline of an embodiment of the sieve 2, and FIG. 7 is a sectional view showing an outline of an embodiment of the comb-shaped rotator 10.
[0068]
The bottom surface of the sieve 2 is constituted by a mesh. The entire bottom surface may be a mesh, but from the viewpoint of sufficiently securing the contact frequency between the carbon material and the transition metal, only a part of the bottom surface is meshed so that the carbon material sufficiently contacts the sieve made of the transition metal. Preferably, the other parts are flat. For example, as shown in FIG. 6, on the bottom surface of the sieve 2, a fan-shaped portion centered on the rotating column is formed by a mesh. In this case, the central angle of the fan-shaped mesh portion 9 is preferably 15 degrees to 90 degrees, and the mesh is preferably a mesh having a size such that a carbon material having a particle diameter of 125 μm or less passes therethrough. The mesh portion 9 is also preferably made of a transition metal, and specific examples thereof include the same elements as those of the sieve 2.
[0069]
It is preferable that a comb-shaped rotor 10 is fixed to the rotating column 7 inside each sieve, and a comb blade is provided so as to face the bottom surface of the cylindrical sieve 2. A plurality of comb rotors 10 can be provided inside each sieve. Further, a comb-shaped projection 11 may be provided on the bottom surface of the cylindrical sieve 2 so as to mesh with a comb blade of the comb-shaped rotor 10. The comb-shaped rotator 10 provided inside the cylindrical sieve 2 at each stage rotates with the rotation of the rotating column 7. It is preferable that all the comb-shaped rotators 10 in each stage rotate simultaneously in one direction, and the speed at which the comb-shaped rotator 10 rotates is 0.05 rpm to 0.2 rpm. The comb-shaped rotator 10 and the comb-shaped protrusions 11 are also preferably made of a transition metal, and specifically include the same elements as those of the sieve 2.
[0070]
When the cylindrical sieves 2 are provided in multiple stages, it is preferable that the mesh positions of the cylindrical sieves 2 are provided so as not to overlap with the mesh positions of the cylindrical sieves 2 vertically adjacent thereto. With such a configuration, the carbon material sieved from the upper stage is not sieved to the lower stage as it is, but at least to some extent inside the sieve of each stage with the rotation of the comb-shaped rotor 10. Move while contacting the bottom surface of the sieve 2.
[0071]
The contact frequency between the carbon material and the transition metal is determined by the number of stages of the sieve 2, the area of the mesh constituting the sieve 2, the diameter of the mesh (mesh), the particle diameter of the raw carbon material, the rotation speed of the comb-shaped rotor 10, and the like. Can be controlled by Economical operating conditions may be determined in consideration of electric power for maintaining the optimal temperature of the heat treatment, the amount of blowing hydrogen gas, and the like. By continuously feeding the raw material carbon material, continuous removal of active hydrogen oxide can be realized. In addition, as a result of quantifying the amount of active hydrogen oxide in the purified carbon material by the pulse NMR method, if the remaining active hydrogen oxide is not sufficiently removed, re-enter the removing device and subsequently perform the removal treatment. Is also possible.
[0072]
In the above, one embodiment of the continuous removing device for residual active hydrogen oxide of the present invention was described. However, the continuous removing device of the present invention is not limited to this. For example, a mesh (mesh) may be used in each sieve. It is also possible to sieve the carbon material by providing a number of small-diameter holes in the bottom of the sieve, and to change the rotation of the comb-shaped rotor and vibrate the sieve to sift the carbon material. It is also possible. In any of the apparatuses, it is important that the transition metal is temporally dispersed in the carbon material, that is, that the transition metal sieve and the carbon material are sufficiently in contact with each other and that the spillover active point is sufficiently ensured. Furthermore, if the time distribution of the transition metal in the carbon material is sufficient, it is possible to provide sieves in multiple stages in the lateral direction.
[0073]
Next, a specific example using the continuous apparatus for removing active hydrogen oxide shown in FIGS.
The particle size of the carbon material to be treated is 100 μm, the sieve is made of nickel, the number of stages is 13, the mesh (mesh) diameter is 125 μm, the central angle of the fan-shaped mesh portion is 60 degrees, and the comb-shaped rotor is When the processing was performed under the condition that the rotation speed was 0.1 rpm, the time required until the entire amount of the raw carbon material charged into the raw material input port was discharged from the purified carbon material discharge port was about 21 hours. This is a time sufficient for the temporal dispersion of the carbon material of the transition metal.
[0074]
The treated carbon material (purified carbon material) obtained according to the method of the present invention from which active hydrogen oxide has been removed can be used as a carbon active material for a polarizable electrode such as an electric double layer capacitor. Such a polarizable electrode can be manufactured by the same method as a conventional polarizable electrode for an electric double layer capacitor. For example, in order to produce a sheet-like electrode, the obtained purified carbon material is crushed to about 5 to 100 μm to adjust the particle size, and then, as a conductive auxiliary for imparting conductivity to carbon powder, for example, carbon. Black and a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) are added, kneaded, and formed into a sheet by pressure stretching. As the conductive auxiliary agent, powdered graphite or the like can be used in addition to carbon black (for example, acetylene black). As the binder, besides PTFE, PVDF, PE, PP, or the like can be used. Can be. At this time, the mixing ratio of the non-porous carbon, the conductive auxiliary agent (carbon black) and the binder (PTFE) is generally about 10: 0.5 to 1.0: 0.25 to 0.5. It is.
[0075]
A current collector is attached to the polarizable electrode obtained in this way, and a positive electrode and a negative electrode are formed by superimposing via a separator, and then impregnated with an organic solvent containing an electrolyte to assemble into an electric double layer capacitor. Can be.
[0076]
When a non-porous carbon is used as the carbon active material, the resulting electric double layer capacitor has substantially no interface forming the electric double layer at the beginning of the capacitor assembly, but is applied during the initial charging. When the voltage exceeds a certain threshold value, the electrolyte ions enter the carbon structure with the solvent and generate an interface for forming an electric double layer for the first time, and thereafter this interface is maintained by the hysteresis effect, and as an electric double layer capacitor In order to function effectively, it is necessary to first apply and charge a voltage 10 to 20% higher than the rated voltage (normally about 3.5 to 3.75 V). However, when activated carbon is used as the carbon active material, an electric double layer can be formed immediately upon assembling, and the electric double layer capacitor can be used as it is without necessarily performing an operation such as initial charging. can do.
[0077]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the removal method of the residual active hydrogen oxide of this invention, it is not necessary to isolate | separate a transition metal and a transition metal oxide from a carbon material, and it becomes possible to obtain a refined carbon material simply and efficiently. Further, the raw carbon material can be continuously processed, and automation of mass processing of the carbon material is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 Interlayer distance d by post heat treatment of various non-porous coals0025 is a graph showing a change in the graph. The vertical axis represents the interlayer distance d obtained by X-ray diffraction (XRD).002The heat treatment temperature is shown on the horizontal axis. In addition, at the beginning of the horizontal axis, calcined coal and the interlayer distance d at the time of the KOH activation treatment are shown.002Also shown. From the figure, it can be seen that the interlayer distance shows the largest distance after the KOH activation treatment and becomes narrower by the subsequent heat treatment. As a general tendency, the higher the temperature, the more the interlayer distance d002Indicates a small value. In addition, each plot shows the following carbon materials. ▼: Non-porous coal D prepared from infusible petroleum pitch as raw coal, ▽: Non-porous coal A prepared from petroleum needle coke as raw coal, ■: Non-porous prepared from petroleum needle coke as raw coal Charcoal C, □, ▲ and ●: Non-porous coal B prepared from petroleum-based needle coke as raw coal, which has different pre-heat treatment conditions and activation treatment conditions.
FIG. 2 is a graph showing initial charging characteristics of a non-porous coal when a heat treatment temperature is changed. The charge / discharge characteristics were measured while gradually increasing the applied voltage from 0.5 V to 3.75 V in increments of 0.5 V to 0.25 V, and similarly measured while gradually decreasing the voltage from 3.75 V to 0.5 V. It shows the results. The measured sample is a non-porous coal B prepared from petroleum-based needle coke as a raw coal and heat-treated in a reducing atmosphere. The meaning of “+ 504H” added to the sample to be measured means at 500 ° C. Indicates that the heat treatment was performed in hydrogen for a time. According to the figure, each sample shows a higher capacitance when the applied voltage is reduced due to the hysteresis effect than when the applied voltage is increased, but the higher the heat treatment at a higher temperature, the higher the rising voltage and the smaller the capacitance. I understand. This is the interlayer distance d002It is caused by
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a method for preparing a non-porous carbon and a purified carbon material.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of preparation of a sample for pulse NMR measurement.
FIG. 5 is a diagram showing an outline of an apparatus for continuously removing residual active hydrogen oxide as one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing an outline of an embodiment of the sieve 2;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an outline of an embodiment of the comb-shaped rotator 10.
[Explanation of symbols]
1 Continuous removal device for residual active hydrogen oxide
2 Cylindrical sieve
3 Raw material carbon material inlet
4 Reducing gas supply port
5 Reducing gas outlet
6 heater
7 rotating column
8 Refined carbon material outlet
9 mesh part
10 Comb-shaped rotor
11 Comb projection

Claims (7)

炭素材を還元性ガス気流中で熱処理することにより炭素材中に存在する残存活性酸化水素を連続的に除去する方法であって、炭素材を、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩の上段から下段へ順次篩い落すことを特徴とする残存活性酸化水素の連続除去方法。A method of continuously removing residual active hydrogen oxide present in a carbon material by heat-treating the carbon material in a reducing gas stream, wherein the carbon material is a transition metal sieve in which the carbon material is vertically stacked in multiple stages. A method for continuously removing residual active hydrogen oxide, comprising sequentially sieving from the upper stage to the lower stage. 炭素材が活性炭、多孔性炭あるいは非多孔性炭であって、残存活性酸化水素が除去された炭素材が分極性電極用の炭素活物質として使用される請求項1記載の残存活性酸化水素の連続除去方法。The residual active hydrogen oxide according to claim 1, wherein the carbon material is activated carbon, porous carbon or non-porous carbon, and the carbon material from which residual active hydrogen oxide has been removed is used as a carbon active material for a polarizable electrode. Continuous removal method. 還元性ガスが、水素もしくはアンモニアを触媒で接触分解して得られる3H+N混合ガスである請求項1または2記載の残存活性酸化水素の連続除去方法。Reducing gas, according to claim 1 or 2 continuous method of removing residual activity hydrogen peroxide according a 3H 2 + N 2 mixed gas obtained by the hydrogen or ammonia cracking with the catalyst. 遷移金属がFe、Ni、Co、Cu、Mo、Cr、Mn、Thのいずれか1種あるいは当該元素を含む合金である請求項1〜3のいずれかに記載の残存活性酸化水素の連続除去方法。The method for continuously removing residual active hydrogen oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein the transition metal is any one of Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Cr, Mn, and Th or an alloy containing the element. . 熱処理時の温度が200℃以上850℃以下である請求項1〜4のいずれかに記載の残存活性酸化水素の連続除去方法。The method for continuously removing residual active hydrogen oxide according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature during the heat treatment is from 200C to 850C. 炭素材を還元性ガス気流中で熱処理することにより炭素材中に存在する残存活性酸化水素を連続的に除去する装置であって、縦方向に多段に積層した遷移金属製の篩と、最上段の篩に原料炭素材を供給する炭素材供給口と、最下段の篩に還元性ガスを供給する還元性ガス供給口とを備えたことを特徴とする残存活性酸化水素の連続除去装置。An apparatus for continuously removing remaining active hydrogen oxide present in a carbon material by heat-treating the carbon material in a reducing gas stream, comprising a transition metal sieve vertically stacked in multiple stages, and a top stage. A continuous carbon material supply port for supplying a raw material carbon material to a sieve, and a reducing gas supply port for supplying a reducing gas to a lowermost sieve. 篩が円筒状であり、円筒状篩の中央に穴が設けられ、当該穴を貫く回転柱を有し、篩内部には当該回転柱に固定された櫛状回転子が設けられ、当該櫛状回転子が回転柱の回転に伴い回転する請求項6記載の残存活性酸化水素の連続除去装置。The sieve has a cylindrical shape, a hole is provided in the center of the cylindrical sieve, and a rotating column penetrating the hole, a comb-shaped rotor fixed to the rotating column is provided inside the sieve, and the comb-shaped 7. The continuous removing device for residual active hydrogen oxide according to claim 6, wherein the rotor rotates with the rotation of the rotary column.
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