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JP3335218B2 - ガラス状炭素−活性炭複合材料、その製造方法及び該ガラス状炭素−活性炭複合材料による電気二重層コンデンサ用分極性電極 - Google Patents

ガラス状炭素−活性炭複合材料、その製造方法及び該ガラス状炭素−活性炭複合材料による電気二重層コンデンサ用分極性電極

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JP3335218B2
JP3335218B2 JP14571093A JP14571093A JP3335218B2 JP 3335218 B2 JP3335218 B2 JP 3335218B2 JP 14571093 A JP14571093 A JP 14571093A JP 14571093 A JP14571093 A JP 14571093A JP 3335218 B2 JP3335218 B2 JP 3335218B2
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JP
Japan
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activated carbon
composite material
glassy
carbon
carbon composite
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一夫 斉藤
敦 萩原
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Nisshinbo Holdings Inc
Original Assignee
Nisshinbo Holdings Inc
Nisshinbo Industries Inc
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Publication date
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Priority to EP94107859A priority patent/EP0626357B1/en
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業状の利用分野】本発明は、ガラス状炭素−活性炭
複合材料、その製造方法及び該ガラス状炭素−活性炭複
合材料による電気二重層コンデンサ用分極性電極に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする問題点】従来
より、活性炭等を用いた電気二重層コンデンサ用の分極
性電極についてはさまざまな提案がなされており、この
ような分極性電極としては、例えば、活性炭粉末を電解
液と混合してペースト状にしたもの(特開平1−102
914号公報参照)や、活性炭素繊維(特開平3−19
2716号公報参照)、又は、ブロック状のカーボンフ
ォーム(特開平3−141629号公報参照)を賦活し
たもの、或いは、バインダとしてポリエチレン、ポリプ
ロピレン等を用いて活性炭を結着したもの(特開平4−
22062号公報参照)などが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
活性炭や活性炭繊維を用いた分極性電極には、活性炭同
士の接触が弱いために内部抵抗が高くなったり、或い
は、粉落ちや繊維の脱落による容量の低下といった欠点
があり、又、上記ブロック状のカーボンフォームを賦活
することによって得た分極性電極では、内部抵抗の低下
や粉落ち等の問題は解決できるものの、賦活が表面のみ
にとどまって内部まで充分に行われないため、単位体積
当り又は単位重量当りの静電容量を大きくすることが困
難という難点がある。更に、上記バインダにポリエチレ
ン、ポリプロピレン等を用いたものには、活性炭の吸着
性能の低下が大きく、高性能のものが得られないという
欠点のあることが指摘されていた。
【0004】本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、
内部抵抗の低下や粉落ちが少ないばかりか、単位重量当
り及び単位体積当りの静電容量が大きく、安価にしかも
簡便かつ迅速に製造できる分極性電極及びこの電極の製
造に適したガラス状炭素−活性炭複合材を提供すること
を主たる目的としてなされた。
【0005】
【課題を解決する手段】上記目的を達成するために本発
明が採用したガラス状炭素‐活性炭複合材料の構成は、
ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混合物を非酸化性
雰囲気下、600℃以上の温度で焼成することにより、
ポリカルボジイミド樹脂由来のガラス状炭素と活性炭と
を複合させてなることを特徴とするものであり、又、そ
の製造方法の構成は、ポリカルボジイミド樹脂と活性炭
との混合物を、必要に応じ適宜の形状に成型し、この成
型品を非酸化性雰囲気下、600℃以上の温度で焼成す
ることを特徴とするものである。
【0006】一方、上記目的を達成するために本発明が
採用した電気二重層コンデンサ用分極性の構成は、ポリ
カルボジイミド樹脂と活性炭との混合物を非酸化性雰囲
気下、600℃以上の温度で焼成することにより、ポリ
カルボジイミド樹脂由来のガラス状炭素と活性炭とを複
合させたガラス状炭素‐活性炭複合材料よりなることを
特徴とするものである。
【0007】即ち、本発明の発明者らは、上記目的を達
成するために鋭意研究を行った結果、ポリカルボジイミ
ド樹脂由来のガラス状炭素は優れた耐薬品性を有し、且
つ、層間化合物を作りにくいという特性を有しているの
で、電気二重層コンデンサに用いれられる強酸、強アル
カリ、有機溶媒というような電解液中に入れても充分に
導電性を保持することができると同時に、充放電の繰り
返しを行っても層間化合物の生成による成形時の形状の
崩壊がなく、形状を保持することができるので、内部抵
抗の低下や形状の崩壊がなく、従って単位重量当り及び
単位体積当りの容量が大きい分極性電極ができるのでは
ないかという着想を得、更に研究を続けた結果、本発明
を完成させたものである。
【0008】以下に本発明を詳細に説明する。
【0009】本発明のガラス状炭素−活性炭複合材料で
使用されるガラス状炭素(従来技術におけるバインダに
相当する)とは、熱硬化性樹脂を不活性気体中で焼成し
て得られる不透過性のアモルファスな炭素材であり、こ
のガラス状炭素は従来より公知であるが、本発明では、
ポリカルボジイミド樹脂を焼成することにより得られる
ガラス状炭素(例えば、特開平4−209712号公報
参照)を使用する。
【0010】上記ポリカルボジイミド樹脂自体は周知の
ものか、或いは、周知のものと同様にして製造すること
ができるものであって{米国特許第2,941,956
号明細書;特公昭47ー33279号公報;J.Org.
Chem.,28,2069〜2075(1963)C
hemical Review 1981,vol.8
1,No.4,619〜621等参照}、例えば有機ジ
イソシアネートの脱二酸化炭素を伴う縮合反応により容
易に製造することができる。ポリカルボジイミド樹脂の
製造に使用される有機ジイソシアネートは、脂肪族系、
脂環式系、芳香族系、芳香ー脂肪族系等のいずれのタイ
プのものであってもよく、これらは単独で用いても、或
いは、2種以上を組み合わせて共重合体として用いても
よい。
【0011】上記有機ジイソシアネートは、好ましくは
ポリカルボジイミド化した際に結晶性を有するものであ
り、このような有機ジイソシアネートとしては、4,
4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、p−フェニ
レンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルエーテル
ジイソシアネート、3,3’−ジメトキシ−4,4’−
ジフェニルジイソシアネートよりなる群より選ばれた1
種乃至2種以上のものを例示することができるが、特に
4、4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを使用す
ることが好ましい。
【0012】又、有機ジイソシアネートとして上記以外
の有機ジイソシアネートを混合したり、或いは、モノイ
ソシアネートを使用してポリカルボジイミドの分子量を
規制することもでき、例えば、上記4,4’−ジフェニ
ルメタンジイソシアネートに混合する有機ジイソシアネ
ートとしてはトリレンジイソシアネート(TDI)を、
モノイソシアネートとしてはフェニルイソシアネートを
特に好適なものとして挙げることができる。
【0013】一方、上記脱二酸化炭素縮合反応は、カル
ボジイミド化触媒の存在下に行うものであるが、このカ
ルボジイミド化触媒としては、例えば、3−メチル−1
−フェニル−2−ホスホレン−1−オキシド、1−フェ
ニル−2−ホスホレン−1−オキシド、3−メチル−2
−ホスホレン−1−オキシド、1−エチル−3−メチル
−2−ホスホレン−1−オキシド、1−エチル−2−ホ
スホレン−1−オキシド、或はこれらの3−ホスホレン
異性体等のホスホレンオキシドを使用することができ、
中でも3−メチル−1−フェニル−2−ホスホレン−1
−オキシドが反応性の面から好ましいということができ
る。
【0014】一方、本発明ガラス状炭素−活性炭複合材
料で使用される活性炭としては、オガ屑、椰子がら等の
天然植物、或いは石炭、石油などから得られる芳香族系
多環縮合物、或いは、フェノール系、アクリル系、芳香
族ポリアミド系、セルロース系等の合成樹脂を炭化し、
常法によって賦活したものを挙げることができ、特に限
定されない。
【0015】上記活性炭の形状としては、粉末、粒状、
繊維状等任意のものを挙げることができ、又、その比表
面積にも特に限定はないが、500m2/g以上が好ま
しい。
【0016】又、上記ポリカルボジイミド樹脂由来のガ
ラス状炭素と活性炭との量比は、目的とするガラス状炭
素−活性炭複合材料の物性等により適宜に決定すればよ
いが、例えば、活性炭100重量部に対し、ガラス状炭
素を固形分にして0.5重量部〜100重量部、好まし
くは1〜50重量部という範囲を挙げることができる。
【0017】而して、本発明のガラス状炭素−活性炭複
合材料は、以下に説明する本発明の製造方法により、そ
の主たる成分であるポリカルボジイミド樹脂由来のガラ
ス状炭素と活性炭とを複合させてなることを特徴として
いる。
【0018】即ち、まず、前記ポリカルボジイミド樹脂
と活性炭とを混合して活性炭混合物を得るのであり、こ
の混合工程では、通常の工業的な混合方法、例えば、攪
拌棒、ニーダー、ボールミル、サンプルミル、ミキサ
ー、スタティックミキサー、リボンミキサー等による方
法を採用することができる。
【0019】次にこれらの活性炭混合物を所定の大きさ
に成形するのであり、この成形工程は、加圧成形、静水
圧成形、押出成形、射出成形、ベルトプレス、プレス加
熱、ロールプレスなど従来公知の方法によって行うこと
ができる。
【0020】上記のようにして得られた成形体を、次に
焼成する。この焼成工程は、従来公知のいずれの方法に
よってもよく、例えば、真空、或いは、窒素、アルゴ
ン、水素等の非酸化性雰囲気下で行うことができる。
尚、この工程での焼成温度に上限はないが、600℃〜
3000℃、好ましくは700℃〜1500℃で行うこ
とが望ましく、3000℃より高い温度での焼成は焼成
炉の酸化消耗が激しくなり、現実的ではなく、600℃
より低い温度での焼成では内部抵抗が高くなり容量が低
下してしまう。
【0021】このようにして得られた本発明のガラス状
炭素−活性炭複合材料は、そのまま或いは適宜に裁断す
ることにより、電気二重層コンデンサ用の分極性電極と
して使用することができる。
【0022】
【実施例】以下、実施例によって本発明を具体的に説明
する。
【0023】ポリカルボジイミド樹脂の製造(1) 4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート675g
とフェニルイソシアネート71.4gをテトラクロロエ
チレン2458g中で(樹脂濃度20%)、カルボジイ
ミド化触媒(3−メチル−1−フェニル−2−ホスホレ
ン−1−オキシド)1.50gと共に120℃で4時間
反応させ、淡黄色の透明なポリカルボジイミド溶液を得
た。この溶液を12時間で40℃に冷却し、スリラー状
ポリカルボジイミド溶液を得た。このスリラー粘度は2
70cpであった。次いで、スリラー状ポリカルボジイ
ミドを噴霧乾燥し、淡黄白色の粉末を得た。
【0024】ポリカルボジイミド樹脂の製造(2) 2,4−トリレンジイソシアネート/2,6−トリレン
ジイソシアネート(80/20)の混合物54gを、テ
トラクロロエチレン500ml中で、カルボジイミド化
触媒(3−メチル−1−フェニル−2−ホスホレン−1
−オキシド)0.12gと共に、120℃で4時間反応
させ、ポリカルボジイミド溶液を得た。
【0025】実施例1 上記のようにして得られたポリカルボジイミド樹脂粉末
(平均粒径10μm)と活性炭粉末(平均粒径10μ
m、比表面積1800m2/g)とを表1に示す組成に
より混合した。次いで、この混合物をボールミルにより
24時間混合し、その後、内寸が50mm角の型枠内に
入れ、100℃で30分間、30kg/cm2の圧力で
加圧成形した。そして、この成形体を、窒素雰囲気下、
表1に示す温度まで各々20℃/時間の昇温速度で焼成
し、ガラス状炭素−活性炭複合材料を得た。
【表1】
【0026】このガラス状炭素−活性炭複合材料より、
厚み1mm、10mmφの板状電極を切りだし、この板
状試料の抵抗率を直流4端子法で測定した。次に、正極
及び負極に上記ガラス状炭素−活性炭複合材料を用い、
1mol/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオ
ロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸し
て、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定し
た。
【0027】尚、静電容量は、20mAの定電流充電を
させた後、20mAの定電流放電をさせ、電圧が1Vか
ら0Vまで降下するのに要する時間より算出し、この静
電容量値を電極の体積で割ることにより単位体積当たり
の容量を算出した。又、1kHz、10mAの定電流を
このコンデンサに流し、電極間の電圧より、等価直列抵
抗を求めた。これらの測定結果を表2に示す。
【表2】
【0028】実施例2 正極及び負極に上記実施例1で作製した分極性電極中の
試料番号1−1、1−2、1−4、1−5、1−6、1
−8、1−9、1−10、1−12に対応するガラス状
炭素−活性炭複合材料を用い、30重量%の硫酸中に真
空含浸して電気二重層コンデンサを作製し、静電容量を
測定し、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容量、
等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表3に示
す。
【表3】
【0029】実施例3 ポリカルボジイミド樹脂の15%テトラクロロエチレン
溶液と活性炭粉末(平均粒径10μm、比表面積180
0m2/g)とを表4に示す組成により混合した。次い
で、この混合物を24時間撹拌してペースト状にし、こ
のペーストをキャストして、窒素雰囲気下、表4に示す
温度まで各々20℃/時間の昇温速度で焼成し、ガラス
状炭素−活性炭複合材料を得た。
【表4】
【0030】このガラス状炭素−活性炭複合材料より、
厚み1mm、10mmφの板状電極を切りだし、この板
状試料の抵抗率を直流4端子法で測定した。次に、正極
及び負極に上記ガラス状炭素−活性炭複合材料を用い、
1mol/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオ
ロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸し
て、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定し
た。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容
量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表5
に示す。
【表5】
【0031】実施例4 ポリカルボジイミド樹脂粉末(平均粒径10μm)と活
性炭粉末(平均粒径10μm、比表面積1800m2
g)とを表6に示す組成により混合した。次いで、この
混合粉末に水を加え、E型粘度計で20000〜350
00センチポイズとなるようにペースト状に混合し、こ
のペーストをキャストして、窒素雰囲気下、表6に示す
温度まで各々20℃/時間の昇温速度で焼成し、ガラス
状炭素−活性炭複合材料を得た。
【表6】
【0032】このガラス状炭素−活性炭複合材料より、
厚み1mm、10mmφの板状電極を切りだし、この板
状試料の抵抗率を直流4端子法で測定した。次に、正極
及び負極に上記ガラス状炭素−活性炭複合材料を用い、
1mol/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオ
ロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸し
て、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定し
た。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容
量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表7
に示す。
【表7】
【0033】比較例1 活性炭粉末(平均粒径10μm、比表面積1800m2
/g)と1mol/lのテトラブチルアンモニウムパー
クロレートのプロピレンカーボネート溶液を混合し、ペ
ースト状にした。次いで、このペーストを厚み1mmに
なるようにステンレスメッシュに塗布し電極を作製し
た。この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測定し、次
に、正極及び負極にこの成形板(10mmφ)を用い、
1mol/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオ
ロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸し
て、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定し
た。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容
量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表8
に示す。
【表8】
【0034】比較例2 活性炭素繊維(比表面積1800m2/g)をステンレ
スメッシュ上に厚さ1mmになるように圧着して電極を
作製し、この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測定し
た。次いで、正極及び負極にこの板状試料を用い、1m
ol/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボ
レートのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸して、
電気二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定した。
更に、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容量、等
価直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表9に示
す。
【表9】
【0035】比較例3 かさ密度0.1g/cm3のフェノール樹脂を、窒素ガ
ス雰囲気下、900℃まで10℃/分の昇温速度で焼成
し、引き続き窒素ガスと炭酸ガスの混合ガス中で3時間
保持し、賦活処理を行った。BET法で測定したとこ
ろ、この賦活処理物の比表面積は1800m2/gであ
った。この賦活処理物を10mmφ、厚さ1mmに切断
し、この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測定した。
次いで、正極及び負極にこの板状試料を用い、1mol
/lのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレー
トのプロピレンカーボネート溶液を真空含浸して、電気
二重層コンデンサを製作し、静電容量を測定した。更
に、実施例1と同様の方法で単位体積当りの容量、等価
直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表10に示
す。
【表10】
【0036】比較例4 活性炭粉末(平均粒径10μm)とポリエチレン粉末
(平均粒径10μm)とを表11に示す組成により混合
した。次いで、この混合物をボールミルにより24時間
混合し、その後、内寸が50mm角の型枠内に入れ、1
00℃で30分間、30kg/cm2の圧力で加圧成形
した。
【表11】
【0037】この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測
定し、次に、正極及び負極にこの成形板(10mmφ)
を用い、1mol/lのテトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真
空含浸して、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量
を測定した。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当
りの容量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果
を表12に示す。
【表12】
【0038】比較例5 活性炭粉末(平均粒径10μm)とアクリル酸ラテック
スとを表13に示す組成により混合した。次いで、この
混合物をボールミルにより24時間混合し、その後、内
寸が50mm角の型枠内に入れ、100℃で30分間、
30kg/cm2の圧力で加圧成形した。
【表13】
【0039】この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測
定し、次に、正極及び負極にこの成形板(10mmφ)
を用い、1mol/lのテトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真
空含浸して、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量
を測定した。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当
りの容量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果
を表14に示す。
【表14】
【0040】比較例6 ポリカルボジイミド樹脂粉末(平均粒径10μm)と活
性炭粉末(平均粒径10μm、比表面積1800m2
g)とを表15に示す組成により混合した。この混合物
をボールミルにより24時間混合し、その後、内寸が5
0mm角の型枠内に入れ、100℃で30分間、30k
g/cm2の圧力で加圧成形した。そして、この成形体
を、窒素雰囲気下、表15に示す温度まで各々20℃/
時間の昇温速度で焼成し、ガラス状炭素−活性炭複合材
料を得た。
【表15】
【0041】この板状試料の抵抗率を直流4端子法で測
定し、次に、正極及び負極にこの成形板(10mmφ)
を用い、1mol/lのテトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を真
空含浸して、電気二重層コンデンサを製作し、静電容量
を測定した。更に、実施例1と同様の方法で単位体積当
りの容量、等価直列抵抗を算出した。これらの測定結果
を表16に示す。
【表16】
【0042】実施例5 上記実施例1で作製した分極性電極中の試料番号1−2
に対応するガラス状炭素−活性炭複合材料を用い、実施
例1と同様の条件で厚さ1mmの板状電極を作成した。
この試料の抵抗率を直流4端子法で測定したところ、
0.03Ωcmであった。次に、正極及び負極に10m
mφとした前記板状電極を用い、30重量%の硫酸中に
真空含浸して電気二重層コンデンサを作製し、静電容量
を測定し、実施例1と同様の方法で、1、100、50
0及び1000サイクル目の単位体積当りの容量、等価
直列抵抗を算出した。これらの測定結果を表17に示
す。
【表17】
【0043】比較例7 実施例1で用いられた活性炭100重量部とフェノール
・ホルムアルデヒド樹脂粉末(平均粒径10μm)0.
5重量部を混合し、実施例1と同様の条件で厚さ1mm
の板状電極を作成した。この試料の抵抗率を直流4端子
法で測定したところ、0.04Ωcmであった。次に、
正極及び負極に10mmφとした前記板状電極を用い、
30重量%の硫酸中に真空含浸して電気二重層コンデン
サを作製し、静電容量を測定し、実施例1と同様の方法
で、1、100、500及び1000サイクル目の単位
体積当りの容量、等価直列抵抗を算出した。これらの測
定結果を表18に示す。
【表18】
【0044】
【発明の効果】本発明のガラス状炭素−活性炭複合材料
は、ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混合物を非酸
化性雰囲気下で焼成することにより、ポリカルボジイミ
ド樹脂由来のガラス状炭素と活性炭とを複合させたもの
であり、特に耐薬品性に優れており、従って、このガラ
ス状炭素−活性炭複合材料よりなる本発明の電気二重層
コンデンサ用分極性電極は、内部抵抗が低く、静電容量
が大きいばかりか、寿命が長いという優れたものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01G 9/058 C01B 31/02 C04B 35/52

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混
    合物を非酸化性雰囲気下、600℃以上の温度で焼成す
    ることにより、ポリカルボジイミド樹脂由来のガラス状
    炭素と活性炭とを複合させてなることを特徴とするガラ
    ス状炭素‐活性炭複合材料。
  2. 【請求項2】 活性炭は、粉末、粒状或いは繊維状のも
    のである請求項1に記載のガラス状炭素‐活性炭複合材
    料。
  3. 【請求項3】 ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混
    合物を非酸化性雰囲気下、600℃以上の温度で焼成す
    ることを特徴とするガラス状炭素‐活性炭複合材料の製
    造方法。
  4. 【請求項4】 ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混
    合物を適宜の形状に成型し、この成型品を非酸化性雰囲
    気下、600℃以上の温度で焼成することを特徴とする
    ガラス状炭素‐活性炭複合材料の製造方法。
  5. 【請求項5】 活性炭は、粉末、粒状或いは繊維状のも
    のである請求項又はに記載のガラス状炭素‐活性炭
    複合材料の製造方法。
  6. 【請求項6】 ポリカルボジイミド樹脂と活性炭との混
    合物を非酸化性雰囲気下、600℃以上の温度で焼成す
    ることにより、ポリカルボジイミド樹脂由来のガラス状
    炭素と活性炭とを複合させたガラス状炭素‐活性炭複合
    材料よりなることを特徴とする電気二重層コンデンサ用
    分極性電極。
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