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JP7520546B2 - Carbonaceous material for negative electrode active material of non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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JP7520546B2 - Carbonaceous material for negative electrode active material of non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Carbonaceous material for negative electrode active material of non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、非水電解質二次電池の負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極、該負極を有する非水電解質二次電池ならびに該炭素質材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbonaceous material suitable for use as a negative electrode active material in a nonaqueous electrolyte secondary battery, a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery that contains the carbonaceous material, a nonaqueous electrolyte secondary battery that has the negative electrode, and a method for producing the carbonaceous material.

リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高く、出力特性に優れるため、携帯電話やノートパソコンのような小型携帯機器に広く用いられている。近年では、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載用途への適用も進められており、非水電解質二次電池のさらなる高容量化が求められている。これに対して、リチウムイオン二次電池の負極材としては、黒鉛の理論容量372mAh/gを超える量のリチウムのドープ(充電)および脱ドープ(放電)が可能な難黒鉛化性炭素が開発され、使用されてきた(例えば特許文献1)。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have a high energy density and excellent output characteristics, and are therefore widely used in small portable devices such as mobile phones and laptops. In recent years, their use in vehicles such as hybrid cars and electric cars has been promoted, and there is a demand for even higher capacity non-aqueous electrolyte secondary batteries. In response to this, non-graphitizable carbon has been developed and used as the negative electrode material for lithium-ion secondary batteries, which can be doped (charged) and de-doped (discharged) with lithium in amounts that exceed the theoretical capacity of graphite, 372 mAh/g (for example, Patent Document 1).

これらの難黒鉛化性炭素を作製する際に焼成温度を1000℃以下に低下させることで充放電容量が高くなるが、表面官能基が多く残るため不可逆容量が増加し、充放電効率が低くなることが開示されている(非特許文献1)。また、このような方法で作製した難黒鉛化性炭素は、表面官能基への水分吸着や酸化による劣化といった問題がある。 When producing these non-graphitizable carbons, it has been disclosed that the charge/discharge capacity can be increased by lowering the sintering temperature to 1000°C or lower, but the irreversible capacity increases and the charge/discharge efficiency decreases because many surface functional groups remain (Non-Patent Document 1). In addition, non-graphitizable carbons produced in this way have problems such as moisture adsorption to the surface functional groups and deterioration due to oxidation.

そこで、充放電効率を落とさずに難黒鉛化性炭素の充放電容量を高める手段として、充放電時にリチウムイオンを吸脱着するサイトを多くするために炭素質材料中に窒素を導入する手法が開示されている(例えば特許文献2)。 Therefore, as a means of increasing the charge/discharge capacity of non-graphitizable carbon without reducing charge/discharge efficiency, a method has been disclosed in which nitrogen is introduced into the carbonaceous material to increase the number of sites for absorbing and desorbing lithium ions during charging and discharging (for example, Patent Document 2).

また、難黒鉛化性炭素の酸化劣化に対する耐性を持たせるために、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を焼成して難黒鉛化性炭素の比表面積を低減する手法が開示されている(特許文献3)。これによって、リチウムイオン吸着量と、炭素質材料の表面で反応して消費されるリチウムイオン量のバランスにとれた表面構造を得ることができ、その結果として充放電効率が改善することが開示されている。 In addition, in order to make the non-graphitizable carbon resistant to oxidation deterioration, a method has been disclosed in which a mixture of a carbon precursor and a volatile organic substance is calcined to reduce the specific surface area of the non-graphitizable carbon (Patent Document 3). This makes it possible to obtain a surface structure that balances the amount of lithium ions adsorbed and the amount of lithium ions consumed by reaction on the surface of the carbonaceous material, and as a result, it is disclosed that charge/discharge efficiency is improved.

特開2006-083012号公報JP 2006-083012 A 国際公開第2019/009333号公報International Publication No. 2019/009333 特開2016-152225号公報JP 2016-152225 A

Electrochimica Acta 45 (1999) 121-130Electrochimica Acta 45 (1999) 121-130

しかしながら、特許文献2に記載されているリチウムイオン二次電池の負極材には、取り込まれなかった窒素元素がHCN、NOxなどの含窒素ガスとして排出される場合があり、その処理を要する際に工程負荷が大きい製法となる可能性がある。また特許文献3は窒素含量が少ないため含窒素ガスの排出量は少ないが、放電容量の大きな改善には至っていない。 However, in the negative electrode material of the lithium-ion secondary battery described in Patent Document 2, unincorporated nitrogen elements may be discharged as nitrogen-containing gases such as HCN and NOx, and the manufacturing process may impose a heavy process load when processing them. In addition, Patent Document 3 has a low nitrogen content, so the amount of nitrogen-containing gas discharged is small, but this does not result in a significant improvement in discharge capacity.

したがって、本発明は、含窒素ガス排出量が少ない工程負荷の小さい製法で、高い充放電容量を有し、良好な充放電効率を持つ非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池等)の負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む負極、該負極を有する非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a carbonaceous material suitable as a negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries (e.g., lithium ion secondary batteries, sodium ion batteries, lithium sulfur batteries, lithium air batteries, etc.) that have high charge/discharge capacity and good charge/discharge efficiency, using a manufacturing method with a small process load and low nitrogen-containing gas emissions, a negative electrode containing the carbonaceous material, and a non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode.

本発明者らは、以下に説明する特定の構成を有する炭素質材料を非水電解質二次電池負極用活物質に用いることで上記目的を達成できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の好適な態様を包含する。
〔1〕元素分析により求めた窒素元素含有量が0.3質量%以上1.0質量%未満、かつ、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比が0.45以上3.0以下である炭素質材料。
〔2〕レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近
のピークの半値幅の値が180cm-1以上230cm-1以下である〔1〕に記載の炭素質材料。
〔3〕BET法により求めた比表面積が100m/g以下である〔1〕または〔2〕に記載の炭素質材料。
〔4〕平均粒子径D50が30μm以下である、前記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の
炭素質材料。
〔5〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される炭素面間隔d002が3.75Å以上である、前記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔6〕糖類骨格を有する物質に由来する、前記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の炭素質
材料。
〔7〕前記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負
極。
〔8〕前記〔7〕に記載の非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池。
The present inventors have found that the above object can be achieved by using a carbonaceous material having a specific structure described below as an active material for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] A carbonaceous material having a nitrogen element content of 0.3 mass% or more and less than 1.0 mass% as determined by elemental analysis, and an absorption intensity ratio at 1350°C to the absorption intensity at 1000°C of 0.45 or more and 3.0 or less, in an amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis.
[2] The carbonaceous material according to [1], wherein the half width of a peak in the vicinity of 1360 cm −1 in a Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is 180 cm −1 or more and 230 cm −1 or less.
[3] The carbonaceous material according to [1] or [2], which has a specific surface area measured by a BET method of 100 m 2 /g or less.
[4] The carbonaceous material according to any one of [1] to [3] above, having an average particle size D50 of 30 μm or less.
[5] The carbonaceous material according to any one of [1] to [4] above, wherein the carbon interplanar spacing d 002 calculated using the Bragg equation by wide-angle X-ray diffraction is 3.75 Å or more.
[6] The carbonaceous material according to any one of [1] to [5] above, which is derived from a substance having a saccharide skeleton.
[7] A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising the carbonaceous material according to any one of [1] to [6].
[8] A non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [7].

本発明により、非水電解質二次電池として有用な、充放電容量が高く、良好な充放電効率を持つ負極材を提供することができる。本発明の炭素質材料を含む負極を用いる非水電解質二次電池は、高い充放電容量と良好な充放電効率を有する。また、含窒素難黒鉛化性炭素に比べて、製造時の含窒素ガスの排出量が少ないため、工程負荷の低減といった効果が期待できる。 The present invention provides a negative electrode material that is useful for non-aqueous electrolyte secondary batteries, and has high charge/discharge capacity and good charge/discharge efficiency. A non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing the carbonaceous material of the present invention has high charge/discharge capacity and good charge/discharge efficiency. In addition, since less nitrogen-containing gas is discharged during production than nitrogen-containing non-graphitizable carbon, effects such as reduced process load can be expected.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。 The following describes in detail the embodiments of the present invention. Note that the scope of the present invention is not limited to the embodiments described here, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の炭素質材料において、含窒素ガスの排出量を低減させるために、元素分析による窒素元素含有量は1.0質量%未満である必要があり、好ましくは0.95質量%以下、より好ましくは0.90質量%以下、さらに好ましくは0.85質量%以下である。
一方、本発明の炭素質材料において、充放電容量を高めるためには、リチウムクラスターを格納できる空隙が必要であり、空隙を多く作るためには炭素歪を作る必要がある。これに対して、炭素質材料に窒素を導入することで適度な炭素歪を作ることができ、この観点から窒素元素含有量は0.3質量%以上である必要があり、好ましくは0.45質量%以上であり、より好ましくは0.5質量%以上であり、さらに好ましくは0.6質量%以上である。
窒素元素含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。炭素質材料における窒素元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、炭素質材料の原料となる炭化物を、不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を含む、後述する炭素質材料の製造方法を用いることができる。特に、供給する不活性ガスの供給量を大きくする、昇温速度を下げる、熱処理温度を高くすると、窒素元素が脱離しやすい傾向があるため、不活性ガスの供給量、昇温速度および熱処理温度を調整し、窒素元素含有量を所望の範囲に調整することができる。
In the carbonaceous material of the present invention, in order to reduce the amount of nitrogen-containing gas discharged, the nitrogen element content determined by elemental analysis must be less than 1.0 mass%, preferably 0.95 mass% or less, more preferably 0.90 mass% or less, and even more preferably 0.85 mass% or less.
On the other hand, in the carbonaceous material of the present invention, in order to increase the charge/discharge capacity, voids capable of storing lithium clusters are necessary, and in order to create many voids, carbon distortion is required. On the other hand, by introducing nitrogen into the carbonaceous material, appropriate carbon distortion can be created, and from this viewpoint, the nitrogen element content needs to be 0.3 mass% or more, preferably 0.45 mass% or more, more preferably 0.5 mass% or more, and even more preferably 0.6 mass% or more.
The details of the measurement of the nitrogen element content are as described later, and are measured by elemental analysis (inert gas dissolution method). The method of adjusting the nitrogen element content in the carbonaceous material to the above range is not limited in any way, but for example, a method of manufacturing a carbonaceous material described later, which includes a step of heat-treating a carbide, which is a raw material of the carbonaceous material, under an inert gas atmosphere, can be used. In particular, when the amount of inert gas supplied is increased, the heating rate is decreased, or the heat treatment temperature is increased, the nitrogen element tends to be easily desorbed, so the amount of inert gas supplied, the heating rate, and the heat treatment temperature can be adjusted to adjust the nitrogen element content to a desired range.

また、上記のリチウムクラスターを格納できる空隙を多く作るにあたって、炭素骨格中にカルボニル基があると炭素歪が生成しやすい。一方、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1350℃での吸収強度はカルボニル基の分解に対応しているため、該強度は炭素骨格中のカルボニル基量の指標とすることができる。これに対して、上記酸素量における、1000℃での吸収強度はヒドロキシル基やエーテル基の分解に対応するが、炭素骨格のエッジ部分のヒドロキシル基は充電時にリチウムを捕捉し、放電容量低下の原因となる。これらのことから、炭素質材料がリチウムイオンを吸蔵するに十分な空隙を有し、炭素骨格のエッジ部分にリチウムを捕捉する官能基が少ないときに、高い充放電容量を得ることができる。
炭素骨格中のカルボニル基は、原料に含まれる含酸素官能基が焼成工程で変化することで生成しているものと推定され、焼成温度を高くすることで熱分解温度が高いカルボニル基量を増やすことができる。しかし、焼成温度を高くすると、グラファイト化が進行することでリチウムクラスターを格納できる空隙量も減少するため、得られる炭素質材料の充放電容量は低下することが知られている(例えば、非特許文献1)。したがって、高い充放電容量を得るためには、焼成時の空隙量減少と炭素歪を生成しやすくするカルボニル基量のバランスが取れた焼成条件を設定する必要がある。
これらの理由から、本発明の炭素質材料において、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比が0.45以上である必要があり、好ましくは0.60以上であり、より好ましくは0.80以上であり、さらに好ましくは1.0以上である。
また、炭素骨格中のカルボニル基量が増えることでカルボニル基による歪が大きくなりすぎると炭素骨格が崩れ、リチウムが吸蔵されにくくなる。このため、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比は3.0以下であることが必要であり、2.5以下が好ましく、2.0以下がより好ましい。
In addition, when creating many voids in which the lithium clusters can be stored, carbon distortion is likely to occur if there are carbonyl groups in the carbon skeleton. On the other hand, in the amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis, the absorption intensity at 1350°C corresponds to the decomposition of carbonyl groups, so the intensity can be used as an index of the amount of carbonyl groups in the carbon skeleton. In contrast, the absorption intensity at 1000°C in the above amount of oxygen corresponds to the decomposition of hydroxyl groups and ether groups, but the hydroxyl groups at the edge portions of the carbon skeleton capture lithium during charging, causing a decrease in discharge capacity. For these reasons, when the carbonaceous material has sufficient voids to store lithium ions and there are few functional groups that capture lithium at the edge portions of the carbon skeleton, a high charge/discharge capacity can be obtained.
It is presumed that the carbonyl group in the carbon skeleton is generated by the change of the oxygen-containing functional group contained in the raw material during the calcination process, and the amount of carbonyl groups with a high thermal decomposition temperature can be increased by increasing the calcination temperature. However, it is known that when the calcination temperature is increased, the amount of voids in which lithium clusters can be stored decreases due to the progression of graphitization, and the charge/discharge capacity of the resulting carbonaceous material decreases (for example, Non-Patent Document 1). Therefore, in order to obtain a high charge/discharge capacity, it is necessary to set calcination conditions that balance the reduction in voids during calcination and the amount of carbonyl groups that facilitate the generation of carbon distortion.
For these reasons, in the carbonaceous material of the present invention, in the amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis, the ratio of the absorption intensity at 1350°C to the absorption intensity at 1000°C must be 0.45 or more, preferably 0.60 or more, more preferably 0.80 or more, and even more preferably 1.0 or more.
In addition, if the amount of carbonyl groups in the carbon skeleton increases and the distortion caused by the carbonyl groups becomes too large, the carbon skeleton collapses and lithium becomes difficult to absorb. Therefore, the ratio of the absorption intensity at 1350° C. to the absorption intensity at 1000° C. must be 3.0 or less, preferably 2.5 or less, and more preferably 2.0 or less.

本発明の炭素質材料において、水素元素の含有量は0.15質量%以下であることによって炭素骨格のエッジ部分が減少し、その結果、炭素平面が広がるため電子の移動が容易になるため好ましく、0.13質量%以下がより好ましく、0.10質量%以下がさらに好ましい。また、水素元素の含有量は、0.01質量%以上であることによってリチウムイオンの吸脱着が容易になるため好ましく、0.02質量%以上であることがより好ましい。水素元素含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。 In the carbonaceous material of the present invention, the hydrogen element content is preferably 0.15% by mass or less, since the edge portion of the carbon skeleton is reduced, and as a result, the carbon plane is expanded, facilitating the movement of electrons, and is more preferably 0.13% by mass or less, and even more preferably 0.10% by mass or less. In addition, the hydrogen element content is preferably 0.01% by mass or more, since it facilitates the adsorption and desorption of lithium ions, and is more preferably 0.02% by mass or more. The details of the measurement of the hydrogen element content are as described below, and it is measured by elemental analysis (inert gas dissolution method).

本発明の炭素質材料において、酸素元素の含有量は1.0質量%以上であることによって炭素歪を生成させ、充放電容量が大きくなるため好ましく、1.1質量%以上であることがより好ましく、1.2質量%以上であることがさらに好ましい。また、酸素元素の含有量は2.0質量%以下であることによってリチウムイオンとの反応を抑えることができるため好ましく、1.8質量%以下がより好ましく、1.7質量%以下がさらに好ましい。酸素元素含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。 In the carbonaceous material of the present invention, the oxygen element content is preferably 1.0 mass% or more, since it generates carbon distortion and increases the charge/discharge capacity, more preferably 1.1 mass% or more, and even more preferably 1.2 mass% or more. In addition, the oxygen element content is preferably 2.0 mass% or less, since it can suppress the reaction with lithium ions, more preferably 1.8 mass% or less, and even more preferably 1.7 mass% or less. The details of the measurement of the oxygen element content are as described below, and it is measured by elemental analysis (inert gas dissolution method).

本発明の炭素質材料において、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、180cm-1以上230cm-1以下が好ましい。ここで、1360cm-1付近のピークとは、一般にDバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造の乱れ・欠陥に起因するピークである。1360cm-1付近のピークは、通常、1345cm-1~1375cm-1、好ましくは1350cm-1~1370cm-1の範囲に観測される。なお、本明細書における半値幅は、半値全幅である。 In the carbonaceous material of the present invention, the half width of the peak near 1360 cm -1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is preferably 180 cm -1 or more and 230 cm -1 or less. Here, the peak near 1360 cm -1 is a Raman peak generally called a D band, which is a peak caused by disorder/defects in the graphite structure. The peak near 1360 cm -1 is usually observed in the range of 1345 cm -1 to 1375 cm -1 , preferably 1350 cm -1 to 1370 cm -1 . The half width in this specification is the full width at half maximum.

1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、炭素質材料に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥の量に関係する。このような構造の乱れは、例えば窒素原子が炭素骨格内に導入されることにより引き起こされ得る。1360cm-1付近のピークの半値幅の値が180cm-1より大きいと、炭素質材料に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥が増加し、グラファイト構造の未発達により結晶間の微細孔が増加する。その結果、リチウムイオンが吸蔵されるサイトが多くなり、充放電容量が向上する。充放電容量を高めやすい観点からは、1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、好ましくは185cm-1以上、より好ましくは190cm-1以上である。また、半値幅が230cm-1より小さいと、炭素質材料に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥が少なくなるため、非晶質が減少し、グラファイト構造に由来するリチウムを吸蔵し得るサイトが増加する。その結果、リチウムイオンの吸蔵量が増加し、充放電容量が向上する。充放電容量を高めやすい観点からは、1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、好ましくは225cm-1以下、より好ましくは220cm-1以下、さらにより好ましくは215cm-1以下、さらにより好ましくは212cm-1以下、さらにより好ましくは210cm-1以下、さらにより好ましくは208cm-1以下、特に好ましくは206cm-1以下である。 The value of the half width of the peak near 1360 cm -1 is related to the amount of disorder and defects in the graphite structure contained in the carbonaceous material. Such disorder of the structure can be caused, for example, by the introduction of nitrogen atoms into the carbon skeleton. When the value of the half width of the peak near 1360 cm -1 is greater than 180 cm -1 , the disorder and defects in the graphite structure contained in the carbonaceous material increase, and the micropores between the crystals increase due to the underdevelopment of the graphite structure. As a result, the number of sites where lithium ions are absorbed increases, and the charge and discharge capacity is improved. From the viewpoint of easily increasing the charge and discharge capacity, the value of the half width of the peak near 1360 cm -1 is preferably 185 cm -1 or more, more preferably 190 cm -1 or more. In addition, when the half width is smaller than 230 cm -1 , the disorder and defects in the graphite structure contained in the carbonaceous material are reduced, so that the amorphous portion decreases and the sites that can absorb lithium derived from the graphite structure increase. As a result, the amount of lithium ions absorbed is increased, and the charge/discharge capacity is improved. From the viewpoint of easily increasing the charge/discharge capacity, the half width value of the peak near 1360 cm −1 is preferably 225 cm −1 or less, more preferably 220 cm −1 or less, even more preferably 215 cm −1 or less, even more preferably 212 cm −1 or less, even more preferably 210 cm −1 or less, even more preferably 208 cm −1 or less, and particularly preferably 206 cm −1 or less.

ラマンスペクトルの測定は、ラマン分光器(例えば、堀場製作所製ラマン分光器「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用いて行う。具体的には、例えば、測定対象粒子を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、測定セル内に532nmのアルゴンイオンレーザ光を照射しながら、露光時間1秒、積算回数100回、測定範囲を50-2000cm-1として測定する。 The Raman spectrum is measured using a Raman spectrometer (for example, a Raman spectrometer "LabRAM ARAMIS (VIS)" manufactured by Horiba, Ltd.). Specifically, for example, the particles to be measured are set on an observation stage, the magnification of the objective lens is set to 100 times, the focus is adjusted, and 532 nm argon ion laser light is irradiated into the measurement cell, with an exposure time of 1 second, an accumulation count of 100, and a measurement range of 50-2000 cm -1 .

1360cm-1付近のピークの半値幅の値を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、炭素質材料の原料となる炭化物を、不活性ガス雰囲気下で熱処理する工程を含む、後述する炭素質材料の製造方法を用いることができる。特に、供給する不活性ガスの供給量を大きくする、昇温速度を下げる、熱処理温度を高くすると、炭素質材料に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥を引き起こす要因となる窒素原子等が脱離しやすく、その結果、1360cm-1付近のピークの半値幅の値が小さくなる傾向がある。したがって、不活性ガスの供給量、昇温速度および熱処理温度を調整し、半値幅の値を所望の範囲に調整することができる。 The method for adjusting the half-width value of the peak near 1360 cm −1 to the above range is not limited in any way, but for example, a method for producing a carbonaceous material, which includes a step of heat-treating a carbide, which is a raw material for the carbonaceous material, under an inert gas atmosphere, can be used. In particular, when the amount of inert gas supplied is increased, the heating rate is decreased, or the heat treatment temperature is increased, nitrogen atoms, which are factors that cause disorder and defects in the graphite structure contained in the carbonaceous material, tend to be desorbed, and as a result, the half-width value of the peak near 1360 cm −1 tends to be smaller. Therefore, the amount of inert gas supplied, the heating rate, and the heat treatment temperature can be adjusted to adjust the half-width value to a desired range.

本発明の炭素質材料において、ラマンスペクトルの1360cm-1付近のピーク強度(I1360)と1580cm-1付近のピーク強度(I1580)の強度比(R値=I1360/I1580)は炭素質材料の結晶性に関係する。炭素質材料の結晶性が低いと、炭素骨格のエッジが増加し、Liの挿入サイトが増加する。そのため、低温での特性が向上したり、抵抗が低くなるなどの利点がある。これらの理由より非水電解質二次電池の内部抵抗を低下させやすい観点から、R値は、好ましくは1.10以上、より好ましくは1.13以上、さらにより好ましくは1.15以上、特に好ましくは1.17以上である。また、炭素質材料の結晶性が高いと、非晶部が少なくなり、炭素骨格のエッジが減少し、リチウムと反応する炭素末端の反応基が少なくなる。そのためリチウムイオンの利用効率が増加する。このため、R値は、好ましくは1.28以下、より好ましくは1.25以下、さらにより好ましくは1.22以下である。ここで、1360cm-1付近のピークとは、半値幅に関して上記に述べた一般にDバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造の乱れ・欠陥に起因するピークである。1580cm-1付近のピークとは、一般にGバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造に由来するピークである。ここで、1580cm-1付近のピークは、通常1565cm-1~1615cm-1、好ましくは1560cm-1~1610cm-1の範囲に観測される。 In the carbonaceous material of the present invention, the intensity ratio (R value = I 1360 /I 1580 ) of the peak intensity (I 1360 ) near 1360 cm -1 in the Raman spectrum to the peak intensity (I 1580 ) near 1580 cm -1 in the Raman spectrum is related to the crystallinity of the carbonaceous material. When the crystallinity of the carbonaceous material is low, the edges of the carbon skeleton are increased, and the insertion sites of Li are increased. Therefore, there are advantages such as improved characteristics at low temperatures and reduced resistance. For these reasons, from the viewpoint of easily lowering the internal resistance of the nonaqueous electrolyte secondary battery, the R value is preferably 1.10 or more, more preferably 1.13 or more, even more preferably 1.15 or more, and particularly preferably 1.17 or more. In addition, when the crystallinity of the carbonaceous material is high, the amorphous portion is reduced, the edges of the carbon skeleton are reduced, and the reactive groups at the carbon terminals that react with lithium are reduced. Therefore, the utilization efficiency of lithium ions is increased. For this reason, the R value is preferably 1.28 or less, more preferably 1.25 or less, and even more preferably 1.22 or less. Here, the peak near 1360 cm -1 is a Raman peak generally called a D band, as described above with respect to the half-width, which is a peak caused by disorder/defects in the graphite structure. The peak near 1580 cm -1 is a Raman peak generally called a G band, which is a peak caused by the graphite structure. Here, the peak near 1580 cm -1 is usually observed in the range of 1565 cm -1 to 1615 cm -1 , preferably 1560 cm -1 to 1610 cm -1 .

本発明の炭素質材料の窒素吸着BET法による比表面積は小さいほど、炭素質材料の吸湿性を低下させやすく、炭素質材料中に存在する水分の量を低下させ、その結果、水分による電解液の加水分解および水の電気分解が抑制され、これらに伴う酸およびガスの発生を抑制させやすい。また比表面積は小さいほど、空気と炭素質材料との接触面積を低下させやすく、炭素質材料自体の酸化を抑制させやすい。さらには、炭素質材料の表面で反応して消費されるリチウムイオン量が存在することから、比表面積は小さいほどこれらの消費されるリチウムイオン量を低減できる。これらの理由から、比表面積は小さいほど好ましく、好ましくは100m/g以下、より好ましくは60m/g以下、さらに好ましくは30m/g以下、さらにより好ましくは28m/g以下、特に好ましくは25m/g以下である。炭素質材料の窒素吸着BET法による比表面積の下限は特に限定されないが、電解液との接触面積を増やし、電池の抵抗を下げやすい観点から、好ましくは3m/g以上、より好ましくは5m/g以上である。本明細書において、BET法による比表面積は、窒素吸着BET多点法により定まる比表面積を意味する。具体的には後述する方法を用いて測定することができる。 The smaller the specific surface area of the carbonaceous material of the present invention measured by the nitrogen adsorption BET method, the easier it is to reduce the hygroscopicity of the carbonaceous material, and the easier it is to reduce the amount of moisture present in the carbonaceous material, and as a result, the hydrolysis of the electrolyte solution and the electrolysis of water due to moisture are suppressed, and the easier it is to suppress the generation of acid and gas associated with these. In addition, the smaller the specific surface area, the easier it is to reduce the contact area between the air and the carbonaceous material, and the easier it is to suppress the oxidation of the carbonaceous material itself. Furthermore, since there is an amount of lithium ions that react and are consumed on the surface of the carbonaceous material, the smaller the specific surface area, the easier it is to reduce the amount of lithium ions consumed. For these reasons, the smaller the specific surface area, the more preferable it is, and it is preferably 100 m 2 /g or less, more preferably 60 m 2 /g or less, even more preferably 30 m 2 /g or less, even more preferably 28 m 2 /g or less, and particularly preferably 25 m 2 /g or less. The lower limit of the specific surface area of the carbonaceous material measured by the nitrogen adsorption BET method is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the contact area with the electrolyte and easily reducing the resistance of the battery, it is preferably 3 m 2 /g or more, more preferably 5 m 2 /g or more. In this specification, the specific surface area measured by the BET method means the specific surface area determined by the nitrogen adsorption BET multipoint method. Specifically, it can be measured using the method described later.

BET法による比表面積を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、後述する炭素質材料の製造方法において、炭素前駆体を得る工程および/または炭化物を得る工程の温度を低くしたり、加熱時間を短くすると、熱による構造の収縮が抑制されること等により、最終的に得られる炭素質材料のBET比表面積は大きくなる傾向がある。そのため、所望の範囲のBET比表面積を有する炭素質材料を得るために、焼成温度や焼成時間を調整すればよい。 There is no limitation on the method for adjusting the specific surface area by the BET method to the above range, but for example, in the manufacturing method of a carbonaceous material described below, if the temperature in the process for obtaining a carbon precursor and/or the process for obtaining a carbide is lowered or the heating time is shortened, the BET specific surface area of the carbonaceous material finally obtained tends to be larger due to suppression of shrinkage of the structure due to heat, etc. Therefore, in order to obtain a carbonaceous material having a BET specific surface area in the desired range, the firing temperature and firing time can be adjusted.

本発明の炭素質材料の平均粒子径D50は30μm以下であることによって、電極作製時の塗工性が良好となることに加えて、炭素質材料の粒子内でのリチウムイオンの拡散自由行程が少なくなるため、急速な充放電が得やすくなり好ましい。さらに、リチウムイオン二次電池では、入出力特性を向上させるために電極面積を大きくすることが重要であり、そのためには、電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。これらの観点から平均粒子径D50は小さいほど好ましく、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下、さらにより好ましくは20μm以下、特に好ましくは18μm以下、最も好ましくは15μm以下である。活物質となる炭素質材料の平均粒子径が上記の上限以下である場合、電極調製時に塗工厚みを薄くしやすい。また、本発明の炭素質材料の平均粒子径D50は2μm以上であることによって、炭素質材料中の微粉による比表面積の増加および電解液との反応性の増加を抑制し、不可逆容量の増加を抑制しやすくなり好ましい。また、炭素質材料を用いて負極を製造する場合に、炭素質材料の間に形成される空隙を確保しやすく、電解液中でのリチウムイオンの移動が抑制されにくく、非水電解質二次電池の抵抗を低減させやすい。これらの観点から平均粒子径D50は2μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、4μm以上がさらにより好ましく、5μm以上が特に好ましい。平均粒子径D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、例えば粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いたレーザー散乱法により粒度分布を測定することにより求めることができる。 The average particle diameter D 50 of the carbonaceous material of the present invention is 30 μm or less, which not only improves the coating property during electrode preparation, but also reduces the free diffusion path of lithium ions within the particles of the carbonaceous material, making it easier to obtain rapid charge and discharge, which is preferable. Furthermore, in lithium ion secondary batteries, it is important to increase the electrode area in order to improve input/output characteristics, and for this purpose, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate during electrode preparation. From these viewpoints, the smaller the average particle diameter D 50 , the more preferable it is, and it is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, even more preferably 20 μm or less, particularly preferably 18 μm or less, and most preferably 15 μm or less. When the average particle diameter of the carbonaceous material to be the active material is equal to or less than the above upper limit, it is easy to reduce the coating thickness during electrode preparation. In addition, the average particle diameter D 50 of the carbonaceous material of the present invention is 2 μm or more, which is preferable because it suppresses the increase in specific surface area and the increase in reactivity with the electrolyte due to fine powder in the carbonaceous material, and makes it easier to suppress the increase in irreversible capacity. In addition, when a negative electrode is manufactured using a carbonaceous material, it is easy to secure the voids formed between the carbonaceous material, the movement of lithium ions in the electrolyte is not easily suppressed, and the resistance of the nonaqueous electrolyte secondary battery is easily reduced. From these viewpoints, the average particle diameter D 50 is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, even more preferably 4 μm or more, and particularly preferably 5 μm or more. The average particle diameter D 50 is the particle diameter at which the cumulative volume is 50%, and can be obtained by measuring the particle size distribution by a laser scattering method using, for example, a particle diameter/particle size distribution measuring device (Microtrac MT3300EXII manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.).

本発明の炭素質材料において、広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される炭素面間隔d002は、例えば、黒鉛のように最も炭素面が近接する場合には3.35~3.40Å程度であり、4.00Åを超えると炭素面同士が相互作用できなくなり、層構造を維持できなくなる。炭素面間隔d002は大きいほど、リチウムイオンが効率良く移動しやすくなり、非水電解質二次電池の抵抗を低下させやすい観点から、好ましくは3.75Å以上、より好ましくは3.80Å以上、さらにより好ましくは3.81Å以上、特に好ましくは3.82Å以上である。炭素面間隔d002は、層構造を維持しやすい観点から、好ましくは4.00Å以下、より好ましくは3.97Å以下、さらにより好ましくは3.95Å以下である。炭素面間隔d002の測定方法の詳細は、実施例に記載するとおりであり、粉末X線回折法により観測されるピーク位置(回折角2θ)からBraggの式により算出される。 In the carbonaceous material of the present invention, the carbon interplanar spacing d 002 calculated using the Bragg formula by wide-angle X-ray diffraction is about 3.35 to 3.40 Å when the carbon planes are closest to each other, as in graphite, and when it exceeds 4.00 Å, the carbon planes cannot interact with each other and the layer structure cannot be maintained. The larger the carbon interplanar spacing d 002 , the more efficiently lithium ions can move, and from the viewpoint of easily reducing the resistance of the nonaqueous electrolyte secondary battery, it is preferably 3.75 Å or more, more preferably 3.80 Å or more, even more preferably 3.81 Å or more, and particularly preferably 3.82 Å or more. From the viewpoint of easily maintaining the layer structure, the carbon interplanar spacing d 002 is preferably 4.00 Å or less, more preferably 3.97 Å or less, and even more preferably 3.95 Å or less. Details of the method for measuring the carbon interplanar spacing d 002 are as described in the Examples, and are calculated from the peak position (diffraction angle 2θ) observed by powder X-ray diffraction using the Bragg formula.

本発明の炭素質材料の原料に限定はなく石油ピッチ、石炭ピッチ、ヤシ殻等の公知の難黒鉛化性炭素原料を適用できるが、上記特徴を有する本発明の炭素質材料を得やすく、架橋構造など構造を修飾しやすい原料として、糖類骨格を有する物質を適用するのが好ましい。糖類骨格を有する物質を原料として用いることにより、糖類骨格を有する物質に由来する炭素質材料を得ることができる。糖類骨格を有する物質(糖類)としては、例えばグルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、リボース、グルコサミンなどの単糖類や、スクロース、トレハロース、マルトース、セロビオース、マルチトール、ラクトビオン酸、ラクトサミンなどの二糖、でんぷん、グリコーゲン、アガロース、ペクチン、セルロース、キチン、キトサンなどの多糖類が挙げられる。これらの糖類を、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの糖類の中で、より本発明の炭素質材料を得やすく、また、炭素質材料の構造を制御しやすいため、でんぷんが好ましい。さらに高い充放電容量が得られる観点から、でんぷんを低分子量化することが好ましい。例えばでんぷんを酸や酵素で加水分解したデキストリン等が挙げられる。低分子量化したでんぷんは、末端が増えてアルデヒドが増加することで、炭素質材料中の酸素官能基の形態を変化させ、リチウムイオンを吸蔵するサイトが増加し高い充放電容量が得られる傾向にある。 The raw material for the carbonaceous material of the present invention is not limited, and known non-graphitizable carbon raw materials such as petroleum pitch, coal pitch, and coconut shells can be used. However, it is preferable to use a substance having a saccharide skeleton as a raw material that is easy to obtain the carbonaceous material of the present invention having the above characteristics and is easy to modify the structure, such as a crosslinked structure. By using a substance having a saccharide skeleton as a raw material, a carbonaceous material derived from a substance having a saccharide skeleton can be obtained. Examples of substances having a saccharide skeleton (saccharides) include monosaccharides such as glucose, galactose, mannose, fructose, ribose, and glucosamine, disaccharides such as sucrose, trehalose, maltose, cellobiose, maltitol, lactobionic acid, and lactosamine, and polysaccharides such as starch, glycogen, agarose, pectin, cellulose, chitin, and chitosan. These saccharides can be used alone or in combination of two or more. Among these saccharides, starch is preferable because it is easier to obtain the carbonaceous material of the present invention and the structure of the carbonaceous material can be easily controlled. From the viewpoint of obtaining a higher charge/discharge capacity, it is preferable to reduce the molecular weight of starch. For example, dextrin, which is obtained by hydrolyzing starch with acid or enzymes, can be mentioned. With reduced molecular weight starch, the number of terminals increases and the amount of aldehyde increases, which changes the form of the oxygen functional group in the carbonaceous material, increasing the number of sites for occluding lithium ions and tends to obtain a high charge/discharge capacity.

本発明の炭素質材料は、
(1)原料を、不活性ガス雰囲気中、100℃/時間以上の昇温速度で100~250℃の間の温度まで昇温して炭素前駆体を得る工程、
(2A)前記炭素前駆体を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、500~900℃の範囲の第1温度まで加熱する工程、
(2B)前記炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500~900℃の温度で熱処理して炭化物を得る工程である。
(3A)前記炭化物を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、100
0~1400℃の範囲の第2温度まで加熱する工程、および
(3B)前記炭化物を、不活性ガスの供給下、1000~1400℃の温度で熱処理して
炭素質材料を得る工程である。
The carbonaceous material of the present invention is
(1) A step of heating a raw material in an inert gas atmosphere to a temperature between 100 and 250° C. at a heating rate of 100° C./hour or more to obtain a carbon precursor;
(2A) heating the carbon precursor to a first temperature in the range of 500 to 900° C. at a heating rate of 100° C./hour or more under an inert gas atmosphere;
(2B) A step of heat treating the carbon precursor at a temperature of 500 to 900° C. under an inert gas supply to obtain a carbide.
(3A) The carbonized material is heated at a heating rate of 100° C./hour or more in an inert gas atmosphere.
(3B) heating the carbide to a second temperature in the range of 0 to 1400° C., and (3B) heat treating the carbide at a temperature of 1000 to 1400° C. under an inert gas supply to obtain a carbonaceous material.

原料は、上記の糖類等の他に架橋剤を添加しても良い。添加する架橋剤は特に限定されるものではなく、例えば有機酸が挙げられる。有機酸としては、特に限定されないが、例えばギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、コハク酸、リノール酸、オレイン酸、アジピン酸等の脂肪族カルボン酸;安息香酸、サリチル酸、フタル酸、テレフタル酸等の芳香族カルボン酸;乳酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸等のヒドロキシカルボン酸;エチレンジアミン四酢酸等のカルボン酸、p-トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等のスルホン酸などが挙げられる。有機酸とでんぷん等を混合し熱処理することで炭素質材料中の酸素官能基の形態が変化し、リチウムイオンを吸蔵するサイトが増加し、高い充放電容量が得られる傾向にある。そのリチウムイオン吸蔵サイト形成の効果が得られやすい観点から、多価カルボン酸が好ましい。 In addition to the above-mentioned sugars, a crosslinking agent may be added to the raw material. The crosslinking agent to be added is not particularly limited, and examples thereof include organic acids. The organic acids are not particularly limited, and examples thereof include aliphatic carboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, palmitic acid, stearic acid, succinic acid, linoleic acid, oleic acid, and adipic acid; aromatic carboxylic acids such as benzoic acid, salicylic acid, phthalic acid, and terephthalic acid; hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, tartaric acid, citric acid, and malic acid; carboxylic acids such as ethylenediaminetetraacetic acid, and sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid and methanesulfonic acid. By mixing an organic acid with starch or the like and subjecting it to heat treatment, the form of the oxygen functional group in the carbonaceous material changes, the number of sites for occluding lithium ions increases, and a high charge/discharge capacity tends to be obtained. From the viewpoint of the ease of obtaining the effect of forming lithium ion occlusion sites, polyvalent carboxylic acids are preferred.

炭素前駆体中の有機酸の量は、適量の架橋形成を行うことで、後の熱処理での炭素構造が形成しやすくなる。このため、原料100質量部に対して1~50質量部が好ましく、より好ましくは3~30質量部、さらに好ましくは5~20質量部である。炭素前駆体の原料を有機酸と混合する方法は特に限定されず、炭素前駆体の原料と有機酸とを直接混合してもよいし、原料および/または有機酸を少なくとも1種の液体に分散および/または溶解させた状態で混合してもよい。また、少なくとも1種の液体を用いて混合を行う場合、必要に応じて該液体を蒸発等により除去して混合物を得てもよい。原料がでんぷん等の多糖類であり、少なくとも1種の液体を用いて混合を行う場合、有機酸の酸触媒の作用によって原料の低分子量化が起こる可能性がある。低分子量化したでんぷんは、末端のアルデヒドが増加することで、炭素質材料中の酸素官能基の形態を変化させ、リチウムイオンを吸蔵するサイトが増加し高い充放電容量が得られる傾向にある。この観点および均一な混合物を得やすい観点から、少なくとも1種の有機酸を少なくとも1種の液体に溶解させた溶液中に、炭素前駆体の原料を添加して混合し、該液体を留去して、混合物を得ることが好ましい。 The amount of organic acid in the carbon precursor is preferably 1 to 50 parts by mass, more preferably 3 to 30 parts by mass, and even more preferably 5 to 20 parts by mass, per 100 parts by mass of the raw material. The method of mixing the raw material of the carbon precursor with the organic acid is not particularly limited, and the raw material of the carbon precursor and the organic acid may be mixed directly, or the raw material and/or the organic acid may be mixed in a state in which they are dispersed and/or dissolved in at least one liquid. In addition, when mixing is performed using at least one liquid, the liquid may be removed by evaporation or the like as necessary to obtain a mixture. When the raw material is a polysaccharide such as starch and mixing is performed using at least one liquid, the raw material may be reduced in molecular weight due to the action of the acid catalyst of the organic acid. The reduced molecular weight starch changes the form of the oxygen functional group in the carbonaceous material by increasing the terminal aldehyde, and the site for occluding lithium ions increases, tending to obtain a high charge/discharge capacity. From this viewpoint and from the viewpoint of easily obtaining a uniform mixture, it is preferable to add and mix the raw material of the carbon precursor into a solution in which at least one organic acid is dissolved in at least one liquid, and then to distill off the liquid to obtain a mixture.

ここで、工程(1)においては、熱処理により原料と架橋剤が反応し、でんぷん等の原料がエステル架橋される。その結果、炭素前駆体の原料が熱処理により融化することなく、微細な構造を維持する炭素前駆体が得られると考えられる。なお、工程(1)に関しては省略してもよい。 Here, in step (1), the raw material reacts with the crosslinking agent by heat treatment, and raw materials such as starch are ester-crosslinked. As a result, it is believed that the raw material of the carbon precursor is not melted by heat treatment, and a carbon precursor that maintains a fine structure is obtained. Note that step (1) may be omitted.

工程(1)では、原料を昇温し、上記のように100~250℃の温度範囲で1~12時間熱処理を行う。工程(1)における熱処理温度は、原料と架橋剤の反応が進行しやすく、また、上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすい観点から、好ましくは120~230℃、より好ましくは130~200℃であり、熱処理時間は、好ましくは2~8時間、より好ましくは2.5~6時間、さらに好ましくは3~5時間である。ここで、熱処理温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。 In step (1), the raw material is heated and heat-treated for 1 to 12 hours at a temperature range of 100 to 250°C as described above. The heat treatment temperature in step (1) is preferably 120 to 230°C, more preferably 130 to 200°C, from the viewpoint of facilitating the reaction between the raw material and the crosslinking agent and of facilitating the final production of a carbonaceous material having the above characteristics, and the heat treatment time is preferably 2 to 8 hours, more preferably 2.5 to 6 hours, and even more preferably 3 to 5 hours. Here, the heat treatment temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range.

工程(2A)は、前記工程(1)で得た炭素前駆体または原料を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、500~900℃の範囲の第1温度まで加熱する工程であり、工程(2B)は、次いで、上記(2A)で得た該炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500~900℃の温度で熱処理して炭化物を得る工程である。工程(2A)は、不活性ガス雰囲気下で行われ、工程(2B)は、不活性ガスの供給下で行われる。ここで、不活性ガス雰囲気下で行われる工程とは、該工程が不活性ガス雰囲気中で行われることを表し、不活性ガスの積極的な供給が行われていても、行われていなくてもよい。これに対し、不活性ガス供給下で行われる工程とは、該工程が不活性ガスが供給される雰囲気下であることを意味し、例えば不活性ガスの単なる雰囲気下での熱処理は、積極的な不活性ガスの供給が行われているとはいえず、不活性ガスの供給下で熱処理が行われているとはいえない。なお、本明細書において、当該工程(2A)および/または(2B)を低温焼成(工程)とも称する。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガスが挙げられ、好ましくは窒素ガスである。 Step (2A) is a step of heating the carbon precursor or raw material obtained in step (1) to a first temperature in the range of 500 to 900°C in an inert gas atmosphere at a heating rate of 100°C/hour or more, and step (2B) is a step of heat treating the carbon precursor obtained in (2A) at a temperature of 500 to 900°C under the supply of inert gas to obtain a carbide. Step (2A) is performed in an inert gas atmosphere, and step (2B) is performed under the supply of inert gas. Here, a step performed under an inert gas atmosphere means that the step is performed in an inert gas atmosphere, and active supply of inert gas may or may not be performed. In contrast, a step performed under an inert gas supply means that the step is performed under an atmosphere to which an inert gas is supplied. For example, a heat treatment simply in an inert gas atmosphere cannot be said to be actively supplied with an inert gas, and cannot be said to be heat treatment under the supply of an inert gas. In this specification, steps (2A) and/or (2B) are also referred to as low-temperature firing (steps). Examples of inert gases include argon gas, helium gas, and nitrogen gas, and nitrogen gas is preferred.

工程(2A)における昇温速度は、上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすい観点、特に窒素元素含有量および1360cm-1付近のラマンピークの半値幅を上記範囲に調整しやすい観点から、好ましくは100℃/時間以上、より好ましくは300℃/時間以上、さらに好ましくは400℃/時間以上、特に好ましくは500℃/時間以上である。昇温速度の上限は特に限定されないが、急激な熱分解による比表面積増大を抑制し易い観点から、好ましくは1000℃/時間以下、より好ましくは800℃/時間以下である。工程(2A)における第1温度は、500~900℃、好ましくは530~880℃、より好ましくは550~850℃、さらに好ましくは600~800℃である。 The heating rate in step (2A) is preferably 100°C/hour or more, more preferably 300°C/hour or more, even more preferably 400° C /hour or more, and particularly preferably 500°C/hour or more, from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material having the above characteristics, particularly from the viewpoint of easily adjusting the nitrogen element content and the half-width of the Raman peak near 1360 cm-1 to the above range. The upper limit of the heating rate is not particularly limited, but from the viewpoint of easily suppressing an increase in the specific surface area due to rapid thermal decomposition, it is preferably 1000°C/hour or less, more preferably 800°C/hour or less. The first temperature in step (2A) is 500 to 900°C, preferably 530 to 880°C, more preferably 550 to 850°C, and even more preferably 600 to 800°C.

次いで、工程(2B)では、炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500~900℃の温度で熱処理して炭化物を得る。工程(2B)における熱処理温度を以下において低温焼成温度とも称する。工程(2B)における低温焼成温度は、上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすい観点から、500~900℃、好ましくは530~880℃、より好ましくは550~850℃、さらに好ましくは600~800℃である。低温焼成温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。工程(2A)も上記不活性ガスを供給しながら行われることが好ましい。また、操作を簡便にし易くするために、工程(2A)における第1温度と工程(2B)における熱処理温度とが等しいことが好ましい。工程(2B)における熱処理時間は、好ましくは0.1~5時間、より好ましくは0.3~3時間、さらに好ましくは0.5~2時間である。 Next, in step (2B), the carbon precursor is heat-treated at a temperature of 500 to 900°C under the supply of an inert gas to obtain a carbide. The heat treatment temperature in step (2B) is also referred to as the low-temperature firing temperature below. The low-temperature firing temperature in step (2B) is 500 to 900°C, preferably 530 to 880°C, more preferably 550 to 850°C, and even more preferably 600 to 800°C, from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material having the above characteristics. The low-temperature firing temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range. It is preferable that step (2A) is also performed while supplying the above-mentioned inert gas. In addition, in order to simplify and facilitate the operation, it is preferable that the first temperature in step (2A) and the heat treatment temperature in step (2B) are equal. The heat treatment time in step (2B) is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.3 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours.

工程(3A)は、前記工程(2B)で得た炭化物を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、1000~1400℃の範囲の第2温度まで加熱する工程であり、工程(3B)は、次いで、該炭化物を、不活性ガスの供給下、1000~1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を得る工程である。ここで、工程(3A)は、不活性ガス雰囲気下で行われ、工程(3B)は、不活性ガスの供給下で行われる。ここで、不活性ガス雰囲気下、不活性ガス供給下という条件については、上記で(2A)および(2B)について記載したとおりである。また、本明細書において、当該工程(3A)および/または(3B)を高温焼成(工程)とも称する。不活性ガスとしては、上記で(2A)および(2B)について上記に記載したものが挙げられ、好ましくは窒素ガスである。 Step (3A) is a step of heating the carbide obtained in step (2B) to a second temperature in the range of 1000 to 1400°C at a heating rate of 100°C/hour or more in an inert gas atmosphere, and step (3B) is a step of heat treating the carbide at a temperature of 1000 to 1400°C under the supply of inert gas to obtain a carbonaceous material. Here, step (3A) is performed in an inert gas atmosphere, and step (3B) is performed under the supply of inert gas. Here, the conditions of under an inert gas atmosphere and under the supply of inert gas are as described above for (2A) and (2B). In addition, in this specification, step (3A) and/or (3B) are also referred to as high-temperature firing (step). Examples of inert gas include those described above for (2A) and (2B), and preferably nitrogen gas.

工程(3A)における昇温速度は、上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすい観点、特に窒素元素含有量および1360cm-1付近のラマンピークの半値幅を上記範囲に調整しやすい観点から、好ましくは100℃/時間以上、より好ましくは300℃/時間以上、さらに好ましくは400℃/時間以上、特に好ましくは500℃/時間以上である。昇温速度の上限は特に限定されないが、急激な熱分解による比表面積増大を抑制し易い観点から、好ましくは800℃/時間以下、より好ましくは700℃/時間以下、さらにより好ましくは600℃/時間以下である。工程(3A)における第2温度は、1000~1400℃、好ましくは1050~1380℃、より好ましくは1100~1370℃、さらに好ましくは1150~1360℃、特に好ましくは1200~1350℃である。 The heating rate in step (3A) is preferably 100°C/hour or more, more preferably 300°C/hour or more, even more preferably 400° C /hour or more, and particularly preferably 500°C/hour or more, from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material having the above characteristics, particularly from the viewpoint of easily adjusting the nitrogen element content and the half-width of the Raman peak near 1360 cm-1 to the above range. The upper limit of the heating rate is not particularly limited, but from the viewpoint of easily suppressing an increase in the specific surface area due to rapid thermal decomposition, it is preferably 800°C/hour or less, more preferably 700°C/hour or less, and even more preferably 600°C/hour or less. The second temperature in step (3A) is 1000 to 1400°C, preferably 1050 to 1380°C, more preferably 1100 to 1370°C, even more preferably 1150 to 1360°C, and particularly preferably 1200 to 1350°C.

リチウムイオンを吸蔵しやすい構造を作り、放電容量を高めやすい観点から、通常、工程(2B)に続いて工程(3A)が行われる。したがって、工程(3A)における昇温工程は、500~900℃の範囲の低温焼成温度から、上記1000~1400℃の範囲の第2温度まで昇温する工程である。例えば、上記の昇温速度で、低温焼成温度(500~900℃)から第2温度(1000~1400℃)まで、好ましくは低温焼成温度(530~880℃)から第2温度(1050~1380℃)まで、より好ましくは低温焼成温度(550~850℃)から第2温度(1100~1370℃)まで、さらに好ましくは低温焼成温度(600~850℃)から第2温度(1150~1360℃)まで、特に好ましくは低温焼成温度(600~800℃)から第2温度(1200~1350℃)まで、昇温される。 From the viewpoint of creating a structure that easily absorbs lithium ions and increasing the discharge capacity, step (3A) is usually performed following step (2B). Therefore, the temperature-raising step in step (3A) is a step of raising the temperature from a low-temperature firing temperature in the range of 500 to 900°C to the second temperature in the range of 1000 to 1400°C. For example, at the above heating rate, the temperature is raised from the low-temperature firing temperature (500-900°C) to the second temperature (1000-1400°C), preferably from the low-temperature firing temperature (530-880°C) to the second temperature (1050-1380°C), more preferably from the low-temperature firing temperature (550-850°C) to the second temperature (1100-1370°C), even more preferably from the low-temperature firing temperature (600-850°C) to the second temperature (1150-1360°C), and particularly preferably from the low-temperature firing temperature (600-800°C) to the second temperature (1200-1350°C).

次いで、工程(3B)では、炭化物を、不活性ガスの供給下、1000~1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を得る。工程(3B)における熱処理温度を以下において高温焼成温度とも称する。工程(3B)における高温焼成温度は、操作を簡便にしやすく上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすい観点から、1000~1400℃、好ましくは1050~1380℃、より好ましくは1100~1370℃、さらに好ましくは1150~1360℃、特に好ましくは1200~1350℃である。高温焼成温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。工程(3B)における熱処理時間は、好ましくは0.1~5時間、より好ましくは0.3~3時間、さらに好ましくは0.5~2時間である。工程(3A)も上記不活性ガスを供給しながら行われることが好ましい。また、操作を簡便にしやすい観点から、工程(3A)における第2温度と工程(3B)における熱処理温度と等しいことが好ましい。 Next, in step (3B), the carbide is heat-treated at a temperature of 1000 to 1400°C under the supply of an inert gas to obtain a carbonaceous material. The heat treatment temperature in step (3B) is also referred to as the high-temperature firing temperature below. The high-temperature firing temperature in step (3B) is 1000 to 1400°C, preferably 1050 to 1380°C, more preferably 1100 to 1370°C, even more preferably 1150 to 1360°C, and particularly preferably 1200 to 1350°C, from the viewpoint of making the operation easy and easily obtaining a carbonaceous material having the above characteristics. The high-temperature firing temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range. The heat treatment time in step (3B) is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.3 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours. It is preferable that step (3A) is also performed while supplying the above inert gas. In addition, from the viewpoint of simplifying the operation, it is preferable that the second temperature in step (3A) is equal to the heat treatment temperature in step (3B).

高温焼成温度(すなわち工程(3B)における焼成温度)は、好ましくは上記工程(3A)における第2温度と等しく、電極に用いた際に高い充放電容量および充放電効率と低い抵抗を与える炭素質材料を得やすい観点から、工程(2B)における焼成温度(好ましい態様において工程(2A)における第1温度)以上の温度であることが好ましい。高温焼成温度は、低温焼成温度よりも、好ましくは50~700℃、より好ましくは100~600℃、さらに好ましくは200~500℃高い温度である。 The high-temperature firing temperature (i.e., the firing temperature in step (3B)) is preferably equal to the second temperature in step (3A) above, and is preferably equal to or higher than the firing temperature in step (2B) (the first temperature in step (2A) in a preferred embodiment) from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material that provides high charge/discharge capacity, charge/discharge efficiency, and low resistance when used in an electrode. The high-temperature firing temperature is preferably 50 to 700°C, more preferably 100 to 600°C, and even more preferably 200 to 500°C higher than the low-temperature firing temperature.

本発明の炭素質材料は、非水電解質二次電池の負極活物質として好適に使用することができる。本発明はまた、本発明の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極ならびに該負極を有する非水電解質二次電池も提供する。 The carbonaceous material of the present invention can be suitably used as a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery. The present invention also provides a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery that contains the carbonaceous material of the present invention, and a nonaqueous electrolyte secondary battery that has the negative electrode.

以下において、本発明の非水電解質二次電池用の負極の製造方法を具体的に述べる。本発明の負極は、例えば、本発明の炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加した後、これらを混練し電極合剤を調製する。得られた電極合剤を、金属板等からなる集電板に塗布および乾燥後、加圧成形することにより、本発明の非水電解質二次電池用の負極を製造することができる。 The method for producing the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be specifically described below. The negative electrode of the present invention is prepared, for example, by adding a binder to the carbonaceous material of the present invention, adding an appropriate amount of a suitable solvent, and then kneading these to prepare an electrode mixture. The obtained electrode mixture can be applied to a current collector made of a metal plate or the like, dried, and then pressure-molded to produce the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention.

本発明の炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極(負極)を製造することができる。さらに高い導電性を賦与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5~10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、さらにより好ましくは0.5~7質量%、特に好ましくは0.5~5質量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等のように電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもSBRとCMCとの混合物は、活物質表面に付着したSBRとCMCがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性が得られるため好ましい。SBR等の水性エマルジョンやCMCを溶解し、スラリーを形成するために、水等の極性溶媒が好ましく用いられるが、PVDF等の溶剤性エマルジョンをN-メチルピロリドン等に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分になることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えば溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5~5質量%が好ましく、1~4質量%がより好ましい。一方、PVDF系のバインダーでは好ましくは3~13質量%であり、より好ましくは3~10質量%である。また、電極合剤中の本発明の炭素質材料の量は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。また、電極合剤中の本発明の炭素質材料の量は、100質量%以下が好ましく、97質量%以下がより好ましい。 By using the carbonaceous material of the present invention, an electrode (negative electrode) having high conductivity can be manufactured without adding a conductive assistant. In order to impart even higher conductivity, a conductive assistant can be added as necessary when preparing the electrode mixture. As the conductive assistant, conductive carbon black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), nanotubes, etc. can be used. The amount of conductive assistant added varies depending on the type of conductive assistant used, but if the amount added is too small, the expected conductivity may not be obtained, and if the amount added is too large, the dispersion in the electrode mixture may be poor. From this perspective, the preferred proportion of conductive assistant to be added is 0.5 to 10 mass% (where the amount of active material (carbonaceous material) + the amount of binder + the amount of conductive assistant = 100 mass%), more preferably 0.5 to 7 mass%, and particularly preferably 0.5 to 5 mass%. The binder is not particularly limited as long as it does not react with the electrolyte, such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, and a mixture of SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose). Among them, a mixture of SBR and CMC is preferable because the SBR and CMC attached to the surface of the active material do not inhibit the movement of lithium ions, and good input/output characteristics can be obtained. A polar solvent such as water is preferably used to dissolve the aqueous emulsion of SBR or CMC to form a slurry, but a solvent-based emulsion of PVDF or the like can also be dissolved in N-methylpyrrolidone and used. If the amount of binder added is too large, the resistance of the resulting electrode increases, and the internal resistance of the battery increases, which may reduce the battery characteristics. Also, if the amount of binder added is too small, the binding between the particles of the negative electrode material and with the current collector may be insufficient. The preferred amount of binder to be added varies depending on the type of binder used. For example, in binders that use water as a solvent, a mixture of SBR and CMC is often used in combination, and the total amount of all binders used is preferably 0.5 to 5 mass%, more preferably 1 to 4 mass%. On the other hand, in PVDF-based binders, the amount is preferably 3 to 13 mass%, more preferably 3 to 10 mass%. The amount of the carbonaceous material of the present invention in the electrode mixture is preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more. The amount of the carbonaceous material of the present invention in the electrode mixture is preferably 100 mass% or less, more preferably 97 mass% or less.

電極活物質層は、基本的には集電板の両面に形成されるが、必要に応じて片面に形成されていてもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板やセパレータ等が少なくて済むため、高容量化には好ましい。しかし、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため、電極活物質層が厚すぎると入出力特性が低下することがある。活物質層の厚み(片面当たり)は、電池放電時の出力の観点から、好ましくは10~80μm、より好ましくは20~75μm、さらにより好ましくは30~75μmである。 The electrode active material layer is basically formed on both sides of the current collector plate, but may be formed on one side if necessary. The thicker the electrode active material layer, the fewer current collector plates and separators are required, which is preferable for high capacity. However, since a larger electrode area facing the counter electrode is advantageous for improving input/output characteristics, if the electrode active material layer is too thick, the input/output characteristics may deteriorate. From the viewpoint of output during battery discharge, the thickness of the active material layer (per side) is preferably 10 to 80 μm, more preferably 20 to 75 μm, and even more preferably 30 to 75 μm.

本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用負極を含む。本発明の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池は、高い充放電容量を有する。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention. A nonaqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery that includes the carbonaceous material of the present invention has a high charge/discharge capacity.

本発明の炭素質材料を用いて非水電解質二次電池用の負極を形成する場合、正極材料、セパレータ、および電解液などの電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。 When the carbonaceous material of the present invention is used to form a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the other materials constituting the battery, such as the positive electrode material, separator, and electrolyte, are not particularly limited, and various materials that have been conventionally used or proposed for non-aqueous solvent secondary batteries can be used.

例えば、正極材料としては、層状酸化物系(LiMO又はNaMOと表されるもので、Mは金属:例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO、NaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaVOまたはLiNiCoMn、NaNiMn(ここでx、y、zは組成比を表わす))、オリビン系(LiMPO又はNaMPOで表され、Mは金属:例えばLiFePO、NaFePOなど)、スピネル系(LiM又はNaMで表され、Mは金属:例えばLiMn、NaMnなど)の複合金属カルコゲン化合物が好ましく、これらのカルコゲン化合物を必要に応じて混合して使用してもよい。これらの正極材料を適当なバインダーと電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成することにより正極が形成される。 For example, the positive electrode material may be a layered oxide (represented as LiMO2 or NaMO2 , where M is a metal: for example, LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2 , NaFeO2 , NaNiO2 , NaCoO2 , NaMnO2 , NaVO2 or LiNi x Co y Mn z O2 , NaNi x Mn z O2 (where x, y, and z represent the composition ratio)), an olivine (represented as LiMPO4 or NaMPO4 , where M is a metal: for example, LiFePO4 , NaFePO4 , etc.), a spinel (represented as LiM2O4 or NaM2O4, where M is a metal: for example, LiMn2O4 , NaMn2O4, etc.), or a zeolite (represented as LiM2O4 or NaM2O4 , where M is a metal: for example , LiMn2O4 , NaMn2O4 , etc.). The composite metal chalcogen compounds of the above-mentioned formulas (1) to (4 ) are preferred, and these chalcogen compounds may be mixed and used as necessary. The positive electrode material is molded together with a suitable binder and a carbon material for imparting electrical conductivity to the electrode, and the molded layer is formed on a conductive current collector to form a positive electrode.

これらの正極および負極と組み合わせて用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ-ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、または1,3-ジオキソラン等の有機溶媒を、一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、リチウムイオン二次電池用途にLiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiAsF、LiCl、LiBr、LiB(C、またはLiN(SOCF等が、ナトリウムイオン二次電池用途にNaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaAsF、NaCl、NaBr、NaB(C、またはNaN(SOCF等が用いられる。 The non-aqueous electrolyte used in combination with these positive and negative electrodes is generally formed by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent, which may be, for example, one or more of organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, γ-butyllactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, or 1,3-dioxolane, which may be used alone or in combination. As the electrolyte, for lithium ion secondary batteries, LiClO4 , LiPF6 , LiBF4 , LiCF3SO3 , LiAsF6 , LiCl, LiBr, LiB( C6H5 ) 4 , LiN( SO3CF3 ) 2 , etc. are used, and for sodium ion secondary batteries , NaClO4 , NaPF6 , NaBF4 , NaCF3SO3 , NaAsF6 , NaCl, NaBr, NaB( C6H5 ) 4 , NaN ( SO3CF3 ) 2 , etc. are used.

非水電解質二次電池は、一般に上記のようにして形成した正極と負極とを必要に応じて透液性セパレータを介して対向させ、電解液中に浸漬させることにより形成される。このようなセパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性または透液性のセパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries are generally formed by placing the positive and negative electrodes formed as described above opposite each other, with a liquid-permeable separator interposed between them as necessary, and immersing them in an electrolyte. As such a separator, a nonwoven fabric or other permeable or liquid-permeable separator made of a porous material that is commonly used in secondary batteries can be used. Alternatively, a solid electrolyte made of a polymer gel impregnated with an electrolyte can be used instead of or together with the separator.

本発明の炭素質材料は、例えば自動車などの車両に搭載される電池(典型的には車両駆動用非水電解質二次電池)用炭素質材料として好適である。本発明において車両とは、通常、電動車両として知られるものや、燃料電池や内燃機関とのハイブリッド車など、特に限定されることなく対象とすることができるが、少なくとも上記電池を備えた電源装置と、該電源装置からの電源供給により駆動する電動駆動機構と、これを制御する制御装置とを備えるものである。車両は、さらに、発電ブレーキや回生ブレーキを備え、制動によるエネルギーを電気に変換して、前記非水電解質二次電池に充電する機構を備えていてもよい。 The carbonaceous material of the present invention is suitable as a carbonaceous material for batteries (typically nonaqueous electrolyte secondary batteries for driving vehicles) mounted on vehicles such as automobiles. In the present invention, the vehicle can be, without particular limitation, what is usually known as an electric vehicle, a hybrid vehicle with a fuel cell or an internal combustion engine, etc., and is equipped with at least a power supply device equipped with the above-mentioned battery, an electric drive mechanism driven by power supply from the power supply device, and a control device for controlling this. The vehicle may further be equipped with a generator brake or a regenerative brake, and a mechanism for converting energy generated by braking into electricity and charging the nonaqueous electrolyte secondary battery.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。なお、以下に炭素質材料の物性値の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。 The present invention will be explained in detail below with reference to examples, but these are not intended to limit the scope of the present invention. Note that the methods for measuring the physical properties of carbonaceous materials are described below, but the physical properties described in this specification, including the examples, are based on values determined by the following methods.

(元素分析)
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA-930を用いて、不活性ガス溶解法に基づいて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、酸素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)、窒素:不活性ガス融解-熱伝導法(TCD)、水素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH(H標準試料)、SS-3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。上記のようにして、試料中の窒素元素含有量、酸素元素含有量および水素元素含有量を得た。
(Elemental Analysis)
Elemental analysis was carried out based on the inert gas dissolution method using an oxygen/nitrogen/hydrogen analyzer EMGA-930 manufactured by Horiba, Ltd.
The detection methods of this device are oxygen: inert gas fusion-non-dispersive infrared absorption (NDIR), nitrogen: inert gas fusion-thermal conduction (TCD), and hydrogen: inert gas fusion-non-dispersive infrared absorption (NDIR). Calibration was performed with (oxygen/nitrogen) Ni capsule, TiH 2 (H standard sample), and SS-3 (N, O standard sample). As a pretreatment, 20 mg of a sample whose moisture content was measured at 250°C for about 10 minutes was placed in a Ni capsule and degassed for 30 seconds in an elemental analyzer before measurement. Three samples were analyzed in the test, and the average value was used as the analytical value. As described above, the nitrogen element content, oxygen element content, and hydrogen element content in the sample were obtained.

<酸素非存在下で加熱分解したときの一酸化炭素量または二酸化炭素の測定>
上記元素分析において、Snカプセルを投入した後、10℃/秒の速度で昇温し、酸素化合物分解ガスである一酸化炭素または二酸化炭素の検出強度を検出温度に対してプロットし、各温度域での累計検出量比を算出した。
<Measurement of carbon monoxide or carbon dioxide amount when thermally decomposed in the absence of oxygen>
In the above elemental analysis, after the Sn capsule was inserted, the temperature was raised at a rate of 10°C/sec, and the detection intensity of carbon monoxide or carbon dioxide, which is an oxygen compound decomposition gas, was plotted against the detection temperature, and the cumulative detection amount ratio in each temperature range was calculated.

(ラマンスペクトル)
ラマン分光器(堀場製作所製「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用い、測定対象粒子(炭素質材料または炭化物)を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、アルゴンイオンレーザ光を照射しながら測定した。測定条件の詳細は以下のとおりであり、得られたラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値、ラマンスペクトルの1360cm-1付近のピーク強度(I1360)と1580cm-1付近のピーク強度(I1580)の強度比(R値、I1360/I1580)を算出した。
アルゴンイオンレーザ光の波長:532nm
試料上のレーザーパワー:15mW
分解能:5-7cm-1
測定範囲:50-2000cm-1
露光時間:1秒
積算回数:100回
ピーク強度測定:ベースライン補正 Polynom-3次で自動補正
ピークサーチ&フィッテイング処理 GaussLoren
(Raman spectrum)
Using a Raman spectrometer (Horiba, Ltd.'s "LabRAM ARAMIS (VIS)"), the particles to be measured (carbonaceous material or carbide) were set on the observation stage, the objective lens was set at 100x magnification, the focus was adjusted, and measurements were performed while irradiating argon ion laser light. The details of the measurement conditions are as follows, and the half-width value of the peak near 1360 cm -1 in the obtained Raman spectrum and the intensity ratio (R value, I 1360 /I 1580 ) between the peak intensity near 1360 cm -1 in the Raman spectrum (I 1360 ) and the peak intensity near 1580 cm -1 (I 1580 ) were calculated.
Wavelength of argon ion laser light: 532 nm
Laser power on sample: 15 mW
Resolution: 5-7cm -1
Measurement range: 50-2000 cm
Exposure time: 1 second Number of integrations: 100 Peak intensity measurement: Baseline correction Automatic correction with Polynom-3rd order
Peak search and fitting processing GaussLoren

(窒素吸着BET法による比表面積)
以下にBETの式から誘導された近似式を記す。
(Specific surface area by nitrogen adsorption BET method)
The approximate formula derived from the BET formula is shown below.

上記の近似式を用いて、液体窒素温度における、窒素吸着による多点法により所定の相体圧(p/p)における実測される吸着量(v)を代入してvを求め、次式により試料の比表面積(SSA:単位はm-1)を計算した。 Using the above approximation formula, the amount of adsorption (v) actually measured at a given relative pressure (p/p 0 ) by the multipoint method using nitrogen adsorption at liquid nitrogen temperature was substituted to determine v m , and the specific surface area (SSA: unit is m 2 g −1 ) of the sample was calculated using the following formula.

上記の式中、vは試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量(cm/g)、vは実測される吸着量(cm/g)、pは飽和蒸気圧、pは絶対圧、cは定数(吸着熱を反映)、Nはアボガドロ数6.022×1023、a(nm)は吸着質分子が試料表面で占める面積(分子占有断面積)である。 In the above formula, vm is the adsorption amount ( cm3 /g) required to form a monolayer on the sample surface, v is the measured adsorption amount ( cm3 /g), p0 is the saturated vapor pressure, p is the absolute pressure, c is a constant (reflecting the heat of adsorption), N is Avogadro's number 6.022 x 1023 , and a ( nm2 ) is the area occupied by the adsorbate molecules on the sample surface (molecular occupied cross-sectional area).

具体的には、カンタクローム社製「Autosorb-iQ-MP」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素質材料への窒素の吸着量を測定した。測定試料を試料管に充填し、試料管を-196℃に冷却した状態で、一旦減圧し、その後所望の相対圧にて測定試料に窒素(純度99.999%)を吸着させた。各所望の相対圧にて平衡圧に達した時の試料に吸着した窒素量を吸着ガス量vとした。
Specifically, the amount of nitrogen adsorbed to the carbonaceous material at liquid nitrogen temperature was measured using "Autosorb-iQ-MP" manufactured by Quantachrome, as follows. The measurement sample was filled into a sample tube, and the sample tube was cooled to -196°C, and then the pressure was reduced once, and nitrogen (purity 99.999%) was adsorbed into the measurement sample at a desired relative pressure. The amount of nitrogen adsorbed into the sample when equilibrium pressure was reached at each desired relative pressure was defined as the amount of adsorbed gas v.

(レーザー散乱法による平均粒子径D50
炭素質材料または炭化物の平均粒子径(粒度分布)は、以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業株式会社製「ToritonX100」)が5質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄器で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いて行った。D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
(Average particle diameter D50 measured by laser scattering method)
The average particle size (particle size distribution) of the carbonaceous material or carbide was measured by the following method. The sample was put into an aqueous solution containing 5% by mass of a surfactant ("ToritonX100" manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes or more, and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution was measured using a particle size/particle size distribution measuring device ("Microtrac MT3300EXII" manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.). D50 is the particle size at which the cumulative volume is 50%, and this value was used as the average particle size.

(X線回折)
炭素質材料または炭化物の粉末を試料ホルダーに充填し、リガク社製MiniFlexIIを用いて、X線回折測定を行った。CuKα(λ=1.5418Å)を線源とし、走査範囲は10°<2θ<35°とした。
(X-ray diffraction)
The powder of the carbonaceous material or carbide was filled into a sample holder, and X-ray diffraction measurements were performed using a MiniFlex II manufactured by Rigaku Corp. The radiation source was CuKα (λ=1.5418 Å), and the scanning range was 10°<2θ<35°.

(含窒素ガス排出量)
原料を焼成して出る含窒素ガス排出量は以下のようにして算出した。原料100gあたりの窒素重量と、その原料から得られた炭素質材料中の窒素重量を、元素分析による窒素元素含有量からそれぞれ計算した。それら窒素重量の差を含窒素ガスの排出量として算出した。実際は、窒素元素に酸素元素や炭素元素が結合した形でガスが排出されるため、算出した値より排出量は大きくなる。元素分析は粉体試料を取り扱うが、比較例3原料の椰子殻は粉末にできなかったため、測定方法の問題により分析が不可能であった。従って、表1比較例3には含窒素ガスの排出量を測定不可と記載した。
(Nitrogen-containing gas emissions)
The amount of nitrogen-containing gas discharged during firing of the raw material was calculated as follows: The weight of nitrogen per 100 g of the raw material and the weight of nitrogen in the carbonaceous material obtained from the raw material were calculated based on the nitrogen element content by elemental analysis. The difference in the weight of nitrogen was calculated as the amount of nitrogen-containing gas emitted. In reality, gas is emitted in the form of nitrogen combined with oxygen and carbon, so the amount of emissions is less than the calculated value. Elemental analysis involves the use of powder samples, but the coconut shells used in Comparative Example 3 could not be powdered, and analysis was not possible due to problems with the measurement method. It was stated that nitrogen gas emissions could not be measured.

(実施例1)
クエン酸5.0gを純水60mLに溶解した後に、でんぷん50gを添加し、ヘラで混合後、50℃で乾燥することで、低分子量化したでんぷんを含む混合物を得た。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、130℃まで昇温した。この際、130℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。窒素ガス気流下、130℃で5時間熱処理することにより炭素前駆体を得た。この際、窒素ガスの供給量は、でんぷん20gあたり1L/分であった。
炭素前駆体を、窒素ガス雰囲気中、600℃まで加熱した。この際、600℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。次いで、窒素ガス気流下、600℃で60分間熱処理することにより炭化処理し、炭化物を得た(第1焼成)。この際、窒素ガスの供給量は、炭素前駆体40gあたり3L/分であった。その後、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。次に、粉砕炭化物を、1200℃まで昇温し、1200℃で60分間熱処理することにより炭素質材料を得た(第2焼成)。この際、1200℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は、窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
Example 1
After dissolving 5.0 g of citric acid in 60 mL of pure water, 50 g of starch was added, mixed with a spatula, and dried at 50° C. to obtain a mixture containing low molecular weight starch. The obtained mixture was heated to 130° C. in a nitrogen gas atmosphere. At this time, the heating rate to 130° C. was 600° C./hour (10° C./minute). A carbon precursor was obtained by heat treatment at 130° C. for 5 hours under a nitrogen gas flow. At this time, the nitrogen gas supply rate was 1 L/minute per 20 g of starch.
The carbon precursor was heated to 600°C in a nitrogen gas atmosphere. At this time, the heating rate up to 600°C was 600°C/hour (10°C/minute). Next, the carbonized material was obtained by heat-treating the material at 600°C for 60 minutes under a nitrogen gas flow (first firing). At this time, the nitrogen gas supply rate was 3 L/minute per 40 g of the carbon precursor. The obtained carbide was then pulverized in a ball mill to obtain a pulverized carbide. Next, the pulverized carbide was heated to 1200°C and heat-treated at 1200°C for 60 minutes to obtain a carbonaceous material (second firing). At this time, the heating rate up to 1200°C was 600°C/hour (10°C/minute). The heating and heat treatment were performed under a nitrogen gas flow. The nitrogen gas supply rate was 3 L/minute per 5 g of pulverized carbide.

(実施例2)
クエン酸5.0gとでんぷん50gを粉体で混合し混合物を得た。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、130℃まで昇温した。この際、130℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。窒素ガス気流下、130℃で5時間熱処理することにより炭素前駆体を得た。この際、窒素ガスの供給量は、でんぷん20gあたり1L/分であった。
この炭素前駆体を、実施例1の炭素前駆体の代わりに用いて、実施例1と同様に、第1焼成・粉砕・第2焼成を行うことにより炭素質材料を得た。
Example 2
A mixture was obtained by mixing 5.0 g of citric acid and 50 g of starch in powder form. The mixture was heated to 130° C. in a nitrogen gas atmosphere. The heating rate to 130° C. was 600° C./hour (10° C./minute). A carbon precursor was obtained by heat-treating the mixture at 130° C. for 5 hours under a nitrogen gas flow. The nitrogen gas supply rate was 1 L/minute per 20 g of starch.
This carbon precursor was used in place of the carbon precursor of Example 1, and the first firing, pulverization, and second firing were carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a carbonaceous material.

(実施例3)
クエン酸5.0gをアジピン酸3.8gにした以外は実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。
Example 3
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2, except that 5.0 g of citric acid was replaced with 3.8 g of adipic acid.

(実施例4)
テレフタル酸4.3gとでんぷん50gを粉体で混合し混合物を得た。この混合物を、実施例1の炭素前駆体の代わりに用いて、実施例1と同様に、第1焼成・粉砕・第2焼成を行うことにより炭素質材料を得た。
Example 4
A mixture was obtained by mixing 4.3 g of terephthalic acid and 50 g of starch in powder form. This mixture was used instead of the carbon precursor of Example 1, and a carbonaceous material was obtained by carrying out the first firing, pulverization, and second firing in the same manner as in Example 1.

(実施例5)
実施例1の炭素前駆体の代わりにデキストリン40gを用いて、実施例1と同様に、第1焼成・粉砕・第2焼成を行うことにより炭素質材料を得た。
Example 5
Instead of the carbon precursor of Example 1, 40 g of dextrin was used, and the first baking, pulverization, and second baking were carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a carbonaceous material.

(比較例1)
デキストリン40gをでんぷん40gにした以外は実施例5と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 1)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 5, except that 40 g of starch was used instead of 40 g of dextrin.

(比較例2)
グルコースと塩化アンモニウムを乳鉢で混合した。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、1000℃まで昇温した。この際、1000℃までの昇温速度は240℃/時間(4℃/分)とした。次いで、窒素ガス気流下、1000℃で60分間熱処理することにより炭化処理を行なうことにより炭化物を得た(第1焼成)。この際、窒素ガスの供給量は、グルコース5gあたり1L/分であった。その後、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。次に、粉砕炭化物を、1200℃まで昇温し、1200℃で60分間熱処理することにより炭素質材料を得た(第2焼成工程)。この際、1200℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
(Comparative Example 2)
Glucose and ammonium chloride were mixed in a mortar. The mixture was heated to 1000°C in a nitrogen gas atmosphere. At this time, the heating rate to 1000°C was 240°C/hour (4°C/minute). Next, the mixture was heat-treated at 1000°C for 60 minutes under a nitrogen gas flow to obtain a carbonized material (first firing). At this time, the amount of nitrogen gas supplied was 1 L/minute per 5 g of glucose. Then, the obtained carbonized material was pulverized in a ball mill to obtain a pulverized carbide. Next, the pulverized carbide was heated to 1200°C and heat-treated at 1200°C for 60 minutes to obtain a carbonaceous material (second firing step). At this time, the heating rate to 1200°C was 600°C/hour (10°C/minute). The above heating and heat treatment were performed under a nitrogen gas flow. The amount of nitrogen gas supplied was 3 L/minute per 5 g of pulverized carbide.

(比較例3)
椰子殻を破砕し、500℃で乾留して、粒径2.360 ~ 0.850mmの椰子殻チャー( 粒径2.360 ~ 0.850m m の粒子を98重量%含有)を得た。この椰子殻チャー100g に対して、塩化水素ガスを1体積% 含む窒素ガスを10L / 分の流量で供給しながら870℃ で50分間気相脱灰処理を実施した。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、窒素ガスを10L/分の流量で供給しながら、さらに870℃ で30分間気相脱酸処理を実施し、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体を、ボールミルを用いて平均粒子径10μ m に粗粉砕した後、コンパクトジェットミル( 株式会社セイシン企業製「コジェットシステムα ― mkIII」)を用いて粉砕および分級し、平均粒径9.6μm の炭素前駆体を得た。調製した炭素前駆体9.1 g と、ポリスチレン0 . 9g(積水化成品工業株式会社製、平均粒径400μm 、残炭率1.2% )とを混合した。この混合物10gを黒鉛製鞘( 縦100mm、横100mm 、高さ50mm)に入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中、毎分5Lの窒素流量下、毎分60℃の昇温速度で1250℃まで昇温した後、11分間保持し、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出した。
(Comparative Example 3)
The coconut shells were crushed and dry-distilled at 500°C to obtain coconut shell char with a particle size of 2.360 to 0.850 mm (containing 98% by weight of particles with a particle size of 2.360 to 0.850 mm). 100 g of this coconut shell char was subjected to a gas phase demineralization treatment at 870°C for 50 minutes while supplying nitrogen gas containing 1% by volume of hydrogen chloride gas at a flow rate of 10 L/min. Thereafter, the supply of only the hydrogen chloride gas was stopped, and a gas phase deoxidization treatment was further performed at 870°C for 30 minutes while supplying nitrogen gas at a flow rate of 10 L/min to obtain a carbon precursor. The obtained carbon precursor was coarsely pulverized to an average particle size of 10 μm using a ball mill, and then pulverized and classified using a compact jet mill ("Cojet System α-mkIII" manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.) to obtain a carbon precursor with an average particle size of 9.6 μm. 9.1 g of the prepared carbon precursor was mixed with 0.9 g of polystyrene (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., average particle size 400 μm, residual carbon rate 1.2%). 10 g of this mixture was placed in a graphite sheath (length 100 mm, width 100 mm, height 50 mm) and heated to 1250 ° C. at a heating rate of 60 ° C. per minute under a nitrogen flow rate of 5 L per minute in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd., and then held for 11 minutes and naturally cooled. After confirming that the temperature inside the furnace had dropped to 200 ° C. or less, the carbonaceous material was removed from the furnace.

(比較例4)
クエン酸43gとでんぷん100gを粉体で混合し混合物を得た。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、160℃まで昇温した。窒素ガス気流下、160℃で3分熱処理することにより炭素前駆体を得た。
炭素前駆体を、窒素ガス雰囲気中、600℃まで加熱した。次いで、窒素ガス気流下、600℃で30分間熱処理することにより炭化処理し、炭化物を得た(第1焼成)。この際、窒素ガスの供給量は、炭素前駆体10gあたり1L/分であった。次いで、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。その後、粉砕炭化物を、800℃まで加熱し800℃で60分間熱処理することにより、炭素質材料を得た(第2焼成)。この際、800℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は、窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
(Comparative Example 4)
A mixture was obtained by mixing 43 g of citric acid and 100 g of starch in powder form. The mixture was heated to 160° C. in a nitrogen gas atmosphere. A carbon precursor was obtained by heat-treating the mixture at 160° C. for 3 minutes under a nitrogen gas flow.
The carbon precursor was heated to 600°C in a nitrogen gas atmosphere. Then, the carbonization treatment was performed by heat treatment at 600°C for 30 minutes under a nitrogen gas flow, and a carbide was obtained (first firing). At this time, the supply amount of nitrogen gas was 1 L/min per 10 g of the carbon precursor. Next, the obtained carbide was pulverized in a ball mill to obtain a pulverized carbide. Thereafter, the pulverized carbide was heated to 800°C and heat-treated at 800°C for 60 minutes to obtain a carbonaceous material (second firing). At this time, the heating rate up to 800°C was 600°C/hour (10°C/min). The above heating and heat treatment were performed under a nitrogen gas flow. The supply amount of nitrogen gas was 3 L/min per 5 g of pulverized carbide.

(電極の作製)
各実施例および各比較例で得た炭素質材料をそれぞれ用いて、以下の手順に従って負極を作製した。
炭素質材料95質量部、導電性カーボンブラック(TIMICAL製「Super-P(登録商標)」)2質量部、CMC1質量部、SBR2質量部および水90質量部を混合し、スラリーを得た。得られたスラリーを厚さ18μmの銅箔に塗布し、乾燥後プレスして、厚さ45μmの電極を得た。
(Preparation of electrodes)
Using each of the carbonaceous materials obtained in each of the Examples and Comparative Examples, negative electrodes were produced according to the following procedure.
A slurry was obtained by mixing 95 parts by mass of a carbonaceous material, 2 parts by mass of conductive carbon black ("Super-P (registered trademark)" manufactured by TIMICAL), 1 part by mass of CMC, 2 parts by mass of SBR, and 90 parts by mass of water. The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm, dried, and pressed to obtain an electrode having a thickness of 45 μm.

(電池初期容量および充放電効率)
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートを、体積比で1:1:1となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはポリプロピレン膜を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。さらにリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量とした。次いで、活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量とした。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。得られた結果を、表4中、充電容量、放電容量、および充放電効率として示す。
(Initial battery capacity and charge/discharge efficiency)
The electrode prepared above was used as the working electrode, and metallic lithium was used as the counter electrode and reference electrode. As the solvent, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate were mixed in a volume ratio of 1:1:1 and used. LiPF6 was dissolved in this solvent at 1 mol/L and used as the electrolyte. A polypropylene membrane was used as the separator. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.
A charge/discharge test was performed on the lithium secondary battery having the above configuration using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT"). Lithium doping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass, until the lithium potential reached 1 mV. A constant voltage of 1 mV was applied to the lithium potential for 8 hours to terminate the doping. The capacity (mAh/g) at this time was taken as the charge capacity. Next, dedoping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass until the lithium potential reached 2.5 V, and the capacity discharged at this time was taken as the discharge capacity. The percentage of the discharge capacity/charge capacity was taken as the charge/discharge efficiency (initial charge/discharge efficiency), which was used as an index of the utilization efficiency of lithium ions in the battery. The results obtained are shown in Table 4 as the charge capacity, discharge capacity, and charge/discharge efficiency.

各実施例および各比較例における炭素質材料の製造条件、得られた炭素質材料の物性の評価結果および電池特性の評価結果を、それぞれ以下の各表に示す。 The manufacturing conditions for the carbonaceous materials in each example and comparative example, the evaluation results of the physical properties of the obtained carbonaceous materials, and the evaluation results of the battery characteristics are shown in the following tables.

実施例1~5は、元素分析により求めた窒素元素含有量が0.3質量%以上1.0質量%未満、かつ、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比が0.45以上3.0以下である炭素質材料である。これらの炭素質材料は、製造時の含窒素ガス排出量が少なく、かつ該炭素質材料を用いて作製した電池は、高い放電容量と良好な充放電効率を示した。 Examples 1 to 5 are carbonaceous materials whose nitrogen element content determined by elemental analysis is 0.3% by mass or more and less than 1.0% by mass, and whose absorption intensity ratio at 1350°C to the absorption intensity at 1000°C is 0.45 or more and 3.0 or less, in the amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis. These carbonaceous materials emit small amounts of nitrogen-containing gas during production, and batteries made using the carbonaceous materials exhibit high discharge capacity and good charge/discharge efficiency.

これに対して、比較例1、3、4は、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比が0.45未満の炭素質材料である。これらの炭素質材料を用いて作製した電池は、比較例1、3では放電容量が低いものであり、比較例4では放電容量と充放電効率が低いものであった。 In contrast, Comparative Examples 1, 3, and 4 are carbonaceous materials in which the ratio of absorption intensity at 1350°C to absorption intensity at 1000°C is less than 0.45 in the amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis. The batteries fabricated using these carbonaceous materials had low discharge capacities in Comparative Examples 1 and 3, and low discharge capacity and charge/discharge efficiency in Comparative Example 4.

また、比較例2は、元素分析により求めた窒素元素含有量が1.0質量%以上の炭素質材料である。この場合、含窒素ガス排出量が多いものであった。 Comparative Example 2 is a carbonaceous material with a nitrogen element content of 1.0 mass% or more as determined by elemental analysis. In this case, the amount of nitrogen-containing gas discharged was large.

* 原料100gあたりの排出量。 * Emissions per 100g of raw material.

* 1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比 *Ratio of absorption intensity at 1350°C to absorption intensity at 1000°C

Claims (7)

元素分析により求めた窒素元素含有量が0.3質量%以上1.0質量%未満であり、元素分析により求めた酸素含有量が1.0質量%以上であり、元素分析により一酸化炭素または二酸化炭素として検出される酸素量において、1000℃での吸収強度に対する1350℃での吸収強度比が0.60以上3.0以下であり、かつ、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm -1 付近のピークの半値幅の値が180cm -1 以上230cm -1 以下である炭素質材料。 A carbonaceous material having a nitrogen element content determined by elemental analysis of 0.3 mass% or more and less than 1.0 mass%, an oxygen content determined by elemental analysis of 1.0 mass% or more, an absorption intensity ratio at 1350°C to an absorption intensity at 1000°C of 0.60 or more and 3.0 or less, in an amount of oxygen detected as carbon monoxide or carbon dioxide by elemental analysis, and a half-width value of a peak near 1360 cm -1 in a Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy of 180 cm -1 or more and 230 cm -1 or less . BET法により求めた比表面積が100m/g以下である請求項1に記載の炭素質材料。 2. The carbonaceous material according to claim 1, which has a specific surface area, as determined by the BET method, of 100 m 2 /g or less. 平均粒子径D50が30μm以下である、請求項1または2に記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to claim 1 or 2 , having an average particle size D50 of 30 μm or less. 広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される炭素面間隔d 002 が3.75Å以上である、請求項1~のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the carbon interplanar spacing d002 calculated using the Bragg equation by wide-angle X-ray diffraction is 3.75 Å or more. 糖類骨格を有する物質に由来する、請求項1~のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 4 , which is derived from a substance having a saccharide skeleton. 請求項1~のいずれかに記載の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。 A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising the carbonaceous material according to any one of claims 1 to 5 . 請求項に記載の非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary batteries according to claim 6 .
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