JP7714558B2 - Carbonaceous material suitable for negative electrode active material of electricity storage device, negative electrode for electricity storage device, electricity storage device - Google Patents
Carbonaceous material suitable for negative electrode active material of electricity storage device, negative electrode for electricity storage device, electricity storage deviceInfo
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Description
本特許出願は日本国特許出願第2020-154229号(出願日:2020年9月15日)についてパリ条約上の優先権を主張するものであり、ここに参照することによって、その全体が本明細書中へ組み込まれるものとする。
本発明は、蓄電デバイスの負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極、該負極を有する蓄電デバイスに関する。
This patent application claims priority under the Paris Convention to Japanese Patent Application No. 2020-154229 (filing date: September 15, 2020), the entire contents of which are incorporated herein by reference.
The present invention relates to a carbonaceous material suitable as a negative electrode active material for an electricity storage device, a negative electrode for an electricity storage device containing the carbonaceous material, and an electricity storage device having the negative electrode.
リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高く、出力特性に優れるため、携帯電話やノートパソコンのような小型携帯機器に広く用いられている。リチウムイオン二次電池の負極材としては、黒鉛の理論容量372mAh/gを超える量のリチウムのドープ(充電)および脱ドープ(放電)が可能な含窒素難黒鉛化性炭素が開示されている(例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3)。Non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, are widely used in small portable devices such as mobile phones and laptops due to their high energy density and excellent output characteristics. Nitrogen-containing non-graphitizable carbons capable of doping (charging) and dedoping (discharging) lithium in amounts exceeding the theoretical capacity of graphite, 372 mAh/g, have been disclosed as negative electrode materials for lithium-ion secondary batteries (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
近年、リチウムイオン二次電池を車載用途などに適用することが検討されていることに伴い、上記の高容量な特性に加えて、サイクル耐久性が求められる需要も顕在している。例えば、車載用リチウムイオン二次電池は大型で且つ高価であることから使用途中での交換が困難である。このため、少なくとも自動車と同じレベルの耐久性がリチウムイオン二次電池に求められ、特に充放電を繰り返しても放電容量が落ちにくい、高いサイクル耐久性が求められている。 In recent years, as lithium-ion secondary batteries have been considered for use in automobiles and other applications, there has been a growing demand for cycle durability in addition to the high capacity characteristics mentioned above. For example, automotive lithium-ion secondary batteries are large and expensive, making them difficult to replace mid-use. For this reason, lithium-ion secondary batteries are required to have at least the same level of durability as automobiles, and in particular, high cycle durability, meaning that discharge capacity does not decrease even after repeated charge and discharge.
これに対して、特許文献1~3に記載の炭素材料中に含まれる窒素元素は、リチウムイオン吸蔵サイトとなり放電容量を向上させることはできるが、リチウムイオンとの反応点にもなりうるためにサイクル耐久性を確保できない可能性があり、高い放電容量と高いサイクル耐久性を両立するのは困難であった。In contrast, the nitrogen elements contained in the carbon materials described in Patent Documents 1 to 3 can act as lithium ion absorption sites and improve discharge capacity, but they can also act as reaction sites with lithium ions, which may prevent cycle durability from being ensured, making it difficult to achieve both high discharge capacity and high cycle durability.
したがって、本発明は、高い放電容量、および高いサイクル耐久性を有する蓄電デバイス(例えばリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、全固体電池、キャパシタ等)の負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極、該負極を有する蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a carbonaceous material suitable as a negative electrode active material for an electricity storage device (e.g., lithium ion secondary battery, sodium ion secondary battery, lithium-sulfur battery, lithium-air battery, all-solid-state battery, capacitor, etc.) that has a high discharge capacity and high cycle durability, a negative electrode for an electricity storage device that contains the carbonaceous material, and an electricity storage device that has the negative electrode.
本発明者らが鋭意検討した結果、特定の炭素質材料からなる負極を用いることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は以下の好適な態様を包含する。
〔1〕元素分析により求めた、窒素元素含有量が1.0質量%以上4.0質量%以下であり、酸素元素含有量が1.1質量%以上2.1質量%以下であり、かつ、X線回折測定により観測される炭素面間隔(d002)が3.70Å以上である炭素質材料。
〔2〕元素分析により求めた酸素元素含有量が1.2質量%以上2.0質量%以下 である、前記〔1〕に記載の炭素質材料。
〔3〕元素分析により求めた、酸素含有量と窒素含有量の比(RO/N)が0.30以上1.0以下である、前記〔1〕または〔2〕に記載の炭素質材料。
〔4〕レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値が250cm-1以上である、前記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔5〕レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1650cm-1付近のピークの半値幅の値が98cm-1以上である、前記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔6〕平均粒子径D50が30μm以下である、前記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔7〕炭素質材料が糖類に由来する、前記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔8〕蓄電デバイスの負極活物質用である、前記〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔9〕前記〔8〕に記載の炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極。
〔10〕前記〔9〕に記載の蓄電デバイス用負極を有する蓄電デバイス。
As a result of extensive research, the present inventors have found that the above problems can be solved by using a negative electrode made of a specific carbonaceous material, and have arrived at the present invention.
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] A carbonaceous material having a nitrogen element content of 1.0 mass% or more and 4.0 mass% or less, an oxygen element content of 1.1 mass% or more and 2.1 mass% or less, as determined by elemental analysis, and a carbon interplanar spacing (d 002 ) of 3.70 Å or more, as observed by X-ray diffraction measurement.
[2] The carbonaceous material according to [1], wherein the oxygen element content determined by elemental analysis is 1.2 mass % or more and 2.0 mass % or less.
[3] The carbonaceous material according to [1] or [2], wherein the ratio of the oxygen content to the nitrogen content (R O/N ) determined by elemental analysis is 0.30 or more and 1.0 or less.
[4] The carbonaceous material according to any one of [1] to [3], wherein the half width of a peak near 1360 cm −1 in a Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is 250 cm −1 or more.
[5] The carbonaceous material according to any one of [1] to [4], wherein the half width of a peak near 1650 cm −1 in a Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is 98 cm −1 or more.
[6] The carbonaceous material according to any one of [1] to [5] above, wherein the average particle diameter D50 is 30 μm or less.
[7] The carbonaceous material according to any one of [1] to [6], wherein the carbonaceous material is derived from a sugar.
[8] The carbonaceous material according to any one of [1] to [7], which is used as a negative electrode active material for an electricity storage device.
[9] A negative electrode for an electricity storage device, comprising the carbonaceous material according to [8] above.
[10] An electricity storage device having the electricity storage device negative electrode according to [9] above.
本発明の炭素質材料を含む負極を用いる蓄電デバイスは、高い放電容量、および高いサイクル耐久性を有する。なお、本明細書中でのサイクル耐久性とは、電池を繰り返し充放電して使用したときの容量維持率(サイクル容量維持率)を指標とする。 Electricity storage devices using negative electrodes containing the carbonaceous material of the present invention have high discharge capacity and high cycle durability. Note that, in this specification, cycle durability refers to the capacity retention rate (cycle capacity retention rate) when the battery is repeatedly charged and discharged.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更を加えることができる。また、以下の説明では蓄電デバイスとしてリチウムイオン電池に適用した例を用いて説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention. Note that the scope of the present invention is not limited to the embodiment described here, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In addition, the following description uses an example in which the present invention is applied to a lithium-ion battery as an electricity storage device.
本発明の炭素質材料において、元素分析により求めた窒素元素の含有量は1.0質量%以上である。炭素質材料中の窒素元素の含有量が1.0質量%よりも少ないと、充放電時にリチウムイオンを吸脱着するサイトが少なくなり、放電容量が低下する傾向がある。このように高い放電容量を得るためには、本発明の炭素質材料における窒素元素の含有量は、1.0質量%以上である必要があり、好ましくは1.5質量%以上であり、より好ましくは1.75質量%以上であり、さらに好ましくは2.0質量%以上である。In the carbonaceous material of the present invention, the nitrogen element content determined by elemental analysis is 1.0% by mass or more. If the nitrogen element content in the carbonaceous material is less than 1.0% by mass, there will be fewer sites for absorbing and desorbing lithium ions during charge and discharge, and the discharge capacity will tend to decrease. In order to achieve such a high discharge capacity, the nitrogen element content in the carbonaceous material of the present invention must be 1.0% by mass or more, preferably 1.5% by mass or more, more preferably 1.75% by mass or more, and even more preferably 2.0% by mass or more.
また、本発明の炭素質材料において、元素分析により求めた窒素元素の含有量は4.0質量%以下である。炭素質材料中の窒素元素の含有量が4.0質量%より多いと、充放電効率が低下する。これは、炭素骨格内に取り込まれなかった窒素が、例えば―NH2基のような表面官能基として存在し、このような表面官能基の存在量が多くなると、充放電時に生じ得る不可逆的な副反応を抑制することができなくなるためであると予想される。
これに加えて、炭素質材料中の窒素元素の含有量が4.0質量%以下であることによって、意外なことに充放電を繰り返しても放電容量が落ちにくい特性、すなわち高いサイクル耐久性が得られる傾向にあることを見出した。この理由は明らかではないが、次の理由が考えられる。すなわち、炭素質材料中の窒素元素が多く含有していると、充放電を繰り返す過程で不可逆的な副反応が起こることによる放電容量の低下、充放電時における電極の膨張・収縮に伴う放電容量の低下、充放電を繰り返すことで炭素質材料中の、特に歪となる窒素元素周辺の構造変化による放電容量の低下等が複合して起こることが考えられ、窒素元素の含有量が4.0質量%以下であることによってこれらのサイクル耐久性悪化要因を排除していることが考えられる。
このように高いサイクル耐久性を得るためには、炭素質材料における窒素元素の含有量は、4.0質量%以下である必要であり、ある実施形態では3.8質量%以下であり、好ましくは3.5質量%以下であり、より好ましくは3.3質量%以下であり、さらに好ましくは3.0質量%以下である。
Furthermore, in the carbonaceous material of the present invention, the nitrogen content determined by elemental analysis is 4.0% by mass or less. If the nitrogen content in the carbonaceous material is greater than 4.0% by mass, the charge/discharge efficiency decreases. This is thought to be because the nitrogen not incorporated into the carbon skeleton exists as a surface functional group such as an —NH 2 group, and if the amount of such surface functional groups increases, it becomes impossible to suppress irreversible side reactions that may occur during charge/discharge.
In addition, it has been found that, unexpectedly, when the nitrogen element content in the carbonaceous material is 4.0% by mass or less, the discharge capacity tends to be less likely to decrease even with repeated charge and discharge, i.e., high cycle durability tends to be obtained. Although the reason for this is not clear, the following is thought to be the reason. That is, when the nitrogen element content in the carbonaceous material is high, it is thought that a combination of factors occurs, such as a decrease in discharge capacity due to the occurrence of irreversible side reactions during repeated charge and discharge, a decrease in discharge capacity due to the expansion and contraction of the electrodes during charge and discharge, and a decrease in discharge capacity due to structural changes in the carbonaceous material, particularly around the nitrogen element, which causes distortion due to repeated charge and discharge. It is thought that these factors that deteriorate cycle durability are eliminated by setting the nitrogen element content to 4.0% by mass or less.
In order to obtain such high cycle durability, the nitrogen element content in the carbonaceous material needs to be 4.0 mass% or less, and in one embodiment is 3.8 mass% or less, preferably 3.5 mass% or less, more preferably 3.3 mass% or less, and even more preferably 3.0 mass% or less.
なお、窒素元素含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。窒素元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、不活性ガス流量を大きくしすぎたり、昇温速度を小さくしすぎると、炭素質材料中の窒素元素が脱離しやすくなり、得られる炭素質材料の窒素元素量が低減してしまうため、不活性ガス流量や昇温速度ならびに熱処理の温度を調整すると良い。The details of measuring the nitrogen element content are described below, and it is measured by elemental analysis (inert gas dissolution method). There are no limitations on the method for adjusting the nitrogen element content to the above range, but if the inert gas flow rate is too high or the heating rate is too low, the nitrogen element in the carbonaceous material will be more likely to be desorbed, reducing the amount of nitrogen element in the resulting carbonaceous material; therefore, it is advisable to adjust the inert gas flow rate, heating rate, and heat treatment temperature.
本発明の炭素質材料において、元素分析により求めた酸素元素の含有量は1.1質量%以上2.1質量%以下である。炭素質材料中の酸素元素は、窒素元素同様に、充放電時にリチウムイオンを吸脱着するサイトとなるため、酸素元素の含有量が多いと放電容量が増加する傾向がある。このため、元素分析により求めた酸素元素の含有量は1.0質量%以上である必要があり、ある実施形態では1.1質量%以上であり、1.2質量%以上であることが好ましく、1.4質量%以上であることがより好ましく、1.5質量%以上(1.5質量%または1.5質量%超)であることがさらに好ましく、1.6質量%以上であることがよりさらに好ましい。一方、酸素元素の含有量が多いときには、前記の窒素元素と同様に、サイクル耐久性の悪化を招くことがある。このため、本発明の炭素質材料における酸素元素の含有量は、ある実施形態では2.0質量%以下であり、好ましくは1.9質量%以下であり、さらに好ましくは1.8質量%以下である。酸素元素含有量の測定の詳細は実施例に記載する通りであり、後述する元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。In the carbonaceous material of the present invention, the oxygen content determined by elemental analysis is 1.1% by mass or more and 2.1% by mass or less. Like nitrogen, oxygen in a carbonaceous material serves as a site for absorbing and desorbing lithium ions during charge and discharge. Therefore, a high oxygen content tends to increase discharge capacity. For this reason, the oxygen content determined by elemental analysis must be 1.0% by mass or more. In some embodiments, it is 1.1% by mass or more, preferably 1.2% by mass or more, more preferably 1.4% by mass or more, even more preferably 1.5% by mass or more (1.5% by mass or more), and even more preferably 1.6% by mass or more. On the other hand, a high oxygen content may result in a deterioration in cycle durability, similar to the nitrogen content described above. For this reason, in some embodiments, the oxygen content in the carbonaceous material of the present invention is 2.0% by mass or less, preferably 1.9% by mass or less, and more preferably 1.8% by mass or less. The details of the measurement of the oxygen element content are as described in the Examples, and the measurement is carried out by the elemental analysis method (inert gas dissolution method) described later.
本発明の炭素質材料において、高い放電容量および高サイクル耐久性が得られるために窒素元素含有量と水素元素含有量との比RN/H(窒素元素含有量/水素元素含有量)は6以上37以下であることが好ましく、8以上25以下であることがより好ましく、10以上20以下であることがさらに好ましく、12以上15以下であることがよりさらに好ましい。また、本発明の炭素質材料において、高い放電容量かつ高サイクル耐久性が得られるために酸素元素含有量と窒素元素含有量との比RO/N(酸素元素含有量/窒素元素含有量)は0.30以上1.0以下であることが好ましい。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、酸素元素含有量と窒素元素含有量の両方を増加させると放電容量は高くなる一方で、サイクル耐久性が悪化する。また、酸素元素含有量と窒素元素含有量のどちらか一方が多すぎる、または少なすぎると、炭素構造内に例えば―OH基や―NH2基のような表面官能基として存在する酸素や窒素が増加し、放電容量の低下やサイクル耐久性の低下が起こる。高い放電容量かつ高サイクル耐久性を得るためには、RO/Nの下限は0.30以上であることが好ましく、0.35以上であることがより好ましく、0.40以上であることがさらに好ましい。また、RO/Nの上限は1.0以下であることが好ましく、0.90以下であることがより好ましく、0.80以下であることがさらに好ましい。窒素元素含有量と水素元素含有量との比RN/Hは、上記のようにして測定した窒素元素含有量および水素元素含有量から、RN/H=窒素元素含有量/水素元素含有量の式により算出され、酸素元素含有量と窒素元素含有量との比RO/Nは、上記のようにして測定した酸素元素含有量および窒素元素含有量から、RO/N=酸素元素含有量/窒素元素含有量の式により算出される。 In the carbonaceous material of the present invention, in order to obtain a high discharge capacity and high cycle durability, the ratio of the nitrogen element content to the hydrogen element content, R N/H (nitrogen element content/hydrogen element content), is preferably 6 to 37, more preferably 8 to 25, even more preferably 10 to 20, and even more preferably 12 to 15. Furthermore, in the carbonaceous material of the present invention, in order to obtain a high discharge capacity and high cycle durability, the ratio of the oxygen element content to the nitrogen element content, R O/N (oxygen element content/nitrogen element content), is preferably 0.30 to 1.0. This is believed to be due to the following reason. In other words, increasing both the oxygen element content and the nitrogen element content increases the discharge capacity while deteriorating the cycle durability. Furthermore, if either the oxygen element content or the nitrogen element content is too high or too low, the amount of oxygen or nitrogen present as surface functional groups, such as —OH groups or —NH 2 groups, in the carbon structure increases, resulting in a decrease in discharge capacity and a decrease in cycle durability. In order to obtain a high discharge capacity and high cycle durability, the lower limit of R O/N is preferably 0.30 or more, more preferably 0.35 or more, and even more preferably 0.40 or more. The upper limit of R O/N is preferably 1.0 or less, more preferably 0.90 or less, and even more preferably 0.80 or less. The ratio of nitrogen element content to hydrogen element content R N/H is calculated from the nitrogen element content and hydrogen element content measured as above by the formula R N/H = nitrogen element content/hydrogen element content, and the ratio of oxygen element content R O/N is calculated from the oxygen element content and nitrogen element content measured as above by the formula R O/N = oxygen element content/nitrogen element content.
本発明の炭素質材料において、炭素質材料中の水素元素の含有量が少ないほど、炭素のエッジ部分が減少し、炭素平面が広がり、電子の移動が容易になる観点から好ましい。この観点から、炭素質材料中の元素分析により求めた水素元素の含有量は0.50質量%以下であることが好ましく、0.40質量%以下であることがより好ましく、0.35質量%以下であることがさらに好ましい。また、炭素質材料中の水素元素の含有量が多いほど、リチウムイオンの吸脱着が容易になるため好ましい。この観点から、炭素質材料における水素元素の含有量は0.10質量%以上であることが好ましく、0.15質量%以上であることがより好ましい。水素元素含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。In the carbonaceous material of the present invention, a lower hydrogen element content in the carbonaceous material is preferable, as it reduces carbon edge portions, expands carbon planes, and facilitates electron movement. From this perspective, the hydrogen element content determined by elemental analysis in the carbonaceous material is preferably 0.50 mass% or less, more preferably 0.40 mass% or less, and even more preferably 0.35 mass% or less. Furthermore, a higher hydrogen element content in the carbonaceous material is preferable, as it facilitates lithium ion adsorption and desorption. From this perspective, the hydrogen element content in the carbonaceous material is preferably 0.10 mass% or more, more preferably 0.15 mass% or more. Details of measuring the hydrogen element content are described below, and it is measured by elemental analysis (inert gas dissolution method).
本発明の炭素質材料において、粉末X線回折法により観測されるピーク位置(回折角2θ)からBraggの式により算出される炭素面間隔(d002)は、3.70Å以上である。d002は、例えば、黒鉛のように最も炭素面が近接する場合、3.35~3.40Å程度であるが、d002が黒鉛の場合より大きくなることでリチウムイオンが効率良く移動でき、またクラスター化リチウムを多く吸蔵できる微小細孔が形成されることで高い放電容量を得ることができる。この観点から、d002は3.70Å以上であることが必要であり、好ましくは3.74Å以上、より好ましくは3.76Å以上である。一方、d002が大き過ぎると炭素質材料の体積が大きくなり、体積あたりの実行容量が小さくなることがある。この観点から、d002は4.00Å以下であることが好ましく、3.95Å以下がより好ましく、3.90Å以下がさらに好ましい。 In the carbonaceous material of the present invention, the carbon interplanar spacing (d 002 ) calculated by the Bragg equation from the peak position (diffraction angle 2θ) observed by powder X-ray diffraction is 3.70 Å or more. For example, when the carbon planes are closest to each other, as in graphite, d 002 is approximately 3.35 to 3.40 Å. However, when d 002 is larger than that in the case of graphite, lithium ions can migrate efficiently, and micropores capable of occluding a large amount of clustered lithium are formed, resulting in a high discharge capacity. From this perspective, d 002 must be 3.70 Å or more, preferably 3.74 Å or more, more preferably 3.76 Å or more. On the other hand, if d 002 is too large, the volume of the carbonaceous material increases, which may result in a small effective capacity per volume. From this perspective, d 002 is preferably 4.00 Å or less, more preferably 3.95 Å or less, and even more preferably 3.90 Å or less.
本発明の炭素質材料において、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、250cm-1以上であることが好ましい。ここで、1360cm-1付近のピークとは、一般にDバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造の乱れ・欠陥に起因するピークである。1360cm-1付近のピークは、通常、1345cm-1~1375cm-1、好ましくは1350cm-1~1370cm-1の範囲に観測される。Dバンドのピークの半値幅は、炭素質材料中に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥の量に関係する。このような構造の乱れは、窒素元素が炭素骨格内に導入されることにより引き起こされ得る。Dバンドにおけるラマンピークの半値幅が250cm-1未満であると、構造発達が進み過ぎて、グラファイト構造の発達により、リチウムイオンが効率よく出入りすることが出来なくなる傾向がある。そのため、抵抗を下げやすくする観点からは、1360cm-1付近のピークの半値幅は、好ましくは250cm-1以上であり、より好ましくは260cm-1以上であり、更に好ましくは270cm-1以上である。また、半値幅が300cm-1より大きいと、炭素質材料中に含まれるグラファイト構造が維持できにくくなり、非晶質が多くなり、リチウムを吸蔵し得るサイトが減少する傾向がある。そのためリチウムイオンの吸蔵量が低下し、放電容量が低下することがある。このような観点から、1360cm-1付近のピークの半値幅は、好ましくは300cm-1以下である。 In the carbonaceous material of the present invention, the half-width of the peak near 1360 cm −1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is preferably 250 cm −1 or more. Here, the peak near 1360 cm −1 is a Raman peak commonly referred to as the D band, which is a peak caused by disorder and defects in the graphite structure. The peak near 1360 cm −1 is usually observed in the range of 1345 cm −1 to 1375 cm −1 , preferably 1350 cm −1 to 1370 cm −1 . The half-width of the D band peak is related to the amount of disorder and defects in the graphite structure contained in the carbonaceous material. Such structural disorder can be caused by the introduction of nitrogen elements into the carbon skeleton. If the half-width of the Raman peak in the D band is less than 250 cm −1 , the structure will develop too much, and the development of the graphite structure will tend to prevent efficient entry and exit of lithium ions. Therefore, from the viewpoint of facilitating a reduction in resistance, the half-width of the peak near 1360 cm is preferably 250 cm or more, more preferably 260 cm or more, and even more preferably 270 cm or more. Furthermore, if the half-width is greater than 300 cm , the graphite structure contained in the carbonaceous material tends to be difficult to maintain, the amount of amorphous material increases, and the number of sites capable of absorbing lithium tends to decrease. This may result in a decrease in the amount of lithium ions absorbed, leading to a decrease in discharge capacity. From this viewpoint, the half-width of the peak near 1360 cm is preferably 300 cm or less.
また、本発明の炭素質材料において、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1650cm-1付近のピークの半値幅の値は、98cm-1以上であることが好ましい。ここで、1650cm-1付近のピークとは、一般にGバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造に起因するピークである。Gバンドにおけるラマンピークの半値幅が98cm-1未満の範囲であると、構造発達が進み過ぎて、グラファイト構造の発達により、リチウムイオンが効率よく出入りすることが出来なくなり、抵抗が増加する傾向がある。そのため、抵抗を下げやすくする観点から、1650cm-1付近のピークの半値幅は、好ましくは98cm-1以上であり、より好ましくは100cm-1以上であり、更に好ましくは102cm-1以上である。また、1650cm-1付近のピークの半値幅の上限に特に制限はないが、通常は115cm-1以下、好ましくは110cm-1以下、より好ましくは107cm-1以下である。 Furthermore, in the carbonaceous material of the present invention, the half-width value of the peak near 1650 cm −1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is preferably 98 cm −1 or more. Here, the peak near 1650 cm −1 is a Raman peak generally referred to as the G band, which is a peak attributable to the graphite structure. If the half-width of the Raman peak in the G band is in the range of less than 98 cm −1 , the structure develops too much, and the development of the graphite structure prevents efficient entry and exit of lithium ions, which tends to increase resistance. Therefore, from the viewpoint of easily reducing the resistance, the half-width of the peak near 1650 cm −1 is preferably 98 cm −1 or more, more preferably 100 cm −1 or more, and even more preferably 102 cm −1 or more. There is no particular upper limit to the half width of the peak near 1650 cm −1 , but it is usually 115 cm −1 or less, preferably 110 cm −1 or less, and more preferably 107 cm −1 or less.
ラマンスペクトルの測定は、ラマン分光器(例えば、堀場製作所製ラマン分光器「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用いて行う。具体的には、例えば、測定対象粒子を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、測定セル内に532nmのアルゴンイオンレーザ光を照射しながら、露光時間1秒、積算回数100回、測定範囲を50-2000cm-1として測定する。 The Raman spectrum is measured using a Raman spectrometer (for example, a Raman spectrometer "LabRAM ARAMIS (VIS)" manufactured by Horiba, Ltd.). Specifically, for example, the particles to be measured are placed on an observation stage, the magnification of the objective lens is set to 100 times, the focus is adjusted, and 532 nm argon ion laser light is irradiated into the measurement cell, with an exposure time of 1 second, an accumulation count of 100, and a measurement range of 50-2000 cm .
本発明の炭素質材料の平均粒子径D50は30μm以下であることによって、電極作製時の塗工性が良好となることに加えて、炭素質材料の粒子内でのリチウムイオンの拡散自由行程が少なくなるため、急速な充放電が得やすくなり好ましい。さらに、リチウムイオン二次電池では、入出力特性を向上させるために電極面積を大きくすることが重要であり、そのためには、電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。これらの観点から平均粒子径D50は小さいほど好ましく、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下、さらにより好ましくは20μm以下、特に好ましくは18μm以下、最も好ましくは15μm以下である。活物質となる炭素質材料の平均粒子径が上記の上限以下である場合、電極調製時に塗工厚みを薄くしやすい。また、本発明の炭素質材料の平均粒子径D50は2μm以上であることによって、炭素質材料中の微粉による比表面積の増加および電解液との反応性の増加を抑制し、不可逆容量の増加を抑制しやすくなり好ましい。また、炭素質材料を用いて負極を製造する場合に、炭素質材料の間に形成される空隙を確保しやすく、電解液中でのリチウムイオンの移動が抑制されにくく、蓄電デバイスの抵抗を低減させやすい。これらの観点から平均粒子径D50は2μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、4μm以上がさらにより好ましく、5μm以上が特に好ましい。平均粒子径D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、例えば粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いたレーザー散乱法により粒度分布を測定することにより求めることができる。 The carbonaceous material of the present invention preferably has an average particle diameter D50 of 30 μm or less, which not only improves the coatability during electrode preparation but also reduces the free diffusion path of lithium ions within the carbonaceous material particles, facilitating rapid charge and discharge. Furthermore, in lithium-ion secondary batteries, it is important to increase the electrode area to improve input/output characteristics. To achieve this, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate during electrode preparation. From these perspectives, the smaller the average particle diameter D50 , the more preferable it is, and it is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, even more preferably 20 μm or less, particularly preferably 18 μm or less, and most preferably 15 μm or less. When the average particle diameter of the carbonaceous material serving as the active material is below the above upper limit, it is easy to reduce the coating thickness during electrode preparation. Furthermore, the carbonaceous material of the present invention preferably has an average particle diameter D50 of 2 μm or more, which suppresses an increase in the specific surface area and an increase in reactivity with the electrolyte due to fine powder in the carbonaceous material, and thus facilitates suppression of an increase in irreversible capacity. Furthermore, when a negative electrode is produced using a carbonaceous material, it is easy to ensure that voids are formed between the carbonaceous material, and the migration of lithium ions in the electrolyte is less likely to be inhibited, making it easy to reduce the resistance of the electricity storage device. From these perspectives, the average particle diameter D50 is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, even more preferably 4 μm or more, and particularly preferably 5 μm or more. The average particle diameter D50 is the particle diameter at which the cumulative volume becomes 50%, and can be determined, for example, by measuring the particle size distribution by a laser scattering method using a particle diameter/particle size distribution measuring device ("Microtrac MT3300EXII" manufactured by Microtrac-Bell Corporation).
本発明の炭素質材料は、
(1)原料を、窒素を含有する化合物(以下、「窒素含有化合物」とも記載する)と混合する工程、
(2)得られた混合物を、不活性ガス雰囲気中、100℃/時間以上の昇温速度で500~1200℃の間の第1所定温度まで昇温する工程、
(3)500~1200℃の温度、好ましくは第1所定温度で、不活性ガス、好ましくは不活性ガス雰囲気中で熱処理を施して炭化物を得る工程、および
(4)得られた炭化物を、不活性ガス雰囲気中、100℃/時間以上の昇温速度で前記第1所定温度~1400℃の間の第2所定温度まで昇温する工程、および
(5)800~1400℃の温度、好ましくは第2所定温度で、不活性ガスで熱処理を施す工程
を含む方法により製造することができる。本明細書では、上記の工程(2)および/または(3)を低温焼成(工程)、上記の工程(4)および/または(5)を高温焼成(工程)と、それぞれ称することがある。炭素質材料は、通常の方法、例えば炭化物をボールミルやジェットミルで粉砕すること等により得ることができる。粉砕は、工程(3)の後および/または工程(5)の後に行ってよい。
The carbonaceous material of the present invention is
(1) mixing the raw material with a compound containing nitrogen (hereinafter also referred to as "nitrogen-containing compound");
(2) heating the resulting mixture in an inert gas atmosphere at a temperature increase rate of 100°C/hour or more to a first predetermined temperature between 500°C and 1200°C;
The carbonaceous material can be produced by a method including the steps of (3) heat-treating the carbide in an inert gas atmosphere at a temperature of 500 to 1200°C, preferably a first predetermined temperature, to obtain a carbide; (4) heating the obtained carbide in an inert gas atmosphere at a heating rate of 100°C/hour or more to a second predetermined temperature between the first predetermined temperature and 1400°C; and (5) heat-treating the carbide in an inert gas atmosphere at a temperature of 800 to 1400°C, preferably the second predetermined temperature. In this specification, the above steps (2) and/or (3) may be referred to as "low-temperature firing" (step), and the above steps (4) and/or (5) may be referred to as "high-temperature firing" (step). Carbonaceous materials can be obtained by conventional methods, such as pulverizing the carbide using a ball mill or jet mill. Pulverization may be performed after step (3) and/or step (5).
本発明の炭素質材料の原料に限定はなく石油ピッチ、石炭ピッチ、ヤシ殻等の公知の難黒鉛化性炭素原料を適用できるが、上記特徴を有する本発明の炭素質材料を得やすく、架橋構造など構造を修飾しやすい原料として、糖類を適用するのが好ましい。糖類を原料として用いることにより、糖類に由来する、より詳細には糖類骨格を有する物質に由来する炭素質材料を得ることができる。 The raw material for the carbonaceous material of the present invention is not limited, and known non-graphitizable carbonaceous materials such as petroleum pitch, coal pitch, and coconut shells can be used. However, sugars are preferably used as raw materials, as they are easy to use to obtain the carbonaceous material of the present invention having the above characteristics and are easy to modify the structure, such as to form a crosslinked structure. By using sugars as raw materials, it is possible to obtain a carbonaceous material derived from sugars, more specifically, derived from a substance having a sugar skeleton.
原料として糖類を用いる場合は、その種類に特に限定されない。例えば、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、リボース、グルコサミンなどの単糖類や、スクロース、トレハロース、マルトース、セロビオース、マルチトール、ラクトビオン酸、ラクトサミンなどの二糖類、デンプン、グリコーゲン、アガロース、ペクチン、セルロース、キチン、キトサンなどの多糖類を例示できる。これらの糖類は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの糖類の中で、大量入手が容易であるためデンプンが好ましい。このような糖類を原料として用いることにより、糖類に由来する炭素質材料を得ることができる。When sugars are used as raw materials, there are no particular limitations on the type. Examples include monosaccharides such as glucose, galactose, mannose, fructose, ribose, and glucosamine; disaccharides such as sucrose, trehalose, maltose, cellobiose, maltitol, lactobionic acid, and lactosamine; and polysaccharides such as starch, glycogen, agarose, pectin, cellulose, chitin, and chitosan. These sugars can be used alone or in combination of two or more. Among these sugars, starch is preferred because it is easily available in large quantities. By using such sugars as raw materials, a sugar-derived carbonaceous material can be obtained.
窒素含有化合物は特に限定されないが、例えば、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、硝酸アンモニウムなどの無機アンモニウム塩や、ギ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、蓚酸アンモニウム、クエン酸水素二アンモニウムなどの有機アンモニウム塩や、アニリン塩酸塩、アミノナフタレン塩酸塩などの芳香族アミン塩酸塩、メラミン、ピリミジン、ピリジン、ピロール、イミダゾール、インドール、尿素などの含窒素有機化合物を例示できる。これらの窒素含有化合物の中で、窒素元素が炭素質材料に多く取り込まれやすい観点から、分子内の窒素含有率が高いメラミンおよび尿素が好ましい。 The nitrogen-containing compound is not particularly limited, but examples include inorganic ammonium salts such as ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium carbonate, and ammonium nitrate; organic ammonium salts such as ammonium formate, ammonium acetate, ammonium oxalate, and diammonium hydrogen citrate; aromatic amine hydrochlorides such as aniline hydrochloride and aminonaphthalene hydrochloride; and nitrogen-containing organic compounds such as melamine, pyrimidine, pyridine, pyrrole, imidazole, indole, and urea. Among these nitrogen-containing compounds, melamine and urea, which have a high intramolecular nitrogen content, are preferred, as they allow for greater incorporation of nitrogen elements into the carbonaceous material.
また、上記の窒素含有化合物の他に酸触媒を添加してもよい。添加する酸触媒は特に限定されないが、例えば有機酸が挙げられる。有機酸としては、特に限定されないが、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、コハク酸、リノール酸、オレイン酸、アジピン酸等の脂肪族カルボン酸;安息香酸、サリチル酸、フタル酸、テレフタル酸等の芳香族カルボン酸;乳酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸等のヒドロキシカルボン酸;エチレンジアミン四酢酸等のカルボン酸、p-トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等のスルホン酸などが挙げられる。酸触媒を添加することで、糖類と窒素含有化合物との反応が促進され、窒素含有量の大きな炭素質材料が得られる傾向にある。In addition to the nitrogen-containing compound, an acid catalyst may also be added. The acid catalyst to be added is not particularly limited, but examples include organic acids. Examples of organic acids include, but are not limited to, aliphatic carboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, palmitic acid, stearic acid, succinic acid, linoleic acid, oleic acid, and adipic acid; aromatic carboxylic acids such as benzoic acid, salicylic acid, phthalic acid, and terephthalic acid; hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, tartaric acid, citric acid, and malic acid; carboxylic acids such as ethylenediaminetetraacetic acid; and sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid and methanesulfonic acid. Adding an acid catalyst promotes the reaction between the sugars and the nitrogen-containing compound, tending to produce a carbonaceous material with a high nitrogen content.
原料と窒素含有化合物、または、原料と窒素含有化合物および酸触媒の混合方式としては、特に限定されないが、乾式または湿式混合を用いることができる。 The method of mixing the raw material and the nitrogen-containing compound, or the raw material, the nitrogen-containing compound and the acid catalyst, is not particularly limited, but dry or wet mixing can be used.
乾式混合の場合、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒を、原料に添加することによって、これらの混合物を得ることができる。この場合、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒と原料とを均一に混合させる観点から、例えば、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒と原料とを乳鉢ですり潰すか、ボールミルで粉砕しながら粉末状にして混合することが好ましい。In the case of dry mixing, a mixture of the nitrogen-containing compound or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst can be obtained by adding them to the raw materials. In this case, in order to uniformly mix the nitrogen-containing compound or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst with the raw materials, it is preferable to grind the nitrogen-containing compound or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst with the raw materials in a mortar or mortar, or to grind them in a ball mill to form powder and then mix them.
湿式混合の場合、例えば、溶媒に原料を溶解させて溶液を調製し、次に、この溶液に窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒を添加することにより混合することができる。また、溶液を、窒素含有化合物に散布(スプレー散布等)することによって、混合を行ってもよい。また、溶媒に窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒を溶解させて調製した溶液に、原料を添加して混合を行ってもよい。混合後、必要に応じて溶媒を蒸発させてもよい。かかる処理により、原料と、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒との混合物を得ることができる。用いる溶媒は特に限定されないが、例えば水、アルコール溶媒(エタノール、メタノール、エチレングリコール、イソプロピルアルコール等)、エステル溶媒(酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等)、エーテル溶媒(テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、1,4-ジオキサン等)、ケトン溶媒(アセトン、2-ブタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等)、脂肪族炭化水素溶媒(ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等)、芳香族炭化水素溶媒(トルエン、キシレン、メシチレン等)、ニトリル溶媒(アセトニトリル等)、および塩素化炭化水素溶媒(ジクロロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン等)、ならびにこれらの混合物が挙げられる。原料と窒素含有化合物、または、原料と窒素含有化合物および酸触媒を均一に混合させるためには、両者がいずれも溶媒に溶解し易いことが有効であるため、水、アルコール溶媒ならびにこれらの混合物が溶媒として好ましい。溶媒を蒸発させる方法は特に限定されないが、例えば、熱処理および減圧処理、ならびにこれらの組み合わせを施す方法が挙げられる。熱処理の温度は、窒素含有化合物の熱分解が生じ難い温度、または、糖類の熱分解が生じ難い温度であればよく、溶媒の種類によって異なるが、好ましくは40~150℃、より好ましくは50~120℃、さらに好ましくは60~100℃である。In the case of wet mixing, for example, a solution can be prepared by dissolving the raw materials in a solvent, and then mixing can be performed by adding the nitrogen-containing compound, or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst, to this solution. Mixing can also be performed by spraying (e.g., spraying) the solution onto the nitrogen-containing compound. Mixing can also be performed by adding the raw materials to a solution prepared by dissolving the nitrogen-containing compound, or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst, in a solvent. After mixing, the solvent can be evaporated if necessary. This process can produce a mixture of the raw materials and the nitrogen-containing compound, or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst. The solvent used is not particularly limited, but examples thereof include water, alcohol solvents (ethanol, methanol, ethylene glycol, isopropyl alcohol, etc.), ester solvents (ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, etc.), ether solvents (tetrahydrofuran, dimethoxyethane, 1,4-dioxane, etc.), ketone solvents (acetone, 2-butanone, cyclopentanone, cyclohexanone, etc.), aliphatic hydrocarbon solvents (pentane, hexane, heptane, etc.), aromatic hydrocarbon solvents (toluene, xylene, mesitylene, etc.), nitrile solvents (acetonitrile, etc.), chlorinated hydrocarbon solvents (dichloromethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), and mixtures thereof. In order to uniformly mix the raw material and the nitrogen-containing compound, or the raw material, the nitrogen-containing compound, and the acid catalyst, it is effective that both are easily soluble in the solvent. Therefore, water, alcohol solvents, and mixtures thereof are preferred as the solvent. The method for evaporating the solvent is not particularly limited, but examples thereof include heat treatment, reduced pressure treatment, and combinations thereof. The temperature for the heat treatment may be any temperature at which thermal decomposition of the nitrogen-containing compound or the sugar is unlikely to occur, and varies depending on the type of solvent, but is preferably 40 to 150°C, more preferably 50 to 120°C, and even more preferably 60 to 100°C.
原料と混合する窒素含有化合物の含有窒素量は、得られる混合物の質量に対して、好ましくは0.1モル当量以上、より好ましくは0.2モル当量以上、さらに好ましくは0.3モル当量以上であり、好ましくは2.0モル当量以下、より好ましくは1.0モル当量以下、さらに好ましくは0.8モル当量以下である。混合する窒素含有化合物の量が上記下限以上であると、得られる炭素質材料に効率的に窒素元素が取り込まれるため好ましい。混合する窒素含有化合物の量が上記上限以下であると、過剰な窒素元素の取り込みを抑制することができ、過度な炭素構造の乱れを生じないため、得られる炭素質材料を含む蓄電デバイスは、高い放電容量を示し、さらに、高いサイクル耐久性を示すことが容易となる。The amount of nitrogen contained in the nitrogen-containing compound mixed with the raw materials is preferably 0.1 molar equivalents or more, more preferably 0.2 molar equivalents or more, even more preferably 0.3 molar equivalents or more, and preferably 2.0 molar equivalents or less, more preferably 1.0 molar equivalents or less, and even more preferably 0.8 molar equivalents or less, based on the mass of the resulting mixture. Mixing the amount of nitrogen-containing compound at or above the lower limit above is preferred because nitrogen elements are efficiently incorporated into the resulting carbonaceous material. Mixing the amount of nitrogen-containing compound at or below the upper limit above suppresses excessive nitrogen element incorporation and prevents excessive disruption of the carbon structure, making it easier for an energy storage device containing the resulting carbonaceous material to exhibit high discharge capacity and high cycle durability.
本発明の製造方法において、原料を、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒と混合する工程(1)から得られた混合物を昇温して第1の焼成を行い、さらに得られた炭化物に対して第2の焼成が施される。
第1の焼成において、好適には、工程(1)から得られた混合物を昇温し、500~1200℃、好ましくは600~1150℃、より好ましくは700~1100℃、さらに好ましくは800~1100℃の間の温度で、好ましくは以下に記載する第1所定温度で、不活性ガス、好ましくは不活性ガス雰囲気中で熱処理を施して炭化物を得る[工程(3)]。不活性ガスとしては例えば窒素ガスが挙げられる。不活性ガスにより熱処理を施す温度は、下記の第1所定温度であることが好ましいが、上記範囲内であれば特に限定されない。また、不活性ガスにより熱処理を施す温度は一定温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。
In the production method of the present invention, the mixture obtained in step (1) of mixing the raw material with the nitrogen-containing compound, or the nitrogen-containing compound and the acid catalyst, is heated to perform a first calcination, and the resulting carbonized product is then subjected to a second calcination.
In the first firing, the mixture obtained from step (1) is preferably heated to a temperature between 500 and 1200°C, preferably 600 and 1150°C, more preferably 700 and 1100°C, and even more preferably 800 and 1100°C, and is preferably subjected to a heat treatment in an inert gas, preferably an inert gas atmosphere, at a first predetermined temperature described below to obtain a carbide [step (3)]. Examples of inert gases include nitrogen gas. The temperature at which the heat treatment is performed using an inert gas is preferably the first predetermined temperature described below, but is not particularly limited as long as it is within the above range. Furthermore, the temperature at which the heat treatment is performed using an inert gas may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range.
この際、原料を、窒素含有化合物、または、窒素含有化合物および酸触媒と混合する工程(1)から得られた混合物は、好適には、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中、100℃/時間以上、好ましくは100~600℃/時間の昇温速度で、500~1200℃、好ましくは600~1150℃、より好ましくは700~1130℃、さらに好ましくは800~1100℃の間の第1所定温度まで昇温される[工程(2)]。工程(2)の昇温は不活性ガス雰囲気中で行われるが、不活性ガス供給下で熱処理を施してもよい。In this process, the mixture obtained in step (1), in which the raw materials are mixed with a nitrogen-containing compound or a nitrogen-containing compound and an acid catalyst, is preferably heated in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas at a heating rate of 100°C/hour or more, preferably 100 to 600°C/hour, to a first predetermined temperature between 500 to 1200°C, preferably 600 to 1150°C, more preferably 700 to 1130°C, and even more preferably 800 to 1100°C [step (2)]. The heating in step (2) is carried out in an inert gas atmosphere, but heat treatment may also be carried out while an inert gas is being supplied.
本発明の製造方法では、次に、第1の焼成によって得られた炭化物に対し、第2の焼成が施される。第2の焼成において、好適には、工程(3)から得られた炭化物を昇温し、800~1400℃、好ましくは1050~1380℃、より好ましくは1100~1370℃、さらに好ましくは1150~1360℃、特に好ましくは1200~1350℃の間の温度で、好ましくは以下に記載する第2所定温度で、窒素ガスなどの不活性ガス、好ましくは不活性ガス雰囲気中で熱処理を施す[工程(5)]。不活性ガスにより熱処理を施す温度は、下記の第2所定温度であることが好ましいが、上記範囲内であれば特に限定されない。また、不活性ガスにより熱処理を施す温度は一定温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。In the manufacturing method of the present invention, the carbide obtained by the first firing is then subjected to a second firing. In the second firing, the carbide obtained from step (3) is preferably heated to a temperature between 800 and 1400°C, preferably 1050 and 1380°C, more preferably 1100 and 1370°C, even more preferably 1150 and 1360°C, and particularly preferably 1200 and 1350°C, and is then heat-treated in an inert gas atmosphere, such as nitrogen gas, preferably an inert gas atmosphere, at a temperature between 800 and 1400°C, preferably 1050 and 1380°C, more preferably 1100 and 1370°C, even more preferably 1150 and 1360°C, and particularly preferably 1200 and 1350°C, preferably at the second predetermined temperature described below [step (5)]. The temperature at which the inert gas heat treatment is performed is preferably the second predetermined temperature described below, but is not particularly limited as long as it is within the above range. The temperature at which the inert gas heat treatment is performed may also be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range.
この際、工程(3)から得られた炭化物に揮発性有機物を添加し、工程(4)に供してもよい。揮発性有機物は窒素等不活性ガスにより熱処理をする際(例えば500℃以上)において、ほとんど(例えば80%以上、好ましくは90%以上)炭化せず、揮発する(気化もしくは熱分解し、ガスになる)有機化合物を指す。揮発性有機物としては、特に限定されないが、例えば、熱可塑性樹脂、低分子有機化合物が挙げられる。具体的には、熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル等を挙げることができる。なお、この明細書において、(メタ)アクリルとは、メタクリルとアクリルの総称である。低分子有機化合物としては、トルエン、キシレン、メシチレン、スチレン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等を挙げることができる。焼成温度下で揮発し、熱分解した場合に炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としてはポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましい。低分子有機化合物としては、さらに安全上の観点から常温下(例えば20℃)において揮発性が小さいことが好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等が好ましい。このような揮発性有機物を添加すると、本発明の炭素質材料における特徴的な構造を維持しながら、より比表面積を小さくできる点で好ましい。In this case, a volatile organic compound may be added to the carbonized material obtained in step (3) and then subjected to step (4). Volatile organic compounds are organic compounds that undergo heat treatment (e.g., at 500°C or higher) with an inert gas such as nitrogen, but are rarely carbonized (e.g., 80% or more, preferably 90% or more) and volatilize (vaporize or pyrolyze into gas). Volatile organic compounds include, but are not limited to, thermoplastic resins and low-molecular-weight organic compounds. Specific examples of thermoplastic resins include polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly(meth)acrylic acid, and poly(meth)acrylic acid esters. In this specification, (meth)acrylic is a general term for methacrylic and acrylic. Examples of low-molecular-weight organic compounds include toluene, xylene, mesitylene, styrene, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. Thermoplastic resins that volatilize at firing temperatures and do not oxidize and activate the surface of the carbon precursor when pyrolyzed are preferred, and therefore polystyrene, polyethylene, and polypropylene are preferred. Further, from the viewpoint of safety, the low-molecular-weight organic compound is preferably one that is less volatile at room temperature (e.g., 20°C), and preferred examples include naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene, etc. Addition of such a volatile organic compound is preferred in that it allows the specific surface area to be further reduced while maintaining the characteristic structure of the carbonaceous material of the present invention.
この際、工程(3)から得られた炭化物は、好適には、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中、100℃/時間以上、好ましくは100~600℃/時間の昇温速度で、第1所定温度~1400℃の範囲にある第2所定温度まで昇温される[工程(4)]。工程(4)の昇温は不活性ガス雰囲気中で行われるが、不活性ガス供給下で熱処理を施してもよい。In this process, the carbide obtained from step (3) is preferably heated to a second predetermined temperature in the range of the first predetermined temperature to 1400°C at a heating rate of 100°C/hour or more, preferably 100 to 600°C/hour, in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas [step (4)]. The heating in step (4) is carried out in an inert gas atmosphere, but heat treatment may also be carried out while an inert gas is being supplied.
第2の焼成は、通常、第1の焼成の温度以上の温度、好ましくは第1の焼成の温度より高い温度で実施される。そのため、本明細書において、第1の焼成と第2の焼成を、それぞれ低温焼成、高温焼成と称することがある。第2の焼成の温度、すなわち工程(4)における第2所定温度は、電極に用いた際に高い放電容量および充放電効率を与える炭素質材料が得られる点で、第1の焼成の温度、すなわち工程(2)における第1所定温度以上の温度であることが好ましい。第2所定温度は、より好ましくは第1所定温度より50~700℃高い温度、さらに好ましくは第1所定温度より100~500℃高い温度、よりさらに好ましくは第1所定温度より150~400℃高い温度、特に好ましくは第1所定温度より200~300℃高い温度である。また、第2所定温度は1400℃以下であることが好ましく、1380℃以下がより好ましく、1360℃以下がさらに好ましく、1350℃以下が特に好ましい。The second firing is typically carried out at a temperature equal to or higher than the temperature of the first firing, preferably at a temperature higher than the temperature of the first firing. Therefore, in this specification, the first firing and the second firing are sometimes referred to as low-temperature firing and high-temperature firing, respectively. The temperature of the second firing, i.e., the second predetermined temperature in step (4), is preferably equal to or higher than the temperature of the first firing, i.e., the first predetermined temperature in step (2), in order to obtain a carbonaceous material that provides high discharge capacity and charge/discharge efficiency when used in an electrode. The second predetermined temperature is more preferably 50 to 700°C higher than the first predetermined temperature, even more preferably 100 to 500°C higher than the first predetermined temperature, even more preferably 150 to 400°C higher than the first predetermined temperature, and particularly preferably 200 to 300°C higher than the first predetermined temperature. The second predetermined temperature is preferably 1400°C or less, more preferably 1380°C or less, even more preferably 1360°C or less, and particularly preferably 1350°C or less.
本発明の炭素質材料は、蓄電デバイスの負極活物質として好適に使用することができる。本発明はまた、本発明の炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極も提供する。 The carbonaceous material of the present invention can be suitably used as a negative electrode active material for an electricity storage device. The present invention also provides a negative electrode for an electricity storage device comprising the carbonaceous material of the present invention.
以下において、本発明の蓄電デバイス用の負極の製造方法を具体的に述べる。本発明の負極は、本発明の炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加および混練し、電極合剤とした後に、金属板等からなる集電板に塗布および乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。 The following describes in detail a method for manufacturing a negative electrode for an electricity storage device of the present invention. The negative electrode of the present invention can be manufactured by adding a binder to the carbonaceous material of the present invention, adding an appropriate amount of a suitable solvent, and kneading the mixture to form an electrode mixture, which is then applied to a current collector plate made of a metal plate or the like, dried, and then pressure-molded.
また、得られた負極の不可逆容量を低減する目的で、公知の方法でリチウムプレドープを行うこともできる。 In addition, lithium pre-doping can be performed using known methods to reduce the irreversible capacity of the resulting negative electrode.
本発明の炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極(負極)を製造することができるが、さらに高い導電性を付与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5~10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、さらにより好ましくは0.5~7質量%、特に好ましくは0.5~5質量%である。結合剤(バインダー)としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等のように電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性が得られるため好ましい。PVDFを溶解し、スラリーを形成するために、N-メチルピロリドン(NMP)等の極性溶媒が好ましく用いられるが、SBR等の水性エマルジョンやCMCを水に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分になることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えばPVDF系のバインダーでは好ましくは3~13質量%であり、より好ましくは3~10質量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5~5質量%が好ましく、1~4質量%がより好ましい。また、電極合剤中の本発明の炭素質材料は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。
また、電極合剤中の本発明の炭素質材料は100質量%以下が好ましく、97質量%以下がより好ましい。
By using the carbonaceous material of the present invention, an electrode (negative electrode) having high conductivity can be produced without adding a conductive additive. However, to further enhance conductivity, a conductive additive can be added during preparation of the electrode mixture, as needed. Examples of conductive additives that can be used include conductive carbon black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), and nanotubes. The amount of conductive additive added varies depending on the type of conductive additive used. Adding too little may result in the desired conductivity not being achieved, while adding too much may result in poor dispersion in the electrode mixture. From this perspective, the preferred proportion of conductive additive added is 0.5 to 10% by mass (where the amount of active material (carbonaceous material) + the amount of binder + the amount of conductive additive = 100% by mass), more preferably 0.5 to 7% by mass, and particularly preferably 0.5 to 5% by mass. The binder is not particularly limited as long as it does not react with the electrolyte, such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, or a mixture of SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose). PVDF is preferred because the PVDF attached to the active material surface does not significantly inhibit lithium ion migration, resulting in good input/output characteristics. Polar solvents such as N-methylpyrrolidone (NMP) are preferably used to dissolve PVDF and form a slurry, but aqueous emulsions of SBR or CMC dissolved in water can also be used. Adding too much binder increases the resistance of the resulting electrode, which can increase the internal resistance of the battery and degrade battery performance. Adding too little binder can result in insufficient bonding between the particles of the negative electrode material and with the current collector. The preferred amount of binder added varies depending on the type of binder used, but for example, for PVDF-based binders, it is preferably 3 to 13 mass %, more preferably 3 to 10 mass %. On the other hand, for binders that use water as a solvent, a mixture of multiple binders, such as a mixture of SBR and CMC, is often used, and the total amount of all binders used is preferably 0.5 to 5 mass %, more preferably 1 to 4 mass %. Furthermore, the carbonaceous material of the present invention in the electrode mixture is preferably 80 mass % or more, more preferably 90 mass % or more.
The carbonaceous material of the present invention in the electrode mixture preferably accounts for 100 mass % or less, more preferably 97 mass % or less.
電極活物質層は、基本的には集電板の両面に形成されるが、必要に応じて片面に形成されていてもよい。電極活物質層が厚いほど、高容量化には好ましい。しかし、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため、電極活物質層が厚すぎると入出力特性が低下することがある。活物質層の厚み(片面当たり)は、高容量化と入出力特性の両立という観点から、好ましくは10~80μm、より好ましくは20~75μm、さらにより好ましくは30~75μmである。 The electrode active material layer is generally formed on both sides of the current collector plate, but may be formed on one side if necessary. The thicker the electrode active material layer, the higher the capacity. However, since a larger electrode area facing the counter electrode is advantageous for improving input/output characteristics, if the electrode active material layer is too thick, the input/output characteristics may deteriorate. From the perspective of achieving both high capacity and input/output characteristics, the thickness of the active material layer (per side) is preferably 10 to 80 μm, more preferably 20 to 75 μm, and even more preferably 30 to 75 μm.
本発明の蓄電デバイスは、本発明の蓄電デバイス用負極を含む。本発明の炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極を有する蓄電デバイスは、高い放電容量と高いサイクル耐久性を有する。 The electricity storage device of the present invention includes the electricity storage device negative electrode of the present invention. An electricity storage device having an electricity storage device negative electrode containing the carbonaceous material of the present invention has a high discharge capacity and high cycle durability.
本発明の炭素質材料を用いて蓄電デバイス用の負極を形成する場合、正極材料、セパレータ、および電解液などの電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。 When the carbonaceous material of the present invention is used to form a negative electrode for an electricity storage device, there are no particular restrictions on the other materials that make up the battery, such as the positive electrode material, separator, and electrolyte, and it is possible to use various materials that have traditionally been used or proposed for non-aqueous solvent secondary batteries.
例えば、正極材料としては、層状酸化物系(LiMO2と表されるもので、Mは金属:例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、またはLiNixCoyMozO2(ここでx、y、zは組成比を表わす))、オリビン系(LiMPO4で表され、Mは金属:例えばLiFePO4など)、スピネル系(LiM2O4で表され、Mは金属:例えばLiMn2O4など)の複合金属カルコゲン化合物が好ましく、これらのカルコゲン化合物を必要に応じて混合して使用してもよい。これらの正極材料を適当なバインダーと電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成することにより正極が形成される。 For example, the positive electrode material is preferably a composite metal chalcogen compound such as a layered oxide ( represented as LiMO2 , where M is a metal, e.g., LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2 , or LiNixCoyMozO2 (where x, y, and z represent the composition ratio)), an olivine ( represented as LiMPO4 , where M is a metal, e.g., LiFePO4 ), or a spinel (represented as LiM2O4 , where M is a metal, e.g., LiMn2O4 ). These chalcogen compounds may be mixed as needed. The positive electrode is formed by molding these positive electrode materials together with a suitable binder and a carbon material that imparts conductivity to the electrode, and then forming a layer on a conductive current collector.
これらの正極および負極と組み合わせて用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ-ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、または1,3-ジオキソラン等の有機溶媒を、一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiCl、LiBr、LiB(C6H5)4、またはLiN(SO3CF3)2等が用いられる。 The nonaqueous electrolyte used in combination with these positive and negative electrodes is generally formed by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent. Examples of the nonaqueous solvent include organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, γ-butyllactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, and 1,3-dioxolane, and can be used singly or in combination. Examples of the electrolyte include LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, LiB(C 6 H 5 ) 4 , and LiN(SO 3 CF 3 ) 2 .
蓄電デバイスは、一般に上記のようにして形成した正極と負極とを必要に応じて透液性セパレータを介して対向させ、電解液中に浸漬させることにより形成される。このようなセパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性または透液性のセパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。 An electricity storage device is generally formed by arranging the positive and negative electrodes formed as described above, with a liquid-permeable separator interposed between them as needed, and immersing them in an electrolyte solution. Such separators can be nonwoven fabrics commonly used in secondary batteries, or other permeable or liquid-permeable separators made of porous materials. Alternatively, a solid electrolyte made of a polymer gel impregnated with an electrolyte solution can be used instead of or together with the separator.
本発明の炭素質材料は、例えば自動車などの車両に搭載される電池(典型的には車両駆動用蓄電デバイス)用炭素質材料として好適である。本発明において車両とは、通常、電動車両として知られるものや、燃料電池や内燃機関とのハイブリッド車など、特に限定されることなく対象とすることができるが、少なくとも上記電池を備えた電源装置と、該電源装置からの電源供給により駆動する電動駆動機構と、これを制御する制御装置とを備えるものである。車両は、さらに、発電ブレーキや回生ブレーキを備え、制動によるエネルギーを電気に変換して、前記蓄電デバイスに充電する機構を備えていてもよい。The carbonaceous material of the present invention is suitable as a carbonaceous material for batteries (typically, vehicle drive electricity storage devices) mounted on vehicles such as automobiles. In the present invention, the term "vehicle" refers to, without limitation, what is commonly known as an electric vehicle, a hybrid vehicle with a fuel cell or internal combustion engine, or the like, and includes at least a power supply unit equipped with the above-mentioned battery, an electric drive mechanism driven by power supplied from the power supply unit, and a control device for controlling the same. The vehicle may further include a dynamic brake or regenerative brake, and a mechanism for converting braking energy into electricity and charging the electricity storage device.
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。なお、以下に炭素質材料の物性値の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。The present invention will be explained in more detail below using examples, but these are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, methods for measuring the physical properties of carbonaceous materials are described below, but the physical properties described in this specification, including the examples, are based on values determined by the following methods.
(元素分析)
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA-930を用いて、不活性ガス溶解法に基づいて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、
酸素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)、
窒素:不活性ガス融解-熱伝導法(TCD)、
水素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)
であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH2(H標準試料)、SS-3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。
試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was carried out based on the inert gas dissolution method using an oxygen, nitrogen and hydrogen analyzer EMGA-930 manufactured by Horiba Ltd.
The detection method of the device is as follows:
Oxygen: inert gas fusion - non-dispersive infrared (NDIR);
Nitrogen: inert gas fusion - thermal conduction method (TCD),
Hydrogen: Inert gas fusion - Non-dispersive infrared (NDIR)
Calibration was performed using a (oxygen/nitrogen) Ni capsule, TiH 2 (H standard sample), and SS-3 (N, O standard sample). As a pretreatment, 20 mg of the sample whose moisture content had been measured at 250°C for approximately 10 minutes was placed in a Ni capsule and degassed for 30 seconds in the elemental analyzer before measurement.
The test was carried out on three samples, and the average value was used as the analytical value.
(X線回折)
炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、リガク社製MiniFlexIIを用いて、X線回折測定を行った。CuKα(λ=1.5418Å)を線源とし、走査範囲は10°<2θ<35°とした。
(X-ray diffraction)
The carbonaceous material powder was filled into a sample holder and subjected to X-ray diffraction measurement using a MiniFlex II manufactured by Rigaku Corp. The CuKα (λ=1.5418 Å) radiation source was used, and the scanning range was 10°<2θ<35°.
(ラマンスペクトル)
ラマン分光器(堀場製作所製「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用い、炭素質材料である測定対象粒子を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、アルゴンイオンレーザ光を照射しながら測定した。測定条件の詳細は以下のとおりである。
アルゴンイオンレーザ光の波長:532nm
試料上のレーザーパワー:15mW
分解能:5-7cm-1
測定範囲:50-2000cm-1
露光時間:1秒
積算回数:100回
ピーク強度測定:ベースライン補正 Polynom-3次で自動補正
ピークサーチ&フィッテイング処理 GaussLoren
(Raman spectrum)
Using a Raman spectrometer ("LabRAM ARAMIS (VIS)" manufactured by Horiba, Ltd.), the measurement target particles, which were carbonaceous materials, were set on the observation stage, the magnification of the objective lens was set to 100 times, the particles were focused, and measurements were performed while irradiating them with argon ion laser light. Details of the measurement conditions are as follows.
Wavelength of argon ion laser light: 532 nm
Laser power on sample: 15 mW
Resolution: 5-7cm -1
Measurement range: 50-2000 cm
Exposure time: 1 second Number of integrations: 100 Peak intensity measurement: Baseline correction Automatic correction with Polynom-3
Peak search and fitting processing GaussLoren
(レーザー散乱法による平均粒子径D50)
炭素質材料の平均粒子径(粒度分布)は、以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業株式会社製「ToritonX100」)が5質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄器で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いて行った。D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
(Average particle diameter D50 measured by laser scattering method)
The average particle size (particle size distribution) of the carbonaceous material was measured by the following method. A sample was placed in an aqueous solution containing 5% by mass of a surfactant ("Toriton X100" manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), treated in an ultrasonic cleaner for 10 minutes or more, and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution measurement was performed using a particle size/particle size distribution measuring device ("Microtrac MT3300EXII" manufactured by Microtrac-Bell Corporation). D50 is the particle size at which the cumulative volume becomes 50%, and this value was used as the average particle size.
(実施例1)
デンプン10gとメラミン0.29g(デンプン単糖ユニット1モルに対して0.037モル)、アジピン酸0.76g(デンプン単糖ユニット1モルに対して0.084モル)を100mlの容器にいれ、2Hzで5分間振とうすることにより混合した。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、600℃まで昇温した。この際、600℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。次いで、窒素ガス気流下、600℃で60分間熱処理(低温焼成処理)することにより炭化処理を行なうことにより炭化物を得た(第1焼成)。この際、窒素ガスの供給量は、デンプン10gあたり1L/分であった。その後、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。次に、粉砕炭化物を、1000℃まで昇温し、1000℃で60分間熱処理することにより高温焼成処理を行うことにより炭素質材料を得た(第2焼成)。この際、1000℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
Example 1
10 g of starch, 0.29 g of melamine (0.037 mol per mol of starch monosaccharide units), and 0.76 g of adipic acid (0.084 mol per mol of starch monosaccharide units) were placed in a 100 ml container and mixed by shaking at 2 Hz for 5 minutes. The resulting mixture was heated to 600°C in a nitrogen gas atmosphere. The heating rate to 600°C was 600°C/hour (10°C/min). Next, the mixture was carbonized by heat treatment (low-temperature firing) at 600°C for 60 minutes under a nitrogen gas flow to obtain a carbonized product (first firing). The nitrogen gas supply rate was 1 L/min per 10 g of starch. The resulting carbonized product was then pulverized in a ball mill to obtain a pulverized carbonized product. Next, the pulverized carbide was heated to 1000°C and subjected to a high-temperature calcination treatment at 1000°C for 60 minutes to obtain a carbonaceous material (second calcination). The rate of temperature increase to 1000°C was 600°C/hour (10°C/min). The temperature increase and heat treatment were carried out under a nitrogen gas flow. The nitrogen gas supply rate was 3 L/min per 5 g of pulverized carbide.
(実施例2)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.045モル、アジピン酸をデンプン単糖ユニット1モルに対して0.025モルとした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
Example 2
A carbonaceous material was obtained by treating in the same manner as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.045 mol per mol of starch monosaccharide unit and the amount of adipic acid was 0.025 mol per mol of starch monosaccharide unit.
(実施例3)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.075モル、アジピン酸をデンプン単糖ユニット1モルに対して0.042モルとし、第2焼成温度を1100℃にした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
Example 3
A carbonaceous material was obtained by the same treatment as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.075 moles per mole of starch monosaccharide unit, the amount of adipic acid was 0.042 moles per mole of starch monosaccharide unit, and the second firing temperature was 1100°C.
(実施例4)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.15モルとし、第2焼成温度を1100℃にした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
Example 4
A carbonaceous material was obtained by carrying out the same treatment as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.15 mol per mol of starch monosaccharide unit and the second baking temperature was 1100°C.
(実施例5:参考例)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.045モル、アジピン酸をデンプン単糖ユニット1モルに対して0.042モルとした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Example 5 : Reference Example )
A carbonaceous material was obtained by treating in the same manner as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.045 mol per mol of starch monosaccharide unit and the amount of adipic acid was 0.042 mol per mol of starch monosaccharide unit.
(比較例1)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.15モルとした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 1)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.15 mol per 1 mol of starch monosaccharide unit.
(比較例2)
第2焼成温度を1200℃とした以外は、比較例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 2)
A carbonaceous material was obtained by carrying out the same treatment as in Comparative Example 1, except that the second firing temperature was set to 1200°C.
(比較例3)
第2焼成温度を800℃とした以外は、比較例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 3)
A carbonaceous material was obtained by carrying out the same treatment as in Comparative Example 1, except that the second firing temperature was set to 800°C.
(比較例4)
実施例1の混合物をデンプンとした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 4)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixture in Example 1 was used as starch.
(比較例5)
グルコースと塩化アンモニウム(グルコース1モルに対して1.1モル)を乳鉢で混合した。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、1000℃まで昇温した。この際、1000℃までの昇温速度は240℃/時間(4℃/分)とした。次いで、窒素ガス気流下、1000℃で60分間熱処理することにより炭化処理を行なうことにより炭化物を得た(第1焼成)。この際、窒素ガスの供給量は、グルコース5gあたり1L/分であった。その後、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。次に、粉砕炭化物を、1200℃まで昇温し、1200℃で60分間熱処理することにより高温焼成処理を行うことにより炭素質材料を得た(第2焼成)。この際、1200℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
(Comparative Example 5)
Glucose and ammonium chloride (1.1 moles per mole of glucose) were mixed in a mortar. The resulting mixture was heated to 1000°C in a nitrogen gas atmosphere. The heating rate to 1000°C was 240°C/hour (4°C/min). Next, a carbonization treatment was performed by heat-treating the mixture at 1000°C for 60 minutes under a nitrogen gas flow, thereby obtaining a carbide (first firing). The nitrogen gas supply rate was 1 L/min per 5 g of glucose. The resulting carbide was then pulverized in a ball mill to obtain a pulverized carbide. Next, the pulverized carbide was heated to 1200°C and then heat-treated at 1200°C for 60 minutes, thereby obtaining a carbonaceous material (second firing). The heating rate to 1200°C was 600°C/hour (10°C/min). The heating and heat treatment were performed under a nitrogen gas flow. The nitrogen gas was supplied at a rate of 3 L/min per 5 g of pulverized carbide.
(比較例6)
メラミンをデンプン単糖ユニット1モルに対して0.015モルとし、第2焼成温度を800℃にした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 6)
A carbonaceous material was obtained by carrying out the same treatment as in Example 1, except that the amount of melamine was 0.015 mol per mol of starch monosaccharide unit and the second baking temperature was 800°C.
(電極の作製)
各実施例および各比較例で得た炭素質材料をそれぞれ用いて、以下の手順に従って負極の作製を行った。
炭素質材料95質量部、導電性カーボンブラック(TIMICAL製「Super-P(登録商標)」)2質量部、CMC1質量部、SBR2質量部および水90質量部を混合し、スラリーを得た。得られたスラリーを厚さ18μmの銅箔に塗布し、乾燥後プレスして、厚さ45μmの電極を得た。
(Preparation of electrodes)
Using the carbonaceous materials obtained in each of the Examples and Comparative Examples, negative electrodes were fabricated according to the following procedure.
A slurry was obtained by mixing 95 parts by mass of a carbonaceous material, 2 parts by mass of conductive carbon black (Super-P (registered trademark) manufactured by TIMICAL), 1 part by mass of CMC, 2 parts by mass of SBR, and 90 parts by mass of water. The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm, dried, and pressed to obtain an electrode having a thickness of 45 μm.
(電池初期容量および充放電効率)
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、プロピレンカーボネートとエチレングリコールジメチルエーテルとを、体積比で1:1となるように混合して用いた。この溶媒に、LiClO4を1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはポリプロピレン膜を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、初期充電前に直流抵抗値を測定後、充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。さらにリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量(初期充電容量)とした(初期充電の評価)。次いで、活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して1.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量(初期放電容量)とした(初期放電の評価)。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。
(Battery initial capacity and charge/discharge efficiency)
The electrode prepared above was used as the working electrode, and metallic lithium was used as the counter electrode and reference electrode. A 1:1 volumetric mixture of propylene carbonate and ethylene glycol dimethyl ether was used as the solvent. LiClO4 was dissolved in this solvent at 1 mol/L and used as the electrolyte. A polypropylene membrane was used as the separator. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.
For the lithium secondary battery having the above configuration, a charge/discharge test was performed using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT") to measure the DC resistance before initial charging, followed by a charge/discharge test. Lithium doping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass until the doping reached 1 mV relative to the lithium potential. A constant voltage of 1 mV relative to the lithium potential was applied for 8 hours to terminate the doping. The capacity (mAh/g) at this time was taken as the charge capacity (initial charge capacity) (evaluation of initial charge). Next, undoping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass until the doping reached 1.5 V relative to the lithium potential, and the discharged capacity at this time was taken as the discharge capacity (initial discharge capacity) (evaluation of initial discharge). The percentage of discharge capacity/charge capacity was taken as the charge/discharge efficiency (initial charge/discharge efficiency) and was used as an index of the utilization efficiency of lithium ions in the battery.
〈サイクル容量維持率〉
上記の初期充放電評価条件を10回繰り返し実施した後に得られた放電容量を10サイクル目の放電容量とした。また、以下の式により10サイクル容量維持率を算出した。
10サイクル容量維持率(%)=10サイクル目の放電容量(mAh/g)/初期放電容量(mAh/g)×100
<Cycle capacity retention rate>
The discharge capacity obtained after repeating the above initial charge/discharge evaluation conditions 10 times was defined as the discharge capacity at the 10th cycle. The 10-cycle capacity retention rate was calculated using the following formula.
10-cycle capacity retention rate (%)=10th cycle discharge capacity (mAh/g)/initial discharge capacity (mAh/g)×100
各実施例および各比較例における炭素質材料の製造条件、得られた炭素質材料の物性の評価結果および電池特性の評価結果を、それぞれ以下の各表に示す。
各実施例の炭素質材料を用いて作製した電池は、高い放電容量とともに高いサイクル容量維持率を示した。一方で、所定の窒素元素含有量または酸素元素含有量を有さない、各比較例の炭素質材料を用いて作製した電池では、放電容量、またはサイクル容量維持率が十分に高いものではなかった。
The production conditions for the carbonaceous materials in each Example and Comparative Example, the evaluation results for the physical properties of the obtained carbonaceous materials, and the evaluation results for the battery characteristics are shown in the following tables.
The batteries fabricated using the carbonaceous materials of each Example exhibited high discharge capacities and high cycle capacity retention rates, whereas the batteries fabricated using the carbonaceous materials of each Comparative Example, which did not have the specified nitrogen element content or oxygen element content, did not exhibit sufficiently high discharge capacities or cycle capacity retention rates.
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