[发明专利]极化性电极用碳材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及活性炭吸附有杂环式芳香族化合物而成的极化性电极用碳材料及其制造方法。另外，涉及使用了这种碳材料的极化性电极和双电层电容器。

背景技术

电化学电容器与电池相比，输出特性、寿命特性优异。活用这种特性而开发了各种存储器的备份、汽车和火车等的能量辅助、负载均衡、冲击电流、UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)等蓄电电源等，并已经投入实用。对电化学电容器所要求的性能在近年来逐渐变得严格，尤其是期望开发出电极的平均体积的静电容量大、具有优异耐久性的电化学电容器。另外，从安全性的方面出发，还期望气体的发生少。

此处，电化学电容器根据蓄积电荷的机理不同而被大致分为双电层电容器和准双层电容器。双电层电容器利用因施加电场而排列在固液界面的电双层所带来的正负电荷来蓄积电荷。另一方面，准双层电容器通过电极上的活性物质的氧化还原反应来蓄积电荷。利用非极化性的准容量（氧化还原）的准双层电容器（氧化还原电容器、赝电容器）的电极材料中可以使用电化学方面为活性的金属氧化物、导电性高分子。

电化学电容器中使用的电解液可以分类为包含酸水溶液的水系电解液和以有机溶剂作为主溶剂的非水系电解液。一般来说，水系电解液与非水系电解液相比，由于导电率高而具有内部电阻低、廉价这一特征。另一方面，非水系电解液与水系电解液相比，具有使用温度范围广、腐蚀性低这一特征。进而，非水系电解液与水系电解液相比具有高的分解电压。双电层电容器的能量密度以电池单元电压（最大充电电压）的平方进行增加，因此作为电解液而使用非水系电解液时，能够得到能量密度高的双电层电容器。从这种观点出发，通常使用应用了非水系电解液的双电层电容器。尤其是，使用包含活性炭的极化性电极制作的双电层电容器的电极平均体积的静电容量大、具有优异的耐久性，从成本方面出发也有利。

使用了非水系电解液的双电层电容器的最大充电电压通常为2.5~2.7V，施加该程度以上的大电压时，静电容量降低、内部电阻增加，因此不适合实用。

静电容量的降低、内部电阻的增加是由于双电层电容器的构成部件（极化性电极、电解液、电解质和集电体等）发生电化学反应而劣化从而引起的。具体而言，已知的是，存在于活性炭的羧基、羟基等表面官能团在正极侧发生分解，从而产生二氧化碳、一氧化碳等气体。另外，还已知的是：通过电解液、活性炭中包含的微量水（残留水分）的分解而产生强酸从而腐蚀集电体。另一方面，在负极侧因残留水分的还原分解而产生氢氧化物离子，该离子促进电解液、电解质的分解，从而形成不溶性聚合物或者诱发丙烯、二氧化碳、一氧化碳、乙烯等气体的产生。并且，已知的是：这些物质会堵塞极化性电极的细孔，引起容量降低（非专利文献1）。

作为抑制双电层电容器劣化的方法，已知的是：在非活性气体气氛下对活性炭进行热处理，从而降低会成为劣化反应起点的羧基、羟基等活性炭的表面官能团。然而，即使将降低了表面官能团的活性炭用作极化性电极，也未充分抑制双电层电容器的劣化。进而，过度去除表面官能团时，极化性电极中使用的活性炭粉末与粘结剂的溶混性降低，难以形成极化性电极、生产率降低。因而，基于上述劣化的机理，针对提高双电层电容器的耐久性而研究了各种方法。

专利文献1中记载了一种双电层电容器，其为在外包装壳内容纳有具有具备极化性的正极和负极以及保持了在它们之间配置的非水系电解液的分隔件的电容器元件而成的双电层电容器，其特征在于，前述外包装壳内包含有固体碱。专利文献1记载的方法是通过捕获会促进电解液等分解的杂质离子来提高耐久性的方法。具体而言，将不定形二氧化硅氧化铝、氧化镁等固体碱设置在电池单元内部，捕获在残留水分的分解中产生的质子的方法。记载了由此抑制电解液的酸化、双电层电容器的耐久性提高。

专利文献2中记载了特征在于包含电解聚合性高分子前体的双电层电容器用电解液添加剂。根据专利文献2记载的方法，首先，作为电解聚合性高分子前体而将吡咯、苯胺、吲哚添加至非水系电解液中。并且，对双电层电容器进行初始充电时，电解液中包含的高分子前体被电解聚合，高分子在存在于正极侧电极表面的电化学活性位点上析出，活性点被高分子覆盖。由此记载了：据称会引起电极劣化的电化学活性位点会失活，从而抑制电极的劣化。