Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7599196B2 - Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7599196B2 - Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries - Google Patents

Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries Download PDF

Info

Publication number
JP7599196B2
JP7599196B2 JP2020145388A JP2020145388A JP7599196B2 JP 7599196 B2 JP7599196 B2 JP 7599196B2 JP 2020145388 A JP2020145388 A JP 2020145388A JP 2020145388 A JP2020145388 A JP 2020145388A JP 7599196 B2 JP7599196 B2 JP 7599196B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitrogen
negative electrode
doped carbon
carbon particles
ion secondary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020145388A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022040599A (en
Inventor
紀佳 松見
達雄 金子
ラージャシェーカル バダム
コッティサ スマラ パトナイク
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Advanced Institute of Science and Technology
Original Assignee
Japan Advanced Institute of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Advanced Institute of Science and Technology filed Critical Japan Advanced Institute of Science and Technology
Priority to JP2020145388A priority Critical patent/JP7599196B2/en
Publication of JP2022040599A publication Critical patent/JP2022040599A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7599196B2 publication Critical patent/JP7599196B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極活物質に関する。さらに詳しくは、本発明は、リチウムイオン二次電池用負極活物質、前記リチウムイオン二次電池用負極活物質に好適に用いることができる窒素ドープカーボン粒子およびその製造方法、ならびに前記リチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極を有するリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries. More specifically, the present invention relates to a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, nitrogen-doped carbon particles that can be suitably used for the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries and a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery having a negative electrode containing the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries.

窒素ドープカーボンは、酸化還元反応、酸素発生反応などの反応における電気化学触媒、スーパーキャパシタ用材料などとして用いられている。一般に、窒素ドープカーボンにおける窒素の含有率が高くなるにしたがって当該窒素ドープカーボンの酸化還元活性が高くなると考えられている(例えば、特許文献1の段落[0002]参照)。 Nitrogen-doped carbon is used as an electrochemical catalyst in reactions such as redox reactions and oxygen evolution reactions, and as a material for supercapacitors. It is generally believed that the higher the nitrogen content in nitrogen-doped carbon, the higher the redox activity of the nitrogen-doped carbon (see, for example, paragraph [0002] of Patent Document 1).

窒素の含有率が高い窒素ドープカーボンの製造方法として、石英からなる焼成容器を用い、二酸化炭素ガスを含有する雰囲気中でカーボンを焼成する工程と、前記焼成容器の内部温度を100℃以下に下げる工程と、前記焼成容器の内部雰囲気をアンモニア含有ガス雰囲気に置換し、前記カーボンを焼成する工程とを備える窒素含有カーボンの製造方法が提案されている(例えば、特許文献1の請求項1参照)。 As a method for producing nitrogen-doped carbon with a high nitrogen content, a method for producing nitrogen-containing carbon has been proposed that includes the steps of using a quartz firing vessel to fire carbon in an atmosphere containing carbon dioxide gas, lowering the internal temperature of the firing vessel to 100°C or lower, and replacing the internal atmosphere of the firing vessel with an ammonia-containing gas atmosphere and firing the carbon (see, for example, claim 1 of Patent Document 1).

しかし、前記窒素含有カーボンの製造方法によって得られた窒素含有カーボンにおける窒素の含有率は、1.5重量%程度であることから(例えば、特許文献1の段落[0013]および図2参照)、当該窒素含有カーボンの酸化還元活性がそれほど高いとはいえず、放電容量の改善が望まれる。 However, since the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon obtained by the method for producing nitrogen-containing carbon is about 1.5% by weight (see, for example, paragraph [0013] and Figure 2 of Patent Document 1), the redox activity of the nitrogen-containing carbon is not particularly high, and an improvement in the discharge capacity is desired.

近年においては、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れている窒素ドープカーボンの開発が求められている。 In recent years, there has been a demand for the development of nitrogen-doped carbon that has a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging properties that allow charging in a short time.

特開2015-67487号公報JP 2015-67487 A

本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れている窒素ドープカーボンおよびその製造方法、当該窒素ドープカーボンを含有するリチウムイオン二次電池用負極活物質、および当該リチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極を有するリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned conventional technology, and aims to provide nitrogen-doped carbon that has a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging that allows charging in a short time, a method for producing the same, a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries that contains the nitrogen-doped carbon, and a lithium ion secondary battery having a negative electrode that contains the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries.

本発明は、
(1) 窒素原子の含有率が15質量%以上である窒素ドープカーボン粒子、
(2) 前記(1)に記載の窒素ドープカーボン粒子を製造する方法であって、ポリベンズイミダゾールを窒素ガス含有雰囲気中で550~1500℃の温度で焼成することを特徴とする窒素ドープカーボン粒子の製造方法、
(3) 前記(1)に記載の窒素ドープカーボン粒子を含有してなるリチウムイオン二次電池用負極活物質、および
(4) 正極と負極と正極および負極の間に配置されたセパレータとを有するリチウムイオン二次電池であって、前記負極が前記(3)に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極であるリチウムイオン二次電池
に関する。
The present invention relates to
(1) Nitrogen-doped carbon particles having a nitrogen atom content of 15% by mass or more;
(2) A method for producing the nitrogen-doped carbon particles according to (1) above, comprising calcining polybenzimidazole at a temperature of 550 to 1500° C. in a nitrogen gas-containing atmosphere.
(3) A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising the nitrogen-doped carbon particles according to (1) above; and (4) a lithium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, the negative electrode comprising the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to (3) above.

なお、本発明において、窒素ドープカーボンは、窒素がドープ(含有)されているカーボン(炭素)を意味する。 In the present invention, nitrogen-doped carbon refers to carbon that is doped (contains) nitrogen.

本発明によれば、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れた窒素ドープカーボンおよびその製造方法、当該窒素ドープカーボンを含有するリチウムイオン二次電池用負極活物質、および当該リチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極を有するリチウムイオン二次電池が提供される。 The present invention provides nitrogen-doped carbon that has a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging ability that allows charging in a short time, a method for producing the same, a negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries that contains the nitrogen-doped carbon, and a lithium-ion secondary battery having a negative electrode that contains the negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries.

(a)~(c)は、それぞれ順に実施例1~3で得られた窒素ドープカーボン粒子の粉末X線回折図である。4(a) to (c) are powder X-ray diffraction patterns of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Examples 1 to 3, respectively. 実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3. (a)は、実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子に含まれている炭素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、(b)は、当該窒素ドープカーボン粒子に含まれている窒素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示す走査型電子顕微鏡写真であり、(c)は、当該窒素ドープカーボン粒子に含まれている酸素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。1A is a scanning electron microscope photograph showing the results of energy-dispersive X-ray analysis of the carbon contained in the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3, FIG. 1B is a scanning electron microscope photograph showing the results of energy-dispersive X-ray analysis of the nitrogen contained in the nitrogen-doped carbon particles, and FIG. 1C is a scanning electron microscope photograph showing the results of energy-dispersive X-ray analysis of the oxygen contained in the nitrogen-doped carbon particles. (a)および(b)は、いずれも実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子の透過型電子顕微鏡写真である。4(a) and (b) are transmission electron microscope photographs of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3. 実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3. (a)は実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析結果を示すグラフであり、(b)は図6(a)で示された窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析結果を示すグラフにおいて、N1sに基づくピークを拡大したグラフである。6A is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3, and FIG. 6B is a graph showing an enlarged view of the peak based on N1s in the graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles shown in FIG. 6A. (a)は実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子において、周波数1MHz~100mHzにおける電解質と電極との界面における電荷移動抵抗の関係を示すグラフ、(b)はサイクリックボルタンメトリーの測定結果を示すグラフである。1A is a graph showing the relationship between the charge transfer resistance at the interface between the electrolyte and the electrode at frequencies of 1 MHz to 100 mHz in the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3, and FIG. 1B is a graph showing the results of cyclic voltammetry measurements. (a)は実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子が用いられている負極半電池のサイクリックボルタンメトリーを電圧0.1V/s、0.3V/s、0.5V/s、0.7V/sまたは1.0V/sにて調べたときの電流値の測定結果を示すグラフ、(b)は負極半電池のサイクリックボルタンメトリーのスキャン速度とピーク電流との関係を示すグラフである。1A is a graph showing the measurement results of current values when cyclic voltammetry of a negative electrode half-cell using the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3 was examined at voltages of 0.1 V/s, 0.3 V/s, 0.5 V/s, 0.7 V/s, or 1.0 V/s; and FIG. 1B is a graph showing the relationship between the scan rate and peak current in cyclic voltammetry of the negative electrode half-cell. Aは、負極半電池の充放電の回数と放電容量との関係を示すグラフ、Bは、負極半電池の充放電の回数と充放電効率(クーロン効率)との関係を示すグラフである。Graph A shows the relationship between the number of charge/discharge cycles of a negative electrode half-cell and the discharge capacity, and graph B shows the relationship between the number of charge/discharge cycles of a negative electrode half-cell and the charge/discharge efficiency (Coulomb efficiency).

本発明の窒素ドープカーボン粒子は、前記したように、15質量%以上の窒素原子の含有率を有する。なお、窒素ドープカーボン粒子における窒素原子の含有率は、以下の実施例に記載の方法に基づいて測定したときの値である。本発明の窒素ドープカーボン粒子は、窒素原子の含有率が15質量%以上、好ましくは15~25質量%、より好ましくは18~25質量%であることから、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れている。 As described above, the nitrogen-doped carbon particles of the present invention have a nitrogen atom content of 15% by mass or more. The nitrogen atom content in the nitrogen-doped carbon particles is a value measured based on the method described in the following examples. The nitrogen-doped carbon particles of the present invention have a nitrogen atom content of 15% by mass or more, preferably 15 to 25% by mass, and more preferably 18 to 25% by mass, and therefore have a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging properties that allow charging in a short time.

本発明の窒素ドープカーボン粒子は、例えば、ポリベンズイミダゾールを窒素ガス含有雰囲気中で550~1500℃の温度で焼成することによって製造することができる。 The nitrogen-doped carbon particles of the present invention can be produced, for example, by sintering polybenzimidazole at a temperature of 550 to 1500°C in a nitrogen gas-containing atmosphere.

〔ポリベンズイミダゾール〕
ポリベンズイミダゾールは、式:
[Polybenzimidazole]
Polybenzimidazoles have the formula:

Figure 0007599196000001
Figure 0007599196000001

で表わされる繰返し単位を有するポリマーである。ポリベンズイミダゾールには、前記繰返し単位以外に、本発明の目的が阻害されない範囲内で当該繰返し単位以外の繰返し単位が含まれていてもよい。ポリベンズイミダゾールは、商業的に容易に入手することができるが、以下のようにして調製することができる。 A polymer having a repeating unit represented by the formula: In addition to the repeating unit, polybenzimidazole may contain repeating units other than the repeating unit, as long as the object of the present invention is not hindered. Polybenzimidazole is readily available commercially, but can be prepared as follows:

ポリベンズイミダゾールの原料として、例えば、3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩などを用いることができる。3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩は、3,4-ジアミノ安息香酸と塩酸とを反応させることにより、容易に調製することができる。 As a raw material for polybenzimidazole, for example, 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride can be used. 3,4-Diaminobenzoic acid dihydrochloride can be easily prepared by reacting 3,4-diaminobenzoic acid with hydrochloric acid.

ポリベンズイミダゾールは、例えば、ポリリン酸の存在下で不活性ガス雰囲気中で3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩を80~150℃程度の温度でポリベンズイミダゾールが生成するまで加熱することにより、調製することができる。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガスなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。生成したポリベンズイミダゾールは、必要により、洗浄し、乾燥し、所望の粒子径を有するように粉砕してもよい。 Polybenzimidazole can be prepared, for example, by heating 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride in the presence of polyphosphoric acid in an inert gas atmosphere at a temperature of about 80 to 150°C until polybenzimidazole is produced. Examples of inert gases include nitrogen gas and argon gas, but the present invention is not limited to these examples. The produced polybenzimidazole may be washed, dried, and pulverized to a desired particle size, if necessary.

ポリベンズイミダゾールの数平均分子量は、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れた窒素ドープカーボンを得る観点から、架橋構造を有しない場合には、好ましくは2000~100000、より好ましくは3000~100000であり、架橋構造を有する場合には、好ましくは2000~1000000、より好ましくは3000~1000000である。 From the viewpoint of obtaining nitrogen-doped carbon with high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging ability that can be charged in a short time, the number average molecular weight of polybenzimidazole is preferably 2,000 to 100,000, more preferably 3,000 to 100,000 if it does not have a crosslinked structure, and is preferably 2,000 to 1,000,000, more preferably 3,000 to 1,000,000 if it has a crosslinked structure.

なお、ポリベンズイミダゾールの数平均分子量は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)にて以下の測定条件で測定したときの値である。 The number average molecular weight of polybenzimidazole is the value measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following measurement conditions:

〔測定条件〕
・装置:昭和電工(株)製、商品名:Shodex-101
・注入時の濃度:0.01質量%
・注入量:100μL
・流速:1mL/min
・溶媒:N,N-ジメチルホルムアミド
・カラム:昭和電工(株)製、商品名:Shodex KD-803および商品名:Shodex KD-804
・カラムの温度:40℃
・標準:ポリメチルメタクリレート
[Measurement conditions]
Apparatus: Showa Denko K.K., product name: Shodex-101
Concentration at time of injection: 0.01% by mass
Injection volume: 100 μL
・Flow rate: 1mL/min
Solvent: N,N-dimethylformamide Column: Showa Denko K.K., trade name: Shodex KD-803 and trade name: Shodex KD-804
Column temperature: 40°C
・Standard: Polymethyl methacrylate

〔窒素ドープカーボン粒子〕
次に、ポリベンズイミダゾールを焼成することにより、窒素ドープカーボン粒子が得られる。なお、ポリベンズイミダゾールを焼成する際には、当該ポリベンズイミダゾールの焼成効率を高めるために、あらかじめ粉砕しておくことが好ましい。ポリベンズイミダゾールの粉砕物の粒子径は、特に限定されないが、当該ポリベンズイミダゾールの焼成効率を高める観点から、好ましくは1mm以下、より好ましくは500μm以下、さらに好ましくは300μm以下である。
[Nitrogen-doped carbon particles]
Next, the polybenzimidazole is baked to obtain nitrogen-doped carbon particles. It is preferable to pulverize the polybenzimidazole before baking in order to improve the baking efficiency of the polybenzimidazole. The particle size of the pulverized polybenzimidazole is not particularly limited, but is preferably 1 mm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 300 μm or less, from the viewpoint of improving the baking efficiency of the polybenzimidazole.

ポリベンズイミダゾールを焼成する際には、例えば、電気炉などを用いることができる。ポリベンズイミダゾールを焼成する際の雰囲気は、窒素ドープカーボン粒子を効率よく製造する観点から、窒素ガス含有雰囲気である。窒素ガス雰囲気は、理想的には窒素ガス雰囲気であるが、当該窒素ガス雰囲気には、本発明の目的が阻害されない範囲内で、例えば、アルゴンガスなどの不活性ガス、空気、酸素ガス、炭酸ガスなどが含まれていてもよい。 When sintering polybenzimidazole, for example, an electric furnace or the like can be used. The atmosphere when sintering polybenzimidazole is a nitrogen gas-containing atmosphere from the viewpoint of efficiently producing nitrogen-doped carbon particles. The nitrogen gas atmosphere is ideally a nitrogen gas atmosphere, but the nitrogen gas atmosphere may contain, for example, an inert gas such as argon gas, air, oxygen gas, carbon dioxide gas, etc., within a range that does not impede the object of the present invention.

ポリベンズイミダゾールの焼成の際の昇温速度には特に限定がない。ポリベンズイミダゾールの焼成の際の昇温速度は、段階的に変化させてもよく、一定となるように維持してもよい。ポリベンズイミダゾールの焼成温度は、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れた窒素ドープカーボンを効率よく製造する観点から、550~1500℃であることが好ましく、600~1300℃であることがより好ましく、600~1100℃であることがさらに好ましい。 There is no particular limitation on the rate of temperature rise during baking of polybenzimidazole. The rate of temperature rise during baking of polybenzimidazole may be changed stepwise or may be maintained constant. From the viewpoint of efficiently producing nitrogen-doped carbon that has excellent durability against charging and discharging and has excellent high-speed charging ability that can be charged in a short time, the baking temperature of polybenzimidazole is preferably 550 to 1500°C, more preferably 600 to 1300°C, and even more preferably 600 to 1100°C.

ポリベンズイミダゾールの焼成時間は、ポリベンズイミダゾールの焼成温度によって異なるので一概には決定することができないが、通常、0.5~6時間程度である。ポリベンズイミダゾールを焼成した後は、焼成されたポリベンズイミダゾールを好ましくは40℃以下の温度、より好ましくは室温まで放冷すればよい。なお、ポリベンズイミダゾールの焼成温度は、熱電対を用いて測定することができる。 The baking time of polybenzimidazole cannot be determined in general because it varies depending on the baking temperature of polybenzimidazole, but is usually about 0.5 to 6 hours. After baking the polybenzimidazole, the baked polybenzimidazole is allowed to cool, preferably to a temperature of 40°C or less, more preferably to room temperature. The baking temperature of polybenzimidazole can be measured using a thermocouple.

以上のようにして窒素ドープカーボン粒子を得ることができる。得られた窒素ドープカーボン粒子が凝集している場合には、必要により、当該窒素ドープカーボン粒子をピンミル、ハンマーミルなどを用いて解砕してもよい。 In this manner, nitrogen-doped carbon particles can be obtained. If the obtained nitrogen-doped carbon particles are aggregated, the nitrogen-doped carbon particles may be disintegrated using a pin mill, hammer mill, or the like, if necessary.

本発明の窒素ドープカーボン粒子には、X線回折により(002)面のピークの存在が認められるが、(002)面のピークがブロードであることから、アモルファスカーボンである。 The nitrogen-doped carbon particles of the present invention show a (002) plane peak by X-ray diffraction, but because the (002) plane peak is broad, they are amorphous carbon.

また、窒素ドープカーボン粒子を透過型電子顕微鏡で観察すると、窒素ドープカーボン粒子に細孔径が50nmを越えるマクロポアおよび細孔径が2~50nmの範囲内にあるメソポアが存在することがわかる。したがって、窒素ドープカーボン粒子は、マクロポアおよびメソポアを有することから、リチウムイオンの拡散性に優れているものと考えられる。 In addition, when the nitrogen-doped carbon particles are observed with a transmission electron microscope, it is found that the nitrogen-doped carbon particles contain macropores with a pore size exceeding 50 nm and mesopores with a pore size in the range of 2 to 50 nm. Therefore, since the nitrogen-doped carbon particles have macropores and mesopores, they are considered to have excellent lithium ion diffusibility.

窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析(XPS)の結果、窒素ドープカーボン粒子に式(Ia):

Figure 0007599196000002
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the nitrogen-doped carbon particles revealed that the nitrogen-doped carbon particles contained a compound represented by the formula (Ia):
Figure 0007599196000002

で表わされるグラファイティック窒素(グラファイト型窒素)を有する化合物、式(Ib): A compound having graphitic nitrogen (graphite-type nitrogen) represented by formula (Ib):

Figure 0007599196000003
Figure 0007599196000003

で表わされるピリジン、式(Ic): Pyridine represented by formula (Ic):

Figure 0007599196000004
Figure 0007599196000004

で表わされるピロールおよび式(Id): Pyrrole represented by formula (Id):

Figure 0007599196000005
Figure 0007599196000005

で表わされる酸素原子含有ピリジン化合物が含まれていることがわかる。このことから、窒素ドープカーボン粒子は、当該窒素ドープカーボン粒子の原料として用いられるポリベンズイミダゾールが焼成によって分解し、生成した式(Ia)~(Id)で表わされる化合物を含有しているものと考えられる。 It can be seen that the nitrogen-doped carbon particles contain oxygen-containing pyridine compounds represented by the formulae (Ia) to (Id). From this, it is believed that the nitrogen-doped carbon particles contain the compounds represented by the formulae (Ia) to (Id) that are generated when the polybenzimidazole used as the raw material for the nitrogen-doped carbon particles is decomposed by baking.

本発明の窒素ドープカーボン粒子の結晶面の間隔は、グラファイトが有する結晶面の間隔よりも広く、0.35~0.37nmであることが、以下の実施例で確認されている。 The spacing between the crystal planes of the nitrogen-doped carbon particles of the present invention is wider than the spacing between the crystal planes of graphite, being 0.35 to 0.37 nm, as confirmed in the following examples.

また、透過型電子顕微鏡で観察したときの窒素ドープカーボン粒子の平均粒子径は、通常、50nm~10μmの範囲内にある。窒素ドープカーボン粒子の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡で撮影された画像から任意に100個の窒素ドープカーボン粒子を選択し、各窒素ドープカーボン粒子の縦軸と横軸との平均値を求め、100個の窒素ドープカーボン粒子について当該平均値を合計し、その合計値を100で除した値を意味する。 The average particle diameter of nitrogen-doped carbon particles when observed with a transmission electron microscope is usually within the range of 50 nm to 10 μm. The average particle diameter of nitrogen-doped carbon particles is calculated by randomly selecting 100 nitrogen-doped carbon particles from an image taken with a scanning electron microscope, calculating the average values on the vertical and horizontal axes of each nitrogen-doped carbon particle, summing up the average values for the 100 nitrogen-doped carbon particles, and dividing the total by 100.

〔リチウムイオン二次電池用負極活物質〕
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、前記窒素ドープカーボン粒子を含有する。本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、前記窒素ドープカーボン粒子のみで構成されていてもよく、本発明の目的が阻害されない範囲内で、他の負極活物質が含まれていてもよい。他の負極活物質としては、例えば、黒鉛、グラファイト、コークスなどの炭素物質の粉体などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。
[Negative electrode active material for lithium ion secondary batteries]
The negative electrode active material for lithium ion secondary batteries of the present invention contains the nitrogen-doped carbon particles. The negative electrode active material for lithium ion secondary batteries of the present invention may be composed of only the nitrogen-doped carbon particles, or may contain other negative electrode active materials within a range that does not impede the object of the present invention. Examples of other negative electrode active materials include powders of carbon materials such as graphite, graphite, and coke, but the present invention is not limited to only these examples.

〔リチウムイオン二次電池〕
本発明のリチウムイオン二次電池は、一般に用いられているリチウム二次イオン電池と同様の構造を有する。
[Lithium-ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of the present invention has the same structure as commonly used lithium secondary ion batteries.

本発明のリチウムイオン二次電池は、通常、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を有する。リチウムイオン二次電池の形状としては、例えば、円筒型、積層型などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。 The lithium ion secondary battery of the present invention typically has a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte. Examples of the shape of the lithium ion secondary battery include a cylindrical type and a laminated type, but the present invention is not limited to these examples.

本発明のリチウムイオン二次電池が、例えば、CR2025リチウムイオン二次電池である場合、負極、セパレータおよび非水電解質は、ケース内に収容されている。以下においては、リチウムイオン二次電池がCR2025リチウムイオン二次電池である場合の実施態様について説明するが、本発明は、かかる実施態様のみに限定されるものではない。 When the lithium ion secondary battery of the present invention is, for example, a CR2025 lithium ion secondary battery, the negative electrode, separator, and non-aqueous electrolyte are housed in a case. Below, an embodiment in which the lithium ion secondary battery is a CR2025 lithium ion secondary battery is described, but the present invention is not limited to only this embodiment.

CR2025リチウムイオン二次電池に使用されるケースは、その内部が中空であり、開口部を有し、正極容器を兼ねている。ケースの開口部には、蓋部が設けられており、蓋部は、負極蓋を兼ねている。ケースと蓋部との間には、ケースと蓋部との絶縁状態および密封状態を維持するために、ガスケットが設けられている。ケースと蓋部との間の空間には、電極および非水電解質が収容されている。 The case used in the CR2025 lithium-ion secondary battery is hollow, has an opening, and doubles as a positive electrode container. A lid is provided on the opening of the case, and the lid also doubles as a negative electrode lid. A gasket is provided between the case and the lid to maintain an insulating and sealed state between the case and the lid. The space between the case and the lid contains an electrode and a non-aqueous electrolyte.

(1)電極
電極は、正極、セパレータおよび負極を有し、この順序で配列されている。正極は、ケースの内面に接触し、負極は、蓋部の内面と接触している。
(1) Electrodes The electrodes include a positive electrode, a separator, and a negative electrode, which are arranged in this order. The positive electrode is in contact with the inner surface of the case, and the negative electrode is in contact with the inner surface of the lid.

正極は、一般に用いられているリチウム二次イオン電池に用いられている正極と同様であればよく、本発明は、当該正極の組成および構造によって限定されるものではない。 The positive electrode may be the same as the positive electrode used in commonly used lithium secondary ion batteries, and the present invention is not limited by the composition and structure of the positive electrode.

正極は、例えば、正極活物質、導電材および結着剤を所定の比率で混合し、得られた混合物に溶媒、必要により活性炭、粘度調整用添加剤などを適量で添加し、得られた混合物を混練し、正極合材ペーストを調製した後、集電体の表面に塗布し、必要によりプレス成形し、乾燥させることにより、作製することができる。 The positive electrode can be produced, for example, by mixing the positive electrode active material, conductive material, and binder in a predetermined ratio, adding to the resulting mixture an appropriate amount of a solvent, and if necessary, activated carbon, a viscosity adjusting additive, etc., kneading the resulting mixture to prepare a positive electrode composite paste, which is then applied to the surface of a current collector, press-molded if necessary, and dried.

正極活物質の代表例としては、リチウム、リチウム-マンガン系複合酸化物などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。導電材としては、例えば、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリドンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。 Representative examples of positive electrode active materials include lithium and lithium-manganese composite oxides, but the present invention is not limited to these examples. Examples of conductive materials include carbon black such as acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, but the present invention is not limited to these examples. Examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, and ethylene propylene diene rubber, but the present invention is not limited to these examples. Examples of solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, but the present invention is not limited to these examples.

負極には、本発明の負極活物質が用いられる。負極は、例えば、本発明の負極活物質と結着剤とを混合し、得られた混合物に溶媒を添加することにより、ペースト状の負極合材を調製し、当該負極合材を銅などの金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥させ、必要によりプレス成形し、乾燥させることにより、作製することができる。 The negative electrode uses the negative electrode active material of the present invention. The negative electrode can be produced, for example, by mixing the negative electrode active material of the present invention with a binder, adding a solvent to the resulting mixture to prepare a paste-like negative electrode mixture, applying the negative electrode mixture to the surface of a metal foil collector such as copper, drying it, and, if necessary, press-molding and drying it.

負極活物質には、本発明の負極活物質が用いられるが、必要により、黒鉛、カーボンブラックなどの粉体を含有させてもよい。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリドンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。 The negative electrode active material used is the negative electrode active material of the present invention, but powders such as graphite and carbon black may be included as necessary. Examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, and ethylene propylene diene rubber, but the present invention is not limited to these examples. Examples of solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, but the present invention is not limited to these examples.

セパレータは、正極と負極との間に用いられる。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するとともに、正極と負極と間のリチウムイオンの移動経路を形成する。セパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂の箔膜を用いることができ、当該薄膜には多数の微細孔が形成されている。 The separator is used between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode, holds the electrolyte, and forms a path for the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. The separator can be a foil membrane of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, and the thin film has many micropores formed in it.

(2)非水電解質
非水電解質としては、例えば、エチレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート:ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。
(2) Nonaqueous Electrolyte Examples of the nonaqueous electrolyte include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, diethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; and ether compounds such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxyethane; however, the present invention is not limited to these examples.

本発明のリチウムイオン二次電池は、負極活物質として本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質を含有する負極が用いられているので放電容量が高く、充放電を1200サイクル行なった後においても放電容量の低下が小さいので充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができるので高速充電性に優れるという優れた性質を有する。 The lithium ion secondary battery of the present invention has a high discharge capacity because it uses a negative electrode containing the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries of the present invention as the negative electrode active material, and has excellent durability against charging and discharging because the decrease in discharge capacity is small even after 1200 charge and discharge cycles, and has excellent high-speed charging properties because it can be charged in a short time.

次に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

なお、以下の実施例で測定された物性は、以下の方法に基づいて測定した。
〔粉末X線回折〕
粉末・薄膜X線回折装置〔(株)リガク製、商品名:SmartLab〕を用い、波長(λ)が0.154nmであるCuKα線で測定範囲(2θ)10~80°にて粉末X線回折を行なった。
The physical properties measured in the following examples were measured according to the following methods.
[Powder X-ray Diffraction]
Powder X-ray diffraction was performed using a powder/thin film X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation, product name: SmartLab) with CuKα radiation having a wavelength (λ) of 0.154 nm in the measurement range (2θ) of 10 to 80°.

〔エネルギー分散型X線分析(EDS)〕
卓上顕微鏡〔(株)日立ハイテクノロジーズ製、商品名:Miniscope(登録商標)TM3030〕を用いて測定した。
[Energy Dispersive X-ray Analysis (EDS)]
The measurement was carried out using a tabletop microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, product name: Miniscope (registered trademark) TM3030).

〔透過型電子顕微鏡(TEM)による観察〕
透過電子顕微鏡〔日立製作所(株)製、品番:H-7100、加速電圧:100kV〕を用いて観察した。
[Observation by Transmission Electron Microscope (TEM)]
Observation was carried out using a transmission electron microscope (Hitachi, Ltd., product number: H-7100, accelerating voltage: 100 kV).

〔X線光電子分光分析(XPS)〕
X線光電子分光分析装置(フィソン・インストルメント社製、製品名:S-PROBE TM 2803)を用いてX線光電子分光分析を行なった。
[X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)]
X-ray photoelectron spectroscopy was performed using an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer (manufactured by Fison Instruments, product name: S-PROBE™ 2803).

〔サイクリックボルタンメトリー〕
ポテンシオスタット(バイオロジカル社製)を用い、周波数1MHz~100mHzおよび出力10mVにて室温でサイクリックボルタンメトリーを測定した。なお、サイクリックボルタンメトリーの測定時の電位範囲は10~2100mVであり、スキャン速度を0.1mV/sに調整した。
[Cyclic Voltammetry]
Cyclic voltammetry was measured at room temperature using a potentiostat (Biological Co., Ltd.) at a frequency of 1 MHz to 100 mHz and an output of 10 mV. The potential range during cyclic voltammetry was 10 to 2100 mV, and the scan rate was adjusted to 0.1 mV/s.

〔充放電〕
負極半電池の充放電は、充放電装置としてコンパクト充放電装置〔(株)イーシーフロンティア製、品番:ECAD-1000〕を用い、Li/Li++に対する電位差を10~2100mVに調整して行なった。
[Charge/Discharge]
The negative electrode half cell was charged and discharged using a compact charge/discharge device (manufactured by EC Frontier Co., Ltd., product number: ECAD-1000) while adjusting the potential difference with respect to Li/Li ++ to 10 to 2100 mV.

製造例1〔ポリベンズイミダゾールの調製〕
(1)3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩の調製
室温下で3,4-ジアミノ安息香酸3g(19.72mmol)をビーカー内に入れ、メタノール20mLをビーカーに添加した後、ビーカーの内容物を約1時間攪拌した。
Production Example 1 [Preparation of polybenzimidazole]
(1) Preparation of 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride 3 g (19.72 mmol) of 3,4-diaminobenzoic acid was placed in a beaker at room temperature, and 20 mL of methanol was added to the beaker, and the contents of the beaker were then stirred for about 1 hour.

次に、ビーカーの内容物を攪拌しながら10%塩酸3mLをビーカー内に滴下した後、ビーカーの内容物を約4時間攪拌した。ビーカーの内容物をブフナー漏斗で濾過することにより、未反応の沈殿物を除去し、濾液を回収した。 Next, 3 mL of 10% hydrochloric acid was added dropwise to the beaker while stirring the contents of the beaker, and the contents of the beaker were then stirred for approximately 4 hours. The contents of the beaker were filtered through a Büchner funnel to remove unreacted precipitates and recover the filtrate.

前記で得られた濾液から溶媒(メタノール)をロータリーエバポレーターで除去することにより、固形分を回収した。当該固形分を5~6時間減圧乾燥させることにより、3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩を得た。 The solvent (methanol) was removed from the filtrate obtained above using a rotary evaporator to recover the solids. The solids were dried under reduced pressure for 5 to 6 hours to obtain 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride.

(2)ポリベンズイミダゾールの調製
100mL容の3つ口フラスコ内に窒素ガスを導入しながら攪拌下でポリリン酸30gをフラスコ内に添加し、当該ポリリン酸を120℃で1時間加熱することにより、当該ポリリン酸から水分を除去した。
(2) Preparation of Polybenzimidazole While introducing nitrogen gas into a 100 mL three-neck flask, 30 g of polyphosphoric acid was added to the flask under stirring, and the polyphosphoric acid was heated at 120° C. for 1 hour to remove moisture from the polyphosphoric acid.

次に、前記で得られた3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩1.32gをフラスコ内に添加し、120℃の温度で1時間攪拌した後、フラスコの内容物の温度を200℃に昇温させ、当該温度でフラスコの内容物を攪拌下で約14時間放置することにより、ポリベンズイミダゾールを得た。 Next, 1.32 g of the 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride obtained above was added to the flask and stirred at 120°C for 1 hour, after which the temperature of the contents of the flask was raised to 200°C and the contents of the flask were left at that temperature for approximately 14 hours with stirring to obtain polybenzimidazole.

(3)ポリベンズイミダゾールの精製
前記で得られたポリベンズイミダゾールをビーカー内の蒸留水に室温下で添加し、約24時間放置し、残存している未反応の3,4-ジアミノ安息香酸二塩酸塩を水中に溶解させることにより、ポリベンズイミダゾールを精製した。前記で得られたポリベンズイミダゾールの数平均分子量は36000であった。
(3) Purification of polybenzimidazole The polybenzimidazole obtained above was added to distilled water in a beaker at room temperature and left for about 24 hours to dissolve the remaining unreacted 3,4-diaminobenzoic acid dihydrochloride in water, thereby purifying the polybenzimidazole. The number average molecular weight of the polybenzimidazole obtained above was 36,000.

次に、前記ポリベンズイミダゾールをビーカーから取り出し、乾燥機に入れ、減圧下で180℃の温度で6~7時間程度乾燥させた。乾燥させたポリベンズイミダゾールを粉砕機〔日本分析工業(株)製、品番:JF-300〕で回転速度1430rpmにて20分間粉砕させることにより、ポリベンズイミダゾールの粉末を得た。 Next, the polybenzimidazole was removed from the beaker, placed in a dryer, and dried at 180°C under reduced pressure for about 6 to 7 hours. The dried polybenzimidazole was pulverized in a pulverizer (Japan Analytical Industry Co., Ltd., product number: JF-300) at a rotation speed of 1430 rpm for 20 minutes to obtain a polybenzimidazole powder.

前記で得られたポリベンズイミダゾールの粉末を10%水酸化カリウム水溶液に室温で添加し、約12時間攪拌した後、脱イオン水で当該ポリベンズイミダゾールの粉末を十分に洗浄した。その後、前記ポリベンズイミダゾールの粉末を孔径が0.1μmのフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)濾過膜で濾過し、得られた残渣を乾燥機に入れ、80℃の温度で約12時間乾燥させることにより、精製されたポリベンズイミダゾールを得た。 The polybenzimidazole powder obtained above was added to a 10% aqueous potassium hydroxide solution at room temperature and stirred for about 12 hours, after which the polybenzimidazole powder was thoroughly washed with deionized water. The polybenzimidazole powder was then filtered through a fluororesin (polytetrafluoroethylene) filter membrane with a pore size of 0.1 μm, and the resulting residue was placed in a dryer and dried at a temperature of 80° C. for about 12 hours to obtain purified polybenzimidazole.

実施例1
プログラム管状電気炉〔アズワン(株)製、品番:TMF-300N〕内を窒素ガスで置換した後、前記で得られたポリベンズイミダゾール100mgを入れたシリカ-アルミナ製の燃焼ボート〔アズワン(株)製〕を電気炉内に入れ、窒素ガスを当該電気炉に連続的に導入しながらポリベンズイミダゾールを焼成した。
Example 1
After the atmosphere inside a programmable tubular electric furnace (manufactured by AS ONE Corporation, product number: TMF-300N) was replaced with nitrogen gas, a silica-alumina combustion boat (manufactured by AS ONE Corporation) containing 100 mg of the polybenzimidazole obtained above was placed in the electric furnace, and the polybenzimidazole was baked while continuously introducing nitrogen gas into the electric furnace.

なお、ポリベンズイミダゾールの焼成は、当該ポリベンズイミダゾールを室温から750℃まで昇温速度5℃/minで加熱し、750℃に到達した時点で800℃にまで昇温速度1℃/minで加熱し、800℃の温度を1時間維持した後、室温まで放冷することによって行なった。得られた焼成物の収量は72mgであったことから、収率は72質量%であることが確認された。 The polybenzimidazole was sintered by heating the polybenzimidazole from room temperature to 750°C at a heating rate of 5°C/min, and when the temperature reached 750°C, heating it to 800°C at a heating rate of 1°C/min, maintaining the temperature at 800°C for 1 hour, and then cooling it to room temperature. The yield of the sintered product obtained was 72 mg, confirming that the yield was 72% by mass.

前記で得られた焼成物をめのう乳鉢および乳棒で粉砕した後、10%塩酸30mLに添加し、得られた混合物に10~15分間超音波を加えることによって焼成物粉末の分散体を得た。前記で得られた分散体を孔径が0.1μmのフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)濾過膜で濾過し、乾燥機に入れ、80℃の温度で約12時間乾燥させることにより、窒素ドープカーボン粒子を得た。 The fired product obtained above was ground in an agate mortar and pestle, then added to 30 mL of 10% hydrochloric acid, and ultrasonic waves were applied to the resulting mixture for 10 to 15 minutes to obtain a dispersion of fired product powder. The dispersion obtained above was filtered through a fluororesin (polytetrafluoroethylene) filter membrane with a pore size of 0.1 μm, placed in a dryer, and dried at a temperature of 80°C for approximately 12 hours to obtain nitrogen-doped carbon particles.

実施例2
プログラム管状電気炉〔アズワン(株)製、品番:TMF-300N〕内を窒素ガスで置換した後、前記で得られたポリベンズイミダゾール100mgを入れたシリカ-アルミナ製の燃焼ボート〔アズワン(株)製〕を電気炉内に入れ、窒素ガスを当該電気炉に連続的に導入しながらポリベンズイミダゾールを焼成した。
Example 2
After the atmosphere inside a programmable tubular electric furnace (manufactured by AS ONE Corporation, product number: TMF-300N) was replaced with nitrogen gas, a silica-alumina combustion boat (manufactured by AS ONE Corporation) containing 100 mg of the polybenzimidazole obtained above was placed in the electric furnace, and the polybenzimidazole was baked while continuously introducing nitrogen gas into the electric furnace.

なお、ポリベンズイミダゾールの焼成は、当該ポリベンズイミダゾールを室温から950℃まで昇温速度5℃/minで加熱し、950℃に到達した時点で1000℃にまで昇温速度1℃/minで加熱し、1000℃の温度を1時間維持した後、室温まで放冷することによって行なった。得られた焼成物の収量は71mgであったことから、収率は71質量%であることが確認された。 The polybenzimidazole was sintered by heating the polybenzimidazole from room temperature to 950°C at a heating rate of 5°C/min, and when the temperature reached 950°C, heating it to 1000°C at a heating rate of 1°C/min, maintaining the temperature at 1000°C for 1 hour, and then cooling it to room temperature. The yield of the sintered product obtained was 71 mg, confirming that the yield was 71% by mass.

前記で得られた焼成物をめのう乳鉢および乳棒で粉砕した後、10%塩酸30mLに添加し、得られた混合物に10~15分間超音波を加えることによって焼成物粉末の分散体を得た。前記で得られた分散体を孔径が0.1μmのフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)濾過膜で濾過し、乾燥機に入れ、80℃の温度で約12時間乾燥させることにより、窒素ドープカーボン粒子を得た。 The fired product obtained above was ground in an agate mortar and pestle, then added to 30 mL of 10% hydrochloric acid, and ultrasonic waves were applied to the resulting mixture for 10 to 15 minutes to obtain a dispersion of fired product powder. The dispersion obtained above was filtered through a fluororesin (polytetrafluoroethylene) filter membrane with a pore size of 0.1 μm, placed in a dryer, and dried at a temperature of 80°C for approximately 12 hours to obtain nitrogen-doped carbon particles.

実施例3
プログラム管状電気炉〔アズワン(株)製、品番:TMF-300N〕内を窒素ガスで置換した後、前記で得られたポリベンズイミダゾール100mgを入れたシリカ-アルミナ製の燃焼ボート〔アズワン(株)製〕を電気炉内に入れ、窒素ガスを当該電気炉に連続的に導入しながらポリベンズイミダゾールを焼成した。
Example 3
After the atmosphere inside a programmable tubular electric furnace (manufactured by AS ONE Corporation, product number: TMF-300N) was replaced with nitrogen gas, a silica-alumina combustion boat (manufactured by AS ONE Corporation) containing 100 mg of the polybenzimidazole obtained above was placed in the electric furnace, and the polybenzimidazole was baked while continuously introducing nitrogen gas into the electric furnace.

なお、ポリベンズイミダゾールの焼成は、当該ポリベンズイミダゾールを室温から550℃まで昇温速度5℃/minで加熱し、550℃に到達した時点で600℃にまで昇温速度1℃/minで加熱し、600℃の温度を1時間維持した後、室温まで放冷することによって行なった。得られた焼成物の収量は73mgであったことから、収率は73質量%であることが確認された。 The polybenzimidazole was sintered by heating the polybenzimidazole from room temperature to 550°C at a heating rate of 5°C/min, and when the temperature reached 550°C, heating it to 600°C at a heating rate of 1°C/min, maintaining the temperature at 600°C for 1 hour, and then cooling it to room temperature. The yield of the sintered product obtained was 73 mg, confirming that the yield was 73% by mass.

前記で得られた焼成物をめのう乳鉢および乳棒で粉砕した後、10%塩酸30mLに添加し、得られた混合物に10~15分間超音波を加えることによって焼成物粉末の分散体を得た。前記で得られた分散体を孔径が0.1μmのフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)濾過膜で濾過し、乾燥機に入れ、80℃の温度で約12時間乾燥させることにより、窒素ドープカーボン粒子を得た。 The fired product obtained above was ground in an agate mortar and pestle, then added to 30 mL of 10% hydrochloric acid, and ultrasonic waves were applied to the resulting mixture for 10 to 15 minutes to obtain a dispersion of fired product powder. The dispersion obtained above was filtered through a fluororesin (polytetrafluoroethylene) filter membrane with a pore size of 0.1 μm, placed in a dryer, and dried at a temperature of 80°C for approximately 12 hours to obtain nitrogen-doped carbon particles.

次に、実施例1~3で得られた窒素ドープカーボン粒子の粉末X線回折図を図1に示す。図1に示された結果から、窒素ドープカーボン粒子のミラー指数は(002)であり、ピークがブロードであることからアモルファスカーボンが生成されていることがわかる。また、ブラッグの式:
nλ=2dsinθ
(式中、nは正の整数、λはX線の波長、dは結晶面の間隔、θは結晶面とX線とがなす角度を示す)
に基づいて求められる窒素ドープカーボン粒子の結晶面の間隔は、実施例1では0.37nm、実施例では0.36nm、実施例3では0.35nmであったことから、いずれもグラファイト粉末の結晶面の間隔(0.33nm)と対比して大きいことがわかる。
Next, the powder X-ray diffraction patterns of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Examples 1 to 3 are shown in Figure 1. From the results shown in Figure 1, the Miller indices of the nitrogen-doped carbon particles are (002), and the broad peak indicates that amorphous carbon is produced. In addition, the Bragg equation:
nλ=2d sin θ
(In the formula, n is a positive integer, λ is the wavelength of the X-ray, d is the spacing between the crystal planes, and θ is the angle between the crystal planes and the X-ray.)
The spacing between the crystal planes of the nitrogen-doped carbon particles calculated based on the above was 0.37 nm in Example 1, 0.36 nm in Example 2, and 0.35 nm in Example 3, all of which are larger than the spacing between the crystal planes of the graphite powder (0.33 nm).

次に、実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子を用いて以下の物性を調べた。
〔エネルギー分散型X線分析(EDS)〕
窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果を図2に示す。図2は、実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフである。
Next, the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3 were used to examine the following physical properties.
[Energy Dispersive X-ray Analysis (EDS)]
The results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles are shown in Fig. 2. Fig. 2 is a graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3.

また、窒素ドープカーボン粒子に含まれている炭素、窒素および酸素についてもエネルギー分散型X線分析を行なった。その結果を図3に示す。図3において、(a)は、窒素ドープカーボン粒子に含まれている炭素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフであり、(b)は、窒素ドープカーボン粒子に含まれている窒素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフであり、(c)は、窒素ドープカーボン粒子に含まれている酸素に対するエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフである。 Energy dispersive X-ray analysis was also performed on the carbon, nitrogen and oxygen contained in the nitrogen-doped carbon particles. The results are shown in Figure 3. In Figure 3, (a) is a graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the carbon contained in the nitrogen-doped carbon particles, (b) is a graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen contained in the nitrogen-doped carbon particles, and (c) is a graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the oxygen contained in the nitrogen-doped carbon particles.

図2および図3に示された結果から、炭素、窒素および酸素は、窒素ドープカーボン粒子中で均一に分散していることがわかる。 The results shown in Figures 2 and 3 show that carbon, nitrogen and oxygen are uniformly dispersed in the nitrogen-doped carbon particles.

また、図2に示された結果から、窒素ドープカーボン粒子の粒子径は、50nm~10μmの範囲内にあることが確認された。 In addition, the results shown in Figure 2 confirmed that the particle diameter of the nitrogen-doped carbon particles was in the range of 50 nm to 10 μm.

〔透過型電子顕微鏡(TEM)による観察〕
窒素ドープカーボン粒子の透過型電子顕微鏡写真を図4に示す。図4(a)に示される窒素ドープカーボン粒子の透過型電子顕微鏡写真から、窒素ドープカーボン粒子は、細孔径が50nmを越えるマクロポアおよび細孔径が2~50nmの範囲内にあるメソポアを有することがわかる。窒素ドープカーボン粒子が有するマクロポアおよびメソポアは、リチウムイオンの拡散およびリチウムイオンの貯蔵に寄与しているものと考えられる。
[Observation by Transmission Electron Microscope (TEM)]
A transmission electron microscope photograph of the nitrogen-doped carbon particles is shown in Figure 4. From the transmission electron microscope photograph of the nitrogen-doped carbon particles shown in Figure 4(a), it can be seen that the nitrogen-doped carbon particles have macropores with a pore size exceeding 50 nm and mesopores with a pore size in the range of 2 to 50 nm. It is believed that the macropores and mesopores of the nitrogen-doped carbon particles contribute to the diffusion and storage of lithium ions.

また、図4(b)に示される窒素ドープカーボン粒子の透過型電子顕微鏡写真から、窒素ドープカーボン粒子は、層状構造および炭素が相互に接続されている構造を有することおよび多孔質であることがわかる。 The transmission electron microscope photograph of the nitrogen-doped carbon particles shown in Figure 4(b) shows that the nitrogen-doped carbon particles have a layered structure, a structure in which the carbon is interconnected, and are porous.

〔エネルギー分散型X線分析(EDS)〕
窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果を示すグラフを図5に示す。また、窒素ドープカーボン粒子のエネルギー分散型X線分析結果から求められた窒素ドープカーボン粒子に含まれている元素の含有率を表1に示す。
[Energy Dispersive X-ray Analysis (EDS)]
A graph showing the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles is shown in Fig. 5. The contents of elements contained in the nitrogen-doped carbon particles obtained from the results of energy dispersive X-ray analysis of the nitrogen-doped carbon particles are shown in Table 1.

Figure 0007599196000006
Figure 0007599196000006

表1に示されるように、窒素ドープカーボン粒子における窒素の含有率は19.51質量%であり、特許文献1に記載の窒素含有カーボンにおける窒素の含有率が1.5重量%程度であること(引用文献1の図2参照)と対比して格段に高いことから、酸化還元活性に優れているものと認められる。また、実施例1および実施例2で得られた窒素ドープカーボン粒子についても窒素の含有率を調べたところ、それぞれ、19.32質量%および20.25質量%であったことから、これらの窒素ドープカーボン粒子は、実施例3で得られた窒素ドープカーボン粒子と同様に酸化還元活性に優れていることがわかる。 As shown in Table 1, the nitrogen content in the nitrogen-doped carbon particles is 19.51% by mass, which is significantly higher than the nitrogen content of the nitrogen-containing carbon described in Patent Document 1, which is about 1.5% by weight (see Figure 2 in Reference 1), and is therefore recognized to have excellent redox activity. In addition, when the nitrogen contents of the nitrogen-doped carbon particles obtained in Examples 1 and 2 were also examined, they were found to be 19.32% by mass and 20.25% by mass, respectively, indicating that these nitrogen-doped carbon particles have excellent redox activity, similar to the nitrogen-doped carbon particles obtained in Example 3.

〔X線光電子分光分析(XPS)〕
窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析結果を図6に示す。図6において、(a)は、窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析結果を示すグラフであり、(b)は、図6(a)で示された窒素ドープカーボン粒子のX線光電子分光分析結果を示すグラフにおいて、N1sに基づくピークを拡大したグラフである。図6(b)において、Aは式(Ia)で表わされるグラファイティック窒素(グラファイト型窒素)を有する化合物のグラフ、Bは式(Ib)で表わされるピリジンのグラフ、Cは式(Ic)で表わされるピロールのグラフ、Dは式(Id)で表わされる酸素原子含有ピリジン化合物のグラフである。
[X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)]
The results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles are shown in Fig. 6. In Fig. 6, (a) is a graph showing the results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles, and (b) is a graph showing the results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles. 6(b) is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy of the nitrogen-doped carbon particles shown in FIG. 6(a), in which the peak due to N1s is enlarged. In FIG. 6(b), A is represented by formula (Ia) A is a graph of a compound having graphitic nitrogen (graphite-type nitrogen), B is a graph of pyridine represented by formula (Ib), C is a graph of pyrrole represented by formula (Ic), D is a graph of oxygen represented by formula (Id), Graph of pyridine atom-containing compounds.

図6(b)に示された結果から、窒素ドープカーボン粒子には、式(Ia)で表わされるグラファイティック窒素(グラファイト型窒素)を有する化合物10.3質量%、式(Ib)で表わされるピリジン5.9質量%、式(Ic)で表わされるピロール0.6質量%および式(Id)で表わされる酸素原子含有ピリジン化合物0.7質量%が含まれていることが確認された。このことから、窒素ドープカーボン粒子の原料として用いられたポリベンズイミダゾールが焼成によって分解し、式(Ia)~(Id)で表わされる化合物が生成しているものと考えられる。 From the results shown in Figure 6 (b), it was confirmed that the nitrogen-doped carbon particles contained 10.3 mass% of a compound having graphitic nitrogen (graphite-type nitrogen) represented by formula (Ia), 5.9 mass% of pyridine represented by formula (Ib), 0.6 mass% of pyrrole represented by formula (Ic), and 0.7 mass% of an oxygen-atom-containing pyridine compound represented by formula (Id). From this, it is considered that the polybenzimidazole used as the raw material for the nitrogen-doped carbon particles was decomposed by baking, and the compounds represented by formulas (Ia) to (Id) were generated.

〔サイクリックボルタンメトリー〕
窒素ドープカーボン粒子80g、アセチレンブラック10g、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10gおよびN-メチル-2-ピロリドン400gを均一な組成となるように混合し、得られたスラリーをドクターブレードで銅箔(縦:20mm、横:100mm、厚さ:20μm)に塗布し、減圧下で80℃の温度で約12時間乾燥させ、ロールで押圧することにより、乾燥後の塗膜の厚さが0.06mmである電極を作製した。
[Cyclic Voltammetry]
80 g of nitrogen-doped carbon particles, 10 g of acetylene black, 10 g of polyvinylidene fluoride as a binder, and 400 g of N-methyl-2-pyrrolidone were mixed to a uniform composition, and the resulting slurry was applied to a copper foil (length: 20 mm, width: 100 mm, thickness: 20 μm) with a doctor blade, dried at a temperature of 80° C. under reduced pressure for about 12 hours, and pressed with a roll to produce an electrode with a coating thickness of 0.06 mm after drying.

前記で得られた電極をCR2025リチウムイオン二次電池に組み込むために、直径15mmの円盤となるように抜き打ち、負極として前記で得られた円盤を用い、対極としてリチウム箔を用い、セパレータとしてポリプロピレンセパレータ〔旭化成(株)製、商品名:セルガード2500、厚さ:25μm〕を用い、電解質としてエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートとを1:1の質量比で混合した溶媒に濃度が1MとなるようにLiPF6を溶解させた電解質を用い、アルゴンガス雰囲気中で負極半電池を組み立てた。得られた負極半電池は、安定化のため室温中で12時間放置した。 In order to incorporate the electrode obtained above into a CR2025 lithium ion secondary battery, a disk having a diameter of 15 mm was punched out, and the disk obtained above was used as the negative electrode, lithium foil was used as the counter electrode, a polypropylene separator (manufactured by Asahi Kasei Corporation, product name: Celgard 2500, thickness: 25 μm) was used as the separator, and an electrolyte obtained by dissolving LiPF 6 in a solvent mixed with ethylene carbonate and diethylene carbonate in a mass ratio of 1:1 to a concentration of 1 M was used to assemble a negative electrode half cell in an argon gas atmosphere. The obtained negative electrode half cell was left at room temperature for 12 hours for stabilization.

前記で得られた負極半電池のサイクリックボルタンメトリーを調べた。その結果を図7および図8に示す。 The cyclic voltammetry of the negative electrode half-cell obtained above was examined. The results are shown in Figures 7 and 8.

図7(a)は、周波数1MHz~100mHzにおける電解質と電極との界面における電荷移動抵抗の関係を示すグラフである。図7(a)において、Aはサイクリックボルタンメトリーを行なう前の電解質と電極との界面における電荷移動抵抗の関係を示すグラフであり、Bはサイクリックボルタンメトリーを行なった後の電解質と電極との界面における電荷移動抵抗の関係を示すグラフである。 Figure 7(a) is a graph showing the relationship of charge transfer resistance at the interface between the electrolyte and the electrode at frequencies from 1 MHz to 100 mHz. In Figure 7(a), A is a graph showing the relationship of charge transfer resistance at the interface between the electrolyte and the electrode before cyclic voltammetry is performed, and B is a graph showing the relationship of charge transfer resistance at the interface between the electrolyte and the electrode after cyclic voltammetry is performed.

図7(a)に示された結果から、サイクリックボルタンメトリーを行なった場合には、電解質と電極との界面における電荷移動抵抗が低下することから、電解質と電極との間で好ましい界面が形成されていることがわかる。 The results shown in Figure 7(a) show that when cyclic voltammetry is performed, the charge transfer resistance at the interface between the electrolyte and the electrode decreases, indicating that a favorable interface is formed between the electrolyte and the electrode.

図7(b)は、サイクリックボルタンメトリーの測定結果を示すグラフである。図7(b)において、符号1~5は、それぞれ順に1~5サイクルのサイクリックボルタンメトリーの測定結果を示すグラフである。 Figure 7(b) is a graph showing the measurement results of cyclic voltammetry. In Figure 7(b), the symbols 1 to 5 are graphs showing the measurement results of cyclic voltammetry for cycles 1 to 5, respectively.

図7(b)に示された結果から、電位が0~0.1Vの間で電流値が負の方に大きく伸びていることから電極のリチウム化が進行しており、電位の上昇とともに電流値が正となっていることから脱リチウム化が進行しているので、前記負極半電池に用いられている窒素ドープカーボン粒子は、充放電特性に優れていることがわかる。 The results shown in Figure 7(b) show that the current value increases significantly toward the negative side when the potential is between 0 and 0.1 V, indicating that the electrode is undergoing lithiation, and that the current value becomes positive as the potential increases, indicating that delithiation is progressing. This shows that the nitrogen-doped carbon particles used in the negative electrode half cell have excellent charge/discharge characteristics.

図8(a)は、前記で得られた負極半電池のサイクリックボルタンメトリーを電圧0.1V/s、0.3V/s、0.5V/s、0.7V/sまたは1.0V/sにて調べたときの電流値の測定結果を示すグラフである。 Figure 8 (a) is a graph showing the current measurement results when cyclic voltammetry of the negative electrode half cell obtained above was examined at voltages of 0.1 V/s, 0.3 V/s, 0.5 V/s, 0.7 V/s, and 1.0 V/s.

図8(a)において、A~Eは、それぞれ順に電圧0.1V/s、0.3V/s、0.5V/s、0.7V/sまたは1.0V/sを印加したときの電流値の測定結果を示すグラフである。図8(b)は、前記負極半電池のサイクリックボルタンメトリーのスキャン速度とピーク電流との関係を示すグラフである。 In Figure 8(a), A to E are graphs showing the measurement results of the current value when voltages of 0.1 V/s, 0.3 V/s, 0.5 V/s, 0.7 V/s, and 1.0 V/s were applied, respectively. Figure 8(b) is a graph showing the relationship between the scan rate and peak current in the cyclic voltammetry of the negative electrode half cell.

なお、ピーク電流は、式:
Ip=2.69×105×n3/2×A×DLi 1/2×CLi×V1/2
〔式中、Ipはピーク電流(A)、nはリチウムイオンの当量/モル、Aは電極面積(cm2)、DLiは拡散係数(cm2/s)、CLiはリチウムイオン濃度(mol/cm3)、Vはスキャン速度(V/s)を示す〕
表わされるRandles-Sevcik式によって求められる。
The peak current is calculated by the formula:
Ip=2.69×10 5 ×n 3/2 ×A×D Li 1/2 ×C Li ×V 1/2
(In the formula, Ip is the peak current (A), n is the lithium ion equivalent/mol, A is the electrode area (cm 2 ), D Li is the diffusion coefficient (cm 2 /s), C Li is the lithium ion concentration (mol/cm 3 ), and V is the scan rate (V/s).)
It is calculated by the Randles-Sevcik formula shown below.

前記Randles-Sevcik式に基づいてリチウムイオン拡散係数を調べたところ、当該リチウムイオン拡散係数は、1.11×10-8cm2/sであった。このことから、前記で得られた負極半電池は、リチウムイオンの拡散性(移動性)に優れていることがわかる。 The lithium ion diffusion coefficient was examined based on the Randles-Sevcik equation and found to be 1.11×10 −8 cm 2 /s, indicating that the negative electrode half cell obtained above has excellent lithium ion diffusibility (mobility).

〔負極半電池の充放電〕
前記で得られた負極半電池を用いて充放電を繰り返して行なった。その結果を図9に示す。図9において、Aは、負極半電池の充放電の回数と放電容量との関係を示すグラフ、Bは、負極半電池の充放電の回数と充放電効率(クーロン効率)との関係を示すグラフである。
[Charge and discharge of negative electrode half-cell]
The negative electrode half cell obtained above was repeatedly charged and discharged. The results are shown in Fig. 9. In Fig. 9, A is a graph showing the relationship between the number of charge/discharge cycles of the negative electrode half cell and the discharge capacity, and B is a graph showing the relationship between the number of charge/discharge cycles of the negative electrode half cell and the charge/discharge efficiency (Coulomb efficiency).

図9の負極半電池の充放電の回数と放電容量との関係を示すグラフに示されるように、前記で得られた負極半電池の放電容量は、1300サイクル後であっても約180mA・h/g以上であることから、電解質にカーボンが用いられている従来の負極を用いたときの充放電に対する耐久性(サイクル特性)が高くても500サイクルであることと対比して、充放電に対する耐久性(サイクル特性)が約2倍以上に顕著に優れていることがわかる。 As shown in the graph of Figure 9, which shows the relationship between the number of charge/discharge cycles and the discharge capacity of the negative electrode half cell, the discharge capacity of the negative electrode half cell obtained above is about 180 mA·h/g or more even after 1,300 cycles. This shows that the durability against charge/discharge (cycle characteristics) is remarkably superior, at least about twice as much, compared to the durability against charge/discharge (cycle characteristics) of a conventional negative electrode that uses carbon as the electrolyte, which is at most 500 cycles.

また、前記で得られた負極半電池の放電容量は、充放電を1300サイクル繰り返してもクーロン効率が約100%で一定していることから品質的に安定しており、耐久性に優れていることがわかる。 In addition, the discharge capacity of the negative electrode half cell obtained above was constant at about 100% coulomb efficiency even after 1,300 charge/discharge cycles, indicating that the quality is stable and the battery has excellent durability.

〔高速充電性〕
前記で得られた負極半電池を用い、充電時の電流を変更し、充電に要する時間を調べた。その結果を表2に示す。
[Fast charging]
The negative electrode half cell obtained above was used to examine the time required for charging by changing the charging current. The results are shown in Table 2.

Figure 0007599196000007
Figure 0007599196000007

表2に示された結果から、充電時の電流が約2.86mA/gであるとき、充放電1000サイクルを行なった後であっても、前記で得られた負極半電池の充電容量は115mA・h/g以上に維持されており、さらに約10分間という短時間で負極半電池を充電することができることがわかる。 The results shown in Table 2 show that when the charging current is about 2.86 mA/g, the charging capacity of the negative electrode half-cell obtained above is maintained at 115 mA·h/g or more even after 1000 charge/discharge cycles, and the negative electrode half-cell can be charged in a short time of about 10 minutes.

したがって、本発明のリチウムイオン二次電池は、放電容量が高く、充放電に対する耐久性および高速充電性に優れているので、例えば、高速道路のサービスエリアなどでEV車を短時間でしかも高速に充電することに貢献するものと考えられる。 The lithium-ion secondary battery of the present invention therefore has a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent fast charging capability, and is therefore believed to contribute to the rapid charging of EV vehicles in places such as highway service areas in a short period of time.

本発明の窒素ドープカーボン、当該窒素ドープカーボンを含有するリチウムイオン二次電池用負極活物質、当該リチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極を有するリチウムイオン二次電池は、放電容量が高く、充放電に対する耐久性に優れており、短時間で充電することができる高速充電性に優れていることから、例えば、スマートフォン、タブレット型パーソナルコンピュータ、ハイブリッド自動車、電気自動車などに使用することが期待される。

The nitrogen-doped carbon of the present invention, the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery containing the nitrogen-doped carbon, and the lithium ion secondary battery having a negative electrode containing the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery have a high discharge capacity, excellent durability against charging and discharging, and excellent high-speed charging ability that allows charging in a short time, and are therefore expected to be used in, for example, smartphones, tablet personal computers, hybrid automobiles, electric automobiles, and the like.

Claims (4)

窒素原子の含有率が15質量%以上である窒素ドープカーボン粒子を含有してなるリチウムイオン二次電池用負極活物質であって、前記窒素ドープカーボン粒子の原料として式:
Figure 0007599196000008
で表わされる繰返し単位を有し、数平均分子量が2000~100000であるポリベンズイミダゾールが使用され、当該ポリベンズイミダゾールが焼成されてなり、炭素原子と窒素原子と酸素原子とからなる窒素ドープカーボン粒子を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質
A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising nitrogen-doped carbon particles having a nitrogen atom content of 15% by mass or more, the nitrogen-doped carbon particles being made of a compound represented by the formula:
Figure 0007599196000008
and a number average molecular weight of 2,000 to 100,000 is used, and the polybenzimidazole is calcined to contain nitrogen-doped carbon particles composed of carbon atoms, nitrogen atoms, and oxygen atoms .
窒素ドープカーボン粒子に式(Ia):
Figure 0007599196000009
で表わされる化合物、式(Ib):
Figure 0007599196000010
で表わされるピリジン、式(Ic):
Figure 0007599196000011
で表わされるピロールおよび式(Id):
Figure 0007599196000012
で表わされる酸素原子含有ピリジン化合物が含まれている請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質
The nitrogen doped carbon particles are coated with a compound of formula (Ia):
Figure 0007599196000009
A compound represented by formula (Ib):
Figure 0007599196000010
pyridine represented by formula (Ic):
Figure 0007599196000011
and pyrrole represented by formula (Id):
Figure 0007599196000012
2. The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, comprising an oxygen atom-containing pyridine compound represented by the formula:
窒素ドープカーボン粒子の結晶面の間隔が0.35~0.37nmである請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質 3. The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the spacing between crystal planes of the nitrogen-doped carbon particles is 0.35 to 0.37 nm. 正極と負極と正極および負極の間に配置されたセパレータとを有するリチウムイオン二次電池であって、前記負極が請求項に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質を含む負極であるリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the negative electrode comprises the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries according to claim 3 .
JP2020145388A 2020-08-31 2020-08-31 Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries Active JP7599196B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020145388A JP7599196B2 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020145388A JP7599196B2 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022040599A JP2022040599A (en) 2022-03-11
JP7599196B2 true JP7599196B2 (en) 2024-12-13

Family

ID=80499438

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020145388A Active JP7599196B2 (en) 2020-08-31 2020-08-31 Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7599196B2 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001080914A (en) 1999-09-10 2001-03-27 Sony Corp Carbon material and its manufacturing method, and non-aqueous electrolyte battery and its manufacturing method
JP2005239456A (en) 2004-02-24 2005-09-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Nitrogen-containing carbon and method for producing the same
WO2007043311A1 (en) 2005-09-30 2007-04-19 Asahi Kasei Chemicals Corporation Nitrogenous carbon material and process for producing the same
JP2008509876A (en) 2004-08-16 2008-04-03 ワン,ジン Method for producing monolithic porous carbon disks from aromatic organic precursors
JP2011006280A (en) 2009-06-25 2011-01-13 Teijin Ltd Carbon material and method for producing the same
JP2016122641A (en) 2014-12-24 2016-07-07 住友ベークライト株式会社 Carbon material for secondary battery negative electrode, active material for secondary battery negative electrode, secondary battery negative electrode, and secondary battery
WO2019009333A1 (en) 2017-07-06 2019-01-10 株式会社クラレ Carbon material for negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and carbon material production method
JP2019081667A (en) 2017-10-30 2019-05-30 旭化成株式会社 Nitrogen-containing carbon material, production method thereof, and fuel cell electrode using the same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63216272A (en) * 1987-03-03 1988-09-08 Asahi Glass Co Ltd Nonaqueous electrolyte energy storage device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001080914A (en) 1999-09-10 2001-03-27 Sony Corp Carbon material and its manufacturing method, and non-aqueous electrolyte battery and its manufacturing method
JP2005239456A (en) 2004-02-24 2005-09-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Nitrogen-containing carbon and method for producing the same
JP2008509876A (en) 2004-08-16 2008-04-03 ワン,ジン Method for producing monolithic porous carbon disks from aromatic organic precursors
WO2007043311A1 (en) 2005-09-30 2007-04-19 Asahi Kasei Chemicals Corporation Nitrogenous carbon material and process for producing the same
JP2011006280A (en) 2009-06-25 2011-01-13 Teijin Ltd Carbon material and method for producing the same
JP2016122641A (en) 2014-12-24 2016-07-07 住友ベークライト株式会社 Carbon material for secondary battery negative electrode, active material for secondary battery negative electrode, secondary battery negative electrode, and secondary battery
WO2019009333A1 (en) 2017-07-06 2019-01-10 株式会社クラレ Carbon material for negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and carbon material production method
JP2019081667A (en) 2017-10-30 2019-05-30 旭化成株式会社 Nitrogen-containing carbon material, production method thereof, and fuel cell electrode using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ding-sheng YUAN, et al,Nitrogen-enriched carbon nanowires from the direct carbonization of polyaniline nanowires and its electrochemical properties,Electrochemistry Communications,2011年01月04日,Vol.13,p.242-246

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022040599A (en) 2022-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5370515B2 (en) Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode material
JP6761928B2 (en) Solid electrolyte glass and its manufacturing method, precursor for solid electrolyte glass, suspension, electrode for lithium ion battery, and lithium ion battery
JP6113902B1 (en) Method for producing positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery
JP5312099B2 (en) Method for producing positive electrode active material and positive electrode active material
JP2017508253A (en) Method for producing fluorinated lithiated mixed transition metal oxide
WO2017034001A1 (en) Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary cell, method for manufacturing same, and nonaqueous electrolyte secondary cell
WO2013111595A1 (en) Method for producing hardly-graphitizable carbon material, hardly-graphitizable carbon material, negative electrode material for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery
KR102176590B1 (en) Method of preparing anode active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery
JP2015115283A (en) Sodium secondary battery and method for producing positive electrode material used in the sodium secondary battery
JP7816178B2 (en) Sulfur-based active material, electrode, lithium-ion secondary battery, and manufacturing method
JP6254732B1 (en) Method for producing positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery
JP6819859B2 (en) A method for producing a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode material, and a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
KR20140048822A (en) Silicon oxide??carbon composite and manufacturing method thereof
JP5182498B2 (en) Anode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, lithium ion secondary battery, and electrochemical capacitor
KR101551407B1 (en) Negative electrode active material for rechargeable lithium battery, method for preparing the same, negative electrode including the same, and rechargeable lithium battery including the negative electrode
JP2017045632A (en) Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method of manufacturing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2006221881A (en) Active material for nonaqueous electrolytic solution battery and its manufacturing method, electrode for nonaqueous electrolytic solution battery, and nonaqueous electrolytic solution battery
JP2016072188A (en) Method for producing coated composite oxide particles for positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, and non-aqueous electrolyte secondary battery using coated composite oxide particles produced by the production method
JP6540077B2 (en) Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery
KR102609773B1 (en) Positive electrode slurry for lithium secondary battery containing carbonite based additives, preparing method thereof, positive electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery
JP2016051548A (en) Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode material
JP7599196B2 (en) Negative electrode active material for lithium-ion secondary batteries
JP6065678B2 (en) NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND POWER STORAGE DEVICE
CN111373583B (en) Positive electrode active material for lithium ion secondary battery and method for producing the same
JP3687106B2 (en) Lithium transition metal composite oxide powder, method for producing the same, lithium secondary battery positive electrode and lithium secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230710

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240115

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240123

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20240322

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240326

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240402

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240618

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240813

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20241105

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20241126

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7599196

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150