JP7539554B2 - Method for producing carbon precursor for non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池用炭素前駆体の製造方法及び非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法に関する。The present invention relates to a method for producing a carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、環境問題への関心の高まりから、電気自動車等の電動車(xEV)の開発が進んでいる。車載用二次電池には、エネルギー密度が高い優れた大型二次電池としてリチウムイオン二次電池が使用され、その負極材料として炭素質材料が使用され、さらなる高容量化が期待されている。In recent years, growing concern about environmental issues has led to the development of electric vehicles (xEVs). Lithium-ion secondary batteries are used as in-vehicle secondary batteries, which are large, superior secondary batteries with high energy density. Carbonaceous materials are used as the negative electrode material, and further increases in capacity are expected.
従来、リチウムイオン二次電池用負極材料の炭素質材料を得るため、アルカリ金属化合物を添着した炭素前駆体を用いて当該炭素質材料を製造する方法が提案されている。炭素前駆体に対してアルカリ金属化合物を均一に添着させる場合、炭素前駆体にアルカリ金属化合物を含む水溶液(以下、「アルカリ水溶液」という。)を添加して、アルカリ金属化合物を添着させた炭素前駆体(以下、「アルカリ添着炭素前駆体」という。)を調製する。得られた当該アルカリ添着炭素前駆体に含まれる水分は除去されることが望ましい。水分が多く存在すると、スラリー化した状態から水分が蒸発するので、粒子が凝集した塊状の被処理物を形成し易い。そのため、得られたアルカリ添着炭素前駆体を解砕処理或いは粉砕処理を施す必要が生じる恐れがあり、好ましくない。Conventionally, in order to obtain a carbonaceous material for a negative electrode material for lithium ion secondary batteries, a method for producing the carbonaceous material using a carbon precursor impregnated with an alkali metal compound has been proposed. When the alkali metal compound is uniformly impregnated to the carbon precursor, an aqueous solution containing an alkali metal compound (hereinafter referred to as an "alkali aqueous solution") is added to the carbon precursor to prepare a carbon precursor impregnated with the alkali metal compound (hereinafter referred to as an "alkali impregnated carbon precursor"). It is desirable to remove the moisture contained in the obtained alkali impregnated carbon precursor. If a large amount of moisture is present, the moisture evaporates from the slurried state, and the particles tend to aggregate to form a mass-like processed material. Therefore, it may be necessary to subject the obtained alkali impregnated carbon precursor to a crushing process or a pulverization process, which is not preferable.
例えば、特許文献1には、炭素質前駆体に、アルカリ金属元素を含む化合物を添加し、アルカリ添着炭素質前駆体を得るアルカリ添着工程を含む、非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法が開示されている。その実施例3には、平均粒子径が20~25μmの粉砕炭素前駆体を窒素雰囲気で水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液に含浸させた後、減圧加熱脱水することによってNaOHを添着した粉砕炭素質前駆体を得たことが記載されている(段落[0065])。さらに、アルカリ金属化合物の添着に水溶液を用いると、アルカリ金属添着炭素前駆体が塊状になることがあり、焼成前に解砕することが好ましい旨記載されている(段落[0028])。For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a carbonaceous material for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery, which includes an alkali impregnation step in which a compound containing an alkali metal element is added to a carbonaceous precursor to obtain an alkali-impregnated carbonaceous precursor. Example 3 of the patent describes how a pulverized carbon precursor having an average particle size of 20 to 25 μm is impregnated with an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) in a nitrogen atmosphere, and then dehydrated by heating under reduced pressure to obtain a pulverized carbonaceous precursor impregnated with NaOH (paragraph [0065]). Furthermore, it describes how when an aqueous solution is used to impregnate the alkali metal compound, the alkali metal-impregnated carbon precursor may become lumpy, and thus it is preferable to disintegrate the carbon precursor before firing (paragraph [0028]).
特許文献2には、炭素材前駆体の表面にアルカリ金属含有化合物を担持させてアルカリ金属担持前駆体を得る工程を含む、炭素材の製造方法が開示されている。その実施例1には、平均粒子径が20μmの炭素材前駆体100部を、水100部に対して水酸化ナトリウム水溶液6部を溶解させたアルカリ水溶液に1時間浸漬し、その後、真空脱水装置を用いて水分のみを除去してアルカリ金属担持前駆体を得たことが記載されている(段落[0043])。
特許文献3には、平均粒子径7~12μmの椰子殻粉砕チャーを、椰子殻粉砕チャーの質量に基づき10質量%のNaOHを椰子殻粉砕チャーの質量に基づき200質量%の水に溶解させた水溶液と混合し、30分間超音波照射をして溶液をチャーに浸透させた後に、1Torrの減圧下で80℃、8時間減圧乾燥し、アルカリ添着チャーを得たことが記載されている(段落[0093])。
従来、特許文献1~3に示されるように、アルカリ添着炭素前駆体の製造方法において、アルカリ水溶液と炭素前駆体とを混合し、スラリー化した状態で当該混合物の水分を蒸発させてアルカリ添着炭素前駆体を調製している。しかし、このような製造方法によって得られたアルカリ添着炭素前駆体は、粒子が凝集して塊状の形態を呈する。そのため、アルカリ添着炭素前駆体を焼成して炭素質材料を製造する場合、前記焼成の前或いは前記焼成の後において、前記アルカリ添着炭素前駆体に解砕または微粉砕などの処理を施して、電池用負極材料に適した粒子サイズの原料にする必要がある。焼成後に微粉砕すると、その衝撃で細孔構造が破壊される恐れがあるので好ましくない。Conventionally, as shown in Patent Documents 1 to 3, in the method for producing an alkali-impregnated carbon precursor, an alkali aqueous solution and a carbon precursor are mixed, and the water in the mixture is evaporated in a slurried state to prepare an alkali-impregnated carbon precursor. However, the alkali-impregnated carbon precursor obtained by such a production method has a lump-like form due to particle aggregation. Therefore, when producing a carbonaceous material by calcining an alkali-impregnated carbon precursor, it is necessary to subject the alkali-impregnated carbon precursor to a process such as crushing or fine grinding before or after the calcination to obtain a raw material with a particle size suitable for a battery negative electrode material. Fine grinding after calcination is not preferable because the pore structure may be destroyed by the impact.
アルカリ添着炭素前駆体は強アルカリ性を呈するため、これを解砕または粉砕すると、アルカリ添着炭素前駆体の微粉が周囲に飛散して、作業環境を悪化させる危険性がある。また、アルカリ水溶液と炭素前駆体との混合物をスラリー化させてアルカリ添着処理を行う場合、混合物の水分を除去させる過程においてスラリーの粘度が上昇するため、混合が困難になる恐れがある。 Because the alkali-impregnated carbon precursor is strongly alkaline, when it is crushed or pulverized, fine powder of the alkali-impregnated carbon precursor scatters into the surroundings, which may worsen the working environment. In addition, when the alkali impregnation process is carried out by forming a slurry from a mixture of an aqueous alkali solution and a carbon precursor, the viscosity of the slurry increases during the process of removing the water from the mixture, which may make mixing difficult.
以上のことから、アルカリ水溶液と炭素前駆体とを混合してアルカリ添着処理を行う場合、粒子の凝集を抑制しつつ、アルカリ添着炭素前駆体を効率的に製造する方法が望まれる。 For these reasons, when an alkaline aqueous solution is mixed with a carbon precursor to perform an alkali impregnation process, a method is desired for efficiently producing an alkali-impregnated carbon precursor while suppressing particle aggregation.
本発明は、炭素前駆体にアルカリ水溶液を添加するとともに、アルカリ添着炭素前駆体の粒子同士が接着して塊になることを抑制しつつ、効率的に製造できる方法を提供することを目的とする。The present invention aims to provide a method for efficiently producing a carbon precursor by adding an alkaline aqueous solution to the carbon precursor while preventing particles of the alkali-added carbon precursor from adhering to each other and forming agglomerates.
本発明者らは、反応容器の中の炭素前駆体に対して、撹拌及び加熱を行い、さらにアルカリ水溶液を添加し、当該炭素前駆体がスラリー状態を実質的に経由しないでアルカリ添着処理を施すことにより、粒子同士が接着して塊になることを抑制しつつ、効率的にアルカリ添着炭素前駆体を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、下記(1)~(8)の態様を包含する。The inventors discovered that by stirring and heating the carbon precursor in a reaction vessel, and then adding an aqueous alkali solution, and subjecting the carbon precursor to an alkali impregnation process without essentially passing through a slurry state, it is possible to efficiently produce an alkali-impregnated carbon precursor while preventing particles from adhering to each other and forming lumps, and thus completed the present invention. Specifically, the present invention includes the following aspects (1) to (8).
(1)反応容器内の炭素前駆体を撹拌するとともに加熱すること、撹拌されている前記炭素前駆体へ、アルカリ金属化合物を含むアルカリ水溶液を添加するとともに、前記アルカリ水溶液中の水分を除去して、前記炭素前駆体に前記アルカリ金属化合物が添着されたアルカリ添着炭素前駆体を得ること、を含み、
前記反応容器内における前記アルカリ添着炭素前駆体の含水率が20質量%以下であり、当該含水率は、前記アルカリ水溶液の添加総量のうち80質量%の分量を添加した時点における含水率である、非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。
(1) A method for producing an alkali-impregnated carbon precursor comprising: stirring and heating a carbon precursor in a reaction vessel; adding an alkaline aqueous solution containing an alkali metal compound to the stirred carbon precursor; and removing moisture from the alkaline aqueous solution to obtain an alkali-impregnated carbon precursor in which the alkali metal compound is impregnated into the carbon precursor;
a water content of the alkali-impregnated carbon precursor in the reaction vessel is 20 mass% or less, the water content being a water content at a time point when 80 mass% of a total amount of the alkaline aqueous solution has been added.
(2)前記アルカリ水溶液は、前記アルカリ金属化合物の濃度が40質量%以下である、上記(1)記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。(2) The method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery described in (1) above, wherein the alkaline aqueous solution has a concentration of the alkali metal compound of 40 mass% or less.
(3)前記撹拌されている前記炭素前駆体の粒子層内の平均温度が70~125℃である、上記(1)又は(2)に記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。(3) A method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery described in (1) or (2) above, in which the average temperature within the stirred particle layer of the carbon precursor is 70 to 125°C.
(4)前記撹拌されている前記炭素前駆体1kg当たり前記アルカリ水溶液中の水分が添加される水分添加速度(kg/h/kg-C)は、0.1以上、10.0以下である、上記(1)~(3)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。(4) A method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery described in any one of (1) to (3) above, wherein the water addition rate (kg/h/kg-C) at which water in the alkaline aqueous solution is added per 1 kg of the stirred carbon precursor is 0.1 or more and 10.0 or less.
(5)前記反応容器は、前記炭素前駆体を前記反応容器の中へ入れる供給口と、前記アルカリ添着炭素前駆体を前記反応容器の外へ取り出す排出口と、前記炭素前駆体を加熱する加熱手段と、前記炭素前駆体を撹拌する撹拌手段と、前記炭素前駆体へ前記アルカリ水溶液を添加する添加手段とを備えている、上記(1)~(4)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。(5) A method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (1) to (4) above, wherein the reaction vessel is provided with a supply port for introducing the carbon precursor into the reaction vessel, a discharge port for removing the alkali-impregnated carbon precursor from the reaction vessel, a heating means for heating the carbon precursor, a stirring means for stirring the carbon precursor, and an adding means for adding the alkaline aqueous solution to the carbon precursor.
(6)前記炭素前駆体は、石油系ピッチ若しくは石炭系ピッチ又はその混合物に由来するものである、上記(1)~(5)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。(6) A method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery described in any one of (1) to (5) above, wherein the carbon precursor is derived from petroleum-based pitch or coal-based pitch or a mixture thereof.
(7)前記アルカリ添着炭素前駆体は、累積90体積%に相当する粒子径DV90が150μm以下である、上記(1)~(6)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。 (7) The method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (1) to (6), wherein the alkali-impregnated carbon precursor has a particle diameter DV90 corresponding to a cumulative 90% by volume of 150 μm or less.
(8)上記(1)~(7)のいずれかに記載のアルカリ添着炭素前駆体を用いて、不活性雰囲気下の800℃~1500℃で熱処理を行い、炭素質材料を製造する、非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。(8) A method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising heat treating an alkali-impregnated carbon precursor described in any one of (1) to (7) above at 800°C to 1500°C in an inert atmosphere to produce a carbonaceous material.
本発明によれば、炭素前駆体にアルカリ水溶液を均一に添加及び混合して、非水電解質二次電池用炭素質材料のためのアルカリ添着炭素前駆体を効率的に製造することができる。本発明の製造方法によって得られたアルカリ添着炭素前駆体は、非水電解質二次電池における負極用炭素質材料を調製するための原料として使用することができる。本発明により得られたアルカリ添着炭素前駆体は、実質的に粒子状なので、その後に解砕または粉砕しなくてもよい、あるいは、解砕または粉砕する程度が小さいことから、作業効率の向上や作業環境の改善において有用な効果が得られる。According to the present invention, an alkali-impregnated carbon precursor for a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery can be efficiently produced by uniformly adding and mixing an alkaline aqueous solution to a carbon precursor. The alkali-impregnated carbon precursor obtained by the production method of the present invention can be used as a raw material for preparing a carbonaceous material for a negative electrode in a non-aqueous electrolyte secondary battery. Since the alkali-impregnated carbon precursor obtained by the present invention is substantially particulate, there is no need to subsequently disintegrate or grind the carbon precursor, or the degree of disintegration or grinding is small, which provides useful effects in improving work efficiency and the work environment.
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、本明細書において、「X~Y」(X、Yは任意の数値)との表記は、「X以上Y以下」の意味である。 The following is a detailed description of an embodiment of the present invention. The present invention is not limited to the following embodiment, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention. In this specification, the expression "X to Y" (X and Y are arbitrary numbers) means "X or more and Y or less."
<アルカリ添着炭素前駆体の製造方法>
本実施形態は、非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体を製造する方法であり、その特徴は、次の事項を含むことである。
反応容器内の炭素前駆体を加熱するとともに撹拌すること。
撹拌されている前記炭素前駆体へ、アルカリ金属化合物を含むアルカリ水溶液を添加して、前記炭素前駆体にアルカリ金属が添着されたアルカリ添着炭素前駆体を得ること。
前記反応容器内における前記アルカリ添着炭素前駆体の含水率が20質量%以下であり、当該含水率は、前記アルカリ水溶液の添加総量のうち80質量%の分量を添加した時点における含水率であること。
<Method for producing alkali-impregnated carbon precursor>
The present embodiment is a method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and its features include the following.
Heating and stirring the carbon precursor in the reaction vessel.
An alkali aqueous solution containing an alkali metal compound is added to the carbon precursor while being stirred to obtain an alkali-impregnated carbon precursor in which the alkali metal is impregnated into the carbon precursor.
The water content of the alkali-impregnated carbon precursor in the reaction vessel is 20 mass % or less, and this water content is the water content at the time when 80 mass % of the total amount of the alkaline aqueous solution has been added.
<炭素前駆体>
本実施形態は、炭素前駆体にアルカリ添着処理を施して非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体を製造する方法である。アルカリ添着処理が施される炭素前駆体は、粒子状の形態を有するものが好ましい。
<Carbon Precursor>
The present embodiment is a method for producing an alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery by subjecting a carbon precursor to an alkali impregnation treatment. The carbon precursor to be subjected to the alkali impregnation treatment is preferably one having a particulate form.
また、炭素前駆体は、酸化処理などによる架橋処理を施して不融化させた炭素前駆体を使用してもよい。不融化させるための架橋処理としては、例えば、架橋剤を使用する方法、または空気などの酸化剤で処理する方法を挙げることができる。 The carbon precursor may be one that has been made infusible by a crosslinking treatment such as an oxidation treatment. Examples of crosslinking treatments for making the carbon precursor infusible include a method using a crosslinking agent or a method of treating the carbon precursor with an oxidizing agent such as air.
炭素前駆体は、反応容器の中に入れられて、撹拌されるとともに加熱される。なお、本明細書においては、当該炭素前駆体粒子が反応容器内に充填された形態を「粒子層」ということもある。The carbon precursor is placed in a reaction vessel and stirred and heated. In this specification, the state in which the carbon precursor particles are filled in the reaction vessel is sometimes referred to as a "particle layer."
炭素前駆体における炭素源は、特に限定されない。例えば、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、熱可塑性樹脂(例えば、ケトン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、スチレン/ジビニルベンゼン共重合体、アクリロニトリル/スチレン/ジビニルベンゼン共重合体、ポリアミドイミド、アラミド樹脂)、熱硬化性樹脂(例えば、ユリア樹脂、ポリイミドナイロン樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂及びアミド樹脂)、又はこれらの混合物を挙げることができる。The carbon source in the carbon precursor is not particularly limited. For example, petroleum pitch, coal pitch, thermoplastic resin (e.g., ketone resin, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, styrene/divinylbenzene copolymer, acrylonitrile/styrene/divinylbenzene copolymer, polyamideimide, aramid resin), thermosetting resin (e.g., urea resin, polyimide nylon resin, furan resin, phenolic resin, amino resin, and amide resin), or a mixture thereof can be mentioned.
炭素前駆体の形態や大きさは、特に限定されない。アルカリ水溶液の添加時における炭素前駆体の形態は、粒子状であることが好ましい。当該粒子状は、粉体状と同じ形態を意味する。平均粒子径DV50は、大きすぎると、炭素前駆体の粒子の内部までアルカリ金属化合物を浸透させることが困難になるので好ましくない。そのため、当該平均粒子径は、50μm以下が好ましく、より好ましくは30μm以下が好ましく、さらに好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下である。一方、当該平均粒子径は、小さすぎると、炭素前駆体の粒子の集合体(粉体)が嵩高くなり、取扱いが困難になるので好ましくない。平均粒子径は、0.1μm以上が好ましく、さらに好ましくは1μm以上である。ここで、平均粒子径DV50は、粒子の全体積を100%として、小粒子径から大粒子径へ累積曲線を求めたとき、累積50%となる点の粒子径を意味する。 The shape and size of the carbon precursor are not particularly limited. The shape of the carbon precursor when the alkaline aqueous solution is added is preferably particulate. The particulate shape means the same shape as the powder shape. If the average particle diameter D V50 is too large, it is difficult to penetrate the alkali metal compound into the inside of the carbon precursor particles, which is not preferable. Therefore, the average particle diameter is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, even more preferably 20 μm or less, and particularly preferably 10 μm or less. On the other hand, if the average particle diameter is too small, the aggregate (powder) of the carbon precursor particles becomes bulky and difficult to handle, which is not preferable. The average particle diameter is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 1 μm or more. Here, the average particle diameter D V50 means the particle diameter at the point where the cumulative volume is 50% when a cumulative curve is obtained from the small particle diameter to the large particle diameter, with the total volume of the particles being 100%.
炭素前駆体を粒子とする方法としては、公知の粒子製造方法を使用することができる。例えば、高分子の重合過程で粒子状とする方法、熱可塑性の炭素前駆体を液中分散し、液滴とすることで粒子状とする方法、石油系又は石炭系のピッチ等の炭素前駆体を破砕し、所定の平均粒子径DV50の範囲のピッチ粒子とする方法が挙げられる。破砕に用いる粉砕機は、特に限定されるものではない。例えば、ジェットミル、ロッドミル、振動ボールミル、又はハンマーミルを用いることができる。 A known particle manufacturing method can be used to turn the carbon precursor into particles. For example, there is a method of turning the carbon precursor into particles during the polymerization process of a polymer, a method of turning a thermoplastic carbon precursor into particles by dispersing the precursor in a liquid and forming droplets, and a method of crushing a carbon precursor such as a petroleum-based or coal-based pitch to turn it into pitch particles having a predetermined average particle diameter D V50 range. The pulverizer used for crushing is not particularly limited. For example, a jet mill, a rod mill, a vibrating ball mill, or a hammer mill can be used.
<反応容器の形状>
本実施形態に係る製造方法における反応容器の形状は、円筒状、円錐状、球状などの形状を有するものであればよい。回転する撹拌手段によって容器内の粒子を混合させることから、炭素前駆体の混合性及び撹拌手段の撹拌効率を高める観点で、容器の内面に曲面を有する構造が好ましい。例えば、円筒状または円錐状の反応容器の場合、その内面は、曲面状の側面と、平面状の底面とより構成されている。球状の反応容器の場合、曲面状の内面によって構成されている。炭素前駆体が曲面に沿って流動するので、炭素前駆体の滞留が抑制される。
<Reaction vessel shape>
The shape of the reaction vessel in the manufacturing method according to this embodiment may be cylindrical, conical, spherical, or the like. Since the particles in the vessel are mixed by the rotating stirring means, a structure having a curved surface on the inner surface of the vessel is preferable from the viewpoint of increasing the mixability of the carbon precursor and the stirring efficiency of the stirring means. For example, in the case of a cylindrical or conical reaction vessel, the inner surface is composed of a curved side surface and a flat bottom surface. In the case of a spherical reaction vessel, it is composed of a curved inner surface. Since the carbon precursor flows along the curved surface, the retention of the carbon precursor is suppressed.
<撹拌及び加熱>
本実施形態に係る製造方法は、後述する炭素前駆体全体にアルカリ金属化合物を添着し、前記添着過程の炭素前駆体中の水分除去を効率的に進行させるため、反応容器内の炭素前駆体を撹拌するとともに加熱することが好ましい。その際、前記の撹拌及び加熱処理により、アルカリ添着炭素前駆体の水分が除去され、アルカリ添着炭素前駆体の含水率が低減することにより反応容器内の粒子層のスラリー化を防ぐことができる。水分を蒸発させて除去する態様については、「水分を留去する」ということもある。
<Stirring and Heating>
In the manufacturing method according to this embodiment, an alkali metal compound is impregnated into the entire carbon precursor described below, and in order to efficiently remove moisture from the carbon precursor during the impregnation process, it is preferable to stir and heat the carbon precursor in the reaction vessel. At that time, the stirring and heating process removes moisture from the alkali-impregnated carbon precursor, and the moisture content of the alkali-impregnated carbon precursor is reduced, thereby preventing the particle layer in the reaction vessel from becoming a slurry. The aspect of removing moisture by evaporation is sometimes referred to as "distilling off moisture."
炭素前駆体を撹拌する方法としては、所定形状の撹拌翼を回転させる撹拌手段を適用できる。撹拌翼の設置位置や回転速度等の撹拌条件については、炭素前駆体の種類や処理量に応じて適宜に設定することができる。 A method for stirring the carbon precursor can be applied that rotates a stirring blade of a specified shape. The stirring conditions, such as the installation position of the stirring blade and the rotation speed, can be set appropriately depending on the type of carbon precursor and the processing amount.
<アルカリ添着処理>
本実施形態に係る製造方法は、反応容器内で撹拌及び加熱されている前記炭素前駆体へ、アルカリ水溶液を添加し、アルカリ添着を行うとともに水分除去を行うことを特徴とする。このようなアルカリ添着及び水分除去を一緒に行うアルカリ添着処理により、炭素前駆体にアルカリ金属が均一に添着された微粒子状のアルカリ添着炭素前駆体を得ることができる。
<Alkaline impregnation treatment>
The production method according to the present embodiment is characterized in that an aqueous alkali solution is added to the carbon precursor being stirred and heated in a reaction vessel, thereby carrying out alkali impregnation and moisture removal. By carrying out such an alkali impregnation process in which alkali impregnation and moisture removal are carried out together, it is possible to obtain a particulate alkali-impregnated carbon precursor in which an alkali metal is uniformly impregnated in the carbon precursor.
<アルカリ金属化合物>
本実施形態に係るアルカリ金属化合物は、アルカリ金属元素を含む化合物を意味する。アルカリ添着処理で使用されるアルカリ金属化合物に含まれるアルカリ金属元素については、リチウム、ナトリウム、又はカリウムなどのアルカリ金属元素を用いることができる。アルカリ金属元素としては、ナトリウムが好ましい。ナトリウムを用いることによって、高い充放電容量を示す炭素質材料を製造するための炭素前駆体を得ることができる。
<Alkali metal compounds>
The alkali metal compound according to the present embodiment means a compound containing an alkali metal element. The alkali metal element contained in the alkali metal compound used in the alkali impregnation treatment may be an alkali metal element such as lithium, sodium, or potassium. As the alkali metal element, sodium is preferred. By using sodium, a carbon precursor for producing a carbonaceous material exhibiting a high charge/discharge capacity can be obtained.
アルカリ金属化合物の種類については、水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、又はハロゲン化合物などを使用することができる。浸透性が高く、炭素質前駆体粒子に均一に含浸できる観点で、水酸化物、又は炭酸塩が好ましく、水に対する溶解度が高いので、特に水酸化物が好ましい。なお、アルカリ金属を水に添加すれば、アルカリ金属の水酸化物が得られる。As for the type of alkali metal compound, hydroxides, carbonates, hydrogen carbonates, halogen compounds, etc. can be used. Hydroxides or carbonates are preferred from the viewpoint of high permeability and ability to uniformly impregnate the carbonaceous precursor particles, and hydroxides are particularly preferred due to their high solubility in water. By adding an alkali metal to water, a hydroxide of the alkali metal can be obtained.
<含水率>
本実施形態に係る製造方法は、アルカリ添着処理において、反応容器内におけるアルカリ添着炭素前駆体の含水率が20質量%以下であることが好ましい。ここで、当該含水率は、アルカリ水溶液の添加総量のうち80質量%の分量を添加した時点における含水率である。当該含水率は、アルカリ添着処理の途中で、アルカリ水溶液の添加総量のうち80質量%の分量を添加した時点のアルカリ添着炭素前駆体を採取して測定された含水率に相当する。
<Moisture content>
In the manufacturing method according to the present embodiment, the moisture content of the alkali-impregnated carbon precursor in the reaction vessel is preferably 20 mass% or less in the alkali impregnation treatment. Here, the moisture content is the moisture content at the time when 80 mass% of the total amount of the added alkaline aqueous solution has been added. The moisture content corresponds to the moisture content measured by sampling the alkali-impregnated carbon precursor during the alkali impregnation treatment at the time when 80 mass% of the total amount of the added alkaline aqueous solution has been added.
本実施形態に係る製造方法は、炭素前駆体にアルカリ水溶液を添加してアルカリ添着処理を行う。その際、反応容器内の粒子層がスラリー化することを防ぐため、粒子層に添加されたアルカリ水溶液中の水分を除去することが好ましい。反応容器内におけるアルカリ添着炭素前駆体の含水率が低いほど、スラリー化が抑制される。当該含水率が20質量%以下であれば、実質的にスラリー化しない状態でアルカリ添着処理を行うことができるので、得られたアルカリ添着炭素前駆体は、塊状の形態でなく、処理前の粒子状の形態が維持される。これを焼成して炭素質材料を製造する場合、予め解砕や微粉砕などの粉砕処理を施す必要がない。あるいは、粉砕するとしても軽度な粉砕処理で足りる。そのため、作業効率の向上の点で有用である。さらに、粉砕処理した後に周囲に粉末が飛散する恐れがなく、作業環境の悪化を避けることができる。この観点から、当該含水率は、20質量%以下であることが好ましく、16質量%以下がより好ましく、10質量%がさらに好ましい。他方で、含水率が少なすぎると、添加されたアルカリ水溶液が添着されずに排出される割合が増加するので好ましくない。この観点から、当該含水率は、3質量%以上であることが好ましく、5質量%以上がより好ましく、7%以上がさらに好ましい。In the manufacturing method according to the present embodiment, an alkali impregnation process is performed by adding an alkaline aqueous solution to the carbon precursor. In this case, in order to prevent the particle layer in the reaction vessel from becoming a slurry, it is preferable to remove the moisture in the alkaline aqueous solution added to the particle layer. The lower the moisture content of the alkali impregnated carbon precursor in the reaction vessel, the more the slurrying is suppressed. If the moisture content is 20% by mass or less, the alkali impregnation process can be performed in a state where the slurrying is not substantially performed, so that the obtained alkali impregnated carbon precursor maintains its particulate form before the process, not in a lump form. When this is fired to produce a carbonaceous material, there is no need to perform a crushing process such as crushing or fine grinding in advance. Alternatively, even if crushing is performed, a mild crushing process is sufficient. Therefore, it is useful in terms of improving work efficiency. Furthermore, there is no risk of powder scattering around after the crushing process, and deterioration of the work environment can be avoided. From this viewpoint, the moisture content is preferably 20% by mass or less, more preferably 16% by mass or less, and even more preferably 10% by mass. On the other hand, if the water content is too low, the proportion of the added alkaline aqueous solution that is discharged without being impregnated increases, which is undesirable. From this viewpoint, the water content is preferably 3% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and even more preferably 7% by mass or more.
含水率の測定については、アルカリ添着処理の途中で、反応容器内のアルカリ添着炭素前駆体を採取し、その質量と乾燥質量との差異に基づいて算出することができる。The moisture content can be measured by sampling the alkali-impregnated carbon precursor in the reaction vessel during the alkali impregnation process and calculating based on the difference between its mass and the dry mass.
<アルカリ水溶液>
アルカリ水溶液の濃度が過度に高くなると、液量が減少し、炭素前駆体とアルカリ金属化合物との混合状態が不均一になる恐れがある。そのため、アルカリ水溶液中のアルカリ金属化合物濃度は、40質量%以下であることが好ましく、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは10質量%である。アルカリ水溶液の濃度が低すぎると、アルカリ添着処理において水分を揮発させるのに多くのエネルギーが必要であり、添着時間が長くなり、処理時間や処理コストの点で不利になる。そのため、アルカリ水溶液のアルカリ金属化合物濃度は、0.1%以上であることが好ましく、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1.0質量%以上である。
<Alkaline aqueous solution>
If the concentration of the alkaline aqueous solution is excessively high, the amount of the liquid decreases, and the mixed state of the carbon precursor and the alkali metal compound may become non-uniform. Therefore, the concentration of the alkali metal compound in the alkaline aqueous solution is preferably 40 mass% or less, more preferably 20 mass% or less, and even more preferably 10 mass%. If the concentration of the alkaline aqueous solution is too low, a lot of energy is required to volatilize water in the alkali impregnation treatment, and the impregnation time becomes long, which is disadvantageous in terms of treatment time and treatment cost. Therefore, the concentration of the alkali metal compound in the alkaline aqueous solution is preferably 0.1% or more, more preferably 0.5 mass% or more, and even more preferably 1.0 mass% or more.
<粒子層内の平均温度>
本実施形態に係る製造方法は、アルカリ水溶液の添加中に撹拌されている炭素前駆体の粒子層内の平均温度として、70~130℃を採用することができる。本明細書では、「粒子層内」を単に「層内」と記載し、層内温度の平均温度を「層内平均温度」と記載することもある。層内の平均温度が70℃未満であると、撹拌されている前記炭素前駆体に含まれる水分の蒸発が不十分でスラリー化する恐れがある。層内平均温度はより好ましくは80℃以上、さらに好ましくは90℃以上である。他方、層内平均温度が130℃を超えると、炭素前駆体の表面に到着する前に、アルカリ水溶液が蒸発したり、或いは、炭素前駆体から蒸発する水分の気流により系外に一部が排気されたりして、所定の添着量が得られ難くなる。その観点から、層内平均温度は、130℃以下であると良く、125℃以下がより好ましく、110℃以下がさらに好ましい。
<Average temperature in particle layer>
In the manufacturing method according to the present embodiment, the average temperature in the particle layer of the carbon precursor being stirred during the addition of the alkaline aqueous solution can be 70 to 130°C. In this specification, "in the particle layer" is simply described as "in the layer", and the average temperature in the layer may be described as "average temperature in the layer". If the average temperature in the layer is less than 70°C, the evaporation of the water contained in the stirred carbon precursor may be insufficient, resulting in slurrying. The average temperature in the layer is more preferably 80°C or higher, and even more preferably 90°C or higher. On the other hand, if the average temperature in the layer exceeds 130°C, the alkaline aqueous solution may evaporate before arriving at the surface of the carbon precursor, or a part of the water may be exhausted outside the system by the airflow of the water evaporating from the carbon precursor, making it difficult to obtain a predetermined amount of impregnation. From this viewpoint, the average temperature in the layer is preferably 130°C or lower, more preferably 125°C or lower, and even more preferably 110°C or lower.
<水分の添加速度>
本実施形態に係る製造方法において、炭素前駆体にアルカリ水溶液が添加されるので、撹拌されている炭素前駆体にはアルカリ水溶液中の水分が添加される。当該炭素前駆体1kg当たり、アルカリ水溶液中の水分が添加される水分添加速度(kg/h)は、0.1以上、10.0以下であることが好ましい。本明細書では、撹拌されている炭素前駆体にアルカリ水溶液中の水分が添加される速度を「水分添加速度」という。当該水分添加速度は、以下の式を用いて算出することができる。当該式の単位(kg/h/kg-C)における「kg-C」は、炭素前駆体1kg当たりを意味する。
<Moisture addition rate>
In the production method according to this embodiment, the alkaline aqueous solution is added to the carbon precursor, and thus the moisture in the alkaline aqueous solution is added to the carbon precursor being stirred. The moisture addition rate (kg/h) at which the moisture in the alkaline aqueous solution is added per 1 kg of the carbon precursor is preferably 0.1 or more and 10.0 or less. In this specification, the rate at which the moisture in the alkaline aqueous solution is added to the carbon precursor being stirred is referred to as the "moisture addition rate". The moisture addition rate can be calculated using the following formula. In the unit (kg/h/kg-C) in the formula, "kg-C" means per 1 kg of the carbon precursor.
炭素前駆体の1kg当たりで、水分添加速度(kg/h/kg-C)が0.1未満であると、系外に排出される割合が増加し、添着効率が低下するので好ましくない。そのため、水分添加速度(kg/h/k-C)は、炭素前駆体の1kg当たりで、0.1以上、より好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.3超である。他方、炭素前駆体の1kg当たりで、水分添加速度(kg/h/kg-C)が10.0を超えると、炭素前駆体に添着する水分量が増加し、炭素前駆体がスラリー化する恐れがあるので好ましくない。そのため、水分添加速度は、5.0以下がより好ましく、さらに好ましくは3.0以下である。If the water addition rate (kg/h/kg-C) is less than 0.1 per kg of carbon precursor, the proportion of water discharged outside the system increases and the impregnation efficiency decreases, which is not preferred. Therefore, the water addition rate (kg/h/k-C) is 0.1 or more per kg of carbon precursor, more preferably 0.2 or more, and even more preferably more than 0.3. On the other hand, if the water addition rate (kg/h/kg-C) is more than 10.0 per kg of carbon precursor, the amount of water impregnated into the carbon precursor increases, and the carbon precursor may become a slurry, which is not preferred. Therefore, the water addition rate is more preferably 5.0 or less, and even more preferably 3.0 or less.
<反応容器の設備>
本実施形態に係る製造方法は、炭素前駆体にアルカリ添着処理を施すため、次の各設備を備えた反応容器を使用することが好ましい。すなわち、反応容器は、炭素前駆体を反応容器の中へ入れる供給口と、アルカリ添着炭素前駆体を反応容器の外へ取り出す排出口と、炭素前駆体を加熱する加熱装置と、炭素前駆体を撹拌する撹拌装置と、炭素前駆体へ前記アルカリ水溶液を添加する添加装置とを備えている。
<Reaction vessel equipment>
In the production method according to this embodiment, in order to subject the carbon precursor to an alkali impregnation treatment, it is preferable to use a reaction vessel equipped with the following equipment: That is, the reaction vessel is equipped with a supply port for introducing the carbon precursor into the reaction vessel, a discharge port for removing the alkali-impregnated carbon precursor from the reaction vessel, a heating device for heating the carbon precursor, a stirring device for stirring the carbon precursor, and an adding device for adding the alkaline aqueous solution to the carbon precursor.
本実施形態に係る製造方法を使用される製造装置の一例を図1に模式的に示す。図1の製造装置は、反応容器1と、撹拌機30と、炭素前駆体の供給口7と、アルカリ添着炭素前駆体の排出口8と、ガス導入口10とを備えている。炭素前駆体13は、供給口7の上蓋6を開けて反応容器1へ供給され、反応容器1の中に充填される。当該炭素前駆体13に所定のアルカリ添着処理が施された後、アルカリ添着炭素前駆体は、前記排出口8を通して排出される。アルカリ添着炭素前駆体の排出に際しては、例えば、反応容器1の側壁4と排出口8との間に設置された仕切り(図示しない。)を開けた後、撹拌翼32をゆっくり回転させることによりアルカリ添着炭素前駆体を排出することができる。反応容器1の内面に付着したアルカリ添着炭素前駆体は、上蓋6を開放して回収することができる。また、反応容器1内の炭素前駆体13の状態は、上蓋6に設けられた観察窓9を通して確認することができる。
An example of a manufacturing apparatus using the manufacturing method according to this embodiment is shown in FIG. 1. The manufacturing apparatus in FIG. 1 includes a reaction vessel 1, a
前記撹拌機30は、回転軸31と、回転軸に装着された撹拌翼32と、回転軸を駆動するモーター33とを有しており、反応容器の中に装入された炭素前駆体13を撹拌して混合する手段である。撹拌翼32の回転により撹拌流36が形成されて炭素前駆体13が撹拌される。The
<反応容器内の雰囲気>
反応容器内の炭素前駆体の撹拌効率を向上させ、添着時の水分を効率良く排出するためには、反応容器1内へ置換ガス12を導入することが好ましい。反応容器1における置換ガス12の導入箇所は、特に限定されない。アルカリ添着処理される粒子層内をガスが均一に流れるという観点で、ガス導入口10を反応容器1の底壁5に設けて、置換ガス12を反応容器1の底面3から導入することが好ましい。ガス導入口10を複数個所に設置してもよい。置換ガスの圧力は、ガス導入経路に設けられた1つ以上のガス圧力計11によって監視して調整される。
<Atmosphere inside reaction vessel>
In order to improve the stirring efficiency of the carbon precursor in the reaction vessel and efficiently discharge the moisture during impregnation, it is preferable to introduce a
置換ガスの種類に関して、酸化性ガスは、アルカリ添着炭素前駆体を酸化させる恐れがあり、また、アルカリ金属化合物が酸化性ガスを吸収して変質する恐れがあるので、好ましくない。そのため、非酸化性ガスが好ましく、窒素ガスや希ガスなどを単独、或いは混合して使用してもよい。置換ガスの導入流量が大きすぎると、添加されたアルカリ水溶液を反応容器の外へ直接排出する恐れがあるので好ましくない。また、置換ガスの導入流量が少なすぎると、雰囲気を置換させる効果が低減するので好ましくない。これらの事項を考慮して、炭素前駆体の投入量やアルカリ水溶液の添加量などの処理条件に応じて、置換ガス量を適宜に選択することができる。Regarding the type of replacement gas, an oxidizing gas is not preferred because it may oxidize the alkali-impregnated carbon precursor and the alkali metal compound may absorb the oxidizing gas and change its properties. Therefore, a non-oxidizing gas is preferred, and nitrogen gas or a rare gas may be used alone or in combination. If the flow rate of the replacement gas is too high, the added aqueous alkali solution may be directly discharged outside the reaction vessel, which is not preferred. Also, if the flow rate of the replacement gas is too low, the effect of replacing the atmosphere is reduced, which is not preferred. Taking these points into consideration, the amount of replacement gas can be appropriately selected depending on the processing conditions such as the amount of carbon precursor introduced and the amount of aqueous alkali solution added.
また、置換ガスの導入により粒子層が流動化されるので、撹拌機による撹拌を補助する効果がある。さらに、当該置換ガスが非酸化性であるので、粒子層を酸化防止するシール効果もある。また、ガス分散板や分散管(スパージャー)などのガス分散装置(図示を省略)を反応容器の底面の上に設置し、前記ガス分散装置を通して置換ガスを粒子層に導入してもよい。当該ガス分散装置を設置する場合は、ガス分散装置の表面と撹拌翼の下端部の表面とが接触しないように、両者を離隔させる必要がある。反応容器の形状や構造に応じて、ガス導入口を反応容器の側壁に設けてもよい。 In addition, the particle layer is fluidized by the introduction of the replacement gas, which has the effect of assisting the stirring by the stirrer. Furthermore, since the replacement gas is non-oxidizing, it also has a sealing effect of preventing the particle layer from being oxidized. In addition, a gas dispersion device (not shown) such as a gas dispersion plate or a dispersion tube (sparger) may be installed on the bottom surface of the reaction vessel, and the replacement gas may be introduced into the particle layer through the gas dispersion device. When installing the gas dispersion device, it is necessary to separate the surface of the gas dispersion device from the surface of the lower end of the stirring blade so that they do not come into contact with each other. Depending on the shape and structure of the reaction vessel, a gas inlet may be provided on the side wall of the reaction vessel.
容器内の圧力を低減することにより、水分の蒸発および当該蒸発した水分の反応容器外への排気を効率的に行うことができる。その減圧の程度は、特に限定されない。ゲージ圧で-10kPa(-0.01MPa)以下であることが好ましく、より好ましくは-20kPa(-0.02MPa)以下、さらに好ましくは-30kPa(-0.03MPa)以下である。By reducing the pressure inside the vessel, it is possible to efficiently evaporate water and exhaust the evaporated water outside the reaction vessel. The degree of pressure reduction is not particularly limited. The gauge pressure is preferably -10 kPa (-0.01 MPa) or less, more preferably -20 kPa (-0.02 MPa) or less, and even more preferably -30 kPa (-0.03 MPa) or less.
<加熱手段>
本実施形態に係る製造方法は、炭素前駆体を加熱しながらアルカリ添着処理が行われる。そのため、アルカリ添着処理の進行に伴って、反応容器内には、水分を含むアルカリ添着炭素前駆体が蓄えられた状態にある。反応容器内のアルカリ添着炭素前駆体を加熱する方法としては、反応容器の側面及び底面からの伝熱加熱がある。他方、アルカリ添着炭素前駆体に含まれる水分の蒸発にともない、その蒸発潜熱によってアルカリ添着炭素前駆体が冷却される。反応容器の外部からアルカリ添着炭素前駆体を加熱する場合(以下、これを「外部加熱」という。)、外部加熱と水分蒸発潜熱との両者を調整しながら、炭素前駆体を所定温度範囲に保持してアルカリ添着処理を行うことが好ましい。
<Heating Means>
In the manufacturing method according to the present embodiment, the alkali impregnation treatment is performed while the carbon precursor is heated. Therefore, as the alkali impregnation treatment progresses, the alkali impregnated carbon precursor containing moisture is stored in the reaction vessel. Methods for heating the alkali impregnated carbon precursor in the reaction vessel include heat transfer heating from the side and bottom of the reaction vessel. On the other hand, as the moisture contained in the alkali impregnated carbon precursor evaporates, the alkali impregnated carbon precursor is cooled by the latent heat of evaporation. When the alkali impregnated carbon precursor is heated from the outside of the reaction vessel (hereinafter, this will be referred to as "external heating"), it is preferable to perform the alkali impregnation treatment by maintaining the carbon precursor in a predetermined temperature range while adjusting both the external heating and the latent heat of moisture evaporation.
加熱手段について、図1に示すような加熱用媒体(以下、「熱媒」ともいう。)による加熱方法は、外部加熱の一例である。反応容器1の側壁4及び底壁5に面して熱媒20の流通路22が設置されており、当該流通路22の熱媒供給口21から所定温度の熱媒20が供給され、熱媒排出口23から排出される。側壁4及び底壁5を介して、熱媒からの伝熱により反応容器1内の炭素前駆体13が加熱される。なお、熱媒の流通路は、側壁あるいは底壁の一方だけに付設してもよい。熱媒としては、外部加熱の温度において利用可能な熱媒であれば、とくに限定されない。過熱蒸気を使用できる。それ以外に、鉱油系、合成系、無機系などの熱媒を使用してもよい。熱媒の供給量や供給速度によって、炭素前駆体が処理される温度を制御することができる。
Regarding the heating means, the heating method using a heating medium (hereinafter also referred to as "heat medium") as shown in FIG. 1 is an example of external heating. A
また、図1に示すように、熱媒による外部加熱の温度(以下、「外部温度」ともいう。)を測定するため、熱媒供給口21に通じる配管に熱媒導入側の温度測定器24が設置され、熱媒排出口23に通じる配管に熱媒排出側の温度測定器25が設置されている。炭素前駆体の粒子層内の温度を測定するため、温度測定器14が反応容器1の側壁4を貫通して粒子層内へ挿入されている。
As shown in Figure 1, in order to measure the temperature of external heating by the heat medium (hereinafter also referred to as "external temperature"), a
<アルカリ水溶液の供給手段>
炭素前駆体のアルカリ添着処理を行うため、反応容器内の粒子層にアルカリ水溶液が添加される。アルカリ水溶液の添加手段は、特に限定されない。粒子層全体に添加するため、スプレーノズルのような散布手段を用いることが好ましい。その例を図1に示す、スプレーノズル51は、反応容器1内の上方付近に配置されている。反応容器1の外に設置した貯蔵容器54に貯蔵されたアルカリ水溶液50が、供給配管52によりスプレーノズル51へ供給され、スプレーノズル51を介して、炭素前駆体13の粒子層へ散布される。アルカリ水溶液を供給する制御方法の一例としては、図1に示すように、温度測定器57でアルカリ水溶液50の温度を監視する。さらに、重量計53で貯蔵容器54内のアルカリ水溶液50の変動を監視しながら、圧力測定器55の測定値に基づいて調整された加圧用空気56を貯蔵容器54内へ導入し、アルカリ水溶液50の液面を押圧して必要な量のアルカリ水溶液50をスプレーノズル51へ供給することができる。
<Means for Supplying Alkaline Aqueous Solution>
In order to perform the alkali impregnation treatment of the carbon precursor, an alkaline aqueous solution is added to the particle layer in the reaction vessel. The means for adding the alkaline aqueous solution is not particularly limited. In order to add the alkaline aqueous solution to the entire particle layer, it is preferable to use a spraying means such as a spray nozzle. An example of this is shown in FIG. 1, where a
<撹拌手段>
本実施形態に係る撹拌手段は、回転軸と当該回転軸に設けられた撹拌翼とを備えている。撹拌翼の形状は、特に限定されない。既存の形状の撹拌翼を使用することができる。例えば、回転軸に垂直に羽根板が取り付けられたパドル翼、ディスクタービン翼、湾曲翼、ファウドラー翼など、又、翼に傾斜角を付けた傾斜パドル翼やプロペラ翼等を選択できる。モーターなどの駆動手段によって回転軸が駆動されて、撹拌翼が回転することにより、反応容器内に装入された炭素前駆体が撹拌される。また、炭素前駆体が反応容器の下側に集積する傾向にあることから、集積した粒子層を十分に撹拌するため、撹拌翼32は、図1に示すように、撹拌翼の下端部35が、反応容器の底面3と平行な形状であることが好ましい。
<Stirring means>
The stirring means according to the present embodiment includes a rotating shaft and a stirring blade provided on the rotating shaft. The shape of the stirring blade is not particularly limited. A stirring blade of an existing shape can be used. For example, a paddle blade with a blade plate attached perpendicular to the rotating shaft, a disk turbine blade, a curved blade, a Pfaudle blade, or an inclined paddle blade or a propeller blade with an inclination angle can be selected. The rotating shaft is driven by a driving means such as a motor, and the stirring blade rotates, thereby stirring the carbon precursor charged in the reaction vessel. In addition, since the carbon precursor tends to accumulate on the lower side of the reaction vessel, in order to sufficiently stir the accumulated particle layer, it is preferable that the stirring blade 32 has a shape in which the
撹拌翼の配置については、反応容器を水平面に設置したとき、撹拌翼の高さの中心が容器の高さの半分より下方に位置することが好ましい。反応容器内の下方領域で撹拌翼が回転しているので、下方領域へ沈降した粒子の塊を効率良く解砕できる。Regarding the positioning of the agitator blades, it is preferable that when the reaction vessel is placed on a horizontal surface, the center of the height of the agitator blades is located below half the height of the vessel. Because the agitator blades rotate in the lower region of the reaction vessel, clumps of particles that have settled to the lower region can be efficiently broken down.
また、本実施形態は、反応容器の底面を水平面上に配置する形態に限られない。反応容器を傾けて撹拌翼の回転軸と水平面のなす角度が90度未満の場合であっても、撹拌手段の回転軸が反応容器の断面に対して垂直方向を保持されていればよい。そのように保持することにより、撹拌翼は、反応容器の内面との間で一定の離隔距離が維持されて回転することができ、反応容器内の被処理物(炭素前駆体及びアルカリ添着炭素前駆体)の全体を均質に流動させるのに必要な撹拌作用が得られる。また、被処理物に対する重力の向きは、回転途中において大きく変わらないので、粒子の塊が下方へ沈降して撹拌翼によって解砕され、良好な撹拌効率が維持される。他方、反応容器を傾ける角度が過大であると、被処理物の粒子層の外に撹拌翼が飛び出る割合が増加して、被処理物が撹拌翼に接触する割合が減るため、撹拌効率の低下を招く。以上のことから、撹拌翼の回転軸と水平面とのなす角度は、60度以上90度以下であることが好ましい。角度の下限は、70度以上または80度以上であってもよい。 In addition, this embodiment is not limited to a form in which the bottom surface of the reaction vessel is placed on a horizontal plane. Even if the angle between the rotation axis of the agitator and the horizontal plane is less than 90 degrees by tilting the reaction vessel, it is sufficient that the rotation axis of the agitator is held perpendicular to the cross section of the reaction vessel. By holding it in this manner, the agitator can rotate while maintaining a constant separation distance between the agitator and the inner surface of the reaction vessel, and the agitation action required to uniformly flow the entire workpiece (carbon precursor and alkali-imparted carbon precursor) in the reaction vessel can be obtained. In addition, since the direction of gravity relative to the workpiece does not change significantly during rotation, the clumps of particles settle downward and are crushed by the agitator, and good agitation efficiency is maintained. On the other hand, if the angle at which the reaction vessel is tilted is too large, the proportion of the agitator protruding outside the particle layer of the workpiece increases, and the proportion of the workpiece contacting the agitator decreases, resulting in a decrease in agitation efficiency. From the above, it is preferable that the angle between the rotation axis of the agitator and the horizontal plane is 60 degrees or more and 90 degrees or less. The lower limit of the angle may be 70 degrees or more, or 80 degrees or more.
また、図1に示すように、撹拌翼32は、回転軸31を中心にして周囲に延びている。本明細書では、撹拌翼32の最外部に位置する部分を先端部34といい、回転中心から当該先端部34へ延びる部分のうち、反応容器の底面3に対向する部分を下端部35という。撹拌翼32を反応容器1の内面に接触させないため、前記反応容器1の内面である側面2及び底面3と前記撹拌翼32の表面とが離隔している必要がある。具体的には、撹拌翼32の先端部34の表面と反応容器1の側面2との間、及び、撹拌翼32の下端部35の表面と反応容器1の底面3との間に、それぞれ一定の距離を空けて、両者を離隔させる必要がある。他方、そのように離隔させた距離が過大であると、反応容器の内面付近の被処理物にまで撹拌翼の作用が十分に及ばないため、被処理物の流動状態が不足する。その結果、反応容器内に炭素前駆体の粒子が滞留する領域が生じることにより、粒子の塊が解砕されない恐れがある。塊状のままであると、粒子個々にアルカリ水溶液との接触が阻害されて、良好な品質のアルカリ添着炭素前駆体が得られ難い。その観点で、反応容器の内面と撹拌翼の表面とが最も近接した離隔距離は、50mm以下に設定することが好ましく、30mm以下であってもよい。
As shown in FIG. 1, the agitator blade 32 extends around the
<付属手段>
図1に示す製造装置の例は、さらに、バグフィルター、チョッパー、支持台などを備える。
<Attachment means>
The example of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 further includes a bag filter, a chopper, a support stand, and the like.
反応容器内のガスは、排ガス63として反応容器外へ排出される。前記バグフィルター60は、排ガス63を流すガス排出配管62の途中に設置されている。さらに当該バグフィルター60の下流側には、逆洗用ガスの導入管61が設置されている。撹拌中に被処理物の粒子層から上方へ飛散した粉末は、当該バグフィルターによって捕集される。上記の逆洗用ガスをバグフィルターへ流すことにより、捕集された粉末を、反応容器内へ戻して再使用することができる。
The gas in the reaction vessel is discharged outside the reaction vessel as
前記チョッパー40とは、回転軸41に直交して複数枚のチョッパー羽根42が取り付けられた構造を備えた撹拌手段である。駆動手段であるモーター43によって回転軸41及びチョッパー羽根42が回転する。チョッパー羽根の回転によって、被処理物を撹拌したり、粒子の塊を解砕したりする作用を有しているので、撹拌翼による撹拌手段を補助するために付帯することができる。The
反応容器は、支持台15の上に配置する構造にしてもよい。この構造とすることにより、反応容器の下方側に撹拌手段を設置するための空間が形成される。The reaction vessel may be structured so as to be placed on a
<アルカリ添着炭素前駆体の粒子径>
本実施形態に係る非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体は、累積90体積%に相当する粒子径DV90が150μm以下であることが好ましい。アルカリ添着炭素前駆体の全体積を100%として、小粒子径から大粒子径へ累積曲線を求めたとき、当該粒子径DV90は、累積90体積%となる点の粒子径を意味する。アルカリ添着炭素前駆体を焼成して得られる炭素質材料は、二次電池用電極の表面に被覆して使用され、電極の塗工厚みが200μm程度であるから、アルカリ添着炭素前駆体の粒子径DV90は、150μm以下の範囲であると良く、100μm以下がより好ましく、50μmがさらに好ましい。
<Particle size of alkali-impregnated carbon precursor>
The alkali-impregnated carbon precursor for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment preferably has a particle diameter DV90 corresponding to a cumulative 90% by volume of 150 μm or less. When a cumulative curve is obtained from small particle diameters to large particle diameters, with the total volume of the alkali-impregnated carbon precursor being taken as 100%, the particle diameter DV90 means the particle diameter at the point where the cumulative volume is 90% by volume. The carbonaceous material obtained by firing the alkali-impregnated carbon precursor is used by coating the surface of an electrode for a secondary battery, and the coating thickness of the electrode is about 200 μm, so the particle diameter DV90 of the alkali-impregnated carbon precursor is preferably in the range of 150 μm or less, more preferably 100 μm or less, and even more preferably 50 μm.
本実施形態に係る製造方法により得られるアルカリ添着炭素質前駆体に添着されるアルカリ金属化合物の添着率は、特に限定されない。当該添着率は、1~50質量%であることが好ましい。アルカリ金属化合物添着の目的は、アルカリ添着炭素前駆体により得られる炭素質材料がドープ及び脱ドープのための細孔構造を形成し、充放電容量の大きい電池電極を提供することにある。そのため、アルカリ金属化合物の添着率は、1質量%以上であることが好ましく、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上、特に10質量%以上であることが好ましい。他方、当該添着率が過大であると、過剰にアルカリ賦活が生じる。そのため、炭素質材料の比表面積が増加し、それによって電池の不可逆量容量が増加するので好ましくない。そのため、アルカリ金属化合物の添着率は、50質量%以下が好ましく、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下、特に好ましくは20質量%以下でもよい。なお、当該アルカリ金属化合物の添着率は、次のような手順により求められる数値である。すなわち、日本産業規格JISK0119:2008の「蛍光X線分析通則」に準拠し、アルカリ添着炭素前駆体中のアルカリ金属の含有率を得る。そして、後記する換算式に基づいて、当該含有率に、アルカリ金属化合物の分子量とアルカリ金属の分子量との比を掛け合わせて、アルカリ金属化合物の添着率を得ることができる。The impregnation rate of the alkali metal compound impregnated in the alkali-impregnated carbonaceous precursor obtained by the manufacturing method according to this embodiment is not particularly limited. The impregnation rate is preferably 1 to 50 mass%. The purpose of impregnation of the alkali metal compound is to provide a battery electrode with a large charge/discharge capacity by forming a pore structure for doping and dedoping in the carbonaceous material obtained by the alkali-impregnated carbon precursor. Therefore, the impregnation rate of the alkali metal compound is preferably 1 mass% or more, more preferably 3 mass% or more, even more preferably 5 mass% or more, and particularly preferably 10 mass% or more. On the other hand, if the impregnation rate is excessive, excessive alkali activation occurs. Therefore, the specific surface area of the carbonaceous material increases, which increases the irreversible capacity of the battery, which is not preferable. Therefore, the impregnation rate of the alkali metal compound is preferably 50 mass% or less, more preferably 40 mass% or less, even more preferably 30 mass% or less, and particularly preferably 20 mass% or less. The impregnation rate of the alkali metal compound is a numerical value obtained by the following procedure. That is, the content of the alkali metal in the alkali-impregnated carbon precursor is obtained in accordance with the "General Rules for X-ray Fluorescence Analysis" of the Japanese Industrial Standard JIS K0119: 2008. Then, based on the conversion formula described below, the content is multiplied by the ratio between the molecular weight of the alkali metal compound and the molecular weight of the alkali metal to obtain the impregnation rate of the alkali metal compound.
<炭素質材料の製造方法>
本実施形態に係る製造方法によって得られるアルカリ添着炭素前駆体は、非水電解質二次電池用炭素質材料を製造するための原料として使用することができる。当該アルカリ添着炭素前駆体は、不活性雰囲気下の800℃~1500℃で熱処理を行う工程を含む、非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法に適用することが好ましい。前記製造方法において炭素化を進めるには、800℃以上で熱処理することが好ましく、より好ましくは1000℃以上、さらに好ましくは1050℃以上、特に好ましくは1100℃以上である。また、熱処理温度が高すぎると、熱収縮によりリチウム格納サイトが減少するので、1500℃以下が好ましく、より好ましくは1400℃以下、さらに好ましくは1350℃以下である。当該熱処理を行う工程には焼成する工程が含まれる。焼成工程は、前記アルカリ添着炭素質前駆体を、(a)不活性雰囲気中において800℃~1500℃で本焼成するか、又は(b)不活性雰囲気中において400℃以上800℃未満で予備焼成し、そして不活性雰囲気中において800℃~1500℃で本焼成する。本実施形態に係る非水電解質二次電池用炭素質材料を得るための熱処理工程においては、前記(b)の操作に従い、予備焼成を行い、次いで本焼成を行ってもよく、前記(a)の操作に従い、予備焼成を行わずに本焼成を行ってもよい。
<Method of producing carbonaceous material>
The alkali-impregnated carbon precursor obtained by the manufacturing method according to the present embodiment can be used as a raw material for manufacturing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. The alkali-impregnated carbon precursor is preferably applied to a manufacturing method for a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which includes a step of performing heat treatment at 800°C to 1500°C in an inert atmosphere. In the manufacturing method, in order to advance carbonization, the heat treatment is preferably performed at 800°C or higher, more preferably 1000°C or higher, even more preferably 1050°C or higher, and particularly preferably 1100°C or higher. If the heat treatment temperature is too high, the lithium storage sites are reduced due to thermal contraction, so the heat treatment temperature is preferably 1500°C or lower, more preferably 1400°C or lower, and even more preferably 1350°C or lower. The heat treatment step includes a firing step. In the calcination step, the alkali-impregnated carbonaceous precursor is (a) calcined in an inert atmosphere at 800° C. to 1500° C., or (b) pre-calcined in an inert atmosphere at 400° C. or higher and lower than 800° C., and then calcined in an inert atmosphere at 800° C. to 1500° C. In the heat treatment step for obtaining the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, pre-calcination may be performed according to the procedure of (b) above, and then calcination may be performed, or calcination may be performed without pre-calcination according to the procedure of (a).
以下に実施例を挙げて、本発明についてさらに詳細に説明する。本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。The present invention will be described in more detail below with reference to the following examples. The present invention is not limited to these examples.
本実施例で使用された、(i)水分添加速度、(ii)添着処理中の炭素前駆体の層内温度、(iii)アルカリ添着炭素前駆体の含水率、(iv)アルカリ添着炭素前駆体の粒子径の拡大率、(v)アルカリ金属化合物の添着効率、の各測定方法を以下に説明する。The methods for measuring (i) the moisture addition rate, (ii) the temperature inside the carbon precursor layer during the impregnation process, (iii) the moisture content of the alkali-impregnated carbon precursor, (iv) the rate of expansion of the particle size of the alkali-impregnated carbon precursor, and (v) the impregnation efficiency of the alkali metal compound used in this example are described below.
<水分添加速度>
1kg当たりの炭素前駆体に添加されるアルカリ水溶液中の水分添加速度(kg/h/kg-C)は、以下の式により算出できる。ここで、当該式の単位(kg/h/kg-C)における「kg-C」は、炭素前駆体1kg当たりを意味する表示である。当該式における「(1-アルカリ水溶液濃度)」の部分は、質量濃度の数値が適用される。アルカリ水溶液濃度として質量%の数値を使用するときは、当該部分は、「(100-アルカリ水溶液濃度)/100」と示される。
<Moisture addition rate>
The water addition rate (kg/h/kg-C) in the alkaline aqueous solution added to 1 kg of carbon precursor can be calculated by the following formula. Here, "kg-C" in the unit (kg/h/kg-C) in this formula is an indication of per 1 kg of carbon precursor. For the part "(1 - concentration of alkaline aqueous solution)" in this formula, a numerical value of mass concentration is applied. When a numerical value of mass % is used as the concentration of the alkaline aqueous solution, this part is expressed as "(100 - concentration of alkaline aqueous solution)/100".
<添着処理中の炭素前駆体の層内平均温度>
炭素前駆体の粒子層へアルカリ水溶液を添加し、アルカリ添着処理を開始した時点の層内温度T0、アルカリ水溶液の添加を開始してi分後における粒子層の層内温度Tiを測定する。アルカリ水溶液の添加がn分後に終了したとき、アルカリ添着処理中の層内平均温度TAveは、以下の式で求めることができる。ここで、アルカリ水溶液の添加時間の数値において1分(60秒)に満たない部分は切り捨てることとする。これは、例えば、30分15秒の数値であるときには、15秒の部分を切捨てて、30分の数値とすることを意味する。
<Average temperature in carbon precursor layer during impregnation treatment>
An alkaline aqueous solution is added to the carbon precursor particle layer, and the layer temperature T 0 at the start of the alkaline impregnation treatment and the layer temperature T i of the particle layer i minutes after the start of the addition of the alkaline aqueous solution are measured. When the addition of the alkaline aqueous solution is completed after n minutes, the average layer temperature T Ave during the alkaline impregnation treatment can be calculated by the following formula. Here, the portion of the numerical value of the addition time of the alkaline aqueous solution that is less than 1 minute (60 seconds) is rounded down. This means that, for example, when the numerical value is 30 minutes and 15 seconds, the 15 second portion is rounded down to obtain a numerical value of 30 minutes.
<アルカリ添着炭素前駆体の含水率>
アルカリ水溶液の添加予定量のうち80質量%の量を反応容器内の炭素前駆体に添加した時点で、アルカリ水溶液の添加のみを一時停止した後、1分間の撹拌を継続する。次いで、反応容器よりアルカリ添着炭素前駆体を100g以上採取する。そして、採取された当該アルカリ添着炭素前駆体から約5gのサンプルを採取し、その質量Aを測定する。次いで、当該サンプルを常圧で120℃に加熱した後、その乾燥質量Dを測定する。含水率W(質量%)は、以下の式で求めることができる。
<Moisture content of alkali-impregnated carbon precursor>
When 80% by mass of the planned amount of the aqueous alkaline solution is added to the carbon precursor in the reaction vessel, the addition of the aqueous alkaline solution is temporarily stopped, and stirring is continued for 1 minute. Then, 100 g or more of the alkali-impregnated carbon precursor is collected from the reaction vessel. Then, a sample of about 5 g is collected from the collected alkali-impregnated carbon precursor, and its mass A is measured. Next, the sample is heated to 120° C. at normal pressure, and its dry mass D is measured. The moisture content W (mass%) can be calculated by the following formula:
具体的には、株式会社ケツト科学研究所製の赤外線水分計FD-660にアルカリ添着炭素前駆体を約5g仕込み、その質量Aを測定した。その後、常圧で120℃に保持し、30分間の質量減少率が0.1質量%以下になったときの質量を前記アルカリ添着炭素前駆体の乾燥質量Dであるとした。そして、上記の式により含水率Wを求めた。Specifically, about 5 g of the alkali-impregnated carbon precursor was placed in an infrared moisture meter FD-660 manufactured by Kett Electric Laboratory, and its mass A was measured. It was then held at normal pressure and 120°C, and the mass at which the mass loss rate over 30 minutes was 0.1% by mass or less was taken as the dry mass D of the alkali-impregnated carbon precursor. The moisture content W was then calculated using the above formula.
<アルカリ添着炭素前駆体の粒子径の拡大率>
粒子径の拡大率は、以下の式に示すように、アルカリ添着炭素前駆体の小粒子径側から体積基準累積90%に相当する粒子径DV90をアルカリ添着処理前の炭素前駆体の小粒子径側から体積基準累積90%に相当する粒子径DV90により除した値である。当該式における「アルカリ添着炭素前駆体」は、アルカリ添着の終了後のアルカリ添着炭素前駆体である。
<Expansion rate of particle size of alkali-impregnated carbon precursor>
The particle size enlargement rate is a value obtained by dividing a particle size DV90 corresponding to a cumulative 90% by volume from the small particle size side of the alkali-impregnated carbon precursor by a particle size DV90 corresponding to a cumulative 90% by volume from the small particle size side of the carbon precursor before the alkali impregnation treatment, as shown in the following formula: "alkali-impregnated carbon precursor" in this formula refers to the alkali-impregnated carbon precursor after the completion of alkali impregnation.
<アルカリ金属化合物の目標添着率>
アルカリ金属化合物の目標添着率(質量%)は、下記の式で求めることができる。当該式における「炭素前駆体の仕込み量」は、反応容器の中に装入した炭素前駆体の量を指す。当該式における「アルカリ金属化合物の添加量」は、アルカリ水溶液の添加量(kg)とアルカリ水溶液中のアルカリ金属化合物の濃度の積で与えられる。
<Target impregnation rate of alkali metal compounds>
The target impregnation rate (mass%) of the alkali metal compound can be calculated by the following formula. In this formula, the "charged amount of carbon precursor" refers to the amount of carbon precursor charged in the reaction vessel. In this formula, the "added amount of alkali metal compound" is given by the product of the added amount (kg) of the alkaline aqueous solution and the concentration of the alkali metal compound in the alkaline aqueous solution.
<アルカリ金属化合物の添着率>
アルカリ添着炭素前駆体中のアルカリ金属化合物の添着率は、日本産業規格JISK0119:2008の「蛍光X線分析通則」に準拠し、アルカリ添着炭素前駆体中のアルカリ金属の含有率を測定した。下記の式により、当該含有率をアルカリ金属化合物の添着率に換算し、当該添着率(質量%)を求めた。
<Impregnation rate of alkali metal compound>
The impregnation rate of the alkali metal compound in the alkali-impregnated carbon precursor was measured by measuring the content of the alkali metal in the alkali-impregnated carbon precursor in accordance with "General rules for fluorescent X-ray analysis" of Japanese Industrial Standard JIS K0119: 2008. The content was converted into the impregnation rate of the alkali metal compound by the following formula, and the impregnation rate (mass%) was calculated.
上記のアルカリ金属化合物の添着率(質量%)を、上記のアルカリ金属化合物の目標添着率(質量%)によって除して、アルカリ金属化合物の添着効率を算出した。前記添着効率は、100倍して百分率(%)で表すことができる。The impregnation efficiency of the alkali metal compound was calculated by dividing the impregnation rate (mass%) of the alkali metal compound by the target impregnation rate (mass%) of the alkali metal compound. The impregnation efficiency can be multiplied by 100 to express it as a percentage (%).
以下の実施例及び比較例におけるアルカリ添着処理では、酸素導入によって不融化した炭素前駆体を用いた。当該炭素前駆体を、以下、「不融化炭」という。また、当該アルカリ添着処理により得られたアルカリ添着炭素前駆体を、以下、「添着炭」という。In the alkali impregnation treatment in the following examples and comparative examples, a carbon precursor that was made infusible by introducing oxygen was used. Hereinafter, this carbon precursor will be referred to as "infusible carbon." In addition, hereinafter, the alkali-impregnated carbon precursor obtained by this alkali impregnation treatment will be referred to as "impregnated carbon."
(実施例1)
内容積30Lの、図1に示す反応容器と同様に、回転軸と当該回転軸に設けた撹拌翼とを備えた撹拌手段を有する反応容器を用いた。当該反応容器の中に平均粒子径Dv50が15.7μm、Dv90が34.2μmである石油ピッチ由来の不融化炭(不融化した炭素前駆体)の粒子6.0kgを入れた。不融化炭の酸素含有率は13質量%であった。反応容器の底面より2L/minで窒素ガスを導入し、撹拌翼を150rpmで回転させながら、反応容器の外周部ジャケットに過熱蒸気を導入して、外部温度を135~150℃に加熱した。
Example 1
A reaction vessel having an internal volume of 30 L and a stirring means equipped with a rotating shaft and a stirring blade attached to the rotating shaft was used, similar to the reaction vessel shown in FIG. 1. 6.0 kg of particles of infusibilized carbon (infusibilized carbon precursor) derived from petroleum pitch having an average particle size Dv50 of 15.7 μm and Dv90 of 34.2 μm was placed in the reaction vessel. The oxygen content of the infusibilized carbon was 13 mass%. Nitrogen gas was introduced from the bottom of the reaction vessel at 2 L/min, and while rotating the stirring blade at 150 rpm, superheated steam was introduced into the outer jacket of the reaction vessel, and the external temperature was heated to 135 to 150 ° C.
反応容器の内圧をゲージ圧で-0.03MPa~-0.06MPaに保持しながら、不融化炭に20質量%水酸化ナトリウム水溶液6.0kgを136分間で噴霧して添加した。当該水溶液の添加時間を、以下「噴霧時間」ということもある。前記水溶液の添加中における不融化炭の層内平均温度は、115℃であった。噴霧を終了した後、30分間保持した。その後、反応容器の内圧を常圧に戻し、反応容器のジャケットに導入した過熱蒸気を水に切り替えて冷却し、添着炭(アルカリ添着炭素前駆体)を得た。While maintaining the internal pressure of the reaction vessel at a gauge pressure of -0.03 MPa to -0.06 MPa, 6.0 kg of a 20% by mass aqueous solution of sodium hydroxide was sprayed onto the infusible coal over a period of 136 minutes. The addition time of the aqueous solution is hereinafter sometimes referred to as the "spraying time". The average temperature inside the layer of the infusible coal during the addition of the aqueous solution was 115°C. After spraying was completed, the temperature was maintained for 30 minutes. The internal pressure of the reaction vessel was then returned to normal pressure, and the superheated steam introduced into the jacket of the reaction vessel was replaced with water for cooling, yielding impregnated coal (alkali-impregnated carbon precursor).
(実施例2)
図1と同様の構造を有する内容積100Lの反応容器を用いた。平均粒子径Dv50が23.7μm、Dv90が57.0μmであること以外、実施例1と同様の不融化炭を用いた。不融化炭30.0kgを反応容器の中へ入れ、反応容器の底面より2L/minで窒素ガスを導入し、撹拌翼を80rpmで回転させながら、反応容器の外周部ジャケットに過熱蒸気を導入し、外部温度を140~150℃に加熱した。
Example 2
A reaction vessel with an internal volume of 100 L having the same structure as in Fig. 1 was used. The same infusible coal as in Example 1 was used, except that the average particle diameter Dv50 was 23.7 µm and Dv90 was 57.0 µm. 30.0 kg of infusible coal was placed in the reaction vessel, nitrogen gas was introduced into the bottom of the reaction vessel at 2 L/min, and superheated steam was introduced into the outer jacket of the reaction vessel while rotating the stirring blade at 80 rpm, and the external temperature was heated to 140 to 150°C.
層内温度が130℃に到達した後、内圧をゲージ圧で-0.02~-0.06MPaに保持しながら、不融化炭に20質量%水酸化ナトリウム水溶液16.7kgを56分間で噴霧して添加した。前記水溶液の添加中における不融化炭の層内平均温度は、105℃であった。噴霧を終了した後、層内温度が130℃まで上昇した。その後、反応容器の内圧を常圧に戻し、反応容器のジャケットに導入した過熱蒸気を水に切り替えて、冷却し、添着炭を得た。After the temperature inside the bed reached 130°C, 16.7 kg of a 20% by mass aqueous solution of sodium hydroxide was sprayed onto the infusible coal over a period of 56 minutes while maintaining the internal pressure at a gauge pressure of -0.02 to -0.06 MPa. The average temperature inside the infusible coal during the addition of the aqueous solution was 105°C. After spraying was completed, the temperature inside the bed rose to 130°C. The internal pressure of the reaction vessel was then returned to normal pressure, and the superheated steam introduced into the jacket of the reaction vessel was replaced with water for cooling, yielding impregnated coal.
(実施例3)
不融化炭の平均粒子径Dv50が8.8μm、Dv90が20.2μm、撹拌翼の回転数が130rpm、20質量%水酸化ナトリウム水溶液16.7kgの噴霧時間が23分間、前記水溶液の添加中における不融化炭の層内平均温度が102℃であったこと以外、実施例2と同様の手順により添着炭を得た。
Example 3
Impregnated coal was obtained by the same procedure as in Example 2, except that the average particle size Dv50 of the infusible coal was 8.8 μm, the Dv90 was 20.2 μm, the rotation speed of the stirring blade was 130 rpm, the spraying time of 16.7 kg of a 20 mass% aqueous sodium hydroxide solution was 23 minutes, and the average temperature within the layer of the infusible coal during the addition of the aqueous solution was 102°C.
(実施例4)
不融化炭の粒子径Dv50が8.8μm、Dv90が20.0μm、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が10質量%、前記水溶液33.3kgの噴霧時間が35分間、前記水溶液の添加中における不融化炭の層内平均温度が98℃であったこと以外、実施例3と同様の手順により添着炭を得た。
Example 4
Impregnated coal was obtained by the same procedure as in Example 3, except that the particle size Dv50 of the infusible coal was 8.8 μm, Dv90 was 20.0 μm, the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution was 10 mass%, the spraying time of 33.3 kg of the aqueous solution was 35 minutes, and the average temperature within the layer of the infusible coal during the addition of the aqueous solution was 98° C.
(実施例5)
不融化炭の平均粒子径Dv50が9.1μm、Dv90が21.0μm、20質量%水酸化ナトリウム水溶液16.7kgの噴霧時間が82分間、前記水溶液の添加中における不融化炭の層内平均温度が130℃であったこと以外、実施例3と同様の手順により添着炭を得た。
Example 5
Impregnated coal was obtained by the same procedure as in Example 3, except that the average particle size Dv50 of the infusible coal was 9.1 μm, the Dv90 was 21.0 μm, the spraying time of 16.7 kg of a 20 mass% sodium hydroxide aqueous solution was 82 minutes, and the average temperature within the infusible coal layer during the addition of the aqueous solution was 130°C.
(比較例1)
実施例1と同様の反応容器及び不融化炭を用いた。反応容器の中に不融化炭6.0kgを入れ、反応容器の底面より2L/minで窒素ガスを導入し、撹拌翼を150rpmで回転させながら、20質量%水酸化ナトリウム水溶液6.0kgを一括投入し、完全混合して、スラリーを形成した。スラリーの温度は、35℃であった。
(Comparative Example 1)
The same reaction vessel and infusible carbon were used as in Example 1. 6.0 kg of infusible carbon was placed in the reaction vessel, nitrogen gas was introduced from the bottom of the reaction vessel at 2 L/min, and 6.0 kg of a 20% by mass aqueous sodium hydroxide solution was added all at once while rotating the stirring blade at 150 rpm, and thoroughly mixed to form a slurry. The temperature of the slurry was 35°C.
次に、反応容器の外周部ジャケットに過熱蒸気を導入し、外温を135~150℃に加熱し、反応容器の内圧をゲージ圧で-0.03MPa~-0.06MPaに保持しながら水分を除去した。水分が蒸発するにしたがい、スラリー粘度が上昇し、撹拌翼の抵抗が上昇した。そのため、撹拌翼が停止し、実験の継続が困難となった。Next, superheated steam was introduced into the outer jacket of the reaction vessel, the external temperature was heated to 135-150°C, and the water was removed while maintaining the internal pressure of the reaction vessel at a gauge pressure of -0.03 MPa to -0.06 MPa. As the water evaporated, the slurry viscosity increased, and the resistance of the stirring blades increased. As a result, the stirring blades stopped, making it difficult to continue the experiment.
(比較例2)
実施例2と同様の反応容器を用いた。不融化炭の平均粒子径DV50が7.1μm、Dv90が17.0μmであったこと以外、実施例1と同様の不融化炭を用いた。不融化炭30kgを反応容器の中に入れ、撹拌翼を130rpmで回転させながら、5質量%水酸化ナトリウム水溶液66.7kgを5分間で反応容器に入れ、スラリー化した。前記水溶液の添加時における不融化炭のスラリー温度は、35℃であった。
(Comparative Example 2)
The same reaction vessel as in Example 2 was used. The same infusible coal as in Example 1 was used, except that the average particle size DV50 of the infusible coal was 7.1 μm and the DV90 was 17.0 μm. 30 kg of infusible coal was placed in the reaction vessel, and while rotating the stirring blade at 130 rpm, 66.7 kg of a 5% by mass aqueous sodium hydroxide solution was added to the reaction vessel over a period of 5 minutes to form a slurry. The temperature of the infusible coal slurry at the time of adding the aqueous solution was 35° C.
次に、ゲージ圧で-0.02MPaに減圧し、反応容器の外周部ジャケットに過熱水蒸気を導入し、外部温度を140~150℃に加熱し、水を蒸発させた。スラリーが塊状物に変化した後、チョッパーを1800rpmで回転させ、塊状物を解砕しながら添着炭の乾燥を行い、層内温度が130℃まで上昇したことを確認した。その後、反応容器の内圧を常圧に戻し、反応容器のジャケットに導入した過熱蒸気を水に切り替えて、冷却し、添着炭を得た。Next, the gauge pressure was reduced to -0.02 MPa, superheated steam was introduced into the outer jacket of the reaction vessel, and the external temperature was heated to 140-150°C to evaporate the water. After the slurry changed into lumps, the chopper was rotated at 1800 rpm to crush the lumps while drying the impregnated coal, and it was confirmed that the temperature inside the layer had risen to 130°C. The internal pressure of the reaction vessel was then returned to normal pressure, and the superheated steam introduced into the jacket of the reaction vessel was switched to water for cooling, yielding impregnated coal.
上記の実施例及び比較例における添着条件及び試験結果を表1に示し、撹拌速度等の試験条件を表2に示す。なお、表1におけるNaOH添着炭の粒子径DV90の欄及び表2における層内平均温度の欄に表記された「-」は、測定できなかったことを示す。 The impregnation conditions and test results in the above-mentioned Examples and Comparative Examples are shown in Table 1, and the test conditions such as the stirring speed are shown in Table 2. Note that "-" in the column of the particle diameter DV90 of the NaOH-impregnated carbon in Table 1 and the column of the average temperature in the layer in Table 2 indicates that the measurement was not possible.
表1に示すように、本発明の範囲に含まれる実施例1~5は、添着処理中のアルカリ添着炭素前駆体の含水率が20質量%以下であったことから、スラリー状態を経由しないで、アルカリ添着処理が進行し、アルカリ化合物の添着と水分の除去とが行われた。得られたアルカリ添着炭素前駆体における粒子径の拡大率は、1.0~1.1の範囲にあり、添着前の炭素前駆体の形態がほぼ維持されることを確認できた。よって、実施例1~5のアルカリ添着炭素前駆体は、粉砕処理を行わずに、焼成工程に供することができる点で有用であった。また、測定された添着率によると、実施例1~4では、99%以上のアルカリ金属化合物の添着効率を達成したアルカリ添着炭素前駆体が得られたこと、実施例5では、60%の前記添着効率を達成したアルカリ添着炭素前駆体が得られたことを確認できた。As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 included in the scope of the present invention, the moisture content of the alkali-impregnated carbon precursor during the impregnation process was 20 mass% or less, so the alkali impregnation process proceeded without passing through a slurry state, and the alkali compound was impregnated and the moisture was removed. The particle size expansion rate of the obtained alkali-impregnated carbon precursor was in the range of 1.0 to 1.1, and it was confirmed that the shape of the carbon precursor before impregnation was almost maintained. Therefore, the alkali-impregnated carbon precursors of Examples 1 to 5 were useful in that they could be subjected to the firing process without being subjected to a crushing process. In addition, according to the measured impregnation rate, it was confirmed that an alkali-impregnated carbon precursor with an impregnation efficiency of 99% or more was obtained in Examples 1 to 4, and an alkali-impregnated carbon precursor with an impregnation efficiency of 60% was obtained in Example 5.
それに対し、比較例1及び比較例2は、いずれも添着中の含水率が20質量%を超えており、スラリー状態においてアルカリ添着処理が進行した。比較例1は、水分添加量が少なかったことから、水分が蒸発するにしたがい、スラリー粘度が上昇し、撹拌機に付帯するモーターの出力能力が不足し、撹拌による混合が困難となった。比較例2は、撹拌機のモーター出力能力を高くすることによって撹拌を持続できた一方で、水分除去をした後に得られたアルカリ添着炭素前駆体は、粒子径の拡大率が大きく、塊状の形態となっていた。そのため、当該アルカリ添着炭素前駆体に粉砕処理を施して、焼成工程に適した粒径サイズとする必要があった。In contrast, in both Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the moisture content during impregnation exceeded 20% by mass, and the alkali impregnation process proceeded in a slurry state. In Comparative Example 1, the amount of water added was small, so as the moisture evaporated, the slurry viscosity increased, and the output capacity of the motor attached to the stirrer was insufficient, making mixing by stirring difficult. In Comparative Example 2, stirring could be continued by increasing the motor output capacity of the stirrer, but the alkali impregnated carbon precursor obtained after removing the moisture had a large particle size expansion rate and was in a lumpy form. Therefore, it was necessary to subject the alkali impregnated carbon precursor to a pulverization process to obtain a particle size suitable for the firing process.
1 反応容器
2 側面
3 底面
4 側壁
5 底壁
6 上蓋
7 炭素前駆体の供給口
8 被処理物の排出口
9 観察窓
10 ガス導入口
11 ガス圧力計
12 置換ガス
13 炭素前駆体
14 温度測定器
15 支持台
20 加熱用媒体(熱媒)
21 加熱用媒体の供給口
22 加熱用媒体の流通路
23 加熱用媒体の排出口
24 熱媒導入側の温度測定器
25 熱媒排出側の温度測定器
30 撹拌手段(撹拌機)
31 回転軸
32 撹拌翼
33 モーター
34 撹拌翼の先端部
35 撹拌翼の下端部
36 撹拌流
40 チョッパー
41 回転軸
42 チョッパー羽根
43 モーター
50 アルカリ水溶液
51 スプレーノズル
52 アルカリ水溶液の供給配管
53 重量計
54 アルカリ水溶液の貯蔵容器
55 圧力測定器
56 加圧用空気
57 温度測定器
60 バグフィルター
61 逆洗用ガスの導入管
62 ガス排出配管
63 排ガス
REFERENCE SIGNS LIST 1
21 Heating
Claims (8)
撹拌されている前記炭素前駆体へ、アルカリ金属化合物を含むアルカリ水溶液を添加するとともに、前記アルカリ水溶液中の水分を除去して、前記炭素前駆体に前記アルカリ金属化合物が添着されたアルカリ添着炭素前駆体を得ること、を含み、
前記反応容器内における前記アルカリ添着炭素前駆体の含水率が20質量%以下であり、
当該含水率は、前記アルカリ水溶液の添加総量のうち80質量%の分量を添加した時点における含水率である、非水電解質二次電池用アルカリ添着炭素前駆体の製造方法。 Stirring and heating the carbon precursor in a reaction vessel;
adding an alkaline aqueous solution containing an alkali metal compound to the carbon precursor being stirred, and removing moisture from the alkaline aqueous solution to obtain an alkali-impregnated carbon precursor in which the alkali metal compound is impregnated into the carbon precursor,
the water content of the alkali-impregnated carbon precursor in the reaction vessel is 20 mass% or less,
The water content is the water content at a point in time when 80 mass % of the total amount of the alkaline aqueous solution added has been added.
A method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: carrying out a heat treatment at 800° C. to 1500° C. in an inert atmosphere using the alkali-impregnated carbon precursor according to any one of claims 1 to 7 to produce a carbonaceous material.
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